互聯(lián)網(wǎng)+背景下變電站技術(shù)發(fā)展方向探索

互聯(lián)網(wǎng)+背景下變電站技術(shù)發(fā)展方向探索

0采集處理數(shù)據(jù)方面存在的問(wèn)題2016年初，國(guó)家部委發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智能能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，開(kāi)啟了中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的新潮流。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中融合“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，可把用于電能傳輸和監(jiān)視控制的各種設(shè)備與電力生產(chǎn)者、消費(fèi)者進(jìn)行充分互聯(lián)互通，提高能源生產(chǎn)與能源消費(fèi)的友好互動(dòng)變電站是電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)能量傳輸和分配的核心節(jié)點(diǎn)，是電網(wǎng)的重要組成部分。變電站內(nèi)采集的數(shù)據(jù)主要有兩種：一種是反映電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，如一次設(shè)備電壓、電流等；另一種是反映設(shè)備運(yùn)行工況，如設(shè)備的分合狀態(tài)、當(dāng)前的溫度及內(nèi)部狀態(tài)等。目前，這些采集的數(shù)據(jù)在全面性、準(zhǔn)確性等方面仍存在一些不足，不利于電網(wǎng)設(shè)備全景監(jiān)視及精細(xì)化運(yùn)維，不足以支撐“多流合一”的能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量大幅增長(zhǎng)，尾氣污染成為困擾城市發(fā)展的難題，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)成為我國(guó)現(xiàn)階段培育和發(fā)展的重點(diǎn)。受城市土地資源緊張、部分配電線路輸電容量不足等因素影響，充電站建設(shè)較為緩慢且布點(diǎn)不足，制約了電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展。2019年5G通信技術(shù)在我國(guó)正式商用，將促進(jìn)城市向信息化、規(guī)模集群化、基礎(chǔ)設(shè)施智慧化、產(chǎn)業(yè)高端化、生態(tài)綠色化發(fā)展。但因5G使用的無(wú)線頻率更高等技術(shù)特點(diǎn)，5G基站數(shù)量和電能需求將遠(yuǎn)超原有基站，受城市土地資源及基站設(shè)備供電等問(wèn)題制約，新基站選址布點(diǎn)困難，短時(shí)內(nèi)大規(guī)模部署成本高、難度大。此外，變電站側(cè)對(duì)電力用戶的需求預(yù)測(cè)還存在不足，不利于電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度；電力客戶與電網(wǎng)互動(dòng)方面仍存在較大短板，距客戶按照市場(chǎng)杠桿主動(dòng)調(diào)整用電行為，主動(dòng)參與電網(wǎng)實(shí)時(shí)優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)，還有較大差距。1輔控設(shè)備數(shù)據(jù)采集近年建設(shè)的變電站主要由智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備構(gòu)成。智能化一次設(shè)備主要指包含智能組件的變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、互感器、線路、母線、電容/電抗器、可控串補(bǔ)、調(diào)相機(jī)、套管、避雷器等一次設(shè)備及其狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備主要指二次設(shè)備間通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)交互所需信息，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常信息告警及電網(wǎng)故障的處理。變電站內(nèi)采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)包括一次設(shè)備數(shù)據(jù)、二次設(shè)備數(shù)據(jù)、輔控設(shè)備數(shù)據(jù)等。一次設(shè)備數(shù)據(jù)是指反映用于直接傳輸電能的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，主要有電氣量和非電氣量數(shù)據(jù)。