電氣化鐵路電能質量監測系統設計方案研究

羅劍波，徐 軍，左 萍，陳 洶，趙 莉

（國網電力科學研究院，江蘇 南京 210003）

近年來，電氣化鐵路（簡稱電鐵）由于具有運輸能力大、消耗能源少、環境污染小、運營成本低等突出優點在我國得到了迅猛發展。到2010年全國鐵路營業里程將達到9萬km以上，電氣化率達到45%以上[1]。然而，電力機車由于采用單相、整流供電方式，運行時從電網吸收工頻功率，同時又向電網注入了諧波和負序電流，再加上其負荷具有沖擊性和沿線分布廣的特點[2]，對電網的影響日益突出。有關部門經過測試得出結論：目前與電氣化鐵路供電相關的電網普遍存在諧波和負序電流超標現象，電氣化鐵路負荷呈現不規則波動性[1]。這種影響具體到電網中會引起電網自動化設備的誤觸發、電力設備和材料損耗增大、芯片等高科技產品合格率下降，等[3]。因此，迫切需要在電鐵地區建立一套功能完善的電能質量實時監測系統，為有效實施電能質量治理打下技術基礎。

1 電鐵電能質量監測系統的研究現狀

1.1 有關電能質量監測的標準

1.1.1 國際標準

國際上有關電能質量的定義和規范主要有兩個標準體系。一是由IEC（國際電工委員會）指定的IEC61000系列，另一個是IEEE（美國電氣和電子工程師協會）制定的 IEEEStd519、IEEEStd1100、IEEEStd1159等系列。IEC主要從電磁兼容和相互干擾的角度考慮，對電磁干擾及其對電能質量的影響進行分類。IEEE根據電壓擾動的變化幅值、持續時間、頻譜范圍等特征進行分類[3]。

1.1.2 國內標準

我國目前為止已經制定了6項主要電能質量國家標準。包括《供電電壓允許偏差》、《電力系統頻率允許偏差》、《三相電壓允許不平衡度》、《電壓波動和閃變》、《暫時過電壓和瞬態過電壓》和《公用電網諧波》。另外，在2005年制定了《電能質量監測設備通用要求》[4]，以對日漸增多的相關監測設備進行基本的規范。

1.2 國內外電能質量監測的研究現狀

1.2.1 國外現狀

由于電能質量直接關系到工業生產和社會用電，電能質量在美國等工業發達國家很早就引起人們重視。電鐵作為影響電能質量的主要原因之一，它的不斷發展也就要求電能質量監測和治理的技術日臻完善。雖然，各個國家和地區電鐵接入電網的方式各有不同，但對電能的質量需求是一致的。所以，一方面，電能質量產品特別是監測終端產品不斷涌現，得到了應用廣泛，并逐漸采用了統一的數據交互標準[11，12]；另一方面，在電能質量監測方面也涌現了一批比較著名的企業或研究機構，比如：美國電科院（EPRI）、美國電能標準實驗室（PSL）、美國電力士公司（Dranetz-BMI）、瑞典聯合電力公司（UniPower）、以色列Elspec公司等，它們在電能質量監測和治理方面取得了不少成果。

1.2.2 國內現狀

相對于發達國家，我國電鐵電能質量監測系統起步較晚，但發展迅速。2000年以來，我國多個省市電網先后對轄區內包括電鐵沿線的電網安裝了電能質量監測終端，建設了電能質量監測平臺，這些平臺利用先進的通信和網絡技術，吸取了國際上的成熟經驗，取得了一定的監測效果；也涌現出了一批企業和實驗室對電鐵電能質量做深入研究，制定標準，擁有了一些自主知識產權的產品。

1.3 對我國電鐵電能質量監測系統的認識

我國電鐵用電具有2個顯著特點：一是區別于國際上常用的單獨供電網方式，多數通過電鐵沿線的牽引變電站與220 kV或110 kV電網相連，電網其他用戶受電鐵影響更為緊密，電能質量監測系統的覆蓋面也更為廣泛；二是我國幅員遼闊，一條電鐵往往串連數個省份，而我國電網是以?。ㄖ陛犑校閱挝贿M行建設和維護，這就決定了全面的電鐵電能質量監測系統的建設難度更大、管理更為復雜。

針對上述2個特點以及國內在電鐵電能質量監測系統的應用和研究情況，（1）到目前為止國內對電鐵電能質量監測系統雖然有了一定的研究，但從具體的應用實際來看，作為完整的實時監測系統在工程實踐中并不多見，還存在不少問題。（2）一套完整的電鐵電能質量監測系統通常應該包含三大主要部分——監測終端、通信網絡和數據中心及其應用（系統結構如圖1所示）。監測終端分布于電鐵沿線需要監測的各個節點（主要是一些牽引電站、電網供電用變電所），對線路的電能質量進行持續的監測；通信網絡將各監測終端的監測數據匯總到數據中心進行存儲；數據中心提供在線的實時數據訪問，歷史數據存儲，數據分析和電能質量情況報告，為進一步進行電能質量的治理提供決策；同時，各個部分應該配有相應的功能或應用才能夠真正實現電鐵電能質量監測和治理。

