基于智能開關(guān)的電能質(zhì)量監(jiān)測及負(fù)荷控制技術(shù)研究

蔣興竹

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)總量的不斷增長，企業(yè)生產(chǎn)用電和居民生活用電量越來越高，已有多個城市由于電能供應(yīng)緊缺而發(fā)生“電荒”現(xiàn)象。電力部門不得不采用負(fù)荷控制技術(shù)以確保重要負(fù)荷的正常用電。同時越來越多的企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)需求對電能質(zhì)量也提出了越來越高的要求，為滿足這部分用戶的需求，電力部門必須將電能質(zhì)量監(jiān)測放到電力運(yùn)行的關(guān)鍵位置。針對目前電力部門中專用的電能質(zhì)量監(jiān)測和負(fù)荷控制設(shè)備價格昂貴但不能完全達(dá)到預(yù)期的效果，文章介紹了一種基于智能開關(guān)的電能質(zhì)量監(jiān)測及負(fù)荷控制技術(shù)。首先介紹了智能開關(guān)的定義，隨后針對電能質(zhì)量和供電緊缺的具體問題，闡述了智能開關(guān)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方法及其起到的作用。電力系統(tǒng)中的大量實(shí)際應(yīng)用表明利用智能開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量和負(fù)荷的在線監(jiān)測是一種技術(shù)上可行的較經(jīng)濟(jì)的方案，可以為電能質(zhì)量的監(jiān)測提供一種新的思路和和解決方案。

關(guān)鍵詞：智能開關(guān)；電能質(zhì)量；負(fù)荷控制

中圖分類號：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）14-0016-02

國家能源局4月15日發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2014年1～3月，我國全社會用電量累計12 788億 kW·h，同比增長5.4%。其中3月份全國全社會用電量達(dá)到4 544億 kW·h，同比增長7.2%。根據(jù)電力部門往年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進(jìn)入四月份以后，全國用電負(fù)荷將大幅度增加，從2011年開始，我國多個省份已多次出現(xiàn)電荒，電能生產(chǎn)難以滿足負(fù)荷需求。另外，由于電能質(zhì)量不能滿足生產(chǎn)要求，部分高科技公司甚至面臨著“無電可用”的困局，電能質(zhì)量已經(jīng)直接導(dǎo)致了社會生產(chǎn)力的下降并造成了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。隨著我國建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)目標(biāo)的提出，電力企業(yè)除了要滿足用戶的基本電力需求，還要保證用戶使用的電能質(zhì)量符合要求。

滿足用戶對電能的基本需求和電能質(zhì)量的要求的關(guān)鍵是進(jìn)行負(fù)荷控制和電能質(zhì)量監(jiān)測。目前，我國電網(wǎng)中監(jiān)測設(shè)備和負(fù)荷控制設(shè)備都是永久性的專用設(shè)備，這些設(shè)備不僅價格昂貴，而且很難監(jiān)測整個電力網(wǎng)絡(luò)。智能開關(guān)在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生，和專用設(shè)備不同，智能開關(guān)價格便宜而且體積較小，它可以自由分布在電力系統(tǒng)的各個角落，實(shí)現(xiàn)對整個電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，從而了解整個電網(wǎng)的運(yùn)行情況。根據(jù)供電需求和電網(wǎng)電能質(zhì)量的具體情況實(shí)時控制負(fù)荷，在系統(tǒng)發(fā)電能力不變的條件下優(yōu)化電能配置并為用戶提供高質(zhì)量的電能。

在歐美等電力系統(tǒng)相對比較成熟的國家，智能化被高度重視。電能質(zhì)量的監(jiān)測和負(fù)荷控制技術(shù)基本通過智能開關(guān)實(shí)現(xiàn)，其中最有代表性的裝置是有源濾波器，通過監(jiān)測和補(bǔ)償電力網(wǎng)絡(luò)的諧波，基本上可以消除對用戶的諧波影響。和國外相比，我國的智能開關(guān)設(shè)備研制起步晚，但是發(fā)展快。經(jīng)過一系列的積極的探索和實(shí)踐，也獲得了大量的成果。但是總的來說，這些設(shè)備價格偏高、安裝范圍小，難以滿足分布式大范圍監(jiān)測需求。

