[科普中国]-电能质量监测

随着社会的发展，电能质量问题越来越受到社会的关注，其原因不但与电力部门有关，有的电能质量指标(例如谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度)往往是由用户干扰引起的，牵涉发电方、供电方和用电方，关系到各方的利益。因此，为了切实维护电力部门和电力用户的共同利益，保证电网的安全运行，净化电气环境，必须加强电力系统电能质量的管理，建立完善的电能质量监测与分析系统，以便对电能质量进行准确的检测、评估和分类电能质量监测技术的发展与完善关系到电网和用电的安全问题。1

简介电能质量不仅关系到电网企业的安全经济运行，也影响到用户的安全运行和产品质量。大量分布式能源(如风电和太阳能发电)的接入将进一步恶化电能质量。电能质量信息的连续监测和分析评估是发现电能质量问题和提高电能质量水平的前提条件。电能质量监测系统(下文简称“监测系统”)利用安装在电网侧或用户侧的电能质量监测终端(下文简称“监测终端”)，通过网络将监测数据传回监测中心(监测主站或子站)，实现对多个位置的同时监测，并发布电能质量相关信息，是电能质量监测和评估的有效手段。2

电能质量监测的目标和要点监测目标决定监测设备选择、触发阈、数据采集和存储方法以及分析和解释要求。任何电能质量监测系统， 都应明确监测目标，包括：1)描述系统的整体性能 。2)描述特定电能质量问题 。3)评估电能质量水平 。4)干扰 诊断与设备维护 。

电能质量监测的要点包括 ：1)确定电能质量的描述和分析方法 。2)选择监测点。 一般来说，在几个关键点 进行测量即可确定整个系统的特性。监测位置通常选择用户的供电入口，受影响的设备附近，或在变电站和特定用户供电入口同时监测 。3

电能质量监测系统研究现状电能质量监测系统整体架构方案研究基于某种特定终端的架构方案研究在此类研究中，特定监测终端的实现往往是讨论的重点，而监测系统的架构往往以适应这类终端为前提。电能质量监测终端由于其在采样率、数据统计、传输格式等方面的特殊要求，一般无法利用现有终端实现。近期研究中，一类是针对嵌入式装置构建监测系统，另一类是基于虚拟仪器技术，利用工控机和上位机构建系统。

目前，国内已普遍建成区域电能质量监测系统以全面掌握区域各处的电能质量情况。 此类系统中，监测点数量多，建设周期长，所使用的监测终端也往往不仅局限于某种特定类型。因此，需要研究通用的监测系统架构方案。

通用架构方案1) 基于 CORBA的架构方案。相关研究利用公共对象请求代理体系结构(Common Object Request Broker Architecture，CORBA)技术实现异构环境下中心控制站与各监测仪之间的远程访问和控制。CORBA技术一般用于在不同应用程序之间提供灵活的通信机制，将其用于监测数据传输时，终端实现难度、系统可维护性以及能否跨越防火墙传输等问题均需要进一步研究。

2) 基于 MAS的架构方案。多智能体系统(Multi-Agent System，MAS)是多个Agent组成的集合， 其中每个 Agent是一个物理的或抽象的实体。基于MAS的架构较符合电力系统分布式结构的特点，但仍有许多实际工程问题需要解决，例如：如何在不同类型监测终端中实现复杂的Agent程序、各Agent基于何标准通信协调等。

3) 基于调度系统模式的架构方案。此类架构方案一般由现场采集终端，通信网络、分层分级的远程监控中心以及客户端组成。考虑到我国电网的实际情况，此架构方案在构建区域监测系统时被普遍采用。目前，国内各省普遍采用三层式的监测系统架构。

