基于智能開關(guān)的配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測及負(fù)荷控制技術(shù)

金偉民 王執(zhí)宇

（國網(wǎng)天津市電力公司東麗供電分公司）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和用電負(fù)荷的增加，配電網(wǎng)電能質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性成為了重要的關(guān)注點。配電網(wǎng)中存在諸如電壓波動、諧波、閃變等電能質(zhì)量問題，這會對終端用戶的設(shè)備造成損壞，并對電力系統(tǒng)運行產(chǎn)生不利影響。為解決以上問題，智能開關(guān)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。智能開關(guān)作為一種新型的電力設(shè)備，具備迅速切換、精確控制和智能化管理的特點，在電能質(zhì)量監(jiān)測和負(fù)荷控制方面具有巨大潛力。通過實時監(jiān)測電能質(zhì)量參數(shù)并采取相應(yīng)的負(fù)荷控制策略，基于智能開關(guān)的系統(tǒng)可以有效地改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提高供電可靠性，降低能耗并提升用戶的用電體驗。

1 智能開關(guān)下的配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測及負(fù)荷控制技術(shù)原理分析

基于智能開關(guān)的電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)是一種利用智能開關(guān)設(shè)備來實時監(jiān)測和評估配電網(wǎng)中電能質(zhì)量狀況的技術(shù)方法。通常會在配電網(wǎng)中安裝多種傳感器，用于測量和采集與電能質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)。這些傳感器可以測量電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等重要參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行處理，監(jiān)測系統(tǒng)利用高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實時監(jiān)測電能質(zhì)量參數(shù)的變化情況，監(jiān)測系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理的過程中，會自動識別出潛在的電能質(zhì)量問題，如電壓波動、諧波污染、電壓不平衡等。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)會及時生成報警信息，通知相關(guān)人員采取相應(yīng)的措施。

智能開關(guān)下的配電網(wǎng)電能負(fù)荷控制技術(shù)基于智能開關(guān)的快速、精確操作能力，通過實時監(jiān)測和分析電網(wǎng)中的負(fù)荷狀況，并采取相應(yīng)的控制策略來實現(xiàn)對負(fù)荷的調(diào)節(jié)和管理。通過內(nèi)置的傳感器和監(jiān)測裝置，實時獲取電網(wǎng)中的負(fù)荷數(shù)據(jù)，例如電流、電壓、功率等信息。這些數(shù)據(jù)可用于準(zhǔn)確了解電網(wǎng)的負(fù)荷狀態(tài)和特征，集到的負(fù)荷數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和分析，可以提取出負(fù)荷的特征和趨勢，如峰谷差、負(fù)載波動等。同時，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計模型，可以預(yù)測未來負(fù)荷的變化趨勢。

2 基于智能的電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 智能開關(guān)數(shù)據(jù)采集與傳輸

智能開關(guān)數(shù)據(jù)采集與傳輸是基于智能開關(guān)的配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。這一過程涉及到從智能開關(guān)獲取電能質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理。在數(shù)據(jù)采集方面，智能開關(guān)通過內(nèi)置的傳感器實時采集各種電能參數(shù)，如電壓、電流、頻率等。這些傳感器可以直接連接到配電線路上，持續(xù)監(jiān)測電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)。采集的數(shù)據(jù)包括瞬時值、波形圖和統(tǒng)計信息等，以提供對電能質(zhì)量問題的全面評估。數(shù)據(jù)傳輸是將采集到的數(shù)據(jù)從智能開關(guān)傳送到監(jiān)測系統(tǒng)的過程。傳統(tǒng)的方式可以利用有線通信，如以太網(wǎng)或串口連接。此外，也可使用無線通信技術(shù)，例如Wi-Fi、藍(lán)牙或移動網(wǎng)絡(luò)。這樣，智能開關(guān)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制功能，為電能質(zhì)量監(jiān)測提供了更大的靈活性和便捷性。為確保數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，通常會采用加密算法和認(rèn)證機制來保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性和機密性。另外，數(shù)據(jù)傳輸還需要考慮實時性和帶寬要求，以確保數(shù)據(jù)能夠及時傳送并滿足監(jiān)測系統(tǒng)的需求［1］。

2.2 電壓、電流和頻率實時監(jiān)測

在實時監(jiān)測電壓方面，智能開關(guān)可以通過內(nèi)置的傳感器或與外部傳感器的連接來采集電壓數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行處理和分析。通過監(jiān)測電壓的波動情況，可以評估供電質(zhì)量是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，并檢測諸如供電電壓偏差、電壓閃變等問題。例如在電壓監(jiān)測過程中，通常會遇到供電電壓偏差的現(xiàn)象，供電電壓變差是指在50Hz 交流電力系統(tǒng)正常運行條件下的供電電壓對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的偏差，具體計算公式如下：

