用电信息采集系统在智能电网中的应用

吴建兰

（固原农村电力服务有限公司，宁夏 固原 756000）

0 引 言

当前智能电网已逐渐成为全球电力行业的发展焦点。它通过引入先进的信息技术、通信技术和自动控制技术，实现了电网的自我修复、防止过载、优化能源使用，并提高了供电可靠性。在此背景下，用电信息采集系统应运而生。作为智能电网的关键组件，它对保障电网的高效、安全和可靠运营发挥了关键作用。用电信息采集系统主要由传感器与仪表、数据采集单元、通信技术及数据处理和存储组成，为电网提供实时、准确的用电信息。在智能电网中，该系统的应用领域包括但不限于需量响应、配电自动化、分布式能源资源集成以及电能质量监测。本文旨在深入探讨用电信息采集系统在智能电网中的应用，并阐述其重要性。

1 用电信息采集系统的主要组成

1.1 传感器与仪表

传感器在用电信息采集系统中扮演着重要角色。设备的设计和配置是为了检测电流、电压、频率、功率以及其他与电力有关的参数。例如，电流传感器通常采用霍尔效应、电阻效应或电磁感应原理，能够准确测量从微安到数千安的电流范围，如图1 所示。某些高精度电流传感器的测量误差可以低至0.1%。此外，电压传感器负责监测电路中的电压级别，并可支持从毫伏到数千伏的电压测量。

图1 电流传感器

仪表则提供了一个可视化的界面或输出，使运营人员可以直观了解电网的状态。它们通常与传感器紧密结合，将相关信息转化为数字信号或模拟信号，以供进一步分析。例如，数字多功能仪表不仅能显示电流和电压，还能计算和显示如功率因数、总谐波失真等参数信息[1]。

1.2 数据采集单元

数据采集单元（Digital Connection Unit，DCU）被视为用电信息采集系统的核心组件，为各种传感器和仪表提供了一个集中的数据聚合点。它的主要职责不局限于数据的简单收集，还能对数据进行初步处理、过滤和验证。在高端应用环境中，DCU 通常配备微控制器或嵌入式处理器，确保其具有在边缘设备上执行复杂数据处理任务的能力。例如，先进的DCU 可以对原始数据进行快速傅里叶变换，从而实时检测并报告电力系统中的谐波失真。

随着物联网技术的蓬勃发展，DCU 的功能范围得到了拓展。除了基础的数据采集之外，它们还具备远程控制、安全加密和数据通信等功能。这种集成化的设计确保了DCU 能够更好地适应并满足智能电网的复杂需求。

1.3 通信技术

通信技术在用电信息采集系统中具有重要作用，为各个系统组件提供可靠的连接与数据传输手段。现代智能电网要求高速、实时且安全的数据传输，从而实现电网的稳定、高效运行。因此，多种通信技术被应用于电网，包括有线技术如以太网和光纤，无线技术如远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）和5G 等。当使用5G 技术时，数据传输的延迟可降至1 ms，传输速度可以达到10 Gb/s，满足电网中实时大数据处理的需求[2]。

然而，仅仅拥有快速的数据传输并不够。通信技术还必须具备高度的安全性和可靠性，以确保电网的稳定运行，因此先进的加密算法和身份验证机制被应用于通信协议。此外，需要考虑冗件的连接。例如，智能电网中的一些关键节点采用了多通道通信技术，将一个通道的通信路径和自我修复能力视为关键特性，以确保在出现故障时可以自动切换到另一个通道，从而确保数据的连续性和完整性。

1.4 数据处理及存储

数据处理是用电信息采集系统的另一关键环节。随着从传感器和仪表收集的数据量不断增加，必须对这些数据进行快速、准确的处理，从而为决策者提供有意义的信息。现代的处理技术往往利用高效的算法如机器学习和深度学习，对大量数据进行模式识别和预测分析。一个典型的应用例子是负荷预测，算法可以通过分析过去的数据预测未来的电力需求。研究显示，使用深度学习技术进行电力负荷预测的准确率达到95%。

数据存储也是不可或缺的部分。随着电网中数据产生的速度远远超过了其处理速度，有效、可靠的存储成为一个重要的需求。当今的存储技术如分布式数据库和云存储，提供了高可用性和容错能力，可确保数据的持久性和完整性。为了进一步提高数据存取速度，许多系统采用了SSD 硬盘和内存数据库技术。例如，某智能电网数据中心包含数十太字节的存储空间，能够处理每秒数百万次的数据读写请求，满足实时数据处理的高要求。

