基于微電網(wǎng)的電力計(jì)量技術(shù)研究

［關(guān)鍵詞］微電網(wǎng)；電力計(jì)量技術(shù)；智能電能表；虛擬電能計(jì)量；能源管理

1 微電網(wǎng)的概念與特點(diǎn)

1.1 微電網(wǎng)的概念

微電網(wǎng)作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是由多種能源資源、能量儲(chǔ)存設(shè)備及智能控制系統(tǒng)組成的小型電力系統(tǒng)。其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)及管理，還能與主電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行或獨(dú)立運(yùn)行。

1.2 微電網(wǎng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)相比，微電網(wǎng)能夠充分利用風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等多種可再生能源，以及小型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等高效低污染的分布式發(fā)電設(shè)備。微電網(wǎng)負(fù)荷類型呈現(xiàn)多元化趨勢，包括敏感型、非敏感型、可控型、非可控型等多種類型。這種多元性使得微電網(wǎng)能夠適應(yīng)不同的能源需求和應(yīng)用場景。微電網(wǎng)與主電網(wǎng)因故障突然解列時(shí)，微電網(wǎng)能夠維持對(duì)自身內(nèi)部的電能供應(yīng)，確保重要負(fù)荷的電力供應(yīng)不間斷。這種自治運(yùn)行能力使得微電網(wǎng)在應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害、電網(wǎng)故障等突發(fā)事件時(shí)具有更高的可靠性和韌性。另外，微電網(wǎng)還具有靈活性和高效性，這主要體現(xiàn)在能源資源的配置和運(yùn)行方式、與主電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行、與交流電網(wǎng)的靈活連接和斷開、儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用及電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用等方面。這些技術(shù)和管理手段使得微電網(wǎng)在能源利用和轉(zhuǎn)化過程中具有較高的效率和經(jīng)濟(jì)性。微電網(wǎng)可以優(yōu)化能源利用，實(shí)現(xiàn)能源的高效轉(zhuǎn)化，為電力系統(tǒng)帶來積極影響。

2 傳統(tǒng)電力計(jì)量技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)時(shí)存在的問題

（1）精度不足。微電網(wǎng)中存在多種分布式能源和儲(chǔ)能設(shè)備，電能質(zhì)量（如電壓波動(dòng)、諧波等）可能會(huì)受到較大影響。而傳統(tǒng)電力計(jì)量技術(shù)通常基于穩(wěn)定的電網(wǎng)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在這種復(fù)雜多變的微電網(wǎng)環(huán)境中，其計(jì)量精度會(huì)受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。另外，隨著可再生能源的大規(guī)模接入，微電網(wǎng)中的能源波動(dòng)性和間歇性增大，這進(jìn)一步加大了傳統(tǒng)電力計(jì)量技術(shù)的計(jì)量難度，降低了其準(zhǔn)確性。

（2）實(shí)時(shí)性不足。微電網(wǎng)需要實(shí)時(shí)掌握其內(nèi)部能源的生產(chǎn)、消耗及存儲(chǔ)情況，以便進(jìn)行最優(yōu)的能源調(diào)度和管理。然而，傳統(tǒng)電力計(jì)量技術(shù)通常存在數(shù)據(jù)更新延遲、處理速度慢等問題，難以滿足微電網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性的高要求。特別是在分布式電源大量接入、負(fù)荷快速變化的情況下，傳統(tǒng)電力計(jì)量技術(shù)的實(shí)時(shí)性不足可能導(dǎo)致能源調(diào)度和管理的失誤，影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）安全性不足。隨著智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，微電網(wǎng)中的電力計(jì)量系統(tǒng)越來越依賴于網(wǎng)絡(luò)通信。然而，傳統(tǒng)電力計(jì)量技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全方面的防護(hù)能力較弱，容易受到黑客攻擊和惡意軟件的入侵，導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄漏、篡改或系統(tǒng)癱瘓等安全問題。此外，微電網(wǎng)中涉及多種能源和設(shè)備的互聯(lián)互通，如果電力計(jì)量系統(tǒng)的安全性得不到保障，還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響。

