3G通信電能質量監測系統的應用

朱偉立，田曙光，張偉，謝澤，金偉偉

（1．南京燦能電氣自動化有限公司，南京211100；2．上虞市供電局，浙江上虞312300）

3G通信電能質量監測系統的應用

朱偉立1，田曙光1，張偉1，謝澤2，金偉偉2

（1．南京燦能電氣自動化有限公司，南京211100；2．上虞市供電局，浙江上虞312300）

基于MIS網絡的電能質量監測系統在許多電網公司已經得到了廣泛的應用。然而屬于電力企業內網的MIS網絡無法覆蓋電力系統外的電力用戶，使電能質量監測和管理工作出現盲區。根據電能質量監測系統要求，組建了基于3G通信的電能質量監測系統，通過監測數據對各接入點的電能質量狀況進行分析，實現了對用戶電能質量的長期實時監測。

3G通信；電能質量；監測系統

近幾年，有關部門先后制訂和修訂了多項關于電能質量的國家標準，對電能質量的概念、測量方法和運行規范提出了科學和明確的要求，進一步規范了電能質量的監測和評估工作。

然而，目前建立的電能質量監測系統使用的都是基于電力企業MIS（管理信息系統）的網絡，不可能納入系統外的電力用戶。因此，電力用戶即使安裝了電能質量在線監測裝置，由于通信網絡的限制，電力企業的監測系統也無法將其納入監控管理。

3G（第三代數字通信技術）具有高覆蓋率、高傳送速率的特點。將3G通信技術應用于電能質量監測系統中，無需鋪設通信線路，項目實施方便，建設成本較低。隨著移動運營商對3G網絡的不斷建設，其通信穩定性已經可以滿足電能質量監測系統的要求。同時3G網絡的運行費用也在逐步較低，是目前對廣大電力用戶實現電能質量監測的優選方案。

1 監測系統的結構與功能

1.1 監測系統的結構

電能質量監測系統基于B/S（瀏覽器/服務器）構架，通信網絡采用3G技術，運用商業數據庫和內存實時數據庫相結合的方法，對電能質量數據進行顯示、分析、管理和應用，適用于區域分散用戶的電能質量集中監控和管理。監測系統網絡拓撲見圖1。

監測系統包含了系統服務器、3G通信環境、電能質量在線監測裝置、客戶端4個組成部分。系統服務器位于局端的中心機房，由以下4部分構成：

（1）數據服務器：負責對監測點數據的讀、寫操作。

圖1 監測系統網絡拓撲

（2）通信服務器：負責進行與電能質量監測裝置的數據傳輸。

（3）VPN（虛擬專用網絡）服務器：負責建立3G平臺的通信環境。

（4）Web（網絡）服務器：負責發布系統的展示頁面和管理訪問用戶。

3G通信環境由3G路由設備和移動運營商的3G通信網絡組成（支持TD－SCDMA，CDMA 2000，WCDMA及混合模式），利用VPN和PPTP（點對點隧道協議）功能，建立內部專網，DDNS（動態域名服務）動態域名解析。

挑選典型企業作為監測對象，以PCC（可編程計算機控制器）點作為監測點，裝設電能質量在線監測裝置。每個監測點接入獨立的3G路由設備，由3G路由設備發送監測點的分鐘統計數據和事件報文。

用戶通過互聯網，以頁面瀏覽方式登陸監測系統。可根據管理員授權的用戶名和密碼，訪問系統頁面，查閱監測點數據及各項電能質量指標，分析監測點電能質量狀況。

1.2 監測裝置的功能要求

電能質量裝置須滿足IEC 61000－4－30《試驗和測量技術——電能質量測量方法》、GB/T 198162《電能質量監測設備通用要求》、Q－GDW《650電能質量監測終端技術規范》規定的技術要求，采集電壓偏差、系統頻率及偏差、不平衡度、電壓波動和閃變、公用電網諧波、間諧波、驟升、驟降、電壓中斷等相關指標。裝置能夠遠程設置和修改電能質量指標參數，支持PQDIF（電能質量數據轉換格式）數據接口，統計數據時間間隔1～10 min可調，支持數據補招功能。

1.3 通信環境指標

室內、外環境中能夠分別支持至少2 Mbps和384 kbps傳輸速度，碼片速率1．2288 Mcps，3G路由設備需要支持PPTP/L2TP協議，支持端口數據轉發。

以每個監測點進行流量測算：3G路由設備定時發送心跳報文，監測點數據為每1 min發送1次測試報文，每5 min發送1條監測點的統計數據。

每天TCP（傳輸控制協議）連接、心跳報文、設備數據傳輸各部分產生的流量分別是：成功建立1次TCP連接產生的流量0．371KB；心跳報文產生的總流量116．64KB；監測點測試報文產生的總流量172．8KB；24 h內統計數據產生的總流量8．492MB。

