王灿，宋永，宁志毫，张可人，张斌，罗潇

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410015)

湖南电网电能质量智能化监测分析系统

王灿1，宋永2，宁志毫1，张可人1，张斌1，罗潇1

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410015)

介绍了湖南电网电能质量智能化监测分析系统，该系统包括电能质量监测管理、电能质量评估和电能质量预测与预警等3个模块，实现了湖南电网电能质量干扰源的管理、监测和智能化分析，可为保障电网的安全经济运行提供重要支撑。电能质量监测管理模块实现了干扰源监测点的管理和监测数据的实时展示；电能质量评估模块可进行电压偏差、谐波、三相不平衡、频率偏差、电压波动与闪变等单指标评估，还建立了基于短板效应的电能质量综合评估单元，可反映某地区电网的电能质量整体情况。此模块还可对电气化铁路、直流换流站、新能源发电、非线性大负荷等进行专项电能质量分析；电能质量预测与预警模块可依据大量历史监测数据，利用灰色预测、线性回归预测和随机时间序列预测等智能算法，对相关电能质量指标的进行预测，并且对未达到指标要求的区域或重要用户群进行预警，以提示可能的电能质量风险。

电能质量；监测；评估；预测和预警

近些年，随着电力电子器件的广泛应用，湖南电网中非线性电能质量干扰源日益增加〔1－2〕，接入的电压等级也越来越高。以风电场为代表的新能源发电快速增长，截止2016年10月底，湖南并网风电场32座，总装机容量达到1 984 MW，主要接入110 kV电网。随着高速铁路快速发展，湖南电网牵引站数量逐步增加，目前湖南电网共有牵引站约76座，其中42座并入220 kV变电站，34座并入110 kV变电站。±800 kV酒湖特高压直流预计2017年建成投运，湖南湘潭换流站将接入鹤岭、云田、古亭和船山4个500 kV变电站。传统冶金、化工等大负荷用户仍然广泛的接入各个电压等级层面的电网。

为实现湖南电网电能质量干扰源的管理、监测和智能化分析，避免电能质量事故的发生，保障电网的安全经济运行〔3－5〕，国网湖南省电力科学研究院建立了电能质量智能化监测分析系统，实现了于不同厂家电能质量监测设备的数据采集与监测、电能质量数据存储与智能化分析等功能。目前电能质量智能化监测分析系统共接入电能质量监测设备146台，覆盖了101个变电站的146线路，其中枢纽变电站高低压母线4台，电气化铁路127台，风电场9座，电弧炉等大负荷6个。下一步，将继续增加系统的监测点数，实现直流换流站，风电场、光伏电站等新能源，电弧炉、中频炉等干扰源用户，精密加工、数据中心等敏感重要用户的全覆盖监测。

1 系统体系构架

湖南电网电能质量智能化监测分析系统是3层式结构，即监测终端、地区监测子站和省级监测主站，系统体系构架如图1所示。

图1 系统体系构架

电能质量监测终端对电压、电流等数据进行实时监测；各地区级电能质量监测子站采集现场监测终端中的监测数据，并由文件服务器中的数据解析程序解析得到原始监测数据，其后由数据处理程序计算各项指标的特征值，并将原始数据按文件分块机制，以追加形式压缩后写入本服务器硬盘，形成文件索引；各地区级电能质量监测子站将处理后的原始监测数据通过电力专用通信网络光纤传送省级监测主站，省级监测主站服务器对原始监测数据进行智能化分析。

2 功能模块分析

湖南电网电能质量智能化监测分析系统主要包括电能质量监测管理、电能质量评估和电能质量预测与预警等3个模块，各个功能模块构架如图2所示。

图2 功能模块构架

2.1 电能质量监测管理模块

图3 某监测点的实时波形

电能质量监测管理模块主要实现监测点电压、电流波形的实时展示，如图3所示，并生成电能质量实时数据报表等功能。与此同时，还具备监测点管理、电能质量干扰源档案管理、电网设备台帐、电网拓扑管理等功能。

2.2 电能质量评估模块

2.2.1 稳态评估

对于稳态评估，根据不同需求，该系统既可以进行单项指标评估，又可以进行多项指标的综合评估。

1)单指标评估

电能质量稳态单指标评估包括电压偏差、谐波、三相不平衡、频率偏差、电压波动与闪变等。对于每个指标，既可给出任意时间段的趋势图，又可生成数据统计报表，数据形式包括最大、最小、平均、95%概率值等，并可依据标准规定的限值水平给出是否越限结果。

2)综合评估

电能质量是一个多指标的综合体，为了反映某地区电网电能质量的整体情况，有必要对电能质量进行合理的综合评估〔6－7〕，主要是将电能质量的多个指标进行综合量化，得出一个量化的描述，其最终结果以电能质量的综合指标或综合等级进行表现。

本系统建立了基于短板效应的电能质量综合评估模块，其主要包括以下几个步骤:

①将谐波电压总畸变率、电压偏差、电压波动与闪变、频率偏差以及三相电压不平衡度5个实测评估指标的CP95值与其所在电压等级的标准限值相比，得到归一化标幺值，以表征单指标对设备造成的影响程度。

②利用各单项指标归一化标幺值进行综合评估计算。如果5个单项指标归一化标幺值均小于1，则综合评估值为其当中的最大值；如果5个单项指标归一化标幺值中存在大于1的值，则综合评估值IG＝1＋∑n