（4）難以滿足多種能源資源計(jì)量的復(fù)雜性要求。微電網(wǎng)中的能源類型具有多樣性，這些能源在計(jì)量方式、計(jì)量精度及計(jì)量要求等方面存在較大差異。傳統(tǒng)電力計(jì)量技術(shù)通常只適用于特定類型的能源計(jì)量，難以滿足微電網(wǎng)對(duì)多種能源資源計(jì)量的需求。同時(shí)，由于各種能源之間的相互影響和耦合關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)電力計(jì)量技術(shù)也難以準(zhǔn)確反映微電網(wǎng)的整體能源使用情況。

3 基于微電網(wǎng)的電力計(jì)量技術(shù)解決方案

（1）智能電能表。智能電能表是微電網(wǎng)電力計(jì)量技術(shù)的核心設(shè)備之一。相比傳統(tǒng)電能表，智能電能表具有高精度計(jì)量、實(shí)時(shí)性、多能源計(jì)量等優(yōu)勢。此外，智能電能表具有高速數(shù)據(jù)采集和處理能力，能夠?qū)崟r(shí)獲取電能數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，這使得微電網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)掌握能源的生產(chǎn)、消耗及存儲(chǔ)情況，為能源調(diào)度和管理提供有力支持。通過配置不同的計(jì)量模塊和軟件，智能電能表能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)中風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源，以及燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等傳統(tǒng)能源的準(zhǔn)確計(jì)量。此外，智能電能表還具備遠(yuǎn)程通信功能，能夠通過網(wǎng)絡(luò)將電能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)轿㈦娋W(wǎng)管理中心或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，有助于對(duì)微電網(wǎng)的能源使用情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

（2）虛擬電能計(jì)量技術(shù)。虛擬電能計(jì)量是一種基于軟件實(shí)現(xiàn)的電力計(jì)量技術(shù)，通過對(duì)微電網(wǎng)中的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理及計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的虛擬計(jì)量。虛擬電能計(jì)量的優(yōu)點(diǎn)在于其靈活性和可擴(kuò)展性。虛擬電能計(jì)量可以根據(jù)微電網(wǎng)的實(shí)際需求進(jìn)行靈活配置和調(diào)整，可以根據(jù)不同的能源類型、負(fù)荷類型及計(jì)量要求，設(shè)置不同的計(jì)量參數(shù)和算法，以滿足微電網(wǎng)對(duì)電力計(jì)量的多樣化需求。同時(shí)，虛擬電能計(jì)量支持多種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，可以與不同類型的設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行集成和互聯(lián)。這使得虛擬電能計(jì)量能夠隨著微電網(wǎng)的發(fā)展而不斷擴(kuò)展和升級(jí)，滿足微電網(wǎng)對(duì)電力計(jì)量技術(shù)的持續(xù)需求。此外，虛擬電能計(jì)量還能夠綜合考慮微電網(wǎng)中的多種能源資源和負(fù)荷類型，對(duì)電能進(jìn)行綜合性計(jì)量和分析，通過對(duì)電能數(shù)據(jù)的挖掘和分析，為微電網(wǎng)的能源調(diào)度、優(yōu)化運(yùn)行及節(jié)能減排提供有力支持。

4 基于微電網(wǎng)的電力計(jì)量技術(shù)案例分析

我國南方的某工業(yè)新城為響應(yīng)國家綠色能源政策，建立了一個(gè)集太陽能、風(fēng)能、儲(chǔ)能系統(tǒng)于一體的微電網(wǎng)項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在為新城內(nèi)的工業(yè)園區(qū)和居民提供清潔、穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

該微電網(wǎng)項(xiàng)目采用了先進(jìn)的電力計(jì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能電能表、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、虛擬電能計(jì)量軟件等部分組成。智能電能表負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集各種能源類型的電能數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)集中并發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，最后通過虛擬電能計(jì)量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析及展示，具體見表1。

通過誤差計(jì)算式（1）可以驗(yàn)證該系統(tǒng)計(jì)量的精確度，通過實(shí)際測試得到實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間（ms），并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)包大小計(jì)算實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率（kbps）驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；通過式（2）可以驗(yàn)證系統(tǒng)的復(fù)雜性。其中，能源類型復(fù)雜性可根據(jù)能源設(shè)備的數(shù)量、控制難度等因素進(jìn)行量化評(píng)估。

