基于智能開關的電能質量監測及負荷控制技術研究

蔣興竹

摘 要：隨著我國經濟總量的不斷增長，企業生產用電和居民生活用電量越來越高，已有多個城市由于電能供應緊缺而發生“電荒”現象。電力部門不得不采用負荷控制技術以確保重要負荷的正常用電。同時越來越多的企業根據生產需求對電能質量也提出了越來越高的要求，為滿足這部分用戶的需求，電力部門必須將電能質量監測放到電力運行的關鍵位置。針對目前電力部門中專用的電能質量監測和負荷控制設備價格昂貴但不能完全達到預期的效果，文章介紹了一種基于智能開關的電能質量監測及負荷控制技術。首先介紹了智能開關的定義，隨后針對電能質量和供電緊缺的具體問題，闡述了智能開關在電力系統中的應用方法及其起到的作用。電力系統中的大量實際應用表明利用智能開關來實現電能質量和負荷的在線監測是一種技術上可行的較經濟的方案，可以為電能質量的監測提供一種新的思路和和解決方案。

關鍵詞：智能開關；電能質量；負荷控制

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）14-0016-02

國家能源局4月15日發布的數據顯示，2014年1～3月，我國全社會用電量累計12 788億 kW·h，同比增長5.4%。其中3月份全國全社會用電量達到4 544億 kW·h，同比增長7.2%。根據電力部門往年的統計數據，進入四月份以后，全國用電負荷將大幅度增加，從2011年開始，我國多個省份已多次出現電荒，電能生產難以滿足負荷需求。另外，由于電能質量不能滿足生產要求，部分高科技公司甚至面臨著“無電可用”的困局，電能質量已經直接導致了社會生產力的下降并造成了企業的經濟損失。隨著我國建設堅強智能電網目標的提出，電力企業除了要滿足用戶的基本電力需求，還要保證用戶使用的電能質量符合要求。

滿足用戶對電能的基本需求和電能質量的要求的關鍵是進行負荷控制和電能質量監測。目前，我國電網中監測設備和負荷控制設備都是永久性的專用設備，這些設備不僅價格昂貴，而且很難監測整個電力網絡。智能開關在這種情況下應運而生，和專用設備不同，智能開關價格便宜而且體積較小，它可以自由分布在電力系統的各個角落，實現對整個電網的數據采集和監測，從而了解整個電網的運行情況。根據供電需求和電網電能質量的具體情況實時控制負荷，在系統發電能力不變的條件下優化電能配置并為用戶提供高質量的電能。

在歐美等電力系統相對比較成熟的國家，智能化被高度重視。電能質量的監測和負荷控制技術基本通過智能開關實現，其中最有代表性的裝置是有源濾波器，通過監測和補償電力網絡的諧波，基本上可以消除對用戶的諧波影響。和國外相比，我國的智能開關設備研制起步晚，但是發展快。經過一系列的積極的探索和實踐，也獲得了大量的成果。但是總的來說，這些設備價格偏高、安裝范圍小，難以滿足分布式大范圍監測需求。

1 基于智能開關的電能質量監測

隨著新型用電設備不斷接入電網，非線性、沖擊性、不平衡的負荷日益增多，電力系統的電壓畸變、諧波干擾等電能質量問題也越來越嚴重。為改善電力系統的電能質量，必須建立完善的電能質量監測系統。

1.1 電能質量定義

一般來說，電能質量是指電壓、電流和頻率等各項指標都符合用戶的需求。按照各個不同指標對用戶的影響，根據工作的電壓、電流或頻率的偏差，一般可以將電能質量的問題分為供電電壓偏差、電力系統頻率偏差、公用電網諧波、三相電壓不平衡等。他們的具體分類及其產生原因和影響見表1。

1.2 電能質量分析算法

由于電能是一個變化很快的量，因此用于電能質量分析的算法最重要的條件就是運算速度快，計算準確。目前，廣泛用于電能質量的方法主要有傅里葉變換、S變換、小波變換等。他們的前提和計算方法都有很大的區別，每個算法都有各自的優越性和局限性，如傅里葉變換只適合平穩信號的分析，無法滿足對具有突變性、暫態性等特性的電能質量復雜擾動的非平穩信號進行分析的要求。S變換對信號的提取能力有限，而且其功率隨頻率的增大而線性的增大。小波變換中小波基對信號的小波變換結果影響很大。目前最常見的使用方法是利用幾種方法混合計算來規避他們的弊端。

