云调控与变电站设备监测技术融合应用研究

刘 辉,李晓松,田晓雷,程海兴,宋佳翰

(国网北京市电力公司,北京100031)

0 引言

特高压相比常规电压等级交流输电具有输送容量大、输送距离远、线路损耗小及占地走廊少等特点。全面开展以特高压为重点的跨区域输电工程建设,是保障国家能源安全、提高能源利用效率、服务清洁能源及促进生态文明建设的重要选择,因此特高压变电站运检相关人员的培训尤为重要。变电站设备监测系统对特高压变电站一次设备、二次系统和消防系统等进行了仿真模拟,为维护和管理提供强大的技术支持。

智能变电站主要由智能电网、通信基础设施以及相关的信息技术组成。随着信息管理和双向通信的发展,智能电网能够提高功率传输的可靠性,降低电网成本,同时提高电网与用户的整体效益。智能电网可以监测电能使用情况,使电能消耗与系统负荷相匹配,为电能生产、传输、分配、控制和监测5个环节提供自我监测、自我修复和双向通信的能力,从而平衡电网的供应和需求[1]。

以安全、可靠的方式管理相关数据是至关重要的。云调控是智能电网发展的关键技术之一,通过云调控,用户可以随时随地通过连接到网络的设备访问相应的平台数据。云调控在智能电网中的应用保证了电网的效率,同时保证了用户数据的安全性[2]。文献[3]探讨了基于智能电网的变电站的体系架构、智能设备、保护控制策略、测试仿真和信息安全策略等方面的问题,总结了实现智能变电站的主要技术手段。

综合考虑电网侧的需求,本文设计了一个基于云调控的变电站设备状态监测体系,为智能电网提供能量管理和设备管理。

1 基于云调控的系统监测和控制

1.1 智能电网与云调控

从变电站的数据中心可以完成对变电站中各种设备的远程控制,因此,变电站的自动化对电力系统的控制有着非常重要的作用。同样,变电站的维护可以通过系统的数据控制来完成,电网用户对系统灵活性的要求也将通过变电站的远程控制来实现。而在电力系统运行过程中会产生各种改变系统中设备正常运行的问题[3]。因此,根据智能电网的需要,电网与用户之间的双向通信是非常必要的。

首先,为了更好地管理电网,需要保持电力系统的供需平衡[4]。智能电网一般通过使用能源管理系统来满足这一要求,这些设备包括家庭能源管理系统(home energy management system,HEMS)、需求侧管理(demand side management,DSM)和建筑能源管理系统(building energy management system,BEMS)等[5]。为了实现电网需求和供应的平衡,智能电网利用太阳能和风能等可再生能源以及无功功率补偿来实现。在智能电网中,家用电器、微电网、传感器、通信设备和变电站等互相连接[6]。因此,需要制定相应的管理系统来保护所有相连设备,以提高电力系统的灵活性和可靠性。

其次,智能电网由不同的能源管理设备组成,电网需要根据要求获得各种信息。因此,用户数据的管理非常重要,电网需要提供实时监测数据[7]。

同样,智能电网需要分层结构,由发电、输电和配电等不同阶段组成,为系统提供优化管理[8]。而异质结构支持各种需求响应、分布式发电和智能电网的实时定价功能,是智能电网的重要特征[9]。

最后,智能电网的安全非常重要[10],电网需要对网络安全、数据中断及检测威胁等各种问题进行预防,同时需要对电网用户进行隐私保护[11-12]。

为满足上述条件,云调控是智能电网进一步发展的关键技术。云调控包括以下优势[13]:

a.通过对各种参数的实时监测和控制以优化成本[14]。

b.考虑到电网的碳排放问题,通过加入水力、太阳能和风力等清洁能源,以合理控制电网的碳排放[15]。

c.通过电网对用户数据的管理以平衡电网的供需关系。

1.2 基于云调控的系统监测和控制

本文的目标是建立基于云计算的变电站设备状态监测方案,计算来自变电站的无功功率,并对其进行响应的补偿。本文主要通过云端的数据管理监测变电站设备的电力消耗波动。然后,通过使用有功功率和无功功率的计算方法,监测其相关数据。

智能电网是智能设备和双向通信的整合,包括能源管理、信息管理和安全性管理。本文调用存储在云端的数据,计算出各种功率,如有功和无功功率,并同时通过电容器组对无功功率进行补偿,以实现基于云计算的变电站实时监测和控制,具体架构如图1所示。同时,本文设计电容器组在无功功率期间工作的控制策略,减少通过电容器的电压降,并提高了成本效益。

图1 变电站状态监测系统架构

2 智能电网和云调控原理

2.1 智能电网

智能电网作为我国当前大力推广的新型电力系统,集数字化和信息化为一体,充分将先进的信息技术与电力系统相结合,基于精益化管理来达到电网信息智能交互的目的,从而实现电力系统的经济运行。而伴随着物联网技术的兴起,万物互联的理念也逐步渗透到电力工业中。物联网的本质是实现多种嵌入型计算装置之间的交互联结,使得此类装置可以自由联结。而云技术的应用可以使物联网实现更有效的数据存储和运算,并且可以让数据在不同终端交换共享,极大地延拓了物联网的发展空间,这种基于云技术进行优化升级的物联网也被称为云物联网。

通过对电力系统中信息技术和智能设备的整合,可以实现电网和电网用户之间的双向通信,智能电网使发电、输电和配电的可靠性提高。在发电过程中,不同类型的发电厂进行发电;输电部分提供从发电站到配电站的发电量。智能电网在管理控制电网用户的电力消耗下工作。通过智能电网提供的各种智能设备,在电网用户和电网之间提供双向通信,以满足需求和供应之间的平衡。智能电网模型架构如图2所示。

