基于物聯網技術的新能源電網運行狀態監測技術

皮 震

（國網湖北省電力有限公司咸寧供電公司，湖北 咸寧 437400）

隨著科技的進步和發展，電力供應越來越成為推進社會發展和進步的關鍵因素，對供電的穩定性和可靠性提出了更高的要求。電網調度系統作為供電網絡的“大腦”，主要用于對電網系統的運行穩定性進行實時監測和調整，滿足電網運行安全的需求。隨著城市化規模的不斷擴大以及社會用電需求的持續增加，現有的供電網絡調度系統逐漸暴露出了數據分析效率低、調度滯后性大等不足，而且難以對電網運行的狀態進行實時監測，無法滿足供電穩定性和可靠性需求[1]。

在低碳環保發展理念下，我國電力行業面臨著嚴峻挑戰，新能源的大量應用將徹底改變傳統發電方式下的極端能耗，為電網的正常運營提供了有利的運行條件，推動了我國電力行業的可持續發展。基于此，本文利用物聯網技術選取ZigBee 通信網絡中的網狀網絡以及樹形網絡，來收集新能源電網運行狀態數據，并通過無線網絡對監測區域中的參數進行智能檢測；根據監測到的運行狀態數據搭建新能源電網運行狀態監測模型；利用電流監測原理對運行狀完成監測。

1 新能源發電現狀及未來方向

1.1 太陽能

太陽能是一種取之不盡用之不竭的自然能量，與人類乃至整個地球的發展有著密切聯系。我國非常重視發展太陽能，并采取了一系列有力的措施，以促進太陽能的發展。我國早在2015 年就對光伏行業進行了更加細致的規劃，明確指出了今后的發展方向和發展的深度，并提出了三年內，全國光伏裝機總量要達到3500 萬kW 以上的戰略目標。此后，很多省份也都在政府的指導下，逐步發展太陽能工業，并持續更新其理論與技術，研發新的太陽能發電裝置。太陽能發電行業迅速發展，同時，太陽能在全國的發電量中所占的比例也在逐年增加。在新的發展環境下，太陽能技術在很多方面都有著巨大的需求，這主要是因為它有著其他能源所不具備的優越性[2]。

1.2 風能

與常規能源相比，我國風能的儲備也非常巨大。我國幅員遼闊，生態環境復雜，氣候多為大風、強季風性，擁有豐富的風力資源，能夠充分利用風力發電。由于煤炭等傳統資源的消費下降，經濟發展對能源的需求不斷增長，急需新的能源資源來尋求和補充。當然，僅僅依靠太陽能是遠遠不夠的，現在正是發展和利用風力的時候。目前，我國風電投資規模呈逐年遞增的態勢，在全球范圍，我國風電裝機規模和風電發電量均居全國首位。風電作為一種新型能源，不僅易于發展，而且在全球范圍內分布很廣，是繼太陽能后的另一種主要且有效的替代傳統能源。

2 新能源電網運行狀態監測必要性

電力系統是國家經濟發展和運行的基石，人們的生產生活均離不開電力行業，只有維持穩定的電力系統運行，才能保證工業生產和人類生活。

現階段隨著新能源場站的大規模建設，越來越多的新能源場站已經開始并入傳統電網中，但是考慮到新能源發電功率波動性較大，在并網后，其電能傳輸通道潮流容易出現波動，在一定程度上會對并入電網電壓的整體安全性和穩定性產生不良影響。過去電網系統在未開發新能源場站之前，其電網系統的整體負荷中心間隔距離較長，傳統電網輸電模式下，電網系統的整體結構非常脆弱，需要應用高壓傳輸通道方能實現電能的穩定傳輸。隨著我國大力發展新能源場站，為確保供電質量，相關電網企業要充分考慮并網后的電網負荷以及新能源電能的輸電情況，同時也要著重分析新能源電能運行狀態。

現階段，我國新能源場站建設已經具備一定的規模，新能源技術的應用也愈發廣泛。隨著新能源場站建設成本費用的不斷下降，新能源電力在電力系統中的占比也在不斷擴張。新能源并入配電網之后，其整體的輸電穩定性以及可靠性不僅對電力系統整體電壓產生的影響非常顯著，同時也和并網接入區域以及配網容量有密切的關聯。因此要求各地電網部門要重點做好電網調度規劃工作。尤其是針對配電網進行調度規劃的過程中，不僅要考慮其他因素的影響，同時也要采取各種方法最大限度地減少新能源并入后對電網產生的影響，最大價值發揮新能源電能的作用，確保工業生產和居民生活用電穩定。

3 新能源電網運行狀態監測方法設計

3.1 基于物聯網技術收集運行狀態數據

新能源電網運行的過程中，要使用物聯網技術對新能源電網的運行狀態數據進行實時的收集，確保收集過程中的有效操作和安全。利用物聯網技術選取ZigBee 通信網絡中的網狀網絡以及樹形網絡。按照現場要求在監測范圍內安裝了監測器節點并且設置了攝像頭。考慮到現場位置，在設置監測器節點的時候，為了提高監測器節點所收集的轉臺數據的精度，對電路中的每一段分別設置了對應的監測器，其中，每兩個監測器節點的定位高度一般都在500m 以內[3]。在每段輸電的路徑上都間隔一定高度安裝了一個數據節點，用來收集在每段線路上每個監測器節點收集到的信息，利用無線網絡對監測范圍內的所有數據實現了智能監測。接著通過監測器模塊采集電網運行的溫度、電壓、電流數值，并對采集到的數據信息做出相應的處理。物聯網技術可以通過不同的運行狀態指令分別收集每個監測器監測到的運行狀態數據。通過利用監測器收集運行狀態數據，為接下來的監測模型搭建提供數據支持。