式中，Ud表示電壓偏差值（V），Um表示電壓測量值（V），Us表示系統(tǒng)標(biāo)稱電壓值（V）。

在電流監(jiān)測當(dāng)中，主要涉及到對電流值的采集和分析。智能開關(guān)通常會使用電流傳感器來測量電流大小，并將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測電流的大小和變化趨勢，可以識別過載、短路等問題，并實施相應(yīng)的措施，以保證電力系統(tǒng)的安全和可靠性。假設(shè)在某個配電變壓器站點，輸入電壓為220V（有效值），變壓器的額定容量為1000kVA，額定電壓比為10：1（即輸入電壓為220V，輸出電壓為22kV）。通過實時監(jiān)測配電變壓器電流，以確保其工作在安全范圍內(nèi)。根據(jù)變壓器的額定容量和額定電壓比，可以計算出變壓器的額定輸出電流。具體計算公式如下所示。

式中，Im表示額定輸出電流（A），MWe表示額定容量（C），K表示額定電壓（V）。此外，頻率也是電能質(zhì)量的一個重要參數(shù)。智能開關(guān)可以通過內(nèi)部時鐘或與外部頻率傳感器的聯(lián)動來實時監(jiān)測電網(wǎng)頻率。頻率的異常波動可能會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)范圍可能導(dǎo)致設(shè)備故障或供電不穩(wěn)定。因此實時監(jiān)測電網(wǎng)頻率可以幫助及早發(fā)現(xiàn)并處理此類問題。

2.3 諧波和電壓波動檢測

諧波是一種頻率高于基波頻率的周期性變化現(xiàn)象，主要由非線性負(fù)載引起，如電弧爐、UPS 系統(tǒng)等。而電壓波動指的是電網(wǎng)電壓在短時間內(nèi)的快速改變，主要由電力系統(tǒng)故障、大型電機啟動或停止等原因引發(fā)。為有效監(jiān)測諧波和電壓波動，可采用多種檢測技術(shù)和算法。例如通過內(nèi)置傳感器實時采集電流和電壓數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以捕捉到電源側(cè)和負(fù)載側(cè)的電流和電壓波形?；蛘呤褂眯盘柼幚硭惴▽Σ杉降碾娏骱碗妷翰ㄐ芜M(jìn)行分析，以檢測諧波成分。常見的方法包括傅里葉變換和離散小波變換。檢測諧波和電壓波動的目的在于及時發(fā)現(xiàn)并診斷電網(wǎng)中存在的問題，幫助運營商和用戶采取相應(yīng)的措施來改善電能質(zhì)量。通過智能開關(guān)提供的實時監(jiān)測和分析，可以準(zhǔn)確確定諧波和電壓波動的源頭，并采取合適的補救措施，如安裝濾波器、穩(wěn)壓器或調(diào)整負(fù)載配置等。有助于提高配電網(wǎng)的可靠性和電能質(zhì)量水平，確保電力系統(tǒng)的正常運行和用戶的用電質(zhì)量［2］。

3 基于智能開關(guān)的配電網(wǎng)電能負(fù)荷控制技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 負(fù)荷預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度

負(fù)荷預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度是旨在通過準(zhǔn)確預(yù)測電能負(fù)荷需求，并采取相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度策略，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的高效運行和資源的有效利用。首先，負(fù)荷預(yù)測是指利用歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計方法、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，對未來一段時間內(nèi)的電能負(fù)荷進(jìn)行預(yù)估。這可以基于不同的時間尺度，比如短期負(fù)荷預(yù)測（幾小時到一天）或長期負(fù)荷預(yù)測（幾天到幾周）。預(yù)測結(jié)果可以提供給優(yōu)化調(diào)度模塊作為輸入，幫助系統(tǒng)決策者做出合理的負(fù)荷調(diào)度安排。其次，優(yōu)化調(diào)度是指根據(jù)電能負(fù)荷預(yù)測結(jié)果和特定的目標(biāo)函數(shù)，通過數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化算法，確定最優(yōu)的負(fù)荷調(diào)度方案。這可以包括最小化能源消耗、優(yōu)化發(fā)電機組輸出、降低電能負(fù)荷波動性等。同時，優(yōu)化調(diào)度也要考慮整個電力系統(tǒng)的約束條件，如傳輸線的容量、設(shè)備的可靠性以及用戶需求等，以確保方案的可行性和安全性。負(fù)荷預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確性和實時性。準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測可以提供給優(yōu)化調(diào)度算法一個可靠的基礎(chǔ)，使其能夠更好地應(yīng)對負(fù)荷變化和需求波動。此外，實時監(jiān)測和反饋機制也是優(yōu)化調(diào)度的重要組成部分，它可以及時調(diào)整計劃以應(yīng)對突發(fā)事件或意外情況，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。例如在調(diào)整電能負(fù)荷特性當(dāng)中，需要對具體的中斷容量、最大最小中斷時間、中斷總時間以及補償費用進(jìn)行調(diào)整。詳細(xì)內(nèi)容如表1所示。

