3G通信电能质量监测系统的应用

朱伟立，田曙光，张伟，谢泽，金伟伟

（1．南京灿能电气自动化有限公司，南京211100；2．上虞市供电局，浙江上虞312300）

3G通信电能质量监测系统的应用

朱伟立1，田曙光1，张伟1，谢泽2，金伟伟2

（1．南京灿能电气自动化有限公司，南京211100；2．上虞市供电局，浙江上虞312300）

基于MIS网络的电能质量监测系统在许多电网公司已经得到了广泛的应用。然而属于电力企业内网的MIS网络无法覆盖电力系统外的电力用户，使电能质量监测和管理工作出现盲区。根据电能质量监测系统要求，组建了基于3G通信的电能质量监测系统，通过监测数据对各接入点的电能质量状况进行分析，实现了对用户电能质量的长期实时监测。

3G通信；电能质量；监测系统

近几年，有关部门先后制订和修订了多项关于电能质量的国家标准，对电能质量的概念、测量方法和运行规范提出了科学和明确的要求，进一步规范了电能质量的监测和评估工作。

然而，目前建立的电能质量监测系统使用的都是基于电力企业MIS（管理信息系统）的网络，不可能纳入系统外的电力用户。因此，电力用户即使安装了电能质量在线监测装置，由于通信网络的限制，电力企业的监测系统也无法将其纳入监控管理。

3G（第三代数字通信技术）具有高覆盖率、高传送速率的特点。将3G通信技术应用于电能质量监测系统中，无需铺设通信线路，项目实施方便，建设成本较低。随着移动运营商对3G网络的不断建设，其通信稳定性已经可以满足电能质量监测系统的要求。同时3G网络的运行费用也在逐步较低，是目前对广大电力用户实现电能质量监测的优选方案。

1 监测系统的结构与功能

1.1 监测系统的结构

电能质量监测系统基于B/S（浏览器/服务器）构架，通信网络采用3G技术，运用商业数据库和内存实时数据库相结合的方法，对电能质量数据进行显示、分析、管理和应用，适用于区域分散用户的电能质量集中监控和管理。监测系统网络拓扑见图1。

监测系统包含了系统服务器、3G通信环境、电能质量在线监测装置、客户端4个组成部分。系统服务器位于局端的中心机房，由以下4部分构成：

（1）数据服务器：负责对监测点数据的读、写操作。

图1 监测系统网络拓扑

（2）通信服务器：负责进行与电能质量监测装置的数据传输。

（3）VPN（虚拟专用网络）服务器：负责建立3G平台的通信环境。

（4）Web（网络）服务器：负责发布系统的展示页面和管理访问用户。

3G通信环境由3G路由设备和移动运营商的3G通信网络组成（支持TD－SCDMA，CDMA 2000，WCDMA及混合模式），利用VPN和PPTP（点对点隧道协议）功能，建立内部专网，DDNS（动态域名服务）动态域名解析。

挑选典型企业作为监测对象，以PCC（可编程计算机控制器）点作为监测点，装设电能质量在线监测装置。每个监测点接入独立的3G路由设备，由3G路由设备发送监测点的分钟统计数据和事件报文。

用户通过互联网，以页面浏览方式登陆监测系统。可根据管理员授权的用户名和密码，访问系统页面，查阅监测点数据及各项电能质量指标，分析监测点电能质量状况。

1.2 监测装置的功能要求

电能质量装置须满足IEC 61000－4－30《试验和测量技术——电能质量测量方法》、GB/T 198162《电能质量监测设备通用要求》、Q－GDW《650电能质量监测终端技术规范》规定的技术要求，采集电压偏差、系统频率及偏差、不平衡度、电压波动和闪变、公用电网谐波、间谐波、骤升、骤降、电压中断等相关指标。装置能够远程设置和修改电能质量指标参数，支持PQDIF（电能质量数据转换格式）数据接口，统计数据时间间隔1～10 min可调，支持数据补招功能。

1.3 通信环境指标

室内、外环境中能够分别支持至少2 Mbps和384 kbps传输速度，码片速率1．2288 Mcps，3G路由设备需要支持PPTP/L2TP协议，支持端口数据转发。

以每个监测点进行流量测算：3G路由设备定时发送心跳报文，监测点数据为每1 min发送1次测试报文，每5 min发送1条监测点的统计数据。

每天TCP（传输控制协议）连接、心跳报文、设备数据传输各部分产生的流量分别是：成功建立1次TCP连接产生的流量0．371KB；心跳报文产生的总流量116．64KB；监测点测试报文产生的总流量172．8KB；24 h内统计数据产生的总流量8．492MB。