1天采用3G傳輸所產生的流量為以上數據的總和，約8．5MB。

1.4 后臺系統的功能

（1）監測系統的容量：支持不少于300個PPTP客戶端，支持250個數據監測點，每個監測點流量約定為每月500MB。

（2）通信狀態的監控：后臺系統能實時監控裝置的運行狀態，統計數據流量情況，具備歷史追溯功能。

（3）監測數據的存儲：監測系統需采用專業的商業數據庫進行數據管理，監測點的各項電能質量監測數據能長期存儲在遠方服務器中，服務器中至少能保存3年以上的數據不丟失。

（4）監測數據的顯示：后臺系統能顯示基波電壓、電流、電網頻率、各次諧波電壓、電流曲線；不平衡度曲線，電壓、電流諧波總畸變率曲線，閃變曲線，ITIC（CEMBA）曲線，暫態事件描述。

（5）統計報表的形成：系統能自動形成日、月、年度統計報表，報表中需包含各項監測指標的最大值、最小值、平均值、諧波電流值，支持報表手動生成，支持報表的遠程下載功能。

（6）監測系統的安全：監測系統由于其搭建的平臺是基于互聯網，而監測點的數據又具有一定的保密性，對于系統的訪問需要有一定的安全措施，不同的權限用戶的訪問需要進行相關授權，同時還應有防止惡意攻擊的措施。

2 監測系統的運行

某地區非線性負荷用戶較多，選擇在城區具有代表性的某110 kV變電站，其系統接線如圖2所示。對該變電站供電的不同工況企業用戶進行梳理和歸類，選擇具有典型性和代表性的企業作為監測對象，決定在該變電站選擇1號主變壓器（簡稱主變）低壓側、2號主變低壓側、508出線以及7個企業專線用戶（A—G）作為監測對象（基本情況如表1），共計10個監測點，分別安裝獨立的電能質量在線監測裝置。

圖2 變電站主接線

通過對這些監測點的電能質量監測，分析用電情況以及其產生的電能質量污染對供配電系統的影響。

上述10個監測點的電能質量在線監測裝置，通過3G路由設備接入Internet。3G路由設備和供電局機房服務器組通過DDNS動態域名解析，獲得進入電能質量監測系統平臺的入口，組成電能質量專用網絡。服務器組通過規約程序和Oracle數據庫協同工作，并開啟數據補召機制，將3G路由設備傳輸的監測點電能質量分鐘統計數據和電能質量暫態事件傳輸到服務器中存儲和分析。

系統自2012年10月搭建完成以來，各個監測點的數據完整，每個監測點的日數據流量在9M左右，符合監測點日流量的理論值。同時監測系統后臺各功能模塊運行良好、系統穩定，能隨時調閱各項電能質量指標數據、事件報文、統計報表，進行展示和分析。

3 系統諧波電流分析

3.1 主要監測數據

根據系統運行2個月獲取的監測數據，觀察各監測點的各次諧波電流值可以發現2號主變低壓側及2號主變所帶負荷的諧波電流較低；1號主變低壓側及1號主變所帶負荷的監測點上3，5，7，11，13，17，19，23次諧波較為明顯，這也和這些企業整流性設備較多相符合，在這些諧波電流中以3，5，7，11次諧波更為突出。

下面對1號主變負荷的3，5，7，11次諧波情況進行初步分析。表2為各監測點三相中諧波電流最大一相的數值。

3.2 3，5次諧波分析

表2中A軸承、B光伏、C銅業、D機電的3，5次諧波電流按照GB 14549－93《電能質量——公用電網諧波》中諧波源的相量疊加公式計算。

式中：Ih為第h次諧波電流；Ih1為諧波源1的第h次諧波電流；Ih2為諧波源2的第h次諧波電流；Kh為系數，查文獻[4]可知，Kh=1．62（h=3），Kh=1．28（h=5）。

表1 各監測點情況

表2 各監測點諧波電流值

可以發現1號主變低壓側的電流諧波值主要由A軸承、C銅業產生。這4個負荷構成該段母線3，5次特征諧波電流值，其中以A軸承、C銅業為主要3，5次諧波電流輸出源。

3.3 7次諧波分析

表中508線路的7次諧波電流值由A軸承、B光伏的7次諧波電流迭加而成，但是在1號主變低壓側監測到的7次諧波電流明顯大于它下面各分支監測到的7次諧波電流的迭加。這說明A軸承、B光伏、C銅業、D機電不是這一母線上主要7次諧波源，必要時應該尋找新的監測點接入系統進行分析。

3.4 11次諧波分析

表2中1號主變低壓側11次電流諧波值小于508線，可以看出A軸承產生的11次諧波電流并未完全注入系統，而是部分被同一母線上的其他負荷吸收。但要確定具體諧波情況，需要斷開接入系統的電容器組，監測輸電線路中諧波電流的流向，只有當輸電線路上所有電容器組都切除，才會去除諧波諧振的影響，才能真正確定諧波源。

4 主要諧波負荷分析

A軸承、C銅業負荷的諧波電流在10個監測點中比較突出，下面對這2個負荷的主要諧波電流情況進行分析。

A軸承的主要容量參數：用戶合同容量3．8 MVA，設備容量3．8 MVA，基準短路容量100 MVA，母線最小短路容量180 MVA。

以該企業工作時間段8∶00—17∶30的基波電流曲線（如圖3所示）可以看出，該企業負荷大約在1 000 kVA，占總容量26%。經過與企業現階段生產情況核實，目前市場需求不足大部分生產設備（包含中頻爐等諧波源）未使用。