表1 可中斷負(fù)荷特性調(diào)整表

3.2 負(fù)荷均衡與可行性分析

負(fù)荷均衡是指在配電網(wǎng)中合理分配電能負(fù)荷，使各個節(jié)點之間的負(fù)荷盡可能平衡。負(fù)荷均衡的目標(biāo)是避免某些節(jié)點負(fù)荷過重而導(dǎo)致過載，同時最大程度地利用系統(tǒng)資源，提高整體能源利用效率。負(fù)荷均衡可以通過智能開關(guān)系統(tǒng)實時監(jiān)測負(fù)荷狀態(tài)，并利用調(diào)度算法自動調(diào)整電能流向，從而實現(xiàn)負(fù)荷的均衡分布。可行性分析是評估負(fù)荷均衡方案的可行性和效果。在實施負(fù)荷均衡控制之前，需要對系統(tǒng)進(jìn)行全面的可行性分析，包括考慮電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、線路容量等因素，以確定負(fù)荷均衡方案的有效性和可靠性?？尚行苑治鲞€可以利用模擬仿真和優(yōu)化算法等工具，對不同負(fù)荷均衡方案進(jìn)行比較和評估，選擇最佳方案實施。

通常在負(fù)荷均衡與可行性分析中，常用的方法和技術(shù)包括三種：（1）負(fù)荷調(diào)度算法：通過數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化算法，確定最佳的負(fù)荷調(diào)度方案。這些算法可以考慮電網(wǎng)拓?fù)?、線路容量、負(fù)荷需求等因素，并結(jié)合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。（2）模擬仿真：利用電力系統(tǒng)仿真軟件對不同負(fù)荷均衡方案進(jìn)行模擬和評估。通過模擬仿真，可以預(yù)測不同方案下的負(fù)荷分布情況，評估其對電網(wǎng)穩(wěn)定性和效率的影響。（3）可行性評估指標(biāo)：制定一套評估指標(biāo)來衡量負(fù)荷均衡方案的可行性和效果。這些指標(biāo)可以包括負(fù)荷平衡度、線路負(fù)載率、供電可靠性等，用于綜合評估不同方案的優(yōu)劣［3］。

3.3 負(fù)荷調(diào)節(jié)與響應(yīng)機制

負(fù)荷調(diào)節(jié)與響應(yīng)機制依賴于實時負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過傳感器等設(shè)備采集配電網(wǎng)各節(jié)點的負(fù)荷數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)街醒肟刂浦行幕蛑悄荛_關(guān)進(jìn)行處理和分析。這些數(shù)據(jù)反映了不同時間段內(nèi)的負(fù)荷變化情況，為后續(xù)的調(diào)節(jié)和響應(yīng)提供基礎(chǔ)?；趯崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)，負(fù)荷調(diào)節(jié)與響應(yīng)機制可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需求進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整。例如，在高峰時段，如果負(fù)荷過大導(dǎo)致電網(wǎng)壓力增加，智能開關(guān)可以通過動態(tài)調(diào)整負(fù)荷分布來降低電網(wǎng)壓力。具體而言，它可以根據(jù)負(fù)荷優(yōu)化算法和策略，在不影響用戶需求的前提下，將部分負(fù)荷從過載的節(jié)點分散到其他負(fù)載較輕的節(jié)點上，實現(xiàn)負(fù)荷均衡。這樣可以提高配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，負(fù)荷調(diào)節(jié)與響應(yīng)機制還能夠靈活地應(yīng)對電力系統(tǒng)的變化需求。例如，在發(fā)生故障或緊急情況時，智能開關(guān)可以及時切斷相應(yīng)節(jié)點的負(fù)荷，以確保電網(wǎng)的安全運行。同時，當(dāng)可再生能源（如太陽能和風(fēng)能）產(chǎn)生過剩電量時，智能開關(guān)可以將多余的電能導(dǎo)向儲能設(shè)備或其他消耗設(shè)備，實現(xiàn)有效利用。

4 結(jié)束語

綜上所述，為防止出現(xiàn)電能供應(yīng)不足現(xiàn)象的出現(xiàn)，對于電能質(zhì)量要求也逐漸提高。因此需要進(jìn)一步加強對電能質(zhì)量監(jiān)測以及負(fù)荷控制，同時現(xiàn)代智能技術(shù)的應(yīng)用下，利用智能開關(guān)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測和負(fù)荷控制設(shè)備，確保電能供應(yīng)的順利，最終促進(jìn)社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。