四、电能质量监测系统

1.概述

（1）国内研究现状

20世纪90年代初开始，沿海一些经济发达省份开始了电能质量监测技术的研究和应用。国家电网公司和南方电网公司也逐渐建成了从数十个到数百个监测点规模的省级电能质量监测系统。2015年，国家电网公司开始建设覆盖全网的谐波监测分析模块，要求在电网侧安装电能质量监测终端，实现对新能源、电气化铁路、换流站等的电能质量在线监测和专项分析[14]。截至目前，国内所有省级电网公司均已建成电能质量监测系统，国家电网公司、南方电网公司已建成网级电能质量监测系统。通过电能质量监测系统的建设，采集、存储海量电能质量数据，为电能质量大数据分析和应用提供了基础数据支撑和可行性。2021年以来，随着双碳、整县光伏、新型电力系统等政策的提出和推进，基于智慧物联管理平台的电能质量监测系统[15]、面向新型电力系统的电能质量监测系统[16]等新技术已逐步成为研究热点。

国家电网各省公司现已建立起针对特定区域的电能质量监测系统，在一定程度上实现了重要环节的数据采集与分析，为供电质量的评估与管控提供了有力的技术支持。但是，目前各省电能质量监测系统均以主网电能质量监测为主，极少涉及对配网、用户侧的电能质量监测。各省电能质量监测系统的应用也主要侧重于管理和常规应用。电能质量监测系统的海量数据和电能质量高级应用之间没有实现良好的结合，电能质量大数据分析还处于探索阶段。

在电力系统主-配-用一体化趋势的背景下，随着跨区域电网规模的不断扩大，负荷类型的日益丰富，网内电能质量扰动呈复合化、立体化扩散趋势，孤立的区域监测系统已不足以捕捉和分析各区域电能质量事件之间的相互关联性，唯有建立更为广泛的数据监测平台，才能实现全网层面的全面分析与管控[17]。然而，随着监测系统的无限扩展，传统方法已无法满足海量电能质量数据的存储、处理与分析需求。这些海量电能质量数据本身承载着大量涉及系统和设备运行状态的有用信息，其应用价值已超出传统电能质量所关注的范围，可进一步用于指导电力系统的调控、运行和保护。

（2）国外研究现状

国外尤其是北美、欧洲等经济发达国家对电能质量的研究与监控起步较早，而且与我国不同的是，国外电能质量研究的起步以及发展主要是在电力用户侧。无论是CBEMA、ITIC还是SARFI、SEMI，都针对用电设备的电能质量特性。IEC电能质量标准体系构建于电磁兼容基础之上，认为电能质量指标限制的制订要充分考虑用电设备对电能质量的耐受能力。美国、欧洲很早就开始了电能质量经济性研究，指出电压暂降是造成电力用户经济损失最大的电能质量问题。在工业企业层面，以Intel为例，其在全球每一个新建的半导体工厂，均会配置一套覆盖进线以及主要用电回路的电能质量在线监测系统；美国的大电力公司（如American Electric Power、Big Rivers Electric等）都安装了电能质量在线监测系统，并采用统一数据格式（PQDIF），规模扩大到5000个以上在线监测点；比利时电网公司（CPTE，装机容量2000万千瓦左右）在电力市场化的进程中，输电网与用户联结点的互联网化在线监测管理涉及全电网50个电厂、250个高压工业用户和400个配电系统上千个在线监测点。但企业建立的电能质量在线监测系统均由企业管理，与供电公司建立的电能质量在线监测系统之间并无实时通信，因此不涉及复杂的数据传输问题。

可以认为，相对于我国，发达国家的电能质量研究以企业自建、自用为主，监测数据的应用主要是电力企业捕捉电能质量暂态事件、分析用电设备的容忍度、以及与供电局开展合同谈判和索赔。

2.电能质量监测系统的组成与结构

（1）电能质量监测系统的组成

电能质量监测系统是由电能质量数据源、信息通道、服务站和用户计算机，以及软件系统组成系统的简称。其中，数据源包含可供读取的电能质量数据和信息的载体，其具体外在形式是多样的，如电能质量监测终端、PQDIF文件或者数据库等；信息通道指数据源和后台软件系统之间数据传输的网络通道，可以是以太网、无线等；软件系统指负责数据召唤、数据存储、数据处理、数据展示等的数据分析处理系统，由不同功能的应用程序模块组成。

