高可靠性配電網中智能電源管理系統的設計與優化

張少鵬

（山東港口日照港集裝箱發展有限公司動力分公司，山東 日照 276800）

0 引 言

在工業、商業和居民區等重要地段，任何短暫的電力中斷都可能導致巨大的經濟損失和社會影響[1]。高可靠性配電網不僅能夠實現對配電網的實時監控和智能控制，還能有效提升供電可靠性，降低能耗和故障風險，確保電力供應的連續、穩定和高效。因此，構建高可靠性的配電網，并在此基礎上設計智能電源管理系統，已成為電力行業目前和未來發展的重要任務。

1 高可靠性配電網中智能電源管理系統概述

1.1 系統架構

在高可靠性配電網中，系統架構主要包括3 個模塊，即電源監測模塊、電源分析模塊和電源控制模塊。這3 個模塊既相互獨立又緊密配合，共同確保配電網的可靠運行[2]。電源監測模塊通過部署配電網中的各類傳感器，實時采集電源的電流、電壓、功率等關鍵參數，以及溫度、濕度等環境數據。該模塊采用高精度傳感器和高速數據傳輸技術，具備數據預處理功能，能夠對采集的原始數據進行清洗、篩選和格式化處理，便于模塊進行數據處理。電源分析模塊是智能電源管理系統的大腦，負責接收來自監測模塊的數據，并利用先進的算法和模型對數據進行分析處理。該模塊不僅能夠用于評估電源的使用效率，還能預測電源存在的故障情況。電源控制模塊是智能電源管理系統的手腳，可以根據模塊分析結果智能調節并控制電源。

1.2 關鍵技術

智能電源管理系統基于自動控制計量技術和物聯網技術，實時采集并分析配電網中的各類數據。通過挖掘和分析歷史數據，系統能夠預測電網的負荷變化趨勢，實現對用戶用電設備的遠程監控和管理，實時掌握用戶的用電情況。這不僅可以為用戶提供更加便捷的電網服務（如遠程抄表、在線繳費等），還能幫助電力企業更好地了解用戶需求，制定合理的電力營銷策略。

2 高可靠性配電網電力負載監測與分析

2.1 負載監測方法

在高可靠性配電網中，負載監測是實時掌握電力負荷情況的重要手段。通過安裝智能電表、傳感器等監測設備，能實時采集配電網中各節點的電流、電壓、功率等參數。通過通信網絡將這些數據傳輸到數據中心或云平臺，進行集中存儲和處理[3]。在監測設備的選型和布點方面，需要充分考慮電網結構、負荷特性、環境因素等內容。在選型過程中，應根據電網結構和負荷特性選擇合適的監測設備。對于不同的工作環節，如輸電、配電和發電等，應選用具有針對性的設備。同時，充分考慮環境因素，包括氣候、地形、地貌等。這些因素會對監測設備的運行和數據傳輸產生影響。例如，在氣候條件惡劣的地區，應選用抗干擾能力強、穩定性高的設備；在地形復雜的地區，要注意設備的安裝位置，避免布線不合理導致的監測盲區。

在監測網絡中，各個設備之間需要相互配合，確保數據采集、處理和傳輸順暢。為此，可以選擇具有遠程通信功能的設備，以便實時監控和管理數據。同時，利用數據融合技術，提高監測數據的準確性和完整性。在此基礎上，加強對監測設備的維護和管理，充分考量電網結構、負荷特性和環境因素，加強設備間的協同工作，建立完善的通信網絡和數據處理系統，確保數據的及時傳輸。

2.2 負載分析算法

負載分析算法主要用于處理和分析采集的負荷數據。在智能電網的建設與演進過程中，該算法強調對歷史數據進行深度挖掘與分析。通過運用大數據分析技術，負載分析算法能夠處理歷史負荷數據，進而揭示負荷變化的規律性和周期性。負載分析算法特別關注實時數據的采集與處理，如借助配電網中的傳感器和監測設備不斷捕捉電力負荷的細微變動，這些變動源于各種電氣設備的開關操作或工作狀態的調整。但僅關注當前的負載狀況是不夠的，由于電網負載具有慣性特征，過去的負載狀態會對當前電網的運行產生影響。盡管這種影響會隨時間推移而逐漸減弱，但根據衰減規律可知，負載分析算法會根據預設的衰減模型進行計算，即每隔1 ms，負載影響將衰減至原來的0.978 520 621倍。為更全面地評估電網負載狀態，負載分析算法會考慮過去一段時間（如32 ms）內的負載數據。同時，采用滑動窗口技術，對每個時間段的負載進行加權平均處理，從而為負載分析算法提供更全面、更準確的電網負載狀態分析，有助于工作人員更全面地分析智能電網的負載狀態，為電網的穩定運行提供有力支持。

2.3 負載預測模型

配電網中的負荷類型多樣，包括居民負荷、商業負荷和工業負荷等。各類負荷具有不同的變化規律和特點，因此需要根據負荷類型進行建模和預測。通過預測未來一段時間的負荷需求，可以提前制定調度計劃，合理安排電源出力。電力負荷預測根據預測時間尺度可以分為長期預測（以年為單位）、中期預測（以月為單位）、短期預測（以日為單位）以及超短期預測（以時或分為單位）4 種類型。

