基于智能電網(wǎng)的電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)研究

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；電力系統(tǒng)自動(dòng)化；應(yīng)用

引言

智能電網(wǎng)是指利用先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)管理，保障可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效運(yùn)行的現(xiàn)代化電網(wǎng)。和傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)具有更高的供電可靠性、更優(yōu)的電能質(zhì)量、更強(qiáng)的電網(wǎng)互動(dòng)性和更高的能源利用效率等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合智能技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)展開(kāi)討論，分析了在智能化時(shí)代自動(dòng)化電網(wǎng)的建設(shè)方式，探討了電網(wǎng)的建設(shè)方法。

一、電力系統(tǒng)自動(dòng)化和智能電網(wǎng)概述

（一）電力系統(tǒng)自動(dòng)化

電力系統(tǒng)自動(dòng)化是使用自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)電力系統(tǒng)的生產(chǎn)、傳輸、分配、使用等環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制和最優(yōu)調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的技術(shù)。電力系統(tǒng)自動(dòng)化建設(shè)中，會(huì)開(kāi)展包括變電站自動(dòng)化、配電網(wǎng)自動(dòng)化、調(diào)度自動(dòng)化、繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置等方面的建設(shè)。通過(guò)使用自動(dòng)化電網(wǎng)技術(shù)，電力企業(yè)能夠根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行電網(wǎng)控制，從而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（二）智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)又稱智能電網(wǎng)系統(tǒng)，是集成了信息、通信和自動(dòng)控制等多種先進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)代化電力網(wǎng)絡(luò)，具有自愈、互動(dòng)、高效、兼容和安全等顯著特點(diǎn)。智能電網(wǎng)的核心優(yōu)勢(shì)是智能化程度，它能夠?qū)崿F(xiàn)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流的有機(jī)融合，為客戶提供更加優(yōu)質(zhì)便捷的電力服務(wù)。和自動(dòng)化控制技術(shù)相比，智能化控制技術(shù)對(duì)非線性問(wèn)題的處理效果更好，能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行識(shí)別，以調(diào)節(jié)和優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行。[1]

二、智能技術(shù)在電力系統(tǒng)自動(dòng)化的應(yīng)用方向

（一）發(fā)電智能化

發(fā)電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分。在智能電網(wǎng)中，需要保證發(fā)電智能化控制，通過(guò)智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電過(guò)程的監(jiān)測(cè)、控制和優(yōu)化，以提高發(fā)電效率，降低運(yùn)行成本和減少環(huán)境影響。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù)中，依托智能技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和使用發(fā)電設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。具體而言，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)分析，預(yù)測(cè)設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)，減少停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。同時(shí)，使用智能技術(shù)還能對(duì)發(fā)電過(guò)程中的能源消耗進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化，從而進(jìn)行進(jìn)一步的能源管理，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，減少運(yùn)行成本和環(huán)境影響。比如目前的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)會(huì)通過(guò)智能分析風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化風(fēng)機(jī)開(kāi)合和轉(zhuǎn)速，提高風(fēng)能利用效率，減少能源浪費(fèi)。[2]

（二）調(diào)度智能化

電力調(diào)度工作是電網(wǎng)智能化控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)智能技術(shù)，它不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，還能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度的實(shí)時(shí)化。在電網(wǎng)調(diào)度中心，工作人員可以利用智能技術(shù)分析電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶用電行為，對(duì)需求響應(yīng)策略進(jìn)行優(yōu)化并調(diào)整電網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能被大量使用，當(dāng)前出現(xiàn)了各種分布式能源，這大大增加了電網(wǎng)調(diào)度的壓力。為此，電力企業(yè)可以利用智能技術(shù)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能光伏板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷需求，優(yōu)化分布式能源輸出功率，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

