三、电能质量监测终端
1.概述
（1）国内研究现状
20世纪90年代末、21世纪初，我国出现了具备电压偏差、频率偏差、谐波等监测功能的电能质量监测终端，如安徽振兴PS-NET、深圳领步PQM、保定方长等公司的产品。这些产品在功能、性能方面均不如当时国外的电能质量监测设备，因此21世纪初期，国内电能质量监测装置以国外产品为主。另外，不同厂家的装置采用不同的数据模型和通信协议，难以实现数据互联互通。国内早期电能质量监测终端如图1所示。
图1 国内早期电能质量监测终端
2010年以来，随着国内突破基于IEC 61850的电能质量数据模型技术[8]，实现不同厂家电能质量监测装置的数据模型统一化，推动国网公司、南网公司开始大力建设电能质量监测网，国内电能质量监测设备的需求猛增，深圳中电、南京灿能等国内厂商迅速崛起。同时，由于国外电能质量监测设备不提供对IEC 61850的良好支持、不开放通信协议、特别是不响应国内的信息安全要求，使得国外设备无法接入电网电能质量监测系统，在国内市场的使用量逐步萎缩。
目前，国内主流厂家生产的电能质量监测装置在功能、性能上已经全面超过国外同类产品，并且还在持续发展，例如采样率提升、边缘计算功能的增加、无线通信功能的增加、信息安全加密功能的强化等。近年来，随着新型电力系统的建设，电能质量监测设备正在向小型化、智能化的方向发展，小体积、导轨式电能质量监测终端已经出现，具备边缘计算功能的电能质量监测终端也通过科研项目研制出来，但还没有大规模应用。
（2）国外研究现状
电能质量监测终端在国外出现的时间早于国内。国外研究机构不仅研制出电能质量监测终端，同时也提出电能质量现象分类、电能质量测量方法、电能质量指标限值等一系列标准，为电能质量监测技术的发展作出了巨大的贡献。其中，IEC 61000-4-30是国际包括我国普遍认可的电能质量测量方法标准，是电能质量监测装置研制的基础标准之一。国外莱姆公司（后被收购）、Fluke公司、PML公司（后被收购）、SEL公司、电力士等公司研制的电能质量在线监测装置、便携式电能质量分析仪，设计理念先进，满足IEC 61000-4-30的要求，同时具备计量计费等功能，功能与性能均非常强大[9]。例如加拿大PML公司研制的ION系列电能质量监测终端，采用ION逻辑功能架构，具备逻辑可编程，可通过不同功能模块的搭配，按需实现不同的新功能，设计理念非常先进。ION系列电能质量监测终端如图2所示。
图2 ION系列电能质量监测终端
21世纪初，由于国内电能质量监测技术相对落后，国外电能质量监测终端在国内大量使用，如加拿大PML公司的ION 7500/7600/7550/7650电能质量监测装置在广西、上海等地的应用，SEL公司SEL 734、美国电力士DataNode5500在广东、云南等地的应用等。2010年以后，国内电能质量技术快速发展，国外监测设备则长期停滞不前，在国内的应用逐步萎缩，目前已经基本退出国内电网市场。
2.电能质量数据模型
（1）电能质量数据模型的发展
电能质量数据模型的发展经历了三个阶段。2002年以前，各设备厂家主要以自定义私有数据模型实现数据传输，数据通用性差。IEEE 1159.3 Power Quality Data Interchange Format（PQDIF）[10]颁布后，成为第一个可在不同系统之间进行电能质量数据交换的标准，但PQDIF标准规定了数据模型，没有规定通信方式，所以没有得到大规模应用。2011年，我国首次提出基于IEC 61850的电能质量数据模型，并采用其自带的MMS通信协议，基于IEC 61850的电能质量监测终端迅速成为市场的主流技术。目前，在我国大规模使用的电能质量监测装置均基于IEC 61850，对IEC 61850的要求已经列入GB/T 19862-2016[11]等标准中。电能质量数据传输技术的发展如图3所示。
（2）基于PQDIF的电能质量数据模型
电能质量数据交换格式PQDIF是IEEE 1159.3中定义的一种专用于不同系统之间电能质量数据交换的通用格式，以PQDIF存储电能质量数据的文件称为PQDIF文件。
图3 电能质量数据传输技术的发展
