龍秋鳳, 林呈輝, 徐玉韜, 范 強, 張 歷, 陳敦輝, 代奇跡

(貴州電網有限責任公司 電力科學研究院, 貴州 貴陽 550001)

0 引 言

電力電子技術在快速發(fā)展的同時,也為電網的安全性帶來諸多的隱患,導致電能質量不斷惡化,因而電能質量成為電網公司關注的一個課題。電能質量的監(jiān)測是解決電能質量問題的先決條件。一個功能完善的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時監(jiān)控電網中電能質量情況,及時發(fā)現電網中電能質量問題,監(jiān)控污染電能質量的因素,對于電網運行和電力設備的安全性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性均有積極作用[1-2]。

某電網公司早于2009年已開始關注電能質量問題,并安裝有大量電能質量在線監(jiān)測裝置。由于部分電能質量監(jiān)測裝置的通信規(guī)約不一致,在裝置的接入及統(tǒng)一管理上存在較大困難。因此,需要通過先進的技術手段,建設完善該電網電能質量監(jiān)測系統(tǒng),實現不同通信規(guī)約的監(jiān)測裝置的快速接入,以便及時發(fā)現電能質量問題[3-5]。

該電網設計并建設一套信息化、標準化和智能化管理的電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng),基于統(tǒng)一通信平臺的接入方案,實現不同通信規(guī)約的監(jiān)測裝置接入,滿足不同人員的使用需求。

1 電能質量監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結構

電能質量監(jiān)測系統(tǒng)采用分層式結構,將監(jiān)測系統(tǒng)分為變電站終端層和電科院主站層。變電站終端層包括采用私有通信規(guī)約的存量電能質量監(jiān)測裝置,以及未來新增的采用IEC 61850標準通信協議的電能質量監(jiān)測裝置。電科院主站層包括通信服務器、數據庫服務器、Web服務器等,提供數據采集、數據存儲、Web信息發(fā)布等功能,電科院主站層通信防火墻實現信息在本省用戶內的共享發(fā)布。某電網電能質量監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 某電網電能質量監(jiān)測系統(tǒng)架構

1.2 數據接入方案

電網電能質量監(jiān)測裝置廠家、型號不同,所采用的通信規(guī)約也不統(tǒng)一。為盡可能減少系統(tǒng)中間環(huán)節(jié),提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少維護工作量,電能質量監(jiān)測系統(tǒng)對所有電能質量監(jiān)測裝置優(yōu)先采用直采方式接入主站軟件。具體原則如下:

(1) 對于存量的非IEC 61850裝置,主站軟件開發(fā)私有規(guī)約驅動程序直接接入。

(2) 對于存量的IEC 61850裝置,主站軟件采用IEC 61850標準驅動程序接入。

(3) 對于增量裝置,要求支持IEC 61850規(guī)約,主站軟件通過IEC 61850標準驅動程序直接接入。

在具體實現技術上,系統(tǒng)設計采用基于統(tǒng)一應用程序接口(Uniform Application Program Interface,UAPI)的數據采集平臺,由數據采集主程序、UAPI和多個驅動程序構成,可同時提供對IEC 61850及私有通信規(guī)約的支持。UAPI接口方案工作原理如圖2所示。

圖2 UAPI接口方案工作原理

上述UAPI接口方案中,各組成部分的功能如下:

(1) 驅動程序。針對每種通信協議開發(fā)獨立的驅動程序,驅動程序通過物理網絡實現與監(jiān)測終端的實際通信連接,用于實現通信協議解析,并對所采集到的數據進行初步分析和處理。

(2) UAPI接口。UAPI接口的主要作用是實現對不同驅動程序的管理和監(jiān)視,并作為中間件起到隔離驅動程序和數據采集程序作用。

(3) 數據采集程序。數據采集程序通過UAPI接口調用驅動程序,實現不同電能質量監(jiān)測終端的接入,以及對通信過程進行監(jiān)視、調度管理等。

基于UAPI的數據采集平臺主要有以下優(yōu)點:穩(wěn)定,主程序與驅動程序之間、驅動程序與驅動程序之間相互隔離,任一驅動程序故障不會影響到其他驅動程序和主程序的正常運行;統(tǒng)一,驅動程序與主程序之間采用統(tǒng)一的接口;驅動程序采用面向對象的研發(fā),不同數據源均由同一父類派生,驅動程序開發(fā)快捷;擴展方便,如果有新數據源需要接入,只需開發(fā)對應驅動程序,實現快速數據源接入。

1.3 系統(tǒng)功能方案設計

為滿足電網的電能質量監(jiān)測、分析、管理等需求,該電網電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)從功能上分為基礎支撐平臺、中間服務平臺、高端應用平臺。基礎支撐平臺包括各種數據源的數據采集、數據存儲,并向數據應用開放通用和專用的數據接口。中間服務平臺提供電能質量數據應用的常規(guī)功能模塊,滿足一般技術人員的日常技術工作和管理工作需要。高端應用平臺提供針對性的、定制開發(fā)的高級應用功能,滿足高級技術人員的技術分析需要。電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)功能架構如圖3所示。

