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使用基于Web的应用程序监控分布式发电单元的电能质量

1. Antila, K.Kivikko, P.Trygg, A.Mauml;kinen和P.Jauml;rventausta

坦佩雷工业大学，动力工程学院

摘 要

本文介绍了在芬兰坦佩雷工业大学（TUT）的一个研究项目中开发的电能质量数据管理系统。该系统包括一个远程阅读系统，一个用于管理测量数据的数据库以及一个用于电能质量监控的基于Web的应用程序。该系统通过使用应用程序服务供应（ASP）模型来实现。本文还介绍了该系统适用于分布式发电的电能质量监控的案例和案例研究。

介绍

在现代信息社会中，与电能质量相关的要求和期望变得越来越重要。这是因为网络公用事业、客户和监管机构对电能质量的要求越来越高。许多工业和商业客户都有一些对电源干扰敏感的设备。因此，了解所提供电源的质量更为重要。与网络业务有关的规章模型，法律和准则也对开发电能质量管理提出了要求。

电力不再像几十年前那样成为奢侈品，但它已成为我们日常生活中的必需品之一。随着工业和家庭中的计算机、可编程逻辑等的数量迅速增加，即使短暂的中断和电压骤降也可能是有害的。标准EN 50160给出了正常工作条件下客户电源端子上电源电压的主要特性，涉及三相电压的频率，幅度，波形和对称性。到目前为止，在较大范围内进行连续电能质量监控还不是很普遍，但是这种情况正在迅速改善。

将分布式发电集成到配电网络中也满足了电能质量监控的新需求，因为分布式发电单元通常连接到薄弱的配电网络。在芬兰，这些单位（即风车）大多位于西部海岸或拉普兰丘陵地区，那里的风况最为有利。这些是人口稀少的地区，那里的能源消耗低，配电网络薄弱且传输距离长。在这种情况下，风速或电源的快速变化可能会导致

剧烈的电压变化，从而可能导致设备故障和客户不适。这就是为什么应该在分布式发电单元中监视电能质量以发现并防止可能出现的问题的原因。

与普通应用程序相比，基于Web的应用程序具有许多优势，并且它们为电能质量监控提供了一种简便的方法。除了可用性和功能性之外，基于Web的应用程序还为电力公共事业提供了使用应用程序服务供应（ASP）模型服务时外包其运营的可能性。电能质量监控是使用ASP模型实施外包服务的一个示例，其中服务提供商总体上负责电能质量信息的供应链，使客户能够专注于核心业务，并使技术解决方案由提供商承担。

坦佩雷工业大学（TUT）正在进行有关电能质量的数据管理以及将分布式发电集成到配电网络中的项目。在进行电能质量管理的情况下，一方面要定义和演示电能质量监控功能，并将其作为集成自动化系统的一部分，另一方面要从网络规划和运营的角度考虑电能质量问题，包括基本分析，测量，中断报告以及分布式发电问题。例如，在参考文献[1]中提出了电能质量监测的更广泛概念。分布式发电项目从规划和运营的角度研究了将分布式发电整合到配电网络中的问题。该项目包括网络稳态和稳定性分析工具和方法的开发，配电网络保护，电能质量和可靠性的考虑以及对电网的调查分布式发电的连接费和转让费的基础。

本文介绍了一种电能质量数据管理和基于Web的监视系统，该系统也适用于分布式发电中的连续电能质量监视。开发的系统包括电能质量计（Quality Guards），其远程读取软件，数据库服务器和结构，用于呈现和分析数据的Web应用程序，Web服务器和客户端（即Web浏览器）。除了电能质量监控功能外，还可以在系统中实现能耗和楼宇自动化功能（即水和热量消耗，状态信息和温度）。开发的基于Web的电能质量监控系统还可以将来自同一生产商的各个配电装置的所有电能质量数据收集在一起。本文还介绍了使Web和移动应用程序开发成为可能的新技术。

电能质量监控的研究已经有所发展，并且在世界范围内也已经开发了应用程序。参考文献[3]描述了一种低成本的智能Web传感器，其设计和实现为通过802.3网络获取，处理和传输数据并构建动态HTML页面。参考文献[4]提出了一个基于Web的多通道电能质量监测系统，该系统由PQ表，数据传输和互联网上的显示组成。参考[5]描述了用于存储电能质量数据的数据库管理系统的概念以及系统的基于网络的用户界面。

