基于物聯(lián)網(wǎng)的智能配電臺區(qū)精準(zhǔn)負(fù)荷控制策略研究

【關(guān)鍵詞】IoT；智能配電臺區(qū)；精準(zhǔn)負(fù)荷控制

引言

隨著用戶用電負(fù)荷的逐步攀升，加之分布式電源接入數(shù)量的不斷增多，配電臺區(qū)的運(yùn)行狀況變得愈發(fā)復(fù)雜。傳統(tǒng)配電臺區(qū)負(fù)荷管理技術(shù)在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化負(fù)荷控制方面存在局限性，導(dǎo)致臺區(qū)供電可靠性降低、電能質(zhì)量惡化等問題愈發(fā)凸顯。為提高配電臺區(qū)運(yùn)行管理水平，需要對配電臺區(qū)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控[1]，而IoT技術(shù)的興起與發(fā)展為新型配電臺區(qū)的負(fù)荷管理提供了全新的解決方案。借助于IoT技術(shù)的實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集功能，可以實(shí)現(xiàn)對用電負(fù)荷的精準(zhǔn)控制，使配電臺區(qū)的運(yùn)行更加安全可靠[2]。

一、IoT與智能配電臺區(qū)概述

（一）IoT概念

IoT是通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。在智能配電臺區(qū)中，利用IoT技術(shù)，把各種電力設(shè)備、計(jì)量器具等相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸與共享。

（二）智能配電臺區(qū)概念

智能配電臺區(qū)指通過應(yīng)用先進(jìn)的傳感器、通信、自動控制等技術(shù)，對配電變壓器及以下的設(shè)備與用戶進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測、分析、控制的一種配電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、故障診斷、負(fù)荷控制等功能，提升配電臺區(qū)供電可靠性、供電優(yōu)質(zhì)化水平。

二、傳統(tǒng)配電臺區(qū)負(fù)荷控制存在的問題

（一）數(shù)據(jù)采集不全面

傳統(tǒng)配電臺區(qū)的負(fù)荷控制通常依賴于安裝數(shù)量有限的計(jì)量裝置，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)稀少，難以準(zhǔn)確掌握配電臺區(qū)的實(shí)際負(fù)荷狀況。這種情況下，所獲取的控制數(shù)據(jù)較為模糊，使得負(fù)荷控制決策缺乏充分的負(fù)荷信息支撐，進(jìn)而容易出現(xiàn)負(fù)荷控制不準(zhǔn)確的問題。

（二）控制方式單一

傳統(tǒng)的負(fù)荷控制系統(tǒng)主要采用定時刻控制或者固定閾值控制的方法，缺少可調(diào)節(jié)性和靈活性，不能根據(jù)負(fù)荷的動態(tài)變化情況和電網(wǎng)的當(dāng)前狀態(tài)來進(jìn)行控制，易引發(fā)浪費(fèi)和供電不足的狀況。

（三）缺乏實(shí)時通信

老式配電臺區(qū)各個設(shè)備之間的通信能力較弱，無法達(dá)到實(shí)時、互換共享數(shù)據(jù)的狀態(tài)，導(dǎo)致負(fù)荷控制指令傳達(dá)以及執(zhí)行效果遲緩，不利于控制時間的有效性。

三、IoT技術(shù)在智能配電臺區(qū)中的應(yīng)用

（一）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是智能配電臺區(qū)開展精準(zhǔn)負(fù)荷控制的前提。通過對配電臺區(qū)內(nèi)各種傳感器（電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、功率傳感器等）實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率等信息[3]，來判斷各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及用戶用電狀況。

電流傳感器實(shí)時監(jiān)測電力設(shè)備的電流大小，來判斷設(shè)備的電流狀態(tài)是否過負(fù)荷。例如在變壓器進(jìn)線側(cè)和出線側(cè)布置電流傳感器，根據(jù)監(jiān)測的電流大小實(shí)時掌握變壓器的帶電負(fù)荷，指導(dǎo)變壓器合理帶電運(yùn)行。電壓傳感器用于電力系統(tǒng)的電壓變化監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到的電壓數(shù)據(jù)異常變化時發(fā)布預(yù)警，保證電力設(shè)備安全工作。在電力設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生一定的熱量，如果溫度過高可能會影響到設(shè)備性能甚至導(dǎo)致設(shè)備故障。例如在開關(guān)柜中安裝溫度傳感器，監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)部溫度的變化，當(dāng)溫度出現(xiàn)超負(fù)荷工作時，可及時采取降溫和檢修等措施進(jìn)行降溫處理。功率傳感器主要用于電力設(shè)備功率監(jiān)測，進(jìn)行負(fù)荷分析和預(yù)測提供數(shù)據(jù)。對不同時期不同設(shè)備的功率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，掌握用戶的用電習(xí)慣、用戶的負(fù)荷變化規(guī)律等，為負(fù)荷控制策略制定提供依據(jù)。對于采集的各種設(shè)備參數(shù)通過IoT網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)中心。IoT網(wǎng)絡(luò)可以選用ZigBee、WiFi、藍(lán)牙、遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）等多種通信技術(shù)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑪?shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)匯總處理中心，為負(fù)荷控制提供了大量的數(shù)據(jù)支撐。

