【电能质量】电能质量监测系统在风电系统中的应用

《供用电规则》第五十六条规定：用户的冲击负荷、波动负荷、非对称性负荷对供电质量产生影响或安全运行构成干扰和妨碍时，要求用户必须采取一定措施予以消除。如果不采取措施或者说采取措施不力，达不到国家相关标准GB12326-90或GB/T15543-1995规定的要求是，供电企业可终止对其供电。

在实际的电力系统中存在着大量非线性、波动性和冲击性负荷，比如电力机车、半导体整流器、逆变器、变频器、电气化铁路、感应加热炉、电弧炉、电弧炼钢炉、轧钢机等，工业及家用设备中的这些负荷造成了电网发生波形畸变（谐波）、三相不平衡、闪变、电压波动、非对称性，使得电网电能质量的严重降低。同时由于近年风电场建设提速，对于电能质量也带来一定影响。计算机、微处理器控制的精密电子仪器在国民经济企业中大量使用，对供电质量的敏感程度越来越高，所以对电能质量提出了更高的要求，从而使电能质量问题及其解决措施逐渐成为研究的热点。目前，随着国民经济的迅速发展，西北地区风电场建设规模增加，用户对于电能质量的要求也日益提高，为电能质量的研究提供了现实意义。

PUMG系列仪表不仅仅是一个功能比较全面的的电能质量监测与分析仪表，同时也是一个多功能的电力测控仪表、计费级电能表、数据日志记录仪、故障统计器，它可以提供被监测点的相电压、线电压、三相电流、零序电压、零序电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率等众多电参数，同时包含了高精度参数（刷新速率1秒）和高速参数（刷新速率0.1秒）。因此PUMG仪表提供的数据可以用于风电场的出力变化分析，为风电的生产管理、负荷预报提供依据。

随着风电并网容量的不断扩大，风电对电网的负面影响日益凸显。然而用户也可以根据PUMG仪表提供的参数，精确分析和评估风电并网运行过程中对电网的影响，量化风电的可变性和变化规律，从而为采取应对措施和手段提供可靠的依据。

通过对电能质量做出精确的监测和分析、测量电网中电能质量水平、分析和判断造成各种电能质量问题的原因，进而为电能质量的改善提供依据，最终实现对电网的电能质量的改善。电能质量监测系统的实现，满足了用电用户对电能监测分析的要求，实现了实时数据采集和在线监测的功能。

1电能质量监测方式

　　电能质量的监测方式在国内大致分为三种：专门的测量、定期或不定期的监测以及在线实时的监测，每一种监测方法各有利弊。要根据现场实际情况、经济承受能力、电网电能质量要求，选择合适的监测方法。

　　专门的测量，针对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、整流设备、电容器组、滤波器等在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过与国家相关规定的标准进行对照，决定其是否可以投运。但这种监测需要有明确的对象，并且需要有监测的场地以及必要的条件。

　　定期或不定期监测，针对普通电力干扰源，根据干扰的大小、危害程度和需要等采取定期或不定期监测方式。定期监测多用于电网中电能质量的定期普查，主要目的是为了了解全网电能质量水平和干扰源的特性。不定期监测，是针对电力用户的特殊电能质量问题进行监测分析。

　　在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测等。针对大型干扰源，如炼钢厂、电气化铁路等必须按照电能质量标准对电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相不平衡等指标进行连续跟踪监测。由于电网用户日益增多，要求也越来越高，在线监测将是今后的发展方向。但是，监测的要求越来越高，在线监测的成本也在逐渐升高。随着网络通信技术和信息技术的迅速进步，为适应当代电力系统运行的需要，电能质量监测技术正朝着、信息化、标准化的方向发展。

2监测点的确定

　　测量点的正确选择直接关系到测量的准确度和测量效果。为了掌握电网内的电能质量水平，按照国家电能质量标准将监测点分为电网侧和用户侧。

　　在电网侧，500kV、220kV、110kV和35kV变电站的主变和不同电压等级母线，以及发电厂主变等处要设置监测点。特别要提出的是目前电气化铁路线路一般直接从220kV变电站引线，通过220kV/25kV降压对电气化网络进行供电。由于电气化铁路对电网的影响比较大，所以在这些出线的地方也要设置测量点。在用户侧，存在着各种各样的负荷以及电力用户，有谐波源负荷、有造成电压闪变的负荷等。同样存在对电能质量要求较高的大型企业用户，应当选取向这些用户和负荷供电的变电站和各级电压母线作为监测点。由于国家规划在内蒙古地区建设大型风电场基地，因而风电场的电能质量监测也是重要的监测点。

3 电能质量监测系统

图1电能质量监测系统

3.1 系统整体结构

　　电能质量监控系统由厂站终端子系统，通信网络子系统和主站子系统组成。

3.2 厂站终端子系统

　　安装于变电站或用户的终端设备，其数量可根据实际需要的监测点来确定。厂站终端子系统主要由两部分组成：采集装置和微机系统。双方通过485总线进行通信和数据交换。

　　采集装置负责对监测点的三相电压和电流进行采集，通过485总线将所采集的数据传送到微机系统。它支持在线对采集速率，采集间隔，485总线等参数进行设置，也可以通过总线接受微机系统进行终端设置。同时具备红外接口方便工作人员进行数据的人工查询和核对，以及GPS天文时钟同步功能。

　　微机系统实际上是工业计算机终端，它支持与多条总线的通信，定时对多条总线上的采集装置进行数据读取，并通过硬盘对数据进行存储。微机系统配备相应的计算分析软件对实时电压和电流数据进行处理，通过各自的监测算法能得到以下参数：电压和电流谐波含量、总畸变率（THD）;电压跌落幅值、跳变相位和持续时间;三相电压、电流基波的幅值和相角，以及正序、负序、零序分量的幅值、相角和不平衡度;电压短时间闪变值，长时间闪变值;电压偏差和频率偏差。微机系统配置了拨号Modem和网卡，可以通过电力系统局域网或电话拨号网络与主站子系统保持通信。