1.3.1 基礎支撐平臺

基礎支撐平臺包括數據采集、數據處理、數據存儲、數據庫維護等功能模塊。各功能模塊的說明如下。

圖3 電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)功能架構

(1) 數據采集模塊實現對電能質量監(jiān)測裝置數據的采集,并經過數據處理模塊將數據存儲數據庫中。數據采集模塊采用多線程并行通信的機制,容錯能力強,確保軟件能長期穩(wěn)定運行。

(2) 數據處理模塊用于接收原始數據,并將原始數據進行預處理,將處理后的數據上傳至數據庫中,實現數據的高效存儲。

(3) 數據存儲模塊實現海量監(jiān)測數據的存儲,為數據應用與分析功能提供數據查詢、檢索等服務,是系統(tǒng)的核心模塊。

(4) 數據庫維護模塊對數據進行備份、還原、遷移、刪除、同步等操作。

1.3.2 中間服務平臺

中間服務平臺包括實時監(jiān)控、系統(tǒng)配置、事件查詢、信息發(fā)布等功能模塊。各功能模塊的說明如下:

(1) 實時監(jiān)控模塊用于對電能質量監(jiān)測裝置的實時數據及通信狀態(tài)進行監(jiān)控,并對異常情況進行報警。

(2) 系統(tǒng)配置模塊用于對系統(tǒng)信息的配置及管理,可以方便地對新增設備進行接入,并對不同用戶權限進行管理。

(3) 事件查詢模塊用于對各類告警事件進行查詢,包括系統(tǒng)運行、暫態(tài)變化、穩(wěn)態(tài)越限等事件。

(4) 信息發(fā)布模塊用于集中展示數據分析和運行管理功能,并支持將數據查詢及分析結果導出為Excel或圖片格式的文件,方便進行數據的二次利用。

1.3.3 高級應用平臺

高級應用平臺通過Web進行使用,通過各類主流瀏覽器便可完成數據查詢、數據分析等功能。同時,通過對電能質量各類業(yè)務的梳理和分析,將高級應用平臺的功能分為綜合評估、詳細分析、高級應用、運行管理、平臺資源5個功能模塊。各模塊說明如下:

(1) 綜合評估模塊針對區(qū)域的電能質量整體狀況的監(jiān)視,并可向電網其他業(yè)務部門、同行或外部單位進行電能質量信息展示。

(2) 詳細分析模塊針對特定監(jiān)測點的電能質量詳細分析,滿足日常技術工作的需要。

(3) 高級應用模塊提供可擴展性,根據需求的變化提供定制型開發(fā)的高級應用功能。

(4) 運行管理模塊提供各種管理功能入口,滿足日常管理工作的需要。

(5) 平臺資源模塊提供輔助性的資料管理,包括資料上傳、下載、信息發(fā)布等。

2 關鍵技術研究

2.1 基于數據預處理技術的數據查詢性能提升

采用數據預處理技術,利用晚上空閑時間在服務器上進行自動數據預處理,并將預處理后的結果存儲擴展數據庫中,從而可以避免在報表查詢時的統(tǒng)計計算操作。數據預處理技術適用于所有時段固定的數據查詢操作。

數據預處理技術需要良好的數據庫結構配合。考慮到數據應用的需求,系統(tǒng)數據庫平臺設計采用基礎系統(tǒng)上擴展其他類型系統(tǒng)的方案,在基礎系統(tǒng)中存儲通用數據(主要指基礎平臺,如信息查詢和管理系統(tǒng)所需要的數據,可從就地裝置中直接讀取或經簡單統(tǒng)計計算得到),在擴展系統(tǒng)中存儲專用數據(主要指高級平臺所需要的數據,須經專用程序對基礎數據進行建模、統(tǒng)計方可得到)。基礎系統(tǒng)和擴展系統(tǒng)均分為實時庫和歷史庫。數據庫結構設計如圖4所示。

2.2 基于正態(tài)分布理論的95%概率大值計算

大量結果表明,95%概率大值的統(tǒng)計計算是耗時最多的計算過程。如果能優(yōu)化提升95%概率大值的算法,也可以大幅度提升數據查詢性能。針對不規(guī)則時段的數據查詢操作,擬采用基于正態(tài)分布理論的95%概率大值方法。基于正態(tài)分布理論的95%概率大值計算流程如圖5所示。

圖4 數據庫結構設計

圖5 基于正態(tài)分布理論的95%概率大值計算流程

3 結 語

電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)采用直采方式實現不同通信規(guī)約的電能質量監(jiān)測裝置的接入,并通過模塊化的功能設計思路,根據電能質量監(jiān)測與分析的業(yè)務流程,設計基礎支撐平臺、中間服務平臺、高端應用平臺的三層式系統(tǒng),同時滿足一般技術人員及高級技術人員對電能質量的分析與應用需求。電能質量監(jiān)測系統(tǒng)的建設可全面掌握電網的電能質量狀況,為電能質量綜合治理提供數據支撐,可以有效推動電能質量監(jiān)測自動化水平,為電網的安全、穩(wěn)定運行保駕護航。