（二）數(shù)據(jù)傳輸

IoT具備多樣化的數(shù)據(jù)傳輸手段，例如無線通信、有線通信等。智能配電臺區(qū)的通信方式亦需依據(jù)具體情境進(jìn)行選擇，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和準(zhǔn)確性。無線通信方式一般具有傳輸速度較快、穩(wěn)定性的優(yōu)勢，但是對于一些距離較近的設(shè)備而言，可以選擇有線通信方式。一般的有線通信方式主要有以太網(wǎng)、RS485等。以太網(wǎng)的傳輸速度快，適用于大量的數(shù)據(jù)傳輸，比如數(shù)據(jù)中心到重要的電力設(shè)備，需要使用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。而RS485的傳輸具有抗干擾能力好、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，往往用于多個傳感器和智能電表等設(shè)備之間的連接。對于一些分布比較分散的設(shè)備來說，無線通信方式更加有利于傳輸數(shù)據(jù)。無線通信方式的種類也有很多，比如ZigBee、WiFi、藍(lán)牙、LoRa、通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）等。其中ZigBee是一種低功耗、短距離的無線通信方式，常用于傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。WiFi的傳輸速度較快，通常用于距離較短、傳輸速度較快場合的數(shù)據(jù)通訊方式，比如智能電表和用戶終端之間的通信就可以采用WiFi。藍(lán)牙也是用于設(shè)備之間的短距離通信方式，比如手機(jī)與智能插座之間進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)通訊。LoRa是一種無線通信技術(shù)，是一種遠(yuǎn)程、低功耗的通信方式，多用于大面積、分散設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，比如農(nóng)村范圍比較大的配電臺區(qū)中。而GPRS是一種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑軌驇椭枰c遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心通信的設(shè)備。現(xiàn)實(shí)中可以綜合考慮設(shè)備數(shù)量分布、數(shù)據(jù)量、傳輸距離等因素來選用合適的通信方式。例如對于一個大型智能配電臺區(qū)，可以采用有線通信與無線通信相結(jié)合的方式進(jìn)行，對于集中布置的設(shè)備使用有線通信方式連接至本地網(wǎng)關(guān)，然后使用無線通信方式傳輸至上位機(jī)數(shù)據(jù)中心。

（三）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)中心對收集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)分析技術(shù)，提取出有價(jià)值的信息，例如負(fù)荷預(yù)測和設(shè)備故障診斷等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能對數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、聚類分析、分類分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)與規(guī)律。通過對用戶的用電數(shù)據(jù)中進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，揭示用戶的用電相關(guān)性，為負(fù)荷預(yù)測提供有力的數(shù)據(jù)支持。此外，對用電數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，將用戶進(jìn)行分類，分類標(biāo)準(zhǔn)包括用電習(xí)慣、負(fù)荷特征等，從而為負(fù)荷控制策略的制定提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)依據(jù)。在數(shù)據(jù)處理分析過程中，常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法有時間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等。時間序列分析是對已有的歷史負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，分析歷史負(fù)荷的發(fā)展趨勢；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很好的非線性映射能力，可對負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和預(yù)測；支持向量機(jī)可對設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測診斷，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問題。通過對數(shù)據(jù)的處理分析，得到負(fù)荷預(yù)測、設(shè)備故障診斷等信息，為負(fù)荷控制策略的制定提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。如根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，對于電力負(fù)荷較高的設(shè)備，可以提前降低負(fù)荷運(yùn)行或采取限電措施，合理調(diào)節(jié)電源負(fù)荷。對設(shè)備故障的結(jié)果進(jìn)行分析，能及時地通知檢修人員對故障設(shè)備進(jìn)行檢修，減少設(shè)備故障對配電臺區(qū)運(yùn)行造成的影響。

