智能电网监控系统研究*

王根平，王雅慧

（1.深圳职业技术学院 机电工程学院, 广东 深圳 518055；2.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

智能电网监控系统研究*

王根平1，王雅慧2

（1.深圳职业技术学院 机电工程学院, 广东 深圳 518055；2.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

为实现智能电网负荷均衡和电能质量控制，采用低成本的RFID与卫星通信技术相结合的方式来实现电网负荷及相关参数的实时和全方位的监控．在实时和全方位监控基础上，设计实现了监控系统的体系结构和协调控制策略，为提高系统运行负荷率提供了可能，并可实现电网系统在各种约束条件下的优化运行．

智能监控系统；同步；体系结构；协调控制策略；智能电网

1 目前电网监控系统存在的问题

目前电力网络监控系统，面临的最主要的问题就是负荷采样时间不能同步，有些关键点没法实时观测，采样汇总得到的数据不能准确反映电力系统的真实负荷和运行状态，使得在设计、运行和控制电力网络系统时，不能充分利用系统的工作容量，不能协调好发输配的关系，也就不能及时有效地实现负荷的削峰填谷，造成投资和资源的极大浪费．

根据相关统计分析[1]，我国电力线路和变电设备全年运行的平均负载率，设备容量的平均使用率只有近30%．

以用户平均停电时间指标来衡量，在 2011年统计得到有关地方的年停电数据如下[1]：

中国城市年平均停电时间（小时/户）：7.01 h；

中山供电局：39.6 min；

佛山供电局48 min；

深圳1.28 h；

广州1.79 h；

北京1.64 h；

上海1.47 h；

合肥：3.71 h．

国际上用户年平均停电时间：

东京电力公司：3~8 min；

美国城乡平均小于120 min；

韩国小于20 min．

而且，电网大量投资带来的高冗余容量并没有带来电网的可靠性和稳定性．导致这些问题的根源在于：1）在各个环节进行数据采样时，不能做到同步，使得数据缺乏真实性（由于电力系统的过渡过程太快）；2）主要是因为技术和成本的原因，许多关键点的状态没有进行检测监控．

2 智能电网监控系统构建

要构建智能电网监控系统，应该从采用现代通信技术，实现电网状态全方位实时同步检测监控着手．

2.1 智能电网同步实时监控技术及实现方案

2.1.1 保证监控系统同步实时的技术实现

在智能电网监控系统中，充分利用卫星通信中的同步技术和定位技术，可以解决电力系统监控中存在的电网运行状态监测不能同步和定位的问题．在卫星通信系统中，GPS和北斗系统是国内应用最广泛的2种系统．

所有GPS（北斗）装置，使用的都是同一个时钟源，而且这个时钟源提供的时间精度都在纳秒级（10-9秒）．电力系统的过渡过程，虽然很短，但过渡时间也一般都有毫秒级（10-3秒）．通过纳秒级的时钟源来采样毫秒级动态过程，精度是没什么问题的．现在一般的传感器采样装置的采样频率都在兆赫兹（10-6秒时间间隔，MHz）级别，如果我们用GPS（北斗）装置的时钟源来驱动兆赫兹级的电信号传感器（电压传感器，电流传感器，或频率传感器），所得到电参数的实时性，同步性应该没有任何问题．图1为GPS（北斗）装置实现同步实时采样电参数的方案实现图．所以，从技术上来讲，采用 GPS（北斗）同步技术，可以有效解决监控系统对电网各关键点参数采样的实时性和同步性，从而保证所得到的数据能够真实反映电网的负荷状态和运行状态．

2.1.2 低成本的RFID节点和GPS（北斗）节点相结合通信网络实现

RFID无线射频通信技术，具有成本低廉、传输数据和距离可控的优势．

RFID的传输距离与功率有关，功率低的可以传输几百米，功率高的可以传输几公里，传输数据率在几千比特每秒（kBPS）至几兆比特每秒（MBPS）之间．用RFID射频模块替代GPS（北斗）装置来实现电力参数采样节点，可使成本大幅下降．替代方案如下：

