【摘 要】 文章對電能質量監(jiān)測系統(tǒng)技術進行了研究與論證，對比分析了現(xiàn)有電能質量監(jiān)測方法的不足和在線監(jiān)測方法的先進性。從電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)結構、數據結構、監(jiān)測內容、分析平臺等多方面進行了全面的解析，并簡要介紹了電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的實施方案和應用成果。通過電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用，展望其帶來的生產效益和社會經濟效益。

【關鍵詞】 電能質量 在線監(jiān)測 系統(tǒng)

0 引言

現(xiàn)代電網技術和工業(yè)技術的發(fā)展使電能需求量不斷增加，同時供用電雙方對電能質量的要求也越來越高。一方面，我國電力系統(tǒng)已進入高電壓、大電網、大機組的新階段，有很多電能質量問題需要從電網有關的各技術方面以及組成電網的各種元件的協(xié)調與配合中進行研究，以保證高電壓設備和電網的安全運行。另一方面，對電能質量敏感的用電設備大量的普及，促使電力用戶對電能質量和供電可靠性提出更嚴格的要求。研究電能質量問題的首要任務是建立高效標準的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)，但是由于受歷史技術條件的限制，目前在電能質量監(jiān)測方面仍然處在專門測量和定期或不定期測量階段，在電能質量監(jiān)測和管理上存在著明顯的局限性。建立網絡化、信息化和標準化的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)已成為電力公司保障電網安全運行和為電力用戶提供安全可靠和優(yōu)質服務的重要組成部分。

電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)嚴格按照《電能質量供電電壓允許偏差》、《電能質量公用電網諧波》、《電能質量電壓波動和閃變》、《電能質量三相允許不平衡度》、《電能質量電力系統(tǒng)頻率偏差》和《電能質量暫時過電壓和瞬時過電壓》等六項電能質量國家標準，采用分層分布式結構，以現(xiàn)代電能質量檢測技術、計算機技術和網絡通信技術為依托，通過將電網中的各實時監(jiān)測站點連成整體，實現(xiàn)了電能質量在線監(jiān)測的網絡化。

1 傳統(tǒng)電能質量監(jiān)測方法與在線監(jiān)測方法的不同

傳統(tǒng)電能質量監(jiān)測方法由于受到技術條件的限制，常采用專門測量和定期或不定期測量，在電能質量監(jiān)測和管理上存在著明顯的局限性。概括起來有以下不足:

(1) 實時性差。當前監(jiān)測手段以人工現(xiàn)場監(jiān)測為主，監(jiān)測周期長、監(jiān)測點分散，造成數據時效性差。上級部門無法及時了解各地區(qū)各電壓等級的電能質量水平，因而無法及時采取相應措施改善電能質量。

(2) 缺乏決策判斷的依據。由于無法對監(jiān)測點進行跟蹤檢測與記錄，從而難以深入分析造成電能質量下降的原因，也難以進一步提出改善電能質量的有效措施?，F(xiàn)有的電能質量監(jiān)測大多孤立地對某個站點進行監(jiān)測，不能從系統(tǒng)的觀點來考慮電能質量的監(jiān)測，監(jiān)測結果具有局限性。

(3) 數據處理工作量大。一方面，需要花費很多的人力物力去收集數據，另一方面還要人工進行統(tǒng)計分析。

(4) 管理效率低。從發(fā)現(xiàn)電能質量的問題到解決該問題，往往需要很長的時間予以處理，不利于管理工作的開展，無法形成一個高效率的電能質量管理體系。

(5) 數據共享能力不足，監(jiān)測數據不能實現(xiàn)多用戶共享和信息的迅速傳輸，研究人員和工作人員之間缺乏案例經驗交流。

具有網絡化、信息化和標準化特點的電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)基于開放的監(jiān)控和管理基礎平臺，實現(xiàn)對電網電能質量指標的全天候監(jiān)控，形成一個高效率的電能質量管理體系，其特點有:

(1) 實時監(jiān)測供電質量，包括電壓、電流、功率因數、諧波、閃變、三相電壓不平衡、電壓跌落及瞬態(tài)等。對監(jiān)測點進行高性能、高自動化的電能質量實時監(jiān)控。

(2) 統(tǒng)一數據管理和分析平臺，建立定點、定時、定量分析，分析處理監(jiān)測數據，對監(jiān)測的電能質量進行區(qū)域性評估以及超限報警、事故記錄和干擾源記錄等，根據監(jiān)測數據進行電能質量變化趨勢分析。