3.2 搭建新能源電網運行狀態監測模型

根據傳感器所測得的運行狀態數據進行定量分析。

1.要分析運行狀態產生的原因和過程。基于多元影響因素的理論技術，結合新能源電網的特點，根據傳感器的數據，分析出產生各類運行狀態的主要因素可總結為施工人員的施工操作、設備的性能、環境因素、控制以及措施方法5 個層面。所以把這5 個運行狀態因子設計成新能源電網運行狀態評價指標的核心因素。二級標準是一級目標更為具體的解釋，將新能源電網的運行特點，如：施工期限長、新能源工藝的應用次數較多、對施工人員技能要求較多、新能源材料較多、立體復雜的施工作業較多、現場安裝的機械設備多、建筑材料運輸量大等，設計成二級目標。

2.利用階段分析法確定指標權重并進行相同性的檢驗。

3.根據二級指標對一級指標運行狀態影響的重要程度，設計對應的權數。

4.把新能源電網的運行狀態指標界定為4 個級別：I、II、III、IV，并設計了評估集Y。

5.根據新能源電網的性質和實際運行的情況，對4 項評價綜合取值。為新能源電網運行項目的安全運行與異常運行評估綜合取值。使用模糊的判斷技術進行評估后，需要使用層次函數方法判斷階層性，這樣才能夠考察到層次間的聯系狀態，進而克服了層次間的聯系不確定性。

6.通過對新能源電網運行狀態評價指標，再通過對運行狀態的觀測，以及通過對狀態評價指標體系量化的方式對狀態評價指標體系進行評估。通過分析以上的綜合評價結果及各階層的評價結論可以得出，從各層來看，新能源電網運行狀態評估模型對新能源電網的管理影響不大，其中，影響較大的指標為對工作行為的規范，新能源電網運行狀態模型對保障安全施工的影響較大，可以看出新能源電網運行狀態模型對于電網運行狀態的管理具有很大的實際用途。

3.3 實現新能源配電網運行狀態監測

監測模型搭建完成之后，對監測區域的傳感器進行運行狀態監測。狀態監測包括狀態的分類、排序與控制等信息，也可以簡單地進行電網結構的建立和調整。當電網運行時，傳感器會啟動監測功能，可以對線路上的電流和大型發電機運行時的運行情況進行監測。在電網中接入控制型的監測機，利用電流監測原理對運行狀態進行監測，再接入集中式的運行感應器，監測輸出電流的波形是否出現阻斷情況。運行監測模塊需要進行狀態監測和運行時間的監測，當電網運行時，會開始監測，并向傳感器發送監測信號。首先根據監測模塊所監測到的信息進行判斷，若運行狀態出現異常或者停止運行則會進行警報提示，若為正常運行信號，則通過輻射面積識別是否為兩組線路同時運行，再通過實際的運行時間或者理論上的運行時間確定有無重疊運行和停止運行的情況，從而計算正常的運行狀態量等，實現了新能源電網的集中管理下的運行狀態的監測，可以自動生成新能源電網的信息、運行進度和運行速度，還能自動生成每次運行的狀態，自動將所監測到的信息生成到對應的數據分析模塊中[4]。

4 實驗與結論

4.1 實驗準備

將監測裝置分散安裝在110kV 變電站、110kV 導電柜、電力開關、電纜箱、環網柜等設備10kV 電線進出網柜處，作為監測節點，采集負荷電流、零序電流、對地電場電壓、電纜終端溫度、運行環境溫濕度等實時數據，并檢測電線短路、接地、過溫、過負荷、過濕等故障及異常狀態。通過GPRS 無線通訊模塊連接到后臺監控主站，通過對各監測節點設備的環境狀況設定預警線，對于可能引發設備故障的惡劣環境如高溫、過濕等狀態及時發出預警信息，提前請設備維護人員解決并及時解除危險情況。

4.2 實驗過程

將監測器監測到的運行異常情況進行記錄，建立配電設備的狀態檔案，依據各節點日報表和線路周報表。為各監測節點的配電設備建立監測記錄，分析狀態監測歷史數據，監測設備負荷運行趨勢和用戶用電規律，生成全面、完善的配電設備狀態監測記錄文件。

4.3 實驗結果

為了證明設計監測方法的有效性，對新能源電網運行異常的狀態進行研究。根據不同的運行設備數量，對比3 種狀態監測方法監測到的運行狀態異常次數，如表1 所示為采用3 種狀態監測方法監測到的運行狀態異常次數對比情況。

由此可以看出，以實際的運行異常次數為對比，基于深度卷積網絡的電網運行狀態監測方法和基于TOPSIS 法的電網運行狀態監測方法監測到的運行異常次數與實際相差較多，而且在不同時間段內監測數據的波動較大。設計的基于物聯網技術的電網運行狀態監測方法監測到的運行異常次數都與實際的十分接近，可以將監測誤差控制在20%以內，證明了設計的電網運行狀態監測方法的有效性和準確性，為電網的運行提供了保障[5]。

5 結語

綜上所述，近年來我國電力裝備轉型較快，通過電力物聯網建設要求，國家電網需要以打造高效信息處理為目標，全面感知電力物聯網的運行狀態，因此必須要對電網的運行狀態進行監測，以及對異常情況進行預測。構建的新能源電網運行狀態監測模型是基于新能源電網的空間數據，并對其進行收集與處理，采用物聯網技術及理論，根據新能源電網的某種運行狀態評價指標來判斷運行狀態在相關條件下可能發生的情況，為提前進行狀態監測提供了科學依據。通過數據量化的技術手段應用于各種活動或監測單位的監測過程中，為其他相關單位及監測部門的運行狀態監測提供新的理論。