基于智能开关的电能质量监测及负荷控制技术研究

蒋兴竹

摘 要：随着我国经济总量的不断增长，企业生产用电和居民生活用电量越来越高，已有多个城市由于电能供应紧缺而发生“电荒”现象。电力部门不得不采用负荷控制技术以确保重要负荷的正常用电。同时越来越多的企业根据生产需求对电能质量也提出了越来越高的要求，为满足这部分用户的需求，电力部门必须将电能质量监测放到电力运行的关键位置。针对目前电力部门中专用的电能质量监测和负荷控制设备价格昂贵但不能完全达到预期的效果，文章介绍了一种基于智能开关的电能质量监测及负荷控制技术。首先介绍了智能开关的定义，随后针对电能质量和供电紧缺的具体问题，阐述了智能开关在电力系统中的应用方法及其起到的作用。电力系统中的大量实际应用表明利用智能开关来实现电能质量和负荷的在线监测是一种技术上可行的较经济的方案，可以为电能质量的监测提供一种新的思路和和解决方案。

关键词：智能开关；电能质量；负荷控制

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）14-0016-02

国家能源局4月15日发布的数据显示，2014年1～3月，我国全社会用电量累计12 788亿 kW·h，同比增长5.4%。其中3月份全国全社会用电量达到4 544亿 kW·h，同比增长7.2%。根据电力部门往年的统计数据，进入四月份以后，全国用电负荷将大幅度增加，从2011年开始，我国多个省份已多次出现电荒，电能生产难以满足负荷需求。另外，由于电能质量不能满足生产要求，部分高科技公司甚至面临着“无电可用”的困局，电能质量已经直接导致了社会生产力的下降并造成了企业的经济损失。随着我国建设坚强智能电网目标的提出，电力企业除了要满足用户的基本电力需求，还要保证用户使用的电能质量符合要求。

满足用户对电能的基本需求和电能质量的要求的关键是进行负荷控制和电能质量监测。目前，我国电网中监测设备和负荷控制设备都是永久性的专用设备，这些设备不仅价格昂贵，而且很难监测整个电力网络。智能开关在这种情况下应运而生，和专用设备不同，智能开关价格便宜而且体积较小，它可以自由分布在电力系统的各个角落，实现对整个电网的数据采集和监测，从而了解整个电网的运行情况。根据供电需求和电网电能质量的具体情况实时控制负荷，在系统发电能力不变的条件下优化电能配置并为用户提供高质量的电能。

在欧美等电力系统相对比较成熟的国家，智能化被高度重视。电能质量的监测和负荷控制技术基本通过智能开关实现，其中最有代表性的装置是有源滤波器，通过监测和补偿电力网络的谐波，基本上可以消除对用户的谐波影响。和国外相比，我国的智能开关设备研制起步晚，但是发展快。经过一系列的积极的探索和实践，也获得了大量的成果。但是总的来说，这些设备价格偏高、安装范围小，难以满足分布式大范围监测需求。

1 基于智能开关的电能质量监测

随着新型用电设备不断接入电网，非线性、冲击性、不平衡的负荷日益增多，电力系统的电压畸变、谐波干扰等电能质量问题也越来越严重。为改善电力系统的电能质量，必须建立完善的电能质量监测系统。

1.1 电能质量定义

一般来说，电能质量是指电压、电流和频率等各项指标都符合用户的需求。按照各个不同指标对用户的影响，根据工作的电压、电流或频率的偏差，一般可以将电能质量的问题分为供电电压偏差、电力系统频率偏差、公用电网谐波、三相电压不平衡等。他们的具体分类及其产生原因和影响见表1。

1.2 电能质量分析算法

由于电能是一个变化很快的量，因此用于电能质量分析的算法最重要的条件就是运算速度快，计算准确。目前，广泛用于电能质量的方法主要有傅里叶变换、S变换、小波变换等。他们的前提和计算方法都有很大的区别，每个算法都有各自的优越性和局限性，如傅里叶变换只适合平稳信号的分析，无法满足对具有突变性、暂态性等特性的电能质量复杂扰动的非平稳信号进行分析的要求。S变换对信号的提取能力有限，而且其功率随频率的增大而线性的增大。小波变换中小波基对信号的小波变换结果影响很大。目前最常见的使用方法是利用几种方法混合计算来规避他们的弊端。