(3) 數據便于共享和查詢，系統(tǒng)存儲容量大，實時更新能力強，瀏覽方便。

(4) 基于統(tǒng)計監(jiān)測數據，按國標以及相關標準制作電能質量評估報告和電能質量運行報告，根據不同部門的要求，向不同部門領導發(fā)送報告

(5) 根據電能質量監(jiān)測情況，為電力用戶提高其用電質量提供指導性建議，針對不同電能質量問題和不同負荷對電力的需求，通過加裝相應的電力電子裝置，滿足用戶定制優(yōu)質供電質量的需求。

2 電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)結構與功能

2.1 系統(tǒng)總體結構

基于Web的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾個部分構成:

(1) 安裝于變電站和重要用戶現(xiàn)場的電能質量監(jiān)測裝置，它對系統(tǒng)電網進行不間斷的監(jiān)測，從而連續(xù)收集、記錄和存儲頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、諧波、三相電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)信息以及電壓跌落、電壓驟升等暫態(tài)信息，其輸入從被測線路的測量回路PT和CT中取得，并具有和遠端數據服務器通信功能;

(2) 通訊設備:監(jiān)測網絡需要良好的基于以太網方式的網絡通訊，包括光端機、通訊服務器、網絡交換機、協(xié)議轉換器和光纖等;

(3) 電能質量信息平臺、數據管理軟件與分析軟件:包括信息管理軟件、數據下載軟件、數據分析軟件，用于對現(xiàn)場電能質量監(jiān)測裝置的數據收集和處理，信息發(fā)布，對電能質量監(jiān)測數據進行分析，以及制作電能質量報告等;

(4) 數據服務器和通訊服務器:數據服務器負責存儲監(jiān)測的實時數據和歷史數據，進行數據統(tǒng)計分析，并為系統(tǒng)提供Web服務;通訊服務器負責接收監(jiān)測系統(tǒng)中各個監(jiān)測儀上傳的數據，以及系統(tǒng)的配置，并為數據服務器提供數據支持。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

電能質量監(jiān)測系統(tǒng)自動連接對應站點，系統(tǒng)電網的實時電能質量測試數據通過串口傳輸線和光纜傳送到監(jiān)控中心，供監(jiān)控中心綜合分析調用。數據庫軟件平臺能夠接收來自各個監(jiān)測點的電能質量數據文件，并將其加工整理為便于用戶查看的指標變化曲線、柱狀圖、數據報告等文件，通過web 網頁形式發(fā)布電能質量數據，用戶可以通過辦公網進行訪問和查詢。

2.2 數據交換格式

對于一個實時的監(jiān)測系統(tǒng)來說，其數據源是由各種不同的監(jiān)測儀器組成，通用平臺PQDIF(Power Quality Data Interchange Format)可以屏蔽底層數據源的復雜性，向下協(xié)調異構數據源，向上為訪問數據的應用提供統(tǒng)一數據模式以及數據訪問的通用接口。PQDIF格式是IEEE制定的一種電能質量數據交換格式，其主要特征是通過標簽分離數據的物理屬性和邏輯屬性。如果監(jiān)測儀器本身的數據文件記錄格式已經是PQDIF的形式，則無需接口轉換就可直接進入實時數據庫備用;如果監(jiān)測儀器使用了個性化的記錄格式，則需在進入實時數據庫前通過接口進行轉換。

2.3 安裝與通訊

電能質量監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝一般采用電氣屏柜安裝形式，監(jiān)測裝置和相關設備使用220V，50Hz交流供電，也可使用110V或220V直流供電。電能質量監(jiān)測裝置輸入信號從被測線路的測量回路PT和CT中取得，監(jiān)測數據存儲和發(fā)送至遠端服務器中。監(jiān)測裝置與服務器的通訊采用局域網(以態(tài)網)方式，每個監(jiān)測裝置需要一個固定IP地址，變電站現(xiàn)場需有以態(tài)網或光纖網通訊連接線路。目前變電站內已經基本具備光纖通訊網絡，這為監(jiān)測網提供了便利的通訊條件。對沒有以態(tài)網或光纖網連接線路的地點，可以通過增加具有電話線調制解調器進行過度傳輸解決通訊問題。通訊服務器按周期性定時和根據指令兩種方式訪問監(jiān)測終端電能質量數據，并具有電能質量監(jiān)測終端監(jiān)管、維護功能，能夠獲得電能質量監(jiān)測終端的設置信息和運行狀態(tài)，在發(fā)生監(jiān)測終端故障的情況下產生報警信號和通告信息，實行報警和通告管理。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測各供電點的電能質量，將采集到的數據保存下來，通過對這些數據進行分析，求出其各項性能指標，從而對監(jiān)測點的電能質量做出評估，為電網的安全運行和電能質量治理提供依據。

