Design and Implement of Active Power Loss Quantitative Analysis Software of Power Quality
Qi Hui1, Sun Jie1, Shi Shuai-bin1,Feng Hai-yang2
(1.STATE GRID JIYUAN POWER SUPPLY COMPANY ;2. SHENZHEN WELL&YOUNG TECHNOLOGY COMPANY)
ABSTRACT: Power quality problemsnot only threaten the security of normal operation of the power system, but also increase power loss. In this paper, a quantitative analysis software of active power loss generated by power quality problems is designed and brought out. Based on the quantitative research of the impact of power quality issues on the active power loss of transmission lines, transformers, capacitors, this paper has solved the quantifying problem of power quality losses. The system can be a tool for analyzing the effect of power quality problems to the power loss of the Power Grid, and offer reference data for making energy saving measures based on power quality.
KEY WORDS:Power Quality; Active Power Loss;Quantitative Analysis;Software Design;Device Parameters; Line Parameters; PQDIF; MATLAB
摘要：电能质量问题不仅给电力系统正常运行带来安全隐患，还会增大电网损耗。本文提出了一种电能质量有功损耗定量分析软件设计与实现方法，通过研究电能质量问题对输电线路、变压器、电容器的定量有功损耗影响，有效解决了电能质量损耗难以定量的难题，可作为全面分析电能质量对电网损耗影响的工具，并为制定节能降损措施提供数据支撑和决策依据。
关键字：电能质量；有功损耗；定量分析；软件设计；设备参数；线路参数；PQDIF；MATLAB
1引言
1.1 研究背景与意义
随着电网中负载日益复杂多样，谐波、电压偏差、不平衡等电能质量现象已经普遍存在。这些电能质量问题不仅给电力系统正常运行带来安全隐患，而且还会增大电网损耗。例如电压偏差超标不仅对电网中变压器、电力电容器会产生重要影响，而且还会影响到输电线路的功率损耗；谐波电流在电网中流动使输电线路损耗增加，变压器铜耗、磁滞及涡流损耗增大；三相不平衡产生的负序电流会进一步增大线路和变压器的损耗。
1.2 研究现状
由于电能质量和节能是两个相对独立的领域，目前国内外对电能质量数据的应用研究，尤其是劣质电能质量导致的设备损耗的研究工作还处于起步阶段，停留在定性分析层面，尚未研究出直观、准确的定量分析方法和模型；尤其是多项电能质量指标对设备损耗的定量分析方法的研究还处于研究空白。因此实际工作中无法定量计算电能质量对电力设备综合损耗的影响，无法评估电能质量治理的直接经济效益，影响到电网设备节能工作的开展[2]。
1.3 主要研究内容
本文结合输电线路、变压器、电容器的电气特性，提出了一套电能质量有功损耗定量分析软件的设计与实现方法，有效衔接电能质量监测与设备节能降损这两个原本相对独立的技术领域，通过与电能质量监测装置、PQDIF文件、MATLAB仿真模型、数据库之间有效的数据交互，采用B/S架构实现面向用户的信息发布及管理，为电能质量治理以及节能降损措等工作开展提供有效的数据支撑和决策依据。
2软件业务需求分析
2.1 软件业务需求
目前电能质量国家标准中明确定义的稳态电能质量指标有电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压波动和闪变。其中对电网节能降损影响较大的主要指标包括：谐波、电压偏差和三相不平衡，受上述指标影响而导致损耗变化较大的电网设备主要包括：输电线路、变压器、电容器。因此软件设计中主要考虑谐波、电压偏差、三相不平衡对输电线路、变压器、电容器造成的定量有功损耗。
