主动配电网PQMT一致性入网检测平台构建

李国栋，葛磊蛟，刘创华，冉冉，吕金炳

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）

分布式电源、微电网和柔性负荷等大规模接入配电网，使配电网具有灵活、互动等特性，从而构成了主动配电网［1］。但是，这些由电力电子元件、非线性阻抗、分布式发电机等构成的系统平台导致主动配电网的电压暂降暂升、电压偏差、三相不平衡以及电压谐波等电能质量问题更为突出［2］。

通过手持式或固定安装的电能质量分析仪、电能质量监测仪等电能质量监测终端对重点线路进行监测，提取主动配电网中的重要节点的电能质量状态，快速传送至控制系统，一方面从系统层次上，通过控制系统对分布式能源进行调度，利用灵活的配电网络拓扑对系统潮流进行控制［3］，另一方面在局部，通过控制电容器自动投切装置，改善电能质量状态，最终达到及时解决电能质量问题，提高各个分布式电源的利用率的目的，实现整个配电网的安全稳定高效的运行。但是现有的电能质量相关设备在采集速度、测量方法、测量范围、测量精度、通信接口等技术指标方面无法满足主动配电网的电能质量监测要求。而且，在主动配电网中，由于加入的分布式电源、柔性负荷等更多，相应也需要更多的电能质量监测终端。因此，新型的电能质量监测终端已成为国际国内各个电力设备供应商、仪表厂商等的重点研制对象。

肩负电网运行和管理的国家电网各省电力公司，面对主动配电网的电能质量问题，将对大批次的电能质量监测终端进行升级换代，但是国内外电能质量监测终端的设备厂家较多，良莠不齐，采用计算方法和统计方法各异，常出现相同的电能质量，使用不同的厂家仪器测量，监测结果数据不同的现象，因此，电能质量监测终端在投入使用前，需要依据相关国际国内标准对其进行统一管理和校准，即一致性入网检测［4］。一致性检测后接入主动配电网的终端是整个电能质量监测系统运行品质的保证。

为了终端产品的标准化，国际电工委员会（IEC）制定了IEC 61000—4—30，IEC 62586—1 和IEC 62586—2；其中，IEC 61000—4—30 规定了电能质量测量方法以及对测量结果的不确定度要求；IEC 62586—1 规定了电能质量监控仪器的工作环境、基本功能、安全性要求，并给出了功能，环境和安全型式试验的要求；IEC 62586—2 规定了对于电能质量监测终端的功能性和不确定度的通用型式试验方法。我国标准化院也制定了GB/T 19862—2005 和Q_GDW 650—2011；其中，GB/T 19862—2005 规定了电能质量监测设备通用要求；Q_GDW 650—2011 规定了电能质量监测终端的技术规范。

在入网检测平台方面，很多学者也进行了相关研究；文献［4］对智能电能表通信协议及功能一致性检测方法进行了设计；文献［5］提出了一种充电机检测平台构建方案；文献［6］提出了一种电能质量监测终端一体化测试的方法；文献［7］提出一种配电自动化终端设备检测平台的构建方法；文献［8］构建了对于集成风能系统电网中使用的电能质量仪器的检测平台。文献［9］构建了云台板卡测试平台。

本文依据国际国内的标准从系统框架、硬件架构，通信性能检测、功能性检测等多方面对主动配电网电能质量监测终端一致性入网检测平台进行详细阐述。

1 平台功能需求分析

一致性入网检测是电能质量监测终端投入使用前的校准或者故障后的检测校准，一般校准项目繁多，主要包括频率、谐波、三相不平衡、电压闪变、电压骤升骤降等，涉及的状态量也比较多，主要有电压、电流、频率等，可遵行的国际国内标准也比较多，主要有国际IEC系列、国内和国网的标准，但从组成结构而言，平台主要包括标准功率源和模拟电能质量问题的状态电路两部分；从功能方面而言，主要有通信性能校准和功能性校准两方面；其中，通信性能校准主要检测通信协议一致性，以及终端数据通信传输的可靠性和稳定性；功能性校准主要检测监测终端谐波、三相不平衡等功能。

由于主动配电网一致性入网检测涉及的内容繁多、采集数据信息量大、操作次数比较多，一般设计为自动化的检测系统：即在系统上位机的软件平台中勾选相关校准项目，点击“确定”设置后，能够自动、连续完成对监测终端的校准。平台功能主要分为通信性能校准和功能性校准两部分。

