電能質量監測研究現狀及其在開放售電環境下的發展趨勢

      電能質量不僅關系到電網企業的經濟運行，也影響到用戶的運行和產品質量。電能質量信息的連續監測和分析評估是發現電能質量問題和提高電能質量水平的前提條件。電能質量監測系統（下文簡稱“監測系統”）利用安裝在電網側或用戶側的電能質量監測終端（下文簡稱“監測終端”），通過網絡將監測數據傳回監測中心（監測主站或子站），實現對多個位置的同時監測，并發布電能質量相關信息。

      目前，國內外已有大量關于電能質量監測系統的研究。本文首先分別對研究現狀的各部分進行了分析。隨后，指出了現有監測系統存在著的不足之處。本文認為開放售電環境下，未來電能質量監測將可能成為售電電價的重要依據，相關技術和應用方式都需要研究。

      1、電能質量監測系統研究現狀

      1.1 研究分類

      在針對監測系統的研究中，國內外已有文獻主要圍繞著監測系統的各個組成部分展開研究，研究分類如下圖1中所示。

圖1 電能質量監測系統現有研究分類圖

      1.2 電能質量監測系統整體架構方案研究

      有研究提出基于CORBA技術和MAS(多智能體)的架構方案，但仍有許多實際工程問題需要解決，并未大范圍推廣應用。考慮到我國電網的實際情況，目前普遍采用基于調度系統模式的三層架構方案，如下圖2所示。

圖2 三層式電能質量監測系統典型架構圖

      考慮到管理方式、建設成本以及通信網絡架構等實際情況，某些區域監測系統也有采用二層式結構方案，其與三層式結構的主要區別是不設置監測子站。

國家電網統一部署的電網諧波監測分析系統采用總部主站和省電力公司子站分層部署的方案。從發展趨勢上看，三層式結構可支持接入更多的監測點，具有較高的可擴展性，能滿足監測數據海量化的需求。

      1.3 電能質量監測通信體系研究

      1.3.1 傳輸媒質研究

      隨著國內電力數據通信專用光纖網絡的建成，目前監測系統普遍采用基于TCP/IP協議的以太網絡傳輸數據。配電線載波通信方式并未得到廣泛應用。

有線網絡存在覆蓋范圍有限、建設維護投入大，周期長等缺點。有研究提出基于3G、4G和VPN技術的通信網絡，其有線網絡的補充，在某些特定場合（如用戶側監測）以及備用網絡方面發揮重要作用。

      1.3.2 通信標準研究

      目前監測系統大多直接在高速光纖以太網上傳輸監測數據，不必采用復雜的壓縮方案。因此，通信協議和數據格式標準是研究重點。現有研究主要包括以下兩方面：

      1）基于PQDIF的通信標準研究

      目前普遍采用嵌入式監測終端直接生成PQDIF文件并傳輸到監測中心的方案。針對PQDIF文件差異造成的解析程序兼容性問題以及文件海量化的趨勢，研究并應用文件的檢測方案、通用解析方案以及快速解析方案將至關重要。

      2）基于IEC61850的通信標準研究

      目前廣泛采用的方案是：電能質量監測IED直接基于IEC61850建模，實現IEC61850服務器；監測中心實現IEC61850客戶端，對符合IEC61850標準的監測終端進行數據讀取和配置下裝等操作。

      1.4 電能質量監測中心系統研究

      由于監測點較少，數據量不大，因此，監測系統數據較多采用固定結構的數據表存儲，局限性較大，存儲容量有限。隨著監測點的增多，海量監測數據的管理已經監測系統建設中需要解決的重要問題。近期研究主要集中在采用分布式文件系統、HBase、以及移動Agent實現數據管理，分布式方案可充分利用了各服務器的存儲空間和網絡帶寬，節約存儲空間，提高數據寫入和檢索速度，并具有較高的可擴展性和容錯性，關鍵難點是如何結合電能質量監測數據的特點進行優化，通用的解決方案往往難以適合。

研究將云計算軟件即服務模式應用于電能質量信息發布，基于面向服務的體系結構使系統支持電能質量監管部門、供電部門及電力用戶同時使用。

      1.5 研究現狀小結

      目前參考調度自動化模式的二層或三層式架構已經成為區域監測系統的實際建設方案；光纖以太網為主，無線通信網為輔的方式能滿足當前網絡傳輸海量監測數據的要求；IEC61850作為電力系統自動化領域的無縫通信國際標準，將其應用于電能質量監測領域是必然趨勢，但PQDIF作為目前針對電能質量的數據格式，仍將發揮重要作用；國內電能質量海量數據管理和信息發布形式的研究還較少。

      2、現有電能質量監測系統存在的問題

      2.1 缺乏完善統一的通信標準

      通信標準是監控終端、中心系統互相識別的惟一規約，但目前國際范圍內還沒有一個普遍接受的電能質量監測通信標準。國內現有系統主要采用PQDIF或IEC61850，兩者在應用過程中均存在著不完善之處。

      PQDIF由于其傳輸和解析均耗時較多，無法滿足實時監測的需要。由于電能質量監測不僅在變電站進行還涉及配網和用戶側，監測終端也不接入變電站自動化系統，而是由一定區域內的數臺終端組成遠程監測系統，因此，其本質上屬于IEC61850擴展應用的范疇。同時，IEC61850通信底層實現較復雜，如何對現有針對變電站的通信協議進行適當裁剪以適應不同通信條件的電能質量監測是值得研究的問題。

