配網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸方法

國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司 余 俊

引言

近年來(lái)，配網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題受到業(yè)界廣泛關(guān)注和重視。一方面，隨著可行技術(shù)的發(fā)展，用戶設(shè)備非線性負(fù)荷、敏感用戶負(fù)荷不斷增加，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量較為敏感，分布式微電網(wǎng)的大量建設(shè)加劇了本來(lái)就較為脆弱的配網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題[1-2]。

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)兩大電網(wǎng)公司對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量比較重視。當(dāng)前電網(wǎng)公司已構(gòu)建了變電站電能質(zhì)量終端-省級(jí)電能質(zhì)量系統(tǒng)-網(wǎng)級(jí)電能質(zhì)量系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和分析模式。然而，現(xiàn)有的電能質(zhì)量體系主要針對(duì)主網(wǎng)側(cè)，安裝與變電站端的電能質(zhì)量終端可通過(guò)電力光纖及時(shí)、完整的將數(shù)據(jù)傳輸至省級(jí)主站，然而配網(wǎng)側(cè)目前并沒(méi)有建設(shè)電力專用光纖通信網(wǎng)絡(luò)，主要原因在于配網(wǎng)覆蓋面廣且地形多樣，建設(shè)成本太高。

現(xiàn)有的配網(wǎng)設(shè)備主要基于電力線載波、無(wú)線蜂窩網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（如：ZigBee 通信技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、RFID 技術(shù)）等方式傳輸數(shù)據(jù)，然而這些通信方式很難保證電能質(zhì)量數(shù)據(jù)完整、有效傳輸，主要原因在于相對(duì)于現(xiàn)有的配網(wǎng)設(shè)備，通常只需要某類或某幾類數(shù)據(jù)（例如配網(wǎng)電表只需傳輸有功、無(wú)功等數(shù)據(jù)），而電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過(guò)100類。

以監(jiān)測(cè)2～25次諧波為例，需要提供諧波電壓幅值、諧波電壓含有率、諧波電流幅值、諧波電流含有率等指標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明現(xiàn)有主網(wǎng)側(cè)每臺(tái)電能質(zhì)量終端每天傳輸數(shù)據(jù)量超過(guò)了1GB，在配網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)單臺(tái)如此大的數(shù)據(jù)傳輸不太實(shí)現(xiàn)[3-4]。

同時(shí)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，邊緣計(jì)算計(jì)算已應(yīng)用多個(gè)領(lǐng)域，邊緣計(jì)算是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開(kāi)放平臺(tái)，就近提供最近端服務(wù)。具體到配網(wǎng)電能質(zhì)量領(lǐng)域，可以將許多計(jì)算功能下沉至端側(cè)，例如諧波超標(biāo)、電能質(zhì)量報(bào)表評(píng)估等，通過(guò)該計(jì)算的應(yīng)用可以極大減少所需傳輸數(shù)據(jù)量，同時(shí)為了保證重要的、關(guān)鍵的電能質(zhì)量及時(shí)而有效的傳輸，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)控制重要數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸。

綜上所述，隨著配網(wǎng)用電設(shè)備和結(jié)構(gòu)的變化，配網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)受到來(lái)自用戶和電網(wǎng)公司的重視。然而，配網(wǎng)點(diǎn)多、面廣等問(wèn)題且單點(diǎn)電能質(zhì)量數(shù)量大，導(dǎo)致非光纖方式下數(shù)據(jù)有效傳輸難以實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)分級(jí)等計(jì)算設(shè)計(jì)適合與配網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?，該方案成功?yīng)用某電網(wǎng)公司現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，所提方案能夠大大降低數(shù)據(jù)傳輸量的同時(shí)，保證重要電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)完整、有效的傳輸。

1 配網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)架

以電力物聯(lián)體現(xiàn)構(gòu)架適合與配網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蚣?，形成“?邊-省級(jí)系統(tǒng)-網(wǎng)級(jí)系統(tǒng)”的通信架構(gòu)。

