電力系統(tǒng)中網(wǎng)絡質量問題分析方法及實現(xiàn)

黃 丹，朱 毓，莊 磊，張宏生，李 蕊

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學研究院，合肥230088；2.國網(wǎng)北京市電力科學研究院，北京100000）

電力網(wǎng)絡質量情況在電力系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，電力網(wǎng)絡質量的好壞直接關系到用戶的切身利益[1-2]，在保證電能質量的情況下，降低電網(wǎng)損耗便成為電力公司、電力部門亟待解決的技術問題之一[3-4]，隨著智能電網(wǎng)建設的加強，在智能電網(wǎng)中存在多種電力網(wǎng)絡質量的數(shù)據(jù)信息，比如網(wǎng)絡結構的數(shù)據(jù)源多元化結構、數(shù)據(jù)異構、同步運行數(shù)據(jù)等，智能電網(wǎng)網(wǎng)絡中的復雜拓撲結構以及運行過程中的負荷劇增、猛增等都會對智能電網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生極大的影響[5]，電力網(wǎng)絡本身也容易受到大量網(wǎng)絡非線性負荷的影響，使得分布式電源與惡性負荷耦合并網(wǎng)，加劇電能質量惡化，嚴重影響電力網(wǎng)絡的供電質量和可靠性，造成設備損壞、經(jīng)濟效益損失等后果[6]。

針對上述狀況，本文設計出電力網(wǎng)絡質量檢測方法，能夠實時監(jiān)控電力系統(tǒng)中影響電力網(wǎng)絡質量的因素的數(shù)據(jù)，根據(jù)從電力網(wǎng)絡中輸出的宏觀數(shù)據(jù)，分析影響電力網(wǎng)絡中的各種數(shù)據(jù)信息，繼而分析出影響電力網(wǎng)絡質量的因素。

1 網(wǎng)絡質量分析架構設計

本文基于.NET的瀏覽器/服務器（B/S）架構設計出系統(tǒng)總體架構，其包括監(jiān)測設備層、數(shù)據(jù)庫層服務層、Web服務層、客戶端應用層等[7]。具體如圖1所示，其中監(jiān)測設備層用于采集、傳輸電力網(wǎng)絡中的各種信息數(shù)據(jù)，在監(jiān)測時，其上設置有電流互感器、電壓互感器、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)采集單元將采集到的信號通過數(shù)據(jù)處理單元進行信息處理，計算出的結果傳遞到監(jiān)測主站服務器，數(shù)據(jù)庫服務層用于收集、處理監(jiān)測設備傳遞的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便存儲、計算，在數(shù)據(jù)庫服務層，其包括各種服務層，比如實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、電力網(wǎng)絡參數(shù)據(jù)庫等，在Web服務層，其設置有各種Web服務以及和Silverlight程序提供WCF服務[8]。該層結構還能根據(jù)客戶端瀏覽器的用戶請求指令，通過HTTP協(xié)議來實現(xiàn)。在客戶端，可以實現(xiàn)用戶的多途徑使用功能。

2 關鍵技術設計

2.1 電力網(wǎng)絡質量檢測模塊

在監(jiān)測電力網(wǎng)絡時，影響電力網(wǎng)絡質量的數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡正常穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡參數(shù)、告警事件數(shù)據(jù)，比如頻率、電壓有效值、電流有效值、諧波電壓、諧波電流、電壓不平衡、電流不平衡、閃變、功率和功率因數(shù)；電網(wǎng)雜波干擾、振動、溫濕度、諧波干擾、異常事件等多項指標[9]，其硬件結構設計如圖2所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設計Fig.1 Overall scheme design of monitoring system

圖2 電力網(wǎng)絡質量檢測模塊硬件設計Fig.2 Hardware design of power network quality detection module

