贵州电网电能质量监测系统 主站改造方案设计

龙秋风, 彭小俊, 肖小兵, 刘 斌, 王 冕, 辛明勇

(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

贵州电网电能质量监测系统于2009年开始建设,截止2011年建成覆盖全省10个地市局的在线监测系统。该系统投运以来一直稳定运行,截止目前积累了大量的有效电能质量监测数据,为掌握贵州电网电能质量分布水平、提高电能质量技术监督工作效率、分析电网故障等提供了基础的数据和技术支撑。随着电能质量监测技术、网络技术、计算机信息技术等的快速发展[1],现有系统已经不能满足标准和实际应用的要求,主要体现在:① GB/T 19862—2016《电能质量监测设备通用要求》[2]、GB/T 30137—2013《电能质量 电压暂降与短时中断》[3]、GB/T 24337—2009《电能质量 公用电网间谐波》[4]、南方电网公司《电能质量监测终端技术规范》、南方电网公司《电能质量监测系统主站技术规范》等国家、电力行业、企业电能质量标准的颁布,提出新的电能质量指标的要求;② 2017年南网总部电能质量监测系统主站改造,要求各省公司电能质量监测系统按照新的指标和接口方式实现电能质量数据上送;③ 电能质量监测系统最初设计时的定位电能质量技术分析应用平台,管理功能相对薄弱,无法基于电能质量监测系统开展数据质量管理、指标管理、干扰源管理等技术监督管理工作;④ 随着省网范围内电气化铁路(电铁)、风电等干扰源负荷以及数据中心等敏感性负荷的快速增长,传统常规的电能质量分析方法已不能实现对电能质量问题的深入分析,有必要结合数据挖掘、大数据分析等实现对电能质量监测数据的深化分析应用。

综上所述,有必要结合标准以及实际工作需要,对贵州电网电能质量监测系统进行升级改造,通过网络架构优化、监测指标完善、系统定位和功能架构重新设计,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主站平台,降低系统运维成本,进一步挖掘电能质量监测数据的价值。

1 监测系统物理网络架构优化

贵州电网电能质量监测系统最初设计时主要以保障数据完整率为目标,同时考虑到电能质量监测终端通信协议均为厂家自定义协议,直接接入其他厂家后台系统的技术难度大,所以采用三层物理网络架构设计方案,整个系统由变电站设备层、地市供电局子站层、省电科院主站层构成[5]。其中,变电站设备层指不同厂家、不同型号的电能质量监测终端,分布安装在不同地市局变电站;地市局子站层是指在地市局信息机房内部署的数据采集和存储平台,实现本地市内电能质量监测终端(每个地市局以单一厂家的终端为主)的数据采集、存储、上送和信息发布;省电科院主站层指在省电科院部署的主站平台,负责全省电能质量监测数据的集成、存储、分析应用和信息发布。在该网络架构中,省电科院主站层与地市局子站层以MSMQ+PQDIF文件形式实现接口,地市局子站层与变电站设备层之间采用厂家私有通信协议接口。

三层物理网络架构通过PQDIF技术解决电能质量监测终端通信协议不一致而导致的数据集成难度大的问题,但同时带来地市局子站层维护成本高、电科院主站层数据缺乏实时性以及数据缺失后故障排查难度大等问题。随着2011年IEC 61850在电能质量监测领域的出现[6-8],国内主流电能质量监测终端逐步开始支持IEC 61850通信协议,GB/T 19862—2016《电能质量监测设备通用要求》、南方电网公司《电能质量监测终端技术规范》等均明确规定基于IEC 61850的电能质量监测终端信息模型,以IEC 61850为电能质量监测系统数据集成的基础技术已经相对成熟。因此,本文提出基于IEC 61850的贵州电网电能质量监测系统两层物理网络架构,如图1所示。

图1 电能质量监测系统两层物理网络架构

相对于三层物理网络架构,两层物理网络架构取消地市局子站层,从而大幅降低系统运维成本,提高系统可靠性。在两层物理网络架构中,变电站设备层与省电科院主站层以IEC 61850实现统一格式的数据集成,对于部分存量、无法升级实现IEC 61850支持的监测终端,由主站层开发独立的接口程序实现接入,并在后续逐步安排更换,以满足国家标准和南方电网公司企业标准的技术要求。

