適用于區域電網的三級電能質量綜合監測系統

劉峻，鄭偉，馬超，周喜超，丁曉群，顧喬根

(1.甘肅省電力公司，蘭州市，730050;2.甘肅電力科學研究院，蘭州市，730050;3.河海大學能源與電氣學院，南京市，211100)

0 引言

為提高電力系統的供電質量，確保電網安全、可靠運行，需要對網內的各項電能質量指標進行監測，如諧波、電壓波動和閃變以及三相不平衡度等，必須建立電能質量監測分析系統。因為電力系統干擾具有一定的隨機性，它與負荷特性及系統工作情況有關，隨時間、空間的變化而變化，往往引發事故的干擾出現的時間較短，發生條件特殊，所以需要采用實時在線監測系統對電力系統的各項電能質量指標進行長期監視，摸清污染情況，以便采取相應的措施進行控制。

目前，國內已有部分省市地區電網建成投運監測系統［1-2］，主要存在的問題有:系統可擴展性不強、監測目標單一、監測數據開發有限等，如部分省市采用的系統為2級結構(監測設備-數據中心結構)，從長遠的規劃來看，2級結構的系統具有很大的局限性，如所能承受監測終端接入的能力有限、難以實現與其他系統互連、容易出現數據擁堵等;另外，上述系統大多只針對某一特定目標(如電鐵供電系統)進行監測，難以實現對地區電網電能質量的全面監管，同時造成了難以對電能質量數據的深入挖掘，限制了監測數據的進一步開發利用［3-5］。

本文采用模塊化、標準化設計，將特殊負荷、城市供電、高壓輸電等多類目標的監測納入到系統設計中，實現了電能在發、輸、用等過程的全方位監測(風力發電的監測按特殊負荷建設)，大大提高了監測系統的監管范圍和監測數據的深入挖掘能力。

1 系統的功能與結構

1.1 系統的結構與組網模式

作為國內較早地面向大區域的電能質量數字化分析平臺，本系統采用國內領先的3級分布式結構，如圖1所示，即:監測終端、地區供電公司子站、省監測中心主站3層，實現了數據的分級采集、處理和存儲。3級系統的提出實現了監測數據的分布式計算，大大提高了系統的可擴展能力和大區域電網電能質量的分析能力。3級結構分流了數據，使各級平臺之間數據流向更合理，單向數據傳輸量更小，有效減輕了大量數據集中處理帶來的系統負擔;同時，方便了今后新監測點和子站的接入。

圖1 3級電能質量綜合監測系統結構Fig.1 Structure of power quality monitoring system

第1層為監測終端，主要指變電站電能質量監測終端和用戶側電能質量監測終端，實現電網運行中電能質量數據的在線采集。

第2層為子站，即地區電能質量監測分析子系統，位于各超高壓輸變電公司或各地區供電公司，主要目標是實現對地區電網電能質量問題的監測和分析，并為主站全網電能質量的監測和管理提供數據支撐。

第3層為主站，即省網電能質量監測中心，主要實現對全省電網電能質量問題的綜合監測和統一管理。主站是電能質量監測管理系統的中心，建有對外統一的數據發布功能模塊。

3級網絡結構的設計，大幅提升了電力監管部門的監管力度。(1)當各個地區電網電能質量指標有違限趨勢時，各地區電能質量管理中心可以快速地給予控制命令;(2)省級電能質量管理中心在可以對各地區電網下達電能質量控制命令的同時，還可以在各地區電網之間實現電能質量的協調控制，如實現各地區電網之間的無功調度，這有利于進一步改善全網電能質量水平，更加有利于保證電力系統的安全穩定經濟運行。

系統中心站由數據庫服務器、Web服務器、采集服務器和管理終端組成，負責管理系統主網架，支撐各級用戶對電能質量的需求，匯集各監測點電能質量數據，產生并發布電能質量分析報告。系統中心站架構采用 B/S＆C/S設計模式，集中式管理。C/S(Client/Server)是客戶機和服務器結構，可以充分利用兩端硬件環境的優勢，將任務合理分配到Client端和Server端來實現，降低了系統的通訊開銷。B/S(Browser/Server)是瀏覽器和服務器結構，這種結構的用戶工作界面是通過瀏覽器來實現，主要業務應用邏輯在服務器端實現，無需在客戶端安裝應用軟件，簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統維護與升級的成本和工作量。基于此，各級普通用戶訪問系統采用B/S模式，管理終端和通信服務器均采用C/S模式，兼顧了B/S和C/S模式的技術優點，在實現瘦客戶端的同時，使本系統的性能達到最優。

