摘要：自電能產(chǎn)生以來(lái)，它在一定程度上加速了社會(huì)發(fā)展。作為商品，電能的質(zhì)量是衡量其價(jià)值的關(guān)鍵，且不同用戶對(duì)電能質(zhì)量的需求各異。因此，開(kāi)展相關(guān)研究，提出切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理且易于實(shí)施的效能優(yōu)化方案，可為企業(yè)電能質(zhì)量管理提供科學(xué)決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高階電能質(zhì)量；在線監(jiān)測(cè)裝置；分析軟件；系統(tǒng)應(yīng)用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.057

中圖分類號(hào)：TM 930；TP 31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）09-0-03

Research and Application of High-order Power Quality Online Monitoring Device and System

YANG Zhonghua1， XUE Zhiguang2， ZHANG Xingkai1， DU Hongru1， LI Cheng1

（1. Guoneng Wuhai Energy Mining Area Hydropower Management Co.， Ltd.， Wuhai 016000， China;

2. Anhui Aixino Electrical Automation Co.， Ltd.， Hefei 230000， China）

Abstract： Since the advent of electric energy， it has accelerated social development to some extent. As a commodity， the quality of electric energy is the key to measuring its value， and different users have different requirements for the quality of electric energy. Therefore， it is necessary to conduct relevant research and propose practical， economically reasonable， and easy-to-implement efficiency optimization schemes to provide scientific decision-making basis for enterprise power quality management.

Keywords： high-order power quality; online monitoring device; analysis software; system application

0 引言

隨著變電站及配電系統(tǒng)線路不斷增多，電網(wǎng)系統(tǒng)供配電設(shè)備在不斷的更新，設(shè)備功率在不斷增加，用電設(shè)備的容量也越來(lái)越大；三相負(fù)荷不平衡、電力系統(tǒng)諧振接地等會(huì)產(chǎn)生負(fù)序，大功率整流和非線性設(shè)備等會(huì)產(chǎn)生諧波，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，嚴(yán)重威脅供電、用電設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 研究?jī)?nèi)容

本文介紹了一種創(chuàng)新裝置的研發(fā)成果，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)全天候不間斷的在線監(jiān)測(cè)，全面覆蓋電網(wǎng)的多種電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，包括但不限于諧波含有率、總畸變率、三相電壓不平衡度、閃變、電壓偏差、電壓波動(dòng)、頻率，以及各次諧波的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、相移功率因數(shù)、有效值、正負(fù)序、電壓暫降等關(guān)鍵指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一裝置的強(qiáng)大功能，我們專門研發(fā)了高階電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析軟件，并成功獲得了軟件著作權(quán)證書(shū)和軟件測(cè)評(píng)報(bào)告，確保了軟件的權(quán)威性和可靠性。該軟件支持在線分回路監(jiān)測(cè)分析，能夠?qū)崟r(shí)生成評(píng)分報(bào)告，同時(shí)提供按日、按月及分回路的查詢?cè)u(píng)估報(bào)告功能。生成月度分析報(bào)告是該軟件的另一大亮點(diǎn)，它涵蓋了安全用電分析、經(jīng)濟(jì)用電分析、告警分析等多重內(nèi)容，全面滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量管理的需求。報(bào)告還支持導(dǎo)出和打印，方便用戶進(jìn)行存檔和分享[1]?；陔娔苜|(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，我們的裝置和軟件還能為用戶提供合理的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化及治理建議，幫助用戶改善電能質(zhì)量，提升用電效率和安全性。

2 該裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理的功能特點(diǎn)

2.1 功能原理

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的核心競(jìng)爭(zhēng)力源自其內(nèi)置的高精度計(jì)量元件與前沿的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。這一系列先進(jìn)技術(shù)賦予了該裝置實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中多項(xiàng)關(guān)鍵電能質(zhì)量參數(shù)的能力，其監(jiān)測(cè)范圍廣泛，覆蓋了電壓、電流、頻率以及波形等多個(gè)方面。該裝置內(nèi)置的微處理器如同一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析引擎，能夠?qū)κ占降凝嫶髷?shù)據(jù)集進(jìn)行深度挖掘與精細(xì)分析。通過(guò)這一過(guò)程，該裝置能夠精確計(jì)算出各電能質(zhì)量參數(shù)的平均值、合格率等核心統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，并將這些寶貴的數(shù)據(jù)處理結(jié)果以清晰的數(shù)字信號(hào)形式輸出，便于用戶進(jìn)行進(jìn)一步的解讀與應(yīng)用[2]。此外，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置還配備了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能與智能報(bào)警系統(tǒng)，這意味著它能夠及時(shí)捕捉并記錄任何異常的電能質(zhì)量事件并迅速響應(yīng)，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行筑起一道堅(jiān)實(shí)的防線。這一綜合性的監(jiān)測(cè)與處理能力，使得電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置成為維護(hù)電力系統(tǒng)健康運(yùn)行不可或缺的重要工具。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

