基于智能开关的配网电能质量监测及其分布式治理技术研究

胡一帆，范伟松，斯 荣，吴自强，孙嘉杰

（深圳供电局有限公司，广东深圳 518101）

引言

随着我国经济水平提高，配电网末端用户形式多样的用电设备对电能质量以及供电的可靠性都提出了更高的要求。随着信息技术的不断发展，传感器变得越来越智能和小体积，也使得配电网变得越来越智能化[1-5]。传统开关或者断路器的控制回路和信号回路都是依靠线路实现，而且保护装置和断路器等执行元件的连接较为复杂，造成了大量的电缆和空间浪费，更无法获取电网中关键节点的实时数据，导致控制中心无法获得实时数据，也无法了解到开关的运行状态。

因此本研究提出一种智能开关，包含多个小微智能传感器，可实时通过WIFI等通讯技术，将得到的电压、电流等多种数据传到云平台，从而利用大数据算法对电网运行状态进行电能质量评估。基于这种智能开关，创建一个从10 kV变压器到框架断路器最后到入户断路器的三级结点智能化配电网络，通过大量实时数据，来制定合适的电能质量评估策略。

1 含智能开关的三级结点智能化配电网络

图1为智能开关结构图，采用了一二次融合的技术，将传统的电压/电流互感器替代为电压/电流传感器，使一二次设备不是相互独立的。通过传感器的作用，融合了线路通断、数据采集、数据识别、数据发送等功能。

图1 智能开关结构

图2为三级结点智能化配电网络。基于上述智能开关，建设含10 kV配变、框架断路器、入户断路器/开关的三级结点智能化配电网络。

图2 三级结点智能化配电网络

从图2中可以看出，通过在配电变压器处安装智能开关，构成系统的一级智能结点，在框架断路器处安装智能开关，构成系统的二级智能结点，在入户断路器处安装智能开关构成三级智能结点。通过智能开关中的传感器，可以实时测得电力系统的大量数据，并通过4G/5G技术上传到云平台，通过对这些数据进行处理，可以实时了解到相应台区的运行状况，并能按照给定的电能质量评估策略，对电能质量进行综合治理。

2 分布式电能质量监测技术

2.1 功率因数检查

当系统中的电压、电流的波形发生严重畸变或在非正弦电路中，无功功率会在谐波分量产生，因此无法用测量相位的方法来测量功率因数。因此在智能电网中，功率因数的准确测量是非常重要的。

在实际电路中，传感器测得的电压和测得的电流的相位差的余弦值就是电路的功率因数，在计算时，为有功功率除以视在功率得到的数值。目前有两种测量功率因数的方法，第一种是基于智能开关的安装，通过传感器采样获得的数据来得到负载的无功功率和有功功率，然后通过给定的公式自动算出功率因数；第二种是通过智能开关得到的波形图，从波形图中找到与X轴交叉的点，然后通过找出这个点对应的时间，得出此时电压电流的相位角。然后通过互感器处理得到低压信号，进一步利用整形电路将此信号转换为TTL脉冲方波信号。其中的测量原理是通过计算过X轴的时间差，再通过计算频率得到功率因数。图3为功率因数监测流程。

图3 功率因数监测系统

2.2 总谐波畸变率检查

在国际标准中，谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1的n次分量，n是正整数。消除和减少谐波成分可以有效地维护电力系统的正常运行，使其具有良好的可靠性和经济性，因此对于谐波的监测变得越来越重要。本研究提出一种基于智能开关构成的三级结点网络的谐波总畸变率监测方法。以电压为例，第n次谐波电压含有率以HRUn表示，即：

式中：Un为第n次谐波电压方均根值；U1为基波电压有效值。

波形畸变的程度，常以其总谐波畸变率来表示，作为衡量电能质量的一个指标。电压谐波总畸变率THDu为：

在基于智能开关的配电网中，在10 kV配电变压器、框架断路器和入户断路器中安装的智能开关含有大量的小微传感器，通过众多的传感器可以获得大量电力系统中的实时数据。对得到的谐波处电压、电流样本的处理，可以得到合适的转换信号传输给信号调节装置。信号调节装置是由传感器和滤波器组成，将得到处理信号转换到合适的电压信号，然后开始低通滤波处理。图4是谐波监测系统图。

图4 谐波监测系统

3 电能质量评估与治理

3.1 电能质量综合评估策略

本研究采用模糊数学来进行电能质量综合评估。基于大数据的模糊评估法是对电能质量的各种参数利用模糊变换原理的综合评估，利用加权平均法和权重分配法，能有效地在评估流程中避免模糊性识别中就近原则和最大归属原理的片面性，也能准确地给各个电能评估指标的重要程度排序。模糊综合评判的一般步骤如下：（1）建立因素集U={u1,u2,…,un}，其子集中的因数表示对判断对象产生影响的各种因素；（2）建立判断集V={v1,v2,…,vm}，其子集中的数表示判断者对评判对象可能做出的各种总的评判结果；（3）单因素模糊评判，即对因素集中的每个元素ui的判断，得到判断集上的模糊集Ri=(ri1,ri2,…,rim)，最后得到评判矩阵R=(R1,R2,…,Rn)；（4）建立权重集A={a1,a2,…,an}，用来表示各个因素的重要程度，且ai满足；（5）模糊综合评判，对A和R进行合成运算得到综合评判集，最后对综合评判集最加权平均处理，即为最后的评判结果。

当评估电能质量时，使用的模糊综合评估方法和概率统计方法在一定程度上很相似。第一步是计划好选取的评估时段，根据国家标准确定好电能质量等级。第二步是构造评估矩阵，在形成评估矩阵时，首先根据大数据技术求得选取的时间段的各个参数对应数值的隶属度集合，然后根据云计算平台算出全部隶属度在每个电能质量等级的百分比，从而形成评估矩阵。

3.2 电能智能综合治理方法

根据智能开关数据得到电能质量综合评估模型，然后可以根据评判结果对电能质量进行综合治理[6-8]。稳定好电能质量，就是要治理好谐波，谐波的处理方法就是使用有源滤波器（或无源滤波器）。

以深圳市供电局配电台区为研究对象，对配电台区内的各种负荷进行智能监控，并对该配电台区实行智能化改造。配电台区的线路智能化改造从自动化、信息化、互动化、网络化、控制程序化和费控远程化等6个方向进行。通过智能断路器实现配电台区供、用电信息采集然后对各项运行指标进行实时监测。为实现上述功能，还采用了架空绝缘导线、智能断路器、三相不平衡调节模块等设备。最后，在云端搭建了一个基于智能开关的云服务管理平台，借助于智能开关所提供的模拟信号、数字信号和故障信息等数据，将云平台和电能源控系统构成物联网系统，系统通过云技术协同物联网运作，满足用户需求的动态变化，为用户提供标准化、定制化的服务。应用层面上，构建了一个智能台区软件平台，实现了实时监控、辅助功能、智能管理、在线交流等功能。

4 结论

本研究介绍了一种多功能的智能开关，将其配置边缘计算网关，实现配电线路节点的智能化。基于该智能开关建设含10 kV配变、框架断路器、入户断路器/开关的三级结点智能化配电网络，并通过对用电数据的监测和分析，重点评估台区用电质量，包括功率因数和总谐波畸变率。并以具体配电台区为研究对象，验证了电能质量监测与分布式治理方法。