輸配電網中復雜用電負荷能效計量系統設計

徐文林

（國網湖南省電力公司，湖南 長沙 430103）

隨著能源管理系統和智能電器的普及，以及各種電器實時負荷和用電數據網絡技術的支持，智能電網用戶端與電網端的交互成為可能。為了進一步提高用電效率，促進電力資源的優化配置，保證用電秩序，降低用電成本，需要優化用電負荷的能效，其中，輸配電網中復雜用電負荷能效是指輸配電網系統中用戶任意時刻消耗的有效電功率，一旦輸配電網中復雜用電負荷能效低于一定數值后，輸配電網內部設備就存在一定的故障。復雜用電負荷主要根據輸配電網設備的工作功率進行分類，分為第一類負荷、第二類負荷、第三類負荷，每類負荷的負載力逐次提高[1-2]。

文獻[1]將遺傳算法融入到和聲搜索算法中，構建了綜合降損措施的數學模型，但是無法準確獲取復雜用電負荷能效計量結果。文獻[2]給出了發生單相接地故障前后配電線路有功損耗變化的表達式，但是因為輸配電網線路漏電消耗的用電負荷，導致能效計量結果出現偏差。

為了解決以上問題，該文突破傳統復雜用電負荷能效計量系統的設計理念，設計一套準確性較高的輸配電網中復雜用電負荷能效計量系統。

1 系統硬件設計

該文設計的負荷能效計量系統硬件結構由集電器、存儲器以及處理器三部分組成[3]。系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

1.1 集電器

集電器在復雜用電負荷能效計量系統硬件區域的作用是集成需要計量時刻的復雜用電負荷電能，使復雜用電負荷能效計量數據量增加，且使能效數據量的增加效果達到最佳，該文使用了TDG-7 集電器[4]。集電器電路圖如圖2 所示。

圖2 集電器電路圖

根據圖2 可知，因為輸配電網中復雜用電負荷能效具有沖擊性，該文采用的是無縫滑觸類型的集電器，集電器的邊緣由雙股銅線進行纏繞加固，內部結構由納米級碳涂層和活性電極材料制成，集電器利用高彈力彈簧連接每個集電模塊。器件的工作電流為2 A，工作電壓為5 V，前端的碳刷厚度為5 mm，集電器可以承受的最大電壓為220 V。集電器的工作模式為通電延時，延時精度小于10%，器件的觸點容量為AC-15 AC240/0.75[5-6]。

1.2 處理器

為了保證計量系統的運行效率，在系統硬件區域設計了HDU 處理器，其工作內容是觸發硬件區域的設備，并解決用電負荷能效計量系統的數據沖突問題。處理器內置驍龍980 芯片，具有獨特的通信模塊，可以與軟件區域進行無誤差的通信，與芯片相互匹配的是300 系列的主板[7]。

處理器工作的基本頻率為2.90 Hz，最大工作睿頻加速頻率為4.80 Hz，此處理器的工作模式為八核心十六線程，HDU 處理器內部設置的所有總線通信速率都可以達到8 GT/s，處理器運行時TDP 的數值是65 W[8-9]，可以提高處理器的工作效率。用電負荷能效計算過程中，為了保證計量數據的完整性，處理器設計了12 MB 的緩沖空間，存儲器在器件邊緣位置設計多個接口，接口類型為USB 接口、I/O 串口、無線串口，每個類型的串口都采用全雙工通信，波特率為115 000 bit，通信速率為134 Mbps。處理器支持FTP、SMB、NFS 等多種網絡運行協議，并兼容多個操作系統，保證系統的正常運行[10-12]。

1.3 存儲器

輸配電網中，復雜用電負荷能效計量系統硬件區域存儲器的設計目的，是方便用電負荷監測數據插值補錄時數據測點信息的調用，該系統對于存儲器的要求不高，因此，該文選擇存儲器領域性價比最高的LKO 存儲器。存儲器的電源為轉接板模式，采用24 V 鋰電池的電源，電源有效適配器為90 W，可以無障礙工作6 個月，存儲器的存儲方式為雙M.2 SSD 極速存儲，設置4 個存儲通道，保證不同格式的輸配電網中復雜用電負荷能效數據[13]。

存儲器結構如圖3 所示。

圖3 存儲器結構

根據圖3 可知，存儲器具有10 bit 4k 的解碼能力，存儲器的外接網絡接口為2.5 GBE，輸出接口為HDMI 2.0A，為了提高存儲器的存儲空間，設計兩個2.5 GEN 的外接硬盤接口。另外，設置存儲器在有效時間內可以完成數據還原，內置8 盤位可擴展的DDR4 主板，此主板可以根據系統的應用需求，自動升級內存至32 GB[14-15]。

2 系統軟件設計

輸配電網中復雜用電負荷測點數據采集的有效性直接影響到輸配電網中復雜用電負荷能效的計量準確度，因此，該文對采集到的輸配電網用電數據進行插值分析，并根據輸配電網的實際情況對數據進行修正。

