基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

皮 震

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司咸寧供電公司，湖北 咸寧 437400）

隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，電力供應(yīng)越來越成為推進(jìn)社會發(fā)展和進(jìn)步的關(guān)鍵因素，對供電的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)作為供電網(wǎng)絡(luò)的“大腦”，主要用于對電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行實時監(jiān)測和調(diào)整，滿足電網(wǎng)運(yùn)行安全的需求。隨著城市化規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及社會用電需求的持續(xù)增加，現(xiàn)有的供電網(wǎng)絡(luò)調(diào)度系統(tǒng)逐漸暴露出了數(shù)據(jù)分析效率低、調(diào)度滯后性大等不足，而且難以對電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，無法滿足供電穩(wěn)定性和可靠性需求[1]。

在低碳環(huán)保發(fā)展理念下，我國電力行業(yè)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，新能源的大量應(yīng)用將徹底改變傳統(tǒng)發(fā)電方式下的極端能耗，為電網(wǎng)的正常運(yùn)營提供了有利的運(yùn)行條件，推動了我國電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?；诖耍疚睦梦锫?lián)網(wǎng)技術(shù)選取ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)以及樹形網(wǎng)絡(luò)，來收集新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測區(qū)域中的參數(shù)進(jìn)行智能檢測；根據(jù)監(jiān)測到的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)搭建新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型；利用電流監(jiān)測原理對運(yùn)行狀完成監(jiān)測。

1 新能源發(fā)電現(xiàn)狀及未來方向

1.1 太陽能

太陽能是一種取之不盡用之不竭的自然能量，與人類乃至整個地球的發(fā)展有著密切聯(lián)系。我國非常重視發(fā)展太陽能，并采取了一系列有力的措施，以促進(jìn)太陽能的發(fā)展。我國早在2015 年就對光伏行業(yè)進(jìn)行了更加細(xì)致的規(guī)劃，明確指出了今后的發(fā)展方向和發(fā)展的深度，并提出了三年內(nèi)，全國光伏裝機(jī)總量要達(dá)到3500 萬kW 以上的戰(zhàn)略目標(biāo)。此后，很多省份也都在政府的指導(dǎo)下，逐步發(fā)展太陽能工業(yè)，并持續(xù)更新其理論與技術(shù)，研發(fā)新的太陽能發(fā)電裝置。太陽能發(fā)電行業(yè)迅速發(fā)展，同時，太陽能在全國的發(fā)電量中所占的比例也在逐年增加。在新的發(fā)展環(huán)境下，太陽能技術(shù)在很多方面都有著巨大的需求，這主要是因為它有著其他能源所不具備的優(yōu)越性[2]。

1.2 風(fēng)能

與常規(guī)能源相比，我國風(fēng)能的儲備也非常巨大。我國幅員遼闊，生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，氣候多為大風(fēng)、強(qiáng)季風(fēng)性，擁有豐富的風(fēng)力資源，能夠充分利用風(fēng)力發(fā)電。由于煤炭等傳統(tǒng)資源的消費(fèi)下降，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的需求不斷增長，急需新的能源資源來尋求和補(bǔ)充。當(dāng)然，僅僅依靠太陽能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，現(xiàn)在正是發(fā)展和利用風(fēng)力的時候。目前，我國風(fēng)電投資規(guī)模呈逐年遞增的態(tài)勢，在全球范圍，我國風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模和風(fēng)電發(fā)電量均居全國首位。風(fēng)電作為一種新型能源，不僅易于發(fā)展，而且在全球范圍內(nèi)分布很廣，是繼太陽能后的另一種主要且有效的替代傳統(tǒng)能源。

2 新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測必要性

電力系統(tǒng)是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和運(yùn)行的基石，人們的生產(chǎn)生活均離不開電力行業(yè)，只有維持穩(wěn)定的電力系統(tǒng)運(yùn)行，才能保證工業(yè)生產(chǎn)和人類生活。

現(xiàn)階段隨著新能源場站的大規(guī)模建設(shè)，越來越多的新能源場站已經(jīng)開始并入傳統(tǒng)電網(wǎng)中，但是考慮到新能源發(fā)電功率波動性較大，在并網(wǎng)后，其電能傳輸通道潮流容易出現(xiàn)波動，在一定程度上會對并入電網(wǎng)電壓的整體安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。過去電網(wǎng)系統(tǒng)在未開發(fā)新能源場站之前，其電網(wǎng)系統(tǒng)的整體負(fù)荷中心間隔距離較長，傳統(tǒng)電網(wǎng)輸電模式下，電網(wǎng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)非常脆弱，需要應(yīng)用高壓傳輸通道方能實現(xiàn)電能的穩(wěn)定傳輸。隨著我國大力發(fā)展新能源場站，為確保供電質(zhì)量，相關(guān)電網(wǎng)企業(yè)要充分考慮并網(wǎng)后的電網(wǎng)負(fù)荷以及新能源電能的輸電情況，同時也要著重分析新能源電能運(yùn)行狀態(tài)。

