智能電網監控系統研究*

王根平，王雅慧

（1.深圳職業技術學院 機電工程學院, 廣東 深圳 518055；2.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

智能電網監控系統研究*

王根平1，王雅慧2

（1.深圳職業技術學院 機電工程學院, 廣東 深圳 518055；2.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

為實現智能電網負荷均衡和電能質量控制，采用低成本的RFID與衛星通信技術相結合的方式來實現電網負荷及相關參數的實時和全方位的監控．在實時和全方位監控基礎上，設計實現了監控系統的體系結構和協調控制策略，為提高系統運行負荷率提供了可能，并可實現電網系統在各種約束條件下的優化運行．

智能監控系統；同步；體系結構；協調控制策略；智能電網

1 目前電網監控系統存在的問題

目前電力網絡監控系統，面臨的最主要的問題就是負荷采樣時間不能同步，有些關鍵點沒法實時觀測，采樣匯總得到的數據不能準確反映電力系統的真實負荷和運行狀態，使得在設計、運行和控制電力網絡系統時，不能充分利用系統的工作容量，不能協調好發輸配的關系，也就不能及時有效地實現負荷的削峰填谷，造成投資和資源的極大浪費．

根據相關統計分析[1]，我國電力線路和變電設備全年運行的平均負載率，設備容量的平均使用率只有近30%．

以用戶平均停電時間指標來衡量，在 2011年統計得到有關地方的年停電數據如下[1]：

中國城市年平均停電時間（小時/戶）：7.01 h；

中山供電局：39.6 min；

佛山供電局48 min；

深圳1.28 h；

廣州1.79 h；

北京1.64 h；

上海1.47 h；

合肥：3.71 h．

國際上用戶年平均停電時間：

東京電力公司：3~8 min；

美國城鄉平均小于120 min；

韓國小于20 min．

而且，電網大量投資帶來的高冗余容量并沒有帶來電網的可靠性和穩定性．導致這些問題的根源在于：1）在各個環節進行數據采樣時，不能做到同步，使得數據缺乏真實性（由于電力系統的過渡過程太快）；2）主要是因為技術和成本的原因，許多關鍵點的狀態沒有進行檢測監控．

2 智能電網監控系統構建

要構建智能電網監控系統，應該從采用現代通信技術，實現電網狀態全方位實時同步檢測監控著手．

2.1 智能電網同步實時監控技術及實現方案

2.1.1 保證監控系統同步實時的技術實現

在智能電網監控系統中，充分利用衛星通信中的同步技術和定位技術，可以解決電力系統監控中存在的電網運行狀態監測不能同步和定位的問題．在衛星通信系統中，GPS和北斗系統是國內應用最廣泛的2種系統．

所有GPS（北斗）裝置，使用的都是同一個時鐘源，而且這個時鐘源提供的時間精度都在納秒級（10-9秒）．電力系統的過渡過程，雖然很短，但過渡時間也一般都有毫秒級（10-3秒）．通過納秒級的時鐘源來采樣毫秒級動態過程，精度是沒什么問題的．現在一般的傳感器采樣裝置的采樣頻率都在兆赫茲（10-6秒時間間隔，MHz）級別，如果我們用GPS（北斗）裝置的時鐘源來驅動兆赫茲級的電信號傳感器（電壓傳感器，電流傳感器，或頻率傳感器），所得到電參數的實時性，同步性應該沒有任何問題．圖1為GPS（北斗）裝置實現同步實時采樣電參數的方案實現圖．所以，從技術上來講，采用 GPS（北斗）同步技術，可以有效解決監控系統對電網各關鍵點參數采樣的實時性和同步性，從而保證所得到的數據能夠真實反映電網的負荷狀態和運行狀態．

2.1.2 低成本的RFID節點和GPS（北斗）節點相結合通信網絡實現

RFID無線射頻通信技術，具有成本低廉、傳輸數據和距離可控的優勢．

RFID的傳輸距離與功率有關，功率低的可以傳輸幾百米，功率高的可以傳輸幾公里，傳輸數據率在幾千比特每秒（kBPS）至幾兆比特每秒（MBPS）之間．用RFID射頻模塊替代GPS（北斗）裝置來實現電力參數采樣節點，可使成本大幅下降．替代方案如下：

圖1 GPS（北斗）節點實現同步實時采樣電參數的方案

1）每個電網檢測節點的中心位置裝設GPS（北斗）節點；2）在每個GPS（北斗）節點電網檢測節點周邊，用帶編號的RFID節點代替GPS（北斗）節點；3）RFID節點按設置好的頻率將檢測到的電網參數發射傳送到GPS（北斗）節點；4）GPS（北斗）節點在收到帶編號的RFID信息時，即將自己的地理數據和當時的時間信息添加到帶編號的 RFID信息中，并將自己當時檢測到的電參數一并傳送到微網信息監控中心，如圖 2所示．

