高阶电能质量在线监测装置及系统的研究与应用

摘要：自电能产生以来，它在一定程度上加速了社会发展。作为商品，电能的质量是衡量其价值的关键，且不同用户对电能质量的需求各异。因此，开展相关研究，提出切实可行、经济合理且易于实施的效能优化方案，可为企业电能质量管理提供科学决策依据。

关键词：高阶电能质量；在线监测装置；分析软件；系统应用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.057

中图分类号：TM 930；TP 31 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）09-0-03

Research and Application of High-order Power Quality Online Monitoring Device and System

YANG Zhonghua1， XUE Zhiguang2， ZHANG Xingkai1， DU Hongru1， LI Cheng1

（1. Guoneng Wuhai Energy Mining Area Hydropower Management Co.， Ltd.， Wuhai 016000， China;

2. Anhui Aixino Electrical Automation Co.， Ltd.， Hefei 230000， China）

Abstract： Since the advent of electric energy， it has accelerated social development to some extent. As a commodity， the quality of electric energy is the key to measuring its value， and different users have different requirements for the quality of electric energy. Therefore， it is necessary to conduct relevant research and propose practical， economically reasonable， and easy-to-implement efficiency optimization schemes to provide scientific decision-making basis for enterprise power quality management.

Keywords： high-order power quality; online monitoring device; analysis software; system application

0 引言

随着变电站及配电系统线路不断增多，电网系统供配电设备在不断的更新，设备功率在不断增加，用电设备的容量也越来越大；三相负荷不平衡、电力系统谐振接地等会产生负序，大功率整流和非线性设备等会产生谐波，长期运行会导致电能质量下降，严重威胁供电、用电设备的安全运行。

1 研究内容

本文介绍了一种创新装置的研发成果，该装置能够实现全天候不间断的在线监测，全面覆盖电网的多种电能质量数据，包括但不限于谐波含有率、总畸变率、三相电压不平衡度、闪变、电压偏差、电压波动、频率，以及各次谐波的有功功率、无功功率、功率因数、相移功率因数、有效值、正负序、电压暂降等关键指标。为了实现这一装置的强大功能，我们专门研发了高阶电能质量在线监测分析软件，并成功获得了软件著作权证书和软件测评报告，确保了软件的权威性和可靠性。该软件支持在线分回路监测分析，能够实时生成评分报告，同时提供按日、按月及分回路的查询评估报告功能。生成月度分析报告是该软件的另一大亮点，它涵盖了安全用电分析、经济用电分析、告警分析等多重内容，全面满足用户对电能质量管理的需求。报告还支持导出和打印，方便用户进行存档和分享[1]。基于电能质量数据的监测分析结果，我们的装置和软件还能为用户提供合理的电能质量优化及治理建议，帮助用户改善电能质量，提升用电效率和安全性。

2 该装置进行数据采集处理的功能特点

2.1 功能原理

电能质量监测装置的核心竞争力源自其内置的高精度计量元件与前沿的数据处理技术。这一系列先进技术赋予了该装置实时、准确地监测电网中多项关键电能质量参数的能力，其监测范围广泛，覆盖了电压、电流、频率以及波形等多个方面。该装置内置的微处理器如同一个强大的数据分析引擎，能够对收集到的庞大数据集进行深度挖掘与精细分析。通过这一过程，该装置能够精确计算出各电能质量参数的平均值、合格率等核心统计指标，并将这些宝贵的数据处理结果以清晰的数字信号形式输出，便于用户进行进一步的解读与应用[2]。此外，电能质量监测装置还配备了强大的数据存储功能与智能报警系统，这意味着它能够及时捕捉并记录任何异常的电能质量事件并迅速响应，为电力系统的稳定运行筑起一道坚实的防线。这一综合性的监测与处理能力，使得电能质量监测装置成为维护电力系统健康运行不可或缺的重要工具。

2.2 数据采集与处理

电能质量装置是一种对电网或者设备供电质量及消耗电能量进行监测和分析的专用仪表，通过专业的分析软件可以帮助用户定位、预测、防止、诊断和排除配电系统的故障，并且能够进行长期的负载研究分析和节能评估。依据不同的用途分别满足A级或者S级精度，可用于测量计算闪变、电压暂降、电压暂升、中断、瞬变、不平衡、谐波、间谐波、信号电压、RMS有效值、功率、功率因数和电能量等电能质量参数[3]。

其每周波1 024个数据的连续采样功能可以记录电压波动、闪变、间谐波等瞬态数据，进行异常电能质量现象的测量、分析。采用独特的PQZip数据压缩技术，超过一年以上每一个20 ms电网周波的1 024个数据都被存储，每一个周波的数据都可以被还原、显示，不需要事件触发、没有记录被遗忘。可以独立配置在用户现场进行测试、分析、记录，解决了大量数据传输的瓶颈问题；也可以通过以太网发送到管理中心，配合专业的电能质量分析软件，进行综合的电能质量报告和数据分析。如图1所示[4]。

