电能质量监测研究现状及其在开放售电环境下的发展趋势

      电能质量不仅关系到电网企业的经济运行，也影响到用户的运行和产品质量。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。

      目前，国内外已有大量关于电能质量监测系统的研究。本文首先分别对研究现状的各部分进行了分析。随后，指出了现有监测系统存在着的不足之处。本文认为开放售电环境下，未来电能质量监测将可能成为售电电价的重要依据，相关技术和应用方式都需要研究。

      1、电能质量监测系统研究现状

      1.1 研究分类

      在针对监测系统的研究中，国内外已有文献主要围绕着监测系统的各个组成部分展开研究，研究分类如下图1中所示。

图1 电能质量监测系统现有研究分类图

      1.2 电能质量监测系统整体架构方案研究

      有研究提出基于CORBA技术和MAS(多智能体)的架构方案，但仍有许多实际工程问题需要解决，并未大范围推广应用。考虑到我国电网的实际情况，目前普遍采用基于调度系统模式的三层架构方案，如下图2所示。

图2 三层式电能质量监测系统典型架构图

      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。

国家电网统一部署的电网谐波监测分析系统采用总部主站和省电力公司子站分层部署的方案。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。

      1.3 电能质量监测通信体系研究

      1.3.1 传输媒质研究

      随着国内电力数据通信专用光纤网络的建成，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。有研究提出基于3G、4G和VPN技术的通信网络，其有线网络的补充，在某些特定场合（如用户侧监测）以及备用网络方面发挥重要作用。

      1.3.2 通信标准研究

      目前监测系统大多直接在高速光纤以太网上传输监测数据，不必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

      目前普遍采用嵌入式监测终端直接生成PQDIF文件并传输到监测中心的方案。针对PQDIF文件差异造成的解析程序兼容性问题以及文件海量化的趋势，研究并应用文件的检测方案、通用解析方案以及快速解析方案将至关重要。

      2）基于IEC61850的通信标准研究

      目前广泛采用的方案是：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。

      1.4 电能质量监测中心系统研究

      由于监测点较少，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。随着监测点的增多，海量监测数据的管理已经监测系统建设中需要解决的重要问题。近期研究主要集中在采用分布式文件系统、HBase、以及移动Agent实现数据管理，分布式方案可充分利用了各服务器的存储空间和网络带宽，节约存储空间，提高数据写入和检索速度，并具有较高的可扩展性和容错性，关键难点是如何结合电能质量监测数据的特点进行优化，通用的解决方案往往难以适合。

研究将云计算软件即服务模式应用于电能质量信息发布，基于面向服务的体系结构使系统支持电能质量监管部门、供电部门及电力用户同时使用。

      1.5 研究现状小结

      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作为目前针对电能质量的数据格式，仍将发挥重要作用；国内电能质量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

      2.1 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由于其传输和解析均耗时较多，无法满足实时监测的需要。由于电能质量监测不仅在变电站进行还涉及配网和用户侧，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，因此，其本质上属于IEC61850扩展应用的范畴。同时，IEC61850通信底层实现较复杂，如何对现有针对变电站的通信协议进行适当裁剪以适应不同通信条件的电能质量监测是值得研究的问题。

      2.2 各相关系统间缺乏交互和重用

      目前各系统均属于紧密耦合类业务应用软件，异构性严重，无法进行信息共享和服务互动。同时，在新应用搭建过程中，无法利用原有成熟模块，需要重新开发，效率低，成本高。

      近期有研究利用WebService技术与多Agent技术相结合实现子功能的封装，各电能质量辅助服务功能可由各Agent根据服务需求动态组合实现，并可被其它异构系统所利用。

      2.3 缺乏对海量监测数据的有效管理和利用

      目前国内外文献对海量监测数据管理策略的研究较少。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，其接口形式固定，局限性大；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。

      电能质量监测数据是电力系统中完整的运行数据之一，但其重要性并未得到充分挖掘，应用仅仅停留在指标是否超标评判的阶段，用于电力系统运行决策的实际案例不多。

      2.4无法支持供用电双方的数据共享

      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监测数据不对用户开放，造成了信息的不对称和不透明。

      3、电能质量监测的发展趋势

      3.1 基于同步相量高精度测量的电能质量监测

      目前各监测系统均未能充分应用精确时钟同步的监测数据，且只能提供幅值信息，较少能提供精确的相位信息，导致谐波潮流分布、电压暂降域分析等分析无法利用同一时标下的剖面数据进行实时精确计算，严重影响分析结果的精度和可信性。

