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大规模主动电能质量监测:以澳大利亚为例

Sean Elphick, IEEE成员，Phil Ciufo，IEEE高级成员, Gerrard Drury, Vic Smith, Sarath Perera，IEEE高级成员, Vic Gosbell，IEEE高级成员

一、我的介绍。

主动电能质量(PQ)监测现在被许多配电网服务提供商(DNSPs)认为是网络运行的正常组成部分。国际标准化组织CIGRE/CIRED联合工作组C4.112在[1]中总结的一项调查表明，82%的dnsp安装了永久性的监测系统。考虑到这些DNSPs, 60%的DNSPs拥有20多种仪器。66%的调查对象表示，安装PQ监控系统的动机是在个别地点证明遵守当地或国际法规的必要性。欧洲能源监管委员会(CEER)关于供电质量[2]的基准报告也表明，大多数欧洲dnsp都有PQ监控系统。报告指出，所采取的监测部署战略和部署的文书总数以及不同国家之间的管理框架有很大的差异。

优质的电力供应是现代经济的关键，随着时间的推移，电力供应商和客户都认识到PQ的重要性。此外，监管机构现在对确保分销商履行PQ义务有着浓厚的兴趣。现在考虑收集PQ数据

对于大多数dnsp来说，业务的正常部分，以及大量数据的收集和存储，仍然存在与PQ监控相关的重大挑战。这些挑战包括确定有效的PQ监测战略，包括最佳的仪器数量和部署位置、有效的数据分析和报告、PQ参数的调节以及了解PQ对客户和网络的经济影响。

本文介绍了自2002年以来在澳大利亚进行的一个非常大的、长期运行的积极的PQ监控项目的概况。项目期间收集的超大数据仓库为PQ监测、分析、报告和网络行为(例如，PQ普遍水平、网络性能相对于电压暂降性能的能力)提供了重要的研究。论文还详细介绍了其中的一些研究成果。这篇论文首先对这个项目做了一个简短的概述。接下来是对管理与项目相关的大量数据所遇到的挑战的解决方案的描述。然后介绍了为该项目开发的一些新的分析和报告技术。最后，介绍了与未来电力网络有关的PQ监测、分析和报告领域，这些领域尚待充分了解，并就如何克服这些挑战提出了一些建议。

二、项目结构

2002年，卧龙岗大学启动了一个大规模的主动DNSP PQ监测、分析和报告项目。该项目包括参与DNSPs向大学研究人员提供PQ数据，然后由研究人员进行数据分析和报告。该项目以前被称为长期国家电力质量调查(LTNPQS)，并在[3]中进行了描述，现已发展成为电力质量合规审计(PQCA)。虽然与PQCA有一些相似之处的大型项目已在其他国家开展，如[4]、[5]和[6]中所描述的项目，但此类公共领域的项目相对较少。与其他大型PQ监控项目相比，PQCA项目的管理方式有很多显著的不同，包括:工程的时间和地理跨度量监控网站(and 因此 data) 包括 在 项目中。

 Participants PQCA 选择 要 监视 的 网站 和 PQ 使用. 仪器这导致使用不同类型的仪器，每种仪器都可能具有不同的数据格式和具有许多不同特征的站点。这就需要创建一个新颖、灵活的数据管理系统。

该项目研究了一套最常见的电压参数，而不是像许多其他大型研究(如[4]和[5])那样，只研究一两个PQ参数。

这个项目产生了大量的研究和发展，特别是在方案质量监测方法、数据分析和报告技术方面。

自启动以来，该项目已扩大到包括16个澳大利亚dnsp中的12个提供的12,000多个站点的数据。这些地点包括低电压(230伏)和中/高电压(6.6 kV - 132 kV)的混合地点。目前参与或已经参与PQCA项目的dnsp为澳大利亚至少90%的人口提供电力。基于这些特点，该项目在地理范围、场址数量和寿命方面在全球范围内具有高度意义。在2013 - 2014财年(2013年7月1日- 2014年6月30日)，约有5000个地点被纳入该项目;st th 这是该项目历史上最高的数字。该项目包括的PQ参数有:稳态电压幅值、电压不平衡、电压谐波(电压THD和25阶的单个电压谐波)、闪烁和电压跌落。

三 、 数据管理的挑战

在项目的初期阶段，编制了一种共同的PQ数据格式，并请参与者提供这种格式的数据。但是，要求参与者将其源数据转换为通用数据格式会导致数据质量问题。为了克服这个问题，放弃了通用数据格式，参与者现在以对他们最方便的格式提供数据。

因此，数据以许多不同的格式提供。这就需要设计和实现一个复杂的数据转换系统，该系统能够处理每个参与者提供的工具和数据格式。这对DNSP参与者来说是有利的，因为数据转换的复杂性是在一个点上处理的，参与者不需要在内部维护这项任务所需的技能集。虽然提供了各种数据格式，但在许多情况下，来自任何给定参与者的数据格式通常是一致的。因此，一旦实现了其数据的数据转换，就可以相对轻松地应用每个报告期间。但是，给定参与者提供的数据仍然可能有所不同，例如，由于包含了从新表类型到项目或参与者的PQ系统开发的数据。