3 高阶电能质量在线监测分析软件

3.1 分析软件简介

（1）软件全称。高阶电能质量在线监测分析。

（2）版本号。V1.0。

（3）开发的硬件环境。CPU：Intel（R）酷睿i7-11700K；内存：32 GB。

（4）运行的硬件环境。CPU：Intel（R）酷睿i7-11700K；内存：128 GB；硬盘：1 TB。

（5）开发该软件的操作系统。Windows 10 64位旗舰版。

（6）软件开发环境/开发工具。IntelliJ IDEA、Eclipse。

（7）该软件的运行平台/操作系统。Windows 10 64位旗舰版。

（8）软件运行支撑环境/支持软件。MySQL Enterprise Edition。

（9）编程语言。Java JavaScript。

（10）源程序量。8858。

（11）开发目的。帮助用户发现和解决电能质量问题，提高电网的安全性、稳定性和能效性。

（12）面向领域/行业。电力行业。

（13）软件的主要功能。主要有在线监测分析、在线监测管理、监测信息管理、监测异常处理、监测信息统计等主要功能。

（14）技术特点。①电能质量参数监测。通过对电网的电压、电流、功率等参数进行实时监测，获取电能质量数据。②数据处理和分析。对监测到的电能质量数据进行处理和分析，发现电能质量问题并进行分类、定位和评估。

（15）软件的技术特点选项。物联网软件。

3.2 系统总体结构图

系统总体结构图是结构化设计方法中一种重要的描述工具，它清晰地展现了一个系统（或功能模块）的层次化分解关系。该图不仅描绘了模块之间的调用关系，还详细展示了模块间数据流与控制流信息的传递路径，因此被视为描述系统物理结构的核心图表工具。在系统结构图中，有向线段扮演着关键角色，它代表着调用过程中程序控制的转移方向，即从调用模块指向被调用模块。这种表示方式隐含了一个重要信息：当被调用模块完成任务后，程序的控制权将沿着原路径返回到调用模块。这一机制确保了系统各模块间能够有序、高效地进行交互与协作。如图2所示。

3.3 系统类图

数据库系统选择 MySQL，这一决策是基于其具备卓越的速度、高度的可靠性以及广泛的适应性。这些特性共同促使 MySQL 在数据库领域备受瞩目。特别是在无需复杂事务化处理的应用场景中，MySQL 充分展现出作为内容管理最佳选择的独特魅力。它高效的数据处理能力，能够确保即便在应对大规模数据操作时，也依然保持出色的响应速度和稳定性。同时，MySQL 的易用性与灵活性，使开发人员可以轻松依据具体需求进行定制和优化，进一步增强了其在内容管理方面的优势。此外，MySQL 拥有庞大的用户社区以及丰富的文档资源，这为解决使用过程中遭遇的问题提供了极大便利。因此，选择 MySQL 作为数据库系统，不但能够满足当前的管理需求，还为未来的扩展和升级奠定了坚实基础，是追求性能与效率并重的理想之选。

3.4 数据库设计（E-R图）

在数据建模的过程中，实体-联系图（Entity-Relationship Diagram，E-R图），是一种广泛使用的工具。通过E-R图，我们可以直观地描绘出数据模型的结构，这种模型也被相应地称为ER模型。E-R图的核心构成包括三种基本元素：实体（代表数据对象）、关系（描述实体之间的联系）以及属性（定义实体或关系的特性）。在图形表示上，实体通常用矩形框来标识，关系则用连接相关实体的菱形框来表示，而属性则通过椭圆形或圆角矩形来体现，并通过直线与它们所描述的实体或关系相连，从而清晰地展示出数据模型的整体架构和细节特征。这种直观的表示方法极大地便利了数据库的设计和理解过程。如图3所示。

3.5 系统数据及远程监控

在线电能质量监测系统主要由数据采集器、数据分析软件和报告生成工具组成。数据采集器负责实时采集电能质量参数，如电压、电流、频率、谐波等，通过传感器和测量设备获取相关数据。数据分析软件对采集到的数据进行处理和分析，识别电能质量问题并生成相应的报告。报告生成工具将分析结果以可视化的方式展示，方便用户查看和理解[5]。

在线电能质量监测系统具有多种功能。它能够实时监测电力系统中的电能质量参数，包括电压稳定性、电流波形畸变、谐波含量等。通过对这些参数的监测，系统可以及时发现电能质量问题，如电压波动、谐波污染等，并提供相应的报警和告警功能，以便用户及时采取措施。

在线电能质量监测系统具有数据分析和故障诊断的功能。通过对采集到的数据进行分析，系统可以识别出电能质量问题的原因和影响因素，帮助用户快速定位和解决问题。同时，系统还可以对历史数据进行回顾和比对，发现潜在的问题和趋势，为用户提供决策支持和优化建议。

4 结束语

电能质量在线监测设备及系统在电网中的应用可以有效提高电能质量的稳定性和可靠性。通过对电力系统全天候不间断在线监测系统中的谐波含有率、总畸变率、三相电压不平衡度、闪变、电压偏差、电压波动、频率、各次谐波有功功率、无功功率、功率因数、相移功率因数、有效值、正负序、电压暂降等电能质量数据，应用专业的高阶电能质量在线监测分析软件，实现在线分回路监测分析并生成评分报告，可按日/按月及分回路查询评估报告；月度分析报告包含安全用电分析、经济用电分析、告警分析等内容，能够及时发现问题并采取相应的措施，提高电能质量水平，促进电网的可持续发展。

参考文献

[1] 王江峰．基于功率优化配置的电能质量控制技术研究[D]．南京：南京航空航天大学，2020．

[2] 王云国．光伏发电并网对电能质量影响的分析[J]．农业科技与装备，2012（08）：53-54．

[3] 徐文丽，鲍伟，王巨波，等．分布式电源并网对电能质量的影响研究综述[J]．电源技术，2016（12）：2799-2801．

[4] 丁明，王伟胜，王秀丽，等．大规模光伏发电对电力系统影响综述[J]．中国电机工程学报，2014（01）：1-7．

[5] 周星宇．大规模光伏发电对电力系统影响综述[J]．中国设备工程，2017（01）：157-158．