3 高可靠性配電網電源智能控制算法設計

3.1 電壓控制策略

在配電網中，由于線路阻抗、負荷變化等因素的影響，電壓會出現一定的波動。為確保用戶用電設備的安全和穩定運行，需要對電壓進行有效控制[4]。高可靠性配電網電源通過實時監測配電網中各節點的電壓值，獲取電壓的實時狀態。根據電壓的偏差情況，智能控制算法會自動計算并輸出相應的控制指令，以調整電源的輸出電壓。電壓實時監測數據如表1 所示。

表1 電壓實時監測數據

配電網系統通過實時監測各節點的電壓，對比實時監測電壓值與標準電壓值，計算各節點的電壓偏差百分比。一旦發現電壓偏差超過可接受范圍，系統會立即發出相應的控制指令。例如，在節點A 和節點E 處，實時監測到的電壓值高于標準電壓值，系統便發出降低電壓的指令，以防止電壓過高對用電設備造成損害。相反，在節點B 和節點D 處，監測到的電壓值略低于標準值，系統則發出提高電壓的指令，以恢復節點電壓。

3.2 頻率控制策略

高可靠性配電網電源智能控制算法中的頻率控制策略，通過實時監測配電網的頻率值，獲取頻率的實時狀態。當頻率偏離正常范圍時，智能控制算法會立即啟動相應的控制策略，調整電源的輸出頻率。同時，算法會根據負荷的變化情況和電源的調節能力，動態調整輸出頻率，確保系統頻率的穩定。系統頻率控制如表2 所示。

表2 系統頻率控制

由表2 可知，在T1、T2、T3 時刻，系統監測到頻率值低于正常范圍，便立即采取提高頻率的控制策略，成功將頻率調整到接近標準值的水平。相反，在T4 時刻，監測到的頻率值高于正常范圍，系統則采取降低頻率的控制策略。在T5 時刻，雖然頻率值有輕微的偏差，但仍處于正常范圍，因此系統并未進行調整。由此可知，系統的控制策略是合理且經濟的。

3.3 能量回收策略

高可靠性配電網電源智能控制算法中的能量回收策略，通過實時監測配電網中的能量損失情況，獲取能量的實時狀態。根據能量的損失情況和電源的調節能力，智能控制算法會自動計算并輸出相應的控制指令，以調整電源的運行狀態，實現能量的有效回收。考慮負荷的變化趨勢和電源的調節能力，需要進行前瞻性控制，以避免能量產生過大的損失。能量回收策略實時監測數據如表3 所示。

表3 能量回收策略實時監測數據

通過實施能量回收策略，系統成功實現能量的有效回收。在H1 時間點，能量損失從120 kW·h 降低到100 kW·h；在H3 時間點，則從105 kW·h 降低到了90 kW·h。通過實施能量回收策略，不僅能夠提高配電網的能源利用效率，還能降低配電網運營成本，協助配電網工作人員完成生產工作。

4 智能電源管理系統優化與改進

4.1 系統性能評估

為全面評估智能電源管理系統的性能，需要建立一套綜合的評價指標體系，并采用科學的方法對各項指標進行量化和權重分配[5]。通過定期評估智能電源管理系統的性能，能夠及時發現系統的不足之處，從而為后續的優化提供參考。

4.2 系統優化方法

在可靠性方面，智能電源管理系統通過實時監測配電網的狀態，能夠及時發現并處理潛在的故障，降低停電風險。在效率方面，系統通過智能算法優化電源配置，減少能源浪費，提高能源利用效率。在響應速度方面，系統能夠快速響應負荷變化，及時調整電源輸出，確保供電的連續性。在適應性方面，系統能夠根據不同的負荷特性和電源條件，自動調整控制策略，使系統維持在最佳的運行狀態。

4.3 系統性能改進效果

高可靠性配電網中智能電源管理系統性能優化改進效果如表4 所示。

表4 高可靠性配電網中智能電源管理系統性能優化改進效果

在設備數量方面，通過減少二次設備數量和交換機數量，成功降低投資成本。在可靠性方面，采用保護專網保護設備間的聯閉鎖信息傳遞，成功縮小故障的影響范圍。保護專網通過傳輸聯鎖GOOSE 報文的方式，降低網絡風暴等潛在風險，進一步增強系統穩定性。在運維便捷性方面，采用標準化設備模型，減少現場調試工作量，使運維過程更加簡便、快捷，確保后續運維的安全與穩定。

5 結 論

通過設計與優化高可靠性配電網中智能電源管理系統，以實時監測配電網電壓、頻率和能量損失，實現對電源的智能控制。利用該系統能夠有效提升配電網的供電可靠性，并根據實時監測數據自動調整電源輸出。通過優化與改進智能電源管理系統，成功減少二次設備數量和交換機數量，降低投資成本。