能源類型多樣性指數(shù)的計(jì)算公式通常用于衡量能源供應(yīng)系統(tǒng)中能源種類的豐富度和均衡度。這種指數(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用類似于生態(tài)學(xué)中的多樣性指數(shù)，即香農(nóng)–威納指數(shù)，也稱為香農(nóng)多樣性指數(shù)（H'），用于評(píng)估系統(tǒng)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性。

式中，H'為能源供應(yīng)系統(tǒng)的多樣性指數(shù)，n為一次能源供給系統(tǒng)中能源品種的總數(shù)，Si為第i種能源品種的消費(fèi)量占總的一次能源消費(fèi)量的比例。

式（2）通過計(jì)算每種能源品種在總消費(fèi)量中的占比（Si）的自然對(duì)數(shù)（lnSi）的加權(quán)和（權(quán)重為Si本身），并取負(fù)值，來反映能源供應(yīng)系統(tǒng)的多樣性。當(dāng)各種能源類型在總消費(fèi)量中的占比越均勻時(shí)，H'越大，表示能源供應(yīng)系統(tǒng)的多樣性越高。

根據(jù)式（1）計(jì)算可得，智能電能表誤差不超過±0.2%，虛擬電能計(jì)量軟件誤差不超過±0.5%

在發(fā)電量分析方面，可以利用式（3）計(jì)算發(fā)電量占比。

發(fā)電量占比=能源類型年發(fā)電量/總年發(fā)電量×100%（3）在儲(chǔ)能系統(tǒng)分析方面，可以利用式（4）計(jì)算能源效率損失。

儲(chǔ)能效率損失=（1–儲(chǔ)能效率）×日均充放電量（4）在負(fù)荷分析方面，可以利用式（5）計(jì)算負(fù)荷峰值占比。

同時(shí)，還可以通過比較不同時(shí)間段或日期的負(fù)荷數(shù)據(jù)，分析負(fù)荷的波動(dòng)性和規(guī)律性。

綜上所述，該電力計(jì)量系統(tǒng)具有較高的精確度和實(shí)時(shí)性，能夠準(zhǔn)確反映微電網(wǎng)的整體能源使用情況，并為能源管理、優(yōu)化運(yùn)行及節(jié)能減排提供有力支持。

5 結(jié)束語

基于微電網(wǎng)的電力計(jì)量技術(shù)解決方案具有很高的實(shí)用性和可行性，能夠有效解決傳統(tǒng)電力計(jì)量技術(shù)在微電網(wǎng)中存在的問題，提高微電網(wǎng)的能源管理和調(diào)度效率，優(yōu)化微電網(wǎng)的運(yùn)行和節(jié)能減排，為電力系統(tǒng)帶來積極影響。可以利用基于微電網(wǎng)的電力計(jì)量技術(shù)解決方案中的智能電能表和虛擬電能計(jì)量技術(shù)，整合多種能源資源，提高能源管理的效率和靈活性，并確保電力計(jì)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)，也要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力，防止數(shù)據(jù)泄漏、篡改或系統(tǒng)癱瘓等安全問題。在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用智能電能表實(shí)時(shí)采集各種能源類型的電能數(shù)據(jù)，并通過虛擬電能計(jì)量技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的虛擬計(jì)量。根據(jù)不同的能源類型、負(fù)荷類型及計(jì)量要求，設(shè)置不同的計(jì)量參數(shù)和算法，以滿足微電網(wǎng)對(duì)電力計(jì)量的多樣化需求。通過分析電能數(shù)據(jù)，可以更好地了解和掌握各種能源的生產(chǎn)、消耗及存儲(chǔ)情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)能源的靈活調(diào)度和高效管理。同時(shí)，還可以通過比較不同時(shí)間段或日期的負(fù)荷數(shù)據(jù)，分析負(fù)荷的波動(dòng)性和規(guī)律性，為優(yōu)化運(yùn)行和節(jié)能減排提供有力支持。