1 基于智能開關(guān)的電能質(zhì)量監(jiān)測

隨著新型用電設(shè)備不斷接入電網(wǎng)，非線性、沖擊性、不平衡的負(fù)荷日益增多，電力系統(tǒng)的電壓畸變、諧波干擾等電能質(zhì)量問題也越來越嚴(yán)重。為改善電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，必須建立完善的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1 電能質(zhì)量定義

一般來說，電能質(zhì)量是指電壓、電流和頻率等各項(xiàng)指標(biāo)都符合用戶的需求。按照各個不同指標(biāo)對用戶的影響，根據(jù)工作的電壓、電流或頻率的偏差，一般可以將電能質(zhì)量的問題分為供電電壓偏差、電力系統(tǒng)頻率偏差、公用電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡等。他們的具體分類及其產(chǎn)生原因和影響見表1。

1.2 電能質(zhì)量分析算法

由于電能是一個變化很快的量，因此用于電能質(zhì)量分析的算法最重要的條件就是運(yùn)算速度快，計算準(zhǔn)確。目前，廣泛用于電能質(zhì)量的方法主要有傅里葉變換、S變換、小波變換等。他們的前提和計算方法都有很大的區(qū)別，每個算法都有各自的優(yōu)越性和局限性，如傅里葉變換只適合平穩(wěn)信號的分析，無法滿足對具有突變性、暫態(tài)性等特性的電能質(zhì)量復(fù)雜擾動的非平穩(wěn)信號進(jìn)行分析的要求。S變換對信號的提取能力有限，而且其功率隨頻率的增大而線性的增大。小波變換中小波基對信號的小波變換結(jié)果影響很大。目前最常見的使用方法是利用幾種方法混合計算來規(guī)避他們的弊端。

1.3 有電能質(zhì)量監(jiān)測功能的智能開關(guān)

隨著我國建設(shè)智能電網(wǎng)目標(biāo)的提出，用戶和電力企業(yè)都比以往更加關(guān)注電能質(zhì)量，在這種情形下誕生了功能相似的各種電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備。它們都采用智能處理器為核心，一般選取ARM或DSP或者由ARM和DSP共同構(gòu)成核心。功能上則強(qiáng)調(diào)智能化，除了基本的計算功能外，還附加了顯示、存儲、通信、人機(jī)對話等功能。目前國內(nèi)外許多公司都開發(fā)出了自己的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置產(chǎn)品，按照他們的安放位置和體積大小可以將他們分為便攜式、固定式兩種。

和國外開展電能質(zhì)量檢測較早的國家相比，我國對電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的研制尚處于起步階段，雖然已經(jīng)研發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電能質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品，但是部分模塊還需要依賴于國外的技術(shù)模塊，因而直接造成了設(shè)備的價格較高，不適合大規(guī)模安裝，還未達(dá)到在整個電力系統(tǒng)中完全普及的條件。

2 基于智能開關(guān)的負(fù)荷控制技術(shù)

負(fù)荷控制是對用電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整和控制，保證電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行，并且把停電所造成的損失和影響控制到最低的程度，所采取的一種限制措施。智能開關(guān)通過監(jiān)測線路的負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，配合檢測到的電能質(zhì)量信息優(yōu)化供電方式，實(shí)行智能供電，必要時對供電線路實(shí)行負(fù)荷控制，最大限度的利用能源，減小斷電的影響，實(shí)現(xiàn)有序用電。

2.1 基于智能開關(guān)的負(fù)荷控制功能

基于智能開關(guān)的負(fù)荷控制是指利用通信系統(tǒng)、負(fù)荷控制系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷控制管理，監(jiān)測負(fù)荷變化、電量增減、提高客戶終端用電效益。負(fù)荷控制主要具有以下功能：