四、基于IoT的智能配電臺區(qū)精準(zhǔn)負(fù)荷控制策略

（一）基于實(shí)時數(shù)據(jù)的負(fù)荷預(yù)測

采用時間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，結(jié)合IoT采集的實(shí)時用電數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)等，對配電臺區(qū)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測[4]。IoT采集的實(shí)時用電數(shù)據(jù)是負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)，其獲取的方式是通過采用IoT技術(shù)實(shí)時收集用戶的用電信息，如用電量、用電時間、用電設(shè)備種類等。歷史數(shù)據(jù)則是反映過去一段時間負(fù)荷變化情況數(shù)據(jù)的總和，其反映了用電負(fù)荷的周期性和趨勢性。氣象數(shù)據(jù)也是影響負(fù)荷的因素，常見的包括氣溫、濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。氣溫與濕度會顯著影響空調(diào)設(shè)備的使用，因此，在夏天，高負(fù)荷是由于空調(diào)的大量使用所致，而在寒冷的冬季，取暖設(shè)備則會造成較高的負(fù)荷。時間序列分析是一種應(yīng)用較廣的負(fù)荷預(yù)測方法，其可以以歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)的時間序列特征為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)模型加以預(yù)測，其主要模型包括自回歸積分滑動平均模型、指數(shù)平滑模型等。上述時間序列模型均可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的趨勢、季節(jié)性、周期性等特性對未來的負(fù)荷變化情況進(jìn)行預(yù)測。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)的計(jì)算模型，其涵蓋大量的非線性映射功能，能夠?qū)⑺鶎W(xué)樣本通過這些非線性映射進(jìn)行高效預(yù)測。負(fù)荷預(yù)測中常見方式有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，如可以使用多層感知機(jī)、長短期記憶（Long ShortTerm Memory，LSTM）等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測負(fù)荷數(shù)據(jù)，其常見的數(shù)據(jù)處理方式為通過多次對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，對其進(jìn)行負(fù)荷變化預(yù)測。LSTM尤其擅長處理時間序列數(shù)據(jù)，LSTM能夠記住長期的時間信息，能夠更準(zhǔn)確地建模和預(yù)測負(fù)荷的動態(tài)變化。準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測能夠提前為負(fù)荷控制留出提前量，使控制策略更趨于科學(xué)化和合理化，例如在負(fù)荷高峰期到來之前提前啟動備用電源或調(diào)整電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以滿足用戶的用電需求。

（二）動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)

動態(tài)調(diào)整負(fù)荷控制參數(shù)，是指根據(jù)實(shí)時的負(fù)荷情況以及電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[5]對負(fù)荷控制參數(shù)的調(diào)整。由于智能配電臺區(qū)的負(fù)荷情況以及電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)都是不斷變化的，因此需要實(shí)時檢測這些參數(shù)，并根據(jù)變化情況進(jìn)行控制參數(shù)的動態(tài)調(diào)整。當(dāng)負(fù)荷處于高峰時，為了避免電網(wǎng)出現(xiàn)超載現(xiàn)象，可以適當(dāng)降低一些非關(guān)鍵負(fù)荷的功率。這些非關(guān)鍵負(fù)荷就是一些非生產(chǎn)性的設(shè)備，可以暫時停止運(yùn)行，例如路燈、景觀照明、非生產(chǎn)性空調(diào)等。通過降低非關(guān)鍵負(fù)荷功率，可以解決當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷的壓力，并且保證電網(wǎng)的運(yùn)行安全。在負(fù)荷谷值時可以增加一些可調(diào)負(fù)荷的用電量，可以根據(jù)電網(wǎng)要求調(diào)節(jié)其負(fù)荷功率的電力設(shè)備，包括蓄熱式電暖器、電動汽車充電樁等。在負(fù)荷谷值時，可利用這些可調(diào)負(fù)荷增加其用電量，將多余的電能儲存起來，并在負(fù)荷高峰時再釋放出來，從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷的平衡以及優(yōu)化。動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)還可以根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，例如電網(wǎng)的電壓會由于各種原因出現(xiàn)波動，此時可以利用控制電力設(shè)備的無功補(bǔ)償裝置，并以此控制電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。電網(wǎng)頻率也會由于多種原因出現(xiàn)頻繁的波動，此時需要通過控制發(fā)電機(jī)的出力功率來維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