電能質(zhì)量裝置是一種對(duì)電網(wǎng)或者設(shè)備供電質(zhì)量及消耗電能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析的專用儀表，通過(guò)專業(yè)的分析軟件可以幫助用戶定位、預(yù)測(cè)、防止、診斷和排除配電系統(tǒng)的故障，并且能夠進(jìn)行長(zhǎng)期的負(fù)載研究分析和節(jié)能評(píng)估。依據(jù)不同的用途分別滿足A級(jí)或者S級(jí)精度，可用于測(cè)量計(jì)算閃變、電壓暫降、電壓暫升、中斷、瞬變、不平衡、諧波、間諧波、信號(hào)電壓、RMS有效值、功率、功率因數(shù)和電能量等電能質(zhì)量參數(shù)[3]。

其每周波1 024個(gè)數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣功能可以記錄電壓波動(dòng)、閃變、間諧波等瞬態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行異常電能質(zhì)量現(xiàn)象的測(cè)量、分析。采用獨(dú)特的PQZip數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，超過(guò)一年以上每一個(gè)20 ms電網(wǎng)周波的1 024個(gè)數(shù)據(jù)都被存儲(chǔ)，每一個(gè)周波的數(shù)據(jù)都可以被還原、顯示，不需要事件觸發(fā)、沒(méi)有記錄被遺忘?？梢元?dú)立配置在用戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試、分析、記錄，解決了大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問(wèn)題；也可以通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到管理中心，配合專業(yè)的電能質(zhì)量分析軟件，進(jìn)行綜合的電能質(zhì)量報(bào)告和數(shù)據(jù)分析。如圖1所示[4]。

3 高階電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析軟件

3.1 分析軟件簡(jiǎn)介

（1）軟件全稱。高階電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析。

（2）版本號(hào)。V1.0。

（3）開(kāi)發(fā)的硬件環(huán)境。CPU：Intel（R）酷睿i7-11700K；內(nèi)存：32 GB。

（4）運(yùn)行的硬件環(huán)境。CPU：Intel（R）酷睿i7-11700K；內(nèi)存：128 GB；硬盤：1 TB。

（5）開(kāi)發(fā)該軟件的操作系統(tǒng)。Windows 10 64位旗艦版。

（6）軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境/開(kāi)發(fā)工具。IntelliJ IDEA、Eclipse。

（7）該軟件的運(yùn)行平臺(tái)/操作系統(tǒng)。Windows 10 64位旗艦版。

（8）軟件運(yùn)行支撐環(huán)境/支持軟件。MySQL Enterprise Edition。

（9）編程語(yǔ)言。Java JavaScript。

（10）源程序量。8858。

（11）開(kāi)發(fā)目的。幫助用戶發(fā)現(xiàn)和解決電能質(zhì)量問(wèn)題，提高電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性和能效性。

（12）面向領(lǐng)域/行業(yè)。電力行業(yè)。

（13）軟件的主要功能。主要有在線監(jiān)測(cè)分析、在線監(jiān)測(cè)管理、監(jiān)測(cè)信息管理、監(jiān)測(cè)異常處理、監(jiān)測(cè)信息統(tǒng)計(jì)等主要功能。

（14）技術(shù)特點(diǎn)。①電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的電壓、電流、功率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)處理和分析。對(duì)監(jiān)測(cè)到的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題并進(jìn)行分類、定位和評(píng)估。

（15）軟件的技術(shù)特點(diǎn)選項(xiàng)。物聯(lián)網(wǎng)軟件。

3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖是結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法中一種重要的描述工具，它清晰地展現(xiàn)了一個(gè)系統(tǒng)（或功能模塊）的層次化分解關(guān)系。該圖不僅描繪了模塊之間的調(diào)用關(guān)系，還詳細(xì)展示了模塊間數(shù)據(jù)流與控制流信息的傳遞路徑，因此被視為描述系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的核心圖表工具。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，有向線段扮演著關(guān)鍵角色，它代表著調(diào)用過(guò)程中程序控制的轉(zhuǎn)移方向，即從調(diào)用模塊指向被調(diào)用模塊。這種表示方式隱含了一個(gè)重要信息：當(dāng)被調(diào)用模塊完成任務(wù)后，程序的控制權(quán)將沿著原路徑返回到調(diào)用模塊。這一機(jī)制確保了系統(tǒng)各模塊間能夠有序、高效地進(jìn)行交互與協(xié)作。如圖2所示。

