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)測方法探究

國網(wǎng)冀北電力有限公司超高壓分公司 徐興華 國網(wǎng)冀北綜合能源服務(wù)有限公司 姚 陽

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)形式

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在電力領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了較為廣泛的應(yīng)用，且存在多種關(guān)鍵技術(shù)形式。

1.1 傳感器技術(shù)

作為一種監(jiān)測裝置，傳感器可有效感知待測量信息，此后通過相應(yīng)的規(guī)律對信息加以變化，完成信息輸出。對于物聯(lián)網(wǎng)而言，傳感器技術(shù)是一種可有效獲取外界信息的途徑。電力領(lǐng)域中傳感器技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的形式，其可借助節(jié)點(diǎn)內(nèi)置傳感器，對傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的目標(biāo)信息進(jìn)行收集與處理?，F(xiàn)階段，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在多種電網(wǎng)數(shù)據(jù)收集場景中實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，包括設(shè)備故障診斷、遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)控、無線自動(dòng)抄表等。

1.2 通信技術(shù)

電力領(lǐng)域中應(yīng)用的通信技術(shù)包含多種形式。

5G通信技術(shù)。該技術(shù)是一項(xiàng)較為關(guān)鍵的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)龐大無線通信需求的有效滿足。憑借自身具備的多重優(yōu)勢，例如低功耗、低延時(shí)、超大容量帶寬、高傳輸速率等，5G通信技術(shù)能夠在監(jiān)測分布式電源發(fā)電狀況之中發(fā)揮良好的作用，從而實(shí)現(xiàn)能源利用效率的有效提升。不僅如此，評估電纜狀態(tài)中同樣可進(jìn)行5G通信技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)故障發(fā)現(xiàn)與預(yù)防的及時(shí)化。此外，在配電自動(dòng)化、變電站機(jī)器人、智能變電站中，5G通信技術(shù)也可以起到積極的作用[1]。

寬帶載波通信技術(shù)。該技術(shù)形式依托于現(xiàn)代化的正交頻分復(fù)用技術(shù)，將其應(yīng)用到電力領(lǐng)域之中能夠?qū)⒍嗯_變信號串?dāng)_問題加以有效解決，為用電智能化發(fā)展提供更加可觀的支撐力量。另外，當(dāng)開展智能配電網(wǎng)信息收集工作時(shí)，寬帶載波通信技術(shù)也能夠?yàn)楣ぷ鞯捻樌_展提供可靠性、高速性的信息通道。

1.3 云計(jì)算技術(shù)

其應(yīng)用到電力領(lǐng)域中時(shí)主要涉及兩個(gè)層面：智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)。憑借這一系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)、支撐系統(tǒng)運(yùn)行、大計(jì)算量需求的滿足、存儲并管理海量信息數(shù)據(jù)；大數(shù)據(jù)分析平臺。該平臺涵蓋三項(xiàng)內(nèi)容，分別為數(shù)據(jù)載入與處理、數(shù)據(jù)組織與存儲、數(shù)據(jù)交互式分析與展示，能夠?qū)崿F(xiàn)有效處理和分析數(shù)據(jù)的目的。

2 以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法設(shè)計(jì)

案例新能源電網(wǎng)運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的系統(tǒng)參數(shù)，比如光伏組件參數(shù)、蓄電池運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)等，參數(shù)結(jié)構(gòu)各異、體量龐大，監(jiān)控處理難度相對較大。本次主要引入前端傳感監(jiān)測模塊+ZigBee短程通信+4G遠(yuǎn)程通信+應(yīng)用層監(jiān)測管控的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)思路，對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率采集識別。其中，ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，根據(jù)該協(xié)議規(guī)定，這一技術(shù)為短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，可以對通信網(wǎng)絡(luò)中的樹形與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行選取。

同時(shí)，以新能源電網(wǎng)現(xiàn)場的實(shí)際情況和要求，將監(jiān)測器節(jié)點(diǎn)安裝在檢測區(qū)間，并進(jìn)行攝像頭的安裝?；谛履茉措娋W(wǎng)現(xiàn)場實(shí)際情況和分布位置的考量，在實(shí)際開展監(jiān)測器節(jié)點(diǎn)安裝的過程中，出于優(yōu)化檢測器節(jié)點(diǎn)采集轉(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)精準(zhǔn)程度的目的，在電網(wǎng)電路中的各段中均進(jìn)行監(jiān)測器的安裝。在此之中，需要對監(jiān)測器節(jié)點(diǎn)定位高度予以控制，常規(guī)情況下，每兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位高度需要低于500m。同時(shí)，在各個(gè)輸電段路徑之上相隔相應(yīng)的距離，進(jìn)行數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的安裝，這一設(shè)施的主要功能為對各個(gè)線路上各個(gè)檢測器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。

