一种电能质量在线监测系统设计与应用

龙秋凤, 林呈辉, 徐玉韬, 范 强, 张 历, 陈敦辉, 代奇迹

(贵州电网有限责任公司 电力科学研究院, 贵州 贵阳 550001)

0 引 言

电力电子技术在快速发展的同时,也为电网的安全性带来诸多的隐患,导致电能质量不断恶化,因而电能质量成为电网公司关注的一个课题。电能质量的监测是解决电能质量问题的先决条件。一个功能完善的电能质量监测系统能够实时监控电网中电能质量情况,及时发现电网中电能质量问题,监控污染电能质量的因素,对于电网运行和电力设备的安全性、系统的稳定性均有积极作用[1-2]。

某电网公司早于2009年已开始关注电能质量问题,并安装有大量电能质量在线监测装置。由于部分电能质量监测装置的通信规约不一致,在装置的接入及统一管理上存在较大困难。因此,需要通过先进的技术手段,建设完善该电网电能质量监测系统,实现不同通信规约的监测装置的快速接入,以便及时发现电能质量问题[3-5]。

该电网设计并建设一套信息化、标准化和智能化管理的电能质量在线监测系统,基于统一通信平台的接入方案,实现不同通信规约的监测装置接入,满足不同人员的使用需求。

1 电能质量监测系统

1.1 系统结构

电能质量监测系统采用分层式结构,将监测系统分为变电站终端层和电科院主站层。变电站终端层包括采用私有通信规约的存量电能质量监测装置,以及未来新增的采用IEC 61850标准通信协议的电能质量监测装置。电科院主站层包括通信服务器、数据库服务器、Web服务器等,提供数据采集、数据存储、Web信息发布等功能,电科院主站层通信防火墙实现信息在本省用户内的共享发布。某电网电能质量监测系统架构如图1所示。

图1 某电网电能质量监测系统架构

1.2 数据接入方案

电网电能质量监测装置厂家、型号不同,所采用的通信规约也不统一。为尽可能减少系统中间环节,提高系统稳定性和减少维护工作量,电能质量监测系统对所有电能质量监测装置优先采用直采方式接入主站软件。具体原则如下:

(1) 对于存量的非IEC 61850装置,主站软件开发私有规约驱动程序直接接入。

(2) 对于存量的IEC 61850装置,主站软件采用IEC 61850标准驱动程序接入。

(3) 对于增量装置,要求支持IEC 61850规约,主站软件通过IEC 61850标准驱动程序直接接入。

在具体实现技术上,系统设计采用基于统一应用程序接口(Uniform Application Program Interface,UAPI)的数据采集平台,由数据采集主程序、UAPI和多个驱动程序构成,可同时提供对IEC 61850及私有通信规约的支持。UAPI接口方案工作原理如图2所示。

图2 UAPI接口方案工作原理

上述UAPI接口方案中,各组成部分的功能如下:

(1) 驱动程序。针对每种通信协议开发独立的驱动程序,驱动程序通过物理网络实现与监测终端的实际通信连接,用于实现通信协议解析,并对所采集到的数据进行初步分析和处理。

(2) UAPI接口。UAPI接口的主要作用是实现对不同驱动程序的管理和监视,并作为中间件起到隔离驱动程序和数据采集程序作用。

(3) 数据采集程序。数据采集程序通过UAPI接口调用驱动程序,实现不同电能质量监测终端的接入,以及对通信过程进行监视、调度管理等。

基于UAPI的数据采集平台主要有以下优点:稳定,主程序与驱动程序之间、驱动程序与驱动程序之间相互隔离,任一驱动程序故障不会影响到其他驱动程序和主程序的正常运行;统一,驱动程序与主程序之间采用统一的接口;驱动程序采用面向对象的研发,不同数据源均由同一父类派生,驱动程序开发快捷;扩展方便,如果有新数据源需要接入,只需开发对应驱动程序,实现快速数据源接入。

1.3 系统功能方案设计

为满足电网的电能质量监测、分析、管理等需求,该电网电能质量在线监测系统从功能上分为基础支撑平台、中间服务平台、高端应用平台。基础支撑平台包括各种数据源的数据采集、数据存储,并向数据应用开放通用和专用的数据接口。中间服务平台提供电能质量数据应用的常规功能模块,满足一般技术人员的日常技术工作和管理工作需要。高端应用平台提供针对性的、定制开发的高级应用功能,满足高级技术人员的技术分析需要。电能质量在线监测系统功能架构如图3所示。

