輸配電及用電工程中自動化技術(shù)的運(yùn)用研究

摘要：輸配電及用電工程是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，直接影響了電力系統(tǒng)的運(yùn)行。為了能夠提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，增強(qiáng)運(yùn)行效率，基于輸配電及用電工程的實(shí)際情況，提出了構(gòu)建電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自動化分層供電；設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，加強(qiáng)輸配電維修；建立虛擬模型，開展輸配電仿真工作；加強(qiáng)自動化數(shù)據(jù)處理，合理分配用電時段；建設(shè)配電物聯(lián)網(wǎng)，自動識別故障信息等措施，保證輸配電及用電工程能夠向自動化、智能化方向發(fā)展，為后續(xù)的電力施工提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：輸配電用電工程自動化技術(shù)電力系統(tǒng)

中圖分類號：TM72

ResearchontheApplicationofAutomationTechnologyinPowerTransmissionandDistributionandPowerConsumptionEngineering

LIZhaowei

ShangheCountyPowerSupplyCompanyofStateGridShandongElectricPowerCompany，Ji’nan，ShandongProvince，250000China

Abstract：Powertransmissionanddistributionandpowerconsumptionengineeringisanimportantpartofthepowersystem，whichdirectlyaffectstheoperationofthepowersystem.Inordertoimprovethestabilityofthepowersystemandenhancetheoperationefficiency，basedontheactualsituationoftransmissionanddistributionandpowerconsumptionengineering，measureshavebeenproposed：Constructthepowergridtoachieveautomaticlayeredpowersupply;Designtheremotemonitoringsystemtostrengthenthetransmissionanddistributionmaintenance;Establishvirtualmodelsandcarryoutpowertransmissionanddistributionsimulationwork;Strengthentheautomaticdataprocessingandrationallyallocatethepowerperiod;ConstructanInternetofThingsforpowerdistributiontoautomaticallyidentifyfaultinformation，inordertoensurethattransmission，distribution，andpowerengineeringcandeveloptowardsautomationandintelligenceandprovidethefoundationforthesubsequentpowerconstruction.

KeyWords：Powertransmissionanddistribution;Powerconsumptionengineering;Automationtechnology;Powersystem

自動化技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個重要組成部分，其主要具有高效性、快捷性、綜合性等特點(diǎn)，把自動化技術(shù)運(yùn)用到輸配電及用電工程當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)輸配電及用電工程的自動化運(yùn)行，更好的利用了電力數(shù)據(jù)資源，為電力運(yùn)輸、系統(tǒng)監(jiān)控、故障維修等工作提供了有利條件，保證電力行業(yè)正在向著自動化、智能化的方向有序發(fā)展。

1工程概述

截至2023年底，全國智能電網(wǎng)建設(shè)投資已經(jīng)超過了1.2萬億元，智能電網(wǎng)的覆蓋率也已經(jīng)達(dá)到了70%以上。其中，對于智能配電網(wǎng)自動化的投資占比也達(dá)到了25%，自動化技術(shù)逐漸成為智能電網(wǎng)建設(shè)的一個重點(diǎn)領(lǐng)域。預(yù)計(jì)到2025年，智能電網(wǎng)將覆蓋全國80%以上的地區(qū)，使得智能配電網(wǎng)的自動化水平進(jìn)一步增強(qiáng)。以某輸配電及用電工程為例，其在輸配電線路及設(shè)備上都安裝了傳感器和監(jiān)控設(shè)備，進(jìn)行電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。為保證電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸更高效，建立了光纖通信網(wǎng)絡(luò)，確保數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，同時升級了監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對配電網(wǎng)的實(shí)時監(jiān)控效果。為了降低電力系統(tǒng)故障發(fā)生的概率，利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能的算法，預(yù)測輸配電中潛在的故障情況，并對這一故障進(jìn)行處理[1]。

2輸配電及用電工程的自動化技術(shù)

2.1構(gòu)建電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自動化分層供電

在上述的工程案例中，為保證輸配電與用電工程的自動化效果，采用了自動化技術(shù)，構(gòu)建智能電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了自動化分層供電。完善電力自動化運(yùn)行終端，輸配電的運(yùn)行終端主要包括饋線終端單元、變壓器終端單位兩方面。第一，饋線終端單元（FeederTerminalUnit，F(xiàn)TU）通常都是安裝在戶外，主要位置是饋線開關(guān)的附近，能實(shí)時監(jiān)控開關(guān)自身運(yùn)行的狀態(tài)。饋線開關(guān)的位置比較分散，一臺饋線開關(guān)要配備一個饋線終端，能實(shí)現(xiàn)更好地監(jiān)控，為后續(xù)的自動化供電提供基礎(chǔ)保障。第二，變壓器終端單位（TransformerTerminal?;Unit，TTU）是監(jiān)控配電所內(nèi)所有變壓器的實(shí)際運(yùn)行情況，主要是收集了低壓側(cè)的電壓和電流數(shù)據(jù)。對收集到的數(shù)據(jù)每60～120s就要進(jìn)行一次計(jì)算，進(jìn)而得出了有功和無功功率等參數(shù)，具體計(jì)算如下：

