标准化数据集成的智能电网配网末端电能质量监测

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标准化数据集成的智能电网配网末端电能质量监测

上海久隆信息工程有限公司　 王晖

摘要：

随着智能电网时代的到来，各种电网新设备、新技术投入使用，配网末端电能质量监测的范围更广，粒度更细，用信息化手段监测配网末端电能质量是智能电网时代的重要关切点。本文分析了智能电网电能质量监测的业务及相关要求，提出了标准化数据集成的配网末端电能质量监测思路与方案。阐述基于CIM模型和IEC 61970标准的标准化集成应用，并以JAT UIB为代表说明标准化电能质量监测数据集成的实现，为电力企业配网末端电能质量监测提供全面、有效的数据集成技术支撑。

 

关键词：

智能电网、电能质量监测、信息集成、模型驱动、CIM、IEC 61970

 

国家电网公司提出2020年全面建成统一坚强智能电网。而满足新世纪用户需求，保障电能质量是建设智能电网的基础。相比传统电网，智能电网对于配网电能质量监测的范围更广，粒度更细。主要表现为以下几点：

1）诸如风能、太阳能和生物质等可再生能源发电技术的成熟，带来了电力来源的多元化，要求监测不同来源的电能质量，尤其是受天气和时间影响较大的，输出波动明显的风能、太阳能发电；2）新储能技术的使用，对于电能质量的保存提出了新的要求，需要对电能的储存过程进行监控；3）微电网和分布式能源技术的不断发展，要求电网设备实现即插即用和无缝切换，改变了常规电网的结构，各类分布式电源单元、负荷及控制系统都对电压形态、网损、电流稳定、电网谐波有较大的影响；4）输配电技术的不断发展，诸如高温超导、复合材料、新的监测技术的出现，改变了电能的传输方式，也为监测提供了新的视角和手段；5）高级计量体系(AMI)网络的逐步实现，电能质量控制装置及智能电表的大量使用，产生了大量的数据，电能质量监控及电力通信双向互动的要求更高；6）用户侧新设备、新建筑的使用，诸如：混合电动车、智能电器、智能楼宇，转变了传统的用电模式，定制电能的需求将更为广泛；7）小型用户自有电源、储能元件的接入，如屋顶太阳能技术等，允许用户将多余电能的上网和储存，需要采取双向通信的方式，保证投切时电能质量。

可见，智能电网时代对于配网末端电能质量的监测要求更高，数量庞大的监测设备，海量的监测数据、状态参数，必须有一个完善的、可扩充的、标准的信息平台来支撑电能质量的监测。实现准确、真实、及时的监测配网末端电能质量，做出正确的分析，采取有效的措施。

技术协调委员会（IEEE）对电能质量的定义：“为敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的。”

配网末端电能质量监测的影响要素包括状态指标和供需侧分析。

状态指标方面，电能质量主要包括稳态指标和暂态扰动。稳态指标包括频率偏差、电压波动、电压闪变、三相电压(电流)不平衡度、波形畸变，可进行趋势图查询、合格率统计等；暂态扰动包括电压凹陷、电压凸起、电压间断、暂态震荡等电力系统发生故障及投切操作等所伴随的暂态现象。

供需侧分析方面，电压和频率偏差基本上取决于供需侧的平衡关系，分布式电源、储能设备及智能用电设备等的大量接入必然会产生影响；而波动、闪变、不平衡度、谐波及暂态扰动等现象，则既决定于供电侧的电力网络、设备运行情况，又受到需求侧负荷性质的影响，如用电设备的电力干扰。

配网末端电能质量监测的功能要求可概括为： “全面、准确、实时、自动、互动”。

配网设备数多、覆盖面广。监控分布式发电设备、储能设备、传输线路、配网设备、智能表计、新型用电设备、电动汽车等会产生大量的实时数据及状态信息，全面、准确、实时的监控配电设备及电能质量，实现配网末端电能从配电、送电到用电的全面管理。如：实时监测、扰动源定位等。根据国家相关标准，对电力质量各相关参数的合理范围进行评估，通过诊断规则库及专家经验等方法，实现电能质量自动管理。另外，诸如用户侧发电、储能和用电设备对于电能质量影响等的动态管理，实现互动性。

电力设备、量测数据等信息是智能电网配网电能质量监测的基础支撑，采集设备不仅涉及配电网装备，还包含用电设备；不仅涵盖装备自身状态信息，还包括配网运行信息及其他信息。分析已有远程终端设备（RTU）、通信网络及相关系统的控制中心并根据需要部署新设备，确定采集方式。不同系统中各种异构数据，必须采用标准化的方式，以统一的电网模型来实现信息采集。

海量的数据信息，绝非任何单一独立的系统能涵括，也不可能实现完全集中处理。需采用IEC标准，以数据总线的形式，实现多系统信息交换与统一接口共享，支持集成平台。针对电能质量监测的不同应用需求，通过智能路由策略来灵活实现数据访问的分发、聚合，分层分布处理。

高频率、高连贯的数据支持电能质量监测，必须保证“高质量”。质量管理提供数据模型自适应管理、数据接入管理、数据质量诊断、数据质量修复、模型数据同步、数据备份与恢复机制等功能。

