智能電網(wǎng)中輸配電技術(shù)的運(yùn)用探討

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；輸配電技術(shù)；大數(shù)據(jù)

引言

智能電網(wǎng)是近年來電網(wǎng)建設(shè)的重要趨勢之一，各輸配電站應(yīng)積極進(jìn)行設(shè)備系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)的自動(dòng)化升級和完善，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電力系統(tǒng)的智能優(yōu)化。所建成的智能電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)具備幾個(gè)核心特征。一是自愈能力，可盡量減少非計(jì)劃性的供電中斷情況，并且在大數(shù)據(jù)、決策支持算法的輔助之下，實(shí)現(xiàn)電能的迅速恢復(fù)，以提高供電質(zhì)量，讓用戶享受更加優(yōu)質(zhì)和周到的供電服務(wù)。二是兼容能力，能夠容許各種類型的發(fā)電、儲能系統(tǒng)接入，并且滿足設(shè)備跨系統(tǒng)互聯(lián)互通需求，實(shí)現(xiàn)不同電壓等級設(shè)備的互通使用，為光伏、風(fēng)力等新能源的并網(wǎng)發(fā)電提供支持。三是高效高質(zhì)，可通過輸配電技術(shù)、用戶激勵(lì)技術(shù)等的使用，促進(jìn)供電質(zhì)量的提升，降低三相不平衡、諧波等故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，更好地滿足用戶用電需求。這種新要求和新趨勢促使輸配電站必須積極面對挑戰(zhàn)，使用更加科學(xué)的輸配電技術(shù)提升電網(wǎng)智能水平。本文以此為切入點(diǎn)，提出運(yùn)用電網(wǎng)自愈技術(shù)、智能調(diào)度技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)等升級電網(wǎng)的建議，并對各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了仿真或?qū)崪y驗(yàn)證，以評估其運(yùn)行使用效果。

一、案例概況

為積極應(yīng)對智能電網(wǎng)戰(zhàn)略，某電力公司積極進(jìn)行智能化改造和升級，但在此過程中受到多種因素影響，使輸配電環(huán)節(jié)仍舊面臨以下幾種問題。第一，智能控制水平有待提升。全線大部分配有自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)故障隔離、故障端投切等功能，但受到技術(shù)影響，遠(yuǎn)程控制精度還相對較低，容易產(chǎn)生誤動(dòng)和拒動(dòng)狀況，難以實(shí)現(xiàn)高效的自愈控制和全封閉隔離開關(guān)控制。第二，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控效率較低。該公司主動(dòng)完善了輸配電監(jiān)測系統(tǒng)，但線路覆蓋率只有80%左右，部分線路所處地段較為偏僻，需每隔1～2 h更新一次數(shù)據(jù)，難以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控需求，有待進(jìn)一步改進(jìn)完善。第三，運(yùn)維保障能力有待提升。輸配電線路覆蓋面廣，線路長、節(jié)點(diǎn)眾多且運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，需要可靠的運(yùn)維保障機(jī)制予以扶持，但當(dāng)前智能化運(yùn)維保障水平還相對較低，難以實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度和智能化故障識別判定[1]。下面將重點(diǎn)探討運(yùn)用智能輸配電技術(shù)進(jìn)行升級改造的策略。

二、智能電網(wǎng)中輸配電技術(shù)的運(yùn)用策略

（一）升級自愈控制技術(shù)

自愈功能是智能電網(wǎng)較為突出的特征類型，能夠在電網(wǎng)故障、異常狀態(tài)下及時(shí)響應(yīng)，并驅(qū)動(dòng)核心設(shè)備或備用設(shè)備，使電網(wǎng)恢復(fù)正常；且該技術(shù)本身還能在一定程度上提高智能電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)防范能力，通過自動(dòng)故障診斷，來隔離出現(xiàn)異常的區(qū)域，避免故障大規(guī)模擴(kuò)散和蔓延。智能電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，要配齊配全各類傳感器，借助傳感器網(wǎng)絡(luò)采集電流、電壓、頻率等信息，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)高時(shí)效性信息的管控；所有信息實(shí)時(shí)回傳監(jiān)控中心，在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下完成整合、清洗和挖掘，更加快速和準(zhǔn)確地完成故障診斷和電網(wǎng)再配置。

