基于Internet的电能质量监测与分析系统的研制_赵文韬

基于Internet 的电能质量监测与分析系统的研制赵文韬,王树民,朱桂萍,潘隐萱(清华大学电机系,北京市100084)摘要:计算机网络技术的发展,为不同地点供电系统电能质量的远程集中监测和分析提供了有效的手段。

论述了基于Internet 的供电系统电能质量的监测与分析系统,主要包括利用GPS 授时技术进行多点同步采样,利用Windo w s N T2000和IIS 建立网络平台,利用SQL Serv er 数据库管理供电网络运行数据,使用多种分析软件对供电系统的电能质量进行仿真分析,并提出治理措施。

该系统可为供电系统的安全运行提供保障。

关键词:电能质量;谐波;GPS;Internet 中图分类号:TM 93;TP274收稿日期:2001-08-02。

0　引言供电系统的电能质量直接关系到供电系统的安全运行和用户的用电安全。

供电系统电能质量的监测和评估是对供电系统进行治理进而改善其电能质量的前提条件。

当前国内供电系统电能质量的监测分析大多采用综合的电能质量分析仪或谐波分析仪等。

这些专用测量仪器只能进行同一地点的现场相关电量的测试,对同一供电系统不同地点相关电量的同步测量及测量数据的传输和集中分析、评估则难以进行。

因此,建立供电系统电能质量的远程、集中监测与分析系统,对影响供电系统电能质量的波形畸变、电压波动和闪变、三相电压和电流的不平衡度等指标进行全面仿真分析,对保证供电系统的安全运行,具有重要的理论和实际意义。

Inter net 技术的发展实现了远程数据交换,为供电系统电能质量的远程监控和分析系统的建立提供了有效的手段。

该系统有以下特点:①可以实现同一供电系统、不同地点的电能质量监测,也可实现多个不同供电系统的集中监测;②对系统电能质量进行多层分析和评估;③对存在的电能质量问题提出合理的治理措施。

国外从20世纪80年代起就把人工智能和专家系统成功地应用到电厂状态监测与故障诊断技术中,产生了巨大的经济效益[1]。

国内的一些科研院所也相继推出了类似的基于网络的分布式监测系统[2]。

本文构建了基于网络的供电系统电能质量监测和分析系统,其技术关键在于:a .使用GPS 技术保证采样数据的同步性和准确性;b .构建网站,提供友好、方便的远程诊断网络;c .使用工程数据库系统管理大型网络运行数据和分析结果;d .V B和V C 等多种编程工具的结合提高了程序的运行效率。

1　系统结构电能质量监测与分析系统整体的逻辑结构如图1所示。

图1　系统逻辑结构Fig .1　Logic architecture of the system同步采样装置:要求将不同地点电网电压、电流瞬时波形记录下来,并且在采样数据中加上时间标签,以便于服务器端进行电能质量的相关分析。

客户端:软件主要包括浏览器、文件上载工具、文件压缩工具,采用客户端编程,将带有时间标签的采样数据进行压缩后上载到远程服务器端,同时可以下载服务器端的计算结果。

服务器端:提供WWW 方式的页面浏览服务,可进行用户信息查询和反馈信息给用户。

服务器通过数据库管理各用户电网的设计数据和运行数据,并且安装有计算软件包,可进行谐波无功治理计算、电气化铁道分析、电弧炉负载的分析等。

该系统采用典型的客户/服务器模式,以尽量降低客户端的配置要求。

根据客户提供的系统接线图,生成系统计算模型,再利用客户端提交的采样数据,692002年3月25日M ar.25,2002对系统电能质量进行分析和处理,并提出治理方案,最后将分析结果及治理方案返回给客户端。

系统拓扑结构如图2所示。

图2　系统拓扑结构Fig .2　Topology structure of the system2　同步采样装置采样装置负责实时记录电网电压、电流波形。

仿真系统需要比较同一时刻不同采样点之间的数据,要求数据同步,一般的测量装置难以满足这个要求(见中华人民共和国国家标准化指导性技术文件《电磁兼容　限值　中高压电力系统中畸变负荷发射限制的评估》(GB /Z 17625.4-2000))。

采用GPS 精密授时技术,可以解决这一问题。

GPS 卫星都安装有4部高精度原子时钟,并通过卫星广播的形式向全世界的用户发送卫星电文。

用户的GPS 接收机每秒接收一个来自GPS 卫星的数据报文,通过GPS O EM 板的硬件解码和计算,可以得到观测点现场的时间、经纬度、各方向速度、海拔等信息,从中可以提取出时钟信号。

根据M arco ni 公司的《Allstar User 's Manual 》资料显示,这种时间的精确度在95%的概率下为1μs 。

将这个时钟信号加入到采样的数据中,就可实现不同监测点采样数据的同步。

采样原理如图3所示。

图3　同步采样装置原理图Fig .3　Synchronized sampling equipment仿真计算要求分析到100次谐波,根据取样定理,要求采样频率至少为10k Hz(50Hz ×100×2),即采样的时间间隔为100μs,可以看出,GPS 的授时精度足以满足分析的要求。