从逻辑层面讲，电能质量监测系统可分为监测设备层、服务层和应用层[18]。电能质量监测系统的组成及网络架构图如图9所示。

设备层主要包括标准电能质量监测终端等数据源及适配单元（可选），提供电能质量监测、记录、统计和就地存储功能。设备层和主站层之间以统一格式进行数据交换，每台电能质量监测装置具有固定的网络地址。针对已安装的非标准电能质量监测终端，采用适配单元实现非标准通信规约向IEC 61850规约的转换。

服务层主要包括通信通道及其附件、服务器组及配套软件、电能质量监测与分析系统软件：

1）通信通道用于提供电能质量指标数据、指令在电能质量监测终端与服务器之间交互的物理通道，可采用电力系统综合数据网、MIS网、OA网等。

2）服务器组包括数据库服务器、Web服务器、应用服务器、通信服务器、管理工作站等，是电能质量监测与分析系统软件依存的硬件基础。数据库服务器用于实现电能质量数据长期存储，Web服务器用于实现电能质量信息的Web展示，应用服务器用于实现各种高端电能质量分析应用，管理工作站用于实现电能质量监测系统的维护、管理和配置。

3）电能质量监测与分析系统软件依托电能质量监测终端、通信通道、服务器组等硬件基础，通过不同功能模块实现电能质量数据采集、存储、分析、展示、应用等功能。

应用层主要指能访问电能质量监测系统的Web客户端。

（2）电能质量监测系统的功能架构

电能质量监测系统应具备向用户提供电能质量统计、分析和数据查询的主要功能。为实现该目的，电能质量监测系统的功能可具体分解成三层：数据通信功能、数据存储功能、数据处理和应用功能。其中，数据通信和数据存储功能属于基础支撑平台，通常是系统用户不可见的层面；数据处理和应用功能属于人机交互接口，根据用户需求层次的不同又可分为常规应用和高级应用。电能质量监测系统功能架构示意图如图10所示。

1）数据通信功能：数据通信指从不同数据源读取不同类型的电能质量数据。电能质量监测系统需要支持的数据源包含但不限于电能质量在线监测装置、其他监控仪表（如电压监测仪、继电保护装置等）、以及离散的数据文件（如PQDIF文件、XML文件、EXCEL文件等）。电能质量监测系统与不同数据源的通信规约、通信方式等都可能存在差异，因此必须是一个具有广泛兼容性能的系统。

2）数据存储功能：数据存储指将通信获得的各种电能质量数据分类存储，以供后续处理和应用。电能质量监测系统是海量数据系统，因此建议配置Oracle、SQL Server等大型关系数据库，以实现数据的长时间存储和高效查询性能。根据实际应用需要，不同类型电能质量数据的存储时间长度需求不同，见表3。

3）数据处理和应用功能：数据处理和应用是指根据用户实际需要，提供各种展现形式的数据统计结果供用户进行分析应用。一般而言，电能质量数据的应用包含两个层次。第一个层次是对电能质量数据的常规应用，包括实时数据、趋势曲线、报表、告警信息、波形等的查询和导出处理，主要应用于单点的电能质量状况检查、故障分析等场合。第二个层次是对区域多点电能质量数据的综合应用，包括电能质量综合评估、谐波潮流分析、暂态源定位等，需要较为复杂的评估指标定义以及算法支撑。

3.小结

随着电能质量扰动呈复合化、立体化扩散趋势，孤立的区域电能质量监测系统已不足以捕捉和分析各区域电能质量事件之间的相互关联性，唯有建立更为广泛的监测平台才能实现全网电能质量的全面分析与管控。由于传统方法已无法满足海量电能质量数据的存储、处理与分析，因此如何有效地挖掘海量电能质量数据蕴含的大量涉及系统和设备运行状态的有用信息，为新型电力系统的调控、运行和保护等方面提供指导，值得进一步探索。