王根平，王雅慧

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 廣東 深圳 518055；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究*

王根平1，王雅慧2

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 廣東 深圳 518055；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)負(fù)荷均衡和電能質(zhì)量控制，采用低成本的RFID與衛(wèi)星通信技術(shù)相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷及相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)和全方位的監(jiān)控．在實(shí)時(shí)和全方位監(jiān)控基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)調(diào)控制策略，為提高系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率提供了可能，并可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)在各種約束條件下的優(yōu)化運(yùn)行．

智能監(jiān)控系統(tǒng)；同步；體系結(jié)構(gòu)；協(xié)調(diào)控制策略；智能電網(wǎng)

1 目前電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題

目前電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，面臨的最主要的問(wèn)題就是負(fù)荷采樣時(shí)間不能同步，有些關(guān)鍵點(diǎn)沒(méi)法實(shí)時(shí)觀測(cè)，采樣匯總得到的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映電力系統(tǒng)的真實(shí)負(fù)荷和運(yùn)行狀態(tài)，使得在設(shè)計(jì)、運(yùn)行和控制電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，不能充分利用系統(tǒng)的工作容量，不能協(xié)調(diào)好發(fā)輸配的關(guān)系，也就不能及時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的削峰填谷，造成投資和資源的極大浪費(fèi)．

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析[1]，我國(guó)電力線路和變電設(shè)備全年運(yùn)行的平均負(fù)載率，設(shè)備容量的平均使用率只有近30%．

以用戶平均停電時(shí)間指標(biāo)來(lái)衡量，在 2011年統(tǒng)計(jì)得到有關(guān)地方的年停電數(shù)據(jù)如下[1]：

中國(guó)城市年平均停電時(shí)間（小時(shí)/戶）：7.01 h；

中山供電局：39.6 min；

佛山供電局48 min；

深圳1.28 h；

廣州1.79 h；

北京1.64 h；

上海1.47 h；

合肥：3.71 h．

國(guó)際上用戶年平均停電時(shí)間：

東京電力公司：3~8 min；

美國(guó)城鄉(xiāng)平均小于120 min；

韓國(guó)小于20 min．

而且，電網(wǎng)大量投資帶來(lái)的高冗余容量并沒(méi)有帶來(lái)電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性．導(dǎo)致這些問(wèn)題的根源在于：1）在各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時(shí)，不能做到同步，使得數(shù)據(jù)缺乏真實(shí)性（由于電力系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程太快）；2）主要是因?yàn)榧夹g(shù)和成本的原因，許多關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)沒(méi)有進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)控．

2 智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

要構(gòu)建智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)該從采用現(xiàn)代通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)全方位實(shí)時(shí)同步檢測(cè)監(jiān)控著手．

2.1 智能電網(wǎng)同步實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方案

2.1.1 保證監(jiān)控系統(tǒng)同步實(shí)時(shí)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，充分利用衛(wèi)星通信中的同步技術(shù)和定位技術(shù)，可以解決電力系統(tǒng)監(jiān)控中存在的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)不能同步和定位的問(wèn)題．在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，GPS和北斗系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的2種系統(tǒng)．

所有GPS（北斗）裝置，使用的都是同一個(gè)時(shí)鐘源，而且這個(gè)時(shí)鐘源提供的時(shí)間精度都在納秒級(jí)（10-9秒）．電力系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，雖然很短，但過(guò)渡時(shí)間也一般都有毫秒級(jí)（10-3秒）．通過(guò)納秒級(jí)的時(shí)鐘源來(lái)采樣毫秒級(jí)動(dòng)態(tài)過(guò)程，精度是沒(méi)什么問(wèn)題的．現(xiàn)在一般的傳感器采樣裝置的采樣頻率都在兆赫茲（10-6秒時(shí)間間隔，MHz）級(jí)別，如果我們用GPS（北斗）裝置的時(shí)鐘源來(lái)驅(qū)動(dòng)兆赫茲級(jí)的電信號(hào)傳感器（電壓傳感器，電流傳感器，或頻率傳感器），所得到電參數(shù)的實(shí)時(shí)性，同步性應(yīng)該沒(méi)有任何問(wèn)題．圖1為GPS（北斗）裝置實(shí)現(xiàn)同步實(shí)時(shí)采樣電參數(shù)的方案實(shí)現(xiàn)圖．所以，從技術(shù)上來(lái)講，采用 GPS（北斗）同步技術(shù)，可以有效解決監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)各關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)采樣的實(shí)時(shí)性和同步性，從而保證所得到的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映電網(wǎng)的負(fù)荷狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)．