本次使用的節(jié)點(diǎn)傳感器主要包含5類，其中風(fēng)速傳感器測量范圍為0～32.4m/s；溫濕度傳感器測量范圍為-40～80℃和0～100%RH；輻照傳感器測量范圍為0～1500W/m2；電壓互感器和電流互感器測量范圍分別為0～300V和0～80A。在將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測中時(shí)，能夠以差異化的運(yùn)行狀態(tài)指令作為依據(jù)，對各個(gè)檢測器采集的新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分別采集。

2.1 新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型的搭建方法

運(yùn)行數(shù)據(jù)收集完畢后，還需要借助專門的狀態(tài)監(jiān)測算法進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、處理和分析，計(jì)算模型搭建如下。

2.1.1 對運(yùn)行狀態(tài)原因與過程進(jìn)行分析

以多元影響因素理論作為基礎(chǔ)，同時(shí)與新能源電網(wǎng)的特征加以有機(jī)結(jié)合，按照傳感器所采集的各類數(shù)據(jù)信息，對新能源電網(wǎng)出現(xiàn)多種運(yùn)行狀態(tài)的具體原因進(jìn)行分析，一般來說，存在的原因基本有運(yùn)行環(huán)境、電網(wǎng)設(shè)備性能、工作人員操作、控制方法、維護(hù)措施。基于這種情況，將上述五點(diǎn)原因作為運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系中的具體構(gòu)成要素[2]。在構(gòu)建這一指標(biāo)體系的過程中，需要進(jìn)行一級評價(jià)指標(biāo)和二級評價(jià)指標(biāo)的制定，后者是對前者的一種具體化解釋。

具體來說，將以上五點(diǎn)原因作為一級評價(jià)指標(biāo)，二級評價(jià)指標(biāo)則包含各種新能源電網(wǎng)的運(yùn)行特征，例如施工材料運(yùn)輸量大、現(xiàn)場安裝機(jī)械設(shè)備數(shù)量多、復(fù)雜化與立體化的建設(shè)內(nèi)容較多、大量新能源材料、對施工人員素質(zhì)要求較高、新能源技術(shù)應(yīng)用較頻繁、建設(shè)周期較長，等等。在描述運(yùn)行狀態(tài)評估相關(guān)因子集合時(shí)，可應(yīng)用如下公式：

一級評價(jià)指標(biāo)：

二級評價(jià)指標(biāo)：

2.1.2 借助階段分析法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定并檢驗(yàn)相同性

在對式（1）中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定時(shí)，U=｛U1,U2,U3,U4,U5｝中每一個(gè)指標(biāo)的權(quán)重分別表示為a1,a2,a3,a4,a5，可使用如下公式進(jìn)行描述：A=[a1,a2,a3,a4,a5]，除對一級評價(jià)指標(biāo)中各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定時(shí)，還需要關(guān)注二級評價(jià)指標(biāo)，以此類評價(jià)指標(biāo)影響一級評價(jià)指標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的具體程度作為依據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)權(quán)數(shù)的設(shè)計(jì)，可使用如下公式加以描述：

在此之后，將使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)評價(jià)新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的各個(gè)評價(jià)指標(biāo)劃分成4個(gè)級別，分別為Ⅰ（無法運(yùn)行）、Ⅱ（不安全運(yùn)行）、Ⅲ（可以運(yùn)行）、Ⅳ（安全運(yùn)行），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行評估集的構(gòu)建，由此即可生成具體的針對新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的分析評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和具體的分析評價(jià)方法。新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分級評估標(biāo)準(zhǔn)如下：Ⅰ：[0，70]；Ⅱ：[70，80]；Ⅲ：[80，90]；Ⅳ：[90，100]。

每一級別的運(yùn)行狀況可以描述為四類。Ⅰ：當(dāng)處于這一運(yùn)行情況時(shí)，新能源電網(wǎng)必須立即停止運(yùn)行；Ⅱ：當(dāng)處于這一運(yùn)行情況時(shí)，在經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)要求可滿足相應(yīng)要求時(shí)，需要對新能源電網(wǎng)存在的安全問題加以有效解決；Ⅲ：當(dāng)處于這一運(yùn)行情況時(shí)，能夠忍受，如果與成本效益相符合，則需要將新能源電網(wǎng)運(yùn)行期間存在的安全問題加以解決；Ⅳ：當(dāng)處于這一運(yùn)行情況時(shí)，新能源電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)處于可以接受的范疇，且無需實(shí)施維護(hù)措施。

