配网电能质量数据传输方法

2022-05-31国网湖北省电力有限公司武汉供电公司

电力设备管理 2022年7期

国网湖北省电力有限公司武汉供电公司余俊

引言

近年来，配网电能质量问题受到业界广泛关注和重视。一方面，随着可行技术的发展，用户设备非线性负荷、敏感用户负荷不断增加，这些设备对电网电能质量较为敏感，分布式微电网的大量建设加剧了本来就较为脆弱的配网电能质量问题[1-2]。

一直以来，国内两大电网公司对电网电能质量比较重视。当前电网公司已构建了变电站电能质量终端-省级电能质量系统-网级电能质量系统的监测和分析模式。然而，现有的电能质量体系主要针对主网侧，安装与变电站端的电能质量终端可通过电力光纤及时、完整的将数据传输至省级主站，然而配网侧目前并没有建设电力专用光纤通信网络，主要原因在于配网覆盖面广且地形多样，建设成本太高。

现有的配网设备主要基于电力线载波、无线蜂窝网、物联网通信技术（如：ZigBee 通信技术、蓝牙通信技术、RFID 技术）等方式传输数据，然而这些通信方式很难保证电能质量数据完整、有效传输，主要原因在于相对于现有的配网设备，通常只需要某类或某几类数据（例如配网电表只需传输有功、无功等数据），而电能质量监测终端监测指标超过100类。

以监测2～25次谐波为例，需要提供谐波电压幅值、谐波电压含有率、谐波电流幅值、谐波电流含有率等指标，经验数据表明现有主网侧每台电能质量终端每天传输数据量超过了1GB，在配网侧实现单台如此大的数据传输不太实现[3-4]。

同时，随着信息技术的发展，边缘计算计算已应用多个领域，边缘计算是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。具体到配网电能质量领域，可以将许多计算功能下沉至端侧，例如谐波超标、电能质量报表评估等，通过该计算的应用可以极大减少所需传输数据量，同时为了保证重要的、关键的电能质量及时而有效的传输，在进行数据传输时控制重要数据优先传输。

综上所述，随着配网用电设备和结构的变化，配网电能质量问题越来受到来自用户和电网公司的重视。然而，配网点多、面广等问题且单点电能质量数量大，导致非光纤方式下数据有效传输难以实现。本文结合边缘计算、数据分级等计算设计适合与配网电能质量数据传输的方案，该方案成功应用某电网公司现场，运行数据表明，所提方案能够大大降低数据传输量的同时，保证重要电能质量指标数据完整、有效的传输。

1 配网电能质量数据传输构架

以电力物联体现构架适合与配网电能质量数据传输的框架，形成“端-边-省级系统-网级系统”的通信架构。

端。所谓“端”即指配网电能质量监测终端，终端承担了数据采集、数据计算、数据存储及数据传输的职责，所谓数据采集指配网电能质量终端通过电压互感器、电流互感器等接入监测点对象的电压和电流信号；进一步，配网电能质量终端利用FFT（快速傅里叶变化）等算法获取谐波、电压偏差、不平衡度等电能质量数据，这些数据需要保存一定时间。所采集的电能质量数据需要传输至“边”侧。

图1 配网电能质量数据传输构架

边。是靠近电能质量终端的、具有一定运算能力的设备，是一个1对N 台配网电能质量终端的设备。它具备数据汇聚、数据运算和协议转换等功能。

省级电能质量系统。是汇聚省级规模的配网电能质量终端数据的系统，除了基本的数据汇聚、数据存储以外，还需要提供报表、报告等分析功能。

网级电能质量系统。对应一个电网公司的电能质量系统，它包含了电网公司管辖的所有省级区域的电能质量数据，基于这些数据开展电能质量分析及辅助决策等应用。

2 边端实现方法

2.1 边端链路建立方法

配网所覆盖的面积广阔，在现有通信方式下，需要合理、科技的建立多个边端通信策略才能保证数据有效传输。为了灵活、自主的搭建边端通信关系，本文基于k-means 算法，基于端端距离确定配网电能质量终端应接入的边设备。

其实现过程主要包括以下过程：基于地理分布，测试配网电能质量终端到端的距离,设已安装了的配网电能质量设备的距离为L=[l1,l2,...,lk]，随机初始化C 个聚类中心；通过公式Rmh=|Vm-Ch|2计算配网电能质量终端与C 个聚类中心的距离R，获得C个R 后，将所计算更新每个R 值的聚类中心依次重复，直到聚类中心C 的值基本不变。

通过以上过程可以实现可动态、自适应且最优的决定配网电能质量装置与边的连接关系，当某个或某几个边退出运算时，基于以上算法可快速、自动、有效的建立新的通信关系。

2.2 数据分级处理

众所周知，从时间尺度上可将电能质量数据指标可分为暂态和稳态两大类，其中暂态指标主要包括电压暂降、电压暂升及短时中断等。据国内外研究报告，因电压暂降引起的用户投诉占所有电能质量问题的80%以上，为此电压暂降数据是最为重要的，因此列为最为重要的传输类数据，其次分别是电压暂升、短时中断。

