發(fā)電廠變壓器與智能配電網(wǎng)協(xié)同運行的關鍵技術研究與應用

劉 慶

（山西魯晉王曲發(fā)電有限責任公司，山西 長治 046000）

0 引 言

隨著社會的發(fā)展和科技的不斷進步，電力作為現(xiàn)代社會運轉(zhuǎn)的重要基礎，其供應的安全性、穩(wěn)定性以及高效性受到人們的廣泛關注。在此背景下，發(fā)電廠變壓器與智能配電網(wǎng)的協(xié)同運行尤為重要。

1 配電網(wǎng)存在的問題

1.1 配電網(wǎng)缺少實時的監(jiān)控調(diào)度能力

電配網(wǎng)在實時數(shù)據(jù)采集、處理及分析方面存在不足，無法準確、及時地掌握電網(wǎng)的運行狀態(tài)和故障信息[1]。這種實時監(jiān)控調(diào)度能力的缺失，不僅會影響配電網(wǎng)的正常運行，還可能引發(fā)一系列的安全問題和經(jīng)濟損失。例如，無法及時發(fā)現(xiàn)和處理電網(wǎng)故障，可能導致停電范圍擴大、恢復時間延長，也可能因調(diào)度決策失誤而引發(fā)連鎖反應，進一步加劇電網(wǎng)的不穩(wěn)定性和風險。

1.2 配電網(wǎng)智能化水平不足

許多配電網(wǎng)仍在使用老舊設備，可能不支持先進的通信技術和控制技術。配電網(wǎng)運行過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，需要強大的數(shù)據(jù)處理能力進行分析和挖掘。然而當前的數(shù)據(jù)處理技術和系統(tǒng)可能無法滿足配電網(wǎng)智能化的需求，導致無法充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的價值。

1.3 傳統(tǒng)電網(wǎng)的能源利用效率低下

一些輸電線路和變壓器由于長期運行與外界環(huán)境的影響，出現(xiàn)了絕緣性能下降、導電性能不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)疲勞等一系列老化現(xiàn)象，影響電能的傳輸效率。部分地區(qū)的電力供給無法滿足日益增長的用電需求，導致系統(tǒng)過度負荷，電能利用效率大幅下降。此外，在高負荷狀態(tài)下，設備工作不穩(wěn)定，也會增加能耗。

2 關鍵技術應用分析

2.1 實時監(jiān)控與智能調(diào)度技術

在配電網(wǎng)中部署先進的傳感器和測量設備，以實現(xiàn)對電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術，處理并分析監(jiān)控數(shù)據(jù)，從而得到精確的電網(wǎng)運行狀態(tài)和預測信息[2]。電網(wǎng)運行監(jiān)控方案如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)運行監(jiān)控方案

假設電網(wǎng)有功功率P可以通過測量設備實時獲取，則電網(wǎng)的實時負載率計算公式為

式中：P為電網(wǎng)當前的有功功率；Pmax為電網(wǎng)的最大有功功率。通過計算實時負載率，了解電網(wǎng)當前的負載情況。如果負載率接近或超過100%，則需要采取調(diào)度措施來平衡負荷。建立智能調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和預測信息智能調(diào)度并優(yōu)化電網(wǎng)，提高電網(wǎng)運行效率和能源利用率。

2.2 配電網(wǎng)設備智能化改造技術應用

智能化改造老舊的配電網(wǎng)設備，使其支持先進的通信技術和控制技術。利用物聯(lián)網(wǎng)技術，構(gòu)建配電網(wǎng)設備的信息感知和智能控制體系，實現(xiàn)配電網(wǎng)設備的互聯(lián)互通。基于感知的信息，智能控制配電網(wǎng)設備，如通過控制開關狀態(tài)來調(diào)整電網(wǎng)功率。智能控制通常依賴于優(yōu)化算法和控制策略。

配電網(wǎng)設備互聯(lián)互通是建立在現(xiàn)有的電力規(guī)則基礎上，針對電網(wǎng)運行過程中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行聚類分析，對數(shù)據(jù)進行詳細分析與處理，提取其中有價值的信息，為配電網(wǎng)的智能化管理與優(yōu)化提供決策支持。該策略的重點是利用數(shù)據(jù)分析來發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行中可能存在的問題，并采取相應的措施來改進和優(yōu)化，推動電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。采用聚類分析將數(shù)據(jù)集中的觀測對象劃分為相似的組或簇，常見的聚類算法包括k 均值聚類和層次聚類。其中，k 均值聚類的公式為

式中：xi為第i個觀測對象的特征向量；vk為第k個聚類的中心向量，通常位于數(shù)據(jù)集范圍的中心附近；||xi-vk||為特征向量與中心向量的正距離。||xi-vk||的最小值是0，表示觀測對象恰好位于聚類中心；最大值則取決于數(shù)據(jù)集的范圍和分布，理論上可以是任意大的正數(shù)，但在實際的電力運行過程中通常會受限于數(shù)據(jù)集內(nèi)觀測對象之間的最大可能距離。根據(jù)式（2），計算每個觀測對象與各個聚類中心之間的距離，從而進行有效的聚類分析。

2.3 能源互聯(lián)網(wǎng)技術應用

將發(fā)電廠變壓器與智能配電網(wǎng)協(xié)同運行納入能源互聯(lián)網(wǎng)的框架，實現(xiàn)多能互補和優(yōu)化配置。利用先進的儲能技術，平滑發(fā)電廠出力和負荷波動，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過能源互聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)分布式能源的高效利用和可再生能源的大規(guī)模接入，推動能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。儲能系統(tǒng)功率變化量的計算公式為

