智能電網(wǎng)融合背景下電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)的多模態(tài)優(yōu)化及精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控應(yīng)用

一、前言

隨著科技的飛速發(fā)展，智能電網(wǎng)已成為電力行業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的核心驅(qū)動力。智能電網(wǎng)憑借其強(qiáng)大的兼容性、安全性和自愈性，構(gòu)建起一個高度智能化、集成化的電力生態(tài)系統(tǒng)，從發(fā)電、輸電到配電、用電各個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了能源與信息的深度融合、高效協(xié)同。在這一宏大變革中，作為電力系統(tǒng)監(jiān)測與管理的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備，電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)的優(yōu)化升級以及精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控應(yīng)用的深化拓展，具有舉足輕重的戰(zhàn)略意義。

傳統(tǒng)電力計量機(jī)械在面對智能電網(wǎng)復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境時，暴露出諸多局限性。計量精度受干擾因素影響較大，難以滿足智能電網(wǎng)對電力數(shù)據(jù)高精度、實(shí)時性的要求；自動化控制水平有限，無法快速響應(yīng)電力系統(tǒng)的動態(tài)變化，制約了電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行。在負(fù)荷調(diào)控方面，缺乏精準(zhǔn)性和靈活性，難以實(shí)現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。在此背景下，對電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)進(jìn)行多模態(tài)優(yōu)化，并深入研究精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控應(yīng)用，成為破解當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵所在。

二、智能電網(wǎng)與電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)概述

（一）智能電網(wǎng)架構(gòu)與特點(diǎn)

智能電網(wǎng)架構(gòu)涵蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度等多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)通過高速通信網(wǎng)絡(luò)與智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)作。發(fā)電環(huán)節(jié)可接入傳統(tǒng)能源和分布式能源，豐富電力來源。輸電環(huán)節(jié)運(yùn)用特高壓技術(shù)，提高輸電距離和容量。變電環(huán)節(jié)借助智能設(shè)備，增強(qiáng)電能轉(zhuǎn)換效率。配電環(huán)節(jié)通過精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)電力合理分配。用電環(huán)節(jié)滿足用戶多樣需求。調(diào)度環(huán)節(jié)統(tǒng)一協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)，保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。

智能電網(wǎng)具備兼容性、安全性和自愈性等特性，可融合多種能源與設(shè)備，支持分布式電源無縫接入。依靠實(shí)時監(jiān)測和防護(hù)技術(shù)，保障電力和信息安全。借助故障自動檢測與隔離修復(fù)機(jī)制，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)原理

電力計量機(jī)械基于電磁感應(yīng)、電子測量等原理，將電路中的電流、電壓等電參量轉(zhuǎn)換為可計量的物理量，實(shí)現(xiàn)對電能的精確測量。在交流電路中，通過電壓互感器和電流互感器按比例變換電壓和電流，再經(jīng)測量機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械轉(zhuǎn)動或數(shù)字信號，以直觀顯示電能數(shù)值。自動化控制技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面，利用傳感器實(shí)時獲取電參量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸依靠通信模塊，把采集的數(shù)據(jù)通過有線或無線通信方式傳輸至處理終端；數(shù)據(jù)處理借助微處理器或計算機(jī)系統(tǒng)，運(yùn)用特定算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算和存儲?？刂品矫鎰t依據(jù)處理結(jié)果，對電力計量機(jī)械的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)智能化操作。

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)存在應(yīng)用局限。傳統(tǒng)電網(wǎng)架構(gòu)相對簡單，通信基礎(chǔ)設(shè)施落后，導(dǎo)致自動化控制技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率低、穩(wěn)定性差，無法滿足實(shí)時監(jiān)測和快速控制的需求。而且，傳統(tǒng)電網(wǎng)缺乏統(tǒng)一的智能化管理平臺，電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)難以與其他電網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同，難以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，制約了電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率和智能化水平提升。

三、電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)的多模態(tài)優(yōu)化策略

（一）基于人工智能算法的控制優(yōu)化

在電力計量機(jī)械控制參數(shù)優(yōu)化進(jìn)程中，機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法發(fā)揮著關(guān)鍵效能。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為典型代表，其獨(dú)特的非線性映射特性能夠?qū)Π煌瑫r段、季節(jié)、天氣狀況及各類用戶用電特征的海量歷史電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，展開深度剖析與挖掘。經(jīng)過對這些復(fù)雜數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得以構(gòu)建出精準(zhǔn)的負(fù)荷預(yù)測模型。該模型憑借實(shí)時采集的各類關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，對未來電力負(fù)荷的變化趨勢進(jìn)行科學(xué)預(yù)測。依據(jù)預(yù)測結(jié)果，可靈活地對計量機(jī)械采集頻率實(shí)施動態(tài)調(diào)控。當(dāng)負(fù)荷波動劇烈時，提高采集頻率以精準(zhǔn)追蹤電量變化。在負(fù)荷平穩(wěn)期間，適度降低采集頻率，減少資源損耗。

