电网电能监管平台
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引言
随着电网结构和负荷构成的变化以及电力用户向高可靠性、优质供电和合理电价的需求转变［1］，特别是智能电网的提出［2-3］，提高电网电能质量已成为保证电力系统安全稳定运行和满足用户要求的迫切需要。目前，在电能质量管理方面，我国实行“谁污染谁治理”、“统一电能质量标准”等原则，没有电能质量经营的想法。建立电能质量市场体系能够提供一个高效合理解决电能质量问题的有效途径，该市场体系具有利益刺激、资源优化配置、市场导向、价值评估和奖优罚劣的功能，而电能质量市场体系建立的基础和平台是电能质量监测系统，并且完善的电能质量监测系统可为电网优化、事故分析、电能质量评估提供切实可靠的数据依据，是电力企业面向市场适应竞争的有力手段［4］，因此，开发智能化的电能质量监测系统具有重要意义。与传统电能质量监测系统相比，电能质量智能管理平台在功能上有了明显改善。通过采用先进的数据挖掘技术和智能算法，该平台可实现电能质量问题的分析、故障源定位和自动识别、电能质量评估及治理等一系列功能，为治理电能质量问题和建立电能质量市场提供了有效保障［5-6］。电能质量智能管理平台较强的功能性体现在：电能质量评估功能，为供电方和用户提供形象化的电能质量水平状况；电能质量预警功能，可对电能质量问题做到及时预警；薄弱环节／干扰源识别模块可找出配电网中影响电能质量水平干扰源，进而提出合理的解决措施；平台可以为电网规划建设和事故分析提供可靠历史数据；高智能的专家系统可以提供综合解决电能质量问题的建议，并可利用仿真工具校核改进措施，为供电部门实际应用提供参考。最后，依据电能智能管理平台功能性和用户电力技术的快速发展，本文提出将该平台与优质供电区结合的应用构想。
1电能质量智能管理平台
1.1电能质量监测系统的发展趋势目前，国内电能质量监测正处于专门测量和定期或不定期监测阶段，电能质量实时监测也尚处于试点阶段。随着计算机通信技术、网络技术和数据库技术等迅速发展，电能质量监测系统正朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化方向发展，电能质量监测系统不断完善有利于电网经济运行和电力信息技术发展。电能质量监测的发展主要经历了如表1所示的几个阶段，未来电能质量监测系统的发展，应围绕2个方面逐步完善：其一，从保证电网安全、稳定、经济运行角度，电能质量监测系统应能及时发现电网存在的潜在电能质量问题隐患，同时对已发生的电能质量事件能进行更科学的分析，进而采取合理的治理措施，予以防范；其二，从电能作为商品意义上而言，应该本着对电网用户负责的态度，全程监视这一特殊商品的产、供、配、用环节，同时，在电能质量市场交易中，电能质量监测系统能为制定不同等级的电价提供参考依据，在满足用户不同电能质量水平需求基础上，实现交易的公平和合理性，从而促进电力资源的优化。
1.2平台建立的意义建立电能质量管理平台，正是顺应电能质量监测系统网络化和智能化的方向，体现从深层次角度解决电网电能质量问题。建立电能质量智能管理平台具体意义有以下方面［7-11］。a.对配电网电能质量监测和评估是解决电能质量问题，提高配电网电能质量水平的第一步。对各种电能质量指标进行实时监测与评估，可以实现对电力系统基本运行工况的观察、记录及动态分析。b.具备电能质量事故诊断能力。针对具体的电能质量指标水平特征，完成对配电网干扰源的识别、提取和分析，可为实施治理电网污染的具体措施提供依据。c.可以更好地满足不同用户的电能质量需求。通过提供电网特定区域内单个指标或综合电能质量水平和电能质量水平的未来趋势，以及对重点电能质量指标的预警，可以更好地保证电力用户生产的正常运行，提高电力公司社会形象。d.提供建立电能质量等级服务标准和检验供电部门是否履行合同约定的技术和数据基础。对配电网电能质量水平全面评估，可以使梯级电价的制定更合理，促进电力资源的优化。在现有电能质量监测系统的基础上，此平台主要在监测系统数据处理环节做了改善。通过现有通信传输协议（LAN／WAN），电能质量监测设备上传监测到的电能质量各项指标数据。通过电能质量数据通道，电能质量智能管理平台下载分析所需数据，其中数据以公认的PQDIF格式上传。经过平台功能模块处理，可以得到供电部门和用户所需电能质量报表，该平台可纳入现有的配电管理系统中。其系统框架如图1所示。