1.3 有电能质量监测功能的智能开关

随着我国建设智能电网目标的提出，用户和电力企业都比以往更加关注电能质量，在这种情形下诞生了功能相似的各种电能质量监测设备。它们都采用智能处理器为核心，一般选取ARM或DSP或者由ARM和DSP共同构成核心。功能上则强调智能化，除了基本的计算功能外，还附加了显示、存储、通信、人机对话等功能。目前国内外许多公司都开发出了自己的电能质量监测装置产品，按照他们的安放位置和体积大小可以将他们分为便携式、固定式两种。

和国外开展电能质量检测较早的国家相比，我国对电能质量监测装置的研制尚处于起步阶段，虽然已经研发出了具有自主知识产权的电能质量监测产品，但是部分模块还需要依赖于国外的技术模块，因而直接造成了设备的价格较高，不适合大规模安装，还未达到在整个电力系统中完全普及的条件。

2 基于智能开关的负荷控制技术

负荷控制是对用电负荷进行调整和控制，保证电网稳定、经济、安全的运行，并且把停电所造成的损失和影响控制到最低的程度，所采取的一种限制措施。智能开关通过监测线路的负荷运行状态，配合检测到的电能质量信息优化供电方式，实行智能供电，必要时对供电线路实行负荷控制，最大限度的利用能源，减小断电的影响，实现有序用电。

2.1 基于智能开关的负荷控制功能

基于智能开关的负荷控制是指利用通信系统、负荷控制系统、电能质量监测系统对负荷进行负荷控制管理，监测负荷变化、电量增减、提高客户终端用电效益。负荷控制主要具有以下功能：

①负荷控制功能：智能开关最基本和最重要的功能就是进行负荷控制，通过监测信息的获取智能开关能定时自动进行跳合闸操作控制负荷的启停，通过这一功能，它可以在电能生产小于负荷需求时进行评估，自动地切除部分不重要的负荷以确保整个电力系统的安全、稳定运行。

②电能质量监测功能：智能开关可以实时在线监测电网的电压、电流和频率等参数并通过上文提及的算法计算和分析电能质量，当能够确定某一负荷对电网电能质量产生不可接受的影响时，自动中断对负荷的供电以确保系统中其他负荷的用电质量。

③通信遥控功能：每个智能开关都配备了专门的通信模块，既可以和附近的智能开关进行通信也可以和调度中心进行数据信息交换，这样调度中心和每个智能开关都能够掌握整个电力系统的运行状况，从而确保制定出的负荷控制策略对整个电力系统最有利。

2.2 基于智能开关的负荷（可中断）控制过程

通过智能开关对负荷进行控制，不仅技术上更容易实现而且更加经济也更加节约，负荷控制最大限度利用能源，可以提高电网的稳定性，满足有序用电要求。虽然电力系统中安装了众多的智能开关，但是调度中心仍然无法得知所有线路的负荷（可中断）的实时运行情况，因此如果由调度中心直接按照经验建模计算可中断负荷模型往往不能满足实际情况，因此我们一般以当前线路上的智能开关为基础，实时分析当前线路的负荷情况，计算可中断负荷启停关系，直接控制负荷的启停可以使得负荷控制更加方便高效。

当调度中心对所有智能开关发出系统出现紧急电量缺额信息时，智能开关首先汇总计算整个系统的缺电量的份额，然后分析判断可中断负荷的重要性，将所控制线路的所有可中断负荷按照负荷重要级别、按照约束条件进行数学建模。当得出负荷的控制顺序后，按照重要性从低到高的原则逐渐将负荷退出系统直到系统中的供需再次达到平衡。在保证大部分用户正常用电的同时，实现高效的负荷控制。

3 结 语

随着我国国民经济的不断发展，各行业对电能的需求增长速度远快于电力系统装机容量的增长，这使得我国持续出现“电荒”，同时电力用户对电能质量的要求也越来越高，因此负荷控制与电能质量监测日益受到关注。本文首先介绍了电能质量的定义和负荷控制的基本概念。在此基础上，引出了智能开关的概念，并重点阐述了基于智能开关的电能质量监测及负荷控制技术，由于和传统的固定设备相比智能开关优点显著，智能开关必将逐渐替代电力系统中传统的电能质量监测和负荷控制设备。

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