1.2 系統的監測對象

本設計引入集中化設計思想，在結構上系統共享1套分析平臺，采用統一標準的技術架構。系統將3個以不同監測對象為目標的子系統集中在1個分析平臺上，子系統包括:特殊負荷電能質量監測子系統、城市電網供電質量監測子系統、主網電壓質量監測子系統，實現了不同對象電能質量監測的統一管理。

2 系統的數據組織方式

2.1 數據格式的標準化

系統采用IEEE推薦的PQDIF格式作為信息數據的標準格式［6-7］，要求不同廠商的前置機與系統應用服務器之間進行數據傳輸均采用該通用數據轉換標準，以滿足系統脫離單一設備供應商的系統架構，實現多數據源自由接入為基礎的數據共享平臺。

電能質量監測與分析系統的監測設備來源不同廠商，不同廠商監測終端中數據存儲的格式、通信規約自成體系，互不兼容，而且目前國內也沒有統一的電能質量數據存儲格式要求和通信規約標準。為保證電能質量數據的完整性、正確性、復用性，實現數據的共享，使各廠商的設備能自由接入，系統在采集服務器和監測終端之間引入前置機技術，通過前置機來屏蔽不同廠商的數據不兼容問題。

前置機與中心站的采集服務器間按規定的通信規約通信。數據交換格式采用IEEE1159推薦的標準數據交換格式PQDIF，將從監測終端獲取的電能質量數據發送到采集服務器并保存到數據庫中。同時，前置機還接收中心站采集服務器下發給監測終端的指令，解析監測終端的歸屬廠家，然后將指令按照該廠商的通信規約要求下發給監測終端。因此，前置機使系統數據的管理建立在統一的平臺上，從而實現數據的共享，達到多廠商自由接入的目的。

2.2 各子系統的數據接入

特殊負荷用電、城市供電、高壓輸電等對象可能出現的電能質量問題不同。如特殊負荷，通常關注諧波、三相不平衡等指標;城市供電以供電電壓合格率、電壓閃變和波動為重點;輸電網則要包含電壓驟變、錄波數據、主網電壓等內容。三者的數據來源也不盡相同。

特殊負荷電能質量監測子系統的接入:在變電站或用戶側線路上安裝電能質量監測儀進行在線監測，監測終端將數據上傳至各地區子站，經子站統一處理、分析后將分析結果上傳至主站;部分變電站監測終端直接將監測數據經原通道上傳至主站。

城市電網供電電壓質量監測子系統的接入:電壓質量監測儀通過通用分組無線服務技術(general packet radio service，GPRS)無線傳輸的方式將監測數據送至主站GPRS服務器，由主站統一處理、發布。

主網電壓質量監測子系統的接入:主網電壓質量數據來源于省調度中心能量管理系統 (energy management system，EMS)實時數據庫(屬于安全 I區)。因此，需要在省調度中心安裝(正向型)隔離裝置實現系統從安全I區到安全III區的數據傳輸。主站從安全III區的綜合數據平臺數據采集與監控(supervisory control and date acquisition，SCADA)鏡像數據庫獲取數據。

主站的系統結構如圖2所示。

如圖2所示，為充分利用電力運營部門已有數據資源，本文提出電能質量監測系統與SCADA、用電管理信息系統 (management information system，MIS)等系統進行聯網設計，并能夠通過標準的網絡協議(如TCP/IP協議)實現系統間的通信和數據交換，以便從MIS系統獲取變壓器、線路的檔案信息，并向SCADA系統傳送電能質量數據。各子系統數據送至主站后，分析服務器完成對各類數據的統計、分析并形成各類圖形、報表等，分析結果由數據庫服務器統一存儲。各子系統的分析結果由Web服務器統一發布。各級授權用戶按照其權限等級，通過Web瀏覽器登錄服務器瀏覽、查詢各類數據。主站數據流向如圖3所示。