電氣量數(shù)據(jù)有穩(wěn)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)相量數(shù)據(jù)、暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)、電能計(jì)量數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等；非電氣量數(shù)據(jù)有輸變電在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。二次設(shè)備數(shù)據(jù)是指反映用于監(jiān)視控制一次設(shè)備和各類應(yīng)用功能狀態(tài)的數(shù)據(jù)，如繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置、自動(dòng)化設(shè)備、數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備、通信設(shè)備及這些設(shè)備的自檢信息等，主要包括設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)作判斷采集數(shù)據(jù)、定值（策略）參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全信息、裝置記錄文件和設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)。輔控設(shè)備數(shù)據(jù)是指反映變電站運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)的數(shù)據(jù)，如安消防、在線監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防誤閉鎖、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)視頻、機(jī)器人巡檢等設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。當(dāng)前變電站內(nèi)采集的數(shù)據(jù)不能完全滿足電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視、特性分析、設(shè)備監(jiān)控和運(yùn)維監(jiān)視等全景監(jiān)視的需求。隨著直流輸電和新能源發(fā)電容量占比的增加，電網(wǎng)特性由工頻主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷掝l特性，傳統(tǒng)SCADA/PMU數(shù)據(jù)以工頻采集為主，無(wú)法全面分析常規(guī)直流換相失敗、柔直引起的中高頻振蕩、新能源引起的次/超同步振蕩等現(xiàn)象；變電站溫濕度、風(fēng)力和光照等外部環(huán)境數(shù)據(jù)缺失，影響母線負(fù)荷預(yù)測(cè)、新能源發(fā)電預(yù)測(cè)等；還有當(dāng)前變電站數(shù)據(jù)絕大部分“原封不動(dòng)”傳輸至電網(wǎng)控制中心，電網(wǎng)故障后變電站側(cè)大量突發(fā)數(shù)據(jù)上送，導(dǎo)致關(guān)鍵信息“淹沒(méi)”，不利于運(yùn)行人員及時(shí)分析、判斷故障情況等。在變電站數(shù)據(jù)采集方面，增加寬頻測(cè)量、高精度暫態(tài)時(shí)域錄波等數(shù)據(jù)采集；增加三道防線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及定值（策略）參數(shù)、各類二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)、軟件版本等數(shù)據(jù)采集；增加外部環(huán)境、消防、安防、視頻等數(shù)據(jù)；增加變電站數(shù)據(jù)斷面凍結(jié)、周期傳送與變化傳送相結(jié)合的數(shù)據(jù)上送機(jī)制，提升主站潮流斷面數(shù)據(jù)的同步性，進(jìn)而提升在線分析、安全校核的準(zhǔn)確性。在變電站數(shù)據(jù)分層處理方面，集中部署的電網(wǎng)控制中心的實(shí)時(shí)運(yùn)算和存儲(chǔ)存在瓶頸，可充分利用變電站本地監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合處理能力，大幅減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及主站數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)壓力。在本地實(shí)現(xiàn)壞數(shù)據(jù)辨識(shí)、故障判斷、智能告警等功能，將結(jié)果數(shù)據(jù)傳動(dòng)到電網(wǎng)控制中心，減少原始數(shù)據(jù)及無(wú)效冗余數(shù)據(jù)傳輸；對(duì)于非實(shí)時(shí)監(jiān)視類數(shù)據(jù)，就地存儲(chǔ)于變電站本地，電網(wǎng)控制中心通過(guò)變電站的數(shù)據(jù)服務(wù)接口“按需調(diào)用”；統(tǒng)一變電站輔控設(shè)備數(shù)據(jù)采集的外部接口、通信協(xié)議和性能指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)輔控設(shè)備數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和上送。