智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

肖昱

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川成都 610031）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電力行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)轉(zhuǎn)向智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是電網(wǎng)的智能化，它是建立在集成的、高效雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)等使用的目標(biāo)，相比傳統(tǒng)電網(wǎng)更加節(jié)能、效率更高且更加安全。在使用智能電網(wǎng)前首先需要進(jìn)行系列的電力設(shè)計(jì)。智能電網(wǎng)的應(yīng)用水平與電力技術(shù)的水平高低和科學(xué)性有密切的關(guān)系[1]。如果想實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的普及和發(fā)展，必須以電力設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行系列的改革和優(yōu)化，不斷加強(qiáng)智能電網(wǎng)的合理應(yīng)用。

1 智能電網(wǎng)的特點(diǎn)

智能電網(wǎng)的主要特征有：

（1）自愈性。對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自我評(píng)估，并可以在發(fā)生故障時(shí)在無(wú)人或少量人工的干預(yù)下快速隔離故障，維持電網(wǎng)安全有序的運(yùn)行。

（2）互動(dòng)性。電力系統(tǒng)運(yùn)行與批發(fā)、零售電力市場(chǎng)無(wú)縫連接，可以實(shí)現(xiàn)電的有效使用，在不同程度提高了電能的使用效率，避免電能源的浪費(fèi)和損失。

（3）兼容性。智能電網(wǎng)不僅能夠兼容大的集中的大電廠，還可以兼容不斷增加的分布式能源，可以滿足電力與自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展的要求。

（4）可靠性。智能電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠且穩(wěn)定，是其獨(dú)有并且強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

（5）節(jié)能性。智能電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中能節(jié)省10%的電能，極大地避免了資源的浪費(fèi)，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著重大作用。

因此，在智能電網(wǎng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要呼應(yīng)相關(guān)的規(guī)劃方案。首先要滿足規(guī)章制度中對(duì)于輸電和配電的要求，然后要符合技術(shù)原則的要求，再次還要著力于可持續(xù)發(fā)展的要求和新能源的建設(shè)。在建設(shè)智能電網(wǎng)時(shí)應(yīng)不斷引進(jìn)新的電力技術(shù)，及時(shí)更新智能設(shè)備并加大對(duì)智能電力配電網(wǎng)的研究，同時(shí)結(jié)合太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源，為我國(guó)電力的發(fā)展提供綠色安全的新能源。

2 智能電網(wǎng)對(duì)電力設(shè)計(jì)的需求

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源越來(lái)越趨于緊張的狀態(tài)，可持續(xù)發(fā)展的呼聲日益增高，智能電網(wǎng)是我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)電力設(shè)計(jì)的需求也逐漸增大。但是諸如電網(wǎng)運(yùn)行的安全問(wèn)題、設(shè)備安裝的穩(wěn)定問(wèn)題等影響并阻礙著智能電網(wǎng)中設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

2.1 滿足市場(chǎng)的電力需求，不斷改善電能的質(zhì)量問(wèn)題

我國(guó)現(xiàn)在正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，對(duì)電力的需求日益加大且對(duì)電能的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求也日趨增高，采用先進(jìn)的電力設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)發(fā)展智能電網(wǎng)已成為必經(jīng)之路。據(jù)有關(guān)資料顯示，在電力設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用方面，美國(guó)因?yàn)閷?duì)電能質(zhì)量方面缺少管理造成了高達(dá)千億美元的損失。因此不斷加強(qiáng)和改良電能的質(zhì)量問(wèn)題是非常重要的工作，這能為電力技術(shù)的應(yīng)用提供較好的發(fā)展平臺(tái)和環(huán)境。

2.2 保證設(shè)備可靠安裝，滿足電網(wǎng)安全要求

我國(guó)的電力實(shí)際應(yīng)用中還存在很多問(wèn)題需要改善，如有些電網(wǎng)的構(gòu)架結(jié)構(gòu)比較薄弱、不少地區(qū)存在著輸電配電不足的情況等。所以，電力企業(yè)在不斷加強(qiáng)電網(wǎng)構(gòu)架建設(shè)的同時(shí)應(yīng)加大對(duì)交流輸電裝置的開(kāi)發(fā)。在我國(guó)現(xiàn)如今經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大環(huán)境下逐漸增加了對(duì)電力設(shè)計(jì)的要求，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了全新的機(jī)遇，也因此帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。如果不能及時(shí)解決一些潛在問(wèn)題，電力設(shè)計(jì)在智能電網(wǎng)中的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用會(huì)受到嚴(yán)重的影響。

3 電力設(shè)計(jì)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

3.1 能源轉(zhuǎn)換技術(shù)

低碳經(jīng)濟(jì)是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的方向之一，其核心之一就是能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的利用已經(jīng)成為國(guó)際上能源轉(zhuǎn)化的研究熱點(diǎn)。依照目前的發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，國(guó)內(nèi)大規(guī)模的并網(wǎng)技術(shù)、光伏發(fā)電由于其運(yùn)行安全、穩(wěn)定、范圍大將會(huì)成為電網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展方向。在能源轉(zhuǎn)化技術(shù)方面國(guó)內(nèi)尚處于初級(jí)發(fā)展階段，相關(guān)技術(shù)還不成熟，需要不斷地探討研究和開(kāi)發(fā)利用。國(guó)內(nèi)的智能電網(wǎng)建設(shè)中，重中之重是對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用，同時(shí)極力提高并網(wǎng)技術(shù)的研究和利用。要在實(shí)現(xiàn)能源高效利用的同時(shí)降低能源的消耗以及減少對(duì)環(huán)境的污染，真正實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展理念。