软件面向对象是电力系统用户，具备电力专网的网络条件，信息发布应采用主流的B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）架构，让用户通过主流的浏览器即可便捷的实现数据分析及管理。
2.2软件实现环境
软件开发环境采用Microsoft公司的Windows系列操作系统。选择Windows平台的目的是为了操作方便，而且由于.NET体系结构的平台无关性，“一次编译，处处运行”，所以今后软件向其他操作系统上的移植也非常方便。
软件以微软的IIS模块做为WEB服务端，使用Visual Studio 2013作为开发平台，使用C#和HTML作为主要的开发语言，数据库采用Oracle 11g，满足海量数据下数据库性能调优需要。
3软件设计
3.1 软件设计原则
电能质量有功损耗定量分析软件以技术先进、结构合理、安全稳定、易于维护、简单实用作为基本设计原则。具体包括：
1）统一性原则：统筹设计软件功能架构，保证实现效果前后一致，严谨有序。
2）先进性原则：本着“立足现状、适当超前”的原则，采用开放式体系结构和结构化软件设计，
3）安全性原则：遵循信息化软件安全管理规程，保证信息安全。
4）标准性原则：软件具有良好的互联互通性。
5）兼容性原则：充分考虑软件扩容及功能扩展。软件对运行环境（硬件设备、操作系统等）具有较好的适应性。
6）易用性和美观性原则：结合电力系统用户的普遍喜好和习惯。
3.2数据库设计原则
数据库的设计关系到软件性能、升级和移植等问题，设计时主要考虑以下原则：
1）命名的格式要规范。
2）设计中应进行并发控制进行查询。
3）索引字段应挑选重复值较少的字段建立的顺序进行。
4）分类拆分数据量大的表。
5）索引使用原则：表的规模不大时，不应该使用索引；维护索引开销较大而不确定的查询字段使得索引并不能充分发挥作用。
3.3软件功能设计
3.3.1 功能结构设计
电能质量有功损耗定量分析软件采用模块化架构，由数据采集及接口、数据处理及存储、数据分析及应用三个模块组成，各模块之间相对独立，有效保证了软件的安全性、稳定性以及可扩展性。实现与电能质量监测装置、离散PQDIF数据文件、MATLAB仿真模型、Oracle数据库之间的数据交互，对原始数据进行预处理及存储，提供完善的数据分析、管理、评估功能。
考虑实际应用时数据集成、功能呈现、信息管理等方面的需要，设计软件总体逻辑架构如下图1：
图1电能质量有功损耗定量分析软件逻辑架构
Fig.1Logical framework of active power loss analysis softwareof power quality
电能质量有功损耗定量分析方法核心元素包括：设备参数、线路参数、定量算法。
设备参数表示输电线路、变压器、电容器的固有电气参数，由系统管理人员查找设备台账并手动录入。
线路参数表示实际线路电能质量监测数据。结合电力系统中电能质量监测业务划分，软件应涵括在线和离线两种业务范畴，既支持与目前主流电能质量监测装置实现在线数据采集与传输，也支持导入离散的PQDIF数据文件。
定量算法表示各电能质量指标对各电气设备有功损耗定量影响的数学算法。考虑到软件的灵活性及可扩展性，通过MATLAB软件建立有功损耗定量算法数学模型（mdl文件），然后由专用数据接口调用mdl仿真模型文件进行模型展示及计算。
3.3.2数据采集及接口模块设计
数据采集及接口模块主要负责将电能质量监测装置以及离线PQDIF文件中的数据读取并存储至数据库，供后续分析处理。并通过专用数据接口调用MATLAB仿真模型文件，实现模型展示及计算。
3.3.2.1 数据采集功能设计
数据采集功能采用模块化、多层协议栈结构以及标准通信接口函数集，通过预先定义软件的接口函数，对不同数据源设计开发不同驱动程序，再由数据采集程序统一调度，实现数据采集。
多数据源统一接入方案原理图如下图2：
图2多数据源统一接入方案
Fig.2Unified access scheme ofmultiple data sources
上述接入方案中，各组成部分的功能分别为：
1）驱动程序。针对每一种通信协议开发独立的驱动程序，驱动程序通过物理网络实现与监测终端的实际通信连接，用于实现通信协议解析，并对所采集到的数据进行初步分析和处理。
2）统一通信接口。主要作用是实现对不同驱动程序的管理和监视，并作为中间件起到隔离驱动程序和数据采集程序的作用。
3）数据采集程序。数据采集程序通过统一通信接口调用驱动程序实现不同电能质量数据源的接入，并对通信过程进行监视、调度管理等。
这种多数据源接入方案使管理者将全部数据采集功能构建在一个框架内，针对各终端通信均可控、能控，彻底摆脱了终端厂家的通信程序，具有稳定、兼容、可扩展性强等优点。
3.3.2.2MATLAB专用接口设计