端。所謂“端”即指配網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端，終端承擔(dān)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆氊?zé)，所謂數(shù)據(jù)采集指配網(wǎng)電能質(zhì)量終端通過(guò)電壓互感器、電流互感器等接入監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)象的電壓和電流信號(hào)；進(jìn)一步，配網(wǎng)電能質(zhì)量終端利用FFT（快速傅里葉變化）等算法獲取諧波、電壓偏差、不平衡度等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要保存一定時(shí)間。所采集的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)需要傳輸至“邊”側(cè)。

圖1 配網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)架

邊。是靠近電能質(zhì)量終端的、具有一定運(yùn)算能力的設(shè)備，是一個(gè)1對(duì)N 臺(tái)配網(wǎng)電能質(zhì)量終端的設(shè)備。它具備數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)運(yùn)算和協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。

省級(jí)電能質(zhì)量系統(tǒng)。是匯聚省級(jí)規(guī)模的配網(wǎng)電能質(zhì)量終端數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，除了基本的數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以外，還需要提供報(bào)表、報(bào)告等分析功能。

網(wǎng)級(jí)電能質(zhì)量系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)一個(gè)電網(wǎng)公司的電能質(zhì)量系統(tǒng)，它包含了電網(wǎng)公司管轄的所有省級(jí)區(qū)域的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)開(kāi)展電能質(zhì)量分析及輔助決策等應(yīng)用。

2 邊端實(shí)現(xiàn)方法

2.1 邊端鏈路建立方法

配網(wǎng)所覆蓋的面積廣闊，在現(xiàn)有通信方式下，需要合理、科技的建立多個(gè)邊端通信策略才能保證數(shù)據(jù)有效傳輸。為了靈活、自主的搭建邊端通信關(guān)系，本文基于k-means 算法，基于端端距離確定配網(wǎng)電能質(zhì)量終端應(yīng)接入的邊設(shè)備。

其實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括以下過(guò)程：基于地理分布，測(cè)試配網(wǎng)電能質(zhì)量終端到端的距離,設(shè)已安裝了的配網(wǎng)電能質(zhì)量設(shè)備的距離為L(zhǎng)=[l1,l2,...,lk]，隨機(jī)初始化C 個(gè)聚類中心；通過(guò)公式Rmh=|Vm-Ch|2計(jì)算配網(wǎng)電能質(zhì)量終端與C 個(gè)聚類中心的距離R，獲得C個(gè)R 后，將所計(jì)算更新每個(gè)R 值的聚類中心依次重復(fù)，直到聚類中心C 的值基本不變。

通過(guò)以上過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)可動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)且最優(yōu)的決定配網(wǎng)電能質(zhì)量裝置與邊的連接關(guān)系，當(dāng)某個(gè)或某幾個(gè)邊退出運(yùn)算時(shí)，基于以上算法可快速、自動(dòng)、有效的建立新的通信關(guān)系。

2.2 數(shù)據(jù)分級(jí)處理

眾所周知，從時(shí)間尺度上可將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)指標(biāo)可分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大類，其中暫態(tài)指標(biāo)主要包括電壓暫降、電壓暫升及短時(shí)中斷等。據(jù)國(guó)內(nèi)外研究報(bào)告，因電壓暫降引起的用戶投訴占所有電能質(zhì)量問(wèn)題的80%以上，為此電壓暫降數(shù)據(jù)是最為重要的，因此列為最為重要的傳輸類數(shù)據(jù)，其次分別是電壓暫升、短時(shí)中斷。

穩(wěn)態(tài)指標(biāo)包含電壓偏差、三相不平衡、頻率偏差、諧波、電壓波動(dòng)與閃變等五類指標(biāo)，從業(yè)界關(guān)注的情況來(lái)看，諧波問(wèn)題尤受重視，其次是三相不平衡度，再次是電壓偏差和電壓波動(dòng)與閃變，最后是頻率。

需要說(shuō)明的是，并不是頻率指標(biāo)不受重視，而是因?yàn)楝F(xiàn)代電力系統(tǒng)中頻率控制和條件技術(shù)已非常成熟，通常不會(huì)引起較大波動(dòng)，當(dāng)然一旦頻率異常將對(duì)系統(tǒng)造成毀滅性的影響，可能引起區(qū)域性用戶停電以及并網(wǎng)電廠特別是新能源電廠拖網(wǎng)等問(wèn)題。

