吴朝晖1 张少云2
（1. 江西上饶供电公司 上饶 334000；2. 上海无容电气有限公司 上海 201613）
摘要:针对目前我国电能质量监测系统的远程实时监控存在的问题，本文提出一个基于网络环境的分层体系结构的综合管理平台。这种体系结构符合现阶段我国电网分布式结构特点以及电力市场的发展趋势，满足目前电网电能质量监测系统的需求。该平台应用于江西省上饶市电网，检测各种电能质量指标，实现对电网实时监测和管理的功能，提高监测数据的利用度。应用结果准确反映出电网电能质量的状况，通过本系统可以有针对性地改善电网电能质量并提高经济效益。
关键词:电能质量; 实时; 监测; 综合管理; 数据利用
引言
通常，电网由“发、输、变、配、用”五个主要环节构成，其中用户端的“配、用”电环节约占80%的总电能消耗。近年来，我国社会经济快速发展对电能质量及其可靠性提出更高的要求，特别是冲击性、非线性、不平衡度负载在电力应用中越来越多，如电气化铁路、电弧炉、变频器等，造成电网的电压波形发生畸变，致使电网电能质量不断恶化[1-2]，从而引起电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等电能质量问题，对供电电能质量造成严重的干扰或“污染”，直接影响着电力系统的供电安全。电网中正面临越来越多的电能质量问题，这使得建立在线电能质量监测机制，成为保证电网安全、经济运行必不可少的措施之一[3]。
本文针对目前我国电网普遍存在的典型问题，如：电网的监测手段和管理模式实时性差、监测效率低、智能化程度不高，自诊断性、自愈性、集成度和预测的能力较差等，构建了一个开放式电能质量综合管理平台，实现了电能质量指标实时监测、统计和分析。通过对电网重要线路的7大类电能质量指标的全方位实时监测，实时发现电能品质缺陷；通过对典型用户线路的实时电能质量监测，发现并鉴别电能污染方向，明确供电单位和用电企业双方责任；实时提供所监控区域的电能质量信息，为供用电提供决策辅助支撑；深度利用监测与分析的历史数据，建立电能质量分析模型和专家知识库，研究污染的特性、类型及分布规律，为相关决策提供科学依据。
2 实时电能质量监测系统的架构
借助电能质量监控网络，各监测点将电能质量数据自动传输至电能质量管理中心服务器，经过处理后交由后台数据库进行集中储存和管理。各级相关部门通过综合管理平台访问数据库，借助平台提供的各种工具，对所关心的对象进行统计和分析，并用直观的图表加以表示[7]。
电能质量监控系统的架构如图1所示。
图1 电能质量监控系统结构
图1中的电能质量在线监测终端负责采集的各种电能质量参数，如：电压、电流、有功、无功、功率因数、谐波、电压偏差、频率偏差、不平衡度、闪变、暂态事件等。采集到的参数原始数据通过采集骨干网上传至前置机群进行预处理，最后由主备数据库储存。相关部门通过综合平台提供的各种服务访问和管理数据，如WEB服务、报表服务以及管理服务等，支持电网电能质量的监测遵循分层、分级、分权限控制的原则。同时，为了兼容各种主流的底层操作平台，要求电能质量监控系统必须具有良好的跨平台性和较强的可扩展性。
3 综合管理平台的体系结构
3.1 数据层
数据层为整个体系结构的基础，包括电能质量数据的实时库、历史库、专家知识库和其他相关库。
其中，实时库保存了最近90天的生产业务数据，主要包括采集的各种电能质量参数、电能质量问题分析报告、处理结果报告、电能质量状况周期性报告等；
历史库是电能质量决策支持系统和联机分析应用数据源的结构化数据环境。其中的数据是源自实时库。按照用户所关心的重点，抽取实时库中的相关数据，进行加工和集成，最后按照主题进行分门别类的组织和储存。
专家库保存着电能质量相关决策、经验、知识以及分析模型等重要辅助性工具。其中，很大一部分内容是以历史库为基础，对历史数据进行深度利用的结果。专家库的设立可以为用户在电能质量管理策略方面提供强有力的支撑。
3.2 服务层
服务层在数据层的支持下，集成综合平台的所有基础服务，主要包括数据采集服务、消息传递服务、报表定制服务以及权限审查服务等。