由于只接收GPS 时间信号,所以可以选用较低档的天线和O EM 板。

我们选用的是Marco ni 公司的CM C SU PERS TAR O EM ,性能可靠,定时精度为1μs 。

GPS 接收机可能出现卫星失锁的问题[3]。

因此,利用接收机接收GPS 卫星的时钟信号,同时采用高精度恒温晶振驱动累加器,由GPS 产生的每秒脉冲信号定时对累加器清零。

当GPS 不同步或接收信号有误时,由晶振对累加器清零[4]。

采样端初步实现了对数据添加时间协议字段的功能,但要形成完整、可靠的采样装置,还有待以后工作中不断加以改进和完善。

3　客户端软件网络带宽限制了采样数据文件的大小。

以下对采样数据文件的大小进行估算。

若采样1h 即3600s,采样时间间隔100μs,每秒采样5个周期共100m s ,每个数据使用4个字节(浮点型)。

则数据总长为14.4M B(4×3600×100×10-3/(100×10-6))。

由于采样数据的特殊性,经普通的zip 压缩后,就可得到压缩比很高的压缩文件(压缩比可达2%)。

经压缩后的数据允许在网络中即时传播。

客户端需具备文件压缩和上载的工具,并允许客户端访问服务器端的计算结果和信息。

相关的程序用Java 语言编制,并嵌入网页中,当用户登录到服务器网站时自动下载。

网页上同时包含一些程序片,可对采样数据先进行前期处理和简单分析,这样就充分利用了客户端的资源。

4　服务器端软件4.1　页面服务软件服务器通过网页与用户交互,接受用户提交的数据,并向用户反馈分析结果,动态页面由ASP 程序实现。

我们为客户端提供的页面服务选用的是微软的IIS 套件。

4.2　数据库管理软件电能质量监测与分析系统需处理大量的数据,如采样数据、客户供电系统参数、计算结果、国家标准等。

对这些数据的科学管理直接影响该系统的性能,为此,我们采用数据库系统,提供了对大规模数据的高效、可靠的管理。

选用SQL Server 7.0作为底层的数据库支持,用Visual Basic 开发数据库查询和管理的界面。

数据库包含以下数据表:a .用户账户信息表存储用户名、密码、单位等基本信息,用以识别不同的用户;b .用户网络结构表存储用户网络拓扑结构的数学模型及各参数;70c .采样数据表存储各采样点经过FFT 分析以后得到的频谱信息,不同于原始采样数据;d .计算结果表存储各次分析计算的数据结果以及治理建议的设计值;e .国家标准,这是评估电能质量状况的依据。

根据计算结果和标准,可以得出运行状况的评价报告,并绘制相应表格。

4.3　计算分析软件4.3.1　软件模块电能质量仿真分析涉及到基波功角、电压波动、电压偏移、闪变、电网频率波动、电压波形畸变率、三相不平衡度等方面。

我们目前完善并开发了针对供电系统波形畸变与无功补偿的相关软件,包括:a .时间协议软件:执行对原始采样数据的拆包过程,从中提取出时间信息,根据用户指定的时间段调用FFT 软件进行谐波幅值和相位的分析。

其计算结果直接存储到数据库中的采样数据表内。

本软件已经通过了协议测试,可以应用到实际的采样数据分析中。

b .基、谐波分析软件:根据网络的拓扑结构,抽象成矩阵形式,便于进行多种运算。

此类软件主要针对三相对称的情况,其算法目前已经比较成熟。

它是在已有的计算软件基础之上,添加了对数据库进行存取操作的功能,使它与系统有机地结合起来。

c .电气化铁道分析软件:电气化铁道三相不对称,且情况比较特殊,网络结构相对简单,我们开发了专用的软件进行分析和计算。

d .谐波无功治理软件:这是根据前面的运算结果做出治理决策的核心部分,也是计算软件开发的重点。

主要利用添加滤波器的方法进行功角校正和谐波治理。

部分引入了专家系统的概念,在设计和治理的过程中尽量减少人工干预,从现有的知识库中提出最优的解决方案。

首先分析供电网络的基波潮流分布,确定基波的功角值,从而定出基波治理的无功补偿容量;同时由现场采样的数据分析网络的谐波含量,得出主要母线的频谱分布,可由此选取应当使用的滤波器数量及类型。

软件系统在综合考虑了基波、谐波的要求,经过多次的修正和校验之后,最终定出符合国家标准的治理方案,并生成设计结果报表。

其设计流程如图4所示。

4.3.2　软件具体实现Visual Basic (简称V B )是一种可视化的面向对象的编程语言,利用V B 开发界面友好、操作方便的软件只需很短的时间。

但是V B 运行速度较慢,对于计算量偏大的电力系统问题,VB 的计算速度难以满足实际要求。

而Visual C ++(简称V C)语言是最图4　滤波器设计流程图Fig .4　Flow chart of f ilter design流行且最高效的面向对象语言,许多应用程序都是使用它编写而成。

因此,利用VB 调用V C 语言程序,就是一种很好的针对科学计算的解决方案。

具体实现中,我们使用如下方案:利用V B 开发数据库查询管理的界面和各计算模块的应用界面,然后利用VC 开发各计算分析模块的动态链接库(DLL ),最后在V B 开发界面下添加对外部函数的调用声明,此时在V B 环境就可直接调用采用V C 编写的程序。

5　结语本文提供了一种利用网络技术进行电能质量监测和分析的系统结构。

探讨了其中所用到的主要硬件和软件技术,以及从数据采样、数据传输、运行分析到结果反馈的全过程,初步建立了基于Internet 的供电系统电能质量监测与分析系统。

本系统尚处于试验性阶段,系统软硬件在最后调试中,其实时监测的功能受到数据量、网络带宽和计算复杂性的限制。

整个系统还需要在以后的应用过程中逐步完善。