依托用電信息采集系統的配電網電能質量判定技術研究

武文廣，杜峰，李俊臣，張良，劉運鋒，秦晨

（1．南瑞集團公司國網電力科學研究院，江蘇南京 211106；2．國網西安供電公司，陜西西安 710048；3．國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安 710048；4．國網阿勒泰供電公司，新疆阿勒泰 836599；5．河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 210098）

依托用電信息采集系統的配電網電能質量判定技術研究

武文廣1，杜峰2，李俊臣3，張良1，劉運鋒4，秦晨5

（1．南瑞集團公司國網電力科學研究院，江蘇南京 211106；2．國網西安供電公司，陜西西安 710048；3．國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安 710048；4．國網阿勒泰供電公司，新疆阿勒泰 836599；5．河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 210098）

當前配電網自動化監控手段有限，為強化配電網故障診斷的能力，依托用電信息采集系統在中低壓用電信息全采集、全覆蓋的優勢，通過專變采集終端對用電用戶功率、電壓、電流等數據進行實時采集與監測，借助中間型梯形隸屬度函數的模糊數學方法，評定電能質量的綜合等級，實現配電網電能質量信息的綜合分析與評價。應用表明，該技術為配電網故障的快速診斷定位提供了有效依據，為供電企業及時、科學地判斷電能質量問題提供輔助決策支持。

用電信息采集；電能質量；模糊算法；綜合判定

作為當今世界上依賴度較高的重要能源之一，電能是一種既經濟、清潔又容易轉換的二次能源，廣泛應用在國民經濟發展中[1]。隨著科學技術與工業生產的相促發展，非線性與沖擊性負載在配電網中時常出現，導致配電網電壓的驟升驟降、諧波、長短時閃變等各類電能質量問題頻繁發生，給電壓敏感性強的工業設備的正常運轉帶來了諸多不利影響，甚至給社會的生產生活帶來巨大的經濟損失[2-3]。而電能質量的定義包括電力系統對用電側的供電質量和用電側對電力系統的干擾水平。如何有效監測電網的電能質量，已經成為亟需解決的專業性難題。

目前，電力用戶用電信息采集系統經過長期的發展與應用，不僅采集了用戶的電量數據，而且采集的數據項逐漸增多，已具備對用戶的電壓、電流示值及功率因數、三相不平衡等直接物理量信息進行快速采集的能力，用戶電能質量的實時分析和治理的條件逐步呈現。現有的配變監測系統只有綜合配變的物理量測和配變設備的運行信息，缺少集中器對電能表數據采集及系統分析功能，較難實現類似用電信息采集系統具有的電能質量智能研判、計量故障在線分析等功能。因此，借助用電信息采集系統實現配電網電能質量判定技術，可作為電能質量狀態信息判斷的有益補充，與國網公司構建以信息化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網戰略的發展目標完全一致[4-6]。按照電網信息化管理的要求，利用已有的用電信息采集平臺，向電能質量監測系統提供分析數據，為中低壓配電網電能質量高級應用提供數據支撐。

1 用電信息采集技術

1.1 用電信息采集主站接口設計

用電信息采集系統與電能質量監測系統接口采用數據中心結合數據交換的集成架構模式，實現系統之間橫向數據交互需求。這種方式適用于大數據量（百萬條級）的接入方式[7-8]。交互接口架構設計如圖1所示。

圖1 交互接口架構設計圖Fig.1 The design diagram of interactive interface architecture

通過基于SOA架構的企業服務總線實現電能質量監測系統與用電信息采集系統間的交互，主站系統的相關接口服務采用動態封裝方式在企業服務總線（ESB）中注冊成Web service服務[9]，以便用電信息采集主站靈活便捷地在服務總線中獲取相關資源信息，總線的代理服務通過調用已注冊的用電信息采集主站接口服務，實現電能質量判定數據的傳送。

1.2 電能質量數據采集

數據采集是用電信息采集系統的重要功能。采集對象包括專、公用變壓器與居民用戶表的用電信息，采集數據包括底碼、增量、費率電量等電能數據和電壓、電流、有功、無功等負荷數據、采集終端工況數據。近年來隨著用電信息采集技術的快速發展，數據采集功能得到了較大提升，其采集數據積分周期可達15 min，同時通過通信通道將采集數據定時返回主站，提供的Web數據查詢、統計分析、運維管控及計量設備在線監測等功能為管理部門帶來了用電計量專業的管理創新。依據國家標準的電能質量指標，對監測點進行高頻度采集，為電能質量的判斷提供數據分析基礎。

2 電能質量監測的基本原理

2.1 基于用電信息采集的電能質量判定指標

通常優質供電包括電壓質量、電流質量、供電質量和用電質量。而電能質量好壞的判斷依據是由三相不平衡、電壓波動與閃變、電壓及頻率的偏差、瞬時或暫態過電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降暫升、中斷以及供電連續性等直接物理量組成。這些物理量存在其合理取值范圍；通過數學方法對直接物理量進行推導得到的計算量也能充分反映電能質量的優劣，同時其受電網運行及元件的影響，伴隨物理量的波動而變化。