1天采用3G传输所产生的流量为以上数据的总和，约8．5MB。

1.4 后台系统的功能

（1）监测系统的容量：支持不少于300个PPTP客户端，支持250个数据监测点，每个监测点流量约定为每月500MB。

（2）通信状态的监控：后台系统能实时监控装置的运行状态，统计数据流量情况，具备历史追溯功能。

（3）监测数据的存储：监测系统需采用专业的商业数据库进行数据管理，监测点的各项电能质量监测数据能长期存储在远方服务器中，服务器中至少能保存3年以上的数据不丢失。

（4）监测数据的显示：后台系统能显示基波电压、电流、电网频率、各次谐波电压、电流曲线；不平衡度曲线，电压、电流谐波总畸变率曲线，闪变曲线，ITIC（CEMBA）曲线，暂态事件描述。

（5）统计报表的形成：系统能自动形成日、月、年度统计报表，报表中需包含各项监测指标的最大值、最小值、平均值、谐波电流值，支持报表手动生成，支持报表的远程下载功能。

（6）监测系统的安全：监测系统由于其搭建的平台是基于互联网，而监测点的数据又具有一定的保密性，对于系统的访问需要有一定的安全措施，不同的权限用户的访问需要进行相关授权，同时还应有防止恶意攻击的措施。

2 监测系统的运行

某地区非线性负荷用户较多，选择在城区具有代表性的某110 kV变电站，其系统接线如图2所示。对该变电站供电的不同工况企业用户进行梳理和归类，选择具有典型性和代表性的企业作为监测对象，决定在该变电站选择1号主变压器（简称主变）低压侧、2号主变低压侧、508出线以及7个企业专线用户（A—G）作为监测对象（基本情况如表1），共计10个监测点，分别安装独立的电能质量在线监测装置。

图2 变电站主接线

通过对这些监测点的电能质量监测，分析用电情况以及其产生的电能质量污染对供配电系统的影响。

上述10个监测点的电能质量在线监测装置，通过3G路由设备接入Internet。3G路由设备和供电局机房服务器组通过DDNS动态域名解析，获得进入电能质量监测系统平台的入口，组成电能质量专用网络。服务器组通过规约程序和Oracle数据库协同工作，并开启数据补召机制，将3G路由设备传输的监测点电能质量分钟统计数据和电能质量暂态事件传输到服务器中存储和分析。

系统自2012年10月搭建完成以来，各个监测点的数据完整，每个监测点的日数据流量在9M左右，符合监测点日流量的理论值。同时监测系统后台各功能模块运行良好、系统稳定，能随时调阅各项电能质量指标数据、事件报文、统计报表，进行展示和分析。

3 系统谐波电流分析

3.1 主要监测数据

根据系统运行2个月获取的监测数据，观察各监测点的各次谐波电流值可以发现2号主变低压侧及2号主变所带负荷的谐波电流较低；1号主变低压侧及1号主变所带负荷的监测点上3，5，7，11，13，17，19，23次谐波较为明显，这也和这些企业整流性设备较多相符合，在这些谐波电流中以3，5，7，11次谐波更为突出。

下面对1号主变负荷的3，5，7，11次谐波情况进行初步分析。表2为各监测点三相中谐波电流最大一相的数值。

3.2 3，5次谐波分析

表2中A轴承、B光伏、C铜业、D机电的3，5次谐波电流按照GB 14549－93《电能质量——公用电网谐波》中谐波源的相量叠加公式计算。

式中：Ih为第h次谐波电流；Ih1为谐波源1的第h次谐波电流；Ih2为谐波源2的第h次谐波电流；Kh为系数，查文献[4]可知，Kh=1．62（h=3），Kh=1．28（h=5）。

表1 各监测点情况

表2 各监测点谐波电流值

可以发现1号主变低压侧的电流谐波值主要由A轴承、C铜业产生。这4个负荷构成该段母线3，5次特征谐波电流值，其中以A轴承、C铜业为主要3，5次谐波电流输出源。

3.3 7次谐波分析

表中508线路的7次谐波电流值由A轴承、B光伏的7次谐波电流迭加而成，但是在1号主变低压侧监测到的7次谐波电流明显大于它下面各分支监测到的7次谐波电流的迭加。这说明A轴承、B光伏、C铜业、D机电不是这一母线上主要7次谐波源，必要时应该寻找新的监测点接入系统进行分析。

3.4 11次谐波分析

表2中1号主变低压侧11次电流谐波值小于508线，可以看出A轴承产生的11次谐波电流并未完全注入系统，而是部分被同一母线上的其他负荷吸收。但要确定具体谐波情况，需要断开接入系统的电容器组，监测输电线路中谐波电流的流向，只有当输电线路上所有电容器组都切除，才会去除谐波谐振的影响，才能真正确定谐波源。

4 主要谐波负荷分析

A轴承、C铜业负荷的谐波电流在10个监测点中比较突出，下面对这2个负荷的主要谐波电流情况进行分析。

A轴承的主要容量参数：用户合同容量3．8 MVA，设备容量3．8 MVA，基准短路容量100 MVA，母线最小短路容量180 MVA。

以该企业工作时间段8∶00—17∶30的基波电流曲线（如图3所示）可以看出，该企业负荷大约在1 000 kVA，占总容量26%。经过与企业现阶段生产情况核实，目前市场需求不足大部分生产设备（包含中频炉等谐波源）未使用。