2电能质量智能管理平台架构电能质量智能管理平台通过对配电网关键连接点和重要用户接入点的电能质量监测数据智能分析，可全面快捷地为供电部门和电网用户提供如下信息：a.监测时间内，配电网完整的电能质量单项和综合指标报表；b.特定区域监测时间内，电能质量指标预警情况报表；c.配电网内谐波潮流情况；d.配电网薄弱环节和干扰源识别报表；e.未来时段电能质量趋势预测图；f.故障时段，电能质量诊断结果；g.全面合理的电能质量综合治理建议。
2.1平台功能介绍电能质量智能管理平台功能如图2所示。管理平台主要分4个模块：数据传输层是平台数据基础来源，可以是配电网电能质量监测设备或软件仿真上传的电能质量数据；作为平台重要组成部分，功能模块对监测数据进行智能分析，进而得到所需电能质量水平信息，功能模块分电能质量评估、电能质量预警、谐波潮流、扰动源识别、电能质量趋势预测、综合管理措施6个部分，各个模块可相互配合，分析结果信息为其他模块共享；查询系统模块主要是对历史报表的存档，为应用层解决电能质量问题服务；应用层模块为供电部门进行技术检修和供电规划等实际应用提供技术支持。下面给出各功能模块的实现策略。
2.1.1电能质量评估模块电能质量评估，主要依据电能质量国标标准进行评估，评估可分实时和离线数据评估，电能质量指标评估可以分为：系统评估、单项评估、定制评估和专业技术评估等［12］。供电部门可以针对用户关心的指标进行重点监测。该平台电能质量评估分为单项指标和综合评估［13］。现有电能质量综合评估方法有：模糊综合评判方法、模糊统计与矢量代数方法、模糊模式识别方法、物元分析法、人工神经网络法和遗传投影法等［14］。本平台采用基于灰色理论的电能质量评估［15］，该方法保留了电能质量数据的特征，克服模糊评估方法中模糊区间确定时的人为依赖性，具有较好的评估准确性，并采用组合赋权确定电能质量指标的权重，线性加权熵值法和改进的AHP方法权重结果，可以获得更加科学的各指标的权重值。
2.1.2电能质量预警模块电能质量预警模块主要针对正常运行时电能质量数据的挖掘。对出现电能质量指标异常或超标的相关线路及时给出预警，专家系统针对预警情况，发现电网潜在的电能质量问题，并进行扰动原因识别，从而做到对电能质量问题早发现、早解决。预警模块将由电能质量问题引发电力事故的可能性降到最低，可提高重点用户电能质量水平。电能质量预警分为稳态和暂态指标预警，预警流程分别如图3和图4所示。稳态指标包括电压偏差、电压总谐波、电压三相不平衡度等，暂态指标主要针对电压暂降。由于暂态指标无相关国家标准设定预警阈值，主要依据电压暂降历史数据记录和电网运行经验来确定预警等级阈值。预警从轻微到严重分4个等级：一级黄色警告、二级橙色警告、三级红色警告、四级特级警告，分2种情况（超标和异常）给出，指标异常为一级、二级警告，指标超标依据超标次数分三级、四级警告。电能质量预警分为3个层次进行：指标超标次数判别、95%概率值判别、滑动窗口异常判别。电压暂降预警严重程度制定依据：电压暂降次数较多；单次电压暂降深度较大和持续时间较长。可依据用户设备电压暂降容限来确定电压暂降限值。
2.1.3谐波潮流模块谐波分析是电能质量分析的重要组成部分，现代工业大规模发展以及大功率电力电子器件的广泛应用，给现有供配电系统带来大量谐波污染，对电力系统进行谐波潮流计算，分析其谐波水平状况，可以更有效治理电网谐波。谐波潮流流程图如图5所示。谐波潮流计算模型，采用基波与谐波部分解耦潮流算法［16］，进行三相谐波潮流计算。b.谐波评估。利用谐波潮流计算结果，评估谐波和谐振以及干扰程度，研究谐振传播的范围，确定电网“谐振中心”及谐振涉及的主要元件。c.报表。结合公用电网谐波标准，集成优秀的报表开发工具，产生谐波分析规范报表，为技术运行人员提供可视化数据。d.谐波治理环节。依据评估结果和相应报表，专家系统给出合理的谐波治理措施，校核滤波器参数，并重新评估谐波治理情况。
2.1.4薄弱环节／扰动源识别模块对电能质量污染源进行监测，可为分析电能质量问题和实施治理措施提供有效数据［17］，电能质量扰动源定位可以明确供用电双方的责任［2］。平台进行薄弱环节／扰动源识别实施策略如下：a.分析某一地区设定时间内单项和综合电能质量评估水平中电能质量指标较差的结点；b.进行相关区域干扰源统计，建立干扰类型库、专家系统进行干扰相关度的识别；c.提出综合解决措施，在软件仿真环境下校核改善措施。该模块可为负荷接入电网提供入网标准［18］，目前相关工作正在开展。