標準輸配電網中復雜用電負荷能效的有效數據間隔時間為1 ms，因為輸配電網中用電負荷類型復雜，該文設置用電負荷測點的有效數據間隔時間為30 ms，雖然增加了用電負荷能效的計算量，但是提高了計量精度。在用電負荷監測過程中，如果連續3個測點的數據為空白，那么此輸配電網的測點為故障狀態，計量系統直接輸出“0”即可，如果測點的數據采集過程無誤，系統輸出“1”，正常情況下，輸配電網中復雜用電負荷測點的數據條為不間斷空白的一個數據包。然后將采集到的用電負荷測點數據進行初次插值處理。插值處理的目的是重新獲取由于輸配電網用電負荷傳輸信道過長導致傳輸過程中丟失的數據節點，該文利用小波變換算法完成輸配電網中復雜用電負荷測點數據的插值，插值規則如下所示：

其中，cij表示每個輸配電網中復雜用電負荷數據段的電能測點數據；ε表示用電負荷系數；v表示通信信道的傳輸速率；a表示用電負荷測點數據的插值序列號；bij表示插值時的輸配電網中復雜用電負荷數據段的電能測點數據[16]。

最后將插值補錄完成的復雜用電負荷測點數據條進行精度校正，具體校正公式如下所示：

其中，P1表示校正精度；υ表示復雜用電負荷測點數據校正系數；z表示復雜用電負荷測點插值補錄后的新序列號；其他未知量的意義同上。

輸配電網中復雜用電負荷能效計量系統軟件工作流程如圖4 所示。

圖4 系統軟件工作流程

輸配電網絡中復雜電力負荷的能效具有非線性、隨機性和幅值影響等特點。其非線性特征是輸配電網負荷的能效與網絡中的某些設備有關。當裝置發出諧波及不同頻率的諧波分量時，振幅功率負載所消耗的功率會有一定的干擾波動。這種現象不能完全消除，只能在最大程度上加以控制。因此，輸配電網絡中復雜電力負荷的能效非常高，不存在線性關系。

由于電力負荷能效具有隨機性，輸配電網中各時刻電力負荷的輸出頻率、相位、波形和功率等因素不可控。復雜電力負荷對能效的影響主要取決于輸配電網的運行電流，輸配電網的工作電流大于規定值。為了維持輸配電網的穩定運行，只能強制提高工作電壓，這對各運行設備的沖擊損失有非常嚴重的影響。

根據上文簡述復雜用電負荷能效的特性，利用離散傅里葉變換算法完成復雜用電負荷能效Q的計量，公式如下所示：

其中，M表示用電負荷的有功能量；w表示用電負荷的有功能量；w1表示用電負荷的瞬時功率；n表示能效的計量點數；t表示輸配電網復雜用電負荷能效的計量周期；f表示輸配電網復雜用電負荷能效的計量頻率；U表示時刻的瞬時電壓值；I表示時刻的瞬時電流值，其他未知數變量意義同上。

3 實驗研究

為了檢驗系統測量結果的真實性和準確性，進行了對比測試分析。選擇基于儀表測量的輸配電網復雜電力負荷能效測量系統和基于電路交互的輸配電網復雜電力負荷能效測量系統作為傳統的控制系統，輔助完成系統的控制測試。設定實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

采用長春市一汽集團寬城區分部的B 輸配電網作為實驗樣本，在實驗前，將3 個輸配電網中復雜用電負荷能效計量系統連入輸配電網控制中心，進行實驗的預處理。實驗預處理完成后，同一時間觸發3套系統，并由控制中心隨機發布一個隨機時間點，測試任務是計量此時間點輸配電網中復雜用電的負荷能效，同時工作人員也利用專業儀器完成復雜用電負荷能效的計量，計量結果作為實驗的有效對照數據。當3 套系統向控制中心全部提交計量結果后，結束實驗，并將3 套系統從輸配電網控制中心斷開，整理實驗數據。以上實驗測試流程具有邏輯性，并符合輸配電網中復雜用電負荷能效計量規范，因此測試數據具有可信性。

測量誤差實驗結果如圖5 所示。

圖5 測量誤差實驗結果

整理圖5 實驗測試數據發現，該文設計的輸配電網中復雜用電負荷能效計量系統與實際計量結果的誤差度在4%以內，低于其他文獻方法。

通過以上實驗數據得出結論，該文設計系統的記錄率和準確度是最佳的，證明了該系統的可靠性。這是因為考慮了3 種類型的復雜電力負荷，并根據每種類型的特點設計了計量算法，提高了測量算法的精度。另一方面，該文設計的計量過程完成了電力負荷測點數據的插值和補充記錄，保證了電力負荷測量數據的可靠性，從而提高了電力負荷能效測量的準確性。

4 結束語

由處理器、存儲器以及集電器共同構建了輸配電網中復雜用電負荷能效計量系統的硬件架構，在系統的軟件區域，利用小波變化算法對輸配電網中復雜用電負荷測點數據進行插值補錄分析，并簡述復雜用電負荷能效的計量方法，實現輸配電網中復雜用電負荷能效計量系統的設計。此計量系統在本質上減少了輸配電網纜線帶來的能效計量誤差，保證用電負荷能效計量的準確度，通過對設計系統的推廣，可以在一定程度上減少輸配電網故障的發生。