适用于区域电网的三级电能质量综合监测系统

刘峻，郑伟，马超，周喜超，丁晓群，顾乔根

(1.甘肃省电力公司，兰州市，730050;2.甘肃电力科学研究院，兰州市，730050;3.河海大学能源与电气学院，南京市，211100)

0 引言

为提高电力系统的供电质量，确保电网安全、可靠运行，需要对网内的各项电能质量指标进行监测，如谐波、电压波动和闪变以及三相不平衡度等，必须建立电能质量监测分析系统。因为电力系统干扰具有一定的随机性，它与负荷特性及系统工作情况有关，随时间、空间的变化而变化，往往引发事故的干扰出现的时间较短，发生条件特殊，所以需要采用实时在线监测系统对电力系统的各项电能质量指标进行长期监视，摸清污染情况，以便采取相应的措施进行控制。

目前，国内已有部分省市地区电网建成投运监测系统［1-2］，主要存在的问题有:系统可扩展性不强、监测目标单一、监测数据开发有限等，如部分省市采用的系统为2级结构(监测设备-数据中心结构)，从长远的规划来看，2级结构的系统具有很大的局限性，如所能承受监测终端接入的能力有限、难以实现与其他系统互连、容易出现数据拥堵等;另外，上述系统大多只针对某一特定目标(如电铁供电系统)进行监测，难以实现对地区电网电能质量的全面监管，同时造成了难以对电能质量数据的深入挖掘，限制了监测数据的进一步开发利用［3-5］。

本文采用模块化、标准化设计，将特殊负荷、城市供电、高压输电等多类目标的监测纳入到系统设计中，实现了电能在发、输、用等过程的全方位监测(风力发电的监测按特殊负荷建设)，大大提高了监测系统的监管范围和监测数据的深入挖掘能力。

1 系统的功能与结构

1.1 系统的结构与组网模式

作为国内较早地面向大区域的电能质量数字化分析平台，本系统采用国内领先的3级分布式结构，如图1所示，即:监测终端、地区供电公司子站、省监测中心主站3层，实现了数据的分级采集、处理和存储。3级系统的提出实现了监测数据的分布式计算，大大提高了系统的可扩展能力和大区域电网电能质量的分析能力。3级结构分流了数据，使各级平台之间数据流向更合理，单向数据传输量更小，有效减轻了大量数据集中处理带来的系统负担;同时，方便了今后新监测点和子站的接入。

图1 3级电能质量综合监测系统结构Fig.1 Structure of power quality monitoring system

第1层为监测终端，主要指变电站电能质量监测终端和用户侧电能质量监测终端，实现电网运行中电能质量数据的在线采集。

第2层为子站，即地区电能质量监测分析子系统，位于各超高压输变电公司或各地区供电公司，主要目标是实现对地区电网电能质量问题的监测和分析，并为主站全网电能质量的监测和管理提供数据支撑。

第3层为主站，即省网电能质量监测中心，主要实现对全省电网电能质量问题的综合监测和统一管理。主站是电能质量监测管理系统的中心，建有对外统一的数据发布功能模块。

3级网络结构的设计，大幅提升了电力监管部门的监管力度。(1)当各个地区电网电能质量指标有违限趋势时，各地区电能质量管理中心可以快速地给予控制命令;(2)省级电能质量管理中心在可以对各地区电网下达电能质量控制命令的同时，还可以在各地区电网之间实现电能质量的协调控制，如实现各地区电网之间的无功调度，这有利于进一步改善全网电能质量水平，更加有利于保证电力系统的安全稳定经济运行。