通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的研究與應(yīng)用，提升變電站內(nèi)電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的全面性、合理性、準(zhǔn)確性、可靠性和便捷性，為保障電網(wǎng)可靠、高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行和安全、便利檢修提供牢固的基礎(chǔ)。2變電站與充換電站一體建設(shè)規(guī)劃電動(dòng)汽車(chē)是減少空氣污染、方便大眾個(gè)性化出行的一種有效途徑，正在日益受到消費(fèi)者的青睞。電動(dòng)汽車(chē)的普及率主要受電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格、電池續(xù)航里程、配套充電設(shè)施的影響。其中在電動(dòng)汽車(chē)整體銷(xiāo)售價(jià)格方面，國(guó)家已出臺(tái)多項(xiàng)相關(guān)補(bǔ)貼政策；隨著電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和技術(shù)快速進(jìn)步，電池的續(xù)航里程也有了顯著提高；但配套充電設(shè)施建設(shè)仍相對(duì)滯后，成為影響電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要因素之一。電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施一般包括充電樁和充電站兩大類。充電樁分布較分散、充電容量小和投資經(jīng)濟(jì)性較差，主要位于居民小區(qū)、商場(chǎng)及超市停車(chē)場(chǎng)等；服務(wù)于普通私家車(chē)的公共充電站充電容量大、規(guī)模投資經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，但需綜合考慮城市規(guī)劃、交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、公共充電站的服務(wù)半徑、電源接入能力等因素，選址和定容較困難，制約了公共充電站的建設(shè)。綜合交通流量分析和現(xiàn)有配電網(wǎng)布局，可通過(guò)充分利用現(xiàn)有變電站傳輸容量和空間資源，構(gòu)建一個(gè)布局合理的充換電網(wǎng)絡(luò)，解決電動(dòng)汽車(chē)用戶的充電問(wèn)題，推動(dòng)整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用向規(guī)?；较虬l(fā)展。在充換電站與變電站一體建設(shè)規(guī)劃方面，國(guó)內(nèi)已有較多研究，如以滿足俘獲最大交通流量、配電網(wǎng)網(wǎng)損耗最小、運(yùn)行成本最低等多目標(biāo)，構(gòu)建最優(yōu)充電站布局的配電網(wǎng)規(guī)劃模型等電動(dòng)汽車(chē)充電方式主要有自由充電和有序充電。由于電能生產(chǎn)傳輸和消費(fèi)同時(shí)完成的特性，若大量電動(dòng)汽車(chē)自由充電（即無(wú)序充電），就將給電力系統(tǒng)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)顯著的負(fù)面影響，增加系統(tǒng)投資和網(wǎng)絡(luò)損耗、加劇負(fù)荷峰谷差及降低電能質(zhì)量等；而有序充電，在減少用戶出行費(fèi)用及節(jié)約投資方面，具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)汽車(chē)充電樁或充換電站的各智能設(shè)備通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與變電站間建立有線或無(wú)線的數(shù)據(jù)鏈接，用于變電站與電動(dòng)汽車(chē)用戶間協(xié)商充電時(shí)間、充電功率、起止時(shí)刻等；電動(dòng)汽車(chē)用戶可在充分利用電網(wǎng)傳輸容量，依據(jù)分時(shí)電價(jià)實(shí)現(xiàn)削峰填谷、減少配電網(wǎng)容量建設(shè)、降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本的同時(shí)，獲得價(jià)格低廉的電能，節(jié)約出行成本。在有光伏、風(fēng)電等新能源接入的微電網(wǎng)中，電動(dòng)汽車(chē)能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷，有效消納可再生能源，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性3g通信技術(shù)與5g間的互動(dòng)5G通信技術(shù)能提供更寬的帶寬、更短的延遲和更大容量的無(wú)線通信，但采用的頻譜更高、波長(zhǎng)更短，所以需大量的微基站以更密集的部署方式實(shí)現(xiàn)全面、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，微基站的選址布點(diǎn)成為各大運(yùn)營(yíng)商均要面對(duì)和解決的難題由變電站供電的路燈遍布城市，路燈桿具備通電聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，能滿足5G微基站配套建設(shè)需求。