岳仁超, 尤文鋒, 孫建東

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

面向“春供”的臺(tái)區(qū)需求側(cè)智能管理系統(tǒng)

岳仁超, 尤文鋒, 孫建東

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

針對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)“春供”問(wèn)題，提出一種從農(nóng)網(wǎng)臺(tái)區(qū)需求側(cè)進(jìn)行智能化管控的解決方案，即面向“春供”的臺(tái)區(qū)需求側(cè)智能管理系統(tǒng)。融合了多種先進(jìn)的微功耗電力電子、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理以及物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通訊等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)、線路和各家庭用電戶用電情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上緩解了目前“春供”問(wèn)題中存在的供用電矛盾。

春供;需求側(cè);智能配電臺(tái)區(qū);物聯(lián)網(wǎng);漏保開(kāi)關(guān)

Abstract: In view of current “spring power supply” problem in the electric power system, this paper presents a solution: intelligent management at the demand side of the distribution area of the rural power grid, namely a distribution area demand-side intelligent management system faced with “spring power supply”. The system integrates a variety of advanced technologies such as micro-power consumption power electronics, automatic control, digital signal processing and wireless communication of the Internet of Things to realize?real-time monitoring and control over electricity consumption of distribution area, lines and family consumers. Application of this system eases the contradiction between power demand and power supply in current “spring power supply”.

Keywords: spring power supply； demand side； intelligent power distribution area； Internet of Things； leakage protection switch

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，國(guó)家支農(nóng)惠農(nóng)政策的相繼出臺(tái)，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)得到迅猛發(fā)展，農(nóng)民生活逐年改善。 電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、電磁爐、電飯煲、電暖器、空調(diào)等家用電器得到迅速普及，農(nóng)村的用電量日益增大。然而這些家用電器在農(nóng)民外出務(wù)工時(shí)使用率并不高，線路、配變的負(fù)載率比較低。但春節(jié)期間農(nóng)民工集中返鄉(xiāng)回家過(guò)年，這些家用電器使用率大增，致使春節(jié)期間農(nóng)網(wǎng)臺(tái)區(qū)供電負(fù)荷激增，供電設(shè)備長(zhǎng)期處于過(guò)載狀態(tài)導(dǎo)致供電故障頻發(fā)[1]。這一現(xiàn)象被稱為電力系統(tǒng)的“春供”，與交通系統(tǒng)的“春運(yùn)”頗為相似。

1 “春供”問(wèn)題現(xiàn)狀分析

通過(guò)對(duì)河南省某縣局的調(diào)研總結(jié)發(fā)現(xiàn)，春節(jié)期間農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先，平時(shí)留守人員用電負(fù)荷相對(duì)較小，春節(jié)期間外出務(wù)工人員返鄉(xiāng)，家庭成員的增多，會(huì)帶來(lái)用電負(fù)荷的提升；其次，經(jīng)濟(jì)能力的提高和消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，務(wù)工返鄉(xiāng)人員會(huì)“大手筆”購(gòu)置取暖電器、電磁爐、電水壺等大功率家用電器。另一方面，分析了當(dāng)?shù)乜h局采集的春節(jié)期間部分臺(tái)區(qū)的供電負(fù)荷情況。

某臺(tái)區(qū)2015年整個(gè)春節(jié)期間的供電負(fù)荷情況如圖1所示，由圖可以看出該臺(tái)區(qū)在春節(jié)期間的供電負(fù)荷大部分時(shí)間維持在90%-115%的水平，是平時(shí)的1.5-2倍，臺(tái)區(qū)長(zhǎng)時(shí)間處于重載或過(guò)載狀態(tài)。

圖1 某臺(tái)區(qū)2015年春節(jié)期間負(fù)荷曲線

某臺(tái)區(qū)2015年除夕、春節(jié)當(dāng)天的負(fù)荷情況如圖2所示，由圖可以看出在用電高峰時(shí)段臺(tái)區(qū)負(fù)載率一直在100%以上，處于長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 某臺(tái)區(qū)2015年除夕、春節(jié)當(dāng)天負(fù)荷曲線

某臺(tái)區(qū)2015年平時(shí)某天的負(fù)荷情況如圖3所示，由圖可以看出平時(shí)的供電負(fù)荷一直比較平穩(wěn)，用電高峰時(shí)段最高只有60%的水平，甚至還不到80%的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