圖3 系統數據流向(方案1)Fig.3 System data flow(scheme 1)

考慮到省調度中心的SCADA鏡像數據庫可能出現的接入能力飽和情況，為高壓輸電網的監測設計了第2方案:通過在變電所高壓側母線上安裝電能質量監測儀的方式獲取主網電壓質量數據。數據由變電站上傳子站后，經子站統一處理后上傳至主站服務器。

此方式下主站系統結構如圖4所示。

由圖4可以看出，主網電壓質量監測終端將監測數據上傳至上級子站形成特殊負荷電能質量監測、主網電壓質量監測2類數據的交換數據包，并上傳至主站服務器。主站對各類數據統計、分析后形成各類報表，后經Web服務器統一發布。此方式下主站數據流向如圖5所示。

圖4 主站系統結構(方案2)Fig.4 Structure of main station system(scheme 2)

圖5 主站數據流向(方案2)Fig.5 System data flow(scheme 2)

3 系統的高級應用擴展

3級多監測目標系統，豐富了電能質量數據來源，使系統用戶對監測數據的高級應用成為可能。專家系統能夠模仿人類電能質量專家的思維來解決電力系統中有關電能質量方面的復雜問題，它包含大量的電能質量領域專業知識，擁有類似人類專家思維的推理能力，并能合理地運用這些知識來解決實際工作中諸如諧波潮流、故障測距、故障性質、嚴重程度等電能質量問題，并給出解決問題最合理的方案［8-10］。主要設計功能有:

(1)故障診斷。推理機依據存儲在電能質量原始數據庫中的電能質量事件信息，并匹配電能質量知識庫中的規則，按照知識庫中已建立的數學模型，仿照電能質量專家的思維模式，對發生的事件及其原因進行診斷，并提出整改建議。

(2)諧波潮流分析。推理機依據存儲在電能質量原始數據庫中的諧波數據，匹配電能質量知識庫中的規則，按照電能質量知識庫中的數學模型，仿照電能質量專家的思維模式，計算出監測點的諧波潮流方向，為進一步的諧波責任區分和治理提供依據。

(3)電能質量評估。推理機依據存儲在電能質量原始數據庫中的電能質量各項指標合格率數據，匹配電能質量知識庫中的規則，按照電能質量知識庫中的數學模型，對監測點的電能質量狀況進行綜合評估。

4 系統應用實例

該系統正式運行后為甘肅電網電能質量分析與管理提供了有效的手段，圖6所示為系統監測點電能質量數據分析界面。以接入監測系統的110 kV定定牽線為例，通過遠程獲取該條輸電線路所對應電鐵負荷的諧波、電壓波動和閃變等電能質量數據，并生成對應趨勢圖、報表及評估報告等分析結果，可為電鐵負荷電能質量現狀分析及治理提供詳實的決策依據。其中，110 kV定定牽線某時間段諧波電壓趨勢和電能質量分析報表分別如圖7和圖8所示。

如圖8所示，應用該系統監測數據分析110 kV定定牽線諧波現狀，發現監測時間段內主要以3、5、7、9次諧波電壓為主，且電壓總畸變率最大為1.79%，滿足國標限制規定。

5 結語

本文設計的電能質量綜合監測系統實現了對電網電能質量全面監測和綜合管理，目前系統已在甘肅電網成功投入運行，實現了定西、嘉峪關、武威等6個330 kV變電站的接入。系統運行可靠，取得了良好的效果。該系統具有以下主要創新:(1)系統采用了國內先進的3級結構設計，實現了監測數據的分布式計算和高級應用，大大提高了系統的可擴展能力和大區域電網電能質量的分析能力。(2)該系統設計了含多個監測對象的分類監測子系統，如網內的特殊負荷、城市供電、高壓輸電網等，集中監測各類電能質量，實現了對電能質量的全方位監測，對有效開展電能質量監測、監督和治理工作具有一定的指導意義和應用價值。

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