图2 智能电网模型架构

2.1.1 智能电表

变电站的自动化为功率传输提供了灵活性。目前,智能电网由各种基础设施组成,包括用户端的智能电表,可以明确用户侧的电力消耗。这种智能电表有助于存储定期的电力消耗信息,对用户端进行实时监控,并且可以远程控制。

智能电表一般位于配电端,能够记录能源消耗。通过双向通信,用户侧可以了解其用电情况,通过智能电表的读数来计算全天的能源消耗,有助于用户经济用电,降低成本。

2.1.2 微电网

电网的供需平衡要求给系统带来各种挑战。电力系统需要同时兼顾电能利用效率和电能来源多样化。微电网在需求管理、能源生产和能源存储方面具有较大优势。可再生资源如太阳能、风能和水力发电一般通过微电网系统与大电网连接。微电网可以维持用户终端的需求,整合风能、水能和太阳能这些分布式能源,并将能源分配给用户以满足需求。

微电网包含了从发电到存储和整合分布式能源的基本步骤。微电网可以利用火力发电的煤炭、水力发电的水能和风能等为传输层提供电力。然后从输电变电站的变压器中升压或降压,发送到配电层,配电变电站再根据用户需求提供相应的电能。

2.2 云调控

云调控是智能电网的关键技术,它提供了一个计算平台,还可以进行数据存储,云调控一般使用智能电网中各种智能电表的数据,主要包括以下特性:

a.按需服务。云调控根据用户的要求提供每个阶段的存储数据,方便用户了解其电能使用情况,以控制用户侧的电能使用,提升经济性。

b.网络访问。云调控可以通过浏览器来处理,用过薄型或厚型组成的异构网络建立云计算网络。

c.数据弹性。这个特性对可以从云中读取数据的用户有控制权。电力数据可以根据用户的需求进行扩展或减少。

3)软分层厚度及其变化。煤层软分层厚度主要通过井下实际测量得到。软分层厚度变化系数Kr指在一个采掘循环内软分层厚度的变化率，其计算公式如下：

d.资源汇集。对用户的位置没有限制,用户可以从任何地方访问云,并且从云中读取数据。云计算模型可以在资源池中同时为多个用户服务。

e.测量设备。云调控在用户端提供了先进的测量设备,以了解其电力使用情况。

云调控为电网与用户提供了各种便利,有助于引进新技术。云调控的基本特征包括网络访问、数据弹性、测量设备和按需服务;云调控的服务模式包括软件服务、平台服务和基础设施服务。

2.3 变电站设备监测系统

在传统的智能变电站中,智能电子设备主要用于波形记录、母线转移、低周期负载切除、数据采集、计算和优先级控制等。这些功能有助于完成来自过程层的实时数据采集和与变电站层的通信。变电站层的设备用于监测、防误操作锁定、远程通信、时间同步、状态监测以及在线决策。

本文提出的结合云调控的变电站设备状态检测系统的变电站层主要提供人机接触界面,形成变电站的所有设备运行控制和管理功能。

目前,站控层面临系统的冗余配置和信息交互困难的问题。为了解决这个问题,本文建立了一个综合信息平台进行监控,实现状态监测、系统故障案例和视频安全等功能,实现整个变电站信息监控的一体化。

3 系统分析

能源管理是智能电网中非常重要的部分。本文设计的结合云调控的变电站设备状态监测系统,监测了变电站的有功和无功功率,并提供无功功率的补偿,从云端自动获取数据,得到有功和无功功率的数值,观察到电路中的电容器组持续工作可能导致电容器上的电压下降并增加电路成本的问题。同时,本文对电容器组的控制策略进行了优化,使电容器组只在电路进行无功补偿时工作。

图3 监测系统的功能结构

为了对比结合云调控的变电站设备在线监测系统与现有监测系统之间的性能差异,本文设计了变电站设备在线监测实验,通过标准设备和监视终端数据进行对比,以验证变电站监控终端参数监测的有效性。

通过实验,得到了现有监测系统与在线监测系统反应时间的数据,如表1所示。现有系统的响应时间范围是2.01～3.58 s,而基于云调控的变电站设备在线监测系统的响应时间是0.98～1.44 s。通过比较可以发现,在线监测系统的响应时间比现有系统的响应时间短,证明了本文设计的系统监控性能比现有系统更好。

表1 系统响应时间对比

同时通过现场进行的应用验证,表明本文设计的结合云调控的变电站设备状态监测系统能够有效地实现变电设备状态监测数据的就地处理和相关服务,实现了实时状态监测服务、运行统计分析服务、故障报警服务及实时视频监控服务等应用。云平台能够对计算上传的数据、主站数据和其他监测数据做进一步的计算分析,为电网与用户的不同需求提供多元化的应用服务。

同时,实验表明减少电路中的电容器,可以在减少成本的基础上,使电力供应更加有效和可靠。通过设计用于补偿无功功率的电容器组,可以实现电网减少电压降的效果,节省了大型工业的电容器组的成本,提高了成本效益。

4 结束语

本文讨论了云调控技术在特高压变电站中的应用优势,提出了结合云调控的变电站设备状态监测架构,制定了一个结合云调控变电站设备状态监测方案,为智能电网提供能量管理和设备管理。现场应用验证表明,本文设计的云计算的变电站设备状态监测系统能够有效地实现变电设备状态监测数据的就地处理和相关服务,实现监测系统的相应功能结构,在实现系统有功、无功功率实时监测的基础上,也实现了仅在系统中特定时间使用无功电容器组补偿的功能,提高了电网和用户的整体效益。