配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與分析在智能配電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

翟永杰，王鵬飛

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林 長春 130041）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和電力負荷的增長，配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題日益突出。傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)一般難以及時準確地監(jiān)測和分析電能質(zhì)量問題，導(dǎo)致電網(wǎng)運行不穩(wěn)定、能效低下和電力設(shè)備壽命下降。智能配電系統(tǒng)通過引入先進的監(jiān)測與分析技術(shù)、人工智能算法，為電能質(zhì)量監(jiān)測與分析提供新的解決方案。

1 配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與分析技術(shù)概述

目前常用的電能質(zhì)量監(jiān)測與分析技術(shù)包括傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀器和基于智能傳感器的先進技術(shù)。傳統(tǒng)監(jiān)測儀器主要包括電能質(zhì)量分析儀、功率質(zhì)量分析儀和諧波分析儀等，這些儀器能夠測量電壓、電流、功率因數(shù)及諧波等參數(shù)，但是存在安裝麻煩、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等問題。而基于智能傳感器的技術(shù)利用傳感器和通信技術(shù)，實時監(jiān)測和分析電能質(zhì)量，具有安裝簡便、數(shù)據(jù)處理快速及成本低廉等優(yōu)勢[1]。

2 智能配電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量監(jiān)測與分析方法

2.1 智能傳感器技術(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用

在智能配電系統(tǒng)中，智能傳感器技術(shù)利用傳感器設(shè)備實時監(jiān)測電力系統(tǒng)中的電壓、電流、功率因數(shù)以及諧波等參數(shù)，檢測電網(wǎng)中的各種電能質(zhì)量問題。與傳統(tǒng)監(jiān)測儀器相比，智能傳感器具有安裝簡便、數(shù)據(jù)采集快速、實時性強等優(yōu)勢。智能傳感器技術(shù)能夠高精度采集和處理數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心或云平臺，為電力系統(tǒng)的運行提供實時監(jiān)測和分析支持。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析算法

在智能配電系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理與分析算法能夠有效處理和分析采集的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，從而幫助運維人員及時識別問題并采取相應(yīng)的措施。其中，常用的一種算法是小波變換算法。小波變換是一種多尺度分析方法，可以將信號分解成不同頻率和時間的成分，進而實現(xiàn)對信號的時頻域分析。在電能質(zhì)量監(jiān)測中，小波變換可應(yīng)用于檢測電壓或電流波形中的瞬時突變、諧波等問題。

小波變換處理流程如圖1所示。第一步，數(shù)據(jù)采集，通過智能傳感器采集電力系統(tǒng)中的電壓、電流等參數(shù)的時序數(shù)據(jù)。第二步，小波分解，對采集的時序數(shù)據(jù)進行小波分解，將原始信號分解成不同尺度的小波系數(shù)。第三步，特征提取，從小波系數(shù)中提取特征，如能量、功率、頻率等指標，以便分析信號的特征。第四步，異常檢測，通過對比提取的特征值與預(yù)設(shè)閾值，識別電能質(zhì)量中的異常現(xiàn)象，如突變、諧波等。第五步，結(jié)果分析，分析和診斷檢測到的異常，判斷其對電力系統(tǒng)的影響程度，并提出相應(yīng)的改進措施[2]。

2.3 基于人工智能的電能質(zhì)量異常檢測與診斷方法

在智能配電系統(tǒng)中，常用的一種人工智能的電能質(zhì)量異常檢測與診斷方法是基于支持向量機（Support Vector Machine，SVM）的電能質(zhì)量異常檢測與診斷方法。支持向量機是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，主要思想是在高維空間中找到一個最優(yōu)的超平面，以最大化不同類別樣本的間隔，從而準確分類樣本。例如，給定訓(xùn)練樣本集合，其中，xi表示樣本的特征向量。

假設(shè)超平面的方程為

式中：w為法向量；b 為截距項。

則決策函數(shù)可以表示為

在電能質(zhì)量異常檢測與診斷中，利用智能傳感器采集的電能數(shù)據(jù)構(gòu)建訓(xùn)練樣本集合，并對樣本進行特征提取和數(shù)據(jù)預(yù)處理，將電能波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高維特征空間中的向量表示[3]。通過訓(xùn)練支持向量機模型，利用訓(xùn)練樣本集合進行模型參數(shù)的學(xué)習(xí)和優(yōu)化，從而得到一個能夠準確分類正常和異常電能質(zhì)量狀態(tài)的分類器。

3 智能配電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量優(yōu)化與控制策略

3.1 電能質(zhì)量改善技術(shù)與措施

在智能配電系統(tǒng)中，電能質(zhì)量改善技術(shù)與措施是確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和提升電能質(zhì)量的關(guān)鍵。常見的改善技術(shù)是采用濾波器裝置，如諧波濾波器和無功補償裝置，以減少諧波含量、提高功率因數(shù)，從而改善電能質(zhì)量。

諧波濾波器能夠有效消除電網(wǎng)中的諧波成分，降低諧波含量，減少對電力設(shè)備的影響。諧波濾波器的工作原理是通過對諧波電流進行濾波，將諧波電流引入濾波器中并衰減，從而減少注入電網(wǎng)的諧波電流。諧波濾波器通常采用有源或無源方式，具有快速響應(yīng)、高效濾波等優(yōu)點，可有效解決諧波污染問題。