定义PQDIF是为了解决电能质量监测装置不同厂家之间的数据格式差异化导致的信息共享困难，因此PQDIF完全独立于监测设备的软、硬件。它不仅可以较好地解决多源数据的兼容问题，还可以实现电能质量物理属性的多角度观察。为达到通用性，PQDIF采用标准数据类型并定义了一系列全局标签，这些标签基本上覆盖了电能质量数据解析所需要的各个范畴，包括厂家标签、电能质量指标类型标签、量纲标签、数据类型标签、电能质量监测装置参数标签等。PQDIF以不同的标签及其组合，可以完整地包含电能质量监测装置信息及电能质量数据。
通过采用标准化的数据类型和丰富的标签定义、以及不授专利权限制的数据压缩算法（ZLIB），PQDIF解决了不同系统之间电能质量数据的交换问题。目前，PQDIF主要应用于系统与系统之间的、实时性要求不高的电能质量数据交互，有时候也用于便携式电能质量测试仪与系统之间的离线数据交互。
（3）基于IEC 61850的电能质量数据模型
IEC 61850是新一代的变电站自动化系统的国际标准，它规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言。就电能质量监测而言，早期版本的IEC 61850没有考虑到变电站电能质量监测应用。但2010年IEC 61850-7-3/-7-4 ED2[12-13]中正式增加了MFLK、MHAI等电能质量相关逻辑节点，从而将电能质量监测纳入IEC 61850范畴。2011年我国推出了完全基于IEC 61850，支持IEC 61850报告、日志和文件等服务功能的电能质量在线监测装置，IEC 61850在电能质量监测领域的应用得到迅速发展，目前国内主流电能质量监测装置基本上都支持IEC 61850标准。
基于IEC 61850的电能质量数据传输，首先需要电能质量监测装置提供对IEC 61850的支持，其次需要明确各种不同电能质量数据合适的传输接口。电能质量监测获取的分类数据是进行电能质量分析和高端应用的基础，从实际应用的角度出发，电能质量监测终端应当能够提供稳态数据和暂态事件数据。结合IEC 61850-7-4，可利用MMXU、MSQI、MHAI、MFLK等逻辑节点来实现电能质量稳态数据建模，各逻辑节点通过不同的实例提供实时数据和统计数据。结合IEC 61850-7-4，可利用QVVR、RDRE等逻辑节点实现电能质量暂态数据建模，暂态电能质量功能和数据模型如图4所示。
图4 暂态电能质量功能和数据模型
3.电能质量监测终端的小型化
（1）背景
随着配电网、用户侧对电能质量监测终端的使用量增加，在配电柜、环网柜、分布式光伏并网箱等小型空间中，无法容纳体积庞大的电能质量监测终端，必须要研制体积更小的电能质量监测终端，并且同时要支持导轨式、壁挂式、甚至插座式安装，才能满足新型配电系统带来的新的应用场景需要。此外，装置小型化带来额外的可靠性、精度补偿等问题有待解决。
（2）小型化关键技术
电能质量监测终端小型化，有利于提高终端集成度、缩小终端体积、提升终端防护能力、降低终端成本。同时，终端小型化也需要克服诸多难题，主要包括：传统的常规电压互感器体积较大，集成难度高；受整机空间限制，整机EMC和EMS问题不好处理；环境温度和整机温升影响测量回路精度等。小型化关键技术如下：
1）电压测量采用高输入阻抗方式：传统的电压测量采用常规电压互感器，如图5所示，单个互感器直径为32mm，高为27mm。电压测量高输入阻抗方式采用高可靠性、长期稳定性高、温漂系数小的高精度圆柱体薄膜电阻。单个圆柱体电阻长为5.9mm，直径为2.2mm。采用圆柱体电阻后，器件高度大幅度减小，大大降低了电压测量回路占用装置整机的空间。
图5 电压测量方式
2）EMC/EMS设计：为实现装置小型化，装置内部结构集成度较高，导致整机EMC和EMS存在问题，主要表现为AC-DC开关电源以及内部DC-DC电源高频干扰影响高速模拟电压采集。在PCB设计中予以考虑，将模拟敏感信号在空间布局上远离干扰源，并采用铺铜屏蔽等措施降低干扰信号强度。此外，为了保证装置运行的可靠性，需要综合采用不同的电气隔离措施。其中AC-DC85～264V电源输入采用变压器隔离，RS-485通信电路信号部分采用光耦隔离，电源部分采用DC-DC隔离，如图6所示；电流测量回路采用电磁隔离，以太网通信口采用变压器隔离等，如图7所示。