在硬件設計時，其主要檢測電力網(wǎng)絡中的電能質量情況，在電力網(wǎng)絡端，輸入信息通過電壓互感器，由大電壓轉化為小電壓，輸入信息通過電流互感器，由大電流轉化為小電流，即將電力網(wǎng)絡中的380 V 高電壓轉化為10 V 電壓的小信號，轉化后的電壓、電流小信號被送入到A/D轉換單元，在本文設計中，A/D轉換單元為基于ADS8364的采樣電路，A/D轉換單元將轉換后的數(shù)字信息輸入至DSP處理單元，在本文設計中，DSP 處理單元為基于TMS320VC33的32位總線，該芯片具有75MIPS的數(shù)據(jù)處理速度，能夠有效地對A/D模數(shù)轉換后的數(shù)據(jù)進行處理，有效地計算電力網(wǎng)絡中的各種數(shù)據(jù)，并傳遞計算出的數(shù)據(jù)，在該硬件結構中，還采用了ARM9控制器[10]，該控制器為基于AT91RM9200的控制芯片，其工作頻率為180 MHz，運行速度為200 MIPS，能夠存儲、發(fā)送電力網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的計算結果，并將該結果顯示出來。該系統(tǒng)還采用了FPGA控制器，采用的型號為XC2S-200，具有200 K容量的系統(tǒng)門，系統(tǒng)速度超過200 MHz，能夠有效地實現(xiàn)邏輯門控制功能，通過該檢測模塊，能夠實時測量電力網(wǎng)絡中的頻率、電壓有效值、電流有效值、諧波電壓、諧波電流、電壓不平衡、電流不平衡、閃變、功率和功率因數(shù)，以及2～68次諧波信號，最終將測量的信號通過以太網(wǎng)、RS485網(wǎng)絡或者無線GPRS網(wǎng)絡傳遞到上位機，在上位機進行進一步的處理。

2.2 軟件設計

軟件設計基于OneNet 開放平臺，在OneNet平臺的數(shù)據(jù)管理平臺，監(jiān)測終端啟動后，對檢測終端各個單元模塊（比如時鐘、單元模塊、各個模塊的I/O端口、SPI端口等）進行初始化[11]，然后對電力網(wǎng)絡的監(jiān)測位置和設備進行GPS定位，并開始對該位置處的電力網(wǎng)絡信息進行監(jiān)測，并將定位和監(jiān)測后的數(shù)據(jù)放入寄存器中等待數(shù)據(jù)發(fā)送，然后將寄存器中的電能監(jiān)測數(shù)據(jù)和設備位置信息發(fā)送到OneNet平臺中，軟件架構設計流程如圖3所示。

采用OneNet平臺能夠很好地實現(xiàn)電力網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的準確、實時采集和傳輸，在OneNet平臺中，其提供B/S架構的電力數(shù)據(jù)管理模式，這種方式便于用戶即時獲取監(jiān)測模塊的運行情況，在OneNet平臺中，其包括用戶、產(chǎn)品、設備、APIKey、設備應用、觸發(fā)器以及數(shù)據(jù)流等不同的組織結構[12]，在該平臺中，能夠監(jiān)測、處理、顯示電力網(wǎng)絡監(jiān)測位置的信息、電壓、電流等不同電力網(wǎng)絡參數(shù)信息。

圖3 軟件設計流程Fig.3 Software design flow chart

2.3 數(shù)據(jù)計算方法

本文采用隨機矩陣理論統(tǒng)計、分析電力系統(tǒng)中電網(wǎng)數(shù)據(jù)的特征，根據(jù)得出實際測量中的隨機程度揭示實際數(shù)據(jù)包含電力數(shù)據(jù)中的整體關聯(lián)的事件特征，其計算流程如圖4所示。

圖4 隨機矩陣關聯(lián)算法流程Fig.4 Random matrix association algorithm flow chart

（1）監(jiān)測電力網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，從電力配電網(wǎng)OneNet平臺中的數(shù)據(jù)庫中調取電流、電壓、負載、諧波等電力網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)預處理，對提取數(shù)據(jù)信息進行處理，保留有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包括但不局限于網(wǎng)絡正常穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡參數(shù)、告警事件數(shù)據(jù)，比如頻率、電壓有效值、電流有效值、諧波電壓、諧波電流、電壓不平衡、電流不平衡、閃變、功率和功率因數(shù)；電網(wǎng)雜波干擾、振動、溫濕度、諧波干擾、異常事件等多項指標，根據(jù)用戶需要選擇上述不同數(shù)據(jù)類型，并且通過數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)規(guī)約或數(shù)據(jù)變換等不同的數(shù)據(jù)預處理方式對提取的數(shù)據(jù)進行清理。