對電能質量數據判定方法需要基于對測試點參數的分析，如基準電壓、基準電流、基準功率、短路容量等，確定其取值范圍，并在此基礎上對數據進行異常判定。

利用生產現場可采集的數據，結合用電信息采集系統的數據項采集范圍，可對電壓偏差、電流偏差、三相電壓不平衡度進行指標分析與判定。

2.2 建立基于中間型梯形隸屬度函數模糊模型

針對電壓、電流偏差和三相不平衡偏差指標做一個模糊處理，當偏差等于0或者無限趨于0時，認為電能質量良好。結合實際情形分析，這些無規律的偏差會在零值附近波動，同時大概率性地靠近零值。以此可以引入中間型梯形隸屬函數作為數學模型，當其隸屬度為1時，偏差指標無限接近零的區域，電能質量水平優良。

2.2.1 電壓偏差隸屬度模型

電壓偏差指標由兩種情況決定：一是連續產生電壓偏差的時間；二是電壓偏差的百分比。用模糊語言來表述分別是“連續產生的時間很短”和“電壓偏差很小”的隸屬度函數，可得公式（1）和（2）。

式中：TΔU1、TΔU2為常數；TΔU為產生電壓偏差的連續時間。

式中：U1、U2為常數；ΔU為電壓偏差百分數。

由于電流偏差與電壓偏差的隸屬性相似，所以它們公式相通。

2.2.2 三相電壓不平衡隸屬度模型

以下是三相電壓不平衡的隸屬度函數的公式：

式中：TδU3、TδU4。為常數；TδU為電壓偏差的持續時間。

式中：U3、U4為常數；δU為電壓偏差的百分數。

2.3 建立電能質量模糊等級

圖2為基于模糊數學方法建立電能質量判定的流程圖。

圖2 模糊化判定電能質量的流程Fig.2 The process of fuzzy judgment of power quality

把實際采集的數據代入電壓偏差隸屬度模型到相應的隸屬度集合，通過將表征電能質量狀態的隸屬度做求積運算，可從數學角度反映電能質量的整體綜合情況：

因此，得到兩隸屬度的模糊集合為

式中：μVDk表示電壓偏差指標良好的第k個隸屬度。

在判定范圍內，對其算數做平均值運算：

同理可得電流偏差、不平衡的隸屬度分別為μCD、μBP。以此推導出指標聚類隸屬度的集合Q。

參照國際通行的電能質量規范或國內制定的行業標準，通過式（8）推導出隸屬度集Q，對隸屬度集的等級進行判定。可將其分為3個類別標準，依次為優（Q1）、合格（Q2）、不合格（Q3），表1給出了Ql到Q3類別標準的范圍取值。

表1 3個隸屬度類別的范圍Tab.1 The scope of the three categories of membership degree

利用擇近原則，可以判斷Q點電能質量等級的所屬。擇近原則表述為：假設一個樣本庫由i個模糊子集的模型U={A1，A2，．．．，Ai}組成，存在待判定對象B且為模糊集，求解B與本庫中的哪一個子集最接近，即為模糊集的擇近方法。用N（B，A）表示B和A的貼近度，分別采用“Cityblock”距離、海明距離以及歐式距離方法實現貼近度的求解[14]，最終可解決兩個模糊集之間的距離問題，其定義如下：

由此，得出貼近度公式：

式中：m為元素的總個數。

按照上述貼近度求解方法，可推算出貼近度N（Q，Q1）、N（Q，Q2）、N（Q，Q3），設QM∈{Q1，Q2，Q3}為貼近度值最大，則電能質量表征點Q屬于QM級。

3 電能質量判斷方法的實現

利用模糊數學方法對其進行等級的劃分。首先建立梯形隸屬度函數模型，對電能質量的各項指標進行模糊化處理，其次依據電能質量的相關標準，定義分級標準并設定隸屬度集的等級；最后針對已給定的等級與隸屬度集，通過擇近方法求解2個監測點之間的貼近度，從而確定電能質量的水平。通過實際測驗可見，該方法不僅針對監測點測算了電能質量的整體優劣，而且實現了判斷指標的典型性代表，極大地降低了精準可靠地綜合判定電能質量的難度。

圖3為利用上述模糊模型判定電能質量的具體步驟。

圖3 電能質量判定的步驟圖Fig.3 The step diagram of power quality judgment

由于數據采集的間隔時間為15 min，分別對15 min采集數據構建隸屬度模型，得出相應的持續時間、電壓偏差隸屬度值；對各個指標的隸屬度值進行模糊化集合處理，組成隸屬度集；根據待測的兩個模擬監測點（A，B）的模糊集，結合給定的樣本模糊等級（其中樣本模糊集是根據通行標準給定的等級），計算監測點的貼進度。

表2 待測的2個模糊集和給定樣本模糊集Tab.2 The two fuzzy sets to be measured and the given sample of fuzzy sets

求解貼近度如下：

表3所提供的計算值為給定樣本模糊等級與模擬監測點的電能質量各指標隸屬度求取貼近度所得。顯然，模擬監測點A的貼近度計算值以N（Q，Q1）為最大，更接近于Q1等級，由此可判出電能質量水平為“優”；而模擬監測點B的電能質量和樣本集中給定的Q3等級最為接近，則為“不合格”水平。

