云調控與變電站設備監(jiān)測技術融合應用研究

劉 輝,李曉松,田曉雷,程海興,宋佳翰

(國網北京市電力公司,北京100031)

0 引言

特高壓相比常規(guī)電壓等級交流輸電具有輸送容量大、輸送距離遠、線路損耗小及占地走廊少等特點。全面開展以特高壓為重點的跨區(qū)域輸電工程建設,是保障國家能源安全、提高能源利用效率、服務清潔能源及促進生態(tài)文明建設的重要選擇,因此特高壓變電站運檢相關人員的培訓尤為重要。變電站設備監(jiān)測系統(tǒng)對特高壓變電站一次設備、二次系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等進行了仿真模擬,為維護和管理提供強大的技術支持。

智能變電站主要由智能電網、通信基礎設施以及相關的信息技術組成。隨著信息管理和雙向通信的發(fā)展,智能電網能夠提高功率傳輸?shù)目煽啃?降低電網成本,同時提高電網與用戶的整體效益。智能電網可以監(jiān)測電能使用情況,使電能消耗與系統(tǒng)負荷相匹配,為電能生產、傳輸、分配、控制和監(jiān)測5個環(huán)節(jié)提供自我監(jiān)測、自我修復和雙向通信的能力,從而平衡電網的供應和需求[1]。

以安全、可靠的方式管理相關數(shù)據是至關重要的。云調控是智能電網發(fā)展的關鍵技術之一,通過云調控,用戶可以隨時隨地通過連接到網絡的設備訪問相應的平臺數(shù)據。云調控在智能電網中的應用保證了電網的效率,同時保證了用戶數(shù)據的安全性[2]。文獻[3]探討了基于智能電網的變電站的體系架構、智能設備、保護控制策略、測試仿真和信息安全策略等方面的問題,總結了實現(xiàn)智能變電站的主要技術手段。

綜合考慮電網側的需求,本文設計了一個基于云調控的變電站設備狀態(tài)監(jiān)測體系,為智能電網提供能量管理和設備管理。

1 基于云調控的系統(tǒng)監(jiān)測和控制

1.1 智能電網與云調控

從變電站的數(shù)據中心可以完成對變電站中各種設備的遠程控制,因此,變電站的自動化對電力系統(tǒng)的控制有著非常重要的作用。同樣,變電站的維護可以通過系統(tǒng)的數(shù)據控制來完成,電網用戶對系統(tǒng)靈活性的要求也將通過變電站的遠程控制來實現(xiàn)。而在電力系統(tǒng)運行過程中會產生各種改變系統(tǒng)中設備正常運行的問題[3]。因此,根據智能電網的需要,電網與用戶之間的雙向通信是非常必要的。

首先,為了更好地管理電網,需要保持電力系統(tǒng)的供需平衡[4]。智能電網一般通過使用能源管理系統(tǒng)來滿足這一要求,這些設備包括家庭能源管理系統(tǒng)(home energy management system,HEMS)、需求側管理(demand side management,DSM)和建筑能源管理系統(tǒng)(building energy management system,BEMS)等[5]。為了實現(xiàn)電網需求和供應的平衡,智能電網利用太陽能和風能等可再生能源以及無功功率補償來實現(xiàn)。在智能電網中,家用電器、微電網、傳感器、通信設備和變電站等互相連接[6]。因此,需要制定相應的管理系統(tǒng)來保護所有相連設備,以提高電力系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

其次,智能電網由不同的能源管理設備組成,電網需要根據要求獲得各種信息。因此,用戶數(shù)據的管理非常重要,電網需要提供實時監(jiān)測數(shù)據[7]。

同樣,智能電網需要分層結構,由發(fā)電、輸電和配電等不同階段組成,為系統(tǒng)提供優(yōu)化管理[8]。而異質結構支持各種需求響應、分布式發(fā)電和智能電網的實時定價功能,是智能電網的重要特征[9]。

最后,智能電網的安全非常重要[10],電網需要對網絡安全、數(shù)據中斷及檢測威脅等各種問題進行預防,同時需要對電網用戶進行隱私保護[11-12]。

為滿足上述條件,云調控是智能電網進一步發(fā)展的關鍵技術。云調控包括以下優(yōu)勢[13]:

a.通過對各種參數(shù)的實時監(jiān)測和控制以優(yōu)化成本[14]。

b.考慮到電網的碳排放問題,通過加入水力、太陽能和風力等清潔能源,以合理控制電網的碳排放[15]。

c.通過電網對用戶數(shù)據的管理以平衡電網的供需關系。

1.2 基于云調控的系統(tǒng)監(jiān)測和控制

本文的目標是建立基于云計算的變電站設備狀態(tài)監(jiān)測方案,計算來自變電站的無功功率,并對其進行響應的補償。本文主要通過云端的數(shù)據管理監(jiān)測變電站設備的電力消耗波動。然后,通過使用有功功率和無功功率的計算方法,監(jiān)測其相關數(shù)據。

