隨著能源管理系統(tǒng)和智能電器的普及，以及各種電器實時負荷和用電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術的支持，智能電網(wǎng)用戶端與電網(wǎng)端的交互成為可能。為了進一步提高用電效率，促進電力資源的優(yōu)化配置，保證用電秩序，降低用電成本，需要優(yōu)化用電負荷的能效，其中，輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效是指輸配電網(wǎng)系統(tǒng)中用戶任意時刻消耗的有效電功率，一旦輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效低于一定數(shù)值后，輸配電網(wǎng)內部設備就存在一定的故障。復雜用電負荷主要根據(jù)輸配電網(wǎng)設
備的工作功率進行分類，分為**類負荷、**類負荷、第三類負荷，每類負荷的負載力逐次提高[1-2]。
文獻[1]將遺傳算法融入到和聲搜索算法中，構建了綜合降損措施的數(shù)學模型，但是無法準確獲取復雜用電負荷能效計量結果。文獻[2]給出了發(fā)生單相接地故障前后配電線路有功損耗變化的表達式，但是因為輸配電網(wǎng)線路漏電消耗的用電負荷，導致能效計量結果出現(xiàn)偏差。
為了解決以上問題，該文突破傳統(tǒng)復雜用電負荷能效計量系統(tǒng)的設計理念，設計一套準確性較高的輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效計量系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)硬件設計
該文設計的負荷能效計量系統(tǒng)硬件結構由集電器、存儲器以及處理器三部分組成[3]。系統(tǒng)硬件結構
如圖 1所示。
1.1 集電器
集電器在復雜用電負荷能效計量系統(tǒng)硬件區(qū)域的作用是集成需要計量時刻的復雜用電負荷電能，使復雜用電負荷能效計量數(shù)據(jù)量增加，且使能效數(shù)據(jù)量的增加效果達到*佳，該文使用了 TDG-7 集電器[4]。集電器電路圖如圖 2所示。
根據(jù)圖 2可知，因為輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效具有沖擊性，該文采用的是無縫滑觸類型的集電器，集電器的邊緣由雙股銅線進行纏繞加固，內部結構由納米級碳涂層和活性電極材料制成，集電器利用高彈力彈簧連接每個集電模塊。器件的工作電流為2 A，工作電壓為5 V，前端的碳刷厚度為 5 mm，集
電器可以承受的*大電壓為220 V。集電器的工作模式為通電延時，延時精度小于10%，器件的觸點容量為AC-15 AC240/0.75[5-6]。
1.2 處理器
為了保證計量系統(tǒng)的運行效率，在系統(tǒng)硬件區(qū)域設計了 HDU 處理器，其工作內容是觸發(fā)硬件區(qū)域的設備，并解決用電負荷能效計量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)沖突出問題。處理器內置驍龍 980 芯片，具有獨特的通信模塊，可以與軟件區(qū)域進行無誤差的通信，與芯片相互匹配的是 300系列的主板[7]。
處理器工作的基本頻率為 2.90 Hz，*大工作睿頻加速頻率為 4.80 Hz，此處理器的工作模式為八核心十六線程，HDU 處理器內部設置的所有總線通信速率都可以達到 8 GT/s，處理器運行時 TDP 的數(shù)值是 65 W[8-9]，可以提高處理器的工作效率。用電負荷能效計算過程中，為了保證計量數(shù)據(jù)的完整性，處理器設計了 12 MB 的緩沖空間，存儲器在器件邊緣位置設計多個接口，接口類型為 USB 接口、I/O 串口、無線串口，每個類型的串口都采用全雙工通信，波特率為 115 000 bit，通信速率為 134 Mbps。處理器支持FTP、SMB、NFS 等多種網(wǎng)絡運行協(xié)議，并兼容多個操作系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的正常運行[10-12]。
1.3 存儲器