（3）構建隨機矩陣理論模型，計算出初始矩陣，根據(jù)構建的矩陣模型，將電力系統(tǒng)網(wǎng)絡信息參數(shù)代入公式模型。

下面對隨機矩陣模型進行構建，首先引入電力系統(tǒng)電網(wǎng)數(shù)據(jù)相關性評估矩陣模型：

在上述公式中，假設影響電力系統(tǒng)電網(wǎng)正常運行（諸如磁場、諧波、負載、雜波干涉等）有M種，使得這些數(shù)據(jù)記為數(shù)據(jù)集合P=｛P1，P2，P3…PM｝，電網(wǎng)（諸如電流、電壓、功率等）數(shù)據(jù)有N種，得這些數(shù)據(jù)記為數(shù)據(jù)集合Q=｛Q1，Q2，Q3…QN｝，在評估T 范圍內持續(xù)，其中將電力系統(tǒng)網(wǎng)絡產(chǎn)生誤差影響的數(shù)據(jù)集合構建為矩陣D1，其中集合數(shù)據(jù)元素Pij為第區(qū)域的電力系統(tǒng)檢測時在j時間下進行測量的測量值。

（4）根據(jù)構建的隨機矩陣模型計算出相關數(shù)據(jù)。

（5）利用上述隨機矩陣模型對電網(wǎng)雜波干擾、振動、溫濕度、諧波干擾等數(shù)據(jù)信息進行分析，當標準化矩陣積Dstd的特征值被計算出時，便可評估電網(wǎng)雜波對電力系統(tǒng)網(wǎng)絡質量計算誤差的影響，Dstd越大，影響量越大。

（6）根據(jù)分析出的數(shù)據(jù)，對分析的大數(shù)據(jù)進行診斷、顯示、上傳，進而實現(xiàn)最終分析數(shù)據(jù)的傳遞與共享。

（7）數(shù)據(jù)判斷，判斷輸出數(shù)據(jù)能否滿足用戶的需求，如果滿意，則最終輸出數(shù)據(jù)，如果不滿意，則重新進行上述分析、計算。

3 仿真試驗與分析

在模擬仿真時，在國網(wǎng)河北省電力有限公司邢臺供電分公司提供的資源和平臺進行仿真和模擬。仿真系統(tǒng)采用的語言為VisualC＃，采用的服務器操作系統(tǒng)為WindowsServer2015，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件為SQLServer2015，Web服務器軟件為IIS6.0[14]，本文采用的仿真試驗根據(jù)IEC61850 標準建立電能質量監(jiān)測模型，在試驗時，通過MMS協(xié)議將電能質量監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳遞到主站，并對數(shù)據(jù)進行計算、存儲[15]，通過客戶端內的Silverlight程序進行WCF服務，進而獲取實時監(jiān)測的電力網(wǎng)路數(shù)據(jù)，在OneNet平臺中進行一體化處理、顯示。

在試驗時，在電力網(wǎng)絡中的不同位置分別設置5臺電力網(wǎng)絡質量檢測模塊。隨機從采集檢測數(shù)據(jù)，分別在65 V、90 V、120 V、150 V、180 V和200 V時電力網(wǎng)絡線路附近監(jiān)測線路上的參數(shù)情況，出于篇幅限制限制，在此，僅僅對電壓和電流的誤差數(shù)據(jù)作為評估，測試數(shù)據(jù)樣本如表1所示。

表1 電力網(wǎng)絡采樣數(shù)據(jù)Tab.1 Power network sampling data

根據(jù)上述采樣數(shù)據(jù)，下面針對電力網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的中的電壓和電流進行分析，分別對電壓和電流分析3次進行比對，電壓測量結果與誤差分析如表2所示。