系统中心站由数据库服务器、Web服务器、采集服务器和管理终端组成，负责管理系统主网架，支撑各级用户对电能质量的需求，汇集各监测点电能质量数据，产生并发布电能质量分析报告。系统中心站架构采用 B/S＆C/S设计模式，集中式管理。C/S(Client/Server)是客户机和服务器结构，可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销。B/S(Browser/Server)是浏览器和服务器结构，这种结构的用户工作界面是通过浏览器来实现，主要业务应用逻辑在服务器端实现，无需在客户端安装应用软件，简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量。基于此，各级普通用户访问系统采用B/S模式，管理终端和通信服务器均采用C/S模式，兼顾了B/S和C/S模式的技术优点，在实现瘦客户端的同时，使本系统的性能达到最优。

1.2 系统的监测对象

本设计引入集中化设计思想，在结构上系统共享1套分析平台，采用统一标准的技术架构。系统将3个以不同监测对象为目标的子系统集中在1个分析平台上，子系统包括:特殊负荷电能质量监测子系统、城市电网供电质量监测子系统、主网电压质量监测子系统，实现了不同对象电能质量监测的统一管理。

2 系统的数据组织方式

2.1 数据格式的标准化

系统采用IEEE推荐的PQDIF格式作为信息数据的标准格式［6-7］，要求不同厂商的前置机与系统应用服务器之间进行数据传输均采用该通用数据转换标准，以满足系统脱离单一设备供应商的系统架构，实现多数据源自由接入为基础的数据共享平台。

电能质量监测与分析系统的监测设备来源不同厂商，不同厂商监测终端中数据存储的格式、通信规约自成体系，互不兼容，而且目前国内也没有统一的电能质量数据存储格式要求和通信规约标准。为保证电能质量数据的完整性、正确性、复用性，实现数据的共享，使各厂商的设备能自由接入，系统在采集服务器和监测终端之间引入前置机技术，通过前置机来屏蔽不同厂商的数据不兼容问题。

前置机与中心站的采集服务器间按规定的通信规约通信。数据交换格式采用IEEE1159推荐的标准数据交换格式PQDIF，将从监测终端获取的电能质量数据发送到采集服务器并保存到数据库中。同时，前置机还接收中心站采集服务器下发给监测终端的指令，解析监测终端的归属厂家，然后将指令按照该厂商的通信规约要求下发给监测终端。因此，前置机使系统数据的管理建立在统一的平台上，从而实现数据的共享，达到多厂商自由接入的目的。

2.2 各子系统的数据接入

特殊负荷用电、城市供电、高压输电等对象可能出现的电能质量问题不同。如特殊负荷，通常关注谐波、三相不平衡等指标;城市供电以供电电压合格率、电压闪变和波动为重点;输电网则要包含电压骤变、录波数据、主网电压等内容。三者的数据来源也不尽相同。

特殊负荷电能质量监测子系统的接入:在变电站或用户侧线路上安装电能质量监测仪进行在线监测，监测终端将数据上传至各地区子站，经子站统一处理、分析后将分析结果上传至主站;部分变电站监测终端直接将监测数据经原通道上传至主站。

城市电网供电电压质量监测子系统的接入:电压质量监测仪通过通用分组无线服务技术(general packet radio service，GPRS)无线传输的方式将监测数据送至主站GPRS服务器，由主站统一处理、发布。

主网电压质量监测子系统的接入:主网电压质量数据来源于省调度中心能量管理系统 (energy management system，EMS)实时数据库(属于安全 I区)。因此，需要在省调度中心安装(正向型)隔离装置实现系统从安全I区到安全III区的数据传输。主站从安全III区的综合数据平台数据采集与监控(supervisory control and date acquisition，SCADA)镜像数据库获取数据。

主站的系统结构如图2所示。

如图2所示，为充分利用电力运营部门已有数据资源，本文提出电能质量监测系统与SCADA、用电管理信息系统 (management information system，MIS)等系统进行联网设计，并能够通过标准的网络协议(如TCP/IP协议)实现系统间的通信和数据交换，以便从MIS系统获取变压器、线路的档案信息，并向SCADA系统传送电能质量数据。各子系统数据送至主站后，分析服务器完成对各类数据的统计、分析并形成各类图形、报表等，分析结果由数据库服务器统一存储。各子系统的分析结果由Web服务器统一发布。各级授权用户按照其权限等级，通过Web浏览器登录服务器浏览、查询各类数据。主站数据流向如图3所示。

