智能監(jiān)控提高配電網(wǎng)可靠性

四大趨勢是改變配電網(wǎng)的運行條件，從而增加配電網(wǎng)的壓力。為了適應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)動態(tài)運行條件的必要條件。

介紹

四大趨勢正在改變配電網(wǎng)的運行條件，從而增加配電基礎設施的壓力：

能源使用偏好已轉(zhuǎn)向電力，導致電力使用增長率是其他能源的兩倍。

老化的配電設備現(xiàn)在平均比制造商建議的使用壽命要老。

增加電子負載的使用會降低負載功率因數(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)，而是動態(tài)的雙向鏈路，也將分布式發(fā)電資源連接到負載。

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

電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

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

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，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，但復合年增長率（CAGR）僅為3.44%。它也是整體能源使用復合年增長率1.69%和全球人口復合年增長率1.54%的兩倍多。

與此同時，大多數(shù)監(jiān)測技術部署發(fā)生在發(fā)電和輸電設施，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)公司正確假設變電站的測量反映了整個配電網(wǎng)的運行條件。然而，這個假設實際上不太有效，因為實際的電網(wǎng)使用變得更加復雜。

升級配電基礎設施的成本很高。根據(jù)EEI（愛迪生電氣研究所）委托進行的一項研究，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)。

除了用電量絕對值增加了三倍之外，電力負荷的性質(zhì)在同一時期也發(fā)生了影響電網(wǎng)容量的變化。發(fā)電和使用以能源術語（千瓦時）進行測量和計費。然而，公用事業(yè)公司根據(jù)電流來評估其配電能力。

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

功率因數(shù)是實際功率的量度，是實際功率和無功功率之和的一小部分。即使是高達 0.9 的功率因數(shù)，也比電力供應商可以向住宅和大多數(shù)商業(yè)客戶收費的電網(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)設備仍在使用，功率因數(shù)低至0.55，相當于82%的電網(wǎng)利用率超額（表1）。

圖1.功率因數(shù)小于 1.0 時，公用事業(yè)公司提供的電流會超過其向負載提供的有用功率所保證的電流。經(jīng)JAS技術媒體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）設備的滲透，這些設備向電網(wǎng)提供非線性負載。非線性負載會產(chǎn)生電流波形諧波，這也會降低功率因數(shù)并導致電網(wǎng)利用率過高。各種機構(gòu)和標準組織對電流波形的諧波含量設定了限制，通常根據(jù)控制規(guī)范和區(qū)域設置，計算對應于 40kHz 至 50kHz 測量帶寬的前 2 到 3 次諧波。

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

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

然而，電動汽車和混合動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個大都市地區(qū)，因此在采用電網(wǎng)的早期，它們對電網(wǎng)需求的影響將更大。8車主改用電動汽車或插電式混合動力汽車的一個動力是普通汽油和所謂的eGallon之間的成本差異 - 相當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訌碗s和動態(tài)的雙向系統(tǒng)。特別是，基于客戶的光伏和小型風力發(fā)電在其發(fā)電量超過客戶的即時使用量（如果存在）本地存儲容量時，會將電力推回配電網(wǎng)。中等規(guī)模的客戶擁有的光伏電站，例如出現(xiàn)在辦公樓和停車場屋頂上的光伏電站，每年可產(chǎn)生超過500kW的電力，供應超過250MWh。在低使用率期間，例如周末，這些設施可以將多余的能量推回配電網(wǎng)。

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

失敗的高昂代價

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

除了自身的財務動機外，電力公司還受到來自客戶、行業(yè)組織和監(jiān)管機構(gòu)的壓力，要求盡量減少可靠性事件。整個配電網(wǎng)的電力線監(jiān)視器可以與自動開關設備協(xié)同運行，以快速識別異常運行條件，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)控重要的基礎設施組件（如分支重合閘和二次變壓器）是快速保護方法不可或缺的一部分。監(jiān)控還可以從配電網(wǎng)邊緣提供有價值的數(shù)據(jù)。在次級變壓器層面部署電力線監(jiān)控還處于早期階段，但預計到2015年將超過傳統(tǒng)電力變壓器市場。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IC元件的可用性大大簡化了任務。

智能監(jiān)控

位于配電網(wǎng)中的電力線監(jiān)視器在拓撲上與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電源相位中每個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電源相和中性線中每個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 個結(jié)果信號并對其進行濾波，以確保帶外 （OOB） 能量在數(shù)字化過程中不會混疊到基帶（圖 <>）。

圖4.模擬和混合信號IC簡化了電源監(jiān)視器的設計任務。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，公用設施驅(qū)動三相，對之間偏移 120°;電壓以第四個零線為基準進行測量。在平衡負載條件下，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)省了應急響應的成本，又為客戶節(jié)省了意外現(xiàn)場故障的成本和不便。

計算一個線路周期內(nèi)的功率需要精確、同時測量每相和中性線的電壓和電流信號。對于每個導聯(lián)，監(jiān)視器必須計算：

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

歐盟針對62053.0類設備的IEC 2標準代表了對功率監(jiān)視器的要求，它要求測量誤差≤標稱電壓和電流的0.2%。功率因數(shù)測量要求相位匹配電壓和電流樣本≤0.1%。

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

來自線路八個電壓和電流樣本的數(shù)據(jù)可以饋送到微控制器或數(shù)字信號處理器（DSP），以提供精確的功率計算和功率因數(shù)評估。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。保護設備可以將功率數(shù)據(jù)用于快速動作的自動斷路器。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)流關閉斷路器，從而最大限度地減少下游電源中斷的持續(xù)時間。

審核編輯：郭婷