2 用电信息采集系统在智能电网中的应用

2.1 需量响应

需量响应在智能电网中是一种策略，旨在调整消费者的电力消耗以匹配供应能力。利用用电信息采集系统获取的实时数据，电力供应商可以准确了解电网的实际需求，并据此调整发电和配电策略。这种策略的关键在于快速、准确地反映出现的需求变化，从而优化资源的使用，确保电网稳定运行。用电信息采集系统的结构，如图2 所示。

图2 用电信息采集系统的结构

当电网中出现需求高峰时，如炎热的夏天的中午，用电信息采集系统可以实时收集和分析各种数据，通过需量响应机制，提醒或指导消费者调整其电力使用习惯。这可能包括暂时关闭非必要的设备或延迟某些高耗电活动。这种策略的实施需要消费者、设备和电网之间的紧密协作，而这种协作正是通过用电信息采集系统实现的[3]。

需量响应不仅可以减少电力供应的压力，还可以为消费者带来经济效益。通过参与需量响应项目，消费者会得到电费优惠或其他激励。此外，需量响应可以降低因需求超过供应而可能导致的停电风险，保障电力系统的持续、稳定供应。

2.2 配电自动化

配电自动化涉及电力分配系统的智能管理和控制，目标是提高电力分配的效率、可靠性和安全性。在这一领域，用电信息采集系统至关重要，需要收集关于电网状态和性能的实时数据，从而使电网运营商能够实现精确的监控和实时的决策。

配电自动化的核心是自动化设备，如电流传感器、电压传感器、断路器、电力电子设备等。这些设备不仅提供了电网的实时状态信息，还能根据控制指令进行自动操作。例如，当系统检测到电流异常时，智能断路器可以在毫秒级的时间内切断电流，防止进一步的设备损坏或电网故障。

此外，配电自动化可以实现更高级的电网管理功能，如优化电能的分配、平衡供需、实现微电网的自动配置等。通过对电网的细致管理，配电自动化不仅可以提高电网的运营效率，还可以为电网运营商和消费者提供更好的电能质量和更可靠的电力供应。

2.3 分布式能源资源集成

分布式能源资源指的是分布在电网中的小型、局部能源生产装置，如光伏发电、风力发电、微型燃气轮机和储能设备。这些资源的集成为电网提供了新的挑战和机会，尤其是在实现可再生能源和提高电网韧性方面。

用电信息采集系统在分布式能源资源集成中的作用尤为关键。系统可以实时监测各个分布式能源资源的输出和状态，为电网运营商提供一个全面、实时的能源生产和消耗画像。这种实时的数据流对于确保电网稳定运行、平衡供需以及优化资源配置至关重要。

对于电网运营商来说，分布式能源资源提供了一种方式来响应突发的需求变化，减少输电损失，并提高电能质量。例如，当一个区域出现临时的电力短缺时，会增加该区域的分布式能源资源输出以迅速满足需求[4]。这些局部的能源生产装置也减少了对中央发电站的依赖，提高了电网的韧性和可靠性。

2.4 电能质量监测

电能质量涉及电压、电流和频率的稳定性以及与之相关的扰动和异常。在现代电力系统中，由于非线性负载的广泛应用和分布式能源资源的集成，电能质量问题成为电网稳定和可靠运行的关键。因此，对电能质量的实时监测和管理变得尤为重要。

用电信息采集系统为电能质量监测提供了必要的数据支撑。这些系统可以精确测量电压、电流、频率、谐波和其他电能质量参数，为电网运营商提供实时、详细的电网状态信息。当出现电能质量问题如电压暂降、电压不平衡或高次谐波时，用电信息采集系统能够迅速检测并记录相关数据，为问题的定位和解决提供有力的支撑[5]。

此外，通过对电能质量的持续监测，可以对长期的电能质量趋势进行分析，发现潜在的问题和风险。这种预测性的分析可以为电网的维护和升级提供指导，确保电网的稳定、高效和安全运行。

3 结 论

随着电力系统向智能电网的演变，用电信息采集系统已成为确保电网稳定、高效和可靠运行的核心工具。这些系统不仅为电网运营商提供了实时、详细的电网状态信息，还为电网资产的管理、优化和预测性维护提供了有力支撑。通过实时监测和控制，电网可以迅速响应变化的需求，提高电能质量，同时减少运营成本和环境影响。可见，用电信息采集系统在现代智能电网中的应用对于实现更加绿色、高效和可靠的电力系统至关重要。