国家电网公司的电能质量在线监测系统是目前国内外规模最大的电能质量数据管理平台，通过对该系统的业务功能需求和设计架构进行介绍，并针对系统实现的技术难点，如数据集成、读取速度以及计算处理等问题，给出了相应的解决方案;最后对系统的应用以及对公司供电可靠性的提升进行了介绍。
0引言
近年来，随着我国能源系统和电力工业的飞速发展，以及电力系统容量的不断扩大，使得公用电网的电能质量问题日益严重。为了应对这些变化带来的挑战，保证对用户的优质供电，同时优化电网企业对电能质量的管理模式，电力公司需要建立一套科学、有效的电能质量监测的解决方案。
国外对电能质量监测的研究开始于20世纪40年代，经历了从模拟表计测量仪器到80年代后期带图像打印的卷纸类记录仪的技术演变，近几年受到网络化发展的影响，电能质量监测也出现了利用网络实现电能质量的远程监测和网络化管理的发展趋势。相对一些发达国家和地区而言，国内在电能质量在线监测方面的研究起步较晚，导致电能质量管理存在效率低、数据利用率低等不足之处，不利于电网企业的精准投资和供电服务水平的提升。
为了实现改进电网运行绩效和提升优质供电服务水平的目的，国家电网公司于2012年提出了建设一个集中、统一的电能质量在线监测系统的方案，利用现有的智能电网建设成果和通信技术资源，实现电能质量数据的自动采集和传输，并通过信息化手段和大数据挖掘技术，充分发挥电能质量数据的价值。
1系统业务功能需求
电能质量在线监测系统的主要目标是满足电能质量指标在线监测与业务分析应用的需要，对电网频率、电压、可靠性指标以及电网安全风险进行集中在线监测，分析和挖掘各类指标的数据特征和业务关联规律。系统的业务功能需求如下：
1.1数据自动采集功能
实现供电用户电能质量的自动采集和在线监测，完成可靠性指标基础数据、运行数据的自动采集和存储，改变可靠性运行数据人工录入采集管理方式，提高数据采集的稳定性和时效性，完成可靠性指标的统一监测管理。
1.2数据管理与维护功能
通过分析各类数据来源、采集频度及数据特征，制定集成接口规范和智能装置规范，形成数据采集标准，确保业务数据来源唯一，减少由于多系统重复维护数据给业务人员带来的巨大工作量，确保数据的准确性与完整性。
1.3指标计算与统计分析功能
实现电能质量指标的在线计算功能，在确保计算结果的及时性和准确性的基础上，实现指标的在线汇总和统计管理功能，并基于对输变电设施可靠性、输变电系统可靠性水平的评价结果，提供可靠性在线评估计算功能，为发现电能质量管理的发展趋势和潜在问题提供数据基础。
2系统架构设计
2.1系统整体架构
按照电能质量在线监测系统的需求，系统总体架构分为跨专业自动采集、集成大数据管理、指标计算和挖掘分析3个层次，见图1。通过制定停电事件自动生成规约，建立数据集成规范，实现跨专业的数据自动采集。通过研究电力各业务数据特征，充分整合数据集成结构，实现跨专业、跨层级的大数据融合和应用。采用业务数据对象化、业务对象内存化、内存对象分布化、分析计算并行化的方法，实现了对象化并行计算框架，促进大数据挖掘和分析应用。
图1电能质量在线监测系统总体架构设计
2.2系统技术架构设计
技术架构为了支撑业务、应用、数据，从业务需求出发，依据对电能质量在线监测系统的业务架构、应用架构、数据架构的分析与设计，进行了系统技术组件的划分，见图2。电能质量在线监测系统基于PI3000平台研发，技术组件包括业务服务组件、公共管理组件和应用服务组件3个部分，其中业务服务组件包含数据管理、质量评价、质量分析、辅助决策和统一展现，各个层次包含多个技术组件。
图2 电能质量在线监测系统技术组件设计
2.2.1 公共管理组件
包括身份认证、统一待办、组织机构和单点登录。应用服务组件则提供系统基础模块如：工作流引擎、权限管理、任务调度、模型服务、文件服务、日志管理、安全管理、建模工具、报表报告服务、图形展现工具、数据备份恢复组件、建模工具以及数据访问服务。
2.2.2 业务服务组件