對于實(shí)際應(yīng)用場景而言，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練環(huán)節(jié)是影響其性能的核心要素。借助大量已標(biāo)注的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展多次迭代訓(xùn)練，持續(xù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重與閾值參數(shù)。通過這種方式，提升模型的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)其泛化能力，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠有效應(yīng)對各類用電場景及復(fù)雜多變的電力負(fù)荷狀況[2]。

（二）多傳感器融合技術(shù)在電力計量中的應(yīng)用

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)是基于信息論、控制論等理論，通過對多種類型傳感器獲取的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，以獲取更全面、準(zhǔn)確信息的技術(shù)。在電力計量中，電壓、電流、功率等傳感器分別從不同角度采集電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，但單一傳感器易受環(huán)境干擾，數(shù)據(jù)存在局限性。通過多傳感器融合技術(shù)，可將這些傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。利用加權(quán)平均、卡爾曼濾波等算法，對不同傳感器的數(shù)據(jù)賦予合適權(quán)重，綜合計算出更精確的電力參數(shù)值，從而提高電力計量的準(zhǔn)確性。同時，多種傳感器數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充、驗(yàn)證，能及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，提升電力計量的可靠性。

在復(fù)雜電力環(huán)境下，多傳感器融合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)感知。不同傳感器對環(huán)境變化的敏感度和響應(yīng)方式不同。例如，電壓傳感器對電網(wǎng)電壓波動敏感，功率傳感器能反映用電設(shè)備的負(fù)載變化。融合這些傳感器數(shù)據(jù)，能全面捕捉電力系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)行狀態(tài)變化，無論是諧波干擾、電壓驟變還是功率因數(shù)異常等情況，都能被精確感知，為后續(xù)的電力調(diào)度、故障診斷以及電力計量的優(yōu)化提供更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（三）通信技術(shù)優(yōu)化與數(shù)據(jù)傳輸保障

5G技術(shù)憑借其高帶寬、低時延和大連接特性，在電力計量機(jī)械數(shù)據(jù)傳輸中具有顯著優(yōu)勢。5G的高速率能夠滿足電力計量機(jī)械大量數(shù)據(jù)快速傳輸需求（如高精度的電能數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等）。5G低時延特性可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)近乎實(shí)時傳輸，使電力系統(tǒng)對計量數(shù)據(jù)的獲取和處理更為及時，有利于快速響應(yīng)電力系統(tǒng)的異常變化。而大連接特性則能支持眾多電力計量機(jī)械同時接入網(wǎng)絡(luò)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。電力載波通信利用電力線作為傳輸媒介，無需額外鋪設(shè)通信線路，降低了建設(shè)成本。通過特定的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，將數(shù)據(jù)信號加載到電力線上進(jìn)行傳輸。在電力計量機(jī)械分布廣泛的情況下，這種技術(shù)能夠有效覆蓋各個設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

優(yōu)化通信協(xié)議對提升數(shù)據(jù)傳輸性能起著決定性作用。調(diào)整數(shù)據(jù)編碼模式，能夠提升傳輸效率，在有限帶寬下傳輸更多有效數(shù)據(jù)，增加信道利用率。部署自適應(yīng)重傳機(jī)制，一旦檢測到數(shù)據(jù)傳輸錯誤或丟包，便自動啟動重傳流程，確保數(shù)據(jù)完整無缺。運(yùn)用擁塞控制算法，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況實(shí)時動態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送速率，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞加劇，有效降低傳輸延遲與丟包率[3]。

（四）硬件設(shè)備升級與可靠性提升

隨著智能電網(wǎng)融合不斷深人，電力計量機(jī)械硬件設(shè)備升級已勢在必行。高性能芯片作為設(shè)備核心運(yùn)算部件，其處理速度極快，能實(shí)時處理大量復(fù)雜電力計量數(shù)據(jù)，精確計算出電能消耗、功率因數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。憑借強(qiáng)大的并行處理能力，可讓設(shè)備并行處理多項(xiàng)任務(wù)，顯著提高運(yùn)行效率。同時，高精度傳感器對提升電力計量精度至關(guān)重要，它能更精準(zhǔn)地測量電壓、電流等電參量，有效減小測量誤差，為精準(zhǔn)電力計量提供可靠數(shù)據(jù)支持，滿足智能電網(wǎng)對計量高精度的嚴(yán)格需求。

升級后的電力計量機(jī)械硬件設(shè)備在抗干擾與穩(wěn)定性上優(yōu)勢顯著。采用先進(jìn)電磁屏蔽技術(shù)，有效抵御外界電磁干擾，維持設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，降低芯片等關(guān)鍵部件工作溫度，避免因過熱導(dǎo)致性能下降和故障，從多方面入手，切實(shí)延長設(shè)備的整體使用壽命。

四、電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)的精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控應(yīng)用體系構(gòu)建

（一）負(fù)荷預(yù)測模型的建立與優(yōu)化

構(gòu)建智能電網(wǎng)融合下電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)的精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控應(yīng)用體系，負(fù)荷預(yù)測模型的構(gòu)建與優(yōu)化處于核心地位。需廣泛收集歷史電力負(fù)荷、氣象、經(jīng)濟(jì)等多源數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含不同時間尺度的負(fù)荷波動、天氣對用電的作用以及經(jīng)濟(jì)活動引發(fā)的電力需求變化等關(guān)鍵要素。