图1 GPS（北斗）节点实现同步实时采样电参数的方案

1）每个电网检测节点的中心位置装设GPS（北斗）节点；2）在每个GPS（北斗）节点电网检测节点周边，用带编号的RFID节点代替GPS（北斗）节点；3）RFID节点按设置好的频率将检测到的电网参数发射传送到GPS（北斗）节点；4）GPS（北斗）节点在收到带编号的RFID信息时，即将自己的地理数据和当时的时间信息添加到带编号的 RFID信息中，并将自己当时检测到的电参数一并传送到微网信息监控中心，如图 2所示．

这样，所有节点，无论是GPS（北斗）节点还是RFID节点数据都是地理—时间—电力采样数据的三维数据．

通过这种RFID替代GPS（北斗）的方案，可以大大减少GPS（北斗）装置的使用，由RFID节点与GPS（北斗）相结合的信息传递方案，将大大降低监控系统建设成本．示意图如图3所示．

2.2 智能电网监控系统体系结构

智能电网监控系统的体系结构，拟采用独立的分层体系结构[2]．这样做的优点有：1）网络的任何修改，只是节点数量的增加或减少，不会影响到系统的体系结构；2）系统扩展容易；3）系统出现故障时，容易定位；4）系统实现逻辑清晰，简洁．系统体系结构实现方案示意图如图4所示．

2.3 智能监控系统协调控制策略

在监控系统的体系结构的最高层：高级调度层，需要协调控制大电网及各分布式电源向各类负荷供电，并需要制定系统运行的目标及在运行过程中的各类参数，如发电设备发电的成本函数及负荷的用电价格等．

图2 RFID代替GPS（北斗）节点的信息传递方案示意图

图3 RFID节点和GPS（北斗）节点相结合传递信息示意图

2.3.1 目标函数及相关成本函数的确定

优化目标函数为：

以整个发电成本最低为目标，来分配大电网和各分布式电源的发电功率．要实现这个目标，就需要先确定各分布式发电电源的运行成本在整个调度周期中的成本函数．

从成本上来说，太阳能发电和风力发电应该是成本是比较低的，因而设置其成本函数应保证它们优先发电的权利；但又由于其发电量受外在环境影响特别大，所以需要满足发电功率的约束条件．

对于大电网，其成本函数在大电网的高峰期会偏高，在谷底期，成本会偏低，这个由大电网的经营情况来决定．

2.3.2 约束条件的确定

主要的约束条件有（2）-（4）式：

图4 系统体系结构实现方案示意图

上述约束条件中，（3）和（4）式中的分布式发电电源在不同时刻的发电量和发电功率，可以从设备的额定容量得到．由于分布式发电源实际的发电量还受环境的影响，所以最后的功率和电量平衡要靠大电网的供应来调节．（4）式的电能质量约束中，电能质量参数主要有：供电信号的频率，电压以及谐波等．这些参数的范围有国标规定，如频率范围应该在（50±0.2）Hz，电压波动范围为额定电压的±10%等[3]．

2.3.3 电能质量控制的实现

首先是保证每个分布式发电源供应的频率和谐波需要负荷要求，这个系统可以根据检测发现，如发现不符合要求，将报警甚至关掉；其次是通过负荷的调度，保证系统的电能供应和负荷的可靠匹配，不出现大的波动．

3 智能电网监控系统带来的优势

本文所构建的智能电网监控系统，具备以下几个优点：1）各个电网单元状态和参数能实时同步；2）能全方位各环节实现监控；3）由于RFID技术的应用，实现了低成本．

在智能电网监控系统的支持下，可以保证在电网运行稳定可靠的前提下，提高电网系统的负荷率，节约系统成本，有一定的经济效益和社会效益．

[1] 鲍冠南，陆超，袁志昌，等．基于动态规划的电池储能系统削峰填谷实时优化[J]．电力系统自动化，2012，36（12）：11-16．

[2] 王根平．微网体系结构及关键问题研究[J]．深圳职业技术学院学报，2013，12（3）：3-7．

[3] 王根平，王雅慧．微网系统电能质量问题分析及调节[J]．深圳职业技术学院学报，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

*项目来源：深圳市战略性新兴产业发展专项资金资助项目（JCYJ20120617144348493）

王根平（1966-），男，江西南昌人，博士，教授级高级工程师，主要研究方向：新能源技术、自动控制、网络通信技术．