輸配電網(wǎng)中，復雜用電負荷能效計量系統(tǒng)硬件區(qū)域存儲器的設計目的，是方便用電負荷監(jiān)測數(shù)據(jù)插值補錄時數(shù)據(jù)測點信息的調用，該系統(tǒng)對于存儲器的要求不高，因此，該文選擇存儲器領域性價比*高的 LKO 存儲器。存儲器的電源為轉接板模式，采用 24 V 鋰電池的電源，電源有效適配器為 90 W，可以無障礙工作 6 個月，存儲器的存儲方式為雙 M.2SSD 極速存儲，設置 4 個存儲通道，保證不同格式的輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效數(shù)據(jù)[13]。
存儲器結構如圖 3所示。
根據(jù)圖 3 可知，存儲器具有 10 bit 4k 的解碼能力，存儲器的外接網(wǎng)絡接口為 2.5 GBE，輸出接口為HDMI 2.0A，為了提高存儲器的存儲空間，設計兩個
2.5 GEN 的外接硬盤接口。另外，設置存儲器在有效時間內可以完成數(shù)據(jù)還原，內置 8 盤位可擴展的DDR4 主板，此主板可以根據(jù)系統(tǒng)的應用需求，自動
升級內存至 32 GB[14-15]。
2 系統(tǒng)軟件設計
輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷測點數(shù)據(jù)采集的有效性直接影響到輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效的計量準確度，因此，該文對采集到的輸配電網(wǎng)用電數(shù)據(jù)進行插值分析，并根據(jù)輸配電網(wǎng)的實際情況對數(shù)據(jù)進行修正。
標準輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效的有效數(shù)據(jù)間隔時間為 1 ms，因為輸配電網(wǎng)中用電負荷類型復雜，該文設置用電負荷測點的有效數(shù)據(jù)間隔時間30ms，雖然增加了用電負荷能效的計算量，但是提高了計量精度。在用電負荷監(jiān)測過程中，如果連續(xù) 3個測點的數(shù)據(jù)為空白，那么此輸配電網(wǎng)的測點為故障狀態(tài)，計量系統(tǒng)直接輸出“0”即可，如果測點的數(shù)據(jù)采集過程無誤，系統(tǒng)輸出“1”，正常情況下，輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷測點的數(shù)據(jù)條為不間斷空白的一個
數(shù)據(jù)包。然后將采集到的用電負荷測點數(shù)據(jù)進行初次插值處理。插值處理的目的是重新獲取由于輸配電網(wǎng)用電負荷傳輸信道過長導致傳輸過程中丟失的
數(shù)據(jù)節(jié)點，該文利用小波變換算法完成輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷測點數(shù)據(jù)的插值，插值規(guī)則如下所示：p = cij × εv + ∫a × bij （1）其中，cij 表示每個輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷數(shù)據(jù)段的電能測點數(shù)據(jù)；ε 表示用電負荷系數(shù)；v 表示通信信道的傳輸速率；a 表示用電負荷測點數(shù)據(jù)的插值序列號；bij 表示插值時的輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷數(shù)據(jù)段的電能測點數(shù)據(jù)[16]。
*后將插值補錄完成的復雜用電負荷測點數(shù)據(jù)
條進行精度校正，具體校正公式如下所示：
P1 = p(z - 1)υ（2）其中，P1 表示校正精度；υ 表示復雜用電負荷測點數(shù)據(jù)校正系數(shù)；z 表示復雜用電負荷測點插值補錄后的新序列號；其他未知量的意義同上。輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效計量系統(tǒng)軟件工作流程如圖 4所示。
輸配電網(wǎng)絡中復雜電力負荷的能效具有非線性、隨機性和幅值影響等特點。其非線性特征是輸配電網(wǎng)負荷的能效與網(wǎng)絡中的某些設備有關。當裝置發(fā)出諧波及不同頻率的諧波分量時，振幅功率負載所消耗的功率會有一定的干擾波動。這種現(xiàn)象不能完全消除，只能在*大程度上加以控制。因此，輸配電網(wǎng)絡中復雜電力負荷的能效非常高，不存在線性關系。