图3 系统数据流向(方案1)Fig.3 System data flow(scheme 1)

考虑到省调度中心的SCADA镜像数据库可能出现的接入能力饱和情况，为高压输电网的监测设计了第2方案:通过在变电所高压侧母线上安装电能质量监测仪的方式获取主网电压质量数据。数据由变电站上传子站后，经子站统一处理后上传至主站服务器。

此方式下主站系统结构如图4所示。

由图4可以看出，主网电压质量监测终端将监测数据上传至上级子站形成特殊负荷电能质量监测、主网电压质量监测2类数据的交换数据包，并上传至主站服务器。主站对各类数据统计、分析后形成各类报表，后经Web服务器统一发布。此方式下主站数据流向如图5所示。

图4 主站系统结构(方案2)Fig.4 Structure of main station system(scheme 2)

图5 主站数据流向(方案2)Fig.5 System data flow(scheme 2)

3 系统的高级应用扩展

3级多监测目标系统，丰富了电能质量数据来源，使系统用户对监测数据的高级应用成为可能。专家系统能够模仿人类电能质量专家的思维来解决电力系统中有关电能质量方面的复杂问题，它包含大量的电能质量领域专业知识，拥有类似人类专家思维的推理能力，并能合理地运用这些知识来解决实际工作中诸如谐波潮流、故障测距、故障性质、严重程度等电能质量问题，并给出解决问题最合理的方案［8-10］。主要设计功能有:

(1)故障诊断。推理机依据存储在电能质量原始数据库中的电能质量事件信息，并匹配电能质量知识库中的规则，按照知识库中已建立的数学模型，仿照电能质量专家的思维模式，对发生的事件及其原因进行诊断，并提出整改建议。

(2)谐波潮流分析。推理机依据存储在电能质量原始数据库中的谐波数据，匹配电能质量知识库中的规则，按照电能质量知识库中的数学模型，仿照电能质量专家的思维模式，计算出监测点的谐波潮流方向，为进一步的谐波责任区分和治理提供依据。

(3)电能质量评估。推理机依据存储在电能质量原始数据库中的电能质量各项指标合格率数据，匹配电能质量知识库中的规则，按照电能质量知识库中的数学模型，对监测点的电能质量状况进行综合评估。

4 系统应用实例

该系统正式运行后为甘肃电网电能质量分析与管理提供了有效的手段，图6所示为系统监测点电能质量数据分析界面。以接入监测系统的110 kV定定牵线为例，通过远程获取该条输电线路所对应电铁负荷的谐波、电压波动和闪变等电能质量数据，并生成对应趋势图、报表及评估报告等分析结果，可为电铁负荷电能质量现状分析及治理提供详实的决策依据。其中，110 kV定定牵线某时间段谐波电压趋势和电能质量分析报表分别如图7和图8所示。

如图8所示，应用该系统监测数据分析110 kV定定牵线谐波现状，发现监测时间段内主要以3、5、7、9次谐波电压为主，且电压总畸变率最大为1.79%，满足国标限制规定。

5 结语

本文设计的电能质量综合监测系统实现了对电网电能质量全面监测和综合管理，目前系统已在甘肃电网成功投入运行，实现了定西、嘉峪关、武威等6个330 kV变电站的接入。系统运行可靠，取得了良好的效果。该系统具有以下主要创新:(1)系统采用了国内先进的3级结构设计，实现了监测数据的分布式计算和高级应用，大大提高了系统的可扩展能力和大区域电网电能质量的分析能力。(2)该系统设计了含多个监测对象的分类监测子系统，如网内的特殊负荷、城市供电、高压输电网等，集中监测各类电能质量，实现了对电能质量的全方位监测，对有效开展电能质量监测、监督和治理工作具有一定的指导意义和应用价值。

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