由以上分析可以看出，春節(jié)期間農(nóng)網(wǎng)變壓器長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)載狀態(tài)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了70-80%的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載運(yùn)行將導(dǎo)致變壓器內(nèi)部過(guò)熱、絕緣材料老化，逐步失去絕緣性能，形成絕緣擊穿，導(dǎo)致變壓器燒毀。同時(shí)通過(guò)調(diào)研還發(fā)現(xiàn)部分配變廠迫于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力將配電變壓器繞組材料由銅改成了鋁，導(dǎo)致變壓器的過(guò)載能力大幅下降；更是加劇了變壓器高負(fù)荷過(guò)載燒毀的頻率。

圖3 某臺(tái)區(qū)2015年某天負(fù)荷曲線

2 “春供”問(wèn)題現(xiàn)有解決方案

2.1 做好春節(jié)期間用電負(fù)荷預(yù)測(cè)用電宣傳工作并適當(dāng)采取負(fù)荷管控措施

在春節(jié)來(lái)臨之際，村電工對(duì)轄區(qū)內(nèi)用電戶的外出務(wù)工人員返鄉(xiāng)情況進(jìn)行摸底統(tǒng)計(jì)，對(duì)用電戶的大功率電器作好統(tǒng)計(jì)記錄。最終結(jié)合多方面因素，對(duì)每個(gè)家庭戶春節(jié)期間的用電負(fù)荷作出預(yù)測(cè)。

另一方面充分利用電臺(tái)、電視、報(bào)紙等媒體加強(qiáng)春節(jié)期間的用電宣傳工作，同時(shí)制定受限變壓器拉閘限電序位表，安排好監(jiān)控手段、監(jiān)控時(shí)間和監(jiān)控人員的分工任務(wù)，對(duì)過(guò)載的變壓器進(jìn)行拉閘限電。

采用負(fù)荷預(yù)測(cè)及高峰時(shí)段拉閘限電的方法在一定程度上緩解了春節(jié)期間的供電壓力，但同時(shí)也耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力；問(wèn)題沒(méi)有得到根本上的解決，是一種治標(biāo)不治本的解決方案。

2.2 更換大容量變壓器、增加線路線徑

對(duì)臺(tái)區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)備改造，包括增大臺(tái)區(qū)變壓器容量、增大臺(tái)區(qū)400 V線路線徑；目前經(jīng)過(guò)改造后的臺(tái)區(qū)變壓器容量至少為200 kVA，線徑均在95 mm、120 mm以上。

通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施改造后的臺(tái)區(qū)雖然能夠滿足較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的供電要求，但對(duì)現(xiàn)階段的負(fù)荷水平而言，將會(huì)造成變壓器和線路一年之中大部分時(shí)間處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)不到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平；將會(huì)大大增加臺(tái)區(qū)的用電損耗。

2.3 更換高過(guò)載能力配電變壓器

更換高過(guò)載能力配電變壓器是指采用一種在一定時(shí)間內(nèi)具有很強(qiáng)過(guò)載運(yùn)行能力的配電變壓器。國(guó)標(biāo)變壓器按規(guī)定應(yīng)可承受1.2倍2個(gè)小時(shí)的過(guò)載運(yùn)行；而經(jīng)過(guò)特殊技術(shù)處理的高過(guò)載變壓器可以承受2倍額定能力的長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行[2]。

更換高過(guò)載能力配電變壓器是目前被較多提及的一種解決方案，但過(guò)載變壓器存在造價(jià)高、缺少運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等問(wèn)題。過(guò)載變壓器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性還有待檢驗(yàn)；如果冒然投運(yùn)，有可能收到適得其反的效果。同時(shí)過(guò)載變壓器的更換應(yīng)用還需要一定時(shí)間的普及。

針對(duì)“春供”問(wèn)題現(xiàn)有解決手段的分析與總結(jié)，并結(jié)合現(xiàn)有解決方案的可行點(diǎn)，本文提出一種從農(nóng)網(wǎng)臺(tái)區(qū)需求側(cè)進(jìn)行智能化管控的解決方案，即面向“春供”的臺(tái)區(qū)需求側(cè)智能管理系統(tǒng)。