1)数据管理层。通过公共数据模型采集各个业务系统数据，是整个系统的基础部分，该层通过统一的接口将数据开放给上层功能模块。主要包括模块数据源定义、数据采集元模型定义以及数据采集策略定义、基础台账管理几项功能。
2)质量评价层。提供统一的指标在线计算平台，并对计算结果、指标异常报警信息以及指标分析结果提供统一监测与展现。
3)质量分析层。主要包括在线指标模型定义、在线指标计算模型定义、在线预警规则定义、分析模型定义、分析规则定义，用于为各种业务指标的在线计算提供统一模型配置基础，达到可随时增加新的指标计算的需求，并提供在线动态预警的规则定义，动态进行分析模型的构建及分析规则的定义，以实现分析展现的动态定制。
4)辅助决策层。该层通过决策模型实现辅助决策的可配置性和可扩展性，其中包括决策模型管理、辅助决策服务等功能。
5)统一监测与展现层。采用图形化展现和综合报表生成技术，进行在线监测结果展现、在线分析结果展现、动态预警展现等。
2.2.3 应用服务组件
提供系统的一些公共功能模块如：工作流引擎、权限管理、任务调度、模型服务、文件服务、日志管理、安全管理、建模工具和数据访问中间层。
3电能质量在线监测系统关键技术
3.1系统实现的难点
电能质量在线监测系统为了实现电能质量指标全面覆盖的总体目标，在功能上要达到应用覆盖面广，基础数据集成量大等要求，这样的要求导致其在性能实现上存在诸多难点。
1)停电事件自动采集准确性要求高。在系统建设前，不具备可靠性指标的在线监测能力，可靠性基础数据主要由人工录入，指标统计则采用事后评价模式。电能质量在线监测系统需要实现供电可靠性事件的自动采集，同时还需要保证事件采集的稳定性、时效性和准确性。
2)数据集成难度高。由于电能质量在线监测与分析的基础数据涉及调度、运检、营销等多个业务部门，电能质量在线监测系统需要对来自多个业务系统的数据进行整合与共享。但由于各单位信息系统建设水平不同，且同类系统版本并不统一，导致相应来源的数据差异较大，集成难度高。
3)计算处理需求复杂。系统中电网安全风险在线评估模块承担着系统中的多种风险分析计算与评估管理功能，需要对全国网、区域电网、省(市)、地市四级电网数据进行计算分析，电压等级涵盖1000kV到110(66)kV，电网规模巨大，计算复杂度高、计算次数多。高峰时段复杂业务模块被调用的次数急速升高，风险评估首先需要进行全网潮流扫描，计算次数上万次，以至于业务模块的响应时间很难满足用户的需求。
3.2系统关键技术
为了解决上述技术难题，系统在建设时有针对性地采用了多项关键技术。
1)智能采集装置停电事件采集规则、生成规约以及研判标准。系统对供电运行数据的采集通过智能电能表、用电信息采集终端及其主站实现，通过制定事件记录采集规则，实现供电运行数据的自动采集和上报。
事件记录采集规则将电能表事件和采集终端事件按照不同紧急或重要程度分为4个等级，并对不同等级事件采取不同的采集策略，见图3。
图3事件采集结构
按照系统对停、上电事件的定义，采集设备按照自身的电源接入情况，形成停、上电事件记录。采集终端当供电电压低于停电发生电压限值时产生停电事件并主动上报。为提高停电时间生成的准确性，系统还创新性地提出了用户停电事件的准确性综合研判机制。
目前系统已实现了对城市范围158万和农村地区95万用户采集装置(覆盖约1.6亿低压用户)停电事件以及约5万个供电电压监测点的按日自动采集。数据采集时间由原来的7天缩短至最快1h，系统自动采集准确率可达到90%以上。
2)通过数据处理技术解决数据的兼容性问题。本系统通过制定数据公共模型库，对来自于不同业务系统的数据进行规范编码，并通过数据清理、加工和计算等技术完成各类指标数据、业务数据在公共模型库中的转化与存储，从而解决了来自于不同业务系统的数据兼容问题。公共数据模型技术组建设计见图4。
图4公共数据模型技术组件设计
目前系统涵盖了来自生产管理、电网调度、用电信息采集及营销等业务应用系统的可靠性、电压、频率相关数据，且在公司系统各单位均稳定运行。
