智能監(jiān)控提高配電網(wǎng)可靠性

四大趨勢(shì)是改變配電網(wǎng)的運(yùn)行條件，從而增加配電網(wǎng)的壓力。為了適應(yīng)不斷變化的使用模式并提高可靠性，智能電力線監(jiān)視器是公用事業(yè)公司跟蹤配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件的必要條件。

介紹

四大趨勢(shì)正在改變配電網(wǎng)的運(yùn)行條件，從而增加配電基礎(chǔ)設(shè)施的壓力：

能源使用偏好已轉(zhuǎn)向電力，導(dǎo)致電力使用增長率是其他能源的兩倍。

老化的配電設(shè)備現(xiàn)在平均比制造商建議的使用壽命要老。

增加電子負(fù)載的使用會(huì)降低負(fù)載功率因數(shù)并降低電網(wǎng)利用效率。

配電網(wǎng)不再是靜態(tài)的單向供電系統(tǒng)，而是動(dòng)態(tài)的雙向鏈路，也將分布式發(fā)電資源連接到負(fù)載。

為了適應(yīng)不斷變化的使用模式并提高可靠性，智能電力線監(jiān)視器對(duì)于公用事業(yè)公司跟蹤配電網(wǎng)上的動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件是必要的。讓我們仔細(xì)看看。

電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

在結(jié)構(gòu)上，配電網(wǎng)在過去一個(gè)世紀(jì)中變化不大。它們發(fā)展到在中等距離上為相對(duì)適中的線性負(fù)載提供服務(wù)。直到幾十年前，該模型還是配電網(wǎng)運(yùn)行條件的真實(shí)特征。

然而，在過去的幾十年里，電力的使用一直在變化。根據(jù)IEC（國際能源署）的估計(jì)，5年至1年間，全球電力需求從17.9PWh上升到1015.1973PWh（2010 Wh）。?1盡管37年來電力使用量增加了兩倍多，但復(fù)合年增長率（CAGR）僅為3.44%。它也是整體能源使用復(fù)合年增長率1.69%和全球人口復(fù)合年增長率1.54%的兩倍多。

與此同時(shí)，大多數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)部署發(fā)生在發(fā)電和輸電設(shè)施，配電網(wǎng)上的監(jiān)控僅限于變電站的頭端。歷史使用模型允許公用事業(yè)公司正確假設(shè)變電站的測(cè)量反映了整個(gè)配電網(wǎng)的運(yùn)行條件。然而，這個(gè)假設(shè)實(shí)際上不太有效，因?yàn)閷?shí)際的電網(wǎng)使用變得更加復(fù)雜。

升級(jí)配電基礎(chǔ)設(shè)施的成本很高。根據(jù)EEI（愛迪生電氣研究所）委托進(jìn)行的一項(xiàng)研究，新建架空配電線路的成本從每英里86，700美元到1，000，000美元（美元）不等，具體取決于地點(diǎn)和人口密度。3新建地下配電線路的成本是架空電線的三倍以上。因此，公用事業(yè)公司渴望盡可能多地利用現(xiàn)有配電網(wǎng)。

除了用電量絕對(duì)值增加了三倍之外，電力負(fù)荷的性質(zhì)在同一時(shí)期也發(fā)生了影響電網(wǎng)容量的變化。發(fā)電和使用以能源術(shù)語（千瓦時(shí)）進(jìn)行測(cè)量和計(jì)費(fèi)。然而，公用事業(yè)公司根據(jù)電流來評(píng)估其配電能力。

客戶為實(shí)際功率付費(fèi)，即電壓和電流波形的瞬時(shí)乘積。非阻性負(fù)載呈現(xiàn)的電流波形與電壓波形不嚴(yán)格同相。在這種情況下，可以將電流波形分為實(shí)相位或同相分量和無功或正交相位分量。負(fù)載從電流波形的實(shí)際分量中提取有用的功，但公用設(shè)施必須提供總電流。

功率因數(shù)是實(shí)際功率的量度，是實(shí)際功率和無功功率之和的一小部分。即使是高達(dá) 0.9 的功率因數(shù)，也比電力供應(yīng)商可以向住宅和大多數(shù)商業(yè)客戶收費(fèi)的電網(wǎng)利用率高出 11%（圖 1）。盡管電子制造商一直在提高其產(chǎn)品的功率因數(shù)性能，但大量傳統(tǒng)設(shè)備仍在使用，功率因數(shù)低至0.55，相當(dāng)于82%的電網(wǎng)利用率超額（表1）。

圖1.功率因數(shù)小于 1.0 時(shí)，公用事業(yè)公司提供的電流會(huì)超過其向負(fù)載提供的有用功率所保證的電流。經(jīng)JAS技術(shù)媒體2013許可使用的數(shù)據(jù)和圖形。?

