配網電能質量數據傳輸方法

國網湖北省電力有限公司武漢供電公司 余 俊

引言

近年來，配網電能質量問題受到業界廣泛關注和重視。一方面，隨著可行技術的發展，用戶設備非線性負荷、敏感用戶負荷不斷增加，這些設備對電網電能質量較為敏感，分布式微電網的大量建設加劇了本來就較為脆弱的配網電能質量問題[1-2]。

一直以來，國內兩大電網公司對電網電能質量比較重視。當前電網公司已構建了變電站電能質量終端-省級電能質量系統-網級電能質量系統的監測和分析模式。然而，現有的電能質量體系主要針對主網側，安裝與變電站端的電能質量終端可通過電力光纖及時、完整的將數據傳輸至省級主站，然而配網側目前并沒有建設電力專用光纖通信網絡，主要原因在于配網覆蓋面廣且地形多樣，建設成本太高。

現有的配網設備主要基于電力線載波、無線蜂窩網、物聯網通信技術（如：ZigBee 通信技術、藍牙通信技術、RFID 技術）等方式傳輸數據，然而這些通信方式很難保證電能質量數據完整、有效傳輸，主要原因在于相對于現有的配網設備，通常只需要某類或某幾類數據（例如配網電表只需傳輸有功、無功等數據），而電能質量監測終端監測指標超過100類。

以監測2～25次諧波為例，需要提供諧波電壓幅值、諧波電壓含有率、諧波電流幅值、諧波電流含有率等指標，經驗數據表明現有主網側每臺電能質量終端每天傳輸數據量超過了1GB，在配網側實現單臺如此大的數據傳輸不太實現[3-4]。

同時，隨著信息技術的發展，邊緣計算計算已應用多個領域，邊緣計算是指在靠近物或數據源頭的一側，采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務。具體到配網電能質量領域，可以將許多計算功能下沉至端側，例如諧波超標、電能質量報表評估等，通過該計算的應用可以極大減少所需傳輸數據量，同時為了保證重要的、關鍵的電能質量及時而有效的傳輸，在進行數據傳輸時控制重要數據優先傳輸。

綜上所述，隨著配網用電設備和結構的變化，配網電能質量問題越來受到來自用戶和電網公司的重視。然而，配網點多、面廣等問題且單點電能質量數量大，導致非光纖方式下數據有效傳輸難以實現。本文結合邊緣計算、數據分級等計算設計適合與配網電能質量數據傳輸的方案，該方案成功應用某電網公司現場，運行數據表明，所提方案能夠大大降低數據傳輸量的同時，保證重要電能質量指標數據完整、有效的傳輸。

1 配網電能質量數據傳輸構架

以電力物聯體現構架適合與配網電能質量數據傳輸的框架，形成“端-邊-省級系統-網級系統”的通信架構。

端。所謂“端”即指配網電能質量監測終端，終端承擔了數據采集、數據計算、數據存儲及數據傳輸的職責，所謂數據采集指配網電能質量終端通過電壓互感器、電流互感器等接入監測點對象的電壓和電流信號；進一步，配網電能質量終端利用FFT（快速傅里葉變化）等算法獲取諧波、電壓偏差、不平衡度等電能質量數據，這些數據需要保存一定時間。所采集的電能質量數據需要傳輸至“邊”側。

圖1 配網電能質量數據傳輸構架

邊。是靠近電能質量終端的、具有一定運算能力的設備，是一個1對N 臺配網電能質量終端的設備。它具備數據匯聚、數據運算和協議轉換等功能。

省級電能質量系統。是匯聚省級規模的配網電能質量終端數據的系統，除了基本的數據匯聚、數據存儲以外，還需要提供報表、報告等分析功能。

網級電能質量系統。對應一個電網公司的電能質量系統，它包含了電網公司管轄的所有省級區域的電能質量數據，基于這些數據開展電能質量分析及輔助決策等應用。

2 邊端實現方法

2.1 邊端鏈路建立方法

配網所覆蓋的面積廣闊，在現有通信方式下，需要合理、科技的建立多個邊端通信策略才能保證數據有效傳輸。為了靈活、自主的搭建邊端通信關系，本文基于k-means 算法，基于端端距離確定配網電能質量終端應接入的邊設備。

其實現過程主要包括以下過程：基于地理分布，測試配網電能質量終端到端的距離,設已安裝了的配網電能質量設備的距離為L=[l1,l2,...,lk]，隨機初始化C 個聚類中心；通過公式Rmh=|Vm-Ch|2計算配網電能質量終端與C 個聚類中心的距離R，獲得C個R 后，將所計算更新每個R 值的聚類中心依次重復，直到聚類中心C 的值基本不變。

通過以上過程可以實現可動態、自適應且最優的決定配網電能質量裝置與邊的連接關系，當某個或某幾個邊退出運算時，基于以上算法可快速、自動、有效的建立新的通信關系。

2.2 數據分級處理

眾所周知，從時間尺度上可將電能質量數據指標可分為暫態和穩態兩大類，其中暫態指標主要包括電壓暫降、電壓暫升及短時中斷等。據國內外研究報告，因電壓暫降引起的用戶投訴占所有電能質量問題的80%以上，為此電壓暫降數據是最為重要的，因此列為最為重要的傳輸類數據，其次分別是電壓暫升、短時中斷。

穩態指標包含電壓偏差、三相不平衡、頻率偏差、諧波、電壓波動與閃變等五類指標，從業界關注的情況來看，諧波問題尤受重視，其次是三相不平衡度，再次是電壓偏差和電壓波動與閃變，最后是頻率。