無功補償裝置是常用的電能質(zhì)量改善技術(shù)，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)，從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)水平。運用無功補償裝置，可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的無功功率，減少無功電流的流動，降低電網(wǎng)的無功損耗，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，從而提升電能質(zhì)量。

除了濾波器和無功補償裝置，還可以采用電力電子器件控制技術(shù)，如靜態(tài)無功發(fā)生器和靜止無功補償器，以及智能感知和控制技術(shù)，如智能開關(guān)和智能監(jiān)測裝置等，來提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 基于電能質(zhì)量監(jiān)測的智能優(yōu)化控制策略

基于電能質(zhì)量監(jiān)測的智能優(yōu)化控制策略主要是通過實時監(jiān)測電網(wǎng)中的電能質(zhì)量參數(shù)，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行智能化的優(yōu)化控制，以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量水平，具體流程如圖2 所示。智能傳感器技術(shù)實時監(jiān)測電網(wǎng)中的電能質(zhì)量參數(shù)，包括電壓、電流、頻率及諧波含量等，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)。然后，通過數(shù)據(jù)處理與分析算法處理和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，識別電網(wǎng)中存在的電能質(zhì)量問題，如諧波、電壓波動、頻率偏差等，并判斷這些問題對電網(wǎng)運行的影響程度[4]。基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，設(shè)計智能優(yōu)化控制策略，包括調(diào)整配電系統(tǒng)中的控制參數(shù)、控制設(shè)備的運行狀態(tài)等措施，實現(xiàn)對電能質(zhì)量問題的有效控制和優(yōu)化。實施優(yōu)化控制策略，通過智能控制裝置實時調(diào)節(jié)和控制電網(wǎng)，確保電能質(zhì)量在合理范圍內(nèi)，并提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 基于電能質(zhì)量監(jiān)測的智能優(yōu)化控制流程

3.3 配電網(wǎng)電能質(zhì)量管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

配電網(wǎng)電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是基于層次化、分布式的架構(gòu)，以確保系統(tǒng)的可用性和可擴展性，如圖3 所示。配電網(wǎng)電能質(zhì)量管理系統(tǒng)主要涵蓋業(yè)務(wù)應(yīng)用層、基礎(chǔ)平臺層、存儲層、保障層以及設(shè)備層等多個功能模塊。通過層次化的設(shè)計，系統(tǒng)通過地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）導(dǎo)航、穩(wěn)態(tài)應(yīng)用、暫態(tài)應(yīng)用以及報表應(yīng)用等業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，結(jié)合合理性校驗、基礎(chǔ)統(tǒng)計、越限統(tǒng)計等基礎(chǔ)平臺功能，全面監(jiān)測和分析電能質(zhì)量。通過數(shù)據(jù)庫存儲用戶信息、項目信息以及應(yīng)用特征數(shù)據(jù)，為電能質(zhì)量管理提供數(shù)據(jù)支撐。同時，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)及備份系統(tǒng)的保障層支持下，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)安全[5]。在設(shè)備層，配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置實時采集電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)支持。

圖3 配電網(wǎng)電能質(zhì)量管理系統(tǒng)

4 案例分析

4.1 應(yīng)用案例介紹

在某智能配電系統(tǒng)中，成功實施了配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與分析方案。系統(tǒng)采用基于SVM 的電能質(zhì)量異常檢測與診斷方法，實時采集與監(jiān)測配電網(wǎng)各節(jié)點的數(shù)據(jù)。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，進行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析，全面掌握電網(wǎng)的運行狀況和潛在問題。結(jié)合系統(tǒng)的綜合分析功能，制定針對性的優(yōu)化策略，有效提升了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

4.2 應(yīng)用效果分析

在應(yīng)用前，系統(tǒng)在電能質(zhì)量方面存在一定程度的不足，而在應(yīng)用配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)后，電壓波動率、諧波畸變率、功率因數(shù)、供電可靠性以及故障響應(yīng)時間等評估指標均得到顯著改善，具體如表1 所示。例如，電壓波動率從5.2%降低至2.1%；諧波畸變率從4.8%降低至1.9%；功率因數(shù)得到了提高；供電可靠性也有所增加；故障響應(yīng)時間更是大幅縮短，從15 min 縮短至5 min。表1 中的應(yīng)用效果數(shù)據(jù)充分說明配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)在智能配電系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，為提高電網(wǎng)運行效率和保障電力供應(yīng)質(zhì)量提供有力的支持。

表1 應(yīng)用效果

5 結(jié) 論

智能傳感器技術(shù)的應(yīng)用為電能質(zhì)量監(jiān)測提供更加精準、實時的數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)處理與分析算法的不斷完善使得電能質(zhì)量分析更加深入、全面。同時，基于人工智能的電能質(zhì)量異常檢測與診斷方法，能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題，提升電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用場景的拓展，配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與分析將在智能配電系統(tǒng)中發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。期待通過更深入的研究和實踐，不斷完善電能質(zhì)量監(jiān)測與分析技術(shù)，為智能配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。