從軟件視角看，自愈控制技術(shù)需要通過故障判別和正常輸配電線路段分析，進(jìn)行資源的重新配置，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這一過程必將涉及海量的計(jì)算分析。所以該公司在升級自愈控制技術(shù)時(shí)，專門引進(jìn)了大數(shù)據(jù)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，從歷史數(shù)據(jù)庫中選取較為典型的故障樣本，并建立模型進(jìn)行訓(xùn)練。模型可以對導(dǎo)致故障的特定條件進(jìn)行識別，比如瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓過高、諧波異常等[2]，此時(shí)控制系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)防措施，進(jìn)行資源重新配置，維持電網(wǎng)穩(wěn)定和安全。如果故障已經(jīng)發(fā)生，系統(tǒng)也會快速進(jìn)行故障節(jié)點(diǎn)的定位，并通過輸配電網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)保證電能質(zhì)量。整個(gè)自愈過程測試情況如表1所示。

（二）升級智能變電與調(diào)度技術(shù)

在智能電網(wǎng)推廣發(fā)展的當(dāng)下，變電調(diào)度也呈現(xiàn)出數(shù)字化、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢，實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)關(guān)注和應(yīng)用。案例中，該電力公司檢查輸配電沿線的智能傳感裝置，主要對監(jiān)控盲區(qū)開展重點(diǎn)改造，并配備高性能的智能儀表，不僅可以采集輸配電實(shí)時(shí)信息，還能進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的檢測和傳輸。其中電流和電壓互感器實(shí)時(shí)測量功能強(qiáng)大，測得的數(shù)據(jù)精確度和時(shí)效性均有保障。在檢測裝置的基礎(chǔ)上，該電力公司關(guān)注到輸配電環(huán)節(jié)的智能調(diào)度需求，進(jìn)一步增加保護(hù)裝置和自動(dòng)控制設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)檢測輸配電處于重載狀態(tài)時(shí)，會自動(dòng)驅(qū)動(dòng)調(diào)壓裝置，推動(dòng)有載調(diào)壓變壓器運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)對線路中電壓的有機(jī)調(diào)節(jié)。這樣一來，下游負(fù)荷波動(dòng)變小，整體的電壓供應(yīng)也會更加穩(wěn)定。目前該電力公司現(xiàn)有輸配電調(diào)度核心系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA），升級后可以采集電壓、電流、頻率，甚至是特定線路段的功率因數(shù)，這種特性為負(fù)荷預(yù)測和分配提供了支持。具體的預(yù)測方法為潮流算法，模型構(gòu)建如下：

（）11cossinNNijijijijijijijPVVGBθθ===+ΣΣ

其中Pij表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的功率流量（kW/s），Vi和Vj是節(jié)點(diǎn)電壓（V），Gij和Bij分別表示導(dǎo)納矩陣的實(shí)部和虛部，ijθ是節(jié)點(diǎn)i和j之間的相位差，通過整個(gè)迭代計(jì)算后，智能電網(wǎng)可預(yù)測和調(diào)整每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流和電壓，有效管理整個(gè)電網(wǎng)的功率流和負(fù)載分布。

在整合模型運(yùn)行結(jié)果與歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)氣象信息，以及社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)狀況之后，生成的預(yù)測結(jié)果會更加精準(zhǔn)。工作人員可以依托預(yù)測成果，對下一階段的發(fā)電方案進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)、燃料成本等，確保發(fā)電效益的最大化。當(dāng)預(yù)測結(jié)果顯示下游負(fù)荷較高時(shí)，還可以適時(shí)啟用備用路線，或者采取分級削減負(fù)荷的調(diào)度方式，保證輸配電安全和穩(wěn)定[3]。