這樣，所有節點，無論是GPS（北斗）節點還是RFID節點數據都是地理—時間—電力采樣數據的三維數據．

通過這種RFID替代GPS（北斗）的方案，可以大大減少GPS（北斗）裝置的使用，由RFID節點與GPS（北斗）相結合的信息傳遞方案，將大大降低監控系統建設成本．示意圖如圖3所示．

2.2 智能電網監控系統體系結構

智能電網監控系統的體系結構，擬采用獨立的分層體系結構[2]．這樣做的優點有：1）網絡的任何修改，只是節點數量的增加或減少，不會影響到系統的體系結構；2）系統擴展容易；3）系統出現故障時，容易定位；4）系統實現邏輯清晰，簡潔．系統體系結構實現方案示意圖如圖4所示．

2.3 智能監控系統協調控制策略

在監控系統的體系結構的最高層：高級調度層，需要協調控制大電網及各分布式電源向各類負荷供電，并需要制定系統運行的目標及在運行過程中的各類參數，如發電設備發電的成本函數及負荷的用電價格等．

圖2 RFID代替GPS（北斗）節點的信息傳遞方案示意圖

圖3 RFID節點和GPS（北斗）節點相結合傳遞信息示意圖

2.3.1 目標函數及相關成本函數的確定

優化目標函數為：

以整個發電成本最低為目標，來分配大電網和各分布式電源的發電功率．要實現這個目標，就需要先確定各分布式發電電源的運行成本在整個調度周期中的成本函數．

從成本上來說，太陽能發電和風力發電應該是成本是比較低的，因而設置其成本函數應保證它們優先發電的權利；但又由于其發電量受外在環境影響特別大，所以需要滿足發電功率的約束條件．

對于大電網，其成本函數在大電網的高峰期會偏高，在谷底期，成本會偏低，這個由大電網的經營情況來決定．

2.3.2 約束條件的確定

主要的約束條件有（2）-（4）式：

圖4 系統體系結構實現方案示意圖

上述約束條件中，（3）和（4）式中的分布式發電電源在不同時刻的發電量和發電功率，可以從設備的額定容量得到．由于分布式發電源實際的發電量還受環境的影響，所以最后的功率和電量平衡要靠大電網的供應來調節．（4）式的電能質量約束中，電能質量參數主要有：供電信號的頻率，電壓以及諧波等．這些參數的范圍有國標規定，如頻率范圍應該在（50±0.2）Hz，電壓波動范圍為額定電壓的±10%等[3]．

2.3.3 電能質量控制的實現

首先是保證每個分布式發電源供應的頻率和諧波需要負荷要求，這個系統可以根據檢測發現，如發現不符合要求，將報警甚至關掉；其次是通過負荷的調度，保證系統的電能供應和負荷的可靠匹配，不出現大的波動．

3 智能電網監控系統帶來的優勢

本文所構建的智能電網監控系統，具備以下幾個優點：1）各個電網單元狀態和參數能實時同步；2）能全方位各環節實現監控；3）由于RFID技術的應用，實現了低成本．

在智能電網監控系統的支持下，可以保證在電網運行穩定可靠的前提下，提高電網系統的負荷率，節約系統成本，有一定的經濟效益和社會效益．

[1] 鮑冠南，陸超，袁志昌，等．基于動態規劃的電池儲能系統削峰填谷實時優化[J]．電力系統自動化，2012，36（12）：11-16．

[2] 王根平．微網體系結構及關鍵問題研究[J]．深圳職業技術學院學報，2013，12（3）：3-7．

[3] 王根平，王雅慧．微網系統電能質量問題分析及調節[J]．深圳職業技術學院學報，2014，13（3）：3-5．

Research on Intelligent Monitoring-Controlling System of Intelligent Power Grid

WANG Genping1, WANG Yahui2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China; 2. School of Electrical Engineering and Automation, Hunan University, Changsha, Hunan 410082,China）

In order to balance the load of the electric power system and improve the quality control level of electricity, the cost-effective technologies of RFID and the satellite communication technologies are adopted to monitor the load and parameters of the power grid in real time and on a large scale. Based on the monitor system, the architecture and the control policy of the power grid system are designed. All these measures and methods offer new options to improve the efficiency of the system, and an optimized operation can be achieved when the power grid system is exposed to various constraint conditions.

intelligent monitoring-controlling system; synchronization; system structure; control policy; intelligent power-grid

TM76

A

1672-0318（2014）05-0013-03

10.13899/j.cnki.szptxb.2014·05, 003

2014-04-30

*項目來源：深圳市戰略性新興產業發展專項資金資助項目（JCYJ20120617144348493）

王根平（1966-），男，江西南昌人，博士，教授級高級工程師，主要研究方向：新能源技術、自動控制、網絡通信技術．