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摘要：电能质量的问题是一个系统问题，是电力系统各个设备相互作用的结果。所以电能质量问题的分析也必须在系统的角度上进行。本文介绍了实时在线仿真系统的概念，并对系统在电能质量辅助决策的应用做了描述。
关键词：电能质量；在线仿真；辅助决策；
Power quality decision-making based on on-line simulation system
Xia Rui ，Wang JiaQi
(CYG Contron Co., Ltd., Gaoxin District Zhuhai 519085, China)
ABSTRACT: Power quality problems is a system problems. It is the result of the interaction of the various equipment of Power system. So the problem of power quality analysis must also be in the point of view of system. This paper introduces the concept of real-time online simulation system, to descripe the application of this system in power quality aided decision-making.
KEY WORDS:Power quality; on-line simulation; decision-making.
1 引言
随着电力电子以及相关设备的应用范围愈加广泛，尤其是在各类非线性负荷和冲击负荷进一步发展后，电网中电能质量的问题越来越受到关注，同时精密分析检测仪器和愈渐复杂的电子设备也在电能质量方面有了更高的需求，因此电能质量的问题已经引起了社会的高度重视。就国内的现状而言，电能质量方面还是停留在监测分析的阶段，极少能有进一步的利用。而对于电能质量的监测目前也是存在很多问题，譬如配置监测点的费用高、监测点位布置不足、监测数据不能被进一步利用、现场条件的安装不便会限制检测装置的布置、分散采集的数据容易形成信息孤岛会导致无法进行联网分析等。运行人员没有完善的科学理论依据来对系统中各种电能质量问题进行判断和处理，完全凭借现场丰富的运行经验，使得分析决策的结果与实际情况存在较大偏差[1]。因此，针对电网中已有的电能质量监测数据的集中分析、利用以及电能质量问题的评估和治理，以致更深一步的机理研究等等，都迫切需要一套电能质量智能分析辅助决策系统。
文献[2]将专家系统的思想应用于电能质量辅助决策，根据仿真出的电网电能质量数据，按照特定的规则进行智能推理和判断，对电能质量问题给出专家决策建议。但是专家系统只能对局部的特定问题进行仿真分析，当电网结构发生改变时，特征参数的调整变得复杂。
在线仿真技术是在离线实时仿真技术基础上发展而来的一种新技术，广泛应用于数字化电厂、钢厂能源管控等领域的系统控制决策和优化。本文将在线仿真概念引入电能质量分析决策，主要讨论在线仿真技术在电能质量辅助决策方面的应用。
2 在线仿真技术介绍
电力系统的计算机仿真技术的工作原理是通过图形模型和数学模型的形式，并通过计算机对相应的数学模型进行计算分析，以此来表述并在线电力生产过程中的各个环节阶段，再通过友好的人机交互界面，使电力生产过程中的各个阶段的运行状态可以被有效监测、监视，并对监测数据进行分析以致控制电力生产过程。随着计算机技术的高速发展，计算机仿真技术也正在产生日异月新的变化，在研究的试验、设计和验证以及对人员技能的培训方面，也开始越来越多的使用实时仿真系统技术。但是目前仿真系统存在严重的信息孤岛现象，没有与电力生产现行的运行系统和管理系统有直接的联系，都是孤立存在的。再者，仿真技术在更精确的模型和更深层次的仿真的进步，促使电力系统仿真技术有很大的发展，在人员培训的需求之外，已经涉及到许多其他范畴方面的功能，现在电力系统的大数据共享的实现已经有网络信息技术、通讯技术喝计算机自动化控制技术等基础支持。实现了数据的共享，会使得电力系统的数据利用效率得到了很大程度的提高，也为电力系统的监测数据赋予了更多的价值，这样就可以是计算机仿真系统以及信息系统产生更好的效能。因此，在线仿真技术的概念应运而生。