数据也以不同的时间间隔通过各种物理和电子手段提供。理想情况下，通过自动数据传输以一致的格式和定期间隔提供参与数据。实际情况是，数据是通过各种方法和时间间隔提供的，从物理介质上的年度数据传输利用正规邮政系统，通过在一定程度上实现了一贯格式数据的定期自动电子传输的参与者。

目前，项目数据库约有500 GB的数据，包括9亿多条数据记录。2015年，预计数据记录数量将超过10亿条。需要在数据库中维护的数据包括场地和仪器特性(第四节b)。2c除了记录的PQ数据外，还包含与PQCA项目中包含的站点特征相关的信息)。每个站点在使用的仪器、传感器的比例因子以及其他物理细节和分类(如城市、农村)方面也有一组特定的特征。所有这些特征都必须合并到数据库中。由于这些特征可能随时间而变化，例如一个仪器可能会失败并被替换，因此数据库需要足够灵活以适应这些变化。

随着预期的场址数目和数据量的继续增长，需要继续努力进一步提高数据管理的效率和数据分析所用算法的执行。

四、新颖的分析和报告技术

对大量PQ数据的分析和报告一直是PQCA的一个关键研究领域。由于收集了大量数据，报告的一个主要挑战是将数据简化为一种易于阅读和理解的形式，而不会丢失重要的细节。第二个挑战是向参与者提供一个可以在业务的所有级别有效使用的报告。在许多情况下，这对报告提出了相互矛盾的要求;企业的管理层只对绩效的高层次概述感兴趣，而专业的PQ工程师则对详细的绩效结果感兴趣。

在2002年项目开始时，许多PQ参数的报告技术仍在发展中，而大量地点和大量数据的报告方法还没有高度发展。此外，能够从大量地点聚集指数以提供在管理一级有用的高水平业绩指标和用于基准的报告方法还处于初级阶段。因此，在早期项目报告中使用的许多报告技术都是从头开始开发的。随着时间的推移，调查的长期性为这些报告技术的有力发展和验证提供了空间。由于许多因素，包括行业重点的变化和PQ标准的新发展，报告技术需要改进。该项目仍然是一个“活的”活动，随着研究结果的发展，分析和报告方法的变化也被纳入其中。

在本文所描述的项目中，主动的PQ监控的主要目的并不是识别个别表现不佳的站点。相反，它的目标是识别整个网络的性能和趋势，以便识别规划过程是否有效。然而,报告过程中仍然应该能够识别站点性能不佳。

对于PQCA项目，已经开发了两种类型的指数。这些指数被称为“初级”和“二级”指数。主要指标用于合规性评估，通常与评估方法(如统计处理)和标准或法规中规定的限制直接相关。这一规则的例外适用于PQ参数，其中可能没有标准化的评估方法或限制，例如，电压下降。主要指标只计算有限的一组PQ参数。例如，电压谐波的主要指标是THD，而单个电压谐波阶数的值被认为是次要指标。二级指标的设计，以进一步了解性能。例如，如果某一特定电压谐波阶数超过某一限制，则提供指示。采用主要和次要指数的组合的好处是，有限的主要指数可以评估高水平的业绩和遵守情况，而次要指数可以用来进一步调查特别有兴趣的场址的业绩。PQCA项目中使用的主要和次要指标超出了本文的范围，但是这些指标在[7]和[8]中进行了描述。

在PQCA中有重大创新的一个领域是电压跌落的报告。sag报告的概念已经成为许多委员会和工作组的主题。然而，尽管许多报告电压跌落的方法已被列入一些标准，但关于最佳报告电压跌落方法的国际共识尚未达成。电压跌落PQCA的主要指标是Sag SAIFI[9]。Sag SAIFI指数是创新的，因为它试图建立一个比较电压跌落性能与著名的可靠性测量SAIFI。此外，该指标的设计是为了将凹陷的活动与设备的影响直接联系起来;这在其他sag报告技术中不是很明显。弧垂严重程度是由ITI曲线[10](零严重程度)和电压弧垂平面上已知会对大多数设备造成破坏的点之间的对数/线性插值计算得到的。如果严重到一定程度，一个部位的每个凹陷都会产生一个凹陷严重程度数值。如果凹陷严重到足以绊倒某一地点的所有设备(即相当于短暂中断)，则计算的凹陷严重程度指数为1。调查期间的总体值是由调查期间所有计算的凹陷严重程度值的总和决定的。

