智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

肖昱

（中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司 四川成都 610031）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電力行業(yè)的發(fā)展趨勢已經(jīng)轉(zhuǎn)向智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)，簡單來說就是電網(wǎng)的智能化，它是建立在集成的、高效雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進的相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟等使用的目標(biāo)，相比傳統(tǒng)電網(wǎng)更加節(jié)能、效率更高且更加安全。在使用智能電網(wǎng)前首先需要進行系列的電力設(shè)計。智能電網(wǎng)的應(yīng)用水平與電力技術(shù)的水平高低和科學(xué)性有密切的關(guān)系[1]。如果想實現(xiàn)智能電網(wǎng)的普及和發(fā)展，必須以電力設(shè)計為出發(fā)點進行系列的改革和優(yōu)化，不斷加強智能電網(wǎng)的合理應(yīng)用。

1 智能電網(wǎng)的特點

智能電網(wǎng)的主要特征有：

（1）自愈性。對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行自我評估，并可以在發(fā)生故障時在無人或少量人工的干預(yù)下快速隔離故障，維持電網(wǎng)安全有序的運行。

（2）互動性。電力系統(tǒng)運行與批發(fā)、零售電力市場無縫連接，可以實現(xiàn)電的有效使用，在不同程度提高了電能的使用效率，避免電能源的浪費和損失。

（3）兼容性。智能電網(wǎng)不僅能夠兼容大的集中的大電廠，還可以兼容不斷增加的分布式能源，可以滿足電力與自然環(huán)境、社會經(jīng)濟和諧發(fā)展的要求。

（4）可靠性。智能電網(wǎng)運行安全可靠且穩(wěn)定，是其獨有并且強大的優(yōu)勢。

（5）節(jié)能性。智能電網(wǎng)在運行過程中能節(jié)省10%的電能，極大地避免了資源的浪費，對我國的經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有著重大作用。

因此，在智能電網(wǎng)的設(shè)計過程中要呼應(yīng)相關(guān)的規(guī)劃方案。首先要滿足規(guī)章制度中對于輸電和配電的要求，然后要符合技術(shù)原則的要求，再次還要著力于可持續(xù)發(fā)展的要求和新能源的建設(shè)。在建設(shè)智能電網(wǎng)時應(yīng)不斷引進新的電力技術(shù)，及時更新智能設(shè)備并加大對智能電力配電網(wǎng)的研究，同時結(jié)合太陽能、風(fēng)能等新能源，為我國電力的發(fā)展提供綠色安全的新能源。

2 智能電網(wǎng)對電力設(shè)計的需求

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源越來越趨于緊張的狀態(tài)，可持續(xù)發(fā)展的呼聲日益增高，智能電網(wǎng)是我國電力事業(yè)發(fā)展的必然趨勢，對電力設(shè)計的需求也逐漸增大。但是諸如電網(wǎng)運行的安全問題、設(shè)備安裝的穩(wěn)定問題等影響并阻礙著智能電網(wǎng)中設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

2.1 滿足市場的電力需求，不斷改善電能的質(zhì)量問題

我國現(xiàn)在正處于經(jīng)濟高速發(fā)展時期，對電力的需求日益加大且對電能的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求也日趨增高，采用先進的電力設(shè)計技術(shù)來發(fā)展智能電網(wǎng)已成為必經(jīng)之路。據(jù)有關(guān)資料顯示，在電力設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用方面，美國因為對電能質(zhì)量方面缺少管理造成了高達千億美元的損失。因此不斷加強和改良電能的質(zhì)量問題是非常重要的工作，這能為電力技術(shù)的應(yīng)用提供較好的發(fā)展平臺和環(huán)境。

2.2 保證設(shè)備可靠安裝，滿足電網(wǎng)安全要求

我國的電力實際應(yīng)用中還存在很多問題需要改善，如有些電網(wǎng)的構(gòu)架結(jié)構(gòu)比較薄弱、不少地區(qū)存在著輸電配電不足的情況等。所以，電力企業(yè)在不斷加強電網(wǎng)構(gòu)架建設(shè)的同時應(yīng)加大對交流輸電裝置的開發(fā)。在我國現(xiàn)如今經(jīng)濟高速發(fā)展的大環(huán)境下逐漸增加了對電力設(shè)計的要求，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了全新的機遇，也因此帶來了更大的挑戰(zhàn)。如果不能及時解決一些潛在問題，電力設(shè)計在智能電網(wǎng)中的進一步發(fā)展和應(yīng)用會受到嚴重的影響。

3 電力設(shè)計技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

3.1 能源轉(zhuǎn)換技術(shù)