考虑到管理方式、建设成本以及通信网络架构等实际情况，某些区域监测系统也有采用二层式结构方案，其与三层式结构的主要区别是不设置监测子站。意大利电能质量监测系统采用二层式架构；浙赣电气化铁路江西段的开放式监测系统暂时采用二层分布式结构，但预留了向三层结构过渡的数据交换接口；上海电能质量监测系统采用二层式架构，并在主站采用多个通信前置机分担通信压力。

从发展趋势上看，三层式结构可支持接入更多的监测点，具有较高的可扩展性，能满足监测数据海量化的需求。

4) 开放式监测系统架构方案。相关研究将开放式体系思想应用于监测系统中，通过系统的功能接口抽象和通信的标准化构建开放的统一平台，满足不同类型监测终端和系统的集成和交互的需要。

开放式架构兼容开放的优势可使监测系统平稳地向前发展，具有较长的生命周期。但目前研究大多仅是理论探讨，对具体实现的研究不多。2

电能质量监测通信体系研究传输媒质研究网络化是监测系统发展的必然趋势。在目前普遍采用的两层式或三层式架构，通信网络负责将各监测终端采集的数据传输到监测中心，并将监测中心的命令下发到各终端，是监测系统正常运行的关键。

早期的网络化电能质量监测远程通信网络一般选用公用电话网络，传输速率低，仅适合构建小型监测系统。随着国内电力数据通信专用网络的建成，目前监测系统普遍采用基于TCP/IP协议的以太网络传输数据。配电线载波通信方式并未得到广泛应用。

有线网络存在覆盖范围有限、建设维护投入大，周期长等缺点。无线GPRS由于存在安全性、可靠性和传输速度等问题，应用范围有限。无线网络可作为有线网络的补充，在某些特定场合以及备用网络方面发挥重要作用。

通信标准研究目前监测系统大多直接在高速以太网上传输监测数据，不采用复杂的压缩方案。因此，通信协议和数据格式标准是研究重点。现有研究主要包括以下两方面：

1) 基于 PQDIF的通信标准研究。IEEE P1159.3标准中提出的电能质量数据交换格式(Power Quality Data Interchange Format，PQDIF)完全独立于监测终端软硬件，被普遍作为监测数据交换的标准格式。嵌入式监测终端直接生成PQDIF文件并传输到监测中心，可避免在中心维护多个将各终端厂家私有通信规约转换为PQDIF的接口转换程序，有利于减轻监测中心的负担并提高系统可靠性。

2) 基于 IEC61850的通信标准研究。IEC61850第二版《公用电力事业自动化通信网络和系统》已将电能质量附录的补充草案内容正式写入标准，具体内容包括扩充了关于电能质量的测量类逻辑节点(M-)，新增电能质量检测分析逻辑节点类(Q-)等。早期研究采用在每个子站设立数据集中器的方式实现将各厂家非标准协议转换为IEC61850服务。目前的方案是：电能质量监测IED直接基于IEC61850建模，实现IEC61850服务器；监测中心实现IEC61850客户端，对符合IEC61850标准的监测终端进行数据读取和配置下装等操作。2

电能质量监测中心系统研究监测中心软件架构方案研究在目前普遍采用的两层式或三层式架构中，监测中心系统是整个监测系统的核心，其需要实现与监测终端连接、监测数据解析与处理、海量监测数据管理、高层分析应用以及信息可视化发布等功能。目前，监控中心软件系统体系结构一般采用C/S模式或B/S模式，前者如土耳其国家电能质量监测系统等，后者如巴西国家电能质量监测系统等。开放的网络化结构是未来的发展趋势，B/S模式可以减轻系统维护与升级的成本，可作为监测系统中普通用户的主要使用形式。同时，监测系统中有些功能模块涉及到数据库的频繁操作，监督管理工作又需要高安全性和高可靠性，基于C/S模式较合适。因此，可以采用“数据管理C/S模式、信息发布B/S模式”的方案。