1.1 通信性能校准

电能质量监测设备种类繁多，尽管制造厂商均参考已有IEC 国际通信标准和国内标准，但是制造商常为了产品的技术特点或者为了提高产品的竞争力而人为设置技术壁垒，对通信标准的扩展协议进行自身的规定，致使厂商之间相同标准但通信协议和数据格式差别较大，不同厂家的设备互不兼容；因此，为了有效开展电网的电能质量监测校准工作，检测设备的通信性能校准是至关重要的第一步［10］。

据不完全统计，当前监测终端主要遵行的通信标准和规范有：

1）国家电网企业标准Q_GDW 650—201；

2）IEC 61850通信标准；

3）数据存储为PQDIF文件格式规范；

4）以太网接口、EIA RS—232/485，USB 等通信接口标准［6］。

通信性能校准的方法如下：

1）根据厂家提供的Modbus，DL645，IEC61850等通信标准，在上位机进行通信性能参数选择设置；

2）设置好检测终端的电能质量越限定值，改变标准功率源的参数，造成电能质量的越限报警事件；

3）查看主站端实时数据、报表数据的刷新速度，确认被检测电能质量监测终端的数据，核对上送时间、数据的正确性等能否满足技术规范；

4）对监测终端断电，再重新上电，再次重复测试；然后，在主站中通过“日志服务”功能模块，检索监测终端的监测历史日志条目，以通信成功率达到95%为标准检验电能质量监测终端的通信功能。

1.2 功能性校准

监测终端的通信功能检测通过后，为功能性校准检测的自动化提供了基础。

由于大规模的分布式电源（DG）接入主动配电网，致使电网的电能质量受到一定的影响，主要原因：一方面是受环境影响的分布式电源，具有不确定性，间歇性，在接入和退出电网时可能造成电压骤升骤降闪变等电能质量问题；另一方面经过大量的电力电子装置变换后，不能产生50 Hz 标准交流电的分布式电源才能接入电网，在变换过程中，产生大量的谐波。

为了准确监控主动配电网上述电能质量问题，电能质量监测终端应具备更高的测量精度以及更广的测量范围。因此本平台电能质量终端的功能性校准项目和对应所使用的方法如表1所示。

表1 功能性校准内容Tab.1 Functional calibration content

误差比对法。对被检电能质量监测终端进行1～25次谐波电压、谐波电流进行检测校准，将1～25 次谐波分成低频奇次、高频奇次、低频偶次、高频偶次等4个谐波组进行测量，根据测量数据，并根据国家标准［11］对于谐波含有量的计算方法计算谐波电压含有率HRU，谐波电流含有率HRI：

式中：Uh为第h次电压谐波方均根值；U1为基波电压方均根值。

式中：Ih为第h 次电流谐波方均根值；I1为基波电流方均根值。

将计算结论与标准（HRU 分为5%，2%，0.5%3 个级别，对应的HRI 分为11%，5%，2%）进行比对，依据四舍五入的原则，确定校准结论。

枚举法。依次对电压的幅值、相角进行枚举校准，其操作步骤为：

1）先保持三相中两相平衡，对第一相进行校准，通过模拟动态电路调整第一相电压幅值变化，计算被监测终端对应的电压幅值变化；

2）通过变化动态模拟电路，使其电压相角发生变化，计算被监测终端的电压相角变化；

3）依次进行第二、三相的线路电压；

4）依据三相电压服从平均分布的原则，计算被监测终端相对标准电压值的准确度，根据国家标准［12］的规定，应满足

式中：εu为测试值；εuN为给定值。

方差法。模拟电压从100%瞬时变至50%的闪变，记录被监测终端的电压变化，然后从50%瞬时变至100%的闪变，记录被监测终端的电压变化；如此重复20 次，计算被监测终端的电压变化方差，以方差小于5%为校准标准。

均值法。模拟电压幅值50%，70%，80%3种骤降，分别对应的持续时间为200 ms，500 ms，1 000 ms，记录被检测终端的电压幅值变化值；重复试验10 次；然后先分别计算单一骤降的平均值，再计算3 种骤降的均值，以均值小于0.3为标准。

2 平台架构

电能质量监测仪器的检测平台主要由标准功率源、模拟状态电路和待校准监测终端3 大部分组成，如图1所示。

图1 主动配电网一致性入网检测平台系统框架Fig.1 System framework of consistency detection network in active distribution network