3.2 柔性交流輸電技術(shù)

柔性交流輸電技術(shù)是綜合電力技術(shù)、微處理和微電子技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術(shù)，可以增強(qiáng)交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性并且降低電力傳輸?shù)某杀?。依照我?guó)現(xiàn)今智能輸變電的情況來(lái)看，想要把高電壓和清潔能源融合起來(lái)就必須使用此類柔性交流輸電技術(shù)，以合理調(diào)整和改良智能電網(wǎng)中的各種參數(shù)，使其安全穩(wěn)定高效的運(yùn)行。

3.3 高速雙向通信技術(shù)

高速雙向通信技術(shù)不僅在智能電網(wǎng)的運(yùn)行中保證了其自愈性，還可以提高對(duì)電力安全的監(jiān)控[2]。它可以在智能電網(wǎng)運(yùn)行中對(duì)受損的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)并分析原因，并對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行合理的調(diào)整和分配。比如在用電量較大的時(shí)期，利用高速雙向通信技術(shù)可以合理對(duì)電能進(jìn)行分配并調(diào)整方案，提高智能電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及自控力。

4 案例

4.1 智能電表的設(shè)計(jì)

（1）通信網(wǎng)絡(luò)。采取固定的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，能夠把采集的數(shù)據(jù)信息（包括故障報(bào)警和裝置干擾報(bào)警）實(shí)時(shí)從智能電表傳到數(shù)據(jù)中心，是全部高級(jí)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（2）計(jì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)MDMS。這是—個(gè)帶有分析工具的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)與AMI自動(dòng)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的配合使用處理和存儲(chǔ)電表的計(jì)量值

（3）用戶室內(nèi)網(wǎng)HAN。通過(guò)網(wǎng)關(guān)或用戶人口把智能電表和用戶戶內(nèi)可控的電器或裝置連接起來(lái)，使得用戶能根據(jù)電力公司的需要積極參與需求響應(yīng)或電力市場(chǎng)。

（4）提供用戶服務(wù)。如分時(shí)或?qū)崟r(shí)電價(jià)等。

（5）遠(yuǎn)程接通或斷開(kāi)。AMI的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其中計(jì)量芯片和主機(jī)的選擇是關(guān)鍵。在智能電表的設(shè)計(jì)中，專用計(jì)量芯片更便于電能和相關(guān)電力品質(zhì)參數(shù)的計(jì)算，所以將嵌入式控制器分離出來(lái)專門(mén)實(shí)現(xiàn)管理功能，如通信、費(fèi)率時(shí)段管理、實(shí)時(shí)電價(jià)、存儲(chǔ)管理等。

圖1 AMI的體系結(jié)構(gòu)

計(jì)量芯片選用Maxim生產(chǎn)的多功能低功耗計(jì)量芯片MAXQ3180，主機(jī)選用sT公司生產(chǎn)的STM32FlO7xx增強(qiáng)型ARM嵌入式控制器。由于STM32F107只具有10/100EthemetMAC，所以需外加10/100Mb/s以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848CVV和RJ45連接器J0Ol1D21B。這樣智能電表可提供一個(gè)以太網(wǎng)通信接口，便于組成分布式通信網(wǎng)絡(luò)。

另外，智能電表還配有HM1人機(jī)接口，采用LCD液晶顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)和設(shè)定信息的顯示。采用非易失鐵電存儲(chǔ)器FRAM保存累計(jì)電能和設(shè)定信息。

4.3 智能電表的軟件設(shè)計(jì)

智能電表的軟件主要由監(jiān)控程序、鍵盤(pán)掃描程序、顯示程序、設(shè)定程序、MAXQ3180數(shù)據(jù)讀取程序、量程自動(dòng)校正與功率補(bǔ)償程序、數(shù)字濾波程序、算法程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序、分時(shí)電價(jià)程序、網(wǎng)絡(luò)通信程序等組成，采用C++語(yǔ)言編程并進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

電網(wǎng)對(duì)于社會(huì)的發(fā)展有著重大影響，傳統(tǒng)電網(wǎng)在運(yùn)行中如果遇到線路故障極有可能導(dǎo)致安全事故和電力故障，從而影響社會(huì)生產(chǎn)和人民的生活，所以智能電網(wǎng)的建設(shè)有著不可替代的作用，必須給予足夠的重視。在設(shè)計(jì)智能電網(wǎng)時(shí)要分別出智能電網(wǎng)和傳統(tǒng)電網(wǎng)的差別，根據(jù)其運(yùn)行的要求和特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)。在考慮關(guān)鍵因素之外，設(shè)計(jì)工作者必須具備相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并在工作中繼續(xù)提高專業(yè)能力及綜合素養(yǎng)，保證電網(wǎng)設(shè)計(jì)的合理性、安全性及保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而促進(jìn)我國(guó)電力事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。