電氣化鐵路電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案研究

羅劍波，徐 軍，左 萍，陳 洶，趙 莉

（國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇 南京 210003）

近年來，電氣化鐵路（簡稱電鐵）由于具有運輸能力大、消耗能源少、環(huán)境污染小、運營成本低等突出優(yōu)點在我國得到了迅猛發(fā)展。到2010年全國鐵路營業(yè)里程將達到9萬km以上，電氣化率達到45%以上[1]。然而，電力機車由于采用單相、整流供電方式，運行時從電網(wǎng)吸收工頻功率，同時又向電網(wǎng)注入了諧波和負序電流，再加上其負荷具有沖擊性和沿線分布廣的特點[2]，對電網(wǎng)的影響日益突出。有關(guān)部門經(jīng)過測試得出結(jié)論：目前與電氣化鐵路供電相關(guān)的電網(wǎng)普遍存在諧波和負序電流超標現(xiàn)象，電氣化鐵路負荷呈現(xiàn)不規(guī)則波動性[1]。這種影響具體到電網(wǎng)中會引起電網(wǎng)自動化設(shè)備的誤觸發(fā)、電力設(shè)備和材料損耗增大、芯片等高科技產(chǎn)品合格率下降，等[3]。因此，迫切需要在電鐵地區(qū)建立一套功能完善的電能質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)，為有效實施電能質(zhì)量治理打下技術(shù)基礎(chǔ)。

1 電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 有關(guān)電能質(zhì)量監(jiān)測的標準

1.1.1 國際標準

國際上有關(guān)電能質(zhì)量的定義和規(guī)范主要有兩個標準體系。一是由IEC（國際電工委員會）指定的IEC61000系列，另一個是IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）制定的 IEEEStd519、IEEEStd1100、IEEEStd1159等系列。IEC主要從電磁兼容和相互干擾的角度考慮，對電磁干擾及其對電能質(zhì)量的影響進行分類。IEEE根據(jù)電壓擾動的變化幅值、持續(xù)時間、頻譜范圍等特征進行分類[3]。

1.1.2 國內(nèi)標準

我國目前為止已經(jīng)制定了6項主要電能質(zhì)量國家標準。包括《供電電壓允許偏差》、《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》、《三相電壓允許不平衡度》、《電壓波動和閃變》、《暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》和《公用電網(wǎng)諧波》。另外，在2005年制定了《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》[4]，以對日漸增多的相關(guān)監(jiān)測設(shè)備進行基本的規(guī)范。

1.2 國內(nèi)外電能質(zhì)量監(jiān)測的研究現(xiàn)狀

1.2.1 國外現(xiàn)狀

由于電能質(zhì)量直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)和社會用電，電能質(zhì)量在美國等工業(yè)發(fā)達國家很早就引起人們重視。電鐵作為影響電能質(zhì)量的主要原因之一，它的不斷發(fā)展也就要求電能質(zhì)量監(jiān)測和治理的技術(shù)日臻完善。雖然，各個國家和地區(qū)電鐵接入電網(wǎng)的方式各有不同，但對電能的質(zhì)量需求是一致的。所以，一方面，電能質(zhì)量產(chǎn)品特別是監(jiān)測終端產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，得到了應(yīng)用廣泛，并逐漸采用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標準[11，12]；另一方面，在電能質(zhì)量監(jiān)測方面也涌現(xiàn)了一批比較著名的企業(yè)或研究機構(gòu)，比如：美國電科院（EPRI）、美國電能標準實驗室（PSL）、美國電力士公司（Dranetz-BMI）、瑞典聯(lián)合電力公司（UniPower）、以色列Elspec公司等，它們在電能質(zhì)量監(jiān)測和治理方面取得了不少成果。

1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

相對于發(fā)達國家，我國電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)起步較晚，但發(fā)展迅速。2000年以來，我國多個省市電網(wǎng)先后對轄區(qū)內(nèi)包括電鐵沿線的電網(wǎng)安裝了電能質(zhì)量監(jiān)測終端，建設(shè)了電能質(zhì)量監(jiān)測平臺，這些平臺利用先進的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，吸取了國際上的成熟經(jīng)驗，取得了一定的監(jiān)測效果；也涌現(xiàn)出了一批企業(yè)和實驗室對電鐵電能質(zhì)量做深入研究，制定標準，擁有了一些自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