現(xiàn)階段，我國新能源場站建設(shè)已經(jīng)具備一定的規(guī)模，新能源技術(shù)的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。隨著新能源場站建設(shè)成本費(fèi)用的不斷下降，新能源電力在電力系統(tǒng)中的占比也在不斷擴(kuò)張。新能源并入配電網(wǎng)之后，其整體的輸電穩(wěn)定性以及可靠性不僅對電力系統(tǒng)整體電壓產(chǎn)生的影響非常顯著，同時也和并網(wǎng)接入?yún)^(qū)域以及配網(wǎng)容量有密切的關(guān)聯(lián)。因此要求各地電網(wǎng)部門要重點做好電網(wǎng)調(diào)度規(guī)劃工作。尤其是針對配電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度規(guī)劃的過程中，不僅要考慮其他因素的影響，同時也要采取各種方法最大限度地減少新能源并入后對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，最大價值發(fā)揮新能源電能的作用，確保工業(yè)生產(chǎn)和居民生活用電穩(wěn)定。

3 新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法設(shè)計

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)

新能源電網(wǎng)運(yùn)行的過程中，要使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對新能源電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的收集，確保收集過程中的有效操作和安全。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)選取ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)以及樹形網(wǎng)絡(luò)。按照現(xiàn)場要求在監(jiān)測范圍內(nèi)安裝了監(jiān)測器節(jié)點并且設(shè)置了攝像頭?？紤]到現(xiàn)場位置，在設(shè)置監(jiān)測器節(jié)點的時候，為了提高監(jiān)測器節(jié)點所收集的轉(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)的精度，對電路中的每一段分別設(shè)置了對應(yīng)的監(jiān)測器，其中，每兩個監(jiān)測器節(jié)點的定位高度一般都在500m 以內(nèi)[3]。在每段輸電的路徑上都間隔一定高度安裝了一個數(shù)據(jù)節(jié)點，用來收集在每段線路上每個監(jiān)測器節(jié)點收集到的信息，利用無線網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)實現(xiàn)了智能監(jiān)測。接著通過監(jiān)測器模塊采集電網(wǎng)運(yùn)行的溫度、電壓、電流數(shù)值，并對采集到的數(shù)據(jù)信息做出相應(yīng)的處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過不同的運(yùn)行狀態(tài)指令分別收集每個監(jiān)測器監(jiān)測到的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過利用監(jiān)測器收集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，為接下來的監(jiān)測模型搭建提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 搭建新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型

根據(jù)傳感器所測得的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。

1.要分析運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生的原因和過程?；诙嘣绊懸蛩氐睦碚摷夹g(shù)，結(jié)合新能源電網(wǎng)的特點，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)，分析出產(chǎn)生各類運(yùn)行狀態(tài)的主要因素可總結(jié)為施工人員的施工操作、設(shè)備的性能、環(huán)境因素、控制以及措施方法5 個層面。所以把這5 個運(yùn)行狀態(tài)因子設(shè)計成新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評價指標(biāo)的核心因素。二級標(biāo)準(zhǔn)是一級目標(biāo)更為具體的解釋，將新能源電網(wǎng)的運(yùn)行特點，如：施工期限長、新能源工藝的應(yīng)用次數(shù)較多、對施工人員技能要求較多、新能源材料較多、立體復(fù)雜的施工作業(yè)較多、現(xiàn)場安裝的機(jī)械設(shè)備多、建筑材料運(yùn)輸量大等，設(shè)計成二級目標(biāo)。

2.利用階段分析法確定指標(biāo)權(quán)重并進(jìn)行相同性的檢驗。

3.根據(jù)二級指標(biāo)對一級指標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)影響的重要程度，設(shè)計對應(yīng)的權(quán)數(shù)。

4.把新能源電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)界定為4 個級別：I、II、III、IV，并設(shè)計了評估集Y。

5.根據(jù)新能源電網(wǎng)的性質(zhì)和實際運(yùn)行的情況，對4 項評價綜合取值。為新能源電網(wǎng)運(yùn)行項目的安全運(yùn)行與異常運(yùn)行評估綜合取值。使用模糊的判斷技術(shù)進(jìn)行評估后，需要使用層次函數(shù)方法判斷階層性，這樣才能夠考察到層次間的聯(lián)系狀態(tài)，進(jìn)而克服了層次間的聯(lián)系不確定性。

6.通過對新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評價指標(biāo)，再通過對運(yùn)行狀態(tài)的觀測，以及通過對狀態(tài)評價指標(biāo)體系量化的方式對狀態(tài)評價指標(biāo)體系進(jìn)行評估。通過分析以上的綜合評價結(jié)果及各階層的評價結(jié)論可以得出，從各層來看，新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評估模型對新能源電網(wǎng)的管理影響不大，其中，影響較大的指標(biāo)為對工作行為的規(guī)范，新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)模型對保障安全施工的影響較大，可以看出新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)模型對于電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的管理具有很大的實際用途。

