互联网+背景下变电站技术发展方向探索

互联网+背景下变电站技术发展方向探索

0采集处理数据方面存在的问题2016年初，国家部委发布了《关于促进“互联网+”智能能源发展的指导意见》，开启了中国能源互联网建设的新潮流。传统电力系统中融合“互联网+”技术，可把用于电能传输和监视控制的各种设备与电力生产者、消费者进行充分互联互通，提高能源生产与能源消费的友好互动变电站是电网中实现能量传输和分配的核心节点，是电网的重要组成部分。变电站内采集的数据主要有两种：一种是反映电网运行状态，如一次设备电压、电流等；另一种是反映设备运行工况，如设备的分合状态、当前的温度及内部状态等。目前，这些采集的数据在全面性、准确性等方面仍存在一些不足，不利于电网设备全景监视及精细化运维，不足以支撑“多流合一”的能源互联网运转模式。随着我国经济快速发展，机动车保有量大幅增长，尾气污染成为困扰城市发展的难题，电动汽车产业成为我国现阶段培育和发展的重点。受城市土地资源紧张、部分配电线路输电容量不足等因素影响，充电站建设较为缓慢且布点不足，制约了电动汽车的快速发展。2019年5G通信技术在我国正式商用，将促进城市向信息化、规模集群化、基础设施智慧化、产业高端化、生态绿色化发展。但因5G使用的无线频率更高等技术特点，5G基站数量和电能需求将远超原有基站，受城市土地资源及基站设备供电等问题制约，新基站选址布点困难，短时内大规模部署成本高、难度大。此外，变电站侧对电力用户的需求预测还存在不足，不利于电网的经济调度；电力客户与电网互动方面仍存在较大短板，距客户按照市场杠杆主动调整用电行为，主动参与电网实时优化运行的目标，还有较大差距。1辅控设备数据采集近年建设的变电站主要由智能化一次设备和网络化二次设备构成。智能化一次设备主要指包含智能组件的变压器、断路器、隔离开关、互感器、线路、母线、电容/电抗器、可控串补、调相机、套管、避雷器等一次设备及其状态监测等。网络化二次设备主要指二次设备间通过通信网络交互所需信息，以实现设备状态监测、异常信息告警及电网故障的处理。变电站内采集的电网数据包括一次设备数据、二次设备数据、辅控设备数据等。一次设备数据是指反映用于直接传输电能的设备运行状态，主要有电气量和非电气量数据。电气量数据有稳态监控数据、动态相量数据、暂态录波数据、电能计量数据、电能质量在线监测数据等；非电气量数据有输变电在线监测数据等。二次设备数据是指反映用于监视控制一次设备和各类应用功能状态的数据，如继电保护及安全自动装置、自动化设备、数据网设备、通信设备及这些设备的自检信息等，主要包括设备的运行状态数据、动作判断采集数据、定值（策略）参数、网络安全信息、装置记录文件和设备台账数据。辅控设备数据是指反映变电站运行环境状态的数据，如安消防、在线监测、环境监测、防误闭锁、环境监测、工业视频、机器人巡检等设备和系统的运行状态及其业务数据。当前变电站内采集的数据不能完全满足电网运行监视、特性分析、设备监控和运维监视等全景监视的需求。随着直流输电和新能源发电容量占比的增加，电网特性由工频主导转变为宽频特性，传统SCADA/PMU数据以工频采集为主，无法全面分析常规直流换相失败、柔直引起的中高频振荡、新能源引起的次/超同步振荡等现象；变电站温湿度、风力和光照等外部环境数据缺失，影响母线负荷预测、新能源发电预测等；还有当前变电站数据绝大部分“原封不动”传输至电网控制中心，电网故障后变电站侧大量突发数据上送，导致关键信息“淹没”，不利于运行人员及时分析、判断故障情况等。在变电站数据采集方面，增加宽频测量、高精度暂态时域录波等数据采集；增加三道防线设备运行状态及定值（策略）参数、各类二次设备网络安全状态、软件版本等数据采集；增加外部环境、消防、安防、视频等数据；增加变电站数据断面冻结、周期传送与变化传送相结合的数据上送机制，提升主站潮流断面数据的同步性，进而提升在线分析、安全校核的准确性。