圖1 電鐵電能質量監測系統結構

2 我國電鐵電能質量監測系統存在的問題

2.1 數據采集

數據采集是電鐵電能質量監測系統的第一步，是監測系統中采集終端的最主要功能?！峨娔苜|量監測設備通用要求》要求監測終端能夠監測到2～25次的諧波，諧波電壓和電流的測量精度最高需分別小于額定值的0.05%和0.15%。目前國內大部分監測設備都能達到最高測量精度和諧波次數要求。

雖然諧波是包括電鐵應用的電能質量監測的主要測量對象，但是很多情況下暫態的電能質量現象的重要性不容忽視。隨著電網工業用電負載日益復雜，暫態的電能質量事件逐漸頻繁。而現有的電能質量監測設備多數僅達到 《電能質量監測設備通用要求》中相應的不算苛刻的標準。相比而言，國外許多的監測設備這方面的指標很突出，如可監測到500次諧波和短暫的暫態事件，這樣更有利于分析復雜突發事件的產生原因。以目前的電子信息技術基礎，高指標的采集要求不難達到，相信在不遠的將來，我國相應產品這方面的性能會不斷提高并達到國際先進水平。

2.2 數據同步

在國家標準框架內，電能質量監測的同步采集不是必需要求。但作為區域電網的在線數據監測系統，電能質量監測系統除了電能質量采集和分析功能外，還可提供區域范圍內的暫態故障或暫態電能質量事件的全面數據。一旦發生故障，監測系統數據中心或授權的訪問終端即可將數據取出進行分析。而現有的故障記錄儀往往孤立分布于各站，當故障發生后，需經過復雜的步驟和很長的時間才能對有關線路的故障波形有全面的了解。如果能實現同步高速采樣，將大大減少故障定位、分析以及采取應對措施的時間，從而減少不必要的損失[5]。

同步采樣的基礎是時鐘同步技術，同步源主要有GPS、北斗和銫時鐘等。像國網電科院的PowerGTS時鐘同步系統等高可靠的同步系統如也逐漸成為電網的必要配置。因此，只要業內認識到同步采樣的潛在價值，該功能將很快得到實現。

2.3 數據簡約

數據簡約是指在大量的數據中只提取有用的信息，使后續處理的數據量盡量降低。由于電力通信資源有限，減少設備的通信開銷是必須要考慮的問題。由于電鐵電能質量監測系統的每個監測終端都是連續在線的監測一條或多條線路的電流電壓數據。未經簡約處理的數據將會給通信網絡帶來巨大的壓力。所以目前國內絕大部分監測終端遵從國家標準，最小數據上傳間隔為3 s，至少上傳該時間間隔內的電能質量數據的最大值，終端保存至少15 d的關鍵數據。

而國際上先進的電能質量監測終端在數據簡約上已經實現了很大的突破。Elspec的G4000電能質量監測終端能夠將原始采樣數據實現1 000∶1壓縮率進行保存。這種技術可以帶來如下收益：準確記錄暫態電能質量事件的完整過程，而不是只記錄結果；為上文提到分布式系統的暫態故障提供數據存儲的可行性；大大減少通信帶寬占用；在合理的存儲成本下可以就地保存長期（如1年）的電能質量數據，減少設備維護成本。

設備的低成本、高效率和智能化是智能電網發展的要求。相信在我國如此廣闊的電鐵應用領域下，數據簡約和監測終端上的其他智能化的技術將得到快速發展。

2.4 網絡結構

我國現有的電鐵電能質量監測系統的通信網絡物理上都是基于電力專用的業務數據網。監測終端通常通過以太網、E1、Modem等接口接入安裝站點的數據網，數據中心在調度端從數據網接收各站的電能質量信息。

在網絡實現原理上，各系統根據需求和實現條件采用了多種方式。如江西的浙贛電鐵電能質量監測系統采用CORBA網絡架構和OPC控制協議；云南某電能質量監測系統采用了三層網絡結構和基于WEB的訪問協議；廣東某電能質量監測系統采用了國際上成熟的PQView訪問軟件和PQWeb訪問協議[3，7，8]。

電鐵電能質量監測系統通常有各省電網公司建設，采用網絡技術和數據管理手段不盡相同，在互連和統一管理上存在較大的困難。即使在省內，不同時期建立的電能質量監測系統互連性也不能得到保證。