3 臺(tái)區(qū)需求側(cè)智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

面向“春供”的臺(tái)區(qū)需求側(cè)智能管理系統(tǒng)由統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)、智能配電臺(tái)區(qū)(智能臺(tái)區(qū)終端、智能一級(jí)保護(hù)開(kāi)關(guān))、家用智能保護(hù)開(kāi)關(guān)(二級(jí)智能漏保開(kāi)關(guān))以及物聯(lián)網(wǎng)通信等部分組成。該系統(tǒng)融合多種先進(jìn)的微功耗電力電子、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理以及物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通訊等技術(shù)[3]，將智能配電臺(tái)區(qū)技術(shù)延伸應(yīng)用至臺(tái)區(qū)各400 V出線及家庭用戶進(jìn)線端；以臺(tái)區(qū)智能型保護(hù)開(kāi)關(guān)、家用智能型保護(hù)開(kāi)關(guān)為主體構(gòu)建的一體化臺(tái)區(qū)需求側(cè)管理系統(tǒng)。臺(tái)區(qū)需求側(cè)智能管理系統(tǒng)組網(wǎng)示意如圖4所示。

3.1 統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)

統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)位于縣級(jí)主站中心，采用無(wú)線GPRS方式與臺(tái)區(qū)智能管理終端通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)區(qū)及典型家庭用電戶的用電負(fù)荷，并對(duì)臺(tái)區(qū)內(nèi)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)臺(tái)區(qū)內(nèi)用電異常，對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行合理調(diào)整和控制，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)供用電設(shè)備穩(wěn)定安全運(yùn)行，最大限度的減少斷電所造成的損失和影響。統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，具體實(shí)現(xiàn)以下功能[4]：

圖5 統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)圖

(1)臺(tái)區(qū)監(jiān)測(cè)

包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、電壓合格率在線監(jiān)測(cè)、三相不平衡監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及控制等。

(2)預(yù)警分析

對(duì)負(fù)載率，三相不平衡率、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，第一時(shí)間發(fā)送預(yù)警信息。

(3)故障定位搶修

通過(guò)對(duì)配變臺(tái)區(qū)及線路的運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)設(shè)備間的拓?fù)潢P(guān)系及關(guān)聯(lián)規(guī)則，實(shí)時(shí)顯示低壓電網(wǎng)運(yùn)行情況，在發(fā)生故障時(shí)，能夠在第一時(shí)間，發(fā)出告警， 立刻定位故障發(fā)生范圍，并給出故障設(shè)備的臺(tái)賬信息，方便維修人員及時(shí)搶修。

(4)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

主要分析配電變壓器的能效值。配電變壓器的能效高低與其結(jié)構(gòu)、負(fù)載的功率因數(shù)、負(fù)載率、三相不平衡度以及運(yùn)行溫度等有著直接的關(guān)系。

(5)負(fù)荷控制

當(dāng)監(jiān)測(cè)到臺(tái)區(qū)容量不足時(shí)，分析臺(tái)區(qū)內(nèi)的用戶負(fù)荷分布，對(duì)于超限用電的用戶，首先進(jìn)行短信告警，提醒其減少用電量，如果負(fù)荷仍持續(xù)較高達(dá)到一定時(shí)間，強(qiáng)制將其斷電，并閉鎖一段時(shí)間。從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)臺(tái)區(qū)安全運(yùn)行。

(6)曲線查詢

以表格或圖形的方式，顯示各種遙測(cè)量的歷史值，可以按照多種時(shí)段方式進(jìn)行選擇顯示，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)比較分析。

(7)越限管理統(tǒng)計(jì)

可以對(duì)各種遙測(cè)量，進(jìn)行越限監(jiān)視與統(tǒng)計(jì)，支持多級(jí)越限處理，提高對(duì)數(shù)據(jù)不正常情況的監(jiān)測(cè)、分析。

3.2 智能配電臺(tái)區(qū)

智能配電臺(tái)區(qū)設(shè)備主要由臺(tái)區(qū)智能管理終端、智能保護(hù)開(kāi)關(guān)、電容器、計(jì)量電表等設(shè)備組成，如圖6所示。智能配電臺(tái)區(qū)主要實(shí)現(xiàn)配變監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、負(fù)荷管理、電能計(jì)量、集中抄表、無(wú)功補(bǔ)償、環(huán)境監(jiān)測(cè)、諧波治理以及防竊電等功能[5]。

