智能电网环境下电能质量在线监测管理系统的研究与应用

李杰 李静

摘   要：文章先分析了电能质量在线监测管理系统设计，包括总体结构、功能模块、数据库、数字信号处理器、ARM控制器，随后介绍了试验分析，希望能给相关人士提供有效参考。

关键词：智能电网;在线监测;管理系统

随着非线性负荷以及冲击性负荷的持续增加，三相不平衡、电压闪变、谐波波动等问题也相继出现，进而增加了电路的管理难度。为了满足新时期的电网监测管理要求，应该促进电能质量监测朝着智能化的方向发展，除了拥有决策和判断等功能之外，还能够对事故进行实时控制、准确辨别干扰源、故障辨识和问题干预等，拥有智能评估功能。

1    电能质量在线监测管理系统设计

1.1  总结构设计

电能质量监测管理系统集中了浏览器和服务器模式以及客户机和服务器模式，是一种混合结构，这两种模式都可以划分成3层结构体系，分别是数据服务层、应用服层和客户层。其中，客户机联合服务器模式能够实现动态交互，处理大量的数据信息，具有较强的优越性，在该模式下能够有效实施评估分析、数据统计和实时计算等功能。浏览器加服务器的结构拥有重复使用、跨平台应用和一次性开发等功能，因此在该模式下可以有效实现信息共享、信息发布、信息查询、信息录入等功能，这种结构也是客户机和服务器结构的有效补充，尽管其无法达到客户机和服务器的实时性标准，但在应用过程中比较方便，相关授权用户无需使用客户端软件，便可以利用浏览器掌握电网中的电能分布状况，具有综合性和概括性特征，适用于电能质量管理部门对电网中的电能质量分布进行合理把握。将这两种结构模式应用到数据库中，能够进一步提高数据的同步性和一致性，同时，这种混合式结构还可以发挥出良好的优势互补功能。

该系统的主要功能是系统维护、网络通信、统计电能质量、地图监测、查询历史数据和曲线监测等。在设计数据库系统的过程中，为了进一步控制系统的消耗，可以在历史数据库以及实时数据库中使用不同表储存信息，在实时数据库内形成定期转存。历史数据库可以充分结合实际发展状况，进行人工转存操作，仅通过一种活动进行连接，帮助系统降低了整体开销，提高了系统稳定性。设计数据接口的过程中，系统中的各种数据主要是从其他各种系统中传输过来的，包括监视控制系统、配电管理系统、自动化办公系统和信息采集系统等，不同的系统之间还有其独自的数据库系统。但不同系统的数据库种类以及网络运行环境都各不相同，当数据接口出现问题后，为了进一步提高系统的扩展性和兼容性，可以利用网关站促进各个系统接口之间进行数据交换工作。至于其他软件中的预留接口可以设置成标准的编程接口。

1.2  功能模块设计

电能质量监测管理系统功能主要包括两大部分：（1）针对电能质量相关指标数据实施处理分析。其中，通信模块的主要任务是采集各种数据信息，通过用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）接收电力企业原有的系统实时数据，利用下位机和串口进行通信，及时接收谐波分析等相关数据信息。对电能质量相关数据进行实时监测，根据国家标准，科学判断收集上来的各种数据信息，看其各项指标有没有达到基础标准，随后将各项指标数据存储到数据库中备用，绘制棒状图和曲线图，辅助数字实施直观描述。把电能质量监测的信息分布填充到相应的地理信息当中，通过地图的形式描绘出电能质量的实际分布状态，使相关管理人员可以更加直观、清晰地认识到电能质量状况。统计合格率，按照各个的站点划分线路，并按照星期、月份、季度以及年份等特定的时间区间全面查询三相不平衡度、闪变、供电可靠性、谐波合格率、频率合格率、电压合格率等内容，并将相关内容以报表的形式打印出来，以便查询历史数据。能够对数据库中未达标的电能质量指标进行实时查询，具体包括不合格的频率和电压等数值及其相对应的时间;当天的谷值和峰值以及对应的时间;当天电能质量合格率、不合格谐波、三相不平衡度、闪变及其对应时间。系统维护功能，可以对日志和权限进行有效管理，包括输电线路、变电站等基础资料，实行全面的维护管理。报表管理，主要是负责导出或生成报表、将报表打印出来等。应用辅助功能，用户进行系统操作中，如果遇到了各种问题，可以直接进行在线查询，系统可以自动提供相应的帮助说明。（2）浏览器和服务器部分，该层负责对数据信息、系统资料和历史数据进行实时查询，具体包括查询监测点参数、历史数据、线损问题、供电可靠性以及合格率等内容。

从系统的时间特性需求层面分析，客户机和服务器模式会比浏览器和服务器的模式要求高，原因是浏览器和服务器模式需要传输大量的数据信息，主要是以图形数据为主，因此在一定程度上降低了系统的反应速度，但其仅有信息查询功能和信息发送功能，因此在浏览器和服务器模式下，可以接受系统中较慢的反应速度。客户机联合服务器模式在时间特性方面的要求如下：界面调用的反应时间应该低于1 s，查询的反应时间应该低于3 s，数据的更新时间应该低于3 s，100条记录信息在转换和传输过程中所消耗的时间总量应该小于1 s，对于实时数据的更新时间需要低于3 s。浏览器以及服务器模式在时间特性方面的要求如下：界面调用的反应时间应该低于5 s，查询的反应时间应该低于6 s，数据的更新时间应该低于7 s，100条记录信息在转换和传输过程中所消耗的时间总量应该小于5 s，对于实时数据的更新时间需要低于8 s[1]。