3.3 系統(tǒng)類圖

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)選擇 MySQL，這一決策是基于其具備卓越的速度、高度的可靠性以及廣泛的適應(yīng)性。這些特性共同促使 MySQL 在數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域備受矚目。特別是在無(wú)需復(fù)雜事務(wù)化處理的應(yīng)用場(chǎng)景中，MySQL 充分展現(xiàn)出作為內(nèi)容管理最佳選擇的獨(dú)特魅力。它高效的數(shù)據(jù)處理能力，能夠確保即便在應(yīng)對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)操作時(shí)，也依然保持出色的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。同時(shí)，MySQL 的易用性與靈活性，使開(kāi)發(fā)人員可以輕松依據(jù)具體需求進(jìn)行定制和優(yōu)化，進(jìn)一步增強(qiáng)了其在內(nèi)容管理方面的優(yōu)勢(shì)。此外，MySQL 擁有龐大的用戶社區(qū)以及豐富的文檔資源，這為解決使用過(guò)程中遭遇的問(wèn)題提供了極大便利。因此，選擇 MySQL 作為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，不但能夠滿足當(dāng)前的管理需求，還為未來(lái)的擴(kuò)展和升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是追求性能與效率并重的理想之選。

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)（E-R圖）

在數(shù)據(jù)建模的過(guò)程中，實(shí)體-聯(lián)系圖（Entity-Relationship Diagram，E-R圖），是一種廣泛使用的工具。通過(guò)E-R圖，我們可以直觀地描繪出數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)，這種模型也被相應(yīng)地稱為ER模型。E-R圖的核心構(gòu)成包括三種基本元素：實(shí)體（代表數(shù)據(jù)對(duì)象）、關(guān)系（描述實(shí)體之間的聯(lián)系）以及屬性（定義實(shí)體或關(guān)系的特性）。在圖形表示上，實(shí)體通常用矩形框來(lái)標(biāo)識(shí)，關(guān)系則用連接相關(guān)實(shí)體的菱形框來(lái)表示，而屬性則通過(guò)橢圓形或圓角矩形來(lái)體現(xiàn)，并通過(guò)直線與它們所描述的實(shí)體或關(guān)系相連，從而清晰地展示出數(shù)據(jù)模型的整體架構(gòu)和細(xì)節(jié)特征。這種直觀的表示方法極大地便利了數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)和理解過(guò)程。如圖3所示。

3.5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控

在線電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析軟件和報(bào)告生成工具組成。數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集電能質(zhì)量參數(shù)，如電壓、電流、頻率、諧波等，通過(guò)傳感器和測(cè)量設(shè)備獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，識(shí)別電能質(zhì)量問(wèn)題并生成相應(yīng)的報(bào)告。報(bào)告生成工具將分析結(jié)果以可視化的方式展示，方便用戶查看和理解[5]。

在線電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有多種功能。它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量參數(shù)，包括電壓穩(wěn)定性、電流波形畸變、諧波含量等。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題，如電壓波動(dòng)、諧波污染等，并提供相應(yīng)的報(bào)警和告警功能，以便用戶及時(shí)采取措施。

在線電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)分析和故障診斷的功能。通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)可以識(shí)別出電能質(zhì)量問(wèn)題的原因和影響因素，幫助用戶快速定位和解決問(wèn)題。同時(shí)，系統(tǒng)還可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回顧和比對(duì)，發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題和趨勢(shì)，為用戶提供決策支持和優(yōu)化建議。

4 結(jié)束語(yǔ)

電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備及系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用可以有效提高電能質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)全天候不間斷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的諧波含有率、總畸變率、三相電壓不平衡度、閃變、電壓偏差、電壓波動(dòng)、頻率、各次諧波有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、相移功率因數(shù)、有效值、正負(fù)序、電壓暫降等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，應(yīng)用專業(yè)的高階電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析軟件，實(shí)現(xiàn)在線分回路監(jiān)測(cè)分析并生成評(píng)分報(bào)告，可按日/按月及分回路查詢?cè)u(píng)估報(bào)告；月度分析報(bào)告包含安全用電分析、經(jīng)濟(jì)用電分析、告警分析等內(nèi)容，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)的措施，提高電能質(zhì)量水平，促進(jìn)電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。

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