3)对象化并行计算。系统通过对象化并行计算框架，构建了多维度、全方位、可视化的展现框架，解决了大数据挖掘和分析应用时缓存和计算能力的问题。针对磁盘IO瓶颈造成的性能问题，系统采用了对象化内存建模方式，实现资源数据的对象化缓存;同时为了解决有效解决单台服务器缓存和计算能力不足的问题，采用基于资源对象属性的多维度数据水平划分技术，实现数据的水平拆分;为了提高任务处理效率，系统采用对象化任务封装和子任务拆分机制，实现任务的分解与调度。
经试验，对中压可靠性指标统计1.8亿条记录，141个指标进行统计，所消耗的时间为5.6s，相比传统数据库架构，性能提升800倍。
4供电可靠性管理提升实例
电能质量在线监测系统覆盖了国家电网公司总部、5家分部、27家省(直辖市)公司、328家地市公司、1959家县级公司、新源公司和运行公司，建成了总部、省、市三级的监控体系。系统涵盖了自2005年以来的可靠性、电压、频率相关数据，其中中压用户593.9万，110(66)kV及以上13类输变电设施256万，城市供电电压监测点约5万个，中压用户停电事件1.8亿条，电网电压数据1.2亿条，供电电压数据1289万条，全网输变电设备资产信息5大类数10万多条。并且实现了电网频率、电网电压、输变电系统可靠性指标的小时级监测。彻底转变了国家电网公司传统的可靠性管理模式，充分发挥了电能质量数据的作用，为提高用户服务水平奠定了数据基础。
4.1优化可靠性管理模式
传统的电能质量管理，各类指标管理分散，信息化管理水平参差不齐，可靠性指标虽已完成了集中统一管理，但系统尚不具备在线监测能力。通过电能质量在线监测系统的建设，实现了供电可靠性指标的在线计算和在线动态展现(见图5)，促进可靠性管理从事后评价向实时监测、在线评价的管理模式的转变，促进了供电可靠性精细化管理的提升。
图5供电可靠性指标在线监测情况
电能质量在线监测系统充分利用智能采集装置，完成了小时级的数据自动采集和跨专业、跨层级的数据融合共享，建成了一套国内外规模最大的电能质量海量数据集成平台，在世界上首次实现了对供电用户电能质量的自动采集和在线监测，是建设坚强智能电网实践的成功范例。
4.2供电可靠性数据的支撑作用
系统通过利用关联分析、趋势分析等大数据分析思路，挖掘供电可靠性历史数据的潜在价值，掌握与可靠性相关的缺陷、故障、检修计划等业务的发展规律，挖掘可靠性与频率、电压之间的潜在关系，可以找出设备合理的运行年限和运维投入，为电网规划、设计、基建、生产运行、检修维护等业务过程的改进提供依据，增加企业的经济效益。
同时，通过对可靠性指标的预测分析，使电网公司可以及时发布停电信息以及用电高峰时段，方便用户合理地安排用电活动，降低停电带来的损失，从而为确保电网的安全运行以及电力资源的可靠供应提供可行性基础。
4.3加强安全风险评估能力
随着电网特性逐步由就地局部特性转变为广域全局特性，互联电网运行特性呈现出强相关、非线性、复杂化的大系统特点，电能质量在线监测系统结合电网的实际运行特点，对潜在或固有的影响电网安全的各种因素进行分析、归纳和鉴别，对事故可能引起的后果进行客观评价;并根据电网发生事故后造成后果的严重程度，对风险进行等级划分，根据风险等级确定相应的预控措施;选择最优的风险预防控制方案，降低或避免风险。
通过电能质量在线监测系统的建设，实现在线运行数据和相关风险源信息的自动集成，拓展了电网公司对风险监控的管理广度，建立了全面的电网安全风险评价体系，为电网运行安全水平提升提供了支持，并保障了对用户的可靠供电。
5结语
电能质量在线监测系统利用现有的智能电网成果，完成了小时级的数据自动采集和跨专业、跨层级的数据融合共享，建成了一套国内外规模最大的电能质量数据管理平台，并首次实现了对供电用户电能质量的自动采集和在线监测，实现了电能质量管理模式的转变。电能质量在线监测系统后期考虑利用云计算和大数据等技术，拓展数据监测范围，将谐波、闪变、间谐波等数据纳入采集与分析;同时拓展系统应用范围，实现电能质量监测从城市到农村的全面覆盖。
延伸阅读：
原标题：【供电可靠性】基于电能质量在线监测的供电可靠性提升
