基本介紹
- 中文名：電能質量監測
- 外文名：power quality monitoring system
- 監測目標：描述系統的整體性能等
- 監測要點：確定電能質量的描述與選擇監測點
- 存在問題：缺乏統一的通信標準等
- 發展趨勢：兼容開放的信息平台等
簡介,電能質量監測的目標和要點,電能質量監測系統研究現狀,電能質量監測系統整體架構方案研究,通用架構方案,電能質量監測通信體系研究,傳輸媒質研究,通信標準研究,電能質量監測中心繫統研究,監測中心軟體架構方案研究,數據管理策略研究,信息發布形式研究,研究現狀小結,現有電能質量監測系統存在的問題,缺乏完善統一的通信標準,各相關係統間缺乏互動和重用,缺乏對海量監測數據的有效管理和利用,無法支持與電力用戶的友好互動,電能質量監測系統的發展趨勢,智慧型電網中的電能質量信息平台,電能質量監測數據的深化利用,兼容開放的信息平台,基於雲計算的信息平台架構,結語,
簡介
電能質量不僅關係到電網企業的安全經濟運行，也影響到用戶的安全運行和產品質量。大量分散式能源(如風電和太陽能發電)的接入將進一步惡化電能質量。電能質量信息的連續監測和分析評估是發現電能質量問題和提高電能質量水平的前提條件。電能質量監測系統(下文簡稱“監測系統”)利用安裝在電網側或用戶側的電能質量監測終端(下文簡稱“監測終端”)，通過網路將監測數據傳回監測中心(監測主站或子站)，實現對多個位置的同時監測，並發布電能質量相關信息，是電能質量監測和評估的有效手段。
電能質量監測的目標和要點
監測目標決定監測設備選擇、觸發閾、數據採集和存儲方法以及分析和解釋要求。任何電能質量監測系統， 都應明確監測目標，包括：1)描述系統的整體性能 。2)描述特定電能質量問題 。3)評估電能質量水平 。4)干擾 診斷與設備維護 。
電能質量監測的要點包括 ：1)確定電能質量的描述和分析方法 。2)選擇監測點。 一般來說，在幾個關鍵點 進行測量即可確定整個系統的特性。監測位置通常選擇用戶的供電入口，受影響的設備附近，或在變電站和特定用戶供電入口同時監測 。
電能質量監測系統研究現狀
電能質量監測系統整體架構方案研究
基於某種特定終端的架構方案研究在此類研究中，特定監測終端的實現往往是討論的重點，而監測系統的架構往往以適應這類終端為前提。電能質量監測終端由於其在採樣率、數據統計、傳輸格式等方面的特殊要求，一般無法利用現有終端實現。近期研究中，一類是針對嵌入式裝置構建監測系統，另一類是基於虛擬儀器技術，利用工控機和上位機構建系統。
目前，國內已普遍建成區域電能質量監測系統以全面掌握區域各處的電能質量情況。 此類系統中，監測點數量多，建設周期長，所使用的監測終端也往往不僅局限於某種特定類型。因此，需要研究通用的監測系統架構方案。
通用架構方案
1) 基於 CORBA的架構方案。相關研究利用公共對象請求代理體系結構(Common Object Request Broker Architecture，CORBA)技術實現異構環境下中心控制站與各監測儀之間的遠程訪問和控制。CORBA技術一般用於在不同應用程式之間提供靈活的通信機制，將其用於監測數據傳輸時，終端實現難度、系統可維護性以及能否跨越防火牆傳輸等問題均需要進一步研究。
2) 基於 MAS的架構方案。多智慧型體系統(Multi-Agent System，MAS)是多個Agent組成的集合， 其中每個 Agent是一個物理的或抽象的實體。基於MAS的架構較符合電力系統分散式結構的特點，但仍有許多實際工程問題需要解決，例如：如何在不同類型監測終端中實現複雜的Agent程式、各Agent基於何標準通信協調等。
