智能電網中輸配電技術的運用探討

【關鍵詞】智能電網；輸配電技術；大數據

引言

智能電網是近年來電網建設的重要趨勢之一，各輸配電站應積極進行設備系統和數據系統的自動化升級和完善，實現區域電力系統的智能優化。所建成的智能電網應當具備幾個核心特征。一是自愈能力，可盡量減少非計劃性的供電中斷情況，并且在大數據、決策支持算法的輔助之下，實現電能的迅速恢復，以提高供電質量，讓用戶享受更加優質和周到的供電服務。二是兼容能力，能夠容許各種類型的發電、儲能系統接入，并且滿足設備跨系統互聯互通需求，實現不同電壓等級設備的互通使用，為光伏、風力等新能源的并網發電提供支持。三是高效高質，可通過輸配電技術、用戶激勵技術等的使用，促進供電質量的提升，降低三相不平衡、諧波等故障發生的風險，更好地滿足用戶用電需求。這種新要求和新趨勢促使輸配電站必須積極面對挑戰，使用更加科學的輸配電技術提升電網智能水平。本文以此為切入點，提出運用電網自愈技術、智能調度技術、智能監控技術等升級電網的建議，并對各項技術進行了仿真或實測驗證，以評估其運行使用效果。

一、案例概況

為積極應對智能電網戰略，某電力公司積極進行智能化改造和升級，但在此過程中受到多種因素影響，使輸配電環節仍舊面臨以下幾種問題。第一，智能控制水平有待提升。全線大部分配有自動化遠程控制裝置，能夠實現故障隔離、故障端投切等功能，但受到技術影響，遠程控制精度還相對較低，容易產生誤動和拒動狀況，難以實現高效的自愈控制和全封閉隔離開關控制。第二，數據采集與監控效率較低。該公司主動完善了輸配電監測系統，但線路覆蓋率只有80%左右，部分線路所處地段較為偏僻，需每隔1～2 h更新一次數據，難以滿足實時監控需求，有待進一步改進完善。第三，運維保障能力有待提升。輸配電線路覆蓋面廣，線路長、節點眾多且運行環境復雜，需要可靠的運維保障機制予以扶持，但當前智能化運維保障水平還相對較低，難以實現智能調度和智能化故障識別判定[1]。下面將重點探討運用智能輸配電技術進行升級改造的策略。

二、智能電網中輸配電技術的運用策略

（一）升級自愈控制技術

自愈功能是智能電網較為突出的特征類型，能夠在電網故障、異常狀態下及時響應，并驅動核心設備或備用設備，使電網恢復正常；且該技術本身還能在一定程度上提高智能電網的風險防范能力，通過自動故障診斷，來隔離出現異常的區域，避免故障大規模擴散和蔓延。智能電網的實際應用過程中，要配齊配全各類傳感器，借助傳感器網絡采集電流、電壓、頻率等信息，實現對電網高時效性信息的管控；所有信息實時回傳監控中心，在大數據技術支持下完成整合、清洗和挖掘，更加快速和準確地完成故障診斷和電網再配置。

從軟件視角看，自愈控制技術需要通過故障判別和正常輸配電線路段分析，進行資源的重新配置，以維持電網的穩定運行，這一過程必將涉及海量的計算分析。所以該公司在升級自愈控制技術時，專門引進了大數據技術和機器學習技術，從歷史數據庫中選取較為典型的故障樣本，并建立模型進行訓練。模型可以對導致故障的特定條件進行識別，比如瞬時電流、瞬時電壓過高、諧波異常等[2]，此時控制系統啟動預防措施，進行資源重新配置，維持電網穩定和安全。如果故障已經發生，系統也會快速進行故障節點的定位，并通過輸配電網絡的重構保證電能質量。整個自愈過程測試情況如表1所示。

（二）升級智能變電與調度技術

在智能電網推廣發展的當下，變電調度也呈現出數字化、自動化的發展趨勢，實踐中應當加強關注和應用。案例中，該電力公司檢查輸配電沿線的智能傳感裝置，主要對監控盲區開展重點改造，并配備高性能的智能儀表，不僅可以采集輸配電實時信息，還能進行環境參數的檢測和傳輸。其中電流和電壓互感器實時測量功能強大，測得的數據精確度和時效性均有保障。在檢測裝置的基礎上，該電力公司關注到輸配電環節的智能調度需求，進一步增加保護裝置和自動控制設備。當系統檢測輸配電處于重載狀態時，會自動驅動調壓裝置，推動有載調壓變壓器運作，實現對線路中電壓的有機調節。這樣一來，下游負荷波動變小，整體的電壓供應也會更加穩定。目前該電力公司現有輸配電調度核心系統為數據采集與監視控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA），升級后可以采集電壓、電流、頻率，甚至是特定線路段的功率因數，這種特性為負荷預測和分配提供了支持。具體的預測方法為潮流算法，模型構建如下：

（）11cossinNNijijijijijijijPVVGBθθ===+ΣΣ

其中Pij表示從節點i到節點j的功率流量（kW/s），Vi和Vj是節點電壓（V），Gij和Bij分別表示導納矩陣的實部和虛部，ijθ是節點i和j之間的相位差，通過整個迭代計算后，智能電網可預測和調整每個節點的電流和電壓，有效管理整個電網的功率流和負載分布。

在整合模型運行結果與歷史負荷數據、實時氣象信息，以及社會經濟活動狀況之后，生成的預測結果會更加精準。工作人員可以依托預測成果，對下一階段的發電方案進行調整，優化發電機組技術參數、燃料成本等，確保發電效益的最大化。當預測結果顯示下游負荷較高時，還可以適時啟用備用路線，或者采取分級削減負荷的調度方式，保證輸配電安全和穩定[3]。