（三）用電智能化

用電智能化是智能電網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，它能夠通過(guò)智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶用電行為的監(jiān)測(cè)、分析和優(yōu)化，以提高用電效率，降低用電成本和減少環(huán)境影響。例如，居民小區(qū)可以利用智能電表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每戶居民的用電數(shù)據(jù)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)預(yù)測(cè)用電負(fù)荷變化趨勢(shì)，從而優(yōu)化用電調(diào)度，提高供電可靠性。智能化系統(tǒng)還能對(duì)用戶用電過(guò)程中的能效進(jìn)行分析和評(píng)估，為用戶提供能效改進(jìn)建議，幫助用戶降低用電成本和環(huán)境影響。特別是在工業(yè)生產(chǎn)中，智能系統(tǒng)可以利用智能技術(shù)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線上的用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，利用實(shí)時(shí)控制技術(shù)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，提高設(shè)備運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。[3]

三、智能電網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)中的應(yīng)用

（一）模糊技術(shù)

模糊技術(shù)是一種處理不確定性和模糊性的數(shù)學(xué)方法，核心思想是將模糊的定性描述轉(zhuǎn)化為精確的定量計(jì)算，并通過(guò)模糊規(guī)則和模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制和優(yōu)化。目前的智能電網(wǎng)中，該技術(shù)應(yīng)用廣泛，不僅可以解決出路復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行問(wèn)題，還可以通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算提高控制效率，保證控制效果。

1.負(fù)荷預(yù)測(cè)

負(fù)荷預(yù)測(cè)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通常來(lái)說(shuō)，利用模糊技術(shù)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)，會(huì)通過(guò)分析歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)和周圍環(huán)境條件，利用模糊邏輯建立負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)負(fù)荷的預(yù)測(cè)。模糊技術(shù)能夠預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷需求，并針對(duì)負(fù)荷數(shù)據(jù)中的不確定性提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，從而為電網(wǎng)調(diào)度提供決策支持。在進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，模糊技術(shù)會(huì)利用模糊規(guī)則和輸入變量（如溫度、濕度、日期等）的隸屬度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)迭代過(guò)程獲得相對(duì)更為準(zhǔn)確的模型，計(jì)算出負(fù)荷的預(yù)測(cè)值。

2.故障診斷

故障診斷工作中，模糊技術(shù)會(huì)提取設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的特征參數(shù)，利用模糊推理建立故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的快速識(shí)別和定位。具體來(lái)說(shuō)，智能電網(wǎng)可以對(duì)采集設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以分析設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的特征參數(shù)與故障之間的模糊關(guān)系，并通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘和模糊邏輯建立一組模糊規(guī)則來(lái)確定設(shè)備出現(xiàn)故障后的數(shù)據(jù)范圍，以此對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，并確定設(shè)備是否存在故障。

3.實(shí)時(shí)化調(diào)度

使用模糊技術(shù)可以進(jìn)行電網(wǎng)的實(shí)時(shí)化調(diào)度，具體而言，可以針對(duì)電網(wǎng)中不同發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間、負(fù)荷需求的波動(dòng)等不確定問(wèn)題進(jìn)行分析，制定出更加靈活和適應(yīng)性更強(qiáng)的調(diào)度策略。調(diào)度過(guò)程可以進(jìn)行綜合成本優(yōu)化，通過(guò)利用模糊邏輯，分析發(fā)電成本、運(yùn)行成本、燃料價(jià)格等方面，更好地建立經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)成本的最優(yōu)化。不僅如此，模糊技術(shù)還能結(jié)合電網(wǎng)的需求，在滿足經(jīng)濟(jì)成本控制要求的同時(shí)，提高電網(wǎng)的服務(wù)水平。

（二）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是一種模擬人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的人工智能技術(shù)，能夠利用大量簡(jiǎn)單的神經(jīng)元之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算和決策。在智能電網(wǎng)建設(shè)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)電網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)，建立控制模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。

1.發(fā)電機(jī)組控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用于預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)組的輸出功率，并根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷需求實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、振動(dòng)、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以得到優(yōu)化訓(xùn)練，從而可以控制發(fā)電機(jī)組的啟停、負(fù)荷分配、頻率和電壓調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化控制。[4]