1.3 有電能質量監測功能的智能開關

隨著我國建設智能電網目標的提出，用戶和電力企業都比以往更加關注電能質量，在這種情形下誕生了功能相似的各種電能質量監測設備。它們都采用智能處理器為核心，一般選取ARM或DSP或者由ARM和DSP共同構成核心。功能上則強調智能化，除了基本的計算功能外，還附加了顯示、存儲、通信、人機對話等功能。目前國內外許多公司都開發出了自己的電能質量監測裝置產品，按照他們的安放位置和體積大小可以將他們分為便攜式、固定式兩種。

和國外開展電能質量檢測較早的國家相比，我國對電能質量監測裝置的研制尚處于起步階段，雖然已經研發出了具有自主知識產權的電能質量監測產品，但是部分模塊還需要依賴于國外的技術模塊，因而直接造成了設備的價格較高，不適合大規模安裝，還未達到在整個電力系統中完全普及的條件。

2 基于智能開關的負荷控制技術

負荷控制是對用電負荷進行調整和控制，保證電網穩定、經濟、安全的運行，并且把停電所造成的損失和影響控制到最低的程度，所采取的一種限制措施。智能開關通過監測線路的負荷運行狀態，配合檢測到的電能質量信息優化供電方式，實行智能供電，必要時對供電線路實行負荷控制，最大限度的利用能源，減小斷電的影響，實現有序用電。

2.1 基于智能開關的負荷控制功能

基于智能開關的負荷控制是指利用通信系統、負荷控制系統、電能質量監測系統對負荷進行負荷控制管理，監測負荷變化、電量增減、提高客戶終端用電效益。負荷控制主要具有以下功能：

①負荷控制功能：智能開關最基本和最重要的功能就是進行負荷控制，通過監測信息的獲取智能開關能定時自動進行跳合閘操作控制負荷的啟停，通過這一功能，它可以在電能生產小于負荷需求時進行評估，自動地切除部分不重要的負荷以確保整個電力系統的安全、穩定運行。

②電能質量監測功能：智能開關可以實時在線監測電網的電壓、電流和頻率等參數并通過上文提及的算法計算和分析電能質量，當能夠確定某一負荷對電網電能質量產生不可接受的影響時，自動中斷對負荷的供電以確保系統中其他負荷的用電質量。

③通信遙控功能：每個智能開關都配備了專門的通信模塊，既可以和附近的智能開關進行通信也可以和調度中心進行數據信息交換，這樣調度中心和每個智能開關都能夠掌握整個電力系統的運行狀況，從而確保制定出的負荷控制策略對整個電力系統最有利。

2.2 基于智能開關的負荷（可中斷）控制過程

通過智能開關對負荷進行控制，不僅技術上更容易實現而且更加經濟也更加節約，負荷控制最大限度利用能源，可以提高電網的穩定性，滿足有序用電要求。雖然電力系統中安裝了眾多的智能開關，但是調度中心仍然無法得知所有線路的負荷（可中斷）的實時運行情況，因此如果由調度中心直接按照經驗建模計算可中斷負荷模型往往不能滿足實際情況，因此我們一般以當前線路上的智能開關為基礎，實時分析當前線路的負荷情況，計算可中斷負荷啟停關系，直接控制負荷的啟停可以使得負荷控制更加方便高效。

當調度中心對所有智能開關發出系統出現緊急電量缺額信息時，智能開關首先匯總計算整個系統的缺電量的份額，然后分析判斷可中斷負荷的重要性，將所控制線路的所有可中斷負荷按照負荷重要級別、按照約束條件進行數學建模。當得出負荷的控制順序后，按照重要性從低到高的原則逐漸將負荷退出系統直到系統中的供需再次達到平衡。在保證大部分用戶正常用電的同時，實現高效的負荷控制。

3 結 語

隨著我國國民經濟的不斷發展，各行業對電能的需求增長速度遠快于電力系統裝機容量的增長，這使得我國持續出現“電荒”，同時電力用戶對電能質量的要求也越來越高，因此負荷控制與電能質量監測日益受到關注。本文首先介紹了電能質量的定義和負荷控制的基本概念。在此基礎上，引出了智能開關的概念，并重點闡述了基于智能開關的電能質量監測及負荷控制技術，由于和傳統的固定設備相比智能開關優點顯著，智能開關必將逐漸替代電力系統中傳統的電能質量監測和負荷控制設備。

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