基于智能开关的配电网电能质量监测及负荷控制技术

金伟民 王执宇

（国网天津市电力公司东丽供电分公司）

0 引言

随着电力系统规模的不断扩大和用电负荷的增加，配电网电能质量的稳定性和可靠性成为了重要的关注点。配电网中存在诸如电压波动、谐波、闪变等电能质量问题，这会对终端用户的设备造成损坏，并对电力系统运行产生不利影响。为解决以上问题，智能开关技术得到广泛应用。智能开关作为一种新型的电力设备，具备迅速切换、精确控制和智能化管理的特点，在电能质量监测和负荷控制方面具有巨大潜力。通过实时监测电能质量参数并采取相应的负荷控制策略，基于智能开关的系统可以有效地改善电网的电能质量，提高供电可靠性，降低能耗并提升用户的用电体验。

1 智能开关下的配电网电能质量监测及负荷控制技术原理分析

基于智能开关的电能质量监测技术是一种利用智能开关设备来实时监测和评估配电网中电能质量状况的技术方法。通常会在配电网中安装多种传感器，用于测量和采集与电能质量相关的参数。这些传感器可以测量电压、电流、频率、功率因数等重要参数，并将采集到的数据传输给监测系统进行处理，监测系统利用高速数据采集技术对接收到的数据进行处理和分析，实时监测电能质量参数的变化情况，监测系统对接收到的数据进行分析和处理的过程中，会自动识别出潜在的电能质量问题，如电压波动、谐波污染、电压不平衡等。一旦发现异常情况，系统会及时生成报警信息，通知相关人员采取相应的措施。

智能开关下的配电网电能负荷控制技术基于智能开关的快速、精确操作能力，通过实时监测和分析电网中的负荷状况，并采取相应的控制策略来实现对负荷的调节和管理。通过内置的传感器和监测装置，实时获取电网中的负荷数据，例如电流、电压、功率等信息。这些数据可用于准确了解电网的负荷状态和特征，集到的负荷数据经过处理和分析，可以提取出负荷的特征和趋势，如峰谷差、负载波动等。同时，结合历史数据和统计模型，可以预测未来负荷的变化趋势。

2 基于智能的电能质量监测技术应用分析

2.1 智能开关数据采集与传输

智能开关数据采集与传输是基于智能开关的配电网电能质量监测技术中至关重要的环节。这一过程涉及到从智能开关获取电能质量相关数据，并将其传输到监测系统进行进一步分析和处理。在数据采集方面，智能开关通过内置的传感器实时采集各种电能参数，如电压、电流、频率等。这些传感器可以直接连接到配电线路上，持续监测电力系统的运行状态。采集的数据包括瞬时值、波形图和统计信息等，以提供对电能质量问题的全面评估。数据传输是将采集到的数据从智能开关传送到监测系统的过程。传统的方式可以利用有线通信，如以太网或串口连接。此外，也可使用无线通信技术，例如Wi-Fi、蓝牙或移动网络。这样，智能开关可以实现远程监测和控制功能，为电能质量监测提供了更大的灵活性和便捷性。为确保数据传输安全可靠，通常会采用加密算法和认证机制来保护数据的完整性和机密性。另外，数据传输还需要考虑实时性和带宽要求，以确保数据能够及时传送并满足监测系统的需求［1］。

2.2 电压、电流和频率实时监测

在实时监测电压方面，智能开关可以通过内置的传感器或与外部传感器的连接来采集电压数据。这些数据可以实时传输到监控系统中进行处理和分析。通过监测电压的波动情况，可以评估供电质量是否达到标准要求，并检测诸如供电电压偏差、电压闪变等问题。例如在电压监测过程中，通常会遇到供电电压偏差的现象，供电电压变差是指在50Hz 交流电力系统正常运行条件下的供电电压对系统标称电压的偏差，具体计算公式如下：

式中，Ud表示电压偏差值（V），Um表示电压测量值（V），Us表示系统标称电压值（V）。

在电流监测当中，主要涉及到对电流值的采集和分析。智能开关通常会使用电流传感器来测量电流大小，并将其数据传输到监测系统。通过监测电流的大小和变化趋势，可以识别过载、短路等问题，并实施相应的措施，以保证电力系统的安全和可靠性。假设在某个配电变压器站点，输入电压为220V（有效值），变压器的额定容量为1000kVA，额定电压比为10：1（即输入电压为220V，输出电压为22kV）。通过实时监测配电变压器电流，以确保其工作在安全范围内。根据变压器的额定容量和额定电压比，可以计算出变压器的额定输出电流。具体计算公式如下所示。

式中，Im表示额定输出电流（A），MWe表示额定容量（C），K表示额定电压（V）。此外，频率也是电能质量的一个重要参数。智能开关可以通过内部时钟或与外部频率传感器的联动来实时监测电网频率。频率的异常波动可能会对电力系统产生影响，如频率偏离标准范围可能导致设备故障或供电不稳定。因此实时监测电网频率可以帮助及早发现并处理此类问题。