3) 基於調度系統模式的架構方案。此類架構方案一般由現場採集終端，通信網路、分層分級的遠程監控中心以及客戶端組成。考慮到我國電網的實際情況，此架構方案在構建區域監測系統時被普遍採用。目前，國內各省普遍採用三層式的監測系統架構。
考慮到管理方式、建設成本以及通信網路架構等實際情況，某些區域監測系統也有採用二層式結構方案，其與三層式結構的主要區別是不設定監測子站。義大利電能質量監測系統採用二層式架構；浙贛電氣化鐵路江西段的開放式監測系統暫時採用二層分散式結構，但預留了向三層結構過渡的數據交換接口；上海電能質量監測系統採用二層式架構，並在主站採用多個通信前置機分擔通信壓力。
從發展趨勢上看，三層式結構可支持接入更多的監測點，具有較高的可擴展性，能滿足監測數據海量化的需求。
4) 開放式監測系統架構方案。相關研究將開放式體系思想套用於監測系統中，通過系統的功能接口抽象和通信的標準化構建開放的統一平台，滿足不同類型監測終端和系統的集成和互動的需要。
開放式架構兼容開放的優勢可使監測系統平穩地向前發展，具有較長的生命周期。但目前研究大多僅是理論探討，對具體實現的研究不多。
電能質量監測通信體系研究
傳輸媒質研究
網路化是監測系統發展的必然趨勢。在目前普遍採用的兩層式或三層式架構，通信網路負責將各監測終端採集的數據傳輸到監測中心，並將監測中心的命令下發到各終端，是監測系統正常運行的關鍵。
早期的網路化電能質量監測遠程通信網路一般選用公用電話網路，傳輸速率低，僅適合構建小型監測系統。隨著國內電力數據通信專用網路的建成，目前監測系統普遍採用基於TCP/IP協定的乙太網絡傳輸數據。配電線載波通信方式並未得到廣泛套用。
有線網路存在覆蓋範圍有限、建設維護投入大，周期長等缺點。無線GPRS由於存在安全性、可靠性和傳輸速度等問題，套用範圍有限。無線網路可作為有線網路的補充，在某些特定場合以及備用網路方面發揮重要作用。
通信標準研究
目前監測系統大多直接在高速乙太網上傳輸監測數據，不採用複雜的壓縮方案。因此，通信協定和數據格式標準是研究重點。現有研究主要包括以下兩方面：
1) 基於 PQDIF的通信標準研究。IEEE P1159.3標準中提出的電能質量數據交換格式(Power Quality Data Interchange Format，PQDIF)完全獨立於監測終端軟硬體，被普遍作為監測數據交換的標準格式。嵌入式監測終端直接生成PQDIF檔案並傳輸到監測中心，可避免在中心維護多個將各終端廠家私有通信規約轉換為PQDIF的接口轉換程式，有利於減輕監測中心的負擔並提高系統可靠性。
2) 基於 IEC61850的通信標準研究。IEC61850第二版《公用電力事業自動化通信網路和系統》已將電能質量附錄的補充草案內容正式寫入標準，具體內容包括擴充了關於電能質量的測量類邏輯節點(M-)，新增電能質量檢測分析邏輯節點類(Q-)等。早期研究採用在每個子站設立數據集中器的方式實現將各廠家非標準協定轉換為IEC61850服務。目前的方案是：電能質量監測IED直接基於IEC61850建模，實現IEC61850伺服器；監測中心實現IEC61850客戶端，對符合IEC61850標準的監測終端進行數據讀取和配置下裝等操作。
電能質量監測中心繫統研究
監測中心軟體架構方案研究
在目前普遍採用的兩層式或三層式架構中，監測中心繫統是整個監測系統的核心，其需要實現與監測終端連線、監測數據解析與處理、海量監測數據管理、高層分析套用以及信息可視化發布等功能。目前，監控中心軟體系統體系結構一般採用C/S模式或B/S模式，前者如土耳其國家電能質量監測系統等，後者如巴西國家電能質量監測系統等。開放的網路化結構是未來的發展趨勢，B/S模式可以減輕系統維護與升級的成本，可作為監測系統中普通用戶的主要使用形式。同時，監測系統中有些功能模組涉及到資料庫的頻繁操作，監督管理工作又需要高安全性和高可靠性，基於C/S模式較合適。因此，可以採用“數據管理C/S模式、信息發布B/S模式”的方案。