利用已有變電站的空間和能源資源，構(gòu)筑5G通信網(wǎng)絡(luò)的邊緣數(shù)據(jù)中心，為數(shù)據(jù)提供計(jì)算存儲(chǔ)、清洗、挖掘和云同步等服務(wù)；結(jié)合城市智慧路燈建設(shè)加快5G微基站布點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)城市5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，并節(jié)省基站投資。此外5G通信技術(shù)還可為配電網(wǎng)自動(dòng)化、電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維、電力用戶互動(dòng)等方面提供更方便、快捷的信息傳遞方式。5G通信技術(shù)為配電網(wǎng)自動(dòng)化提供了實(shí)時(shí)高速的數(shù)據(jù)傳輸通道，系統(tǒng)可采集全部能源站點(diǎn)的量測(cè)量，動(dòng)態(tài)感知配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)（電網(wǎng)電壓幅值相角、注入有功無(wú)功、諧波及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等），為配電網(wǎng)拓?fù)浔孀R(shí)、潮流分析、參數(shù)估計(jì)等提供支撐，便于開(kāi)展最優(yōu)潮流分析和電壓控制；便于配電網(wǎng)繼電保護(hù)設(shè)備交互所需實(shí)時(shí)信息，綜合分析全線路開(kāi)關(guān)量和模擬量，快速隔離故障點(diǎn)，提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。5G通信技術(shù)為電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供無(wú)線數(shù)據(jù)服務(wù)，方便采集各能源站點(diǎn)的變壓器、配電線路、新能源廠站的光伏電池板、風(fēng)機(jī)及儲(chǔ)能電池等電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)海量電氣設(shè)備互聯(lián)互通，便于自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)，感知外界環(huán)境（如溫度、風(fēng)速、陽(yáng)光強(qiáng)度等）的變化，幫助調(diào)度決策者進(jìn)行綜合分析，評(píng)估電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化電力設(shè)備檢修安排等；還可通過(guò)分析可再生能源發(fā)電設(shè)備特性，實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的監(jiān)控和預(yù)測(cè)，增大對(duì)可再生能源發(fā)電的消納能力，提高設(shè)備利用率，減少溫室氣體排放。5G通信技術(shù)為供電企業(yè)與用戶提供便捷的互動(dòng)通道，一方面供電企業(yè)可通過(guò)收集、統(tǒng)計(jì)用戶端信息，實(shí)現(xiàn)海量用戶用電模式的分析和提取，以此匹配最佳的發(fā)電、輸電和配電方案，提高供電可靠性與用電效率，降低網(wǎng)損；另一方面電能消費(fèi)者可根據(jù)與供電企業(yè)的互動(dòng)，自由選擇用電時(shí)間和用電模式，節(jié)約用電成本。4基于5g的穩(wěn)定控制方式滿足各類客戶的用電需求是智慧能源建設(shè)的初衷，這要求電網(wǎng)的傳輸能力要與用電負(fù)荷同增長(zhǎng)。雖然個(gè)體的用電行為特性具有隨機(jī)性，但是海量用電負(fù)荷疊加后整體配電網(wǎng)負(fù)荷具有一定的規(guī)律性。結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、天氣（溫度、濕度、降雨量等）、日期類型（工作日、周末、節(jié)假日）等因素，可推測(cè)未來(lái)電網(wǎng)負(fù)荷出現(xiàn)的大小、時(shí)間等，但受限于配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集密度不足，當(dāng)前配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)精度不高，尚不能給出較精細(xì)的負(fù)荷位置分布當(dāng)前電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中的調(diào)峰問(wèn)題日益突出，減小峰谷差有利于降低電網(wǎng)峰荷時(shí)段的重載水平，減少發(fā)電機(jī)組啟停調(diào)節(jié)，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)水平，而提高負(fù)荷側(cè)的互動(dòng)水平，引導(dǎo)用戶用電行為從負(fù)荷高峰時(shí)段向低谷時(shí)段轉(zhuǎn)移，無(wú)疑是減小峰谷差的有效途徑。