2.1.3 綜合取值4項(xiàng)分級評價(jià)

在這個(gè)過程中，需要以新能源電網(wǎng)本身的性質(zhì)和具體運(yùn)行狀態(tài)作為依據(jù)，完成綜合取值4項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的目的，并生成對應(yīng)上述內(nèi)容中評價(jià)集的評價(jià)集合，使用如下公式描述：G=[g1,g2,g3,g4]，這一步操作的主要目的在于綜合取值新能源電網(wǎng)異常運(yùn)行與安全運(yùn)行狀態(tài)，在借助模糊判斷技術(shù)完成評估之后，當(dāng)對階層性進(jìn)行判斷時(shí)，可采取層次函數(shù)方式，如此一來，可以實(shí)現(xiàn)對層次間聯(lián)系狀態(tài)有效考察的目標(biāo)，有效避免無法確定層次間聯(lián)系問題的產(chǎn)生。在使用層次函數(shù)方法時(shí)，可生成如下公式：

在上述公式中，x所表示的是公式中的變量，為劃分各評估階層時(shí)的變量，即隨著實(shí)際情況不斷變化的一項(xiàng)變量。在評估新能源運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，可以依托于量化狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系的形式，同時(shí)還需要通過觀測運(yùn)行狀態(tài)和應(yīng)用新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)的方法。在評估時(shí)，滿分值為100，且以三角階層指數(shù)方法作為依據(jù)，對評價(jià)集和各項(xiàng)參數(shù)之間的相關(guān)程度加以確定，并在此基礎(chǔ)上完成模糊評價(jià)矩陣的建立，使用如下公式描述：T=[T1,T2,T3,T4]，由于其屬于模糊評價(jià)矩陣的映射，因此在表示時(shí)可采取矩陣的形式：T=｛tij｝|i=1,2,…,n,.j=1,2,…,m｝。

式中：tij所表示的含義為各個(gè)單一元素Ui與評價(jià)等級Yi之間的具體關(guān)聯(lián)程度，按照S1=W1T1，能夠通過計(jì)算獲取元素集Ui的模糊綜合評價(jià)集Si，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)綜合評估分值與新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)等級的確定，并獲取模糊綜合評估分值。借助對綜合評價(jià)分析結(jié)果和各階層評價(jià)理論進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，此次研究所建立的模型不會對電網(wǎng)本身產(chǎn)生較為明顯的影響，且該模型在實(shí)際運(yùn)用之后能夠?qū)崿F(xiàn)為安全施工提供支撐與保障的效能。由此可見，模型能夠?yàn)楣芾黼娋W(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生積極影響。

2.2 新能源配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)方法

在完成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型的搭建之后，可以借助使用被監(jiān)測電網(wǎng)區(qū)域中的傳感器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)測。在監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，涉及多項(xiàng)內(nèi)容，包括控制、排序、狀態(tài)監(jiān)測等，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整、優(yōu)化或建立電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的目的。在新能源電網(wǎng)實(shí)際開始運(yùn)行之后，傳感器將會發(fā)揮監(jiān)測效能，監(jiān)測電網(wǎng)線路中各類機(jī)械設(shè)備運(yùn)行期間的運(yùn)行情況和電流運(yùn)行情況。

系統(tǒng)內(nèi)還配備了專門的蓄電池監(jiān)測模塊，采用DS2438電池監(jiān)測芯片，可以通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)指令識別，裝配5V傳感器獨(dú)立電壓以及LM2596穩(wěn)壓芯片，能夠較好地完成光伏組件、儲能元件的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控?；谖锫?lián)網(wǎng)的新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)投產(chǎn)運(yùn)行1年期間，共預(yù)警重大風(fēng)險(xiǎn)事故6次，一般風(fēng)險(xiǎn)事故12次，低風(fēng)險(xiǎn)事故39次，為區(qū)域新能源電網(wǎng)提供了安全運(yùn)行保障，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

經(jīng)過長期的研究與實(shí)踐，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在電力領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了有效運(yùn)用，為電網(wǎng)的良性運(yùn)行提供了一定的技術(shù)支撐。當(dāng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型的構(gòu)建時(shí)，可以發(fā)揮良好效能，該模型可以依托于新能源電網(wǎng)空間數(shù)據(jù)，通過收集和處理此類空間數(shù)據(jù)的形式，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在這種條件下，能夠依托于某種新能源電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)對新能源電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)加以判斷。根據(jù)此次研究的分析可知，在新能源配電網(wǎng)運(yùn)行期間借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對異常運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)測，因此在未來的發(fā)展中，相關(guān)領(lǐng)域和電力企業(yè)在監(jiān)測新能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以積極嘗試物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用。