1.3  数据库设计

电能质量监测管理系统需要对各个区域进行分级处理，涉及大量數据信息的管理和存储工作，为此可以选择拥有强大功能的ORACLE数据库，其拥有分布式数据管理功能，融入了多线索服务器和结构化查询语言（Structured Query Language，SQL）体系结构，能够有效降低资源占用。以角色为基础进行分工保密管理，支持各种多媒体数据类型，包括多维数据结构、动画、声音和图形等内容，方便WEBGIS技术落实。

电能质量监测管理系统中的数据主要可以分成两部分内容，分别是属性数据和空间数据：

（1）空间数据，主要是空间关系和空间位置形成的数据合集，是空间对应实体实施的地理编码，包括设备、用户、线路、变电站的地理位置分布等。通过图层的分层管理功能，可以划分成标注图层、设备图层、监测点图层、电能质量图层、电网线路分布、电网线路图层、电能质量用户定制图层、地理背景图层等，在相同的图层中储存属性相同的数据组织，并通过单层的文件对各个图层中的信息实施存储操作。

（2）属性数据，可以进一步划分成两种类型，一种是非空间属性，可以体现实体属性信息，包括设备运行状态、线路参数、监测站点编号等内容;另外一种是监测站点中收集上来的实时数据信息，针对电能质量监测中相关指标的实时数据。在此次系统设计中，主要是将属性数据和空间数据有机联系起来。数据库设计过程中，通过标准文件格式存储空间数据，图形中的各种特定设备有其指定的ID编号，系统主要是将数据表中的MI_PRINX字段作为索引字段，针对设备实体创建图形数据文件，将属性数据中的关键字和图形文字内的MI_PRINX字段联系起来，一一对应，从而能够帮助属性数据和空间数据之间形成良好的链接关系。

数据库设计过程中，主要是按照ORACLE仓库模式实施，数据访问和数据存储都是参考该模式进行。数据库主要是通过一种表的形式储存各种数据信息，数据库表可以设计成一种自由结构，而用户需要充分结合自身的需求，对表定义和任意实施设计，各个表中还拥有相应的索引以及主关键字，方便对表中的数据信息进行快速检索，加快访问速度。数据结构设计主要是一种树形结构，在访问海量数据信息的过程中，通过应用程序中的树形数据库模式能够实现对于数据信息的快速查询[2]。

1.4  数字信号处理器

对于电能质量监测设备而言，信号处理器的功能可以发挥出巨大的作用，为此需要进一步满足电能质量相关信号、参数的采集处理工作，满足信号的实时上传和处理要求。为了有效解决该问题，可以选择TI企业生产的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）器，这款控制器频率能够达到150 MHZ，程序地址是22位，数据地址是32位，程序空间和数据空间都可以达到4 MB，其内部集成是静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）和FLASH存储器，拥有大量的通用I/O口，此外还包括各种外围接口，这款芯片十分适用于运算能力和控制能力要求较高的系统当中[3]。

1.5  ARM控制器

ARM这款控制器主要是以S3C2410芯片为主，配置有64 MB的FLASH存储器和随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）。拥有大量的外围接口，包括通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口、串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线、USB控制器、LCD控制器等。和其他的嵌入式产品比较，该芯片能够通过其中的硬件资源实现通信功能和人机接口，比如显示电力参数、操作触摸屏、存储数据、下载数据、远程通信等功能。双口RAM芯片的型号是IDT70V9289L7，可以用来对两个CPU之间实施数据交换操作，这款芯片能够支持两款CPU对存储模块进行同时访问，兼具数据传输量大、传输速度快、接口电路简单等优势，通过串口能够保证上位机与下位机之间实现控制指令、报警信息、监测数据的有效传输。

2    试验分析

大多数条件下，电能质量的监测指标主要包括：供电电压的允许误差、频率误差、电压波动、电压闪变、三相不平衡、电网谐波、暂态过电压、瞬态过电压等。此次试验中，在输入的标准电压值为220 V的条件下，A相的相对误差是-0.1%，B相的相对误差是-0.24%，C相的相对误差是-0.09%;当输入的标准电压值为280 V的条件下，A相的相对误差是-0.05%，B相的相对误差是-0.02%，C相的相对误差是-0.03%;当输入的标准电压值为320 V的条件下，A相的相对误差是-0.05%，B相的相对误差是-0.02%，C相的相对误差是-0.06%;当输入的标准电压值为360 V的条件下，A相的相对误差是-0.07%，B相的相对误差是-0.05%，C相的相对误差是-0.02%。电压骤降的测试结果如表1所示。

通过分析发现，三相电压的相对误差范围主要是在-0.24%～0%之间。以电压的骤降现象为核心，实施动态电能质量测试，将持续时间作为基础的参考依据，将信号分辨率最低值设置为0.312 5 MS，设备的采样频率是3.2 KHZ，通过分析能够发现，系统的电能质量监测结果精确度较高，满足在线监测要求[4]。

3    结语

综上所述，电能质量监测未来的主要发展趋势是智能化、标准化、信息化和网络化。为此创建智能化监测系统，不仅可以辅助相关负责人员对电能谐波状况有一个更加全面的了解，同时还可以充分掌握谐波负荷的分布规律，针对各种事故问题进行有效控制，提高电能质量管理。

[参考文献]

[1]蔡鹏飞，刘立杰.基于数据驱动的电能质量在线监测系统深化应用[J].电力大数据，2018（11）：78-82.

[2]屈志坚，袁慎高.电能质量在线监测系统海量数据的雙列族存储设计[J].电力系统保护与控制，2019（2）：154-160.

[3]栗志鹏，陈在廷.电网电能质量项目中台帐集成与信息化管理的有效整合研究[J].甘肃科技纵横，2018（12）：10-12.

[4]李晨曦，李时.电能质量在线监测系统在故障抢修处理中的应用[J].电工技术，2018（24）：9-10，12.