式（1）、式（2）中：P表示有功功率；Q表示無功功率；I表示有效電流；U表示電壓；和為功率因數(shù)。通過式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算，得出具體的有功和無功功率的參數(shù)，然后把這些參數(shù)存儲到系統(tǒng)中，使其數(shù)據(jù)更加安全即便斷電也不會丟失。在一段時間后，這些參數(shù)則會被輸送到配網(wǎng)的主站中，進(jìn)行詳細(xì)分析，然后根據(jù)分析結(jié)果來判斷變壓器或線路是否存在故障，并對故障進(jìn)行處理，使得電壓質(zhì)量、供電效率得到優(yōu)化。與FTU相比，TTU的結(jié)構(gòu)比較簡單，其不具備FTU自身的實(shí)時監(jiān)控功能，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、記錄和傳輸。所以TTU不像FTU那樣需要使用蓄電池供電，而是直接從低壓側(cè)獲取電力，保證城市內(nèi)每一個區(qū)域的發(fā)電站都要開展配電工作，不僅能做到自動化分層供電的效果，還可以降低成本[2]。

2.2設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，加強(qiáng)輸配電維修

在輸配電及用電工程中，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的自動化效果，可以在輸配電部分設(shè)備或者線路上安裝傳感器，利用傳感器對其溫度、壓力、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時有效的監(jiān)測，并把這些數(shù)據(jù)通過無線或有線的方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心后，監(jiān)控中心就通過機(jī)器學(xué)習(xí)等自動化智能技術(shù)，預(yù)測出設(shè)備的故障情況，一旦發(fā)現(xiàn)存在故障趨勢，提前進(jìn)行預(yù)警。例如，在此次工程案例中，就是在輸電線路上安裝了溫度傳感器，對輸電線路的運(yùn)行溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和收集，溫度監(jiān)測的公式如下：

式（3）中：表示當(dāng)前輸電線的溫度；表示環(huán)境溫度；表示溫度的變化量；表示角頻率；t表示具體的時間；表示相位角。通過式（3）進(jìn)行計(jì)算，可以得出具體的溫度參數(shù)，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)把這一數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程控制中心。在遠(yuǎn)程控制中心，數(shù)據(jù)通過了預(yù)處理軟件來進(jìn)行清洗和格式化，然后輸入到故障診斷模型中進(jìn)行故障分析。在故障分析時，主要利用支持向量機(jī)等統(tǒng)計(jì)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對采集的這部分溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以識別正常的運(yùn)行狀態(tài)和異常狀態(tài)。要設(shè)置閾值和判定規(guī)則，當(dāng)監(jiān)測到的溫度參數(shù)已經(jīng)超過了閾值時，系統(tǒng)就會觸發(fā)故障預(yù)警裝置，及時向人員進(jìn)行預(yù)警。

2.3建立虛擬模型，開展輸配電仿真工作

想要輸配電自動化技術(shù)水平更完善，對其進(jìn)行仿真工作，通過虛擬模型，對輸配電過程進(jìn)行模擬，了解輸配電自動化的過程，保證輸配電自動化技術(shù)得到提升[3]。首先，利用POWERCAD、DIgSILENTPowerFactory等電力系統(tǒng)仿真軟件，建立一個詳細(xì)的輸配電系統(tǒng)虛擬模型。然后在模型內(nèi)輸入線路、變壓器、開關(guān)設(shè)備、負(fù)載等具體的輸配電運(yùn)行參數(shù)，保證整個模型更加準(zhǔn)確可靠。其次，根據(jù)實(shí)際的輸配電自動化運(yùn)行狀況，設(shè)定各種仿真場景，主要是模擬出輸配電自動化系統(tǒng)在正常運(yùn)行、故障發(fā)生、設(shè)備切換等工作場景，能夠評估系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的性能。通過仿真軟件，監(jiān)測系統(tǒng)在上述這些場景下的電壓、電流、功率、穩(wěn)定性等狀態(tài)，對短路、過載能夠進(jìn)行故障模擬，從而觀察到自動化系統(tǒng)的響應(yīng)和解決能力，對系統(tǒng)進(jìn)行充分評估。例如：在某輸配電工程案例中，選取一個區(qū)域內(nèi)的輸電線路進(jìn)行模擬仿真，在仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)輸電線路的長度、截面積、材料特性等參數(shù)，然后模擬出正常狀態(tài)、極端天氣等環(huán)境，計(jì)算出輸電線路在這些環(huán)境中的電阻和電抗：