2. 电能质量数据的概念 管理和监控系统

电能质量监测是一个将原始测量数据收集，分析和解释为有用信息的过程。收集数据的过程通常是通过长时间连续测量电压和电流来进行的。传统上，分析和解释的过程是手动执行的，但是信号处理和人工智能领域的最新进展使设计和实现智能系统成为可能，从而可以在最少的人工干预下自动分析原始数据并解释为有用的信息。[6]

本文介绍的电能质量数据管理和监视系统由电能质量表（Quality Guards），其远程读取软件，数据库服务器，Web应用程序，Web服务器和客户端（即Web浏览器）组成。系统开发的目的是说明和演示与电能质量有关的外包服务。图1说明了系统的系统架构。

Quality Guard是MX Electrix Oy的商业产品，MX Electrix Oy是芬兰的电能和电能质量表制造商。Quality Guard是一款相当便宜的智能kWh表，具有电能质量监控功能。通过使用GSM调制解调器可以远程读取Quality Guard。通过使用参考文献[7]中所述的稀疏采样方法来实现测量功能。可以使用Quality Guard来测量标准EN 50160中描述的大多数电能质量量。除此之外，还可以测量功率和电流数据。

顾客

互联网

基于Web的应用程序

网页浏览器

质量卫士

质量卫士

传输数据库

PQDB

质量卫士

调制解调器阅读

发送 SQL -

数据库 程序

电能质量数据库

网络服务器

质量卫士

应用服务提供商

图1：基于Web的电能质量监控系统的系统架构。

Quality Guard测量的数量为：

• • 三相每相的电压电平，电流，有功功率，总无功功率，基频无功功率，视在功率，DC偏移，电源电压的总谐波失真（THD）和功率因数
  • 双向总有功功率
  • 总电容和电感无功功率
  • 总视在功率
  • 电源电压频率
  • 负序和零序分量与正序分量之比
  • 电压谐波（3.，5.，7.，9.，11.，和13.）
  • 电压，DC偏移和功率因数的总谐波失真（THD）的最大值

Quality Guard还记录时间戳，电压骤降和骤升的长度最小值/最大值和均方根值，以及中断的开始和结束时间。除此之外，可以使用Quality Guard交付能源消耗和楼宇自动化的数量（即水和热量消耗，状态信息和温度）。

记录密度可以设置为几秒钟，几分钟或几小时。一次最多可以测量24个数量，并且测量值存储在Quality Guard的内存中。凭借10分钟的记录密度和24个测量量，Quality Guard的内存可以存储大约三天的数据。通过使用Enersoft Oy开发的传输系统或Enease Oy开发的EQL Online应用程序的GSM调制解调器或仪表的串行端口，可以进行Quality Guard的设置和远程读取。

传输系统是Quality Guards的远程读取系统，由读取应用程序，计时器应用程序和传输数据库组成。使用计时器应用程序，可以将远程阅读设置为自动启动，例如每天一次。测量值存储在Transmit数据库中，Transmit数据库是需要MS SQL Server的关系数据库。每个测量值在传输数据库中生成一行，该行由测量点名称，数量，记录密度，时间戳，测量值和配置文件组成，这意味着每天在传输数据库中生成24 * 6 * 24 = 3456行，方法是：每个测量点的记录密度为10分钟和24个数量。因此，在一个月的时间段内，十个测量点在Transmit数据库的一个表中生成了超过1000000行。因此，对Transmit数据库的查询变得缓慢且无效，这意味着Transmit数据库的结构不适合数据库

应用程序。

由于提到了Transmit数据库结构的缺点，因此有必要开发一种具有新数据库结构的被称为“电能质量数据库（PQDB）”的数据库。PQDB的结构适合于长期保存数据和供应用程序使用。每个测量点都有自己的表，每个带有相同时间戳的测量值存储在同一行中。结果，一天中存储的行数从3456减少到144，并且一个表中存储的行数与测量点的数量无关。电压骤降/骤升和中断的数据也存储在PQDB中。通过自动调用MS SQL Server的存储过程，可以将测量从传输数据库传输到PQDB。