（三）升級柔性輸電技術

柔性輸電技術是提高輸配電質量的有力技術手段，所以該電力公司在升級智能電網時，還專門引進柔性輸電理念，以改變傳統供配電模式下存在的電壓穩定性不佳、輸電線路擁擠情況，保證輸電過程安全和高效。柔性輸電技術的實現主要依賴幾種關鍵設備，其中靜態無功補償器（Static Var Compensator，SVC）最為關鍵。將該補償器裝配在輸配電線路中，與電感器、電容器進行并聯，可以在一定程度上補償無功功率，完成對無功功率的快速調整，最終達到維持電壓穩定的效果。案例中使用的SVC結構如圖2所示。其中TCR為可控硅，裝置接通運行后，能夠調節可控硅導通角，進而改變流過負載的電流大小；1FC/2FC/3FC則指不同的電子連接器。該SVC可以用于6 kV、10 kV以及35 kV線路的無功補償場景，靈活性比較有保障。

除SVC之外，該電力公司還在部分線路段使用靜態同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），該裝置的補償速度更快，且能夠適應更寬的功率調節范圍。將其應用在重要負荷輸配電線路段，有助于改善供配電質量，提高用戶體驗。此外還有可控串聯補償器（Thyristor Controlled Series Capacitor Installaion，TCSC），這種結構的實現難度更小，直接在線路中串聯安裝即可，可以在一定范圍內對線路電流進行動態調整。其調整原理可以簡化為式（2）所示：

式（2）中，P為有功功率，V為線端電壓，X為線路自然電抗，XTCSC為TCSC提供的可調電抗值。

（四）升級全封閉隔離開關智能控制技術

全封閉隔離開關具有隔離故障段、避免故障擴散的重要功能，能夠保證智能輸配電網絡安全穩定運行。但該電力公司在初步使用過程中，發現該裝置存在一定短板，一方面是控制精度有限，有時會產生誤動、拒動問題，難以及時完成線路投切，容易給輸配電業務帶來不穩定因素。另一方面開關狀態識別難度較大，由于采取全封閉模式，所以無法及時反映真實運行狀況，容易誤導運維人員的判斷。因此，其專門升級了全封閉隔離開關智能控制技術，在開關之外增加了專門的狀態識別裝置。該電力公司設計過程中重點關注裝置材料、結果的選型設計情況，要求裝置要盡可能緊湊且簡單，且能夠與其他設備兼容。設備中集成了遠程控制功能，以80C31單片機為核心，能夠完成遠程的指令接收、指令解析、指令執行，且響應速度控制在0.2 ms之內，初步測驗準確率高達98.65%，能夠保證真實輸配電場景下的準確和快速響應，解決了舊有控制模式下誤動、拒動率居高不下的問題。同時，設備之中還配置了狀態檢測功能，工作人員可以通過交互平臺遠程獲取圖像信息，判斷全封閉隔離開關當前狀態，從而實現狀態判斷設想，為后續的運維操作提供支持和安全保障。

（五）升級智能監控管理技術

智能電網戰略推行以來，該電力公司雖然積極地進行了智能化改造，但在部分偏遠輸配電線段，仍舊存在監控覆蓋不足、監控精確度不佳的狀況，所以針對該項目，該電力公司專門升級了智能監控管理技術，遵循物聯網思維理念完善了傳感器網絡，對于數據采集處理、通信網絡安全等同樣進行升級完善。實際操作時，在沿路塔桿上設置傳感器裝置，且裝置采用光伏供電、微波通信方式，可以較好地降低能耗水平，整體的維護負擔也會有所下降。結合該電力公司運營線路情況，主要采用每5公里1個監測節點的設計方式，監測節點中配置多樣化傳感器裝備，能夠實現多類型數據的打包回傳。對于輸配電站核心變壓器，還會額外裝配局部放電檢測裝置、氣體含量檢測裝置等，能夠定期監測變壓器運行是否安全穩定，是否出現了油液劣化、異常放電等情況。除了基本傳感裝置外，系統還支持重要輸配電線路段的在線影像獲取，在塔桿等區域裝設有云臺攝像機，可以360°無死角監控輸配電狀況。此外各類斷路器、互感器裝置等采用的是物聯網電子標簽管理方式，記錄有位置信息、所屬部門信息、型號規格信息等，通過遠程掃描讀取即可獲得相關內容，發生故障后，依托該項物聯網功能可以有效提高識別和判定速度。在通信網絡升級上使用電力專用通信網，配合云計算技術實現海量數據的云端存儲，能夠更好地維護線路安全。該電力公司智能監控技術應用測試結果可見表2。

結語

智能輸配電技術具有高效、智能的鮮明優勢，在智能電網建設中有機融入和應用，不僅能夠降低輸配電運維監控負擔，實現更加快速實時的線路設備故障識別、定位，還能夠促進輸配電質量的提升，保證電能資源得到更加充分和有效的利用，所以實際經營環節，要著重分析自愈技術、智能監控技術、智能控制技術引入應用的可能性，為智能電網的可持續發展注入活力。

隨著未來人工智能技術建設發展，更多先進的手段方法將被引入到智能輸配電領域中來，在已有研究中，自動化巡檢機器人發展態勢良好，不僅可以完成量化數據的采集，還可以在高分辨率監控攝影系統、專家系統等的支持下，進行現場影像采集和故障精準識別判斷，提高輸配電線路巡檢效率。且柔性輸電技術和自愈技術也將與光伏、水力、風力等新能源網絡實現更深層次的配合，即便主供電網絡出現異常，系統也能快速進行資源的重新配置和調節。為實現該種設想，新時期要著重解決機器人定位導航問題，新能源并網問題，為智能電網的多元化發展注入新活力。