當(dāng)前峰谷電價(jià)只能在一定程度上引導(dǎo)用戶在低谷時(shí)段用電，這種方式下電網(wǎng)與用戶側(cè)之間缺乏直接、充分的信息溝通，難以準(zhǔn)確、有效地調(diào)動(dòng)用戶側(cè)移峰資源滿足電網(wǎng)側(cè)移峰需求。當(dāng)前電網(wǎng)穩(wěn)定控制方式均采用集中式，設(shè)備布置于配電網(wǎng)大中型變電站。當(dāng)電網(wǎng)供需失衡或電網(wǎng)故障時(shí)，系統(tǒng)頻率急劇下降，穩(wěn)控裝置自動(dòng)按照事先計(jì)算并公布的停電序列，切除相應(yīng)負(fù)荷線路，以阻止系統(tǒng)瓦解。當(dāng)前的穩(wěn)控裝置切除的最小電壓等級(jí)是10kV線路，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)按負(fù)荷影響精準(zhǔn)控制。通過(guò)5G支持的“互聯(lián)網(wǎng)+”建設(shè)，在配電網(wǎng)電能傳輸各個(gè)環(huán)節(jié)和用戶側(cè)增加數(shù)據(jù)交互節(jié)點(diǎn)，將現(xiàn)有配電網(wǎng)改造成一個(gè)全網(wǎng)實(shí)時(shí)感知、用戶與電網(wǎng)友好互動(dòng)的能源互聯(lián)網(wǎng)。在負(fù)荷預(yù)測(cè)方面，利用變電站邊緣數(shù)據(jù)中心處理能力，結(jié)合歷史用電數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)處理方式，可給出更精準(zhǔn)的變電站負(fù)荷預(yù)測(cè)，方便電網(wǎng)監(jiān)視控制和遠(yuǎn)景規(guī)劃。準(zhǔn)確的超短期和短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，可大幅提高配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性，如設(shè)備搶修方面可通過(guò)分析供電能力和配電網(wǎng)故障分布特性，建立配電網(wǎng)停電信息模型，開(kāi)展駐點(diǎn)搶修預(yù)安排，減少搶修時(shí)間。準(zhǔn)確的中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)，尤其是空間負(fù)荷預(yù)測(cè)，可確定規(guī)劃期內(nèi)電網(wǎng)網(wǎng)架，合理確定中低壓配電設(shè)備的容量及位置，準(zhǔn)確進(jìn)行開(kāi)關(guān)站布點(diǎn)和線路走廊規(guī)劃。通過(guò)電網(wǎng)建設(shè)和改造，消除薄弱環(huán)節(jié)，以最小的投資成本實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)傳輸能力和利用效率的提升，避免因電網(wǎng)傳輸容量不足而無(wú)法滿足用電需求，或因設(shè)計(jì)容量過(guò)剩而導(dǎo)致投資浪費(fèi)，使電網(wǎng)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)可靠和高效。在用戶與電網(wǎng)互動(dòng)方面，用電客戶可根據(jù)自身負(fù)荷特性主動(dòng)響應(yīng)電網(wǎng)移峰需求，同時(shí)獲取價(jià)格低廉的電能，降低用電成本?？蛻敉ㄟ^(guò)申報(bào)機(jī)制與電網(wǎng)側(cè)互動(dòng)，報(bào)送自身的用電意愿和移峰負(fù)荷及成本等，最大限度挖掘需求側(cè)潛在的可移峰負(fù)荷；調(diào)度中心在充分考慮用戶側(cè)意愿和電網(wǎng)側(cè)運(yùn)行需求的基礎(chǔ)上，優(yōu)先調(diào)用互動(dòng)負(fù)荷滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求，避免用戶自主移峰可能給系統(tǒng)運(yùn)行方式帶來(lái)的不良影響，實(shí)現(xiàn)了用戶與電網(wǎng)之間的按需精準(zhǔn)互動(dòng)。在穩(wěn)定控制方面，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集和控制各類配電網(wǎng)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)負(fù)荷特性的實(shí)時(shí)感知。采用精準(zhǔn)負(fù)荷控制策略，將切除負(fù)荷精確到企事業(yè)單位內(nèi)部可中斷的空調(diào)、照明等380V負(fù)荷，在系統(tǒng)頻率下降急需切除負(fù)荷時(shí)，在保障電網(wǎng)安全的前提下，切除這類影響較小的負(fù)荷，進(jìn)一步減少對(duì)社會(huì)生活的影響。5基于5g通信的智慧能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案隨著智慧城市建設(shè)的不斷推進(jìn)和發(fā)展，以及5G大容量無(wú)線通信技術(shù)的推廣應(yīng)用，必將深刻改變整個(gè)社會(huì)