智能监控提高配电网可靠性

四大趋势是改变配电网的运行条件，从而增加配电网的压力。为了适应不断变化的使用模式并提高可靠性，智能电力线监视器是公用事业公司跟踪配电网动态运行条件的必要条件。

介绍

四大趋势正在改变配电网的运行条件，从而增加配电基础设施的压力：

能源使用偏好已转向电力，导致电力使用增长率是其他能源的两倍。

老化的配电设备现在平均比制造商建议的使用寿命要老。

增加电子负载的使用会降低负载功率因数并降低电网利用效率。

配电网不再是静态的单向供电系统，而是动态的双向链路，也将分布式发电资源连接到负载。

为了适应不断变化的使用模式并提高可靠性，智能电力线监视器对于公用事业公司跟踪配电网上的动态运行条件是必要的。让我们仔细看看。

电网面临的挑战

在结构上，配电网在过去一个世纪中变化不大。它们发展到在中等距离上为相对适中的线性负载提供服务。直到几十年前，该模型还是配电网运行条件的真实特征。

然而，在过去的几十年里，电力的使用一直在变化。根据IEC（国际能源署）的估计，5年至1年间，全球电力需求从17.9PWh上升到1015.1973PWh（2010 Wh）。®1尽管37年来电力使用量增加了两倍多，但复合年增长率（CAGR）仅为3.44%。它也是整体能源使用复合年增长率1.69%和全球人口复合年增长率1.54%的两倍多。

与此同时，大多数监测技术部署发生在发电和输电设施，配电网上的监控仅限于变电站的头端。历史使用模型允许公用事业公司正确假设变电站的测量反映了整个配电网的运行条件。然而，这个假设实际上不太有效，因为实际的电网使用变得更加复杂。

升级配电基础设施的成本很高。根据EEI（爱迪生电气研究所）委托进行的一项研究，新建架空配电线路的成本从每英里86，700美元到1，000，000美元（美元）不等，具体取决于地点和人口密度。3新建地下配电线路的成本是架空电线的三倍以上。因此，公用事业公司渴望尽可能多地利用现有配电网。

除了用电量绝对值增加了三倍之外，电力负荷的性质在同一时期也发生了影响电网容量的变化。发电和使用以能源术语（千瓦时）进行测量和计费。然而，公用事业公司根据电流来评估其配电能力。

客户为实际功率付费，即电压和电流波形的瞬时乘积。非阻性负载呈现的电流波形与电压波形不严格同相。在这种情况下，可以将电流波形分为实相位或同相分量和无功或正交相位分量。负载从电流波形的实际分量中提取有用的功，但公用设施必须提供总电流。

功率因数是实际功率的量度，是实际功率和无功功率之和的一小部分。即使是高达 0.9 的功率因数，也比电力供应商可以向住宅和大多数商业客户收费的电网利用率高出 11%（图 1）。尽管电子制造商一直在提高其产品的功率因数性能，但大量传统设备仍在使用，功率因数低至0.55，相当于82%的电网利用率超额（表1）。

图1.功率因数小于 1.0 时，公用事业公司提供的电流会超过其向负载提供的有用功率所保证的电流。经JAS技术媒体2013许可使用的数据和图形。©

装置	功率因数	超额电网利用率（%）
当前大屏幕平板电视	0.96	4
窗式空调	0.90	11
基于 CRT 的传统彩色电视机	0.70	43
传统平板计算机显示器	0.64	56
白光照明灯具	0.61	64
传统笔记本电脑电源适配器	0.55	82
激光打印机	0.50	100

在过去几十年中，能源使用增长的大部分是由于电子（与电气不同）设备的渗透，这些设备向电网提供非线性负载。非线性负载会产生电流波形谐波，这也会降低功率因数并导致电网利用率过高。各种机构和标准组织对电流波形的谐波含量设定了限制，通常根据控制规范和区域设置，计算对应于 40kHz 至 50kHz 测量带宽的前 2 到 3 次谐波。

在各种用户部门中，运输历来只占配电网总负荷的一小部分。5按百分比计算，运输占全球电能使用总量的比例较小，但按绝对值计算，该部门增加了一倍多（表2）。

电能 （PWh）
扇形	1973	2010
工业	2.73	7.41
运输	0.12	0.29
其他	2.25	10.16
总	5.11	17.86

在美国，运输部门的电力使用量增长速度将超过历史有机增长率，部分原因是2011年白宫的一项倡议，目标是到2015年累计使用<>万辆电动乘用车（EV）。7与此同时，混合动力汽车（HEV）的销量已增长到美国每年3万辆汽车市场的近12%，并且对这些汽车的插电式版本的兴趣也在增长。