(Ii－1)，其中，Ii代表大于1的单项指标归一化标幺值，n为大于1的单项指标归一化标幺值的个数。

③进行综合等级划分。综合评估值大于0小于2/3为优等级；综合评估值大于2/3小于1为良等级；综合评估值大于1小于2为中等级；综合评估值大于2小于5为差等级；综合评估值大于5为劣等级。

另外，依据单个监测点电能质量综合评估值，还可进行分电压等级、分区域的总体电能质量综合评估，其值为评估范围内所有监测点电能质量综合评估值的算术平均值，如图4所示。

图4 总体电能质量综合评估示意图

基于短板效应的电能质量综合评估方法，湖南省14个地市公司某日的电能质量综合评估结果如图5所示。

图5 湖南省14个地市的电能质量综合评估结果

2.2.2 暂态评估

暂态评估包括暂时过电压和瞬态过电压、电压暂降与短时中断事件，可以直观地反映一段时期内，监测点电压暂态事件的发生情况，主要反映事件发生的次数在幅值和持续时间上的分布。

2.2.3 专项分析

进行电气化铁路、直流换流站、新能源发电、非线性大负荷等专项电能质量分析，具体包括:

电气化铁路:开展电铁 (高铁)电能质量稳态/动态特性及其对电网和其他设备的影响分析、不同车型的特性比较和不同供电变电站的电能质量水平比较等。

直流换流站:开展不同输送功率、运行方式下的电能质量特性分析、交直流侧相互影响分析、对电网各电压等级电能质量的影响分析等，有助于采取有针对性的应对措施，降低交直流电网的交互影响。

新能源发电:开展大规模风电、光伏发电的动态电能质量特性分析，新能源发电的波动性和间歇性对电网的影响分析，暂态事件对风电、光伏发电的影响分析等。

非线性大负荷:研究冶金、化工、电解等非线性大负荷的用电特点、电能质量特征，建立动态更新的负荷模型库等。

2.3 电能质量预测与预警模块

该模块可依据电能质量监测系统中的大量历史监测数据对相关指标的进行预测，对未达到指标要求的区域或重要用户群进行预警，以提示可能的风险，对于电能质量问题实施防范措施，预防问题的发生具有重要的意义〔8〕，具体预测与预警流程如图6所示。

图6 电能质量预测与预警流程

电能质量预测主要有灰色预测算法、线性回归预测算法和随机时间序列预测算法等3种。灰色模型预测算法在建模时无需计算统计量特征，当电能质量历史数据非线性变化时，仍然适用，且要求的电能质量数据量少，不必考虑其分布规律和变化趋势，预测精度高；线性回归模型预测算法的优势在于模型参数估计算法成熟，计算原理与结构形式简单，对历史上未出现的电能质量状况有较好的预测。随机时间序列模型预测算法则充分考虑了电能质量数据在时间上关联性，所需电能质量指标数据量少，且能够准确反映电能质量近期变化的连续性。

本系统建立了基于上述3种预测模型的均值优化预测模型，综合了3种预测算法的优势，提高电能质量预测结果的准确性。

对于预测数据超标的情况，本模块提供用户自定义电能质量预警功能，即用户可根据超标的严重程度，自己设置不同等级的预警阀值。另外，为适应电能质量多级管理模式，可以分级设置报警，即发生在不同层级的电能质量问题，通过手机短信、电子邮件等形式向不同人员发送报警信息。

3 结论

全文介绍了湖南电网电能质量智能化监测分析系统，其具有如下主要功能:

1)干扰源电能质量监测管理:可实现监测点电压、电流波形的实时展示，生成电能质量的实时数据报表等。

2)电能质量评估:可实现单指标评估、基于短板效应的综合评估以及专项电能质量分析等。

3)电能质量预测与预警:可实现基于灰色预测、线性回归预测和随机时间序列预测等智能算法的电能质量预测，对未达到指标要求的区域或重要用户群进行预警

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Intelligent Power Quality Monitoring and Analysis System for Hunan Grid

WANG Can1，SONG Yong2，NING Zhihao1，ZHANG Keren1，ZHANG Bin1，LUO Xiao1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410015，China)

This paper introduces an intelligent power quality monitoring and analysis system for Hunan grid，which includes monitoring management module，assessment module，forecast and warning module.In this system，management，monitoring and intelligent analysis of interference sources are realized to prevent power quality accidents，which can provide important support to ensure the safe and economic operation of power grid.In the monitoring management module，the statistics of interference sources and real-time display ofmeasured data are implemented.In the assessment module，not only evaluations of voltage deviation，harmonic，three-phase imbalance，frequency deviation，voltage fluctuation and flicker are implemented，but also power quality comprehensive evaluation based on the short board effect is established which can reflect the power quality level of a district power grid.The special power quality analysis of electrified railway，the HVDC converter station，the new energy power generation，and nonlinear loads.In the forecast and warning module，the power quality prediction can be implemented based on a large amount of historical monitoring data，using some intelligent algorithms such as the grey prediction，linear regression prediction and stochastic time series prediction，and the warning will be given when the power quality do not meet the requirement to avoid the potential risk.

electric energy quality；monitoring；assessment；forecast and warning

TM711

:B

:1008-0198(2017)02-0056-04

2016-09-26 改回日期:2016-11-26

国网湖南省电力公司科技项目 (5216A514003G)

王灿(1986)，博士，主要从事电能质量分析与控制、新能源并网检测与性能评价、高压直流输电技术等方面的工作。

宋永(1985)，主要从事电能质量、变电运维管理等方面的工作。

宁志毫(1983)，博士，主要从事电能质量分析与控制、新能源并网检测与性能评价等方面的工作。