数据采集服务是服务层中重要基础服务之一，它为平台提供了一个访问数据层的统一接口，以保证平台数据访问的一致性，同时使得平台在数据层面具有良好的可扩展性。
消息传递服务是平台业务驱动的基础。平台的消息来自事件的发生，事件则由平台用户、平台提供的应用功能、底层的数据库或者操作系统等实体引发的。这些实体也同时是消息的服务对象。消息机制的引入，使得平台能够实时地监测平台中的所有实体的活动，及时发现目标电网的电能质量问题，并以消息的形式通知相关实体进行对应的处理。
报表定制服务为辅助性基础服务，它是以数据采集服务为基础，在数据层的支撑下，辅助用户完成对数据的整合、统计、分析和输出。
权限审查服务属于平台安全类的服务。该服务可以使得电网电能质量的监测，遵循分层、分级、分权限控制的原则，这样就使得平台实体只能访问授权对象，如与实体相关的数据、功能、报表等，实现了平台的逻辑安全性。
3.3 应用层
应用层在数据层和服务层的支持下，为平台提供一些应用类的服务，如决策评估、运行营维、数据管理以及综合应用等。
图3 综合管理平台的主界面
决策评估是平台提供一个高级应用，是对涉及电网的电能质量问题决策活动过程中的各种因果关系以及决策效果进行的综合性评价。在电网实际运行过程中，由于决策认识的偏差、决策环境的变化、时间的推移、新问题的产生或当时决策人员的经验知识、辅助决策的资源等多方面因素，可能使原有的电能质量问题相关决策的目标无法达成，甚至产生副作用，造成不良的恶性循环。新电能质量问题的模式及其影响，进一步导致问题趋于严重和复杂化。因此，有必要对原有电能质量问题的决策进行评估，帮助决策人员重新认识、发现问题的症结，提供有关决策的客观信息和资料作为科学决策的依据，从而做出更加科学和经济的决策方案。
运行营维为平台提供一个用于日常业务处理的应用，包括工况监视、用户管理、系统对时、配置维护以及系统接口等管理工作。
数据管理则实现了平台在应用层面上的数据操纵，包括可视化的数据采集、数据存储、数据分析等高级管理应用。
3.4 表现层
图5 数据分析界面之饼图分析
表现层为平台的最高层，在三个低层的支持下，通过友好的人机界面直接为用户提供服务，包括报表查询、数据浏览、告警信息查询等。报表查询不但支持一般形式的多个关键字模糊或精确查询，而且还支持“检索表达式语法”高级查询。数据浏览功能既允许用户自定义输出格式，又支持按照数据分析的主题，智能选择合适的输出格式，从而辅助用户进行数据分析和应用。告警信息查询为平台安全管理功能，包括事件管理、系统安全等功能。
图6 数据分析界面之ITIC分析
4 综合管理平台的实现
4.1 平台的总体设计
按照前文所述的设计架构，参照CORBA规范、IEC61970和IEC61850标准，采用了ACE、QT、EJB、XML等技术，建立了开放式的平台体系结构。同时为了提高平台的可靠性，平台的核心部分采用了高性能计算集群技术，使得平台的具体服务功能可以被部署成具有冗余度的服务器或者工作站上。平台的主界面如图3所示。
在平台中的专家评估模块的支持下，能够对电能质量的相关决策和事故分析处理，提供智能化的支持。
4.2 平台的部分核心功能界面
图7 数据分析界面之Sarfi分析
1）设置维护：能够方便维护各种设备的相关属性，如名称、倍率、短路容量、设备容量、电压偏差、频率偏差、不平衡度、功率因数、长时闪变、短时闪变等信息。
图11 Web综合查询
2）数据分析：以底层数据库为基础，用户可对各种电能指标进行统计分析计算。主要功能有：固定周期与自定义周期的统计。固定周期统计主要指按照日、月、年进行统计，自定义周期统计可以选择统计对象，对任意时间段进行统计；各种类型的统计值，如最大值、最小值、平均值、95%概率大值、合格率、不合格点数；多样化的电能质量指标分析方法，根据具体指标和主题，可采用不同的方法进行分析，如定点分析、趋势分析、概率分析、高级分析、比较分析等；支持暂态电能数据的分析和量化评估报告，如ITIC曲线，电压中断，电压跌落，电压骤升，SAFRI分析，分析结果可支持多种输出格式，如表格，曲线、直方图、饼状图、矢量图等。其界面如图4、图5、图6和图7所示。