圖3 A軸承B相基波電流曲線

特征諧波電流測量與限值如表3所示。從表中可以發現11次諧波電流在26%負荷的情況下，諧波值比限值已經到78%，處于越限邊緣。如果考慮該企業大部分生產設備均開啟的情況下，11次諧波電流有可能超標。

表3 各監測點諧波電流值

C銅業的主要容量參數：用戶合同容量9．25 MVA，設備容量9．25 MVA，基準短路容量100 MVA，母線最小短路容量240 MVA。

從工作時間段0∶00—23∶55的基波電流曲線（如圖4所示）可以看出，該企業負荷大約在1 600 kVA，占總容量17%。

特征諧波電流測量與限值比較如表4所示。從表4中數據可以看出在測試時間內主要諧波電流在限值內，但由于企業工作負荷只占總負荷17%，無法反應企業真實的諧波電流情況。

從上述數據可以看出由于各工業企業的生產情況隨市場環境變化較大。在2個多月的監測期間，雖然諧波電流都沒有超過限值，但是不能說明企業在滿負荷生產條件下，諧波電流不超標。因此要掌握企業諧波電流具體情況，需進行長期的監測分析。

圖4 C銅業B相基波電流曲線

表4 各監測點諧波電流值

5 電壓偏差

通過監測系統的電壓合格率統計，系統中的監測點除了“C銅業”企業外，電壓合格率均為100%，而該企業電壓合格率長期在40%～50%之間。

圖5是C銅業與1號主變低壓側的電壓偏差曲線。從圖5可看出，C銅業的電壓偏差超過+7%的標準上限值，而同期變電站的母線電壓偏差合格。由于該企業是專線用戶，對比該企業電壓偏差趨勢曲線和上級變電站10 kV母線電壓偏差趨勢曲線發現，用戶側的線路末端電壓已經超過了線路出線端電壓。查看該企業功率因數變化曲線，其功率因數長期在0．99左右，經過對該企業用電設備排查，無功補償設備存在的無功過補償是造成電壓超上限的根本原因。

圖5 C銅業與1號主變低壓側的電壓偏差曲線

從監測數據看，各個監測點在觀測期間三相電壓不平衡、頻率偏差、電壓總諧波畸變率、電壓波動與閃變都在國標限值以內。

6 結語

從監測系統的運行可看出：由于各個用戶的用電工況復雜，很難保證測試是滿足標準中“諧波電壓（或）電流測量應選擇在電網正常供電可能出現的最小運行方式，且應在諧波源工作周期中產生的諧波量大的時間段進行”的要求。在這種情況下的電能質量普測，無法全面真實衡量用戶的電能質量狀況。只有采用在線電能質量監測設備的長期實時監測，才能真實全面掌握工業用戶的電能質量狀況。而僅僅采用獨立運行的在線式電能質量監測設備，難以站在供配電系統的角度分析各個監測點間的電能質量狀態關系。

基于3G通信技術的電能質量監測系統運行穩定、建設方便、運行維護費用較低，可以便捷、靈活地實現對電力系統外各分散用戶的電能質量狀況長期實時監測。

依靠該系統的建立和長期監測，對監測系統收集的數據進行分析和評估，一方面可以發現用戶存在的潛在問題；另一方面在分析時可以依托系統收集的其他相關監測點數據、趨勢圖和報表，分析各個監測點的電能質量指標相互關系，進而尋求最優化的治理方案。

[1]肖湘寧．電能質量分析與控制[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[2]李鵬，朱強，許曉芳．基于異構平臺的省級電能質量監測網的實現[J]．浙江電力，2006，25（4）∶47－51．

[3]雷斌，余金霞，李忠．電能質量監測系統的方案探討[J]．江蘇電機工程，2009，30（2）∶63－65．

[4]GB/T 14549－93電能質量——公用電網諧波[S]．北京：中國標準出版社，1993．

（本文編輯：陸瑩）

Application of Power Quality Monitoring System 3G Communication

ZHU Wei-li1，TIAN Shu-guang1，ZHANG Wei1，XIE Ze2，JIN Wei-wei2
（1．Nanjing Shining Electric Automation Co．，Ltd，Nanjing 211100，China；2．Shangyu Power Supply Bureau，Shangyu Zhejiang 312300，China）

The power quality monitoring system based on MIS network has been widely applied in many power grid corporations．However，the monitoring system can not cover power consumers outside of the system since MIS network is used in power grid corporations，which causes blind zone to power quality monitoring and management．The paper，in accordance with requirements of power quality monitoring system，establishes a power quality monitoring system based on 3G communication．The system analyzes power quality at each access pointvia the monitored data for long-term real-time monitoring on power quality ofconsumers．

3G communication；power quality；monitoring system

TM933∶TN919

：B

：1007－1881（2013）03－0069－05

2013-01-06

朱偉立（1970-），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統自動化產品的技術研究工作。