1.3 對我國電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的認識

我國電鐵用電具有2個顯著特點：一是區(qū)別于國際上常用的單獨供電網(wǎng)方式，多數(shù)通過電鐵沿線的牽引變電站與220 kV或110 kV電網(wǎng)相連，電網(wǎng)其他用戶受電鐵影響更為緊密，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋面也更為廣泛；二是我國幅員遼闊，一條電鐵往往串連數(shù)個省份，而我國電網(wǎng)是以省（直轄市）為單位進行建設(shè)和維護，這就決定了全面的電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)難度更大、管理更為復(fù)雜。

針對上述2個特點以及國內(nèi)在電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用和研究情況，（1）到目前為止國內(nèi)對電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)雖然有了一定的研究，但從具體的應(yīng)用實際來看，作為完整的實時監(jiān)測系統(tǒng)在工程實踐中并不多見，還存在不少問題。（2）一套完整的電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)通常應(yīng)該包含三大主要部分——監(jiān)測終端、通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心及其應(yīng)用（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示）。監(jiān)測終端分布于電鐵沿線需要監(jiān)測的各個節(jié)點（主要是一些牽引電站、電網(wǎng)供電用變電所），對線路的電能質(zhì)量進行持續(xù)的監(jiān)測；通信網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)測終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)中心進行存儲；數(shù)據(jù)中心提供在線的實時數(shù)據(jù)訪問，歷史數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)分析和電能質(zhì)量情況報告，為進一步進行電能質(zhì)量的治理提供決策；同時，各個部分應(yīng)該配有相應(yīng)的功能或應(yīng)用才能夠真正實現(xiàn)電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測和治理。

圖1 電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 我國電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的第一步，是監(jiān)測系統(tǒng)中采集終端的最主要功能。《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》要求監(jiān)測終端能夠監(jiān)測到2～25次的諧波，諧波電壓和電流的測量精度最高需分別小于額定值的0.05%和0.15%。目前國內(nèi)大部分監(jiān)測設(shè)備都能達到最高測量精度和諧波次數(shù)要求。

雖然諧波是包括電鐵應(yīng)用的電能質(zhì)量監(jiān)測的主要測量對象，但是很多情況下暫態(tài)的電能質(zhì)量現(xiàn)象的重要性不容忽視。隨著電網(wǎng)工業(yè)用電負載日益復(fù)雜，暫態(tài)的電能質(zhì)量事件逐漸頻繁。而現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備多數(shù)僅達到 《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》中相應(yīng)的不算苛刻的標準。相比而言，國外許多的監(jiān)測設(shè)備這方面的指標很突出，如可監(jiān)測到500次諧波和短暫的暫態(tài)事件，這樣更有利于分析復(fù)雜突發(fā)事件的產(chǎn)生原因。以目前的電子信息技術(shù)基礎(chǔ)，高指標的采集要求不難達到，相信在不遠的將來，我國相應(yīng)產(chǎn)品這方面的性能會不斷提高并達到國際先進水平。

2.2 數(shù)據(jù)同步

在國家標準框架內(nèi)，電能質(zhì)量監(jiān)測的同步采集不是必需要求。但作為區(qū)域電網(wǎng)的在線數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)除了電能質(zhì)量采集和分析功能外，還可提供區(qū)域范圍內(nèi)的暫態(tài)故障或暫態(tài)電能質(zhì)量事件的全面數(shù)據(jù)。一旦發(fā)生故障，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心或授權(quán)的訪問終端即可將數(shù)據(jù)取出進行分析。而現(xiàn)有的故障記錄儀往往孤立分布于各站，當故障發(fā)生后，需經(jīng)過復(fù)雜的步驟和很長的時間才能對有關(guān)線路的故障波形有全面的了解。如果能實現(xiàn)同步高速采樣，將大大減少故障定位、分析以及采取應(yīng)對措施的時間，從而減少不必要的損失[5]。

同步采樣的基礎(chǔ)是時鐘同步技術(shù)，同步源主要有GPS、北斗和銫時鐘等。像國網(wǎng)電科院的PowerGTS時鐘同步系統(tǒng)等高可靠的同步系統(tǒng)如也逐漸成為電網(wǎng)的必要配置。因此，只要業(yè)內(nèi)認識到同步采樣的潛在價值，該功能將很快得到實現(xiàn)。