3）数据应用：主要体现为报表分析和图形分析。报表分析功能内嵌入了电压、电流、谐波、频率及三相不平衡度、功率、闪变等报表的“日报”、“月报”、“年报”的标准模板。如图8所示。
图形分析则允许自定义分析画面，对于图表、曲线、棒图、矢量图等数据展示的定义、曲线颜色、显示比例等完全由用户自定义完成，曲线可平移、缩放等操作，如图9、图10所示。
4）Web发布：为了方便各级用户使用系统，平台采用了B/S模式，可以使用浏览器登录并使用系统。图11为Web综合查询界面。
平台性能分析
本平台所达到的性能指标跟国内外业界标准进行比对，分析结果如表1所示。
表1 平台性能分析
由表1可见，本平台的各项主要性能指标已经到达国际水平，在国内业界处于领先地位，能够满足目前我国电能质量监测需求，具有较高的应用和推广价值。
结束语
本文分析了电能质量实时监测的重要性和必要性，根据目前电能质量监测的不足之处，构建了基于网络环境的电能质量监控系统的架构，提出了一个电能质量监测综合平台的分层体系结构，并研究其中的关键技术，最后以此进行了系统实现。本平台已经在江西上饶电网得到应用，目前运行状况良好，达到了本文的设计要求和目的，为实现我国电网智能化进行技术积累。
参考文献
[1] 程浩忠, 艾芋. 电能质量[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.
CHEN Hao-zhong, AI Yu. Power quality[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2006.
[2] 林海雪. 现代电能质量的基本问题[J]. 电网技术, 2001, 25(10): 5-12.
LIN Hai-xue. The basic problem of modern power quality[J]. Network Technology, 2001, 25(10): 5-12.
[3] 裴林, 郑建辉, 孙怡. 电能质量综合监测管理系统的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2008, 36(23): 49-53.
PEI Lin, ZHENG Jian-hui, SUN Yi. Study on power quality comprehensive monitoring and management system[J]. Power System Protection and Control, 2008, 36(23): 49-53.
[4] 奚珣. 电能质量的更高要求及对策. 供用电. 2002, 19(1) : 40-41.
[5] LIN Tao, DOM IJAN A. Real time measurement of power disturbances—Part 1: survey and a novel complex filter approach[J]. Electric Power Systems Research, 2006, 76: 1027-1032.
[6] 韩谷静, 殷小贡, 林涛. 面向配电自动化的中压电力线高速数据通信终端设计[J]. 电工技术学报, 2007, 22(3): 128-132.
[7] 孙毅, 龚钢军. 电能质量在线监测系统的设计和实现[J]. 继电器, 2004, 32(17): 60-63.
SUN Yi, GONG Gang-jun. Design and realization of on line monitoring system of power quality[J]. Relay, 2004, 32(17): 60-63.
论文作者:吴朝晖1,张少云2
论文发表刊物:《电力设备》2016年第9期
论文发表时间:2016/7/5
标签：电能论文; 质量论文; 平台论文; 电网论文; 数据论文; 实时论文; 电压论文; 《电力设备》2016年第9期论文;