在线仿真技术使仿真系统与被仿真对象可以同步运行，实现了两者的有机结合，这是相对于传统的离线式仿真系统在技术上的重大突破。监控系统可以和在线仿真系统共享监测数据，在线仿真系统就可以直接获取被仿真对象的现场操作命令和运行状态，以此就可以实现对被仿真对象实时状态做出仿真计算以及分析和诊断。在线仿真系统与传统离线仿真在技术上的主要差异包括：
(1)以在线的实时数据库为基础，实现数学仿真系统、数据采集与监控系统和管理信息系统的数据共享；
(2)模型的精细程度更高，因为模型的测量与电力系统现场情况基本一致；
(3)在线仿真模型是连续在线运算，需要很高程度的长时间计算的精细度和长期不间断运行的稳定性；
(4)系统具有自动初始化到与电力系统实际运行状态的能力；
(5)在线仿真系统更加智能化，可以通过自学能力进行自我参数整定，提高现场操作有效性判别等方面的能力；
(6)为了更好地服务于运行分析，为生产优化与分析系统和管理优化与决策系统提供信息源，在线仿真系统计算的参数更多的与可靠性和经济性相关；
(7)在线仿真系统需要搭建完善的历史数据库，并采用有效的方法存储和访问大量的长期的历史数据，供运行分析和信息系统共享，而历史数据的存储和读取必须同时满足介质容量的需求和检索速度的要求；
(8)会通过更有效的数据分析手段，能够对任一变量的历史数据值进行分析，对任意历史状态进行追溯或者记录重演；
(9)数据支撑平台需要能够支持多进程独立调度、多用户共享内存的运行模式，能够支持对实时仿真计算、经济性参数计算等多种功能的多种时间段的独立实施控制与调度；
(10)支持多种运行模式且存在多种模式同时运行，譬如实时同步仿真、在线预测仿真和离线分析仿真等；
(11)在线仿真系统能够实现在线实时的异常预警功能，并能辅助诊断分析导致异常工况的发生原因。
3 电能质量在线仿真系统的搭建
基于在线仿真的辅助决策系统的基本理念是通过建立实时共享数据库来作为数据支撑平台，由数据支撑平台融合监控系统的数据、管理信息系统的数据和在线仿真系统计算数据，将数据信息储存在共享数据库与历史数据库中，并且会实时地对数据信息进行分析与处理，以此可以全面共享被仿真对象数据信息。如图1所示。
图1 数据共享
Fig.1 Sharing of data
数据的一体化存储一直以来是电网公司关注的热点，数据的共享与交互也有很多成果，本文不再讨论。在现有的共享数据库中加上实时在线仿真数据库，就是电能质量仿真决策系统的数据基础。
3.1 电能质量在线仿真决策系统的架构
电能质量仿真决策系统的数据来源于现场监测的实时数据（电能质量监测点数据，电网运行SCADA数据和设备状态数据等）、在线仿真的计算数据（模型特征参数，辨识参数和控制参数等）和信息系统的管理数据（设备信息，运行信息，控制指令等），所以数据信息在共享数据库汇总和集中处理，再经由分析评估和辅助决策两个专家模块进行综合，最后得出决策报告。系统的整体架构如图2所示。
图2 仿真决策系统架构
Fig.2 Diagram for simulation decision making system
3.2 电能质量在线仿真决策系统的功能
（1）电能质量整体综合评估
电能质量的综合评估，主要依据国标中的相关电能质量的指标，进行相关指标的评估，用户可以就其关心的指标进行重点监测，评估可以是对实时数据和离线数据的评估，该平台的电能质量评估分为单项指标和综合评估，其中综合评估环节采用灰色理论电能质量评估法，这种方法克服了模糊评估方法中对模糊去间确定是的人为依赖性，保留了电能质量数据的特征，评估的准确性更好，为了获得更加科学的权重值，通过线性加权熵值法和改进的AHP方法来组合赋权。基于上述方法的综合评估，可以更好的反映特定区域内整体的电能质量状况。
（2）全范围的电网在线仿真模型
建立全范围的电网仿真模型，包括负荷模型，基波潮流计算，谐波潮流计算，网络模型，发电机模型等等，再现与实际系统一致的运行状态和机理，对设备和系统的运行特征参数进行推算，分析运行参数的真假值，并可以对设备经济运行状态进行评估，而且对于异常数据会提供报警功能。可以对实施争端处的多种不同的故障情况根据故障机理模型做出相应的预防措施。可以利用在线仿真模型完成电能质量治理方案后的验证。能够使系统运行历史过程可追溯、可重演，并可以验证和确认事故预防处理措施。通过在线仿真技术还可以分析各种事故或者故障工况的运行情况，并确定出最优的应急处理措施或者方案规程。