图1 中，标准功率源是一台能够产生高精度电压、电流信号的标准源，为入网一致性检测提供信号标准。传统上，模拟状态电路是一组由电阻、电容和电感构成的动态电路，在检测过程中，通过采用不同电阻、电容和电感的配合，构搭成不同形式的谐振电路，产生不同的奇次谐波干扰源，其阶数一般为3～11次。如果希望产生更高阶的谐波，电路将变得非常复杂。这些状态电路单元通过串并联选择后，注入待测电能质量监测终端，从而达到模拟主动配电网中出现的各种电能质量问题。其组成图如2所示。

图2 模拟状态电路的组成图Fig.2 Framework of simulation circuit

如前文所述，主动配电网的电能质量状态更为复杂，这种模拟状态电路只能模拟谐波类或三相不平衡等电能质量状态，不能满足前文提出的主动配电网中电能质量终端一致检测平台的功能型校准的各项要求。这也是不同监测终端一致性比较差的原因之一。

除此之外模拟状态电路在各个状态之间切换较为困难，不能连续精确调节，不能实现自动调节，效率低下。电能监测终端是被校准的对象，也是广泛应用于电力系统中电能质量监测的工具，根据IEC 62586—1［13］规定，一般结构如图3所示。

图3 电能质量监测终端的组成图Fig.3 Framework of quality monitoring terminal

2.1 系统框架

鉴于前面指出的各种问题，可以建立一种新的框架平台，通过一种可由计算机进行数字化控制的标准功率源与可以通过数字化模拟的模拟状态电路，这样一致性问题就可以通过软件标准化的形式解决。

这种数字化模拟不但能够解决高次谐波生成的问题，也比较容易实现各种用户随机定义的非线性参数，如电压骤升骤降等。这种软件形式的标准化也易于升级，以应对未来主动配电网的新变化。

选用福克斯Fluke 6100A 代替前述标准功率源与模拟状态电路，其技术指标如表2所示。

表2 Fluke 6100A 技术指标Tab.2 Technical indicators of Fluke 6100 A

从表2 可以看出Fluke 6100A 可以实现标准功率源与模拟状态电路的所有功能，并且其参数指标有很大程度的扩展。

2.2 硬件组成

主动配电网一致性入网监测平台系统的硬件，从组成上可以分为主站监测系统和校准基础平台两部分组成，如图4 所示；其中，主站监测系统是用户进行自动化测试的操作支撑平台，主要包括各种接口转换器、GPIB 卡和监控服务器，且监控服务器是校准系统操作软件的支撑平台；校准基础平台是实际进行校准的硬件平台，主要包括Fluke 6100A 标准源和待检测终端。

图4 主动配电网一致性入网检测平台硬件框架Fig.4 Hardware framework of consistency detection network in active distribution network

2.3 操作流程

基于系统架构和硬件组成，为了方便自动化进行批量对终端进行入网检测，制定其操作流程如图5所示。

图5 主动配电网一致性入网检测校准操作流程Fig.5 Operation process of consistency detection network in active distribution network

首先，将各项功能性测试所需要的测试状态信息输入计算机中，并导入6100A 主机内部，按照顺序，准确模拟各种电能质量状态；以6100A为主机的标准信号电源输出各种电能质量状态的三相电压电流信号，将该信号直接输入到被测终端内；电气量经由待测电能质量终端处理后，得到的结果由通信接口输出，数据传至计算机的数据库中；统计被测终端上传的数据值与6100A 标准信号电源输出值的误差，对被测终端的精度性能做出评估。整个测试过程可以设定一个时间段，自动、连续、同时完成终端的精度和通信测试。

3 案例分析

选取长沙威胜WPQ1010、西安博宇电气有限公司PQAny，Fluke 电能质量分析仪PW3198 共3家单位产品，进行对比分析测试，其测试结果如表3所示。

表3 产品对比测试表Tab.3 Product comparison test table

从表3中得出如下几点结论：

1）3 个厂家的电能质量监测终端，整体综合水平排序为：PW3198＞WPQ1010＞PQAny；

2）功能性校准中谐波、三相不平衡、电压闪变、电压骤降等子项，所分别对应的误差比对法、枚举法、方差法、均值法等方法，设计合理，能够有效发现不同厂家的功能性能差别。

4 结论

主动配电网电能质量监测终端在实际使用过程中，常常出现相同电能质量、不同厂家仪器、测试结果不同的现象，本文针对主动配电网对电能质量检测终端的更高要求，构建了一种自动化的主动配电网电能质量监测终端一致性入网检测平台。该自动化平台具有操作简单、测试功能齐全等特点，一定程度上解决主动配电网电能质量监测终端入网的校准问题，但是对于测试的智能化、校准的结果准确性、可信度评估等方面，将是未来值得研究的理论课题。

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