通過上述測算，電壓的誤差在0.05%以下。下面對電流的測量情況進行分析，電流測量結果與誤差分析如表3所示。

表2 電壓測量結果與誤差分析Tab.2 Voltage measurement results and error analysis

表3 電流測量結果與誤差分析Tab.3 Current measurement results and error analysis

通過上述測算，電流的誤差在0.06%以下。通過多次測量電力網(wǎng)絡線路，對不同相位的電壓和電流信號進行測量，各相電壓、電流的相對誤差的幅值均低于0.5%以下，滿足電力監(jiān)測技術指標中對電壓、電流測量精度的要求（其要求檢測精度在0.5級以內）。

下面對數(shù)據(jù)分析驗證方法進行驗證，在基于Matpower的IEEE-118節(jié)點的仿真系統(tǒng)系統(tǒng)進行仿真試驗[16-20]，在仿真系統(tǒng)中設置電網(wǎng)異常數(shù)據(jù)參數(shù)，根據(jù)公式Dstd= [w1，w1，w1……wM+N]T進行計算，其中D1分別為濕度、諧波、溫度、負荷、磁場等數(shù)據(jù)構成的矩陣，D1的規(guī)模數(shù)為80*150，D2的規(guī)模數(shù)為40*50，則隨機得出如表4所示的數(shù)據(jù)。

表4 試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental data

根據(jù)上文的計算公式，進行以下計算：代入式（1）得出：

代入式（2）得出：

以諧波作為電力網(wǎng)聯(lián)絡誤差計算影響量的因素進行分析、判斷，其影響的曲線如圖5所示。

圖5 影響參數(shù)為諧波的曲線Fig.5 Influence parameter is harmonic

以磁場作為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算影響量的因素進行分析、判斷，其影響的曲線如圖6所示。

圖6 影響參數(shù)為磁場的曲線Fig.6 Influence parameter is magnetic field

以負荷作為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算影響量的因素進行分析、判斷，其影響的曲線圖如圖7所示。

圖7 影響參數(shù)為負荷的曲線Fig.7 Influence parameter is load

以濕度作為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算影響量的因素進行分析、判斷，其影響的曲線如圖8所示。

圖8 影響參數(shù)為濕度的曲線Fig.8 Influence parameter is humidity

以溫度作為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算影響量的因素進行分析、判斷，其影響的曲線如圖9所示。

圖9 影響參數(shù)為溫度的曲線Fig.9 Influence parameter is temperature

通過隨機矩陣理論能夠實現(xiàn)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)分析，直觀地顯示出分析的結果，電力系統(tǒng)中還含有其他導致出現(xiàn)重大質量問題的信號網(wǎng)絡拓撲變化、網(wǎng)絡異常、線路短路/斷路等各種不同情況，通過隨機矩陣理論算法能夠形象、逼真地輸出智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)。

4 結語

本文通過對電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)的現(xiàn)狀分析，引出電力網(wǎng)絡質量情況的對電力網(wǎng)絡運行的影響，提出了電力網(wǎng)絡質量監(jiān)測系統(tǒng)，該方法基于.NET的瀏覽器/服務器（B/S）架構設計出新型的系統(tǒng)總體架構圖，并設計出新型的電力網(wǎng)絡質量檢測模塊，其應用軟件基于OneNet開放軟件平臺，有效地實現(xiàn)電力網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的準確、實時采集、計算、傳輸和監(jiān)控，本文設計的B/S管理架構的網(wǎng)絡管理模式有利于用戶隨時隨地獲取監(jiān)測模塊的運行情況。

在數(shù)據(jù)計算時，還利用隨機矩陣算法進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析，通過構建隨機矩陣方法輸出不同的數(shù)據(jù)類型，使用戶從電力宏觀數(shù)據(jù)獲取微觀數(shù)據(jù)，從根源上分析影響智能電網(wǎng)運行的因素，提高發(fā)現(xiàn)問題的效率，降低了電力系統(tǒng)網(wǎng)絡運行的風險。