数据管理策略研究由于最初监测点较少，数据量不大，因此，监测系统数据较多采用固定结构的数据表存储，局限性较大，存储容量有限。土耳其国家电能质量监测系统采用基于元数据模型的可扩展电能质量数据库架构，设计了详细的数据库结构概念模型，统计了各数据表的数据量，首次对电能质量领域的数据库设计进行了深入研究。

信息发布形式研究早期监测系统通常只用数据结合简单图形或报表显示分析结果，表现能力较差。现有监测系统普遍将电能质量信息与电网或输电线路的地理分布信息相结合，以直观反映各地指标情况，并结合大屏幕进行展示。

研究现状小结随着网络通信技术和信息技术的发展，网络化、信息化和标准化已经成为电能质量监测系统的普遍要求。目前参考调度自动化模式的二层或三层式架构已经成为区域监测系统的实际建设方案；光纤以太网为主，无线通信网为辅的方式能满足当前网络传输海量监测数据的要求；IEC61850作为电力系统自动化领域唯一的无缝通信国际标准，将其应用于电能质量监测领域是必然趋势，但PQDIF作为目前唯一针对电能质量的数据格式，仍将发挥重要作用；国内对监测中心海量数据管理和信息发布形式的研究还较少。2

现有电能质量监测系统存在的问题缺乏完善统一的通信标准通信标准是监控终端、中心系统互相识别的惟一规约，但目前国际范围内还没有一个普遍接受的电能质量监测通信标准。国内现有系统主要采用PQDIF或IEC61850，两者在应用过程中均存在着不完善之处。

PQDIF作为数据格式标准，并未对监测数据传输采用的通信形式进行规定；在实际应用中，由于缺乏全国性标准，各省PQDIF规范以及各终端生成的PQDIF文件均存在差异，妨碍了其推广应用；由于其传输和解析均耗时较多，无法满足实时监测的需要。

在IEC61850应用中，投入实际监测系统使用的案例并不多见。大多研究仅讨论了在变电站内的三个功能层上基于IEC61850对电能质量监测IED功能进行分配和建模，较少涉及监测中心的通信建模。然而实际应用中，电能质量监测一般不在单个变电站进行，监测终端也不接入变电站自动化系统，而是由一定区域内的数台终端组成远程监测系统，其本质上属于IEC61850扩展应用的范畴。

各相关系统间缺乏交互和重用为了解决电能质量问题，目前已经有许多不同的相关系统在供电企业内部投入应用。但各系统均属于紧密耦合类业务应用软件，异构性严重，具体存在以下两方面问题：

1) 各应用均为孤立、封闭的系统，不具备与其他异构系统，如电力营销管理系统、状态检修管理系统等，进行信息共享和服务互动的能力。

2) 在新系统开发过程中，无法利用原有系统中的成熟模块，需要重新搭建，效率低、成本高。某些通用功能模块，如谐波指标评估模块、阻抗计算模块等被分别开发和维护，造成了系统臃肿和资源浪费。

缺乏对海量监测数据的有效管理和利用电能质量监测数据除了基本的电压、电流、频率、功率外，还包括谐波、间谐波、三相不平衡、闪变以及暂态事件等；除了实时数据外，也包括最大值、最小值、平均值以及95%概率值等各类统计数据；是电力系统中最全面完整的运行数据之一。同时，由于其信息具有独特性，对于分析系统扰动等相关问题至关重要。

目前国内外文献对海量监测数据管理策略的研究较少。监测数据的分析和应用往往较简单，没有对监测数据进行深层次的利用。目前普遍采用的引进软件PQView并不能完全满足国内电能质量管理的需要。首先，二次开发均需调用PQView.dll获取数据，接口形式固定，局限性大；其次，数据库结构和调试功能均不开放，一旦出现问题，难以查找原因；最后，目前已发布版本无法支持IEC61850标准。