3.3 實現(xiàn)新能源配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測

監(jiān)測模型搭建完成之后，對監(jiān)測區(qū)域的傳感器進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測包括狀態(tài)的分類、排序與控制等信息，也可以簡單地進(jìn)行電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建立和調(diào)整。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行時，傳感器會啟動監(jiān)測功能，可以對線路上的電流和大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行時的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測。在電網(wǎng)中接入控制型的監(jiān)測機(jī)，利用電流監(jiān)測原理對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，再接入集中式的運(yùn)行感應(yīng)器，監(jiān)測輸出電流的波形是否出現(xiàn)阻斷情況。運(yùn)行監(jiān)測模塊需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和運(yùn)行時間的監(jiān)測，當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行時，會開始監(jiān)測，并向傳感器發(fā)送監(jiān)測信號。首先根據(jù)監(jiān)測模塊所監(jiān)測到的信息進(jìn)行判斷，若運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異?；蛘咄Ｖ惯\(yùn)行則會進(jìn)行警報提示，若為正常運(yùn)行信號，則通過輻射面積識別是否為兩組線路同時運(yùn)行，再通過實際的運(yùn)行時間或者理論上的運(yùn)行時間確定有無重疊運(yùn)行和停止運(yùn)行的情況，從而計算正常的運(yùn)行狀態(tài)量等，實現(xiàn)了新能源電網(wǎng)的集中管理下的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，可以自動生成新能源電網(wǎng)的信息、運(yùn)行進(jìn)度和運(yùn)行速度，還能自動生成每次運(yùn)行的狀態(tài)，自動將所監(jiān)測到的信息生成到對應(yīng)的數(shù)據(jù)分析模塊中[4]。

4 實驗與結(jié)論

4.1 實驗準(zhǔn)備

將監(jiān)測裝置分散安裝在110kV 變電站、110kV 導(dǎo)電柜、電力開關(guān)、電纜箱、環(huán)網(wǎng)柜等設(shè)備10kV 電線進(jìn)出網(wǎng)柜處，作為監(jiān)測節(jié)點，采集負(fù)荷電流、零序電流、對地電場電壓、電纜終端溫度、運(yùn)行環(huán)境溫濕度等實時數(shù)據(jù)，并檢測電線短路、接地、過溫、過負(fù)荷、過濕等故障及異常狀態(tài)。通過GPRS 無線通訊模塊連接到后臺監(jiān)控主站，通過對各監(jiān)測節(jié)點設(shè)備的環(huán)境狀況設(shè)定預(yù)警線，對于可能引發(fā)設(shè)備故障的惡劣環(huán)境如高溫、過濕等狀態(tài)及時發(fā)出預(yù)警信息，提前請設(shè)備維護(hù)人員解決并及時解除危險情況。

4.2 實驗過程

將監(jiān)測器監(jiān)測到的運(yùn)行異常情況進(jìn)行記錄，建立配電設(shè)備的狀態(tài)檔案，依據(jù)各節(jié)點日報表和線路周報表。為各監(jiān)測節(jié)點的配電設(shè)備建立監(jiān)測記錄，分析狀態(tài)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，監(jiān)測設(shè)備負(fù)荷運(yùn)行趨勢和用戶用電規(guī)律，生成全面、完善的配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測記錄文件。

4.3 實驗結(jié)果

為了證明設(shè)計監(jiān)測方法的有效性，對新能源電網(wǎng)運(yùn)行異常的狀態(tài)進(jìn)行研究。根據(jù)不同的運(yùn)行設(shè)備數(shù)量，對比3 種狀態(tài)監(jiān)測方法監(jiān)測到的運(yùn)行狀態(tài)異常次數(shù)，如表1 所示為采用3 種狀態(tài)監(jiān)測方法監(jiān)測到的運(yùn)行狀態(tài)異常次數(shù)對比情況。

由此可以看出，以實際的運(yùn)行異常次數(shù)為對比，基于深度卷積網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法和基于TOPSIS 法的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法監(jiān)測到的運(yùn)行異常次數(shù)與實際相差較多，而且在不同時間段內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動較大。設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法監(jiān)測到的運(yùn)行異常次數(shù)都與實際的十分接近，可以將監(jiān)測誤差控制在20%以內(nèi)，證明了設(shè)計的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法的有效性和準(zhǔn)確性，為電網(wǎng)的運(yùn)行提供了保障[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，近年來我國電力裝備轉(zhuǎn)型較快，通過電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)要求，國家電網(wǎng)需要以打造高效信息處理為目標(biāo)，全面感知電力物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，因此必須要對電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以及對異常情況進(jìn)行預(yù)測。構(gòu)建的新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型是基于新能源電網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行收集與處理，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及理論，根據(jù)新能源電網(wǎng)的某種運(yùn)行狀態(tài)評價指標(biāo)來判斷運(yùn)行狀態(tài)在相關(guān)條件下可能發(fā)生的情況，為提前進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測提供了科學(xué)依據(jù)。通過數(shù)據(jù)量化的技術(shù)手段應(yīng)用于各種活動或監(jiān)測單位的監(jiān)測過程中，為其他相關(guān)單位及監(jiān)測部門的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測提供新的理論。