數據管理策略研究
由於最初監測點較少，數據量不大，因此，監測系統數據較多採用固定結構的數據表存儲，局限性較大，存儲容量有限。土耳其國家電能質量監測系統採用基於元數據模型的可擴展電能質量資料庫架構，設計了詳細的資料庫結構概念模型，統計了各數據表的數據量，首次對電能質量領域的資料庫設計進行了深入研究。
信息發布形式研究
早期監測系統通常只用數據結合簡單圖形或報表顯示分析結果，表現能力較差。現有監測系統普遍將電能質量信息與電網或輸電線路的地理分布信息相結合，以直觀反映各地指標情況，並結合大螢幕進行展示。
研究現狀小結
隨著網路通信技術和信息技術的發展，網路化、信息化和標準化已經成為電能質量監測系統的普遍要求。目前參考調度自動化模式的二層或三層式架構已經成為區域監測系統的實際建設方案；光纖乙太網為主，無線通信網為輔的方式能滿足當前網路傳輸海量監測數據的要求；IEC61850作為電力系統自動化領域唯一的無縫通信國際標準，將其套用於電能質量監測領域是必然趨勢，但PQDIF作為目前唯一針對電能質量的數據格式，仍將發揮重要作用；國內對監測中心海量數據管理和信息發布形式的研究還較少。
現有電能質量監測系統存在的問題
缺乏完善統一的通信標準
通信標準是監控終端、中心繫統互相識別的惟一規約，但目前國際範圍內還沒有一個普遍接受的電能質量監測通信標準。國內現有系統主要採用PQDIF或IEC61850，兩者在套用過程中均存在著不完善之處。
PQDIF作為數據格式標準，並未對監測數據傳輸採用的通信形式進行規定；在實際套用中，由於缺乏全國性標準，各省PQDIF規範以及各終端生成的PQDIF檔案均存在差異，妨礙了其推廣套用；由於其傳輸和解析均耗時較多，無法滿足實時監測的需要。
在IEC61850套用中，投入實際監測系統使用的案例並不多見。大多研究僅討論了在變電站內的三個功能層上基於IEC61850對電能質量監測IED功能進行分配和建模，較少涉及監測中心的通信建模。然而實際套用中，電能質量監測一般不在單個變電站進行，監測終端也不接入變電站自動化系統，而是由一定區域內的數台終端組成遠程監測系統，其本質上屬於IEC61850擴展套用的範疇。
各相關係統間缺乏互動和重用
為了解決電能質量問題，目前已經有許多不同的相關係統在供電企業內部投入套用。但各系統均屬於緊密耦合類業務套用軟體，異構性嚴重，具體存在以下兩方面問題：
1) 各套用均為孤立、封閉的系統，不具備與其他異構系統，如電力行銷管理系統、狀態檢修管理系統等，進行信息共享和服務互動的能力。
2) 在新系統開發過程中，無法利用原有系統中的成熟模組，需要重新搭建，效率低、成本高。某些通用功能模組，如諧波指標評估模組、阻抗計算模組等被分別開發和維護，造成了系統臃腫和資源浪費。
缺乏對海量監測數據的有效管理和利用
電能質量監測數據除了基本的電壓、電流、頻率、功率外，還包括諧波、間諧波、三相不平衡、閃變以及暫態事件等；除了實時數據外，也包括最大值、最小值、平均值以及95%機率值等各類統計數據；是電力系統中最全面完整的運行數據之一。同時，由於其信息具有獨特性，對於分析系統擾動等相關問題至關重要。
目前國內外文獻對海量監測數據管理策略的研究較少。監測數據的分析和套用往往較簡單，沒有對監測數據進行深層次的利用。目前普遍採用的引進軟體PQView並不能完全滿足國內電能質量管理的需要。首先，二次開發均需調用PQView.dll獲取數據，接口形式固定，局限性大；其次，資料庫結構和調試功能均不開放，一旦出現問題，難以查找原因；最後，目前已發布版本無法支持IEC61850標準。