2.3 數(shù)據(jù)簡約

數(shù)據(jù)簡約是指在大量的數(shù)據(jù)中只提取有用的信息，使后續(xù)處理的數(shù)據(jù)量盡量降低。由于電力通信資源有限，減少設(shè)備的通信開銷是必須要考慮的問題。由于電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的每個監(jiān)測終端都是連續(xù)在線的監(jiān)測一條或多條線路的電流電壓數(shù)據(jù)。未經(jīng)簡約處理的數(shù)據(jù)將會給通信網(wǎng)絡(luò)帶來巨大的壓力。所以目前國內(nèi)絕大部分監(jiān)測終端遵從國家標準，最小數(shù)據(jù)上傳間隔為3 s，至少上傳該時間間隔內(nèi)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的最大值，終端保存至少15 d的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

而國際上先進的電能質(zhì)量監(jiān)測終端在數(shù)據(jù)簡約上已經(jīng)實現(xiàn)了很大的突破。Elspec的G4000電能質(zhì)量監(jiān)測終端能夠?qū)⒃疾蓸訑?shù)據(jù)實現(xiàn)1 000∶1壓縮率進行保存。這種技術(shù)可以帶來如下收益：準確記錄暫態(tài)電能質(zhì)量事件的完整過程，而不是只記錄結(jié)果；為上文提到分布式系統(tǒng)的暫態(tài)故障提供數(shù)據(jù)存儲的可行性；大大減少通信帶寬占用；在合理的存儲成本下可以就地保存長期（如1年）的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，減少設(shè)備維護成本。

設(shè)備的低成本、高效率和智能化是智能電網(wǎng)發(fā)展的要求。相信在我國如此廣闊的電鐵應(yīng)用領(lǐng)域下，數(shù)據(jù)簡約和監(jiān)測終端上的其他智能化的技術(shù)將得到快速發(fā)展。

2.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

我國現(xiàn)有的電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)物理上都是基于電力專用的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)。監(jiān)測終端通常通過以太網(wǎng)、E1、Modem等接口接入安裝站點的數(shù)據(jù)網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心在調(diào)度端從數(shù)據(jù)網(wǎng)接收各站的電能質(zhì)量信息。

在網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)原理上，各系統(tǒng)根據(jù)需求和實現(xiàn)條件采用了多種方式。如江西的浙贛電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采用CORBA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和OPC控制協(xié)議；云南某電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采用了三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基于WEB的訪問協(xié)議；廣東某電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采用了國際上成熟的PQView訪問軟件和PQWeb訪問協(xié)議[3，7，8]。

電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)通常有各省電網(wǎng)公司建設(shè)，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)管理手段不盡相同，在互連和統(tǒng)一管理上存在較大的困難。即使在省內(nèi)，不同時期建立的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)互連性也不能得到保證。

2.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用

同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一樣，各省的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中和分析軟件也各具特色。在電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的文件格式上，有自定義的格式，也有采用國際上通用的PQDIF格式[10]；在數(shù)據(jù)庫的組織上，有采用Oracle的，也有采用IBM DB2的；在電能質(zhì)量的分析上，都具備諧波和其他電能質(zhì)量現(xiàn)象的分析功能但在分析密度、實時性等指標也各有不同。

除了上述的不同之外，數(shù)據(jù)中心的分析也有共同的發(fā)展趨勢。如使用國際通用的文件交換格式；通過Web進行數(shù)據(jù)訪問；采用成熟的商用數(shù)據(jù)庫進行管理；對電能質(zhì)量現(xiàn)象進行更深入的分析和報告。這些趨勢多數(shù)在國外的分析軟件種已經(jīng)是基本的內(nèi)容，一方面說明我國電能質(zhì)量的監(jiān)測分析水平和國外還有一定差距，另一方面說明正向國際先進水平靠近作出努力。

3 我國電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 采集終端

未來的采集終端將能夠?qū)崿F(xiàn)完全自主知識產(chǎn)權(quán)化，具備國際先進水平的數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)。并且作為智能電網(wǎng)的重要數(shù)據(jù)節(jié)點，它不僅具備電能質(zhì)量的收集能力，同時能夠?qū)崟r、同步的捕捉各種暫態(tài)電能質(zhì)量事件和其他線路故障事件；能夠長期保存經(jīng)簡約處理的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)；能夠動態(tài)的投入或退出監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

圖2是所研究的智能監(jiān)測終端的原理框圖。該終端以高比率波形數(shù)據(jù)壓縮、實時電能質(zhì)量計算、高精度同步采樣為主要核心內(nèi)容；支持數(shù)字化變電站的IEC61850接口標準；內(nèi)置WEB服務(wù)器以方便接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；直觀顯示當前電流、電壓波形；實時計算電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)事件。