2.分布式能源控制

分布式電源通常安裝在如住宅、商業(yè)建筑、工業(yè)設(shè)施等各個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上。這些位置相對(duì)分散，不易集中管理，且與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電廠相比，發(fā)電能力通常較小，產(chǎn)生的電力有限。目前，已經(jīng)發(fā)展出的很多種分布式電源都可以采用多種能源形式，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等有其獨(dú)特特性的能源。但由于地理位置和能源形式的多樣性，分布式電源的運(yùn)行可能不夠穩(wěn)定，為此，需要有效的控制策略來(lái)提高其運(yùn)行的穩(wěn)定性。

使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以分析分布式電源的運(yùn)行狀態(tài)，學(xué)習(xí)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立分布式電源的控制模型，并結(jié)合電網(wǎng)的控制需求確定包括分布式電源的啟停控制、負(fù)荷分配、頻率和電壓調(diào)節(jié)等控制策略，并對(duì)分布式電源的控制策略進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，提高分布式電源的運(yùn)行效率和電網(wǎng)的穩(wěn)定性；同時(shí)，還能建立功能全面的能源管理系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析分布式電源的運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷需求和能源市場(chǎng)的價(jià)格波動(dòng)，優(yōu)化能源的分配和利用，發(fā)揮分布式電源的作用。

（三）線性優(yōu)化技術(shù)

線性優(yōu)化技術(shù)是一種基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法，旨在在給定的約束條件下，找到最優(yōu)解或近似最優(yōu)解，以解決大規(guī)模、非線性的優(yōu)化問(wèn)題。為了提高求解效率，工作人員可以采用啟發(fā)式算法、并行計(jì)算等技術(shù)，提高控制效果，并將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)的資源配置、電網(wǎng)調(diào)度、需求響應(yīng)等方面。在電網(wǎng)調(diào)度中，企業(yè)可以建立電網(wǎng)調(diào)度模型，并根據(jù)實(shí)際情況確定約束條件、優(yōu)化發(fā)電計(jì)劃、調(diào)整負(fù)荷分配和提高線路傳輸能力，最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和高效性。針對(duì)分布式能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)，線性優(yōu)化技術(shù)可以用于優(yōu)化電源和負(fù)荷的配置，實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)利用，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

（四）智能化實(shí)時(shí)控制

智能化實(shí)時(shí)控制是指利用先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、預(yù)測(cè)和控制；通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以利用人工智能技術(shù)分析異常信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的快速檢測(cè)和定位，以提高故障處理的效率。為了實(shí)現(xiàn)智能化實(shí)時(shí)控制，電力企業(yè)需要使用高速通信網(wǎng)絡(luò)、分布式計(jì)算等技術(shù)來(lái)保證系統(tǒng)的運(yùn)行效果，同時(shí)需要建立專門(mén)的控制系統(tǒng)，滿足日常應(yīng)用的需求。[5]

四、智能電網(wǎng)技術(shù)在電力自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用注意事項(xiàng)

（一）保證系統(tǒng)通信

智能電網(wǎng)技術(shù)依賴于高效的通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和共享，因此，在應(yīng)用智能電網(wǎng)技術(shù)時(shí)，首先要確保系統(tǒng)的通信質(zhì)量。為此，電力企業(yè)需要選擇合適的通信技術(shù)，構(gòu)建穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)和采取安全的通信措施。系統(tǒng)一般使用無(wú)線公網(wǎng)或者以太網(wǎng)進(jìn)行傳感器和主站之間的遠(yuǎn)程通信，以保證數(shù)據(jù)傳輸通道的穩(wěn)定性；對(duì)于具備光纖建設(shè)條件的地區(qū)，可以使用光纖通訊網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的功能和配電開(kāi)關(guān)；針對(duì)工業(yè)園區(qū)進(jìn)行建設(shè)時(shí)，需要保證系統(tǒng)支持“電力104協(xié)議”、MQTT等有關(guān)協(xié)議，確保采集數(shù)據(jù)的讀數(shù)和傳感器設(shè)備的讀數(shù)保持一致。生產(chǎn)控制區(qū)和管理區(qū)之間必須設(shè)置國(guó)家指定認(rèn)證的電力專用橫向安全隔離裝置。