①負(fù)荷控制功能：智能開關(guān)最基本和最重要的功能就是進(jìn)行負(fù)荷控制，通過監(jiān)測信息的獲取智能開關(guān)能定時自動進(jìn)行跳合閘操作控制負(fù)荷的啟停，通過這一功能，它可以在電能生產(chǎn)小于負(fù)荷需求時進(jìn)行評估，自動地切除部分不重要的負(fù)荷以確保整個電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

②電能質(zhì)量監(jiān)測功能：智能開關(guān)可以實(shí)時在線監(jiān)測電網(wǎng)的電壓、電流和頻率等參數(shù)并通過上文提及的算法計算和分析電能質(zhì)量，當(dāng)能夠確定某一負(fù)荷對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不可接受的影響時，自動中斷對負(fù)荷的供電以確保系統(tǒng)中其他負(fù)荷的用電質(zhì)量。

③通信遙控功能：每個智能開關(guān)都配備了專門的通信模塊，既可以和附近的智能開關(guān)進(jìn)行通信也可以和調(diào)度中心進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換，這樣調(diào)度中心和每個智能開關(guān)都能夠掌握整個電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，從而確保制定出的負(fù)荷控制策略對整個電力系統(tǒng)最有利。

2.2 基于智能開關(guān)的負(fù)荷（可中斷）控制過程

通過智能開關(guān)對負(fù)荷進(jìn)行控制，不僅技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)而且更加經(jīng)濟(jì)也更加節(jié)約，負(fù)荷控制最大限度利用能源，可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，滿足有序用電要求。雖然電力系統(tǒng)中安裝了眾多的智能開關(guān)，但是調(diào)度中心仍然無法得知所有線路的負(fù)荷（可中斷）的實(shí)時運(yùn)行情況，因此如果由調(diào)度中心直接按照經(jīng)驗(yàn)建模計算可中斷負(fù)荷模型往往不能滿足實(shí)際情況，因此我們一般以當(dāng)前線路上的智能開關(guān)為基礎(chǔ)，實(shí)時分析當(dāng)前線路的負(fù)荷情況，計算可中斷負(fù)荷啟停關(guān)系，直接控制負(fù)荷的啟?？梢允沟秘?fù)荷控制更加方便高效。

當(dāng)調(diào)度中心對所有智能開關(guān)發(fā)出系統(tǒng)出現(xiàn)緊急電量缺額信息時，智能開關(guān)首先匯總計算整個系統(tǒng)的缺電量的份額，然后分析判斷可中斷負(fù)荷的重要性，將所控制線路的所有可中斷負(fù)荷按照負(fù)荷重要級別、按照約束條件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。當(dāng)?shù)贸鲐?fù)荷的控制順序后，按照重要性從低到高的原則逐漸將負(fù)荷退出系統(tǒng)直到系統(tǒng)中的供需再次達(dá)到平衡。在保證大部分用戶正常用電的同時，實(shí)現(xiàn)高效的負(fù)荷控制。

3 結(jié) 語

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各行業(yè)對電能的需求增長速度遠(yuǎn)快于電力系統(tǒng)裝機(jī)容量的增長，這使得我國持續(xù)出現(xiàn)“電荒”，同時電力用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高，因此負(fù)荷控制與電能質(zhì)量監(jiān)測日益受到關(guān)注。本文首先介紹了電能質(zhì)量的定義和負(fù)荷控制的基本概念。在此基礎(chǔ)上，引出了智能開關(guān)的概念，并重點(diǎn)闡述了基于智能開關(guān)的電能質(zhì)量監(jiān)測及負(fù)荷控制技術(shù)，由于和傳統(tǒng)的固定設(shè)備相比智能開關(guān)優(yōu)點(diǎn)顯著，智能開關(guān)必將逐漸替代電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測和負(fù)荷控制設(shè)備。

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