電能質量在線監測技術淺談

電能質量的在線監測技術作為智能電網發展的一部分，它的實現必定為智能電網的推進打下堅實的基礎。隨著我國電力市場的逐步建立，對電能質量提出了越來越高的要求。電力用戶也要求高質量的電能來保證其設備、儀器和系統的正常運行。

但是，隨著現代科學技術的迅猛發展，一方面，由于電力電子設備的應用領域越來越廣，特別是各類沖擊負荷和非線性負荷容量的不斷擴展，使得電網中電壓波形發生畸變，電壓波動、閃變和三相不平衡等問題時有發生，嚴重地影響了電能質量;另一方面，由于人們越來越多地使用精密和復雜的電子設備，如計算機、通信設備以及各種過程控制系統來處理和管理工作過程和事務。這就要求高質量和高可靠性的配電系統，以提供與之相適應的電能。

而且，隨著電力工業的飛速發展以及電網的不斷擴大，電力運行對電力調度自動化水平的要求和安全性的要求越來越高，電力調度需要各種功能更為齊全、操作更為簡便的各種電力檢測儀器儀表。但是，目前為止用于監測電網用戶端電能質量的儀器儀表并沒有普及使用，而且隨著電力工業的發展和電能質量概念的逐步深化，電能質量監測發生了新的變化。

隨著電力行業的發展，隨著經濟的發展，供電公司要提高自身的競爭力，其中一個最重要的部分就是提供高質量的電能。那么，提供高質量電能意味著需要對整個電網進行動態實時的監測，這種監測是分散的，是多點監測的。

并且隨著因特網的發展，電力企業更加要求監控具有多點成面的效果，能夠構成全網的實時監測與全網監測信息的共享，在這個情況下，引進了分布式的概念，從而使得電能質量的監測也具有分布式的效果，完全符合電力企業的要求。

1.推廣應用及市場前景

近年來，國際上非常重視電網的智能化運行和控制，自美國提出2030年智能電網規劃后，掀起了智能電網的研究熱潮。2006年，美國IBM公司與全球電力研究機構、電力企業合作開發了“智能電網”解決方案。電力公司可以通過使用傳感器、計量表、數字控件、分析工具來自動監控電網、優化電網性能、快速恢復供電，同時加強與消費者的互動 ，以便讓他們對電能的使用和管理更加了解。意大利埃奈爾能源公司與凱捷咨詢合作啟動了世界上最大的智能電表安裝項目大約2700萬用戶安裝了智能電表，這些電表具有雙向通信、高級計量和管理能力，并通過IP實現數據的分層傳輸控制。

從發展規律來看，智能電網是電力系統發展到一定階段后必然形成的，體現如下：電力系統信息系統的耦合性增強;復雜大系統的理論框架和理論與電力系統運行控制的結合空間增大;輸配電領域與發電、用電側的互動性增強。

從研究特點上看：在信息捕捉和應用上，要體現信息感知的敏銳性、信息篩選的精細化、信息預測的精確化。在智能理論和方法與電力系統技術的結合上要體現決策模型的高效化，優化決策的全局化，控制決策的過程化和結果展示的可知化。

我國智能電網的中長期發展目標和支持原則：

1）智能電網的自愈技術

包括數據的采集和監控系統，精密的測量單元，故障的診斷技術。

2）智能電網互動技術

配電網的與用戶的電能雙向互動及交易，用電信息的實時查詢和用電實時管理平臺。

3）智能電網高質量及其支撐技術

定制電力技術，電能質量技術。

4）制冷電網兼容理論與方法

考慮分布式能源的系統規劃，考慮不確定因素的電網靈活規劃（如沒預料到的嚴重自然災害）。

2.國內外相關概況、水平和發展趨勢

美國、歐洲等發達國家己進行了多年的研究，獲得了大量的數據，并取得了重要的理論和應用成果。我國對電能質量的研究正處于起步階段，但也取得了較大的進展。早期的電能質量問題主要局限在頻率偏移和電壓偏移兩個方面。但是，二十世紀八十年代以來，隨著新興負荷的出現對電能質量的要求更高，還需要設法解決諸如失去電壓、電壓跌落和開關暫態等多方面的電能質量問題。

目前，國內在電能質量監測方面的研究大多局限在諧波問題的研究。也提出和開發了一些監測和改善電能質量的電能質量補償裝置，包括各種有源電力濾波器、動態無功補償裝置、電能質量綜合補償裝置，以及動態電壓恢復器等，與國外的差距是非常明顯的。

①電能質量監測的基礎理論研究

電能質量監測的基礎理論研究，包括統一的畸變波形下電能質量的含義，電能質量的界定方法、評價體系的研究，各功率成份的定義及物理意義研究等。目前為適應不同需要提出了許多功率成份的定義方法，在其數學表達式、物理意義及實施方面各有所長，但距離理論上和實際上的統一的并易于接受的表達式尚有一定的差距。

②測量方法及各種電能質量檢測儀器和設備

各種電能質量指標均應有合理的計算分析方法，特別是針對不同干擾源的預測計算方法及其誤差估計等，建立電能質量指標計算分析程序和數據庫，同時還應建立起電能質量控制裝置的系統仿真模型。

③積極采用數字化控制技術

隨著高速數字信號處理器為基礎的實時數字信號處理技術的迅速發展，并得到廣泛應用，采用模擬量控制的電能質量控制置正用數字量控制代替。這有如下優點：可以程序控制，改變控制方法或算法不必改變控制電路;提高了系統穩定性、可靠性和靈活性，系統不受溫度影響;可重復性好，易調試和批量生產;易實現并聯運行和智能化控制。

3.其它情況

當前小、微電網的電能質量監測系統的設計解決方案層出不窮，以單片機、DSP、ARM、Nios II嵌入式處理器等為開發的系統均是較好的解決方案，之所以看中Nios II 軟核處理器作為我們的設計開發核心，關鍵有以下一些考慮：

首先，SOPC是Altera公司提出的一個靈活、高效的SOC解決方案。它將Nios II處理器、存儲器、I/O口等系統設計需要的功能模塊集成到一個FPGA上，構件成一個可編程的片上系統。具有靈活的設計方式，提供了許多可用的IP核，可裁減、可擴充、可升級的功能。同時其高速的性能為該系統的復雜參數計算提供了很大的便利。

其次，Nios II屬于軟核嵌入式開發，具有靈活性、高性能、低成本、生命周期長等特點，并提供了大量的開發技術文檔和實例，只要有能力，結合FPGA可以做出來任何想象的到的東西，其創造能力是強大的，這就是Nios II乃至其他所有軟核CPU的最大的意義所在。Nios II支持MicroC/OS-II、uClinux等多種實時操作系統，支持輕量級TCP/IP協議棧，支持*.zip的文件系統，Nios II處理器允許用戶增加自定義指令和自定義硬件加速單元，無縫移植自定義外設和接口邏輯，在性能提升的同時，方便了用戶的設計。

再次，Altera在FPGA上開發嵌入式系統的研究一直走在前列，我們選擇Nios II來開發這個系統，正是看中了這點，而且軟核嵌入式的開發技術的發展正處于上升階段，盡早掌握這項技術，可以使我們開發人員盡早占領嵌入式系統開發的前沿陣地。

綜合上述的考量，設計面向用戶終端設計，可自行操作，具備聯網功能的分布式電能質量監測系統是很有必要的。

作者簡介：高曉，講師，三峽電力職業學院電力系統自動化技術教研室主任，電廠設備運行與維護專業牽頭人。