2 监测系统功能完善

2.1 产品定位及功能架构设计

功能架构的设计是以产品定位为基础的。贵州电网电能质量监测系统最初设计时以“技术平台”为定位,在业务上以满足电能质量专业人员技术分析工作的需要为主,在功能上以电能质量监测数据的不同分析技术的实现为主。由于对电能质量监测数据的技术分析并不是电能质量专业人员的日常工作,只是在电网出现故障等情况下才需要开展,所以监测系统作为技术平台时使用率非常低。另一方面,在监测系统应用过程中,不断出现新的业务需求,尤其是管理方面的需求日益强烈,包括如下方面:① 监测系统运维管理,如数据质量管理、监测终端可靠性诊断、系统稳定故障排查等;② 电能质量技术监督管理,如电能质量分析报告编制、现场测试数据管理、干扰源台账管理等。

监测系统管理功能的缺失已经严重阻碍电能质量监测系统的发展。为解决问题,从实际工作需要出发,提出“技术平台+管理平台”的监测系统定位,并对贵州电网电能质量监测系统功能架构进行重新设计。电能质量监测管理系统功能架构如图2所示。

图2 电能质量监测管理系统功能架构

2.2 数据采集功能完善

数据采集是电能质量监测系统的基础功能。贵州电网电能质量监测系统数据采集功能的完善主要是依据标准要求,完善电能质量监测指标,并提供对IEC 61850通信协议的支持。

(1) 数据采集内容完善。按照GB/T 24337—2009《电能质量公用电网间谐波》、GB/T 30137—2013《电能质量电压暂降与短时中断》、GB/T 19862—2016《电能质量监测设备通用要求》等标准要求,监测系统需要增加的监测指标包括间谐波电压、间谐波电流、26～50次谐波电压含有率和相角、26～50次谐波电流幅值和相角、电压暂降特征值、短时电压中断特征值等。按照监测系统新增管理功能的需要,还需要增加对干扰源台账信息、系统运行状态信息等采集。

改造后,监测系统完整的电能质量监测指标采集内容包括稳态数据、暂态数据、系统运行状态信息三类。稳态数据是指由电能质量监测终端采集并计算得到的稳态电能质量指标的150周波数据,以及按预设统计时间间隔对150周波数据进行统计,并标注时间标签所得到的电能质量指标统计结果。暂态数据是指描述电能质量暂态事件(电压暂升、暂降、短时中断)特征的数据,包括电压和电流波形、暂态事件特征值等。系统运行状态信息指电能质量监测终端对电网电能质量事件、监测终端运行状态变化、通信网络故障等记录。

(2) IEC 61850标准通信协议支持。IEC 61850是GB/T 19862—2016《电能质量监测设备通用要求》、南方电网公司《电能质量监测终端技术规范》明确规定的电能质量监测终端标准通信协议,目前国内主流的电能质量终端全部提供对IEC 61850的支持,部分贵州电网已安装的电能质量监测终端可通过升级实现对IEC 61850的支持。因此,监测系统必须升级,以提供对IEC 61850标准通信协议的支持。

(3) 存量非IEC 61850电能质量监测终端接入支持。经过调研,贵州电网已安装的部分型号的电能质量监测终端无法通过升级实现对IEC 61850的支持,但仍可稳定运行。针对这种情况,设计由监测系统主站基于UAPI技术针对性开发独立的通信接口程序,实现将该类非IEC 61850电能质量监测终端的接入。

2.3 管理功能设计

电能质量监测系统增加管理功能的目的是实现电能质量技术监督管理工作和监测系统运维管理工作的信息化,提高工作效率和工作质量。

(1) 电能质量技术监督管理。电能质量技术监督管理是基于电能质量监测系统管理平台的定位,通过监测终端覆盖率、数据完整率等管理指标的提取和实现,实现电能质量普测、非线性用户管理、监测点和监测终端台账管理、技术监督报告编制管理等业务的信息化,将原本由人工完成的管理工作,通过监测系统自动化、信息化手段予以实现。改造后电能质量技术管理模块的功能设计如图3所示。