（3）电能质量异常参数在线侦测
通过异常参数在线侦测模型分析判断系统运行状态是否正常，采用被测量的参数以及设备运行的状态来反映系统的运行状态，侦测的参数譬如当前值、变化范围（振幅）、变化趋势（变化速率）、绝对值等等。
在线侦测异常参数是为了发现异常数据或状态，判断的阈值包括两种类型：
一种是一个固定的值，是根据设计要求、运行规程和运行经验确定的阈值，或者是与运行工况（比如电压偏差）相关的表格或者函数。
另一种阈值的确定是通过历史运行的信息判定。在线仿真系统支撑软件通过自身具备强大的实时数据库和历史数据库相同运行工况的历史数据，可以有效地诊断分析出运行过程中的异常，尤其是隐蔽的故障情况。
（4）电能质量信息异常诊断分析
电能质量信息的异常诊断分析，实际上是在异常参数侦测之后，依据一定的标准原则，做出进一步的筛选，以便最大程度的避免误报信息或出现没有意义的报警信息。
异常诊断分析模型中包含了大量故障信息，每个故障变量都包含一定的输入变量（即故障征兆量）。当进行全范围异常参数侦测活动，并检测到异常参数的时候，异常诊断分析模型会接收到异常参数相应的编码，如果诊断分析得到一个或多个参数的异常属于某故障的特征征兆量，就会触发相应的故障模型分析诊断该故障是否发生。由此可知，只出现一个异常参数的时候，可能会有多个不同故障的分析模型被调用进行分析诊断。不会使所有故障的分析模型都同时在连续运行，以此就可以节约计算机机时。
异常诊断分析是人工智能模型，采用人工神经网络（ANN）算法，比如在确定了某个的故障征兆量后，分析模型就会调用离线的全范围数学仿真模型模拟该故障的发展过程，人工智能模型会通过学习训练并保存故障的特征信息。以此能够大量的对事故或故障状况做出有效的甄别和分析，不再受实际故障或事故数据信息不足的局限，能够近乎完全发挥出全范围高精度仿真模型的能效。在电能质量暂降事件诊断分析中最为有用。
（5）电能质量趋势预测
电能质量趋势预测可以以月为单位，为有利于掌握电网中的电能质量的趋向，及时发现问题，对特定区段的电能质量进行定期预测，配合异常分析甄别功能可以更准确地监测电网的运行情况，最大程度的保证重要用户的供电可靠性，趋势预测有利于电网的电能质量和长期规划相应决策的制定。
预测未来网络电能质量的水平，主要依据三大模块：历史数据库的数据信息、关键设备未来时段的运行状况和合理的分析预测模型。需要采用专家系统、人工神经网络算法、模糊网络等技术来建立分析预测模型。
对电能质量影响较大的设备的投运情况是需要主要关注的关键设备未来时段运行状况，例如：大型负荷设备或线路的接入情况，特定线路的检修和投运情况，以及含大型污染源设备或线路的运行状况。，全面历史数据信息的参考和关键设备未来时段投运状况的信息很大程度上决定了电能质量趋势分析预测的有效性以及电能质量分析预测模型的准确程度。
4 仿真应用
我们在某大型钢铁厂的供电网络建立谐波专项的在线决策分析实验，某钢厂的供电网络图如图3所示：
图3 某钢厂供电网络
Fig.3 Diagram for a steel grid structure
我们首先建立钢厂的基波实时潮流模型，在此基础上再建立谐波的实时潮流模型，同时对典型谐波源建立谐波负荷模型，包括直流传动装置整流变压器、交交变频整流变压器、无功补偿装置、干熄焦发电等主设备模型，同时从监测SCADA系统取得现场运行数据，实时修正模型特性参数，此供电网络总共计算1650个节点，但是从供电系统上分为3个子网，我们分析谐波污染最为严重的三降压系统，其谐波测量数据如图4所示，
图4 谐波统计表
Fig.4Table for Harmonic data
由表上数据可知，轧机产生的谐波对供电网影响十分严重，在35KV加入谐波治理装置后，对谐波的治理效果明显。对多个谐波源在系统中的传播和影响，在线仿真系统更能实时分析谐波源、负荷和电网相互作用的过程。电力网络的谐波状况可以通过在线谐波仿真分析实时得到，实时的仿真数据分析对于帮助电力运行人员对电能质量进行监控分析诊断和谐波分析治理决策都能带来可靠的信息依据以及显著的效果。
5 结论
综上所述，在进行电能质量分析、评估和决策的过程中，单单从监测数据出发不能满足电能质量治理和决策的要求，必须借助仿真系统的模型分析，综合各个电能质量元素的信息，才能更大发挥电能质量决策的重要作用。