2.1.5电能质量趋势预测模块对特定区域进行定期电能质量预测，有利于掌握配电网电能质量水平走向，及时发现潜在的电能质量问题，同时与预警模块配合可更准确地跟踪配电网运行情况，更好地保证重要用户供电，且有利于电网规划和电能质量决策的制定。未来配电网电能质量水平预测，主要依据三大支撑：历史数据库的数据、未来时段关键设备运行状况和合理的预测模型。其中未来时段关键设备运行状况主要指对电能质量影响较大的设备投运状况，例如：特定线路检修和投运情况，大型负荷接入情况和大型污染源运行状况，预测模型采用人工神经网络、专家系统、模糊网络等技术来建立。电能质量趋势预测的正确性很大程度上依赖于电能质量预测模型正确性、历史数据参考全面性以及未来时段关键设备投运信息准确程度。
2.1.6综合管理措施模块与传统电能质量监测系统相比，电能质量智能管理平台优势在其综合管理层：结合电能质量评估、电能质量预警、趋势预测和谐波潮流模块的分析结果，依据用户不同电能质量需求，综合管理层给出配电网综合治理建议，并通过软件仿真评估治理建议，为配电网实施电能质量措施，提供可靠参考。
2.2动态仿真模块分布式电源、电气化铁路和非线性负荷等接入电网，对配电网带来了谐波、三相不平衡和电压暂降等电能质量问题，严重影响电网中其他用户正常生产，故有必要对负荷接入引起的电能质量问题进行研究。动态仿真模块通过软件（MATLAB／PSCAD）环境下建立多种分布式电源、电气化铁路、非线性负荷等模型，可以分析其波动性对配电网中敏感设备用户的影响。例如：风力发电中风速的间歇性对配电网电能质量的影响，电气化铁路启停阶段引起电能质量问题的严重程度等。同时，该模块可以依据平台综合管理模块给出的治理建议，动态仿真电能质量补偿设备（DVR、STATCOM、APF）对电能质量问题改善情况，动态仿真模块的仿真结果，可为薄弱环节／扰动源识别模块分析提供数据支持，与电能质量评估模块配合可为研究分布式电源如何更好并网和减少电气化铁路并网带来的电能质量影响提供参考。同时，仿真可促进综合管理建议模块给出的建议更加科学化，进而促进资源更合理利用。
3电能质量智能管理平台应用前景
3.1优质供电区用户电力技术作为综合解决电网各种电能质量问题的有效办法，其实现途径为［19］：以用户对供电可靠性和电能质量的要求为依据，将用户进行敏感等级划分，利用各种补偿措施来解决电能质量问题。优质供电区是依托用户电力技术实现的一种新型供用电方式［20］：在一个指定的区域内，通过一系列的手段提供不同的电能品质来满足不同电力用户的需求，用户可以选择不同等级电能质量，支付不同等级的电价。优质供电区建设的主要技术支持方案见图6。优质供电区可提供不同电能质量等级电能，如普通、良好、优质供应等，可以满足不同用户优质供电需求，同时可提供不同类型（直流或交流）电力需求供应。优质供电区可应用于医院、学校、银行、工业园区等对国家经济、社会生活有重要影响的场合，具有较好发展前景。
3.2平台与优质供电区结合电能质量智能管理平台可以为优质供电区的正常运行提供必备技术支持。平台单项指标评估和综合评估可为优质供电区实现电能优质优价、供电部门和用户制定供电协议提供数据依据。对电能质量的预警和趋势预测，有利于供电部门对供电区电能质量水平未来发展有一个客观把握，在线的电能质量预警有利于保证重要用户的供电。预警功能可以及时发现网络中隐含存在电能质量问题，并采取措施减少电能质量事件发生。智能管理模块加入专家系统和软件的动态仿真，可以客观评估改善措施的效果，从不同的角度研究供电的优缺点，为优质供电区的规划建设提供参考建议。因此，电能质量智能管理平台与优质供电区结合，具有较好的发展前景。目前，平台和供电区的结合规划正处于试点阶段，对试点地区电能质量成果的展示，有利于平台推广和功能的完善，同时较好地改善了电能质量问题，有利于优质供电区建设，进而减少因电能质量问题引起的损失。
4结论
智能化管理平台可以提高配电网电能质量预警和解决电能质量问题能力，促进智能电网环境下配电网电能质量水平提高，使改善措施更加合理化，进一步满足用户的电能质量需求，该平台结合电网用户的电能质量需求，更有利于用户参与电能质量管理，从而加强自身监管，减少电网供电压力，该平台对社会大众公开，可以加强电力部门对供电网用户监管，更有利于实现电能质量优质优价，实现资源合理配置。