（三）需求響應(yīng)控制

通過IoT技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)與用戶的實(shí)時通信以及實(shí)施需求響應(yīng)控制。當(dāng)電網(wǎng)面臨供電緊張狀況時，系統(tǒng)可向用戶發(fā)送信號，鼓勵用戶減少用電量或調(diào)整用電時間。需求響應(yīng)控制是指電網(wǎng)向用戶提出具體需求，并通過經(jīng)濟(jì)激勵手段引導(dǎo)用戶改變用電行為，這是一種基于市場機(jī)制的負(fù)荷控制策略。電網(wǎng)可以在負(fù)荷高峰期對用戶的用電實(shí)行較高的電價(jià)，通過提高用電價(jià)格，讓用戶感覺到此時用電成本較高，自行減少用電量或者調(diào)整用電時間段。在電網(wǎng)負(fù)荷低峰期，實(shí)行低電價(jià)，讓用戶增加用電量，用戶可以根據(jù)自身情況選擇響應(yīng)。對那些對用電成本比較敏感的用戶，比如工業(yè)用戶和商業(yè)用戶，可以比較容易地實(shí)施需求響應(yīng)控制，減少用電量或者調(diào)整用電時間段。對于居民用戶，通過部署智能電表和智能家居設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對用電設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，并依據(jù)用電價(jià)格信號自動調(diào)節(jié)用電時段。當(dāng)用戶積極響應(yīng)需求響應(yīng)控制時，不僅能減少用電量，還能靈活調(diào)整用電時段。電力部門可對參與需求響應(yīng)的用戶提供一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，以此激勵更多用戶加入需求響應(yīng)控制行列，從而有效緩解電網(wǎng)供電壓力，提升電網(wǎng)運(yùn)行效率。

（四）分布式電源協(xié)同控制

分布式電源的大量接入促使智能配電臺區(qū)需要實(shí)現(xiàn)分布式電源與負(fù)荷協(xié)同控制。分布式電源主要包括太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等類型，這些電源具有間歇性和隨機(jī)波動的特點(diǎn)，因而會對配電臺區(qū)的功率平衡和電能質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。通過IoT技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)測分布式電源發(fā)電和負(fù)荷用電情況，在分布式電源上安裝傳感器，實(shí)時監(jiān)測發(fā)電功率、電壓、頻率等參數(shù)，掌握分布式電源的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)；通過IoT技術(shù)實(shí)時監(jiān)測負(fù)荷用電情況，了解負(fù)荷用電變化。合理的分配分布式電源的輸出功率，以滿足配電臺區(qū)功率平衡及電能質(zhì)量要求。當(dāng)分布式電源發(fā)電功率大于負(fù)荷用電功率時，可將剩余電能儲存?zhèn)溆没蛳螂娋W(wǎng)輸出；當(dāng)分布式電源發(fā)電功率小于負(fù)荷用電功率時，可開啟備用電源或者調(diào)整負(fù)荷用電量，滿足負(fù)荷用電需求。

在分布式電源協(xié)同控制中還應(yīng)考慮分布式電源的協(xié)同配合。分布式電源具有不同類型，不同類型的分布式電源具有不同的發(fā)電特性，比如太陽能光伏的發(fā)電功率在白天較大，而風(fēng)力發(fā)電在晚上、大風(fēng)天氣發(fā)電功率較大。在分布式電源協(xié)同控制中，應(yīng)該合理調(diào)度不同類型的分布式電源，提高分布式電源利用效率，減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴。

結(jié)語

文章所提出的基于IoT的智能配電臺區(qū)精準(zhǔn)負(fù)荷控制策略，可以有效解決傳統(tǒng)臺區(qū)負(fù)荷控制中存在的問題。利用IoT實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集、傳輸以及準(zhǔn)確分析與判斷，為負(fù)荷控制奠定了基礎(chǔ)。精準(zhǔn)負(fù)荷控制策略可以根據(jù)不同情況準(zhǔn)確調(diào)整相應(yīng)的控制參數(shù)，根據(jù)需求實(shí)時控制負(fù)荷，保證臺區(qū)負(fù)荷的平衡與有序性，提高了配電臺區(qū)的運(yùn)行質(zhì)量和穩(wěn)定性。具體的應(yīng)用實(shí)踐證明，該策略能夠取得良好的應(yīng)用效果和可應(yīng)用性，未來隨著IoT技術(shù)水平的不斷提高，可以實(shí)現(xiàn)更智能的臺區(qū)負(fù)荷控制。

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