2.1.2 低成本的RFID節(jié)點(diǎn)和GPS（北斗）節(jié)點(diǎn)相結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

RFID無(wú)線射頻通信技術(shù)，具有成本低廉、傳輸數(shù)據(jù)和距離可控的優(yōu)勢(shì)．

RFID的傳輸距離與功率有關(guān)，功率低的可以傳輸幾百米，功率高的可以傳輸幾公里，傳輸數(shù)據(jù)率在幾千比特每秒（kBPS）至幾兆比特每秒（MBPS）之間．用RFID射頻模塊替代GPS（北斗）裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)采樣節(jié)點(diǎn)，可使成本大幅下降．替代方案如下：

圖1 GPS（北斗）節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步實(shí)時(shí)采樣電參數(shù)的方案

1）每個(gè)電網(wǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的中心位置裝設(shè)GPS（北斗）節(jié)點(diǎn)；2）在每個(gè)GPS（北斗）節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)周邊，用帶編號(hào)的RFID節(jié)點(diǎn)代替GPS（北斗）節(jié)點(diǎn)；3）RFID節(jié)點(diǎn)按設(shè)置好的頻率將檢測(cè)到的電網(wǎng)參數(shù)發(fā)射傳送到GPS（北斗）節(jié)點(diǎn)；4）GPS（北斗）節(jié)點(diǎn)在收到帶編號(hào)的RFID信息時(shí)，即將自己的地理數(shù)據(jù)和當(dāng)時(shí)的時(shí)間信息添加到帶編號(hào)的 RFID信息中，并將自己當(dāng)時(shí)檢測(cè)到的電參數(shù)一并傳送到微網(wǎng)信息監(jiān)控中心，如圖 2所示．

這樣，所有節(jié)點(diǎn)，無(wú)論是GPS（北斗）節(jié)點(diǎn)還是RFID節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都是地理—時(shí)間—電力采樣數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)．

通過(guò)這種RFID替代GPS（北斗）的方案，可以大大減少GPS（北斗）裝置的使用，由RFID節(jié)點(diǎn)與GPS（北斗）相結(jié)合的信息傳遞方案，將大大降低監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)成本．示意圖如圖3所示．

2.2 智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，擬采用獨(dú)立的分層體系結(jié)構(gòu)[2]．這樣做的優(yōu)點(diǎn)有：1）網(wǎng)絡(luò)的任何修改，只是節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加或減少，不會(huì)影響到系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；2）系統(tǒng)擴(kuò)展容易；3）系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，容易定位；4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯清晰，簡(jiǎn)潔．系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案示意圖如圖4所示．

2.3 智能監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

在監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的最高層：高級(jí)調(diào)度層，需要協(xié)調(diào)控制大電網(wǎng)及各分布式電源向各類負(fù)荷供電，并需要制定系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)及在運(yùn)行過(guò)程中的各類參數(shù)，如發(fā)電設(shè)備發(fā)電的成本函數(shù)及負(fù)荷的用電價(jià)格等．