圖6 智能配電臺(tái)區(qū)主要設(shè)備示意圖

臺(tái)區(qū)智能管理終端主要實(shí)現(xiàn)配變運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)并對(duì)配電變壓器低壓側(cè)無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償，通過(guò)通信方式實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)開(kāi)關(guān)等設(shè)備信息集成處理及遠(yuǎn)方控制，同時(shí)可通過(guò)以太網(wǎng)、無(wú)線GPRS等方式與統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并接受監(jiān)控平臺(tái)的遙控指令。

智能保護(hù)開(kāi)關(guān)，作為本方案中的一級(jí)保護(hù)開(kāi)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)配電變壓器低壓進(jìn)出線實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)功能[6]。智能保護(hù)開(kāi)關(guān)具備遙信、遙測(cè)、遙控等三遙功能以及過(guò)載、短路、缺相、欠壓、過(guò)壓、剩余電流(漏電)、電源側(cè)斷零線等保護(hù)及自動(dòng)重合閘功能。其信息通過(guò)RS485數(shù)據(jù)通信方式上送至臺(tái)區(qū)智能管理終端，通過(guò)智能管理終端上傳至統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控功能，特別是在主站監(jiān)測(cè)到配變或低壓出線過(guò)載時(shí)可及時(shí)遠(yuǎn)方進(jìn)行切除，避免引起配變過(guò)載燒毀等事故。

3.3 家用智能型保護(hù)開(kāi)關(guān)

家用智能型保護(hù)開(kāi)關(guān)是一種由雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行單元，以單片機(jī)微控制器為核心，具有漏電保護(hù)、過(guò)載短路保護(hù)、定時(shí)控制等功能的智能萬(wàn)能式保護(hù)開(kāi)關(guān)。

本方案中將采用家用智能型保護(hù)開(kāi)關(guān)組成需求側(cè)管控系統(tǒng)的二級(jí)保護(hù)系統(tǒng)。將家用智能型保護(hù)開(kāi)關(guān)配置在臺(tái)區(qū)典型用電戶進(jìn)線端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該用電戶的用電信息，包括實(shí)時(shí)負(fù)荷電流、實(shí)時(shí)漏電流，當(dāng)家用智能型保護(hù)開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)到該用電戶出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷用電時(shí)，開(kāi)關(guān)將在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行脫扣跳閘，將超限用電的家庭用戶及時(shí)斷開(kāi)，避免該用電戶的過(guò)負(fù)荷影響到線路和整個(gè)臺(tái)區(qū)。減少了故障的停電范圍，使臺(tái)區(qū)過(guò)負(fù)荷問(wèn)題的處理更加具體化。

通過(guò)統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)和臺(tái)區(qū)兩級(jí)智能保護(hù)體系共同構(gòu)建了臺(tái)區(qū)需求側(cè)智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)、線路和各家庭用電戶用電情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)的決策分析引導(dǎo)用戶在用電集中的高峰時(shí)段合理用電、錯(cuò)時(shí)用電，保證臺(tái)區(qū)配變?cè)诖汗?jié)期間處于過(guò)載以下?tīng)顟B(tài)運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從臺(tái)區(qū)需求側(cè)智能化管控角度對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)“春供”問(wèn)題提出了一種解決方案。通過(guò)本方案的實(shí)施，將在一定程度上緩解目前“春供”問(wèn)題中存在的供用電矛盾。當(dāng)臺(tái)區(qū)處于過(guò)負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，通過(guò)自動(dòng)化手段將當(dāng)前狀態(tài)典型的用電大戶及時(shí)切除，避免了因部分用電大戶的過(guò)負(fù)荷用電引起線路和變壓器的過(guò)載故障，減小了臺(tái)區(qū)過(guò)負(fù)荷故障的影響范圍，也縮短了臺(tái)區(qū)的停電時(shí)間。減少了在春節(jié)等敏感時(shí)期的負(fù)面社會(huì)影響，更有助于供電企業(yè)塑造高效率、高科技化的企業(yè)形象。

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An Intelligent Management System at the Demand-side of the Distribution Area Faced with “Spring Power Supply”

Yue Renchao, You Wenfeng, Sun Jiandong

(State Grid NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211106, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.020

TM712

A

1000-3886(2017)03-0065-03

定稿日期: 2016-10-07

岳仁超(1982-)男，山東日照人，工程師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)、配網(wǎng)自動(dòng)化。