由于電力負荷能效具有隨機性，輸配電網(wǎng)中各時刻電力負荷的輸出頻率、相位、波形和功率等因素不可控。復雜電力負荷對能效的影響主要取決于輸配電網(wǎng)的運行電流，輸配電網(wǎng)的工作電流大于規(guī)定值。為了維持輸配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，只能強制提高工作電壓，這對各運行設備的沖擊損失有非常嚴重的影響。
根據(jù)上文簡述復雜用電負荷能效的特性，利用離散傅里葉變換算法完成復雜用電負荷能效 Q 的計量，公式如下所示：
Q = n × fM×∑U × I × wt × w1（3）
其中，M 表示用電負荷的有功能量；w 表示用電負荷的有功能量；w1 表示用電負荷的瞬時功率；n 表
示能效的計量點數(shù)；t表示輸配電網(wǎng)復雜用電負荷能效的計量周期；f表示輸配電網(wǎng)復雜用電負荷能效的計量頻率；U 表示時刻的瞬時電壓值；I 表示時刻的
瞬時電流值，其他未知數(shù)變量意義同上。
3 實驗研究
為了檢驗系統(tǒng)測量結果的真實性和準確性，進行了對比測試分析。選擇基于儀表測量的輸配電網(wǎng)復雜電力負荷能效測量系統(tǒng)和基于電路交互的輸配電網(wǎng)復雜電力負荷能效測量系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，輔助完成系統(tǒng)的控制測試。設定實驗參數(shù)如表 1所示。
采用長春市一汽集團寬城區(qū)分部的 B 輸配電網(wǎng)作為實驗樣本，在實驗前，將 3 個輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效計量系統(tǒng)連入輸配電網(wǎng)控制中心，進行實驗的預處理。實驗預處理完成后，同一時間觸發(fā) 3套系統(tǒng)，并由控制中心隨機發(fā)布一個隨機時間點，測試任務是計量此時間點輸配電網(wǎng)中復雜用電的負荷能效，同時工作人員也利用專業(yè)儀器完成復雜用電負荷能效的計量，計量結果作為實驗的有效對照數(shù)據(jù)。當 3 套系統(tǒng)向控制中心全部提交計量結果后，結束實驗，并將 3 套系統(tǒng)從輸配電網(wǎng)控制中心斷開，整理實驗數(shù)據(jù)。以上實驗測試流程具有邏輯性，并符合輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效計量規(guī)范，因此測試數(shù)據(jù)具有可信性。
測量誤差實驗結果如圖 5所示。
整理圖 5 實驗測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該文設計的輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效計量系統(tǒng)與實際計量結果的誤差度在 4%以內，低于其他文獻方法。通過以上實驗數(shù)據(jù)得出結論，該文設計系統(tǒng)的記錄率和準確度是*佳的，證明了該系統(tǒng)的可靠性。這是因為考慮了 3 種類型的復雜電力負荷，并根據(jù)每種類型的特點設計了計量算法，提高了測量算法的精度。另一方面，該文設計的計量過程完成了電力負荷測點數(shù)據(jù)的插值和補充記錄，保證了電力負荷測量數(shù)據(jù)的可靠性，從而提高了電力負荷能效測量的準確性。
4 結束語
由處理器、存儲器以及集電器共同構建了輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效計量系統(tǒng)的硬件架構，在系統(tǒng)的軟件區(qū)域，利用小波變化算法對輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷測點數(shù)據(jù)進行插值補錄分析，并簡述復雜用電負荷能效的計量方法，實現(xiàn)輸配電網(wǎng)中復雜用電負荷能效計量系統(tǒng)的設計。此計量系統(tǒng)在本質上減少了輸配電網(wǎng)纜線帶來的能效計量誤差，保證用電負荷能效計量的準確度，通過對設計系統(tǒng)的推廣，可以在一定程度上減少輸配電網(wǎng)故障的發(fā)生。
