輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐文林

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長(zhǎng)沙 430103）

隨著能源管理系統(tǒng)和智能電器的普及，以及各種電器實(shí)時(shí)負(fù)荷和用電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持，智能電網(wǎng)用戶端與電網(wǎng)端的交互成為可能。為了進(jìn)一步提高用電效率，促進(jìn)電力資源的優(yōu)化配置，保證用電秩序，降低用電成本，需要優(yōu)化用電負(fù)荷的能效，其中，輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效是指輸配電網(wǎng)系統(tǒng)中用戶任意時(shí)刻消耗的有效電功率，一旦輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效低于一定數(shù)值后，輸配電網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備就存在一定的故障。復(fù)雜用電負(fù)荷主要根據(jù)輸配電網(wǎng)設(shè)備的工作功率進(jìn)行分類，分為第一類負(fù)荷、第二類負(fù)荷、第三類負(fù)荷，每類負(fù)荷的負(fù)載力逐次提高[1-2]。

文獻(xiàn)[1]將遺傳算法融入到和聲搜索算法中，構(gòu)建了綜合降損措施的數(shù)學(xué)模型，但是無法準(zhǔn)確獲取復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量結(jié)果。文獻(xiàn)[2]給出了發(fā)生單相接地故障前后配電線路有功損耗變化的表達(dá)式，但是因?yàn)檩斉潆娋W(wǎng)線路漏電消耗的用電負(fù)荷，導(dǎo)致能效計(jì)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

為了解決以上問題，該文突破傳統(tǒng)復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)一套準(zhǔn)確性較高的輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由集電器、存儲(chǔ)器以及處理器三部分組成[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 集電器

集電器在復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)硬件區(qū)域的作用是集成需要計(jì)量時(shí)刻的復(fù)雜用電負(fù)荷電能，使復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量數(shù)據(jù)量增加，且使能效數(shù)據(jù)量的增加效果達(dá)到最佳，該文使用了TDG-7 集電器[4]。集電器電路圖如圖2 所示。

圖2 集電器電路圖

根據(jù)圖2 可知，因?yàn)檩斉潆娋W(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效具有沖擊性，該文采用的是無縫滑觸類型的集電器，集電器的邊緣由雙股銅線進(jìn)行纏繞加固，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由納米級(jí)碳涂層和活性電極材料制成，集電器利用高彈力彈簧連接每個(gè)集電模塊。器件的工作電流為2 A，工作電壓為5 V，前端的碳刷厚度為5 mm，集電器可以承受的最大電壓為220 V。集電器的工作模式為通電延時(shí)，延時(shí)精度小于10%，器件的觸點(diǎn)容量為AC-15 AC240/0.75[5-6]。

1.2 處理器

為了保證計(jì)量系統(tǒng)的運(yùn)行效率，在系統(tǒng)硬件區(qū)域設(shè)計(jì)了HDU 處理器，其工作內(nèi)容是觸發(fā)硬件區(qū)域的設(shè)備，并解決用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)沖突問題。處理器內(nèi)置驍龍980 芯片，具有獨(dú)特的通信模塊，可以與軟件區(qū)域進(jìn)行無誤差的通信，與芯片相互匹配的是300 系列的主板[7]。

處理器工作的基本頻率為2.90 Hz，最大工作睿頻加速頻率為4.80 Hz，此處理器的工作模式為八核心十六線程，HDU 處理器內(nèi)部設(shè)置的所有總線通信速率都可以達(dá)到8 GT/s，處理器運(yùn)行時(shí)TDP 的數(shù)值是65 W[8-9]，可以提高處理器的工作效率。用電負(fù)荷能效計(jì)算過程中，為了保證計(jì)量數(shù)據(jù)的完整性，處理器設(shè)計(jì)了12 MB 的緩沖空間，存儲(chǔ)器在器件邊緣位置設(shè)計(jì)多個(gè)接口，接口類型為USB 接口、I/O 串口、無線串口，每個(gè)類型的串口都采用全雙工通信，波特率為115 000 bit，通信速率為134 Mbps。處理器支持FTP、SMB、NFS 等多種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行協(xié)議，并兼容多個(gè)操作系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行[10-12]。