需要說明的是，并不是頻率指標不受重視，而是因為現代電力系統中頻率控制和條件技術已非常成熟，通常不會引起較大波動，當然一旦頻率異常將對系統造成毀滅性的影響，可能引起區域性用戶停電以及并網電廠特別是新能源電廠拖網等問題。

基于以上情況本文將穩態數據分為四級：一級為諧波數據。諧波數據指標較多，僅2～25次諧波時也衍生出上百類指標，如諧波幅值、諧波相角、諧波功率、諧波含有率等。為了減少數據傳輸量本文僅要求傳輸諧波幅值、諧波相角兩類衍生指標。

二級數據電壓偏差與不平衡度，配網中供電電壓和三相不平衡度問題較為普遍，一直以來是配網管理人員重點關注和治理的對象。

三級數據為電壓波動與閃變，隨著用戶非線性、敏感設備的大量接入，電壓波動與閃變問題逐漸被用戶關注；四級數據為頻率偏差，前面已有分析，不在贅述。

本文設計劃分的電能質量數據優先級中暫態數據優于穩態數據，因此綜合下來總共包含6個等級。當暫態數據傳輸完畢后再傳輸穩態數據，穩態數據傳輸原則則為以上劃分的優先級。

通過以上策略，可以保證重要的數據及時、完整的傳輸。同時需要說明的是，以上優先級只是針對常規情景，具體使用時可根據所監測的對象關注的問題側重點進行調整，例如某線路三相不平衡問題較為嚴重、則可將其調整為穩態數據的最優級，而一些偏遠的供電區域電壓指標則可能最為重要，為此傳輸優先級最高的則選為電壓。

一旦數據分級確認后，首先根據優先級制定某個時間段內的數據傳輸策略表，優先級最高的數據占用通信資源進行數據傳輸，等待數據傳輸完成后傳輸下一級的數據，同時需要考慮系統最新運行情況，在傳輸時一旦有優先級更高的數據，如電壓暫降數據產生，則將該數據插入到數據傳輸策略表中并暫終止當前的數據傳輸，開展插入的優先數據的傳輸。

2.3 邊緣計算

通過數據分級處理，只能保證重要數據及時、完整的傳輸，但不能減少數據傳輸量。為此需要邊對電能質量進行一定處理以減少數據傳輸量。

對于暫態數據，僅傳輸事件描述、不傳輸波形。通常，暫態事件發生時終端會觸發錄波功能，但波形數據可能大數M，不適合于傳輸，本文所設計的暫態數據傳輸項僅包括發生時間、結束時間、暫態最大深度等幾個事件描述指標，當然在一段時間內波形數據依然需要存儲于配網電能質量監測終端中，一旦分析需要可主動讀取，對于主動讀取的請求需即可響應和傳輸。

對于穩態指標。對于用戶和電網公司來說好的電能質量穩態指標是不需要進一步處理的，因此可基于電能質量國標設置限值，當指標超標時才上送，通過該處理可大約減少90%的數據傳輸。例如頻率的國標為49.8Hz～50.2Hz，通常頻率指標是符合該限值要求，很有可能一年內都不需要傳輸具體的頻率值。

電能質量評估報表。通過以上對穩態指標的處理雖然極大減少電能質量數據傳輸量體，但也犧牲了主站端能夠掌握監測點數據特性，為此要求電能質量監測終端或邊具有電能質量評估報表生成能力，能夠利用最大值、最小值、平均值、95概率值生成日、月報表，通過該報表可有效彌補穩態指標處理帶來的問題，即生成諧波報表、電壓報表、電壓波動與閃變報表、三相不平衡報表及頻率報表，這些報表一旦生成需要立即傳輸。

異常數據檢測。異常數據是指符合常規運行的電能質量數據，這類數據的出現不僅影響到電能質量運算分析，可能引起管理者做出錯誤的決策。因此本文考慮了對該類數據的處理，異常數據檢測主要包括異常極值檢測（如某個時刻出現遠遠大于或小于前后值的數據）、小波動錯誤數據檢測（相較于前后數據明顯變化）等，這些異常數據可能是電能質量監測終端造成，也可能是被人為攻擊網絡后篡改導致，因此必須提供該類數據的檢測計算。

3 實驗驗證

本文所提的方法成果應用某地市供電局，所選擇的驗證區域選用無線蜂窩技術的4G 網絡進行數據傳輸，但由于基站數量及該區域山地較多、網絡質量較差，通過對比全指標傳輸和本文所提方法的數據傳輸，統計了兩種傳輸模式下重要數據完整性、數據傳輸量、信息完整性等三個指標的情況，具體如表1所示。

表1 數據傳輸指標對比

從表1可知，采用現有主網的全指標傳輸模式進行數據傳輸時僅能完成40%的數據傳輸，其后果是導致大量的數據延遲獲得，這種延時隨著運行時間增加而增加，相比之下，本文所提算法能極大改善和緩解該問題，三個指標都超過90%以上，可有效說明本文所提方法能夠保證配網電能質量重要信息不丟失，管理者能夠較為完整的掌握配網電能信息。

4 結語

隨著技術的進步和發展，配網電能質量越發受到用戶和電網公司的重視。然而配網區域大、覆蓋面廣、地形復雜多樣，在沒有專用電力光纖通信支撐下難以實現所有指標的電能質量及時、完整的數據傳輸。

為此，本文提出了配網電能質量通信架構，并基于該架構設計了數據分級、邊緣計算等策略，通過這些策略有效結合使用，可在不顯著減少電能質量信息完整性的情況下保證重要數據有效、及時的傳輸，通過工程數據有效驗證了本文所提方法的可行性。