图3 A轴承B相基波电流曲线

特征谐波电流测量与限值如表3所示。从表中可以发现11次谐波电流在26%负荷的情况下，谐波值比限值已经到78%，处于越限边缘。如果考虑该企业大部分生产设备均开启的情况下，11次谐波电流有可能超标。

表3 各监测点谐波电流值

C铜业的主要容量参数：用户合同容量9．25 MVA，设备容量9．25 MVA，基准短路容量100 MVA，母线最小短路容量240 MVA。

从工作时间段0∶00—23∶55的基波电流曲线（如图4所示）可以看出，该企业负荷大约在1 600 kVA，占总容量17%。

特征谐波电流测量与限值比较如表4所示。从表4中数据可以看出在测试时间内主要谐波电流在限值内，但由于企业工作负荷只占总负荷17%，无法反应企业真实的谐波电流情况。

从上述数据可以看出由于各工业企业的生产情况随市场环境变化较大。在2个多月的监测期间，虽然谐波电流都没有超过限值，但是不能说明企业在满负荷生产条件下，谐波电流不超标。因此要掌握企业谐波电流具体情况，需进行长期的监测分析。

图4 C铜业B相基波电流曲线

表4 各监测点谐波电流值

5 电压偏差

通过监测系统的电压合格率统计，系统中的监测点除了“C铜业”企业外，电压合格率均为100%，而该企业电压合格率长期在40%～50%之间。

图5是C铜业与1号主变低压侧的电压偏差曲线。从图5可看出，C铜业的电压偏差超过+7%的标准上限值，而同期变电站的母线电压偏差合格。由于该企业是专线用户，对比该企业电压偏差趋势曲线和上级变电站10 kV母线电压偏差趋势曲线发现，用户侧的线路末端电压已经超过了线路出线端电压。查看该企业功率因数变化曲线，其功率因数长期在0．99左右，经过对该企业用电设备排查，无功补偿设备存在的无功过补偿是造成电压超上限的根本原因。

图5 C铜业与1号主变低压侧的电压偏差曲线

从监测数据看，各个监测点在观测期间三相电压不平衡、频率偏差、电压总谐波畸变率、电压波动与闪变都在国标限值以内。

6 结语

从监测系统的运行可看出：由于各个用户的用电工况复杂，很难保证测试是满足标准中“谐波电压（或）电流测量应选择在电网正常供电可能出现的最小运行方式，且应在谐波源工作周期中产生的谐波量大的时间段进行”的要求。在这种情况下的电能质量普测，无法全面真实衡量用户的电能质量状况。只有采用在线电能质量监测设备的长期实时监测，才能真实全面掌握工业用户的电能质量状况。而仅仅采用独立运行的在线式电能质量监测设备，难以站在供配电系统的角度分析各个监测点间的电能质量状态关系。

基于3G通信技术的电能质量监测系统运行稳定、建设方便、运行维护费用较低，可以便捷、灵活地实现对电力系统外各分散用户的电能质量状况长期实时监测。

依靠该系统的建立和长期监测，对监测系统收集的数据进行分析和评估，一方面可以发现用户存在的潜在问题；另一方面在分析时可以依托系统收集的其他相关监测点数据、趋势图和报表，分析各个监测点的电能质量指标相互关系，进而寻求最优化的治理方案。

[1]肖湘宁．电能质量分析与控制[M]．北京：中国电力出版社，2010．

[2]李鹏，朱强，许晓芳．基于异构平台的省级电能质量监测网的实现[J]．浙江电力，2006，25（4）∶47－51．

[3]雷斌，余金霞，李忠．电能质量监测系统的方案探讨[J]．江苏电机工程，2009，30（2）∶63－65．

[4]GB/T 14549－93电能质量——公用电网谐波[S]．北京：中国标准出版社，1993．

（本文编辑：陆莹）

Application of Power Quality Monitoring System 3G Communication

ZHU Wei-li1，TIAN Shu-guang1，ZHANG Wei1，XIE Ze2，JIN Wei-wei2
（1．Nanjing Shining Electric Automation Co．，Ltd，Nanjing 211100，China；2．Shangyu Power Supply Bureau，Shangyu Zhejiang 312300，China）

The power quality monitoring system based on MIS network has been widely applied in many power grid corporations．However，the monitoring system can not cover power consumers outside of the system since MIS network is used in power grid corporations，which causes blind zone to power quality monitoring and management．The paper，in accordance with requirements of power quality monitoring system，establishes a power quality monitoring system based on 3G communication．The system analyzes power quality at each access pointvia the monitored data for long-term real-time monitoring on power quality ofconsumers．

3G communication；power quality；monitoring system

TM933∶TN919

：B

：1007－1881（2013）03－0069－05

2013-01-06

朱伟立（1970-），男，江苏南京人，工程师，从事电力系统自动化产品的技术研究工作。