      传统配电网的运行方式变化规律性较强，然而接入大量分布式电源的主动配电网潮流双向流动运行且随机性很强，谐波、电压波动等问题随着分布式电源渗透率的提高向整个系统扩散，因此，未来可能需要研究基于同步相量高精度测量的电能质量监测技术。

      3.2 基于大数据技术的电能质量数据深化利用

      利用电能质量监测数据为电力系统的生产运行提供支持是未来的重要发展趋势。对监测数据的利用不应当仅仅局限于电能质量问题的范畴内，结合监测数据进行故障预测、故障定位、设备状态监测与评估等问题研究将更好地深层次利用监测数据。有研究将其称为“电力扰动数据分析学”。反过来，电能质量问题的分析也可能需要其他系统提供的数据信息，如系统故障信息、继电配置和定值、用户用电信息等。

      已有研究将电力设备故障统计数据与电能质量监测数据进行关联分析。未来基于大数据技术，将电能质量监测数据与外部经济环境、天气信息等非结构化数据，以及电力系统其它数据进行多源融合分析，从而支撑电网企业和电力用户双方的运营决策将是可能的研究重点。

      3.3 由独立系统向重要功能转变的电能质量监测

      有研究认为电能质量监测系统未来将可能成为与SCADA，PMU和AMI并驾齐驱的重要平台。电能质量监测的重要性毋庸置疑，但无论是技术层面还是管理层面，电力系统中的系统和业务都是集成和融合的需求。目前国内监测系统监测点主要布置在输电网侧及变电站内10kV出线处，采用专门的终端，基于管理信息Ⅲ区网络维护专门的通信通道。但是，由于电能质量的独特性，其问题很多时候是由电力商品的购买者即电力用户引起，因此，配电网的电能质量问题不容忽视。

      同时，大规模分布式电源连接到10kV及以下的配电网中，其随机、间歇、波动、难以控制等特点使配电网成为功率双向流动的主动配电网，配电网的同步相量量测技术得到越来越多的重视。目前所研发的配电网同步相量量测终端均带有电能质量监测功能，输电网的监控终端经过成本不大的升级，也能实现电能质量监测，未来用户侧的智能量测装置由于需要对用户行为进行精准分析，硬件架构和分析技术均具备实现电能质量监测功能的条件。

      综上所述，未来可能不存在独立的电能质量监测系统和专门的终端，电能质量监测将作为重要的功能集成在新一代能量管理系统中，借助生产Ⅰ区现有的通信网络，利用统一的网架结构和基础数据，综合应用其它功能数据，进行包括用户侧在内的全电压等级电能质量分析，同时也能弥补现在监测系统在参数建模及数据应用方面的不足。

      3.4 电能质量监测将成为售电的重要依据

      依质定价才能回归电能是一种商品的本质属性。电改九号文放开的是售电市场，核心就是电力的批发和零售，普通居民电力用户仅对价格敏感；但工商业用户可能更加关心供电质量，因此，实现电能的按需生产，不同电能质量的定制化供应，可能是未来售电公司的重要盈利模式。需要研究准确的、标准化、可实施的量化因电能质量扰动引起的用户经济损失的经济性评估方法，并针对不同用户合理选择可靠、经济的定制电力提供方案。

      开放售电环境下，电能质量监测将可能成为售电电价制定的重要依据，第三方的监测平台以及监测数据的国家统一校准将成为可能。

      4、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，开放的售电环境给电能质量监测带来了新的挑战和机遇。一方面，在依质定价的售电环境中，电能质量监测的重要性可能将得到前所未有的重视；另一方面，随着技术的发展和成本的降低，电能质量监测未来存在由独立系统向重要功能转变的可能。但无论如何发展，随着越来越多精密敏感设备和分布式电源接入电网，供用电双方对供电质量的要求将越来越高，基于同步相量高精度测量的电能质量监测以及基于大数据技术的监测数据深化利用都是需要研究的关键技术。