2.5 數據應用

同網絡結構一樣，各省的電能質量監測系統的數據集中和分析軟件也各具特色。在電能質量數據的文件格式上，有自定義的格式，也有采用國際上通用的PQDIF格式[10]；在數據庫的組織上，有采用Oracle的，也有采用IBM DB2的；在電能質量的分析上，都具備諧波和其他電能質量現象的分析功能但在分析密度、實時性等指標也各有不同。

除了上述的不同之外，數據中心的分析也有共同的發展趨勢。如使用國際通用的文件交換格式；通過Web進行數據訪問；采用成熟的商用數據庫進行管理；對電能質量現象進行更深入的分析和報告。這些趨勢多數在國外的分析軟件種已經是基本的內容，一方面說明我國電能質量的監測分析水平和國外還有一定差距，另一方面說明正向國際先進水平靠近作出努力。

3 我國電鐵電能質量監測系統的設計

3.1 采集終端

未來的采集終端將能夠實現完全自主知識產權化，具備國際先進水平的數據采集和處理技術。并且作為智能電網的重要數據節點，它不僅具備電能質量的收集能力，同時能夠實時、同步的捕捉各種暫態電能質量事件和其他線路故障事件；能夠長期保存經簡約處理的電能質量數據；能夠動態的投入或退出監測網絡。

圖2是所研究的智能監測終端的原理框圖。該終端以高比率波形數據壓縮、實時電能質量計算、高精度同步采樣為主要核心內容；支持數字化變電站的IEC61850接口標準；內置WEB服務器以方便接入監控網絡；直觀顯示當前電流、電壓波形；實時計算電能質量穩態和暫態事件。

圖2 電鐵電能質量監測終端原理框圖

3.2 通信網絡

未來的通信網絡將不再局限與某省的一個電鐵沿線范圍，而是可以跨省互連；網絡不再局限于電鐵電能質量的監測，而是與城市電網、工業集中區等領域的電能質量監測融合，實現最少投入，最多產出。網絡的結構將更加安全，網絡監測節點、訪問節點、數據中心節點的配置也更加靈活，不再局限于一省一目的一中心，而是根據不同時期的多種監測需求，動態布置。

圖3是本文所研究的監測系統網絡的結構框圖。網絡方式可以是因特網、電力系統綜合數據網、撥號網絡等，或者是多種方式的組合；監測終端根據需要配置于電鐵沿線全段或局部，同時兼容其他應用如城市電網和工業集中區的監測終端；數據中心可配置一個或多個，可自動進行數據庫的同步更新；可根據運行或故障分析需要通過授權終端隨時對某監測終端和整個系統進行實時監測或事件分析。

圖3 電鐵電能質量監測網絡框圖

3.3 數據中心

未來數據中心的主要特點是標準化和應用化。標準化的文件交互格式、網絡訪問協議、數據庫接口、電能質量的分析過程和輸出報表。在兼容國際標準的基礎上，也可以發展適合我國電網需求的、具有自主知識產權的電能質量有關標準。同時，結合實際需求開展各種應用研究，提高對電能質量的監測和治理水平。

圖4是所研究的監測系統數據中心的功能實現層次結構圖。由于監測終端具有一段時間保存監測數據的能力，數據中心可定期或實時訪問各監測終端，以適應不同的通信帶寬條件。數據庫保存監測網絡的原始線路波形數據和國家標準規定的關鍵電能質量數據，根據不同的業務需要進行提?。煌ㄐ艑拥腤EB客戶端負責對各監測網絡的數據訪問和參數設置，WEB服務器端負責網絡上授權的終端對數據庫進行訪問；業務層除了具有完整的區域電能質量分析和報告的常規功能，還有區域電網暫態事件的綜合分析能力 （基于智能監測終端的同步數據采樣），可自動在暫態事件發生后進行有關節點數據的收集、分析和報告。

圖4 電鐵電能質量數據中心層次結構

3.4 電能質量

在智能的監測終端、先進的通信網絡、規范的數據中心的支持下，在不斷完善的電能質量監測標準的指導下，未來的電鐵電能質量監測將能實現跨省、跨線甚至全國范圍內的統一布局和管理。通過對全面的電能質量監測數據的分析，電鐵的電能質量問題治理也將更加合理和深入。

4 結束語

隨著我國經濟社會的快速發展，電鐵的發展勢頭越來越猛，電鐵電能質量監測系統的需求也就會越來越迫切。以我國現有技術水平而言，多數監測系統還處于研究和應用的初步階段，但發展勢頭良好。作為保障電網安全運行的重要監測環節，作為智能電網的重要組成部分，電鐵電能質量監測系統需要系統的設計和研究、需要不斷的完善，更重要的是要不斷地得到應用和推廣，在應用中發展、在應用中完善，從而使我國在該領域的技術能力和知識產權實力迅速達到國際領先水平。

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