3.3 通信网络子系统

　　很显然，建立专用的电能质量监测网可能不现实，但是SCADA系统，电能量采集系统和负荷监控系统的网络都已经建得相当完善，并且它们的网络都具有一定的扩展性，从而电能质量监测设备可以整合到这些网络中。

　　主站子系统和厂站子系统采用局域网或电话拨号网络相结合的方式进行通信。在具备网络接口的地区采用局域网通信，提高了数据传输速度，更好的体现数据传输的实时性。而在只具备电话拨号网络的地区可采用电话拨号方式通信，并且预留网络接口，便于升级。这样的通信子系统利用了目前电力系统通信网络中的两种方式，并将这两种方式进行有机结合，合理的利用现有资源，减少了通信设备投资。

3.4 主站子系统

　　电能质量监测主站子系统主要提供中心数据库、监测数据的统计分析和存储检索、Web数据网络页面、系统报警和通告信息的发布、远程系统维护管理和软件升级、数据实时访问等功能。主站子系统大体上由数据存储服务器、数据处理服务器、前置服务器、Web服务器、网关服务器。主站系统以高性能的交换机为核心，利用Web服务器通过软硬件防火墙、防毒墙与MIS系统连接，利用网关服务器通过软硬件防火墙、防毒墙、路由器与DMS和EMS等系统连接，向最终用户提供快速、高效的访问手段，以及安全、可靠的网络特性。

　　前置服务器负责与厂站终端子系统进行通信，保证数据传送的完整性和及时性，并可以远程登陆厂站终端，查询厂站终端状态，进行远程参数的设置和修改。在前置服务器中装有GPS天文时钟系统，用于保持整个系统内厂站子系统和主站子系统的时钟同步。前置服务器还具有通道报警功能，当主站子系统和厂站子系统通信中断或不能正常进行时，将会发出通道警报，以便工作人员及时了解通信状况。前置服务器具有权限管理功能，可以为不同的用户分配不同的权限，以此来限定用户的访问权限。

　　数据处理服务器具有强大的数据处理功能，负责整个电能质量系统所有数据的处理、统计以及相关报表和图表等应用功能的生成、重组和扩展。具备数据报警功能，发现从厂站终端采集上来的数据指标超常时将会在报表、图表中进行告警标注。负责接受来自Web服务器的请求，生成符合请求格式的数据格式，并将结果信息传送到网关服务器，以便不同部门的工作人员通过WEB方式查看。

　　数据库服务器负责数据库的管理、运行维护、数据备份、事故恢复以及数据优化等功能。保存所有从厂站终端传送上来的数据和经过数据处理服务器处理后得出的结果数据，并对这些相应的数据进行统一管理和存储。数据库采用了自动备份的技术，系统配置了两台数据库服务器，通过磁盘阵列实现双机的冷热备用，当主数据库服务器出现故障或停用时，另一台备用数据库服务器立即投入使用，保证了系统数据处理的正常进行。当事故恢复时候、首先恢复数据库备份文件，然后恢复数据日志记录备份、这样可以恢复故障前的数据记录。同时，系统采用了SAN、NAS、DAS等技术，从而保证数据的完整性、安全性和一致性。

Web服务器负责在Intranet/Internet范围内提供Web服务，它分别与网关服务器、数据库服务器建立连接，可从数据库服务器直接获取数据形成网页或通过向数据处理服务器进行申请，获取所要求生成的数据格式网页。用户可在任意地点、任意时间通过Web浏览器浏览网页，访问Web服务器发布的基于Web形式的数据查询、数据分析、报表展示、曲线展示、报警信息、设备状态、站点分布、国标查询、记录查询等信息，能及时了解指定日期的电能质量状况，并且可以随时下载Word、Excel、文本及图表等形式的报表统计资料。

　　前置服务器接收各厂站终端的传送上来的数据，均通过数据库服务器、存储网络进行保存。数据处理服务器对这些数据进行过滤、择优、统计、计算和分析。系统用户在客户浏览器中浏览网页，以通过HTTP协议及ActiveX控件向WEB服务器发出各种查询请求，WEB服务器分析客户提交的HTTP请求，通过两种方式来实现：一种方式是直接通过ADO接口从数据库服务器获取数据生成网页;另一种方式是通过网关服务器的ISAPI接口规范与数据处理服务器发出数据请求，数据处理服务器根据WEB服务器的请求，通过ADO接口从数据库服务器中获取数据或存储数据，按照WEB服务器的要求将所获取的数据进行组织之后，再通过网关服务器送给WEB服务器。最后Web服务器将两种方式生成的网页以HTML代码形式传递给客户端浏览器，用户的所有数据管理和系统维护操作可全部在浏览器中完成。

4结束语

　　电能质量监测是保证电力系统安全可靠和经济优质运行的技术支撑，是保证低压电网和电气设备安全和可靠的重要手段。电能质量监测可以随时随地掌握电网的运行状况，这样就能在供配电系统和用电设备运行失效之前，捕获到其早期的故障信息，以便在毁灭性打击之前，提醒人们对供、用电设备的运行状态进行调整和预防检修。对于提高电力系统供电的安全性、可靠性和经济性，保证用电设备的正常工作和工农业生产的持续高效，对于供、用电方都具有十分重要的意义。同时，电能质量监测系统具有故障录波功能，能够记录下发生故障时刻的电网状态，通过分析，就能判断出发生故障原因，这对于解决电力故障纠纷提供了可靠的技术支持，具有很高的经济价值。