智能電網是智能設備和雙向通信的整合,包括能源管理、信息管理和安全性管理。本文調用存儲在云端的數(shù)據,計算出各種功率,如有功和無功功率,并同時通過電容器組對無功功率進行補償,以實現(xiàn)基于云計算的變電站實時監(jiān)測和控制,具體架構如圖1所示。同時,本文設計電容器組在無功功率期間工作的控制策略,減少通過電容器的電壓降,并提高了成本效益。

圖1 變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構

2 智能電網和云調控原理

2.1 智能電網

智能電網作為我國當前大力推廣的新型電力系統(tǒng),集數(shù)字化和信息化為一體,充分將先進的信息技術與電力系統(tǒng)相結合,基于精益化管理來達到電網信息智能交互的目的,從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)的經濟運行。而伴隨著物聯(lián)網技術的興起,萬物互聯(lián)的理念也逐步滲透到電力工業(yè)中。物聯(lián)網的本質是實現(xiàn)多種嵌入型計算裝置之間的交互聯(lián)結,使得此類裝置可以自由聯(lián)結。而云技術的應用可以使物聯(lián)網實現(xiàn)更有效的數(shù)據存儲和運算,并且可以讓數(shù)據在不同終端交換共享,極大地延拓了物聯(lián)網的發(fā)展空間,這種基于云技術進行優(yōu)化升級的物聯(lián)網也被稱為云物聯(lián)網。

通過對電力系統(tǒng)中信息技術和智能設備的整合,可以實現(xiàn)電網和電網用戶之間的雙向通信,智能電網使發(fā)電、輸電和配電的可靠性提高。在發(fā)電過程中,不同類型的發(fā)電廠進行發(fā)電;輸電部分提供從發(fā)電站到配電站的發(fā)電量。智能電網在管理控制電網用戶的電力消耗下工作。通過智能電網提供的各種智能設備,在電網用戶和電網之間提供雙向通信,以滿足需求和供應之間的平衡。智能電網模型架構如圖2所示。

圖2 智能電網模型架構

2.1.1 智能電表

變電站的自動化為功率傳輸提供了靈活性。目前,智能電網由各種基礎設施組成,包括用戶端的智能電表,可以明確用戶側的電力消耗。這種智能電表有助于存儲定期的電力消耗信息,對用戶端進行實時監(jiān)控,并且可以遠程控制。

智能電表一般位于配電端,能夠記錄能源消耗。通過雙向通信,用戶側可以了解其用電情況,通過智能電表的讀數(shù)來計算全天的能源消耗,有助于用戶經濟用電,降低成本。

2.1.2 微電網

電網的供需平衡要求給系統(tǒng)帶來各種挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)需要同時兼顧電能利用效率和電能來源多樣化。微電網在需求管理、能源生產和能源存儲方面具有較大優(yōu)勢。可再生資源如太陽能、風能和水力發(fā)電一般通過微電網系統(tǒng)與大電網連接。微電網可以維持用戶終端的需求,整合風能、水能和太陽能這些分布式能源,并將能源分配給用戶以滿足需求。

微電網包含了從發(fā)電到存儲和整合分布式能源的基本步驟。微電網可以利用火力發(fā)電的煤炭、水力發(fā)電的水能和風能等為傳輸層提供電力。然后從輸電變電站的變壓器中升壓或降壓,發(fā)送到配電層,配電變電站再根據用戶需求提供相應的電能。

2.2 云調控

云調控是智能電網的關鍵技術,它提供了一個計算平臺,還可以進行數(shù)據存儲,云調控一般使用智能電網中各種智能電表的數(shù)據,主要包括以下特性:

a.按需服務。云調控根據用戶的要求提供每個階段的存儲數(shù)據,方便用戶了解其電能使用情況,以控制用戶側的電能使用,提升經濟性。

b.網絡訪問。云調控可以通過瀏覽器來處理,用過薄型或厚型組成的異構網絡建立云計算網絡。

c.數(shù)據彈性。這個特性對可以從云中讀取數(shù)據的用戶有控制權。電力數(shù)據可以根據用戶的需求進行擴展或減少。

3)軟分層厚度及其變化。煤層軟分層厚度主要通過井下實際測量得到。軟分層厚度變化系數(shù)Kr指在一個采掘循環(huán)內軟分層厚度的變化率，其計算公式如下：