圖2 電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測終端原理框圖

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)

未來的通信網(wǎng)絡(luò)將不再局限與某省的一個電鐵沿線范圍，而是可以跨省互連；網(wǎng)絡(luò)不再局限于電鐵電能質(zhì)量的監(jiān)測，而是與城市電網(wǎng)、工業(yè)集中區(qū)等領(lǐng)域的電能質(zhì)量監(jiān)測融合，實現(xiàn)最少投入，最多產(chǎn)出。網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)將更加安全，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點、訪問節(jié)點、數(shù)據(jù)中心節(jié)點的配置也更加靈活，不再局限于一省一目的一中心，而是根據(jù)不同時期的多種監(jiān)測需求，動態(tài)布置。

圖3是本文所研究的監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)框圖。網(wǎng)絡(luò)方式可以是因特網(wǎng)、電力系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)、撥號網(wǎng)絡(luò)等，或者是多種方式的組合；監(jiān)測終端根據(jù)需要配置于電鐵沿線全段或局部，同時兼容其他應(yīng)用如城市電網(wǎng)和工業(yè)集中區(qū)的監(jiān)測終端；數(shù)據(jù)中心可配置一個或多個，可自動進行數(shù)據(jù)庫的同步更新；可根據(jù)運行或故障分析需要通過授權(quán)終端隨時對某監(jiān)測終端和整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)測或事件分析。

圖3 電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)框圖

3.3 數(shù)據(jù)中心

未來數(shù)據(jù)中心的主要特點是標準化和應(yīng)用化。標準化的文件交互格式、網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議、數(shù)據(jù)庫接口、電能質(zhì)量的分析過程和輸出報表。在兼容國際標準的基礎(chǔ)上，也可以發(fā)展適合我國電網(wǎng)需求的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電能質(zhì)量有關(guān)標準。同時，結(jié)合實際需求開展各種應(yīng)用研究，提高對電能質(zhì)量的監(jiān)測和治理水平。

圖4是所研究的監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的功能實現(xiàn)層次結(jié)構(gòu)圖。由于監(jiān)測終端具有一段時間保存監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力，數(shù)據(jù)中心可定期或?qū)崟r訪問各監(jiān)測終端，以適應(yīng)不同的通信帶寬條件。數(shù)據(jù)庫保存監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的原始線路波形數(shù)據(jù)和國家標準規(guī)定的關(guān)鍵電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需要進行提?。煌ㄐ艑拥腤EB客戶端負責對各監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)訪問和參數(shù)設(shè)置，WEB服務(wù)器端負責網(wǎng)絡(luò)上授權(quán)的終端對數(shù)據(jù)庫進行訪問；業(yè)務(wù)層除了具有完整的區(qū)域電能質(zhì)量分析和報告的常規(guī)功能，還有區(qū)域電網(wǎng)暫態(tài)事件的綜合分析能力 （基于智能監(jiān)測終端的同步數(shù)據(jù)采樣），可自動在暫態(tài)事件發(fā)生后進行有關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)的收集、分析和報告。

圖4 電鐵電能質(zhì)量數(shù)據(jù)中心層次結(jié)構(gòu)

3.4 電能質(zhì)量

在智能的監(jiān)測終端、先進的通信網(wǎng)絡(luò)、規(guī)范的數(shù)據(jù)中心的支持下，在不斷完善的電能質(zhì)量監(jiān)測標準的指導(dǎo)下，未來的電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測將能實現(xiàn)跨省、跨線甚至全國范圍內(nèi)的統(tǒng)一布局和管理。通過對全面的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，電鐵的電能質(zhì)量問題治理也將更加合理和深入。

4 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，電鐵的發(fā)展勢頭越來越猛，電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的需求也就會越來越迫切。以我國現(xiàn)有技術(shù)水平而言，多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)還處于研究和應(yīng)用的初步階段，但發(fā)展勢頭良好。作為保障電網(wǎng)安全運行的重要監(jiān)測環(huán)節(jié)，作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)需要系統(tǒng)的設(shè)計和研究、需要不斷的完善，更重要的是要不斷地得到應(yīng)用和推廣，在應(yīng)用中發(fā)展、在應(yīng)用中完善，從而使我國在該領(lǐng)域的技術(shù)能力和知識產(chǎn)權(quán)實力迅速達到國際領(lǐng)先水平。

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