基于以上情況本文將穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分為四級(jí)：一級(jí)為諧波數(shù)據(jù)。諧波數(shù)據(jù)指標(biāo)較多，僅2～25次諧波時(shí)也衍生出上百類指標(biāo)，如諧波幅值、諧波相角、諧波功率、諧波含有率等。為了減少數(shù)據(jù)傳輸量本文僅要求傳輸諧波幅值、諧波相角兩類衍生指標(biāo)。

二級(jí)數(shù)據(jù)電壓偏差與不平衡度，配網(wǎng)中供電電壓和三相不平衡度問(wèn)題較為普遍，一直以來(lái)是配網(wǎng)管理人員重點(diǎn)關(guān)注和治理的對(duì)象。

三級(jí)數(shù)據(jù)為電壓波動(dòng)與閃變，隨著用戶非線性、敏感設(shè)備的大量接入，電壓波動(dòng)與閃變問(wèn)題逐漸被用戶關(guān)注；四級(jí)數(shù)據(jù)為頻率偏差，前面已有分析，不在贅述。

本文設(shè)計(jì)劃分的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)中暫態(tài)數(shù)據(jù)優(yōu)于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，因此綜合下來(lái)總共包含6個(gè)等級(jí)。當(dāng)暫態(tài)數(shù)據(jù)傳輸完畢后再傳輸穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸原則則為以上劃分的優(yōu)先級(jí)。

通過(guò)以上策略，可以保證重要的數(shù)據(jù)及時(shí)、完整的傳輸。同時(shí)需要說(shuō)明的是，以上優(yōu)先級(jí)只是針對(duì)常規(guī)情景，具體使用時(shí)可根據(jù)所監(jiān)測(cè)的對(duì)象關(guān)注的問(wèn)題側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，例如某線路三相不平衡問(wèn)題較為嚴(yán)重、則可將其調(diào)整為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的最優(yōu)級(jí)，而一些偏遠(yuǎn)的供電區(qū)域電壓指標(biāo)則可能最為重要，為此傳輸優(yōu)先級(jí)最高的則選為電壓。

一旦數(shù)據(jù)分級(jí)確認(rèn)后，首先根據(jù)優(yōu)先級(jí)制定某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸策略表，優(yōu)先級(jí)最高的數(shù)據(jù)占用通信資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，等待數(shù)據(jù)傳輸完成后傳輸下一級(jí)的數(shù)據(jù)，同時(shí)需要考慮系統(tǒng)最新運(yùn)行情況，在傳輸時(shí)一旦有優(yōu)先級(jí)更高的數(shù)據(jù)，如電壓暫降數(shù)據(jù)產(chǎn)生，則將該數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)傳輸策略表中并暫終止當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸，開(kāi)展插入的優(yōu)先數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 邊緣計(jì)算

通過(guò)數(shù)據(jù)分級(jí)處理，只能保證重要數(shù)據(jù)及時(shí)、完整的傳輸，但不能減少數(shù)據(jù)傳輸量。為此需要邊對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行一定處理以減少數(shù)據(jù)傳輸量。

對(duì)于暫態(tài)數(shù)據(jù)，僅傳輸事件描述、不傳輸波形。通常，暫態(tài)事件發(fā)生時(shí)終端會(huì)觸發(fā)錄波功能，但波形數(shù)據(jù)可能大數(shù)M，不適合于傳輸，本文所設(shè)計(jì)的暫態(tài)數(shù)據(jù)傳輸項(xiàng)僅包括發(fā)生時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、暫態(tài)最大深度等幾個(gè)事件描述指標(biāo)，當(dāng)然在一段時(shí)間內(nèi)波形數(shù)據(jù)依然需要存儲(chǔ)于配網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端中，一旦分析需要可主動(dòng)讀取，對(duì)于主動(dòng)讀取的請(qǐng)求需即可響應(yīng)和傳輸。