2.3 谐波和电压波动检测

谐波是一种频率高于基波频率的周期性变化现象，主要由非线性负载引起，如电弧炉、UPS 系统等。而电压波动指的是电网电压在短时间内的快速改变，主要由电力系统故障、大型电机启动或停止等原因引发。为有效监测谐波和电压波动，可采用多种检测技术和算法。例如通过内置传感器实时采集电流和电压数据。这些数据可以捕捉到电源侧和负载侧的电流和电压波形。或者使用信号处理算法对采集到的电流和电压波形进行分析，以检测谐波成分。常见的方法包括傅里叶变换和离散小波变换。检测谐波和电压波动的目的在于及时发现并诊断电网中存在的问题，帮助运营商和用户采取相应的措施来改善电能质量。通过智能开关提供的实时监测和分析，可以准确确定谐波和电压波动的源头，并采取合适的补救措施，如安装滤波器、稳压器或调整负载配置等。有助于提高配电网的可靠性和电能质量水平，确保电力系统的正常运行和用户的用电质量［2］。

3 基于智能开关的配电网电能负荷控制技术应用分析

3.1 负荷预测与优化调度

负荷预测与优化调度是旨在通过准确预测电能负荷需求，并采取相应的优化调度策略，实现电力系统的高效运行和资源的有效利用。首先，负荷预测是指利用历史数据、统计方法、机器学习等技术手段，对未来一段时间内的电能负荷进行预估。这可以基于不同的时间尺度，比如短期负荷预测（几小时到一天）或长期负荷预测（几天到几周）。预测结果可以提供给优化调度模块作为输入，帮助系统决策者做出合理的负荷调度安排。其次，优化调度是指根据电能负荷预测结果和特定的目标函数，通过数学建模和优化算法，确定最优的负荷调度方案。这可以包括最小化能源消耗、优化发电机组输出、降低电能负荷波动性等。同时，优化调度也要考虑整个电力系统的约束条件，如传输线的容量、设备的可靠性以及用户需求等，以确保方案的可行性和安全性。负荷预测与优化调度的关键在于准确性和实时性。准确的负荷预测可以提供给优化调度算法一个可靠的基础，使其能够更好地应对负荷变化和需求波动。此外，实时监测和反馈机制也是优化调度的重要组成部分，它可以及时调整计划以应对突发事件或意外情况，保证电力系统的稳定运行。例如在调整电能负荷特性当中，需要对具体的中断容量、最大最小中断时间、中断总时间以及补偿费用进行调整。详细内容如表1所示。

表1 可中断负荷特性调整表

3.2 负荷均衡与可行性分析

负荷均衡是指在配电网中合理分配电能负荷，使各个节点之间的负荷尽可能平衡。负荷均衡的目标是避免某些节点负荷过重而导致过载，同时最大程度地利用系统资源，提高整体能源利用效率。负荷均衡可以通过智能开关系统实时监测负荷状态，并利用调度算法自动调整电能流向，从而实现负荷的均衡分布。可行性分析是评估负荷均衡方案的可行性和效果。在实施负荷均衡控制之前，需要对系统进行全面的可行性分析，包括考虑电网拓扑结构、负荷特性、线路容量等因素，以确定负荷均衡方案的有效性和可靠性。可行性分析还可以利用模拟仿真和优化算法等工具，对不同负荷均衡方案进行比较和评估，选择最佳方案实施。

通常在负荷均衡与可行性分析中，常用的方法和技术包括三种：（1）负荷调度算法：通过数学建模和优化算法，确定最佳的负荷调度方案。这些算法可以考虑电网拓扑、线路容量、负荷需求等因素，并结合实时监测数据进行动态调整。（2）模拟仿真：利用电力系统仿真软件对不同负荷均衡方案进行模拟和评估。通过模拟仿真，可以预测不同方案下的负荷分布情况，评估其对电网稳定性和效率的影响。（3）可行性评估指标：制定一套评估指标来衡量负荷均衡方案的可行性和效果。这些指标可以包括负荷平衡度、线路负载率、供电可靠性等，用于综合评估不同方案的优劣［3］。

3.3 负荷调节与响应机制

负荷调节与响应机制依赖于实时负荷监测系统，该系统通过传感器等设备采集配电网各节点的负荷数据，并传输到中央控制中心或智能开关进行处理和分析。这些数据反映了不同时间段内的负荷变化情况，为后续的调节和响应提供基础。基于实时监测数据，负荷调节与响应机制可以根据电力系统的需求进行负荷调整。例如，在高峰时段，如果负荷过大导致电网压力增加，智能开关可以通过动态调整负荷分布来降低电网压力。具体而言，它可以根据负荷优化算法和策略，在不影响用户需求的前提下，将部分负荷从过载的节点分散到其他负载较轻的节点上，实现负荷均衡。这样可以提高配电网的稳定性和可靠性。此外，负荷调节与响应机制还能够灵活地应对电力系统的变化需求。例如，在发生故障或紧急情况时，智能开关可以及时切断相应节点的负荷，以确保电网的安全运行。同时，当可再生能源（如太阳能和风能）产生过剩电量时，智能开关可以将多余的电能导向储能设备或其他消耗设备，实现有效利用。

4 结束语

综上所述，为防止出现电能供应不足现象的出现，对于电能质量要求也逐渐提高。因此需要进一步加强对电能质量监测以及负荷控制，同时现代智能技术的应用下，利用智能开关逐渐代替传统电能质量监测和负荷控制设备，确保电能供应的顺利，最终促进社会经济的稳定发展。