MATLAB软件是一个功能完善的程序设计和数据处理的集成环境，提供了功能完整的应用程序接口（Application Program Interface，简称API）来和外部程序或其他程序语言沟通，只要遵循MATLAB API的标准，可以将MATLAB当成一个计算引擎（Computing Engine），并从C或Fortran程序调用此MATLAB引擎，进行MATLAB的各种运算及图形显示。
考虑到定量算法的灵活性及可扩展性，将MATLAB仿真模型文件作为计算引擎，通过专用C语言程序接口实现模型调用，后续涉及算法变更及调整时，只需修改MATLAB仿真模型即可。
3.3.3数据处理模块设计
数据处理及存储模块主要负责原始数据的预处理、压缩、存储，保证海量数据下的软件性能要求。软件设计了合理的海量数据处理方案，以保证海量数据下的查询性能。在数据库中，增加定期存储的基于压缩二进制格式的分钟级原始数据表。数据采集模块采集到原始数据后，首先将之存储到本地缓存区，然后再由专用程序执行数据压缩，再送入数据库存储。保证了后台性能。通过合理设计数据库结构、表结构、存储过程、索引、锁等机制，保证海量数据存储情况下的数据查询性能。
3.3.4数据分析及应用模块设计
数据分析及应用模块通过报表、曲线、棒图等直观方式展示数据库中存储的各种原始数据和统计数据，为用户提供完善的数据分析和管理功能。数据分析及应用模块在运行过程中只与数据库产生联系，与软件其他模块的数据交互全部通过数据库进行中转。
主要功能包括：模型展示、模型验证、节点设置、统计报表、趋势曲线、节能评估。
4软件应用
深圳电网有限责任公司于2015年完成了电能质量有功损耗定量分析系统建设。
系统采用分层分布式结构，包括设备层和管理层，网络结构如下图3：
图3电能质量有功损耗定量分析系统网络结构
Fig.3Network framework of active power lossquantitative analysis softwareof power quality
设备层包括电能质量在线监测装置和便携式电能质量分析仪，为软件提供在线或离线两种类型的电能质量数据源。
管理层主要由软件和必要的硬件设备组成，包括：数据采集及处理服务器、主用/备用数据库服务器、管理工作站服务器、WEB服务器、网络打印机、防火墙等，有效实现数据采集、处理、存储、分析与管理等功能。
根据深圳地区历史电能质量测试数据，选择受电能质量影响较大的几个试点分析对象，如下表1：
其中，变电站1的3#变压器的输入电源侧和输出用户侧已安装在线式电能质量监测装置；而变电站2甲I线311和变电站3的35kV并联电容器组尚未安装在线式电能质量监测装置。
详细应用步骤如下：1）在生产管理系统中查找设备参数，并在节点设置功能中手动输入；
2）通过数据采集模块在线获取沙田站3#变压器电能质量监测数据，在节点设置功能中完成设置后即可自动获取线路参数；
3）将便携式电能质量分析仪安装在甲I线311和35kV并联电容器的首末两端，持续监测24小时，从分析仪中拷贝相应监测时段PQDIF数据文件，并导入软件[19]，即可完成线路参数获取；
4）通过模型验证功能，得到理论电能质量损耗与实测电能质量损耗的相对误差，如下表2：（其中35kV并联电容器组因为一端接地，无法获取实测电能质量损耗值）
从表中可以看出，2个试点的理论计算误差在20%以内，考虑实际现场线路损耗影响因素的多样性，本误差属于合理范围，证明软件中的电能质量有功损耗定量分析模型基本准确。
5）通过统计报表、趋势曲线、节能评估等功能，可以进一步查询详细电能质量损耗分析情况，协助用户快速掌握设备损耗特性，并给出准确合理的电能质量治理及节能建议。
5结论
本文提出了一套电能质量有功损耗定量分析软件的设计与实现方法，并成功应用于深圳电网，以电力用户关注为视角，实现全业务流程覆盖，可以准确的协助用户快速掌握区域电能质量损耗分布特征，分析节能潜力，为电能质量治理和节能降损等工作开展提供有效的数据支撑和决策依据。
通过软件在深圳电网的应用情况来看，提高电能质量对节能降损的影响非常显著，因此，加强电能质量管理，采取针对性的节能措施，达到提高电能质量与节能降损的目的，是电力部门和电力用户的共同利益和责任。
作者简介
齐晖，深圳供电局有限公司，1990年，男，天津南开人，助理工程师，本科，从事电能质量监测与管理相关工作；
孙杰，深圳供电局有限公司，1986年，男，安徽亳州人，工程师，硕士，从事电能质量监测与管理相关工作；
史帅斌，深圳供电局有限公司，1983年，男，山东栖霞人，工程师，硕士，从事电能质量监测与管理相关工作；
冯海洋，深圳威尔扬科技有限公司，1983年，男，河北承德人，工程师，本科，从事电能质量监测与治理相关工作。
论文作者:齐晖1,孙杰1,史帅彬1,冯海洋2
论文发表刊物:《基层建设》2016年24期8月下
论文发表时间:2016/12/5
标签：电能论文; 质量论文; 软件论文; 数据论文; 定量分析论文; 数据采集论文; 电网论文; 《基层建设》2016年24期8月下论文;