無法支持與電力用戶的友好互動
供用電雙方對電能質量問題所造成的巨大經濟損失都非常重視，然而雙方在導致電能質量問題的原因和責任上往往存在分歧。目前，供電部門對電網電能質量的考核與用電用戶對電能質量的要求是相互獨立的，位於供電部門內部的電能質量監測數據不對用戶開放，造成了信息的不對稱和不透明。
現有電能質量監測系統一般處於電力系統內部信息網中，電力用戶一般無法訪問；軟體構架也不支持電力用戶使用；由於信息安全和網路覆蓋原因，無法接入不處於電力專網內的用戶側監測終端。
電能質量監測系統的發展趨勢
智慧型電網中的電能質量信息平台
電網智慧型化體現為能夠全面、及時地掌握電網運行信息並做出快速的最優反應。因此，精確、快速、開放、共享的信息平台是智慧型電網的基礎，也是智慧型電網與傳統電網的最大區別。目前，電能質量管理的實際需求和發展趨勢已經遠遠超出了傳統電能質量監測系統中僅僅對各電能質量指標進行監測的範疇，因此，構造一個完整的電能質量信息平台(下文簡稱“信息平台”)至關重要，其未來將可能成為與SCADA，PMU和AMI並駕齊驅的重要平台。
信息平台應包括電能質量監測子系統、數據管理和分析子系統以及信息發布子系統。其中，電能質量監測是實現信息平台其他各功能的基礎和前提。未來智慧型電網中的電能質量信息平台將有以下幾個發展方向。
電能質量監測數據的深化利用
利用海量電能質量監測數據為電力系統的實際生產運行提供支持是未來信息平台的重要功能。目前對監測數據的深化套用大多局限於電能質量問題的範疇內，如擾動識別分類等。未來結合監測數據進行動態負荷建模、配電網故障預測、故障定位、電容器組與斷路器的狀態監測與評估、負荷監測等問題研究將更好地深層次利用監測數據。
兼容開放的信息平台
兼容開放的平台有利於監測數據的有效利用。要實現兼容開放，標準化是前提。應根據電力系統中現有的通信協定和系統互動標準，結合電能質量的特殊性，研究相應的信息平台標準。目前，在監測終端接入平台時採用PQDIF和IEC61850標準已經成為共識，但是對於信息平台不同系統間、平台與其他系統之間的信息互動和服務調用，目前仍然沒有成熟的解決方案。
現有監測系統均不對電網建模，僅保存單個監測點台賬信息。未來隨著高層套用的研發，諧波潮流計算、諧波狀態估計、電壓暫降分析中都需要承載實時監測數據的實際電網的模型。從未來發展趨勢上看，採用IEC61970作為系統間的互動標準應是必然選擇，如何基於CIM對電能質量相關係統建模，需要CIM中哪些包，哪些類型需要擴展都是未來研究的重點。
基於雲計算的信息平台架構
智慧型電網和電能質量領域的發展對信息平台提出了三個基本要求：
1) 要求建立終端兼容接入、信息共享透明、集成標準規範、支持電能質量信息管理業務協同化和互操作的統一信息平台。
2) 要求對海量數據的可靠存儲和最佳化管理，充分挖掘信息的潛在價值，提升電能質量的智慧型分析和輔助決策支持水平。
3) 要求信息平台具有健全的發布體系，避免供用電雙方的訊息不對稱，支持供用電雙方友好互動。
雲計算作為一種新興的計算模型，具有可靠性高、數據處理量巨大、靈活可擴展以及設備利用率高等優勢，為構建滿足以上要求的電能質量信息平台提供了一種全新的解決方案，雲計算所具有的特徵正好能滿足信息平台的實現目標。
結語
自20世紀80年代以來，電能質量監測系統經歷了巨大的發展。在智慧型電網中，電能質量信息平台將整合監測系統和其他相關係統，成為對智慧型電網至關重要的數據支撐平台。伴隨其發展，現有系統架構、通信協定、數據存取形式、信息發布和系統管理模式均已無法滿足需要，因此，將有許多關鍵技術需要研究。目前，電力行業已具備了進行雲計算實踐的軟硬體條件，其將成為未來電能質量信息平台的可選解決方案。