圖2 RFID代替GPS（北斗）節(jié)點(diǎn)的信息傳遞方案示意圖

圖3 RFID節(jié)點(diǎn)和GPS（北斗）節(jié)點(diǎn)相結(jié)合傳遞信息示意圖

2.3.1 目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)成本函數(shù)的確定

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

以整個(gè)發(fā)電成本最低為目標(biāo)，來(lái)分配大電網(wǎng)和各分布式電源的發(fā)電功率．要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就需要先確定各分布式發(fā)電電源的運(yùn)行成本在整個(gè)調(diào)度周期中的成本函數(shù)．

從成本上來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電應(yīng)該是成本是比較低的，因而設(shè)置其成本函數(shù)應(yīng)保證它們優(yōu)先發(fā)電的權(quán)利；但又由于其發(fā)電量受外在環(huán)境影響特別大，所以需要滿足發(fā)電功率的約束條件．

對(duì)于大電網(wǎng)，其成本函數(shù)在大電網(wǎng)的高峰期會(huì)偏高，在谷底期，成本會(huì)偏低，這個(gè)由大電網(wǎng)的經(jīng)營(yíng)情況來(lái)決定．

2.3.2 約束條件的確定

主要的約束條件有（2）-（4）式：

圖4 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案示意圖

上述約束條件中，（3）和（4）式中的分布式發(fā)電電源在不同時(shí)刻的發(fā)電量和發(fā)電功率，可以從設(shè)備的額定容量得到．由于分布式發(fā)電源實(shí)際的發(fā)電量還受環(huán)境的影響，所以最后的功率和電量平衡要靠大電網(wǎng)的供應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)．（4）式的電能質(zhì)量約束中，電能質(zhì)量參數(shù)主要有：供電信號(hào)的頻率，電壓以及諧波等．這些參數(shù)的范圍有國(guó)標(biāo)規(guī)定，如頻率范圍應(yīng)該在（50±0.2）Hz，電壓波動(dòng)范圍為額定電壓的±10%等[3]．

2.3.3 電能質(zhì)量控制的實(shí)現(xiàn)

首先是保證每個(gè)分布式發(fā)電源供應(yīng)的頻率和諧波需要負(fù)荷要求，這個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，如發(fā)現(xiàn)不符合要求，將報(bào)警甚至關(guān)掉；其次是通過(guò)負(fù)荷的調(diào)度，保證系統(tǒng)的電能供應(yīng)和負(fù)荷的可靠匹配，不出現(xiàn)大的波動(dòng)．

3 智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)

本文所構(gòu)建的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）各個(gè)電網(wǎng)單元狀態(tài)和參數(shù)能實(shí)時(shí)同步；2）能全方位各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控；3）由于RFID技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了低成本．

在智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的支持下，可以保證在電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠的前提下，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷率，節(jié)約系統(tǒng)成本，有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益．

[1] 鮑冠南，陸超，袁志昌，等．基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷實(shí)時(shí)優(yōu)化[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（12）：11-16．

[2] 王根平．微網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵問(wèn)題研究[J]．深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，12（3）：3-7．

[3] 王根平，王雅慧．微網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題分析及調(diào)節(jié)[J]．深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，13（3）：3-5．

Research on Intelligent Monitoring-Controlling System of Intelligent Power Grid

WANG Genping1, WANG Yahui2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China; 2. School of Electrical Engineering and Automation, Hunan University, Changsha, Hunan 410082,China）

In order to balance the load of the electric power system and improve the quality control level of electricity, the cost-effective technologies of RFID and the satellite communication technologies are adopted to monitor the load and parameters of the power grid in real time and on a large scale. Based on the monitor system, the architecture and the control policy of the power grid system are designed. All these measures and methods offer new options to improve the efficiency of the system, and an optimized operation can be achieved when the power grid system is exposed to various constraint conditions.

intelligent monitoring-controlling system; synchronization; system structure; control policy; intelligent power-grid

TM76

A

1672-0318（2014）05-0013-03

10.13899/j.cnki.szptxb.2014·05, 003

2014-04-30

*項(xiàng)目來(lái)源：深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（JCYJ20120617144348493）

王根平（1966-），男，江西南昌人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：新能源技術(shù)、自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)．