智能电网时代电能质量监测的应用，不只应用于电网设备的状态检修方面。借助标准化的数据集成平台，实现信息的横向集成、纵向贯通，结合供需侧对电能质量的要求，优化现有广泛应用的研究方法，在知识支撑层面上实现数据的融合、互补、挖掘，形成更多的高级应用。诸如：电能质量状态监测，电能质量预防及预警策略，快速仿真及辅助决策支持，用户设备改良分析，电能质量综合知识体系建设等。

电力企业已有的一些配电侧和用电侧系统，提供了部分电能质量监测数据，但各独立系统难以涵盖、支撑智能电网时代的配网末端电能质量监测要求。各系统如何摆脱“异构、分散、局部、凌乱”的状况，是智能电网必须解决的课题。因此，有必要研究标准化数据集成的配网末端电能质量监测方案，为建立电能质量监测信息平台提供技术支撑。

可以通过分布式测量装置、智能传感器、远程通信设备、数据控制中心等对电能质量（电流、电压、频率）进行同步连续测量，同时充分利用现有配电、用电阶段信息系统，与DSCADA系统、DMS配网管理系统、用户信息系统、负控系统、集抄系统等建立数据通信接口。通过数据集成总线的形式，解决配网电能质量监测相关的结构化数据、电网空间数据和实时数据的来源、标准化和同步获取问题。实现对智能电网时代配网末端电能质量监测的监控、预防、数据挖掘和分析展现的支持，如：电能质量检测、电能质量扰动源定位以及电能质量综合评估与分析等。

数据是基础，智能电网配网末端电能质量监测不可能重新开发一套新的系统，负责状态信息、量测数据的获取、存储、应用。数据的获取，必须充分利用原有在运行系统，包括：DSCADA系统、DMS系统、EMS系统、负荷控制系统、集抄系统、需求侧采集系统等。信息化监测平台对于数据的标准性提出了要求。采用标准化的方式来进行数据采集、交换是必然的。

IEC TC57工作组制定的电力CIM模型标准，解决了现有各种系统数据表达语义不一致的问题，采用UML模型，通过一系列完善、详备的规范，解决电能质量监测应用中的数据模型问题，满足了智能电网配网电能质量监测的信息建设和交互，是集成环境中唯一确认的、权威的信息表达方式。

CIM模型的使用，通过一定的映射条件，将原始的数据信息映射和转换至电网统一数据模型，如何建立和维护映射关联关系是一个相对复杂的、有难度的课题。理想的解决方案：可通过图形界面编辑映射文件，降低映射文件编辑难度，实现编码、属性及关联关系的映射。此外可将映射文件输出为XML文件以供保存和共享。如图1所示：

图1 数据源模型映射

IEC 61970 还提供了标准的GID接口协议。GID的核心内容是以CIM作为数据交互的元数据，通过对业务系统的数据访问接口进行封装和转换，实现系统接口的标准化，保证数据的获取。如图2所示：

图2 IEC 61970 GID接口功能示意图

GID接口提供了四组主要接口来获取各种数据：GDA（电能质量模型通用数据，如：分布式电源设备信息、配网台账信息、用户状态信息等）、HSDA（电能质量实时量测数据，如：瞬态电压、电流、频率偏差、储能装置电量等）、TSDA（电能质量历史数据）、GES（事件、告警信息），通过这些接口可以满足配网末端电能质量监测相关数据集成和交换的需要。

配网末端电能质量监测需要数据集成平台的支持，久隆信息提供的JAT UIB是一个支持即插即用的，提供企业级专业的电力信息集成平台产品，是“智能电网”时代配网末端电能质量监测应用的信息神经中枢。

JAT UIB基于IEC 61970/61968、CIM/SVG等行业标准，可实现末端电能质量面向SOA架构的数据集成和应用集成方案，从配置工具、可视化界面，到元数据模型封装、转换、同步，以及总线路由、图形共享，都能提供可靠的支持。

配网末端电能质量监测数据集成平台采用JAT UIB产品的解决方案，如图3所示：

图3 电能质量监测数据集成方案

电能质量监测集成平台系统以IEC61968/61970标准建立统一的数据访问接口，通过对DSCADA系统、DMS系统、负荷控制系统、集抄系统、需求侧采集系统的封装，或者通过远程监控系统，直接从远程终端设备（RTU）、通信网络及相关系统的控制中心获取数据，建立统一的CIM信息模型进行数据交换，数据访问通过GID服务器进行，JAT UIB 路由服务提供数据联邦、数据同步和数据访问路由功能，JAT UIB 电网模型构建器完成不同系统之间数据的关联(例如用户设备数据与谐波畸变瞬态数据)，形成基于CIM的数据库，最后提供给电能质量监测应用平台。

智能电网时代对配网末端电能质量监测提出了全新的要求，包括数据集成、功能整合和各系统接入在内的各方面，都极其复杂。需要建立基于IEC 61970 协议标准和CIM的元数据标准的数据集成机制，选择诸如JAT UIB的合适、成熟的集成产品，搭建电能质量监测集成平台来具体实施完成，实现电能质量的监测、预警和分析。

 

参考文献：

[1]许晓慧.智能电网导论[M].北京：中国电力出版社,2009.

[2]肖湘宁. 电能质量分析与控制[M]. 北京：中国电力出版社，2004.

[3] 国家电网公司. 统一坚强智能电网综合研究报告. 2009.