然而，电动汽车和混合动力汽车的采用并没有均匀地分布在全国范围内。相反，销售往往集中在24个大都市地区，因此在采用电网的早期，它们对电网需求的影响将更大。8车主改用电动汽车或插电式混合动力汽车的一个动力是普通汽油和所谓的eGallon之间的成本差异 - 相当于一加仑普通汽油的电能成本：2013年3月，美国一加仑普通汽油的平均价格为56.1美元，而eGallon为22.<>美元。

最后，分布式发电，特别是中小型可再生能源正在将配电网从静态的单向供电结构转变为更加复杂和动态的双向系统。特别是，基于客户的光伏和小型风力发电在其发电量超过客户的即时使用量（如果存在）本地存储容量时，会将电力推回配电网。中等规模的客户拥有的光伏电站，例如出现在办公楼和停车场屋顶上的光伏电站，每年可产生超过500kW的电力，供应超过250MWh。在低使用率期间，例如周末，这些设施可以将多余的能量推回配电网。

由于配电网的历史运营模式，公用事业公司一直在努力检测和响应各种电网状况，例如分布式发电机在电网边缘的电压。

失败的高昂代价

根据劳伦斯伯克利国家实验室的基本案例估计，电力可靠性事件（即电力故障）对美国电力公司客户的年度经济后果约为79亿美元。10其中，大约 2/3 归因于短暂的服务中断——持续时间不到五分钟的服务中断。其余时间的持续时间可以从几分钟到几天不等。损失数字不包括对电源故障缓解设备的投资，例如客户拥有的备用发电、电池或电源调节设备，以缓和电能质量事件。

除了自身的财务动机外，电力公司还受到来自客户、行业组织和监管机构的压力，要求尽量减少可靠性事件。整个配电网的电力线监视器可以与自动开关设备协同运行，以快速识别异常运行条件，在受影响区域周围布线，并加快问题解决。

除了资产管理之外，监控重要的基础设施组件（如分支重合闸和二次变压器）是快速保护方法不可或缺的一部分。监控还可以从配电网边缘提供有价值的数据。在次级变压器层面部署电力线监控还处于早期阶段，但预计到2015年将超过传统电力变压器市场。12这种发展之所以成为可能，部分原因是模拟和混合信号IC元件的可用性大大简化了任务。

智能监控

位于配电网中的电力线监视器在拓扑上与变电站和电力输送系统中其他地方的监视器相似。电压互感器提供三个电源相位中每个相位和中性线上电压的缩放表示。类似地，电流互感器提供通过三个电源相和中性线中每个电源相的电流的电压表示。监视器的模拟前端 （AFE） 电子器件可以缓冲 4 个结果信号并对其进行滤波，以确保带外 （OOB） 能量在数字化过程中不会混叠到基带（图 <>）。

图4.模拟和混合信号IC简化了电源监视器的设计任务。如本电位和电流（PT/CT）变压器图中的阴影区域所示，ADI公司提供了大多数必要的功能。

在常见的星形连接配电系统中，公用设施驱动三相，对之间偏移 120°;电压以第四个零线为基准进行测量。在平衡负载条件下，100%的电流流过相连接。流过中性线的电流表示不平衡。例如，这种不平衡可能表明二次变压器的绝缘系统出现了缺陷，从而为公用事业公司提供提前警告，并允许他们按计划更换变压器。这种边缘信息收集既为公用事业公司节省了应急响应的成本，又为客户节省了意外现场故障的成本和不便。

计算一个线路周期内的功率需要精确、同时测量每相和中性线的电压和电流信号。对于每个导联，监视器必须计算：

其中 v（θ） 是循环相位 θ 的瞬时电压，i（θ） 是瞬时电流。监视器可以通过将电压和电流的RMS值相乘并减去实际分量来计算无功功率。

欧盟针对62053.0类设备的IEC 2标准代表了对功率监视器的要求，它要求测量误差≤标称电压和电流的0.2%。功率因数测量要求相位匹配电压和电流样本≤0.1%。

这种测量规范要求三相线路所需的八个数字化仪彼此紧密匹配，并且它们的采样时间受到严格控制。ADI公司等模拟和混合信号IC制造商提供4通道模数转换器（ADC），如MAX11040K，非常适合这些测量。ADC的差分输入和控制功能允许对多达32个通道进行同步采样分组。集成8通道ADC，如MAX11046，也可用于使用单端输入的监视应用。

来自线路八个电压和电流样本的数据可以馈送到微控制器或数字信号处理器（DSP），以提供精确的功率计算和功率因数评估。系统可以使用功率因数数据来控制本地电容器组，从而提高整体电网利用率。保护设备可以将功率数据用于快速动作的自动断路器。此类系统不仅可以在发生足够大的线路异常时利用数据快速断开断路器，还可以使用相同的数据流关闭断路器，从而最大限度地减少下游电源中断的持续时间。

审核编辑：郭婷