（二）建立智能化系統(tǒng)

為了進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)化控制，企業(yè)需要專門(mén)進(jìn)行智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種場(chǎng)景的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，提供數(shù)據(jù)的可視化顯示，滿足規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)維管理等工作的需求，為電力系統(tǒng)控制提供有力的技術(shù)支撐。

為此，企業(yè)在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)用電單位不同設(shè)備的狀況和自動(dòng)化水平進(jìn)行差異化的智能化改造，建立滿足資產(chǎn)管理要求、能統(tǒng)一運(yùn)行維護(hù)管理的服務(wù)平臺(tái)，確保對(duì)電力系統(tǒng)安全隱患的全面感知。為此，企業(yè)需要給設(shè)備增加智能化裝置，或者對(duì)原有的自動(dòng)化設(shè)備、具有接口的設(shè)備增加智能化模塊，滿足智能控制需求。智能化監(jiān)控系統(tǒng)一般包括采集層、通信層和應(yīng)用層，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（三）合理使用電能計(jì)量裝置

電能計(jì)量裝置是電力自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠用于測(cè)量和計(jì)量電能的使用情況。企業(yè)在應(yīng)用智能電網(wǎng)技術(shù)時(shí)，不僅需要選擇合適的電能計(jì)量裝置，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量裝置的遠(yuǎn)程讀取，利用電能計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行能源分析；還需要合理使用電能計(jì)量裝置，以提高電能管理的效率和準(zhǔn)確性。為了保證增計(jì)量裝置與系統(tǒng)中的其他設(shè)備順利通信，企業(yè)要選擇支持所需通信協(xié)議和接口的電能計(jì)量裝置，以確保數(shù)據(jù)的有效傳輸和系統(tǒng)之間的互操作性；為了降低和控制維護(hù)成本，要在選擇過(guò)程中考慮維護(hù)控制的需求和計(jì)量設(shè)備維護(hù)工作的簡(jiǎn)便性，選擇高性價(jià)比的計(jì)量設(shè)備；同時(shí)，可以通過(guò)遠(yuǎn)程方式進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)計(jì)量設(shè)備的異常，以便盡快開(kāi)展控制工作。[6]

（四）加強(qiáng)繼電保護(hù)

繼電保護(hù)是電力自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，用于檢測(cè)電網(wǎng)故障并采取措施防止故障擴(kuò)大。應(yīng)用智能電網(wǎng)技術(shù)時(shí)，需要加強(qiáng)繼電保護(hù)以提高電網(wǎng)的安全性和可靠性。為此，企業(yè)可以采用具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力的繼電保護(hù)設(shè)備，使其根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整保護(hù)參數(shù)。這些設(shè)備能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)故障，采取措施，從而減少故障對(duì)電網(wǎng)的影響；并且，需要利用智能電網(wǎng)技術(shù)，建立故障模擬與測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)模擬各種故障情況，對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，確保其在實(shí)際故障情況下的可靠性和準(zhǔn)確性；同時(shí)，還需要將繼電保護(hù)與電網(wǎng)控制系統(tǒng)集成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，提高電網(wǎng)的整體性能，同時(shí)減少故障的發(fā)生。具體的繼電保護(hù)配置及方法見(jiàn)表1所示。

結(jié)語(yǔ)

企業(yè)使用智能電網(wǎng)時(shí)，做好對(duì)智能電力系統(tǒng)的建設(shè)，能夠提高系統(tǒng)性能。合理使用各種設(shè)備配置，優(yōu)化管理體系，能夠保證系統(tǒng)的運(yùn)行效果，從而滿足智能電網(wǎng)應(yīng)用的需求，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。