d.資源匯集。對用戶的位置沒有限制,用戶可以從任何地方訪問云,并且從云中讀取數(shù)據。云計算模型可以在資源池中同時為多個用戶服務。

e.測量設備。云調控在用戶端提供了先進的測量設備,以了解其電力使用情況。

云調控為電網與用戶提供了各種便利,有助于引進新技術。云調控的基本特征包括網絡訪問、數(shù)據彈性、測量設備和按需服務;云調控的服務模式包括軟件服務、平臺服務和基礎設施服務。

2.3 變電站設備監(jiān)測系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的智能變電站中,智能電子設備主要用于波形記錄、母線轉移、低周期負載切除、數(shù)據采集、計算和優(yōu)先級控制等。這些功能有助于完成來自過程層的實時數(shù)據采集和與變電站層的通信。變電站層的設備用于監(jiān)測、防誤操作鎖定、遠程通信、時間同步、狀態(tài)監(jiān)測以及在線決策。

本文提出的結合云調控的變電站設備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的變電站層主要提供人機接觸界面,形成變電站的所有設備運行控制和管理功能。

目前,站控層面臨系統(tǒng)的冗余配置和信息交互困難的問題。為了解決這個問題,本文建立了一個綜合信息平臺進行監(jiān)控,實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)故障案例和視頻安全等功能,實現(xiàn)整個變電站信息監(jiān)控的一體化。

3 系統(tǒng)分析

能源管理是智能電網中非常重要的部分。本文設計的結合云調控的變電站設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),監(jiān)測了變電站的有功和無功功率,并提供無功功率的補償,從云端自動獲取數(shù)據,得到有功和無功功率的數(shù)值,觀察到電路中的電容器組持續(xù)工作可能導致電容器上的電壓下降并增加電路成本的問題。同時,本文對電容器組的控制策略進行了優(yōu)化,使電容器組只在電路進行無功補償時工作。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)的功能結構

為了對比結合云調控的變電站設備在線監(jiān)測系統(tǒng)與現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)之間的性能差異,本文設計了變電站設備在線監(jiān)測實驗,通過標準設備和監(jiān)視終端數(shù)據進行對比,以驗證變電站監(jiān)控終端參數(shù)監(jiān)測的有效性。

通過實驗,得到了現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)反應時間的數(shù)據,如表1所示。現(xiàn)有系統(tǒng)的響應時間范圍是2.01～3.58 s,而基于云調控的變電站設備在線監(jiān)測系統(tǒng)的響應時間是0.98～1.44 s。通過比較可以發(fā)現(xiàn),在線監(jiān)測系統(tǒng)的響應時間比現(xiàn)有系統(tǒng)的響應時間短,證明了本文設計的系統(tǒng)監(jiān)控性能比現(xiàn)有系統(tǒng)更好。

表1 系統(tǒng)響應時間對比

同時通過現(xiàn)場進行的應用驗證,表明本文設計的結合云調控的變電站設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)變電設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據的就地處理和相關服務,實現(xiàn)了實時狀態(tài)監(jiān)測服務、運行統(tǒng)計分析服務、故障報警服務及實時視頻監(jiān)控服務等應用。云平臺能夠對計算上傳的數(shù)據、主站數(shù)據和其他監(jiān)測數(shù)據做進一步的計算分析,為電網與用戶的不同需求提供多元化的應用服務。

同時,實驗表明減少電路中的電容器,可以在減少成本的基礎上,使電力供應更加有效和可靠。通過設計用于補償無功功率的電容器組,可以實現(xiàn)電網減少電壓降的效果,節(jié)省了大型工業(yè)的電容器組的成本,提高了成本效益。

4 結束語

本文討論了云調控技術在特高壓變電站中的應用優(yōu)勢,提出了結合云調控的變電站設備狀態(tài)監(jiān)測架構,制定了一個結合云調控變電站設備狀態(tài)監(jiān)測方案,為智能電網提供能量管理和設備管理。現(xiàn)場應用驗證表明,本文設計的云計算的變電站設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)變電設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據的就地處理和相關服務,實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的相應功能結構,在實現(xiàn)系統(tǒng)有功、無功功率實時監(jiān)測的基礎上,也實現(xiàn)了僅在系統(tǒng)中特定時間使用無功電容器組補償?shù)墓δ?提高了電網和用戶的整體效益。