(1) 監(jiān)測終端功能

監(jiān)測終端具有監(jiān)測和記錄各項電能質量指標的最大值、95%概率值、平均值、最小值功能，如電壓偏差、頻率偏差、電壓波動、閃變、三相電壓、電流不平衡度及各序分量、諧波，包括電壓、電流的總諧波畸變率和各次諧波含量、電壓電流波形和有效值數據、短期電壓變動波形，包括三相電壓的浪涌/塌陷和瞬變、功率、功率因數等。對于暫態(tài)事件(包括電壓暫升、電壓暫降、電壓短時中斷等)監(jiān)測終端應具有指標越限觸發(fā)以及相應的波形捕捉記錄功能。當任何一通道達到設定的觸發(fā)條件時，同時觸發(fā)該終端所有通道，記錄暫態(tài)波形和有效值變化圖。波形記錄應包括用戶定義的事件觸發(fā)前、后的10個周波及以上。

監(jiān)測終端對監(jiān)測數據存儲記錄按先進先出的原則更新，在標準設置下，監(jiān)測終端存儲器應能滿足至少一周的數據容量。在線監(jiān)測終端應根據實際應用環(huán)境的通訊要求，至少具備一種標準通訊接口，實現(xiàn)監(jiān)測數據的實時傳輸或定時提取存儲記錄，例如 RS485/232、以太網、內(或外)置調制解調器、光纖連接器、usb接口等。另外，監(jiān)測終端還應具備經GPS裝置或遠方時鐘服務器對時的功能，具備現(xiàn)場或遠方實現(xiàn)對其內部時鐘、電網參數、電能質量指標及限值、事件波形及事件記錄的觸發(fā)條件等的重新設置、更改、刪除功能。

(2) 管理平臺功能

按照監(jiān)測系統(tǒng)功能采用模塊化技術設計，實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和可維護性。監(jiān)測系統(tǒng)主要以數據庫格式來保存數據，以PQDIF文件進行數據交換，對數據庫內的數據進行維護管理。

系統(tǒng)管理模塊能滿足對數據庫的快速訪問，提供數據庫的維護工具，用戶可在線監(jiān)視和修改數據庫內的各種數據，確保系統(tǒng)數據同步。數據庫系統(tǒng)在故障時能自動、快速地從主數據庫系統(tǒng)切換到備數據庫系統(tǒng)運行，在此過程中應保證數據的不丟失和整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性;在故障消除后應能迅速恢復到原來狀態(tài)運行。采用分布式的訪問機制，在并發(fā)訪問時，保證數據的安全性、一致性和完整性。系統(tǒng)管理服務器業(yè)務功能及模塊劃分如圖2所示。

客戶端共享服務器WEB網址，提供IE瀏覽頁面。用戶對象可以通過數據庫代理訪問服務器，讀取數據庫中的分析結果，但它訪問不到站端監(jiān)測裝置。其業(yè)務功能如圖3所示。

應用服務器業(yè)務功能全面負責監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調、管理，保證各個設備、系統(tǒng)正常運行。數據庫管理模塊用于存儲數據，對電能質量監(jiān)測數據進行分析、計算，對數據庫內的數據，根據周期性指令和人工指令進行數據處理和事件分析，給出報警信息、事件分析和電能質量報表等。其功能及模塊劃分如圖4所示。應用服務器給外界提供易于訪問的接口，并將電壓、電流監(jiān)測數據分析結果放到圖形用戶界面。

通信模塊負責在通訊服務器和站端監(jiān)測裝置之間交換信息，交換的信息包括實時監(jiān)測數據、監(jiān)測儀器和監(jiān)測線路的配置參數等。通訊模塊負責定時向站端監(jiān)測裝置索要數據，以及對站端監(jiān)測裝置進行狀態(tài)查詢或發(fā)送控制命令。通訊管理功能及模塊劃分如圖5所示。

3 電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時采集供電系統(tǒng)中監(jiān)測點的電壓電流信號， 并將電能質量分析和計算結果以足夠高的傳輸速率通過通信接口實時將監(jiān)測點電能質量情況和錄波波形上傳到管理中心。監(jiān)測系統(tǒng)軟件結構采用了B-S結構，即允許網絡內的任何具有Internet Explorer瀏覽器的計算機訪問數據庫軟件。

3.1 監(jiān)測數據的測量方法

(1) 頻率的測量

頻率測量采用通過測量電壓信號周期的方法實現(xiàn)。通過監(jiān)測輸入信號波形的過零點，采用倍頻計數方法計算出信號波形的周期。由于系統(tǒng)頻率經常變化，為保證在被監(jiān)測信號的一個周期內等間隔采樣N點，A/D 轉換的啟動脈沖fz 必須能跟蹤系統(tǒng)頻率 fs的變化，即實現(xiàn)正確的同步采樣，保證以下關系成立: fz= Nfs 。