在過去幾十年中，能源使用增長的大部分是由于電子（與電氣不同）設(shè)備的滲透，這些設(shè)備向電網(wǎng)提供非線性負(fù)載。非線性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生電流波形諧波，這也會(huì)降低功率因數(shù)并導(dǎo)致電網(wǎng)利用率過高。各種機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)電流波形的諧波含量設(shè)定了限制，通常根據(jù)控制規(guī)范和區(qū)域設(shè)置，計(jì)算對(duì)應(yīng)于 40kHz 至 50kHz 測(cè)量帶寬的前 2 到 3 次諧波。

在各種用戶部門中，運(yùn)輸歷來只占配電網(wǎng)總負(fù)荷的一小部分。5按百分比計(jì)算，運(yùn)輸占全球電能使用總量的比例較小，但按絕對(duì)值計(jì)算，該部門增加了一倍多（表2）。

在美國，運(yùn)輸部門的電力使用量增長速度將超過歷史有機(jī)增長率，部分原因是2011年白宮的一項(xiàng)倡議，目標(biāo)是到2015年累計(jì)使用<>萬輛電動(dòng)乘用車（EV）。7與此同時(shí)，混合動(dòng)力汽車（HEV）的銷量已增長到美國每年3萬輛汽車市場(chǎng)的近12%，并且對(duì)這些汽車的插電式版本的興趣也在增長。

然而，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的采用并沒有均勻地分布在全國范圍內(nèi)。相反，銷售往往集中在24個(gè)大都市地區(qū)，因此在采用電網(wǎng)的早期，它們對(duì)電網(wǎng)需求的影響將更大。8車主改用電動(dòng)汽車或插電式混合動(dòng)力汽車的一個(gè)動(dòng)力是普通汽油和所謂的eGallon之間的成本差異 - 相當(dāng)于一加侖普通汽油的電能成本：2013年3月，美國一加侖普通汽油的平均價(jià)格為56.1美元，而eGallon為22.<>美元。

最后，分布式發(fā)電，特別是中小型可再生能源正在將配電網(wǎng)從靜態(tài)的單向供電結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦訌?fù)雜和動(dòng)態(tài)的雙向系統(tǒng)。特別是，基于客戶的光伏和小型風(fēng)力發(fā)電在其發(fā)電量超過客戶的即時(shí)使用量（如果存在）本地存儲(chǔ)容量時(shí)，會(huì)將電力推回配電網(wǎng)。中等規(guī)模的客戶擁有的光伏電站，例如出現(xiàn)在辦公樓和停車場(chǎng)屋頂上的光伏電站，每年可產(chǎn)生超過500kW的電力，供應(yīng)超過250MWh。在低使用率期間，例如周末，這些設(shè)施可以將多余的能量推回配電網(wǎng)。

由于配電網(wǎng)的歷史運(yùn)營模式，公用事業(yè)公司一直在努力檢測(cè)和響應(yīng)各種電網(wǎng)狀況，例如分布式發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)邊緣的電壓。

失敗的高昂代價(jià)

根據(jù)勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的基本案例估計(jì)，電力可靠性事件（即電力故障）對(duì)美國電力公司客戶的年度經(jīng)濟(jì)后果約為79億美元。10其中，大約 2/3 歸因于短暫的服務(wù)中斷——持續(xù)時(shí)間不到五分鐘的服務(wù)中斷。其余時(shí)間的持續(xù)時(shí)間可以從幾分鐘到幾天不等。損失數(shù)字不包括對(duì)電源故障緩解設(shè)備的投資，例如客戶擁有的備用發(fā)電、電池或電源調(diào)節(jié)設(shè)備，以緩和電能質(zhì)量事件。

除了自身的財(cái)務(wù)動(dòng)機(jī)外，電力公司還受到來自客戶、行業(yè)組織和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的壓力，要求盡量減少可靠性事件。整個(gè)配電網(wǎng)的電力線監(jiān)視器可以與自動(dòng)開關(guān)設(shè)備協(xié)同運(yùn)行，以快速識(shí)別異常運(yùn)行條件，在受影響區(qū)域周圍布線，并加快問題解決。