稳态指标包含电压偏差、三相不平衡、频率偏差、谐波、电压波动与闪变等五类指标，从业界关注的情况来看，谐波问题尤受重视，其次是三相不平衡度，再次是电压偏差和电压波动与闪变，最后是频率。

需要说明的是，并不是频率指标不受重视，而是因为现代电力系统中频率控制和条件技术已非常成熟，通常不会引起较大波动，当然一旦频率异常将对系统造成毁灭性的影响，可能引起区域性用户停电以及并网电厂特别是新能源电厂拖网等问题。

基于以上情况本文将稳态数据分为四级：一级为谐波数据。谐波数据指标较多，仅2～25次谐波时也衍生出上百类指标，如谐波幅值、谐波相角、谐波功率、谐波含有率等。为了减少数据传输量本文仅要求传输谐波幅值、谐波相角两类衍生指标。

二级数据电压偏差与不平衡度，配网中供电电压和三相不平衡度问题较为普遍，一直以来是配网管理人员重点关注和治理的对象。

三级数据为电压波动与闪变，随着用户非线性、敏感设备的大量接入，电压波动与闪变问题逐渐被用户关注；四级数据为频率偏差，前面已有分析，不在赘述。

本文设计划分的电能质量数据优先级中暂态数据优于稳态数据，因此综合下来总共包含6个等级。当暂态数据传输完毕后再传输稳态数据，稳态数据传输原则则为以上划分的优先级。

通过以上策略，可以保证重要的数据及时、完整的传输。同时需要说明的是，以上优先级只是针对常规情景，具体使用时可根据所监测的对象关注的问题侧重点进行调整，例如某线路三相不平衡问题较为严重、则可将其调整为稳态数据的最优级，而一些偏远的供电区域电压指标则可能最为重要，为此传输优先级最高的则选为电压。

一旦数据分级确认后，首先根据优先级制定某个时间段内的数据传输策略表，优先级最高的数据占用通信资源进行数据传输，等待数据传输完成后传输下一级的数据，同时需要考虑系统最新运行情况，在传输时一旦有优先级更高的数据，如电压暂降数据产生，则将该数据插入到数据传输策略表中并暂终止当前的数据传输，开展插入的优先数据的传输。

2.3 边缘计算

通过数据分级处理，只能保证重要数据及时、完整的传输，但不能减少数据传输量。为此需要边对电能质量进行一定处理以减少数据传输量。

对于暂态数据，仅传输事件描述、不传输波形。通常，暂态事件发生时终端会触发录波功能，但波形数据可能大数M，不适合于传输，本文所设计的暂态数据传输项仅包括发生时间、结束时间、暂态最大深度等几个事件描述指标，当然在一段时间内波形数据依然需要存储于配网电能质量监测终端中，一旦分析需要可主动读取，对于主动读取的请求需即可响应和传输。

对于稳态指标。对于用户和电网公司来说好的电能质量稳态指标是不需要进一步处理的，因此可基于电能质量国标设置限值，当指标超标时才上送，通过该处理可大约减少90%的数据传输。例如频率的国标为49.8Hz～50.2Hz，通常频率指标是符合该限值要求，很有可能一年内都不需要传输具体的频率值。

电能质量评估报表。通过以上对稳态指标的处理虽然极大减少电能质量数据传输量体，但也牺牲了主站端能够掌握监测点数据特性，为此要求电能质量监测终端或边具有电能质量评估报表生成能力，能够利用最大值、最小值、平均值、95概率值生成日、月报表，通过该报表可有效弥补稳态指标处理带来的问题，即生成谐波报表、电压报表、电压波动与闪变报表、三相不平衡报表及频率报表，这些报表一旦生成需要立即传输。

异常数据检测。异常数据是指符合常规运行的电能质量数据，这类数据的出现不仅影响到电能质量运算分析，可能引起管理者做出错误的决策。因此本文考虑了对该类数据的处理，异常数据检测主要包括异常极值检测（如某个时刻出现远远大于或小于前后值的数据）、小波动错误数据检测（相较于前后数据明显变化）等，这些异常数据可能是电能质量监测终端造成，也可能是被人为攻击网络后篡改导致，因此必须提供该类数据的检测计算。

3 实验验证

本文所提的方法成果应用某地市供电局，所选择的验证区域选用无线蜂窝技术的4G 网络进行数据传输，但由于基站数量及该区域山地较多、网络质量较差，通过对比全指标传输和本文所提方法的数据传输，统计了两种传输模式下重要数据完整性、数据传输量、信息完整性等三个指标的情况，具体如表1所示。

表1 数据传输指标对比

从表1可知，采用现有主网的全指标传输模式进行数据传输时仅能完成40%的数据传输，其后果是导致大量的数据延迟获得，这种延时随着运行时间增加而增加，相比之下，本文所提算法能极大改善和缓解该问题，三个指标都超过90%以上，可有效说明本文所提方法能够保证配网电能质量重要信息不丢失，管理者能够较为完整的掌握配网电能信息。