(2) 電壓偏差的測量

被測電壓信號的有效值Urms需要對一個周期的采樣數據作方均根計算。

式中Uk為第K次采樣電壓，N為每周期采樣點數。求出電壓有效值后，利用國標對電壓偏差的計算公式即可算出監(jiān)測點電壓偏差。UN為額定電壓。

電壓偏差(%)=

(3) 電壓波動和閃變的測量

電壓波動值取單位時間1min內電壓有效值的兩個極值Umax和Umin之差ΔU，并以其標稱電壓UN的百分值表示為:

電壓閃變的測量依據IEC868推薦的平方解調檢測法，其原理為將輸入的被測電壓信號適配成適合儀器的數值，并發(fā)出標準調幅波電壓作為自檢信號，通過平方解調器、轉折頻率為0.05Hz和35Hz的帶通濾波器、中心頻率8.8Hz的加權濾波器，再經過平方器、一階平滑濾波器后獲得輸出信號，運用累計概率函數(CPF)曲線統(tǒng)計可得Pst 和Plt ，如圖6所示。

(4) 三相不平衡的測量

三相不平衡測量采用對稱分量法。對采樣數據進行快速傅立葉分解(FFT)，求出其離散的頻譜序列，在此基礎上進行相序分解，利用對稱分量法，可求出各通道的幅值、相角以及正序、負序、零序分量的幅值、相角和不平衡度，進一步可求出有功功率、無功功率及其他電量參數。

(5) 測量諧波

諧波測量的數據采用無延時同步采樣，通過快速傅立葉分解(FFT)算法求出各次諧波的幅值和相角，然后計算出各次諧波含有率、總諧波畸變率。

3.2 監(jiān)測數據的取值和精度

監(jiān)測數據的精度應滿足下述要求:

(1) 穩(wěn)態(tài)基波電壓、基波電流精度: 0.2%;

(2) 短期電壓變動(包括電壓暫降、電壓驟升和電壓短時中斷):電壓變動量0.5%;持續(xù)時間10ms;

(3) 電壓偏差:0.5%;

(4) 頻率偏差:0.01Hz;

(5) 三相不平衡度:電壓不平衡度絕對誤差0.2%;電流不平衡度絕對誤差1%;電壓、電流各序分量0.5%;

(6) 諧波:滿足GB/T 14549-93規(guī)定的A級要求;

(7) 諧間波:要求同諧波;

(8) 閃變:5%。

記錄取值方法遵循國家標準《電能質量監(jiān)測設備通用要求》中的相關規(guī)定，如表1。

3.3 系統(tǒng)應用

監(jiān)測系統(tǒng)針對每個監(jiān)測點分別實現(xiàn)電能質量指標的在線實時監(jiān)測、PQ 事件實時監(jiān)測、歷史數據查詢、超標數據查詢、統(tǒng)計數據、電能質量報表輸出等功能。

(1) 在線實時監(jiān)測。實時刷新顯示監(jiān)測到的數據， 可以用圖表、表格和矢量的形式顯示所需察看的各數據，掌握電能質量指標的實時狀況。

(2) 電能質量事件實時監(jiān)測。在采集信號滿足設定條件時， 可以記錄交流量的波形。如瞬態(tài)過電壓、電壓驟降等電能質量指標的實時數據錄波記錄。

(3) 歷史數據查詢?？梢圆榭磾祿熘写娣诺臍v史數據，顯示統(tǒng)計的電壓、頻率、功率、電網諧波、三相允許不平衡度變化曲線，還有電能質量事件的統(tǒng)計結果。另外可以對歷史數據進行重新分析，查看分析結果。

(4) 超標數據查詢。可統(tǒng)計設定的時間段內的超標數據。

(5) 電能質量報表輸出。對設定時間段(如日、月、年)內的監(jiān)測數據進行分析計算并生成統(tǒng)計報告，供用戶查看和下載。

電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)在北京電網建立并應用，圖7為歷史數據統(tǒng)計分析，圖8為電能質量事件錄波圖。

4 結束語

電網電能質量的監(jiān)測是保證供電質量和電網經濟安全運行的首要任務， 電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)經過全面采集、實時上傳、及時存儲、準確分析與顯示等環(huán)節(jié)實現(xiàn)了電能質量信息的快速獲取和綜合分析。全面的電能質量監(jiān)測是實施電能質量綜合治理的前提和基礎，有助于加強電網的安全性和可靠性，自動監(jiān)測、自動分析和數據共享有助于提高工作效率。建立和應用電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)積累電能質量管理經驗和電力污染原始資料，能夠促進電網安全經濟運行水平的提高，增加電力工業(yè)的經濟效益和競爭力。