（三）升級柔性輸電技術(shù)

柔性輸電技術(shù)是提高輸配電質(zhì)量的有力技術(shù)手段，所以該電力公司在升級智能電網(wǎng)時(shí)，還專門引進(jìn)柔性輸電理念，以改變傳統(tǒng)供配電模式下存在的電壓穩(wěn)定性不佳、輸電線路擁擠情況，保證輸電過程安全和高效。柔性輸電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴幾種關(guān)鍵設(shè)備，其中靜態(tài)無功補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVC）最為關(guān)鍵。將該補(bǔ)償器裝配在輸配電線路中，與電感器、電容器進(jìn)行并聯(lián)，可以在一定程度上補(bǔ)償無功功率，完成對無功功率的快速調(diào)整，最終達(dá)到維持電壓穩(wěn)定的效果。案例中使用的SVC結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中TCR為可控硅，裝置接通運(yùn)行后，能夠調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角，進(jìn)而改變流過負(fù)載的電流大小；1FC/2FC/3FC則指不同的電子連接器。該SVC可以用于6 kV、10 kV以及35 kV線路的無功補(bǔ)償場景，靈活性比較有保障。

除SVC之外，該電力公司還在部分線路段使用靜態(tài)同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），該裝置的補(bǔ)償速度更快，且能夠適應(yīng)更寬的功率調(diào)節(jié)范圍。將其應(yīng)用在重要負(fù)荷輸配電線路段，有助于改善供配電質(zhì)量，提高用戶體驗(yàn)。此外還有可控串聯(lián)補(bǔ)償器（Thyristor Controlled Series Capacitor Installaion，TCSC），這種結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)難度更小，直接在線路中串聯(lián)安裝即可，可以在一定范圍內(nèi)對線路電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。其調(diào)整原理可以簡化為式（2）所示：

式（2）中，P為有功功率，V為線端電壓，X為線路自然電抗，XTCSC為TCSC提供的可調(diào)電抗值。

（四）升級全封閉隔離開關(guān)智能控制技術(shù)

全封閉隔離開關(guān)具有隔離故障段、避免故障擴(kuò)散的重要功能，能夠保證智能輸配電網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行。但該電力公司在初步使用過程中，發(fā)現(xiàn)該裝置存在一定短板，一方面是控制精度有限，有時(shí)會產(chǎn)生誤動(dòng)、拒動(dòng)問題，難以及時(shí)完成線路投切，容易給輸配電業(yè)務(wù)帶來不穩(wěn)定因素。另一方面開關(guān)狀態(tài)識別難度較大，由于采取全封閉模式，所以無法及時(shí)反映真實(shí)運(yùn)行狀況，容易誤導(dǎo)運(yùn)維人員的判斷。因此，其專門升級了全封閉隔離開關(guān)智能控制技術(shù)，在開關(guān)之外增加了專門的狀態(tài)識別裝置。該電力公司設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)關(guān)注裝置材料、結(jié)果的選型設(shè)計(jì)情況，要求裝置要盡可能緊湊且簡單，且能夠與其他設(shè)備兼容。設(shè)備中集成了遠(yuǎn)程控制功能，以80C31單片機(jī)為核心，能夠完成遠(yuǎn)程的指令接收、指令解析、指令執(zhí)行，且響應(yīng)速度控制在0.2 ms之內(nèi)，初步測驗(yàn)準(zhǔn)確率高達(dá)98.65%，能夠保證真實(shí)輸配電場景下的準(zhǔn)確和快速響應(yīng)，解決了舊有控制模式下誤動(dòng)、拒動(dòng)率居高不下的問題。同時(shí)，設(shè)備之中還配置了狀態(tài)檢測功能，工作人員可以通過交互平臺遠(yuǎn)程獲取圖像信息，判斷全封閉隔離開關(guān)當(dāng)前狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)判斷設(shè)想，為后續(xù)的運(yùn)維操作提供支持和安全保障。