1.3 存儲(chǔ)器

輸配電網(wǎng)中，復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)硬件區(qū)域存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)目的，是方便用電負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)插值補(bǔ)錄時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)信息的調(diào)用，該系統(tǒng)對(duì)于存儲(chǔ)器的要求不高，因此，該文選擇存儲(chǔ)器領(lǐng)域性價(jià)比最高的LKO 存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器的電源為轉(zhuǎn)接板模式，采用24 V 鋰電池的電源，電源有效適配器為90 W，可以無障礙工作6 個(gè)月，存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)方式為雙M.2 SSD 極速存儲(chǔ)，設(shè)置4 個(gè)存儲(chǔ)通道，保證不同格式的輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效數(shù)據(jù)[13]。

存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3 可知，存儲(chǔ)器具有10 bit 4k 的解碼能力，存儲(chǔ)器的外接網(wǎng)絡(luò)接口為2.5 GBE，輸出接口為HDMI 2.0A，為了提高存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間，設(shè)計(jì)兩個(gè)2.5 GEN 的外接硬盤接口。另外，設(shè)置存儲(chǔ)器在有效時(shí)間內(nèi)可以完成數(shù)據(jù)還原，內(nèi)置8 盤位可擴(kuò)展的DDR4 主板，此主板可以根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，自動(dòng)升級(jí)內(nèi)存至32 GB[14-15]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的有效性直接影響到輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效的計(jì)量準(zhǔn)確度，因此，該文對(duì)采集到的輸配電網(wǎng)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行插值分析，并根據(jù)輸配電網(wǎng)的實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

標(biāo)準(zhǔn)輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效的有效數(shù)據(jù)間隔時(shí)間為1 ms，因?yàn)檩斉潆娋W(wǎng)中用電負(fù)荷類型復(fù)雜，該文設(shè)置用電負(fù)荷測(cè)點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)間隔時(shí)間為30 ms，雖然增加了用電負(fù)荷能效的計(jì)算量，但是提高了計(jì)量精度。在用電負(fù)荷監(jiān)測(cè)過程中，如果連續(xù)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為空白，那么此輸配電網(wǎng)的測(cè)點(diǎn)為故障狀態(tài)，計(jì)量系統(tǒng)直接輸出“0”即可，如果測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集過程無誤，系統(tǒng)輸出“1”，正常情況下，輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)條為不間斷空白的一個(gè)數(shù)據(jù)包。然后將采集到的用電負(fù)荷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初次插值處理。插值處理的目的是重新獲取由于輸配電網(wǎng)用電負(fù)荷傳輸信道過長(zhǎng)導(dǎo)致傳輸過程中丟失的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，該文利用小波變換算法完成輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的插值，插值規(guī)則如下所示：

其中，cij表示每個(gè)輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷數(shù)據(jù)段的電能測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)；ε表示用電負(fù)荷系數(shù)；v表示通信信道的傳輸速率；a表示用電負(fù)荷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的插值序列號(hào)；bij表示插值時(shí)的輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷數(shù)據(jù)段的電能測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)[16]。

最后將插值補(bǔ)錄完成的復(fù)雜用電負(fù)荷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)條進(jìn)行精度校正，具體校正公式如下所示：

其中，P1表示校正精度；υ表示復(fù)雜用電負(fù)荷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)校正系數(shù)；z表示復(fù)雜用電負(fù)荷測(cè)點(diǎn)插值補(bǔ)錄后的新序列號(hào)；其他未知量的意義同上。

輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)軟件工作流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程

輸配電網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜電力負(fù)荷的能效具有非線性、隨機(jī)性和幅值影響等特點(diǎn)。其非線性特征是輸配電網(wǎng)負(fù)荷的能效與網(wǎng)絡(luò)中的某些設(shè)備有關(guān)。當(dāng)裝置發(fā)出諧波及不同頻率的諧波分量時(shí)，振幅功率負(fù)載所消耗的功率會(huì)有一定的干擾波動(dòng)。這種現(xiàn)象不能完全消除，只能在最大程度上加以控制。因此，輸配電網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜電力負(fù)荷的能效非常高，不存在線性關(guān)系。