式中：ΔPEES為儲能系統(tǒng)的功率變化量；Pch為儲能系統(tǒng)的充電功率；Pdis為儲能系統(tǒng)的放電功率。在能源互聯(lián)網(wǎng)框架下，通過發(fā)電廠變壓器與智能配電網(wǎng)協(xié)同運行，可以實現(xiàn)多能互補和優(yōu)化配置，提高能源的利用效率，減少能源浪費。

3 技術應用優(yōu)化

3.1 構(gòu)建智能協(xié)同運行平臺

通過整合實時監(jiān)控與智能調(diào)度系統(tǒng)建立一個統(tǒng)一的智能協(xié)同運行平臺，包含實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和智能調(diào)度功能。通過該平臺，全面監(jiān)測和智能調(diào)度電網(wǎng)運行狀態(tài)，提高電網(wǎng)運行效率和能源利用效率[3]。采用高速、可靠的通信技術，確保傳感器和測量設備與智能協(xié)同運行平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸實時且準確。同時，支持設備間的互聯(lián)互通，實現(xiàn)信息的共享和協(xié)同工作。傳感器和測量設備與智能協(xié)同運行平臺的互聯(lián)互通數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 傳感器和測量設備與智能協(xié)同運行平臺的互聯(lián)互通數(shù)據(jù)

3.2 優(yōu)化能源利用和調(diào)度策略

在智能協(xié)同運行平臺的支持下，實現(xiàn)多能互補和優(yōu)化配置。通過考慮各種能源的特性和需求，制定合理的能源利用和調(diào)度策略，提高能源利用效率[4]。利用先進的儲能技術，平滑發(fā)電廠出力和負荷波動。

儲能系統(tǒng)的充放電管理可以根據(jù)電網(wǎng)實際情況，在高峰時段釋放儲存的能量，平衡電網(wǎng)負荷，從而實現(xiàn)對供電過程的精確控制。當電網(wǎng)負荷波動較大時，儲能系統(tǒng)可以迅速釋放儲存的能量，提供持續(xù)的電能；而在負荷較小的時候，儲能系統(tǒng)可以將多余的電能儲存起來，以備不時之需。在電力需求突然增加或減少的情況下，能夠迅速調(diào)整輸出功率，為用戶提供高質(zhì)量的電力服務。在能源轉(zhuǎn)型的大背景下，儲能技術可以有效整合可再生能源，而儲能系統(tǒng)能夠?qū)㈦娋W(wǎng)產(chǎn)生的電能儲存起來，優(yōu)化電網(wǎng)的功率流分布。

超級電容器能在短時間內(nèi)儲存大量電能，將電能轉(zhuǎn)化為氫能，儲存在儲氫罐中，需要時將氫氣與氧氣反應生成電能。在用電環(huán)節(jié)實施需求側(cè)管理，加強與用戶的互動，推動電力系統(tǒng)的安全降碳，提高能源利用效率，降低能量損耗。電力需求側(cè)管理需要全方位發(fā)揮需求側(cè)資源潛力，加強電源、電網(wǎng)、負荷及儲能的協(xié)同互動，根據(jù)電力系統(tǒng)運行需求調(diào)整用電行為，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通過峰谷電價和可中斷負荷等措施，引導用戶合理用電，降低電網(wǎng)負荷峰谷差。通過安裝智能電表和智能設備，實時監(jiān)測用戶的用電情況和需求變化，制定有序的用電方案，提高電能利用效率。

3.3 提升系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性

建立完善的網(wǎng)絡安全防護體系，確保智能協(xié)同運行平臺的安全穩(wěn)定運行。采用先進的加密技術和認證機制，保護數(shù)據(jù)和通信的安全。在關鍵設備和通信鏈路上采用冗余設計，提高系統(tǒng)的可靠性[5]。當某個設備或鏈路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠自動切換到備用設備或鏈路。提升配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，需要從設備選型、施工質(zhì)量以及運維管理3 個方面入手。首先，設備選型需要選擇真空斷路器和高壓開關柜，能夠在極端情況下快速切斷故障電流，防止事故擴大。其次，施工質(zhì)量應符合相關條例和規(guī)范，確保電氣連接可靠、接地系統(tǒng)完善及防雷措施到位。最后，運維管理方面應建立完善的巡檢、維護和應急響應機制，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患。

提升配電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要從電源結(jié)構(gòu)、運行方式以及控制策略3 個方面進行優(yōu)化。首先，電源結(jié)構(gòu)應采用多路獨立電源供電，如數(shù)據(jù)中心采用4 路10 kV 電源接入和2 主2 備的運行方式，在一路或多路電源故障時，仍能保證數(shù)據(jù)中心的正常供電。其次，運行方式應采用靈活的母線運行方式，如2N運行方式，變壓器采用熱備份。最后，控制策略須采用自動控制方法，即中壓電源級控制器型切換方案，實現(xiàn)市電與油機電源的自動切換，防止油機電源反送電，對電網(wǎng)造成沖擊，從而確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。定期維護和更新配電網(wǎng)設備，保持設備的良好狀態(tài)。對于老舊設備和不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展需求的設備，應及時進行智能化改造或更新?lián)Q代，提高設備的智能化水平與運行效率。

4 結(jié) 論

通過應用實時監(jiān)控與智能調(diào)度技術、配電網(wǎng)設備智能化改造技術、能源互聯(lián)網(wǎng)技術等，成功解決當前電網(wǎng)運行中存在的問題，提高了電網(wǎng)的運行效率、能源利用效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性。未來，將繼續(xù)深入研究并優(yōu)化這些關鍵技術的應用，推動智能電網(wǎng)的發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型。