低碳經(jīng)濟是未來社會發(fā)展的方向之一，其核心之一就是能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，太陽能、風(fēng)能等可再生能源的利用已經(jīng)成為國際上能源轉(zhuǎn)化的研究熱點。依照目前的發(fā)展形勢來看，國內(nèi)大規(guī)模的并網(wǎng)技術(shù)、光伏發(fā)電由于其運行安全、穩(wěn)定、范圍大將會成為電網(wǎng)未來的發(fā)展方向。在能源轉(zhuǎn)化技術(shù)方面國內(nèi)尚處于初級發(fā)展階段，相關(guān)技術(shù)還不成熟，需要不斷地探討研究和開發(fā)利用。國內(nèi)的智能電網(wǎng)建設(shè)中，重中之重是對可再生能源的開發(fā)和利用，同時極力提高并網(wǎng)技術(shù)的研究和利用。要在實現(xiàn)能源高效利用的同時降低能源的消耗以及減少對環(huán)境的污染，真正實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展理念。

3.2 柔性交流輸電技術(shù)

柔性交流輸電技術(shù)是綜合電力技術(shù)、微處理和微電子技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術(shù)，可以增強交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性并且降低電力傳輸?shù)某杀尽Ｒ勒瘴覈F(xiàn)今智能輸變電的情況來看，想要把高電壓和清潔能源融合起來就必須使用此類柔性交流輸電技術(shù)，以合理調(diào)整和改良智能電網(wǎng)中的各種參數(shù)，使其安全穩(wěn)定高效的運行。

3.3 高速雙向通信技術(shù)

高速雙向通信技術(shù)不僅在智能電網(wǎng)的運行中保證了其自愈性，還可以提高對電力安全的監(jiān)控[2]。它可以在智能電網(wǎng)運行中對受損的區(qū)域進行檢測并分析原因，并對智能電網(wǎng)進行合理的調(diào)整和分配。比如在用電量較大的時期，利用高速雙向通信技術(shù)可以合理對電能進行分配并調(diào)整方案，提高智能電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性以及自控力。

4 案例

4.1 智能電表的設(shè)計

（1）通信網(wǎng)絡(luò)。采取固定的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，能夠把采集的數(shù)據(jù)信息（包括故障報警和裝置干擾報警）實時從智能電表傳到數(shù)據(jù)中心，是全部高級應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（2）計量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)MDMS。這是—個帶有分析工具的數(shù)據(jù)庫，通過與AMI自動數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的配合使用處理和存儲電表的計量值

（3）用戶室內(nèi)網(wǎng)HAN。通過網(wǎng)關(guān)或用戶人口把智能電表和用戶戶內(nèi)可控的電器或裝置連接起來，使得用戶能根據(jù)電力公司的需要積極參與需求響應(yīng)或電力市場。

（4）提供用戶服務(wù)。如分時或?qū)崟r電價等。

（5）遠程接通或斷開。AMI的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

其中計量芯片和主機的選擇是關(guān)鍵。在智能電表的設(shè)計中，專用計量芯片更便于電能和相關(guān)電力品質(zhì)參數(shù)的計算，所以將嵌入式控制器分離出來專門實現(xiàn)管理功能，如通信、費率時段管理、實時電價、存儲管理等。

圖1 AMI的體系結(jié)構(gòu)

計量芯片選用Maxim生產(chǎn)的多功能低功耗計量芯片MAXQ3180，主機選用sT公司生產(chǎn)的STM32FlO7xx增強型ARM嵌入式控制器。由于STM32F107只具有10/100EthemetMAC，所以需外加10/100Mb/s以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848CVV和RJ45連接器J0Ol1D21B。這樣智能電表可提供一個以太網(wǎng)通信接口，便于組成分布式通信網(wǎng)絡(luò)。

另外，智能電表還配有HM1人機接口，采用LCD液晶顯示模塊進行數(shù)據(jù)和設(shè)定信息的顯示。采用非易失鐵電存儲器FRAM保存累計電能和設(shè)定信息。

4.3 智能電表的軟件設(shè)計

智能電表的軟件主要由監(jiān)控程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、設(shè)定程序、MAXQ3180數(shù)據(jù)讀取程序、量程自動校正與功率補償程序、數(shù)字濾波程序、算法程序、實時時鐘程序、分時電價程序、網(wǎng)絡(luò)通信程序等組成，采用C++語言編程并進行模塊化設(shè)計。

5 結(jié)束語

電網(wǎng)對于社會的發(fā)展有著重大影響，傳統(tǒng)電網(wǎng)在運行中如果遇到線路故障極有可能導(dǎo)致安全事故和電力故障，從而影響社會生產(chǎn)和人民的生活，所以智能電網(wǎng)的建設(shè)有著不可替代的作用，必須給予足夠的重視。在設(shè)計智能電網(wǎng)時要分別出智能電網(wǎng)和傳統(tǒng)電網(wǎng)的差別，根據(jù)其運行的要求和特點來設(shè)計。在考慮關(guān)鍵因素之外，設(shè)計工作者必須具備相應(yīng)的專業(yè)知識和豐富的設(shè)計經(jīng)驗，并在工作中繼續(xù)提高專業(yè)能力及綜合素養(yǎng)，保證電網(wǎng)設(shè)計的合理性、安全性及保障電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，從而促進我國電力事業(yè)進一步發(fā)展。