图3 改造后电能质量技术管理模块的功能设计

(2) 系统运维管理。电能质量监测系统是由服务器、网络、软件、监测终端等组成的整体,任何组成部分都有可能发生故障,导致系统整体稳定性下降。但无论哪部分的故障,最终直接影响的都是电能质量数据的完整性、正确性及数据质量问题。电能质量监测系统可从数据质量评估角度出发,通过数据质量定义、数据质量影响因素判定等对数据质量进行评估,并以数据质量作为系统运维管理、诊断的依据。

2.4 与南网主站纵向接口功能设计

为提高南网主站与各省子站的信息交互效率和质量,南网科研院制订并颁布南网电能质量监测系统纵向接口规范,并在2017年开始对南网电能质量监测系统主站进行改造,要求各省电能质量监测系统按指定的信息内容和接口形式将监测数据上送至南网主站。

按照南网主站的要求设计纵向接口模块,基于Web Service技术实现本省数据的上送。技术架构上,客户端和服务器端用SOAP协议通过HTTP来交互,客户端根据WSDL描述文档生成SOAP请求消息发送到服务端,服务端解析收到的SOAP请求,调用Web Service,然后再生成相应的SOAP应答,送回到客户端。纵向接口模块设计方案如图4所示。

图4 纵向接口模块设计方案

2.5 电能质量数据深化分析应用功能设计

监测系统改造的根本目的是为了挖掘电能质量监测数据价值,用数据服务生产。结合国内外电能质量监测技术研究水平以及贵州电网实际情况,本文提出贵州电网电能质量监测系统的数据深化分析应用方案,与电能质量监测系统产品定位与功能架构相吻合。数据深化分析应用功能既包含技术方面的应用,也包括管理方面的应用。部分深化分析应用功能如下。

(1) 基于组合赋权和TOPSIS的电压暂降严重程度评估。电压暂降是造成电力用户经济损失最严重的电能质量事件。鉴于目前贵州省大力推进数据中心建设,且数据中心是电压暂降高敏感负荷,所以为电能质量监测系统设计独立的电压暂降分析功能,包括暂降特征值和波形分析、暂态标记、SARFI指标分析、ITIC容忍曲线分析、暂降类型识别以及暂降严重程度评估等,可针对记录到的电压暂降进行深入分析。

(2) 基于数据质量的电能质量监测终端可靠性评估。电能质量监测终端长期运行之后,难免由于元器件质量、外部环境等因素导致可靠性下降。为加强对电能监测终端的可靠性管理,基于项目数据质量管理的基础功能,提出从电能质量数据质量评估入手建立电能质量监测装置可靠性评估模型,并开展电能质量监测终端可靠性评估工作。对于诊断为监测终端不可靠的情况,还可以电能质量监测装置可靠性按区域、设备型号等分类进行评估,从而找出电能质量终端可靠性的规律,并进行针对性处理,为后续监测终端周期检验、招标选型等提供参考依据。

(3) 基于虚拟集控站的电能质量相关性分析和评价。作为电网运行特性的表征,同一时刻、同一点的不同电能质量指标之间,以及不同时刻、同一点的相同电能质量指标之间,以及同一时刻、不同点的相同电能质量指标之间,均可能存在相关性。例如火车开过时,铁路沿线的电气化铁路牵引站的电能质量监测点的谐波、负序电压等可能存在相同的变化特性。为分析上述电能质量指标相关性,引入虚拟集控站概念,可将相关的多个监测点(这些监测点不一定存在地理上的一致性)即时组合成一个临时虚拟集控站,并针对该集控站内的监测点开展电能质量综合评估、电能质量数据对比分析操作。

3 结 语

贵州电网电能质量监测系统承担全省电能质量水平实时监测、综合评估、故障诊断和分析工作,自建成投运以来运维稳定,但随着电能质量监测技术、网络技术、计算机信息技术等的快速发展,现有系统已经不能满足电能质量相关国家和企业标准、电能质量技术监督管理和数据深化分析应用等实际业务的要求。为提升贵州电网电能质量监测系统的信息化、标准化和智能化,进一步发挥电能质量监测数据的价值,降低监测系统运维成本,本文从网络架构和功能架构两个角度提出电能质量监测系统升级改造设计方案,并对监测系统的数据采集功能、技术监督管理和运维管理功能、与南网电能质量监测系统主站纵向接口功能、数据深化分析应用功能等进行详细的设计,用于指导贵州电网电能质量监测系统的升级改造工作。目前贵州电网电能质量监测系统正在按该设计方案顺利开展改造工作。