式（4）、式（5）中：R表示線路的電阻；X表示電抗；表示電阻率；L表示線路的具體長度；A表示其橫截面積；表示磁導(dǎo)率；f表示系統(tǒng)的具體頻率。通過對電阻和電抗的計(jì)算，可以了解輸電線路在不同環(huán)境中的運(yùn)行情況，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行充分分析，識別出了輸電線自動化系統(tǒng)內(nèi)的弱點(diǎn)和潛在的故障點(diǎn)。根據(jù)這一仿真分析結(jié)果，對輸電線路自動化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效調(diào)整輸電線路的參數(shù)，同時改進(jìn)輸配電設(shè)備的相關(guān)配置，提升輸配電運(yùn)行質(zhì)量，降低故障發(fā)生概率。

2.4自動化數(shù)據(jù)處理，分配用電時段

在對輸配電及用電工程的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化處理時，需要利用自動化系統(tǒng)，對其電壓、電流以及功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，主要識別電網(wǎng)在運(yùn)行中，高峰時段和低峰時段人們的用電需求，通過需求分析，為后期的電力調(diào)度提供依據(jù)。然后根據(jù)這一用電需求的預(yù)測，合理對用電時段進(jìn)行分配，確保在高峰時段電力供應(yīng)充足，在低峰時段也能避免電力資源的浪費(fèi)。例如，在某市輸配電及用電工程中，對各個區(qū)域的電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析其負(fù)荷情況，然后根據(jù)預(yù)測模型，預(yù)測未來城市內(nèi)各區(qū)域的用電需求。一般在18：00—23：00為用電的高峰時段，24：00—次日7：00為低峰時段。在高峰時段，可以實(shí)施尖峰電價，調(diào)高高峰時段的用電價格，來引導(dǎo)用戶減少非必要的用電；在用電低峰時段，為其提供較低的電價，通過這一優(yōu)惠對策來增加用電[4]。根據(jù)系統(tǒng)自動化預(yù)測出來的用電需求，可以自動調(diào)整發(fā)電量和電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保高峰時段的電力供應(yīng)。同時，利用儲能系統(tǒng)，在用電低峰時段存儲多余的電力，然后在高峰時段進(jìn)行使用，實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的平衡。

2.5建設(shè)配電物聯(lián)網(wǎng)，自動識別故障信息

輸配電及用電工程自動化技術(shù)中，需要在輸配電系統(tǒng)中部署物聯(lián)網(wǎng)傳感器，對電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。然后將傳感器收集的數(shù)據(jù)通過無線或有線方式傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)相關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯聚和處理。在某輸配電案例中，物聯(lián)網(wǎng)主要采用無線網(wǎng)絡(luò)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對傳輸后的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，識別出潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)故障檢測的時間為：

式（6）中：T表示故障檢測所用的時間；表示故障實(shí)際發(fā)生的時間；表示報(bào)警觸發(fā)的時間，通過計(jì)算，可以了解系統(tǒng)故障的檢測時間，一般是控制在10s以內(nèi)。在利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法時，主要是先進(jìn)行模型的訓(xùn)練，將原始的數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集這兩類，其中，80%的數(shù)據(jù)是用于訓(xùn)練，20%的數(shù)據(jù)則用于驗(yàn)證。計(jì)算出模型在訓(xùn)練中的損失函數(shù)：

式（7）中：S表示損失函數(shù)；N表示樣本數(shù)量；表示第i個的真實(shí)故障標(biāo)簽；為模型預(yù)測出來的第i個故障標(biāo)簽。在模型訓(xùn)練完成后，用一部分未參與訓(xùn)練的數(shù)據(jù)來測試模型的性能。

根據(jù)計(jì)算出的測試數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型評估，了解其對故障檢測的準(zhǔn)確度。在評估完成后進(jìn)行模型的調(diào)整，主要是根據(jù)訓(xùn)練和驗(yàn)證過程中的損失函數(shù)值，調(diào)整模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最小損失。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了故障信息的自動識別和診斷，當(dāng)診斷出故障風(fēng)險(xiǎn)后，就會自動觸發(fā)報(bào)警，并通知運(yùn)維人員及時處理[5]。

3結(jié)論

綜上所述，對輸配電及用電過程中自動化技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)行詳細(xì)的分析，不僅可以提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效果，還能保證電力資源得到充分的運(yùn)用，降低電力運(yùn)行中出現(xiàn)故障的概率，使輸配電更方便快捷。在運(yùn)用自動化技術(shù)時，主要從分層供電、維修、仿真、數(shù)據(jù)處理等方面入手，讓輸配電及用電工程更加智能，擴(kuò)大電力系統(tǒng)的影響力。

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