對(duì)于穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。對(duì)于用戶和電網(wǎng)公司來(lái)說(shuō)好的電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是不需要進(jìn)一步處理的，因此可基于電能質(zhì)量國(guó)標(biāo)設(shè)置限值，當(dāng)指標(biāo)超標(biāo)時(shí)才上送，通過(guò)該處理可大約減少90%的數(shù)據(jù)傳輸。例如頻率的國(guó)標(biāo)為49.8Hz～50.2Hz，通常頻率指標(biāo)是符合該限值要求，很有可能一年內(nèi)都不需要傳輸具體的頻率值。

電能質(zhì)量評(píng)估報(bào)表。通過(guò)以上對(duì)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的處理雖然極大減少電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸量體，但也犧牲了主站端能夠掌握監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)特性，為此要求電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端或邊具有電能質(zhì)量評(píng)估報(bào)表生成能力，能夠利用最大值、最小值、平均值、95概率值生成日、月報(bào)表，通過(guò)該報(bào)表可有效彌補(bǔ)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)處理帶來(lái)的問(wèn)題，即生成諧波報(bào)表、電壓報(bào)表、電壓波動(dòng)與閃變報(bào)表、三相不平衡報(bào)表及頻率報(bào)表，這些報(bào)表一旦生成需要立即傳輸。

異常數(shù)據(jù)檢測(cè)。異常數(shù)據(jù)是指符合常規(guī)運(yùn)行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)的出現(xiàn)不僅影響到電能質(zhì)量運(yùn)算分析，可能引起管理者做出錯(cuò)誤的決策。因此本文考慮了對(duì)該類數(shù)據(jù)的處理，異常數(shù)據(jù)檢測(cè)主要包括異常極值檢測(cè)（如某個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于或小于前后值的數(shù)據(jù)）、小波動(dòng)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)檢測(cè)（相較于前后數(shù)據(jù)明顯變化）等，這些異常數(shù)據(jù)可能是電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端造成，也可能是被人為攻擊網(wǎng)絡(luò)后篡改導(dǎo)致，因此必須提供該類數(shù)據(jù)的檢測(cè)計(jì)算。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文所提的方法成果應(yīng)用某地市供電局，所選擇的驗(yàn)證區(qū)域選用無(wú)線蜂窩技術(shù)的4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但由于基站數(shù)量及該區(qū)域山地較多、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較差，通過(guò)對(duì)比全指標(biāo)傳輸和本文所提方法的數(shù)據(jù)傳輸，統(tǒng)計(jì)了兩種傳輸模式下重要數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)傳輸量、信息完整性等三個(gè)指標(biāo)的情況，具體如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)對(duì)比

從表1可知，采用現(xiàn)有主網(wǎng)的全指標(biāo)傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)僅能完成40%的數(shù)據(jù)傳輸，其后果是導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)延遲獲得，這種延時(shí)隨著運(yùn)行時(shí)間增加而增加，相比之下，本文所提算法能極大改善和緩解該問(wèn)題，三個(gè)指標(biāo)都超過(guò)90%以上，可有效說(shuō)明本文所提方法能夠保證配網(wǎng)電能質(zhì)量重要信息不丟失，管理者能夠較為完整的掌握配網(wǎng)電能信息。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，配網(wǎng)電能質(zhì)量越發(fā)受到用戶和電網(wǎng)公司的重視。然而配網(wǎng)區(qū)域大、覆蓋面廣、地形復(fù)雜多樣，在沒(méi)有專用電力光纖通信支撐下難以實(shí)現(xiàn)所有指標(biāo)的電能質(zhì)量及時(shí)、完整的數(shù)據(jù)傳輸。

為此，本文提出了配網(wǎng)電能質(zhì)量通信架構(gòu)，并基于該架構(gòu)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)分級(jí)、邊緣計(jì)算等策略，通過(guò)這些策略有效結(jié)合使用，可在不顯著減少電能質(zhì)量信息完整性的情況下保證重要數(shù)據(jù)有效、及時(shí)的傳輸，通過(guò)工程數(shù)據(jù)有效驗(yàn)證了本文所提方法的可行性。