1.3.1 基础支撑平台

基础支撑平台包括数据采集、数据处理、数据存储、数据库维护等功能模块。各功能模块的说明如下。

图3 电能质量在线监测系统功能架构

(1) 数据采集模块实现对电能质量监测装置数据的采集,并经过数据处理模块将数据存储数据库中。数据采集模块采用多线程并行通信的机制,容错能力强,确保软件能长期稳定运行。

(2) 数据处理模块用于接收原始数据,并将原始数据进行预处理,将处理后的数据上传至数据库中,实现数据的高效存储。

(3) 数据存储模块实现海量监测数据的存储,为数据应用与分析功能提供数据查询、检索等服务,是系统的核心模块。

(4) 数据库维护模块对数据进行备份、还原、迁移、删除、同步等操作。

1.3.2 中间服务平台

中间服务平台包括实时监控、系统配置、事件查询、信息发布等功能模块。各功能模块的说明如下:

(1) 实时监控模块用于对电能质量监测装置的实时数据及通信状态进行监控,并对异常情况进行报警。

(2) 系统配置模块用于对系统信息的配置及管理,可以方便地对新增设备进行接入,并对不同用户权限进行管理。

(3) 事件查询模块用于对各类告警事件进行查询,包括系统运行、暂态变化、稳态越限等事件。

(4) 信息发布模块用于集中展示数据分析和运行管理功能,并支持将数据查询及分析结果导出为Excel或图片格式的文件,方便进行数据的二次利用。

1.3.3 高级应用平台

高级应用平台通过Web进行使用,通过各类主流浏览器便可完成数据查询、数据分析等功能。同时,通过对电能质量各类业务的梳理和分析,将高级应用平台的功能分为综合评估、详细分析、高级应用、运行管理、平台资源5个功能模块。各模块说明如下:

(1) 综合评估模块针对区域的电能质量整体状况的监视,并可向电网其他业务部门、同行或外部单位进行电能质量信息展示。

(2) 详细分析模块针对特定监测点的电能质量详细分析,满足日常技术工作的需要。

(3) 高级应用模块提供可扩展性,根据需求的变化提供定制型开发的高级应用功能。

(4) 运行管理模块提供各种管理功能入口,满足日常管理工作的需要。

(5) 平台资源模块提供辅助性的资料管理,包括资料上传、下载、信息发布等。

2 关键技术研究

2.1 基于数据预处理技术的数据查询性能提升

采用数据预处理技术,利用晚上空闲时间在服务器上进行自动数据预处理,并将预处理后的结果存储扩展数据库中,从而可以避免在报表查询时的统计计算操作。数据预处理技术适用于所有时段固定的数据查询操作。

数据预处理技术需要良好的数据库结构配合。考虑到数据应用的需求,系统数据库平台设计采用基础系统上扩展其他类型系统的方案,在基础系统中存储通用数据(主要指基础平台,如信息查询和管理系统所需要的数据,可从就地装置中直接读取或经简单统计计算得到),在扩展系统中存储专用数据(主要指高级平台所需要的数据,须经专用程序对基础数据进行建模、统计方可得到)。基础系统和扩展系统均分为实时库和历史库。数据库结构设计如图4所示。

2.2 基于正态分布理论的95%概率大值计算

大量结果表明,95%概率大值的统计计算是耗时最多的计算过程。如果能优化提升95%概率大值的算法,也可以大幅度提升数据查询性能。针对不规则时段的数据查询操作,拟采用基于正态分布理论的95%概率大值方法。基于正态分布理论的95%概率大值计算流程如图5所示。

图4 数据库结构设计

图5 基于正态分布理论的95%概率大值计算流程

3 结 语

电能质量在线监测系统采用直采方式实现不同通信规约的电能质量监测装置的接入,并通过模块化的功能设计思路,根据电能质量监测与分析的业务流程,设计基础支撑平台、中间服务平台、高端应用平台的三层式系统,同时满足一般技术人员及高级技术人员对电能质量的分析与应用需求。电能质量监测系统的建设可全面掌握电网的电能质量状况,为电能质量综合治理提供数据支撑,可以有效推动电能质量监测自动化水平,为电网的安全、稳定运行保驾护航。