（五）升級智能監(jiān)控管理技術(shù)

智能電網(wǎng)戰(zhàn)略推行以來，該電力公司雖然積極地進(jìn)行了智能化改造，但在部分偏遠(yuǎn)輸配電線段，仍舊存在監(jiān)控覆蓋不足、監(jiān)控精確度不佳的狀況，所以針對該項(xiàng)目，該電力公司專門升級了智能監(jiān)控管理技術(shù)，遵循物聯(lián)網(wǎng)思維理念完善了傳感器網(wǎng)絡(luò)，對于數(shù)據(jù)采集處理、通信網(wǎng)絡(luò)安全等同樣進(jìn)行升級完善。實(shí)際操作時(shí)，在沿路塔桿上設(shè)置傳感器裝置，且裝置采用光伏供電、微波通信方式，可以較好地降低能耗水平，整體的維護(hù)負(fù)擔(dān)也會有所下降。結(jié)合該電力公司運(yùn)營線路情況，主要采用每5公里1個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方式，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中配置多樣化傳感器裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)多類型數(shù)據(jù)的打包回傳。對于輸配電站核心變壓器，還會額外裝配局部放電檢測裝置、氣體含量檢測裝置等，能夠定期監(jiān)測變壓器運(yùn)行是否安全穩(wěn)定，是否出現(xiàn)了油液劣化、異常放電等情況。除了基本傳感裝置外，系統(tǒng)還支持重要輸配電線路段的在線影像獲取，在塔桿等區(qū)域裝設(shè)有云臺攝像機(jī)，可以360°無死角監(jiān)控輸配電狀況。此外各類斷路器、互感器裝置等采用的是物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽管理方式，記錄有位置信息、所屬部門信息、型號規(guī)格信息等，通過遠(yuǎn)程掃描讀取即可獲得相關(guān)內(nèi)容，發(fā)生故障后，依托該項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)功能可以有效提高識別和判定速度。在通信網(wǎng)絡(luò)升級上使用電力專用通信網(wǎng)，配合云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的云端存儲，能夠更好地維護(hù)線路安全。該電力公司智能監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用測試結(jié)果可見表2。

結(jié)語

智能輸配電技術(shù)具有高效、智能的鮮明優(yōu)勢，在智能電網(wǎng)建設(shè)中有機(jī)融入和應(yīng)用，不僅能夠降低輸配電運(yùn)維監(jiān)控負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)更加快速實(shí)時(shí)的線路設(shè)備故障識別、定位，還能夠促進(jìn)輸配電質(zhì)量的提升，保證電能資源得到更加充分和有效的利用，所以實(shí)際經(jīng)營環(huán)節(jié)，要著重分析自愈技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、智能控制技術(shù)引入應(yīng)用的可能性，為智能電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展注入活力。

隨著未來人工智能技術(shù)建設(shè)發(fā)展，更多先進(jìn)的手段方法將被引入到智能輸配電領(lǐng)域中來，在已有研究中，自動(dòng)化巡檢機(jī)器人發(fā)展態(tài)勢良好，不僅可以完成量化數(shù)據(jù)的采集，還可以在高分辨率監(jiān)控?cái)z影系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等的支持下，進(jìn)行現(xiàn)場影像采集和故障精準(zhǔn)識別判斷，提高輸配電線路巡檢效率。且柔性輸電技術(shù)和自愈技術(shù)也將與光伏、水力、風(fēng)力等新能源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更深層次的配合，即便主供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)也能快速進(jìn)行資源的重新配置和調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)該種設(shè)想，新時(shí)期要著重解決機(jī)器人定位導(dǎo)航問題，新能源并網(wǎng)問題，為智能電網(wǎng)的多元化發(fā)展注入新活力。