在变电站数据分层处理方面，集中部署的电网控制中心的实时运算和存储存在瓶颈，可充分利用变电站本地监控系统的数据整合处理能力，大幅减轻网络负载及主站数据处理和存储压力。在本地实现坏数据辨识、故障判断、智能告警等功能，将结果数据传动到电网控制中心，减少原始数据及无效冗余数据传输；对于非实时监视类数据，就地存储于变电站本地，电网控制中心通过变电站的数据服务接口“按需调用”；统一变电站辅控设备数据采集的外部接口、通信协议和性能指标要求，实现辅控设备数据的统一采集和上送。通过“互联网+”技术的研究与应用，提升变电站内电网数据采集的全面性、合理性、准确性、可靠性和便捷性，为保障电网可靠、高效、经济、稳定运行和安全、便利检修提供牢固的基础。2变电站与充换电站一体建设规划电动汽车是减少空气污染、方便大众个性化出行的一种有效途径，正在日益受到消费者的青睐。电动汽车的普及率主要受电动汽车的价格、电池续航里程、配套充电设施的影响。其中在电动汽车整体销售价格方面，国家已出台多项相关补贴政策；随着电池产业化发展和技术快速进步，电池的续航里程也有了显著提高；但配套充电设施建设仍相对滞后，成为影响电动汽车发展的主要因素之一。电动汽车充电基础设施一般包括充电桩和充电站两大类。充电桩分布较分散、充电容量小和投资经济性较差，主要位于居民小区、商场及超市停车场等；服务于普通私家车的公共充电站充电容量大、规模投资经济性强，但需综合考虑城市规划、交通网络建设、公共充电站的服务半径、电源接入能力等因素，选址和定容较困难，制约了公共充电站的建设。综合交通流量分析和现有配电网布局，可通过充分利用现有变电站传输容量和空间资源，构建一个布局合理的充换电网络，解决电动汽车用户的充电问题，推动整个电动汽车应用向规模化方向发展。在充换电站与变电站一体建设规划方面，国内已有较多研究，如以满足俘获最大交通流量、配电网网损耗最小、运行成本最低等多目标，构建最优充电站布局的配电网规划模型等电动汽车充电方式主要有自由充电和有序充电。由于电能生产传输和消费同时完成的特性，若大量电动汽车自由充电（即无序充电），就将给电力系统安全与经济运行带来显著的负面影响，增加系统投资和网络损耗、加剧负荷峰谷差及降低电能质量等；而有序充电，在减少用户出行费用及节约投资方面，具有较明显的优势。电动汽车充电桩或充换电站的各智能设备通过物联网与变电站间建立有线或无线的数据链接，用于变电站与电动汽车用户间协商充电时间、充电功率、起止时刻等；电动汽车用户可在充分利用电网传输容量，依据分时电价实现削峰填谷、减少配电网容量建设、降低电力系统运行成本的同时，获得价格低廉的电能，节约出行成本。在有光伏、风电等新能源接入的微电网中，电动汽车能实现电网削峰填谷，有效消纳可再生能源，提高微电网系统经济性3g通信技术与5g间的互动5G通信技术能提供更宽的带宽、更短的延迟和更大容量的无线通信，但采用的频谱更高、波长更短，所以需大量的微基站以更密集的部署方式实现全面、稳定的网络覆盖，微基站的选址布点成为各大运营商均要面对和解决的难题由变电站供电的路灯遍布城市，路灯杆具备通电联网的优势，能满足5G微基站配套建设需求。利用已有变电站的空间和能源资源，构筑5G通信网络的边缘数据中心，为数据提供计算存储、清洗、挖掘和云同步等服务；结合城市智慧路灯建设加快5G微基站布点，实现城市5G网络全覆盖，并节省基站投资。此外5G通信技术还可为配电网自动化、电网设备运维、电力用户互动等方面提供更方便、快捷的信息传递方式。5G通信技术为配电网自动化提供了实时高速的数据传输通道，系统可采集全部能源站点的量测量，动态感知配电网络的运行状态（电网电压幅值相角、注入有功无功、谐波及设备运行状态等），为配电网拓扑辨识、潮流分析、参数估计等提供支撑，便于开展最优潮流分析和电压控制；便于配电网继电保护设备交互所需实时信息，综合分析全线路开关量和模拟量，快速隔离故障点，提高配电网运行可靠性。