除了資產(chǎn)管理之外，監(jiān)控重要的基礎(chǔ)設(shè)施組件（如分支重合閘和二次變壓器）是快速保護(hù)方法不可或缺的一部分。監(jiān)控還可以從配電網(wǎng)邊緣提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。在次級(jí)變壓器層面部署電力線監(jiān)控還處于早期階段，但預(yù)計(jì)到2015年將超過傳統(tǒng)電力變壓器市場(chǎng)。12這種發(fā)展之所以成為可能，部分原因是模擬和混合信號(hào)IC元件的可用性大大簡化了任務(wù)。

智能監(jiān)控

位于配電網(wǎng)中的電力線監(jiān)視器在拓?fù)渖吓c變電站和電力輸送系統(tǒng)中其他地方的監(jiān)視器相似。電壓互感器提供三個(gè)電源相位中每個(gè)相位和中性線上電壓的縮放表示。類似地，電流互感器提供通過三個(gè)電源相和中性線中每個(gè)電源相的電流的電壓表示。監(jiān)視器的模擬前端 （AFE） 電子器件可以緩沖 4 個(gè)結(jié)果信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行濾波，以確保帶外 （OOB） 能量在數(shù)字化過程中不會(huì)混疊到基帶（圖 <>）。

圖4.模擬和混合信號(hào)IC簡化了電源監(jiān)視器的設(shè)計(jì)任務(wù)。如本電位和電流（PT/CT）變壓器圖中的陰影區(qū)域所示，ADI公司提供了大多數(shù)必要的功能。

在常見的星形連接配電系統(tǒng)中，公用設(shè)施驅(qū)動(dòng)三相，對(duì)之間偏移 120°;電壓以第四個(gè)零線為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。在平衡負(fù)載條件下，100%的電流流過相連接。流過中性線的電流表示不平衡。例如，這種不平衡可能表明二次變壓器的絕緣系統(tǒng)出現(xiàn)了缺陷，從而為公用事業(yè)公司提供提前警告，并允許他們按計(jì)劃更換變壓器。這種邊緣信息收集既為公用事業(yè)公司節(jié)省了應(yīng)急響應(yīng)的成本，又為客戶節(jié)省了意外現(xiàn)場(chǎng)故障的成本和不便。

計(jì)算一個(gè)線路周期內(nèi)的功率需要精確、同時(shí)測(cè)量每相和中性線的電壓和電流信號(hào)。對(duì)于每個(gè)導(dǎo)聯(lián)，監(jiān)視器必須計(jì)算：

其中 v（θ） 是循環(huán)相位 θ 的瞬時(shí)電壓，i（θ） 是瞬時(shí)電流。監(jiān)視器可以通過將電壓和電流的RMS值相乘并減去實(shí)際分量來計(jì)算無功功率。

歐盟針對(duì)62053.0類設(shè)備的IEC 2標(biāo)準(zhǔn)代表了對(duì)功率監(jiān)視器的要求，它要求測(cè)量誤差≤標(biāo)稱電壓和電流的0.2%。功率因數(shù)測(cè)量要求相位匹配電壓和電流樣本≤0.1%。

這種測(cè)量規(guī)范要求三相線路所需的八個(gè)數(shù)字化儀彼此緊密匹配，并且它們的采樣時(shí)間受到嚴(yán)格控制。ADI公司等模擬和混合信號(hào)IC制造商提供4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），如MAX11040K，非常適合這些測(cè)量。ADC的差分輸入和控制功能允許對(duì)多達(dá)32個(gè)通道進(jìn)行同步采樣分組。集成8通道ADC，如MAX11046，也可用于使用單端輸入的監(jiān)視應(yīng)用。

來自線路八個(gè)電壓和電流樣本的數(shù)據(jù)可以饋送到微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），以提供精確的功率計(jì)算和功率因數(shù)評(píng)估。系統(tǒng)可以使用功率因數(shù)數(shù)據(jù)來控制本地電容器組，從而提高整體電網(wǎng)利用率。保護(hù)設(shè)備可以將功率數(shù)據(jù)用于快速動(dòng)作的自動(dòng)斷路器。此類系統(tǒng)不僅可以在發(fā)生足夠大的線路異常時(shí)利用數(shù)據(jù)快速斷開斷路器，還可以使用相同的數(shù)據(jù)流關(guān)閉斷路器，從而最大限度地減少下游電源中斷的持續(xù)時(shí)間。

審核編輯：郭婷