由于電力負(fù)荷能效具有隨機(jī)性，輸配電網(wǎng)中各時(shí)刻電力負(fù)荷的輸出頻率、相位、波形和功率等因素不可控。復(fù)雜電力負(fù)荷對(duì)能效的影響主要取決于輸配電網(wǎng)的運(yùn)行電流，輸配電網(wǎng)的工作電流大于規(guī)定值。為了維持輸配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，只能強(qiáng)制提高工作電壓，這對(duì)各運(yùn)行設(shè)備的沖擊損失有非常嚴(yán)重的影響。

根據(jù)上文簡(jiǎn)述復(fù)雜用電負(fù)荷能效的特性，利用離散傅里葉變換算法完成復(fù)雜用電負(fù)荷能效Q的計(jì)量，公式如下所示：

其中，M表示用電負(fù)荷的有功能量；w表示用電負(fù)荷的有功能量；w1表示用電負(fù)荷的瞬時(shí)功率；n表示能效的計(jì)量點(diǎn)數(shù)；t表示輸配電網(wǎng)復(fù)雜用電負(fù)荷能效的計(jì)量周期；f表示輸配電網(wǎng)復(fù)雜用電負(fù)荷能效的計(jì)量頻率；U表示時(shí)刻的瞬時(shí)電壓值；I表示時(shí)刻的瞬時(shí)電流值，其他未知數(shù)變量意義同上。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試分析。選擇基于儀表測(cè)量的輸配電網(wǎng)復(fù)雜電力負(fù)荷能效測(cè)量系統(tǒng)和基于電路交互的輸配電網(wǎng)復(fù)雜電力負(fù)荷能效測(cè)量系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，輔助完成系統(tǒng)的控制測(cè)試。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

采用長(zhǎng)春市一汽集團(tuán)寬城區(qū)分部的B 輸配電網(wǎng)作為實(shí)驗(yàn)樣本，在實(shí)驗(yàn)前，將3 個(gè)輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)連入輸配電網(wǎng)控制中心，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)處理。實(shí)驗(yàn)預(yù)處理完成后，同一時(shí)間觸發(fā)3套系統(tǒng)，并由控制中心隨機(jī)發(fā)布一個(gè)隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)，測(cè)試任務(wù)是計(jì)量此時(shí)間點(diǎn)輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電的負(fù)荷能效，同時(shí)工作人員也利用專業(yè)儀器完成復(fù)雜用電負(fù)荷能效的計(jì)量，計(jì)量結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)的有效對(duì)照數(shù)據(jù)。當(dāng)3 套系統(tǒng)向控制中心全部提交計(jì)量結(jié)果后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，并將3 套系統(tǒng)從輸配電網(wǎng)控制中心斷開，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程具有邏輯性，并符合輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量規(guī)范，因此測(cè)試數(shù)據(jù)具有可信性。

測(cè)量誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 測(cè)量誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整理圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該文設(shè)計(jì)的輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)與實(shí)際計(jì)量結(jié)果的誤差度在4%以內(nèi)，低于其他文獻(xiàn)方法。

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的記錄率和準(zhǔn)確度是最佳的，證明了該系統(tǒng)的可靠性。這是因?yàn)榭紤]了3 種類型的復(fù)雜電力負(fù)荷，并根據(jù)每種類型的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了計(jì)量算法，提高了測(cè)量算法的精度。另一方面，該文設(shè)計(jì)的計(jì)量過程完成了電力負(fù)荷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的插值和補(bǔ)充記錄，保證了電力負(fù)荷測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，從而提高了電力負(fù)荷能效測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

由處理器、存儲(chǔ)器以及集電器共同構(gòu)建了輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，在系統(tǒng)的軟件區(qū)域，利用小波變化算法對(duì)輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值補(bǔ)錄分析，并簡(jiǎn)述復(fù)雜用電負(fù)荷能效的計(jì)量方法，實(shí)現(xiàn)輸配電網(wǎng)中復(fù)雜用電負(fù)荷能效計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此計(jì)量系統(tǒng)在本質(zhì)上減少了輸配電網(wǎng)纜線帶來的能效計(jì)量誤差，保證用電負(fù)荷能效計(jì)量的準(zhǔn)確度，通過對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的推廣，可以在一定程度上減少輸配電網(wǎng)故障的發(fā)生。