图6 电源DC-DC隔离
3）测量精度温度补偿技术：为了保证不同温度下终端的测量精度，在PCB设计过程中将测温点靠近模拟电路，减少模拟电路温度测量的误差，并在同步相量计算过程中，根据测量温度，结合幅值-温度以及相位-温度特性，获取当前温度下由温漂特性造成的幅值和相位误差，对幅值和相位自动校准补偿。
4）整机成本控制：终端体积严格控制在14.5cm×7.6cm×11.6cm，机壳成本大大缩减，与同品类产品相比成本降低超过90%，PCB成本降低超过80%；采用工业级批量生产的小型化电源模块、通信模块，在保证可靠性的前提下成本降低超过70%；高可靠性圆柱体电阻代替传统电压互感器进行电压测量，在缩小体积的同时，将电压回路采集回路成本降低20%以上。
图7 以太网通信口变压器隔离
4.电能质量监测终端的智能化
（1）背景
响应数字化电网发展需求，融合互联网思维，广泛应用大数据、物联网、人工智能新技术，使得电能质量监测装置智能化发展成为必要。电能质量监测设备智能化的目标是：
1）加强设备和数据管控：通过电能质量测量方法和数据加工算法的APP化，实现全网数据的一致性，进一步加强数据管控，确保数据和业务的可信度。
2）支撑云边协同：把电能质量监测装置从数据采集和传输平台升级为数据管理平台。依托标准传感网和云边协同架构，通过电力物联网和深度感知，实现其他设备的灵活接入和边缘智能。通过边缘计算实现数据本地化、智能化处理和数据分析结果直接输出，满足故障预警、故障定位等快速应用的需求，同时可在一定程度上减少数据中台的压力。
3）推动数据融合共享和敏捷应用：把电能质量监测装置打造成变电站内的感知类数据大平台。通过高采样率、标准化数据处理算法实现感知数据源，通过标准化接口设计、标准化信息模型实现统一数据对外共享服务，通过业务需求APP化实现快速应用开发与加载，支撑电网各专业应用拓展。
（2）支撑智能化的新一代终端架构
根据新一代电能质量监测装置平台化、智能化总体设计目标，智能化电能质量监测装置总体框图如图8所示。
图8 智能化电能质量监测装置总体框图
新一代电能质量监测装置由三个层次构成：
1）硬件平台：提供软件功能运行所需的各种硬件资源，以CPU为核心、外围器件为辅助。外围器件包括存储、通信、交流采集、遥信、遥控、时钟同步、安全加密、人机接口等。其中，通信接口既包括远程通信（将数据上送主站或物联管理平台），也包括本地通信（采集变电站其他端设备信息）。
2）软件平台：实现对硬件层的抽象，并提供支撑APP运行的软件资源及接口等。软件平台以通用操作系统为基础，提供非实时性软件功能，完成操作系统相关的硬件资源管理、软件容器管理，实现APP运行的全生命周期管理，提供硬件资源访问接口、数据访问接口；高实时性软件功能由核心算法软件完成，实现底层采样计算、电能质量基础算法相关功能，为各种APP提供数据基础。
3）APP：基于软件平台进行开发，采用容器技术进行管理，每个容器布署特定APP，不同容器相互独立，并通过信息交互总线进行数据交互。可以按应用类型对容器进行划分，可以与设备密切相关、由装置厂家开发维护的基础电能质量分析容器，也可以结合具体业务、不同厂家定制开发的高级电能质量应用容器，或者云边协同应用相关的、具备边缘计算的云接入容器等。
采用上述架构，硬件平台、软件平台由终端厂商提供，APP由终端厂商或APP厂商提供。从终端的角度来看，其维持内部运作的指标无需对外发布，例如所采用的CPU芯片型号、内部数据管理方法等，称为内特性；需要发布给其他厂商的特性则称为外特性，例如软件平台提供给APP的CPU运算资源、存储容量等。相应地，各层级、内部模块之间的接口可以分为内特性接口、外特性接口。
5.小结
我国电能质量监测终端研发起步较晚，但发展迅猛，目前国内主流厂家生产的电能质量监测装置在功能、性能上已经全面超过国外同类产品。未来随着新型电力系统的建设，电能质量监测愈发受到重视，电能质量监测装置的市场规模会越来越大，如何研制智能化、小型化、融合高性能芯片的电能监测装置是亟待解决的关键问题，只有不断地突破和发展电能质量监测技术，才能满足日益增长的电能质量监测的需求。