      2.2 各相關系統間缺乏交互和重用

      目前各系統均屬于緊密耦合類業務應用軟件，異構性嚴重，無法進行信息共享和服務互動。同時，在新應用搭建過程中，無法利用原有成熟模塊，需要重新開發，效率低，成本高。

      近期有研究利用WebService技術與多Agent技術相結合實現子功能的封裝，各電能質量輔助服務功能可由各Agent根據服務需求動態組合實現，并可被其它異構系統所利用。

      2.3 缺乏對海量監測數據的有效管理和利用

      目前國內外文獻對海量監測數據管理策略的研究較少。目前普遍采用的引進軟件PQView并不能完全滿足國內電能質量管理的需要，其接口形式固定，局限性大；數據庫結構和調試功能均不開放，一旦出現問題，難以查找原因。

      電能質量監測數據是電力系統中完整的運行數據之一，但其重要性并未得到充分挖掘，應用僅僅停留在指標是否超標評判的階段，用于電力系統運行決策的實際案例不多。

      2.4無法支持供用電雙方的數據共享

      供用電雙方對電能質量問題所造成的巨大經濟損失都非常重視，然而雙方在導致電能質量問題的原因和責任上往往存在分歧。目前，供電部門對電網電能質量的考核與用電用戶對電能質量的要求是相互獨立的，位于供電部門內部的監測數據不對用戶開放，造成了信息的不對稱和不透明。

      3、電能質量監測的發展趨勢

      3.1 基于同步相量高精度測量的電能質量監測

      目前各監測系統均未能充分應用精確時鐘同步的監測數據，且只能提供幅值信息，較少能提供精確的相位信息，導致諧波潮流分布、電壓暫降域分析等分析無法利用同一時標下的剖面數據進行實時精確計算，嚴重影響分析結果的精度和可信性。

      傳統配電網的運行方式變化規律性較強，然而接入大量分布式電源的主動配電網潮流雙向流動運行且隨機性很強，諧波、電壓波動等問題隨著分布式電源滲透率的提高向整個系統擴散，因此，未來可能需要研究基于同步相量高精度測量的電能質量監測技術。

      3.2 基于大數據技術的電能質量數據深化利用

      利用電能質量監測數據為電力系統的生產運行提供支持是未來的重要發展趨勢。對監測數據的利用不應當僅僅局限于電能質量問題的范疇內，結合監測數據進行故障預測、故障定位、設備狀態監測與評估等問題研究將更好地深層次利用監測數據。有研究將其稱為“電力擾動數據分析學”。反過來，電能質量問題的分析也可能需要其他系統提供的數據信息，如系統故障信息、繼電配置和定值、用戶用電信息等。

      已有研究將電力設備故障統計數據與電能質量監測數據進行關聯分析。未來基于大數據技術，將電能質量監測數據與外部經濟環境、天氣信息等非結構化數據，以及電力系統其它數據進行多源融合分析，從而支撐電網企業和電力用戶雙方的運營決策將是可能的研究重點。

      3.3 由獨立系統向重要功能轉變的電能質量監測

      有研究認為電能質量監測系統未來將可能成為與SCADA，PMU和AMI并駕齊驅的重要平臺。電能質量監測的重要性毋庸置疑，但無論是技術層面還是管理層面，電力系統中的系統和業務都是集成和融合的需求。目前國內監測系統監測點主要布置在輸電網側及變電站內10kV出線處，采用專門的終端，基于管理信息Ⅲ區網絡維護專門的通信通道。但是，由于電能質量的獨特性，其問題很多時候是由電力商品的購買者即電力用戶引起，因此，配電網的電能質量問題不容忽視。

      同時，大規模分布式電源連接到10kV及以下的配電網中，其隨機、間歇、波動、難以控制等特點使配電網成為功率雙向流動的主動配電網，配電網的同步相量量測技術得到越來越多的重視。目前所研發的配電網同步相量量測終端均帶有電能質量監測功能，輸電網的監控終端經過成本不大的升級，也能實現電能質量監測，未來用戶側的智能量測裝置由于需要對用戶行為進行精準分析，硬件架構和分析技術均具備實現電能質量監測功能的條件。

      綜上所述，未來可能不存在獨立的電能質量監測系統和專門的終端，電能質量監測將作為重要的功能集成在新一代能量管理系統中，借助生產Ⅰ區現有的通信網絡，利用統一的網架結構和基礎數據，綜合應用其它功能數據，進行包括用戶側在內的全電壓等級電能質量分析，同時也能彌補現在監測系統在參數建模及數據應用方面的不足。

      3.4 電能質量監測將成為售電的重要依據

      依質定價才能回歸電能是一種商品的本質屬性。電改九號文放開的是售電市場，核心就是電力的批發和零售，普通居民電力用戶僅對價格敏感；但工商業用戶可能更加關心供電質量，因此，實現電能的按需生產，不同電能質量的定制化供應，可能是未來售電公司的重要盈利模式。需要研究準確的、標準化、可實施的量化因電能質量擾動引起的用戶經濟損失的經濟性評估方法，并針對不同用戶合理選擇可靠、經濟的定制電力提供方案。

      開放售電環境下，電能質量監測將可能成為售電電價制定的重要依據，第三方的監測平臺以及監測數據的國家統一校準將成為可能。

      4、結語

      自20世紀80年代以來，電能質量監測系統經歷了巨大的發展，開放的售電環境給電能質量監測帶來了新的挑戰和機遇。一方面，在依質定價的售電環境中，電能質量監測的重要性可能將得到前所未有的重視；另一方面，隨著技術的發展和成本的降低，電能質量監測未來存在由獨立系統向重要功能轉變的可能。但無論如何發展，隨著越來越多精密敏感設備和分布式電源接入電網，供用電雙方對供電質量的要求將越來越高，基于同步相量高精度測量的電能質量監測以及基于大數據技術的監測數據深化利用都是需要研究的關鍵技術。