以此為基礎(chǔ)，運(yùn)用多種預(yù)測算法搭建模型。時間序列分析算法基于歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)的時間特征進(jìn)行預(yù)測，在把握數(shù)據(jù)趨勢和季節(jié)性規(guī)律方面優(yōu)勢明顯，然而對外部因素變動響應(yīng)遲緩。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法雖能處理復(fù)雜多變量關(guān)系，具備強(qiáng)大的非線性映射能力，但訓(xùn)練流程繁瑣，容易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用時需謹(jǐn)慎考量并優(yōu)化。

對比不同算法優(yōu)缺點(diǎn)后，需根據(jù)實(shí)際情況選擇或改進(jìn)適合的模型。對于數(shù)據(jù)規(guī)律較為明顯、外部因素影響相對穩(wěn)定的場景，可選擇時間序列分析算法并進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)（如引入外部變量進(jìn)行修正）。對于數(shù)據(jù)復(fù)雜、影響因素眾多的情況，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，采用正則化技術(shù)防止過擬合，增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)多樣性提高模型泛化能力，以此提高負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性，為后續(xù)精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控提供可靠依據(jù)[。

（二）制定精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控策略

依據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果制定精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控策略時，削峰填谷策略極具價值。在用電高峰削減非必要負(fù)荷，低谷時增加可調(diào)節(jié)負(fù)荷，以此優(yōu)化電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線，合理調(diào)配工業(yè)、商業(yè)等可調(diào)控負(fù)荷。需求側(cè)管理聚焦于引導(dǎo)用戶改變用電行為，實(shí)施峰谷電價機(jī)制，刺激用戶在低谷期用電，實(shí)現(xiàn)電力資源的高效配置。

上述調(diào)控策略對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性影響非常大。穩(wěn)定性上，削峰填谷策略能降低高峰時段電力設(shè)備過載風(fēng)險，減小電網(wǎng)電壓波動與頻率偏差，保障電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。經(jīng)濟(jì)性方面，優(yōu)化負(fù)荷分布可提升發(fā)電設(shè)備利用率，降低發(fā)電成本。與自動化控制存在協(xié)同機(jī)制，電力計量機(jī)械借助自動化控制實(shí)時精確采集用戶用電數(shù)據(jù)，為調(diào)控策略制定提供可靠支撐。策略實(shí)施后，自動化控制動態(tài)調(diào)整電力計量機(jī)械的采集頻率與精度，精準(zhǔn)監(jiān)測調(diào)控效果，形成閉環(huán)調(diào)控體系，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

（三）調(diào)控執(zhí)行與反饋機(jī)制

精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計圍繞智能開關(guān)和分布式能源管理系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備展開。智能開關(guān)作為執(zhí)行調(diào)控指令的關(guān)鍵設(shè)備，能夠快速響應(yīng)控制信號，依據(jù)調(diào)控策略對電力回路進(jìn)行精確的通斷操作。在負(fù)荷高峰時，智能開關(guān)可按照預(yù)設(shè)邏輯切斷部分非關(guān)鍵用電設(shè)備的供電，實(shí)現(xiàn)削峰功能。在負(fù)荷低谷時，則能恢復(fù)這些設(shè)備的供電，達(dá)成填谷目的。分布式能源管理系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對分布式能源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)配，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷情況靈活調(diào)整分布式能源的發(fā)電功率，提升能源利用效率。

達(dá)成閉環(huán)控制的關(guān)鍵在于構(gòu)建完備的反饋機(jī)制，在電網(wǎng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布置監(jiān)測裝置，實(shí)時采集電壓、電流、功率等電力參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，全方位監(jiān)測調(diào)控成效。這些實(shí)時數(shù)據(jù)被傳輸至調(diào)控中心與預(yù)設(shè)調(diào)控目標(biāo)對比分析。一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)表明調(diào)控效果未達(dá)預(yù)期，調(diào)控中心會依據(jù)偏差自動優(yōu)化調(diào)控策略，重新向智能開關(guān)、分布式能源管理系統(tǒng)等設(shè)備下達(dá)控制指令，保障精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控高效持續(xù)，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

五、結(jié)語

綜上所述，電力計量機(jī)械自動化控制技術(shù)可借助多模態(tài)優(yōu)化策略實(shí)現(xiàn)性能躍升，運(yùn)用人工智能算法、多傳感器融合技術(shù)、升級通信技術(shù)以及改進(jìn)硬件設(shè)備，能夠提升其準(zhǔn)確性、可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力。構(gòu)建精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)控應(yīng)用體系時，優(yōu)化負(fù)荷預(yù)測模型、科學(xué)制定調(diào)控策略并完善執(zhí)行反饋機(jī)制，能有效提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。后續(xù)應(yīng)不斷推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，加大相關(guān)技術(shù)在復(fù)雜電力場景中的應(yīng)用探索，為電力行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型持續(xù)賦能。

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作者單位：國網(wǎng)甘肅省電力公司營銷事業(yè)部計量中心

責(zé)任編輯：王穎振 楊惠娟