5G通信技术为电力设备状态监测提供无线数据服务，方便采集各能源站点的变压器、配电线路、新能源厂站的光伏电池板、风机及储能电池等电气设备的运行状态，实现海量电气设备互联互通，便于自动化系统实时监测电力设备各项参数，感知外界环境（如温度、风速、阳光强度等）的变化，帮助调度决策者进行综合分析，评估电力设备运行状态，优化电力设备检修安排等；还可通过分析可再生能源发电设备特性，实现可再生能源发电的监控和预测，增大对可再生能源发电的消纳能力，提高设备利用率，减少温室气体排放。5G通信技术为供电企业与用户提供便捷的互动通道，一方面供电企业可通过收集、统计用户端信息，实现海量用户用电模式的分析和提取，以此匹配最佳的发电、输电和配电方案，提高供电可靠性与用电效率，降低网损；另一方面电能消费者可根据与供电企业的互动，自由选择用电时间和用电模式，节约用电成本。4基于5g的稳定控制方式满足各类客户的用电需求是智慧能源建设的初衷，这要求电网的传输能力要与用电负荷同增长。虽然个体的用电行为特性具有随机性，但是海量用电负荷叠加后整体配电网负荷具有一定的规律性。结合历史数据、天气（温度、湿度、降雨量等）、日期类型（工作日、周末、节假日）等因素，可推测未来电网负荷出现的大小、时间等，但受限于配电网数据采集密度不足，当前配电网负荷预测精度不高，尚不能给出较精细的负荷位置分布当前电网调度运行中的调峰问题日益突出，减小峰谷差有利于降低电网峰荷时段的重载水平，减少发电机组启停调节，有效提高系统运行的安全经济水平，而提高负荷侧的互动水平，引导用户用电行为从负荷高峰时段向低谷时段转移，无疑是减小峰谷差的有效途径。当前峰谷电价只能在一定程度上引导用户在低谷时段用电，这种方式下电网与用户侧之间缺乏直接、充分的信息沟通，难以准确、有效地调动用户侧移峰资源满足电网侧移峰需求。当前电网稳定控制方式均采用集中式，设备布置于配电网大中型变电站。当电网供需失衡或电网故障时，系统频率急剧下降，稳控装置自动按照事先计算并公布的停电序列，切除相应负荷线路，以阻止系统瓦解。当前的稳控装置切除的最小电压等级是10kV线路，尚无法实现按负荷影响精准控制。通过5G支持的“互联网+”建设，在配电网电能传输各个环节和用户侧增加数据交互节点，将现有配电网改造成一个全网实时感知、用户与电网友好互动的能源互联网。在负荷预测方面，利用变电站边缘数据中心处理能力，结合历史用电数据和大数据处理方式，可给出更精准的变电站负荷预测，方便电网监视控制和远景规划。准确的超短期和短期负荷预测，可大幅提高配电网运行经济性和可靠性，如设备抢修方面可通过分析供电能力和配电网故障分布特性，建立配电网停电信息模型，开展驻点抢修预安排，减少抢修时间。准确的中长期负荷预测，尤其是空间负荷预测，可确定规划期内电网网架，合理确定中低压配电设备的容量及位置，准确进行开关站布点和线路走廊规划。通过电网建设和改造，消除薄弱环节，以最小的投资成本实现电网传输能力和利用效率的提升，避免因电网传输容量不足而无法满足用电需求，或因设计容量过剩而导致投资浪费，使电网运行更经济可靠和高效。在用户与电网互动方面，用电客户可根据自身负荷特性主动响应电网移峰需求，同时获取价格低廉的电能，降低用电成本。客户通过申报机制与电网侧互动，报送自身的用电意愿和移峰负荷及成本等，最大限度挖掘需求侧潜在的可移峰负荷；调度中心在充分考虑用户侧意愿和电网侧运行需求的基础上，优先调用互动负荷满足系统调峰需求，避免用户自主移峰可能给系统运行方式带来的不良影响，实现了用户与电网之间的按需精准互动。在稳定控制方面，通过物联网系统采集和控制各类配电网终端设备，实现全网负荷特性的实时感知。采用精准负荷控制策略，将切除负荷精确到企事业单位内部可中断的空调、照明等380V负荷，在系统频率下降急需切除负荷时，在保障电网安全的前提下，切除这类影响较小的负荷，进一步减少对社会生活的影响。5基于5g通信的智慧能源网络建设方案随着智慧城市建设的不断推进和发展，以及5G大容量无线通信技术的推广应用，必将深刻改变整个社会