使用基于Web的应用程序分析和呈现存储在PQDB中的数据。应用程序的实现是使用Microsoft Visual Studio.NET应用程序开发工具和C＃编程语言进行的，它们是新的Microsoft .NET体系结构的一部分。Web应用程序的功能包括：

• 以图表和网格模式以图形方式显示测量数据。
• 在电网模式下呈现电压骤降/骤升。
• 显示脉冲测量值（例如，水和热量的消耗）以及根据功率测量结果计算出的能量消耗。

Web应用程序的图形用户界面如图2所示。访问该解决方案需要授权，并通过登录解决方案来得出授权的测量点。登录后，将显示包含测量点基本信息的主页。

图2：Web应用程序的图形用户界面，用于显示电能质量数据。

用户可以从列表中选择被检查的数量，并可以从用户界面右侧的日历中选择时间段。可以从日历下方的下拉列表中指定时间段。选择之后，用户可以在图表模式下检查所选电能质量测量的趋势，或在网格模式下检查指定的测量值。更改数量或日历选择时，可见图表和网格会自动更新。图表和电网模式均显示电压骤降/骤升和中断。屏幕是可打印的，图表可以保存到用户的计算机中以供进一步研究。更改测量点结果将显示在主页上，将今天的日期更改为日历组件，并使用从选定测量点测量的数量更新数量清单。

3. Web应用程序的优势

先进的互联网技术的发展已经影响了软件生产的趋势。在应用程序开发中使用互联网技术可获得以下好处：[5]

• • 公平性：用户无需购买任何昂贵的硬件设备或软件应用程序即可访问全世界的互联网。一个人可以使用各种通信媒体，例如普通电话线，ISDN线，电缆调制解调器等，来远程检索信息或更新数据。
  • 支持跨平台的体系结构：在具有HTML和TCP / IP协议的标准化互联网浏览器环境中，用户在不同硬件平台上的Web显示将具有相同的外观。因此，图形用户界面只开发了一次，可以在Windows和UNIX平台上显示。
  • 支持开放系统架构：互联网应用程序遵循开放系统标准，例如HTML，HTTP，TCP / IP，FTP，PPP和SQL。数据交换和系统扩展只需最少的工作即可完成。应用程序和数据库接口是根据工业准则一致定义的，例如开放数据库连接（ODBC）。
  • 提供用户友好且一致的人机界面：使用完善的互联网浏览器，用户无需学习困难的命令或鼠标操作即可浏览任何新开发的应用程序。因此，可以最大程度地减少培训工作。
  • 最小化安装和维护工作：可以通过互联网将新的应用程序直接下载到客户端。当新版本在服务器端可用并发布时，软件升级

可以自动完成，无需系统管理员即可将软件安装到公司中的每台PC上。消除了耗时的软件升级过程。

• 系统可扩展性最大化：网页可以逐步开发。无需重新编译或重新链接整个应用程序即可在互联网中显示更新的信息。
• 支持多媒体，视频会议等：互联网浏览器具有显示图片，图表，图形，音频和视频剪辑的功能。因此，可以实现交互式且有效的双向通信。
• 提供关系数据库访问：互联网应用程序可以由数据库驱动，以始终显示数据库中的最新信息，而无需更改任何网页。可以将流行的关系数据库中存储的数据动态显示在网页上并通过互联网更新。

4. 电能质量监控作为应用程序服务供应（ASP）

目前，芬兰分销公司集中于核心业务是一种趋势，在其他国家也可以找到类似的发展。公司正在外包其职能，只有最重要的业务（即管理网络资产）留给了分销公司。例如，网络规划，建设和维护通常更多地提供给另一家提供此类服务的公司。未来趋势的一个例子可能是将电能质量数据管理和监控外包，而在此方面，Web应用程序的优势是不可否认的。

通过互联网提供软件应用程序和/或与软件相关的服务的公司称为应用程序服务提供商（ASP）。ASP拥有并运行一个软件应用程序。ASP还拥有操作和维护运行特定应用程序的服务器。ASP雇用了维护应用程序所需的人员，并且还使该应用程序可以通过互联网在浏览器或某种瘦客户端中供任何地方的客户使用。ASP会按使用或按月/按年收取费用。

ASP模型之所以得到发展，是因为它比传统方法具有一些明显的优势。特别是对于小型企业和初创企业而言，ASP的最

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