基于在线仿真技术的电能质量综合辅助决策系统，在离线仿真分析的基础上再进一步，能更好的辅助电网生产过程的电能质量治理决策。
参考文献
[1]吴竟昌，孙树勤，宋文南，等．电力系统谐波[M]．北京：水利电力出版社，1988
[2]游景玉．实时仿真技术及其应用．珠海出版社，1997．
[3]肖湘宁. 电能质量分析与控制［M］. 北京：中国电力出版社，2006：155-156.
[4]杨以涵，唐国庆.专家系统及其在电力系统中的应用[M].北京:水利电力出版社，1995.Yihan Yang，Guoqing Tang， Expert system and its application in power system，Beijing water power press， 1995
[5] Paul A. Fishwick and David R.C. Hill, “Web-Based Simulation”, SIMULATION, 1999(Jul)
[6]冯惠军，冯允成，面向对象的仿真综述，系统仿真学报，1995，7（3）：58-62Huijun Feng， Yuncheng Feng，The object-oriented simulation were reviewed，Journal of System Simulation， 1995，7（3）：58-62
[7]游景玉 吴芳辉 仿真支撑系统技术的研究与发展，系统仿真学报，1997：Jingyu You， Fanghui Wu， The research and development of simulation support system technology， 1997
[8]ABUR A, KEZUNOVIC M. A |Simulation and Testing Laboratory for Addressing power Quality Issues in Power |Systems. IEEE Trans on Power Systems. 1999, 14(1): 3-8.
[9]郑三立，雷宪章，Retzmann D. 电力系统计算机及实时数字仿真（上）——电力系统计算机仿真。电力系统自动化，2001,25（13）：45-49.Sanli Zheng， Xianzhang Lei， Retzmann D. Computer and power system real-time digital simulation (1)—— power system simulation， Automation of Electric Power Systems，2001,25（13）：45-49.
[10]杨淑英．电力系统概论. 中国电力出版社, 2007.
[11]许海文、李庚银，用户电力技术与暂态电能质量的改善[J]，华北电力大学学报，2002，29（4）：30～35；Haiwen Xu， GengYin Li，The improvement of user power technology and the transient power quality，Journal of North China Electric Power University | J North Chin Electr Power Univ，2002，29（4）：30～35；
[12]孙可，电能质量分析方法与控制技术探讨，能源工程，2004④.Ke Sun，The method of power quality analysis and control technology， Energy Engineering， 2004④.
[13]George J. Wakileh. 徐政译，电力系统谐波—基本原理、分析方法和滤波器设计。机械工业出版社。2003
作者简介
夏锐（1975—），男，工程师，研究方向为系统仿真与电能质量监测控制，xiarui@contron.com.cn；
王嘉琦（1990—），男，助理工程师，研究方向为电力安全控制，wangjiaqi@contron.com.cn；
论文作者:夏锐,王嘉琦
论文发表刊物:《电力设备》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/2
标签：在线论文; 电能论文; 质量论文; 系统论文; 数据论文; 模型论文; 谐波论文; 《电力设备》2017年第11期论文;