无法支持与电力用户的友好互动供用电双方对电能质量问题所造成的巨大经济损失都非常重视，然而双方在导致电能质量问题的原因和责任上往往存在分歧。目前，供电部门对电网电能质量的考核与用电用户对电能质量的要求是相互独立的，位于供电部门内部的电能质量监测数据不对用户开放，造成了信息的不对称和不透明。

现有电能质量监测系统一般处于电力系统内部信息网中，电力用户一般无法访问；软件构架也不支持电力用户使用；由于信息安全和网络覆盖原因，无法接入不处于电力专网内的用户侧监测终端。2

电能质量监测系统的发展趋势智能电网中的电能质量信息平台电网智能化体现为能够全面、及时地掌握电网运行信息并做出快速的最优反应。因此，精确、快速、开放、共享的信息平台是智能电网的基础，也是智能电网与传统电网的最大区别。目前，电能质量管理的实际需求和发展趋势已经远远超出了传统电能质量监测系统中仅仅对各电能质量指标进行监测的范畴，因此，构造一个完整的电能质量信息平台(下文简称“信息平台”)至关重要，其未来将可能成为与SCADA，PMU和AMI并驾齐驱的重要平台。

信息平台应包括电能质量监测子系统、数据管理和分析子系统以及信息发布子系统。其中，电能质量监测是实现信息平台其他各功能的基础和前提。未来智能电网中的电能质量信息平台将有以下几个发展方向。

电能质量监测数据的深化利用利用海量电能质量监测数据为电力系统的实际生产运行提供支持是未来信息平台的重要功能。目前对监测数据的深化应用大多局限于电能质量问题的范畴内，如扰动识别分类等。未来结合监测数据进行动态负荷建模、配电网故障预测、故障定位、电容器组与断路器的状态监测与评估、负荷监测等问题研究将更好地深层次利用监测数据。

兼容开放的信息平台兼容开放的平台有利于监测数据的有效利用。要实现兼容开放，标准化是前提。应根据电力系统中现有的通信协议和系统交互标准，结合电能质量的特殊性，研究相应的信息平台标准。目前，在监测终端接入平台时采用PQDIF和IEC61850标准已经成为共识，但是对于信息平台不同系统间、平台与其他系统之间的信息交互和服务调用，目前仍然没有成熟的解决方案。

现有监测系统均不对电网建模，仅保存单个监测点台账信息。未来随着高层应用的研发，谐波潮流计算、谐波状态估计、电压暂降分析中都需要承载实时监测数据的实际电网的模型。从未来发展趋势上看，采用IEC61970作为系统间的交互标准应是必然选择，如何基于CIM对电能质量相关系统建模，需要CIM中哪些包，哪些类型需要扩展都是未来研究的重点。

基于云计算的信息平台架构智能电网和电能质量领域的发展对信息平台提出了三个基本要求：

1) 要求建立终端兼容接入、信息共享透明、集成标准规范、支持电能质量信息管理业务协同化和互操作的统一信息平台。

2) 要求对海量数据的可靠存储和优化管理，充分挖掘信息的潜在价值，提升电能质量的智能分析和辅助决策支持水平。

3) 要求信息平台具有健全的发布体系，避免供用电双方的消息不对称，支持供用电双方友好互动。

云计算作为一种新兴的计算模型，具有可靠性高、数据处理量巨大、灵活可扩展以及设备利用率高等优势，为构建满足以上要求的电能质量信息平台提供了一种全新的解决方案，云计算所具有的特征正好能满足信息平台的实现目标。2

结语自20世纪80年代以来，电能质量监测系统经历了巨大的发展。在智能电网中，电能质量信息平台将整合监测系统和其他相关系统，成为对智能电网至关重要的数据支撑平台。伴随其发展，现有系统架构、通信协议、数据存取形式、信息发布和系统管理模式均已无法满足需要，因此，将有许多关键技术需要研究。目前，电力行业已具备了进行云计算实践的软硬件条件，其将成为未来电能质量信息平台的可选解决方案。2

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所