表3 模擬監測點貼近度計算值（“Cityblock”距離）Tab.3 The calculation value of the close degree of simulation monitoring points

4 應用成效分析

陜西、新疆等地區電力公司分別對用電信息采集系統支撐配電網電能質量判定模塊進行了建設與應用，取得了良好的應用效果。

4.1 電能質量實時監測，增強配電網安全運行能力

通過對配電網負荷、電壓及電流等電能質量指標的在線監測，為公司分析配電網電能質量與供電可靠性、配電網規劃及改造提供決策依據。

典型案例：

陜西某地市公司通過用電信息采集系統對轄區電能質量數據的采集，實時分析與監測配電網運行異常、快速定位故障點，并將分析結果及時推送配電網相關系統，確保電壓、電流、功率因數等電氣量保持在配電網合理地運行指標范圍內，避免由電壓和功率因數極低造成電網高損耗，因電壓驟升導致電氣設備損壞和電網絕緣。同時，降低線損后減少供電企業和用戶的經濟損失。項目的應用提升了區域電壓的質量，用戶端供電電壓的合格率由90.1%提至97.2%，不對稱負荷引起的三相不平衡度由23%降至11%，綜合線損率由8.9%下降3個百分點。

4.2 用電異常智能診斷，降低電力運營風險

通過對計量裝置電能質量指標的智能診斷，實現對電表倒走、反向電量異常等竊電嫌疑與用電超容、電流越限等違約用電的監控預警。同時，規避因計量異常導致的用戶投訴，提高用電服務水平。

典型案例：

以新疆某地市公司提供的數據來看，對于用戶的不規范用電、違約用電和竊電情況，電力公司的用電計量、稽查人員利用系統功能，及時發現并主動采取措施，維護公司合法利益，保障電網穩健運行。通過對配電網變壓器停電分析，搶修響應時間由18 min縮短至10 min。截至2016年下半年，累計發現各類異常90 401個，處理故障設備5 210臺，查處竊電、違約用電電量360萬kW·h，挽回經濟損失高達兩千余萬元。

5 結語

配電網電能質量判定技術依托用電信息采集系統，實現了對配電網電能質量的診斷定位和輔助決策支持高級應用功能，已成為一種有效的電能質量輔助分析管理手段。通過把電能質量判定情況反饋給其他電能質量監測系統，為及時發現、評價用電質量并高效治理電能問題提供有力保障，在供電服務水平大幅提升的同時，電能質量治理成本得到了較大幅度的下降。當前，在陜西、新疆等多個地區的綜合治理低電壓工作中充分實踐了基于用電信息采集系統的配電網電能質量判定技術，現場應用表明：其在低電壓專項治理上，判斷準確、決策及時。

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（編輯 徐花榮）

Research of Power Quality Judgment Technology for Distribution Network Based on Electricity Consumer Information Acquisition System

WU Wenguang1，DU Feng2，LI Junchen3，ZHANG Liang1，LIU Yunfeng4，QIN Chen5
（1.State Grid Electric Power Research Institute，NARI Group Corporation，Nanjing 211106，Jiangsu，China；2.State Grid Xi’an Power Supply Company，Xi’an 710048，Shaanxi，China；3.State Grid Shaanxi Electric Power Research institute，Xi’an 710048，Shaanxi，China；4.State Grid Xinjiang Aletai Power Supply Company，Aletai 836599，Xinjiang，China；5.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China）

As the current monitoring of distribution network automation is limited in its monitoring means,to strengthen the ability of fault diagnosis,this paper presents a new approach to realize the comprehensive analysis and evaluation of the power quality information of distribution networks. Based on advantages of the full-collection and full-coverage of the power consumption information acquisition in the medium and low voltage power consumption information,through the special transformer acquisition terminal which realizes the real-time acquisition and monitoring of power,voltage current and other data of customers,by means of the fuzzy mathematical method ofthe intermediate trapezoidalmembership function,the comprehensive grades of power quality are evaluated.The actual application suggests that the technology proposed in this paper can provide effective evidence for fast locating of the faults in distribution network and offer support for the assistant decision making for power supply companies to judge the power quality problems scientifically and timely．

electricity consumer information acquisition;power quality;fuzzy algorithm;comprehensive judgment．

2015-09-20。

武文廣（1981—），男，碩士，工程師，從事用電信息采集系統及相關產品需求分析、系統設計工作。

杜 峰（1975—），男，國網西安供電公司調度運行班主管，從事電力自動化專業運維工作。

李俊臣（1988—），男，碩士，工程師，從事電力自動化系統方面研究。

劉運鋒（1984—），男，國網新疆阿勒泰供電公司營銷項目管理專責，從事用電計量專業運維工作。

秦 晨（1992—），女，碩士，研究方向為無線傳感器網絡充電規劃、智能用電技術。

1674-3814（2017）05-0069-05

TM769

A

國家自然科學基金項目（51107032）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51107032）.