电能质量在线监测技术浅谈

电能质量的在线监测技术作为智能电网发展的一部分，它的实现必定为智能电网的推进打下坚实的基础。随着我国电力市场的逐步建立，对电能质量提出了越来越高的要求。电力用户也要求高质量的电能来保证其设备、仪器和系统的正常运行。

但是，随着现代科学技术的迅猛发展，一方面，由于电力电子设备的应用领域越来越广，特别是各类冲击负荷和非线性负荷容量的不断扩展，使得电网中电压波形发生畸变，电压波动、闪变和三相不平衡等问题时有发生，严重地影响了电能质量;另一方面，由于人们越来越多地使用精密和复杂的电子设备，如计算机、通信设备以及各种过程控制系统来处理和管理工作过程和事务。这就要求高质量和高可靠性的配电系统，以提供与之相适应的电能。

而且，随着电力工业的飞速发展以及电网的不断扩大，电力运行对电力调度自动化水平的要求和安全性的要求越来越高，电力调度需要各种功能更为齐全、操作更为简便的各种电力检测仪器仪表。但是，目前为止用于监测电网用户端电能质量的仪器仪表并没有普及使用，而且随着电力工业的发展和电能质量概念的逐步深化，电能质量监测发生了新的变化。

随着电力行业的发展，随着经济的发展，供电公司要提高自身的竞争力，其中一个最重要的部分就是提供高质量的电能。那么，提供高质量电能意味着需要对整个电网进行动态实时的监测，这种监测是分散的，是多点监测的。

并且随着因特网的发展，电力企业更加要求监控具有多点成面的效果，能够构成全网的实时监测与全网监测信息的共享，在这个情况下，引进了分布式的概念，从而使得电能质量的监测也具有分布式的效果，完全符合电力企业的要求。

1.推广应用及市场前景

近年来，国际上非常重视电网的智能化运行和控制，自美国提出2030年智能电网规划后，掀起了智能电网的研究热潮。2006年，美国IBM公司与全球电力研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。电力公司可以通过使用传感器、计量表、数字控件、分析工具来自动监控电网、优化电网性能、快速恢复供电，同时加强与消费者的互动 ，以便让他们对电能的使用和管理更加了解。意大利埃奈尔能源公司与凯捷咨询合作启动了世界上最大的智能电表安装项目大约2700万用户安装了智能电表，这些电表具有双向通信、高级计量和管理能力，并通过IP实现数据的分层传输控制。

从发展规律来看，智能电网是电力系统发展到一定阶段后必然形成的，体现如下：电力系统信息系统的耦合性增强;复杂大系统的理论框架和理论与电力系统运行控制的结合空间增大;输配电领域与发电、用电侧的互动性增强。

从研究特点上看：在信息捕捉和应用上，要体现信息感知的敏锐性、信息筛选的精细化、信息预测的精确化。在智能理论和方法与电力系统技术的结合上要体现决策模型的高效化，优化决策的全局化，控制决策的过程化和结果展示的可知化。

我国智能电网的中长期发展目标和支持原则：

1）智能电网的自愈技术

包括数据的采集和监控系统，精密的测量单元，故障的诊断技术。

2）智能电网互动技术

配电网的与用户的电能双向互动及交易，用电信息的实时查询和用电实时管理平台。

3）智能电网高质量及其支撑技术

定制电力技术，电能质量技术。

4）制冷电网兼容理论与方法

考虑分布式能源的系统规划，考虑不确定因素的电网灵活规划（如没预料到的严重自然灾害）。

2.国内外相关概况、水平和发展趋势

美国、欧洲等发达国家己进行了多年的研究，获得了大量的数据，并取得了重要的理论和应用成果。我国对电能质量的研究正处于起步阶段，但也取得了较大的进展。早期的电能质量问题主要局限在频率偏移和电压偏移两个方面。但是，二十世纪八十年代以来，随着新兴负荷的出现对电能质量的要求更高，还需要设法解决诸如失去电压、电压跌落和开关暂态等多方面的电能质量问题。

目前，国内在电能质量监测方面的研究大多局限在谐波问题的研究。也提出和开发了一些监测和改善电能质量的电能质量补偿装置，包括各种有源电力滤波器、动态无功补偿装置、电能质量综合补偿装置，以及动态电压恢复器等，与国外的差距是非常明显的。

①电能质量监测的基础理论研究

电能质量监测的基础理论研究，包括统一的畸变波形下电能质量的含义，电能质量的界定方法、评价体系的研究，各功率成份的定义及物理意义研究等。目前为适应不同需要提出了许多功率成份的定义方法，在其数学表达式、物理意义及实施方面各有所长，但距离理论上和实际上的统一的并易于接受的表达式尚有一定的差距。

②测量方法及各种电能质量检测仪器和设备

各种电能质量指标均应有合理的计算分析方法，特别是针对不同干扰源的预测计算方法及其误差估计等，建立电能质量指标计算分析程序和数据库，同时还应建立起电能质量控制装置的系统仿真模型。

③积极采用数字化控制技术

随着高速数字信号处理器为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展，并得到广泛应用，采用模拟量控制的电能质量控制置正用数字量控制代替。这有如下优点：可以程序控制，改变控制方法或算法不必改变控制电路;提高了系统稳定性、可靠性和灵活性，系统不受温度影响;可重复性好，易调试和批量生产;易实现并联运行和智能化控制。

3.其它情况

当前小、微电网的电能质量监测系统的设计解决方案层出不穷，以单片机、DSP、ARM、Nios II嵌入式处理器等为开发的系统均是较好的解决方案，之所以看中Nios II 软核处理器作为我们的设计开发核心，关键有以下一些考虑：

首先，SOPC是Altera公司提出的一个灵活、高效的SOC解决方案。它将Nios II处理器、存储器、I/O口等系统设计需要的功能模块集成到一个FPGA上，构件成一个可编程的片上系统。具有灵活的设计方式，提供了许多可用的IP核，可裁减、可扩充、可升级的功能。同时其高速的性能为该系统的复杂参数计算提供了很大的便利。

其次，Nios II属于软核嵌入式开发，具有灵活性、高性能、低成本、生命周期长等特点，并提供了大量的开发技术文档和实例，只要有能力，结合FPGA可以做出来任何想象的到的东西，其创造能力是强大的，这就是Nios II乃至其他所有软核CPU的最大的意义所在。Nios II支持MicroC/OS-II、uClinux等多种实时操作系统，支持轻量级TCP/IP协议栈，支持*.zip的文件系统，Nios II处理器允许用户增加自定义指令和自定义硬件加速单元，无缝移植自定义外设和接口逻辑，在性能提升的同时，方便了用户的设计。

再次，Altera在FPGA上开发嵌入式系统的研究一直走在前列，我们选择Nios II来开发这个系统，正是看中了这点，而且软核嵌入式的开发技术的发展正处于上升阶段，尽早掌握这项技术，可以使我们开发人员尽早占领嵌入式系统开发的前沿阵地。

综合上述的考量，设计面向用户终端设计，可自行操作，具备联网功能的分布式电能质量监测系统是很有必要的。

作者简介：高晓，讲师，三峡电力职业学院电力系统自动化技术教研室主任，电厂设备运行与维护专业牵头人。