需要考虑的电压暂降性能的另一个方面是，网络不能指望达到由CBEMA/ITI曲线定义的暂降性能。因此，在这些曲线上叠加弧垂数据并不能很好地说明网络性能是否可以接受。[11]中描述的保护曲线是为PQCA开发的，目的是基于典型配电网保护设置的可接受保护(弧垂间隙)性能，对网络性能进行评估。

b .报告技术

为了在所有业务级别的参与者中都有用，PQCA报告首先是高度概括的数据，然后是更详细的数据，在以下主要层中进行结构化:

bull;执行摘要bull;实用程序报告bull;网络报告bull;站点报告

1)执行概要

执行摘要对参与者的遵从性表现和长期趋势提供了一个高层次的概述。报告的执行摘要包括三个关键的执行情况指标:

a)网络合规性总结

网络合规性的摘要部分给出了每个PQ参数类型的网络合规性的直观评估。在澳大利亚和许多其他国家，对整个网络遵从性的评估尚未得到广泛实施，监管机构通常也没有要求这样做。然而，许多澳大利亚dnsp现在对证明整个网络一致性的方法感兴趣。对任何一个站点的合规性的评估是相对简单的。该过程将测量值的统计参数与限值进行比较，所需的技术通常在标准或法规中概述。然而，DNSP如何证明整个网络的遵从性并不是那么简单的问题。大多数利益相关者都认为，基于100%的站点来评估遵从性是不可行的，因为总会有一些站点是不遵从的。这就引出了一个问题，即使用哪种统计指标最合适;整个网络的合规性应该基于99%的站点吗?应该是95%的网站吗?像[12]这样的IEC文件倾向于一种在时间和空间上95%符合的方法。简单地说，这意味着95%的站点在95%的时间内都应该遵守。

确定整个网络的合规性的另一个复杂性与所提供的站点样本的大小有关。为了准确地评估依从性，样本量必须足够大，足以代表所有场址的人口。此外，抽样地点必须代表整个人口的特征。这在低压尤其重要，因为场地的特点(如距离电源变压器的距离、主要负荷类型)可能对场地的PQ性能产生重大影响。在高压(HV)甚至中压(MV)下，相对于低压(LV)站点数量较少，解决这个问题的方法可能是简单地在每个站点安装一个仪器。然而，这种方法不可能在低压(低压)的网站数量将是令人望而却步的大。接下来的问题是，为了验证整个网络的合并性，应该监控LV站点的多少比例。其他的考虑包括:这个数量的网站是否可行?监控协议是什么?

就PQCA而言，整个网络的遵从性是基于95%站点的性能。这评估方法已被项目涉及的所有dnsp所接受。还应用统计方法，根据提交给调查的场址抽样，计算整个网络的估计值。用于估计整个网络总体的统计方法是单侧置信区间。这个区间依赖于站点值的正态分布。这些技术在[13]中有完整的描述。所有PQ参数的水平样本是否具有正态分布是一个正在进行的研究领域。

这种报告方法导致了三种可能的网络遵从性状态:测量值和估计值都是遵从的，测量值是遵从的，但估计值是不遵从的，测量值和估计值是不遵从的。已经开发了一种表示遵从性的图形格式，示例如图1所示。该图形包含每个PQ参数的简单图形表示。它也是根据依从状态的颜色编码的。测量值和估计值都符合的PQ参数用绿色阴影表示，测量值符合但估计值不符合的PQ参数用黄色阴影表示，测量值和估计值不符合的PQ参数用红色阴影表示。

图1所示。示例图:PQCA参与者遵从性

b)超标场址百分比

制作了简单的柱状图，说明每个PQ参数超过限制的站点的百分比。图2显示了超过限制的站点百分比的示例图。图的y轴表示超过x轴上所示的每个PQ参数的限制的总提交站点的百分比。

图2所示。示例图:超过限制的站点百分比

c)长期PQ参数趋势

趋势为网络性能提供了一个非常重要的指示。首先，趋势显示水平是上升还是下降，以及下降的速度。这表示在不久的将来是否有与限制有关的PQ参数。其次,

趋势也将显示PQ管理策略是否有效。

参与者选择提交站点的项目当前结构使长期趋势复杂化。

我们不能保证每年提交相同数量的网站或具有相似特征的网站。因此，每年的PQ参数值的简单趋势可能会受到所提供的站点样本的变化的极大影响，因此可能无法准确地指示长期的趋势。

已经开发了一种长期趋势研究方法来处理与样本中包含的站点的变化相关的问题。所产生的趋势指数是指过去四年平均每年的PQ指数的变化。趋势指数的计算必须考虑这样一个事实，即每年的总体PQ指数是由不同地点的样本确定的。它还必须对可能对某一年的结果产生重大影响但是非典型的大风暴事件等事件不敏感。这些影响可以通过以下计算步骤在PQCA中实现:

· An Annual Trend 值 连续 两 年 决定 只 使用 两 个 历史 . 那些 常见 的 网站这种方法在统计上比使用所有地点的指数更准确，因为在一年的调查中有一些地点是另一年没有的。

· Th

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