芻議智能數(shù)字供電技術(shù)

賈鵬躍

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司包頭供電局，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

0 引 言

十九大報(bào)告中明確指出，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)創(chuàng)新型國(guó)家，積極發(fā)展數(shù)字化經(jīng)濟(jì)。電力能源領(lǐng)域要充分利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)，推動(dòng)電力能源行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以此構(gòu)筑形成高效、靈活、經(jīng)濟(jì)和安全的現(xiàn)代通信系統(tǒng)。因此，作為供電中的基礎(chǔ)部分，加強(qiáng)數(shù)字化通信電源發(fā)展十分重要。

1 通信供電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，通信電源領(lǐng)域中電源技術(shù)日益成熟，不僅形成了模塊化配置，也大幅度提高了轉(zhuǎn)換效率，成本逐漸降低。它的主要控制技術(shù)包括不間斷電源技術(shù)、蓄電池技術(shù)、輸配電技術(shù)以及新能源技術(shù)等。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，這些技術(shù)的出現(xiàn)雖然充分利用了現(xiàn)有的信息設(shè)備和計(jì)算資源，提高了能源行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展水平，但存在一定的局限性。比如：不間斷電源技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中電壓等級(jí)較為固定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池單元的精細(xì)化管理，接入接口單一化，其他能源無(wú)法進(jìn)入。此外，在進(jìn)行小顆粒度能量快速調(diào)度和分配的過(guò)程中，不間斷電源技術(shù)也無(wú)法提供有效支持。而其他的蓄電池技術(shù)、輸配電技術(shù)以及新能源技術(shù)等也都存在問(wèn)題，需要結(jié)合實(shí)際情況展開(kāi)具體分析。數(shù)字網(wǎng)絡(luò)集成度不斷提高的今天，數(shù)據(jù)量大幅提高，運(yùn)算速度逐漸加快，數(shù)據(jù)傳輸速度和帶寬得到了指數(shù)級(jí)提高。將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于供電技術(shù)，可使得數(shù)據(jù)量和電能能量之間更加融合。從能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)與信息儲(chǔ)存系統(tǒng)對(duì)照分析來(lái)看，可以通過(guò)軟件定義的方式對(duì)電流流向?qū)崿F(xiàn)智能化和數(shù)字化控制，打造出柔性智能供電網(wǎng)絡(luò)，使供電效率和電力資源最大化。智能數(shù)字電網(wǎng)如圖1所示，綜各地區(qū)智能電網(wǎng)投入情況如圖2所示。

2 智能數(shù)字供電技術(shù)概況

現(xiàn)階段提出的集中數(shù)字能源技術(shù)有能源路由器技術(shù)、數(shù)字能源機(jī)柜技術(shù)和能源總線(xiàn)傳輸技術(shù)，可以從根本上提高供電系統(tǒng)的綜合效率和智能化程度。

2.1 數(shù)字化技術(shù)在蓄電池管控領(lǐng)域中的應(yīng)用

在蓄電池管控領(lǐng)域面臨的主要難點(diǎn)是電池單體一致性問(wèn)題。只有解決這一問(wèn)題，才能夠提高電池組循環(huán)壽命[1]。數(shù)字化技術(shù)在蓄電池管控領(lǐng)域中的應(yīng)用是使能源以數(shù)字信號(hào)有序流動(dòng)的方式在能源網(wǎng)絡(luò)中傳遞，以此解決上述問(wèn)題。能源路由器在管理用電負(fù)荷上具有良好的效果，能夠面向多種不同用電負(fù)荷完成供電任務(wù)，并且保證供電的高效性。由此可知，作為能源有序流動(dòng)的核心技術(shù)之一，能源路由器本身就具備智能調(diào)度和智能配電功能，將其應(yīng)用于一些通信電壓較低的電壓等級(jí)和負(fù)荷中，可切實(shí)發(fā)揮該技術(shù)的作用效果。以10 kW以?xún)?nèi)的快速功率分?jǐn)酁槔瑐鹘y(tǒng)的蓄電池管控領(lǐng)域中采用的是高性能的功率MOS管。雖然該設(shè)備的分析速率較快，但存在成本較高、耐受電壓較低、容易發(fā)熱等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了其他環(huán)節(jié)的穩(wěn)定運(yùn)行。借助能源路由器則能夠有效提高能量傳輸效率，挑選最恰當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)唷⑶袚Q頻率，高效完成能源調(diào)動(dòng)。

圖1 智能數(shù)字電網(wǎng)

圖2 2016-2020年中國(guó)電網(wǎng)實(shí)際投資額

2.2 數(shù)字化技術(shù)在供電電池管控領(lǐng)域的應(yīng)用

供電電池系統(tǒng)管控是供電技術(shù)中的核心。通過(guò)能源路由器解決蓄電池管控檢測(cè)工作后，還要分析通信機(jī)房?jī)?nèi)分布式供電電池系統(tǒng)，從而解決電池一致性問(wèn)題。新時(shí)期，很多電力企業(yè)都采用電池單體串并聯(lián)架構(gòu)進(jìn)行供電，一旦有電池單體故障，就會(huì)對(duì)供電穩(wěn)定性造成影響。但是，在數(shù)字能源機(jī)柜技術(shù)下，利用智能數(shù)字能源管控技術(shù)可以隔離故障電池單體，保證其他電池單體重組成可以利用的電池系統(tǒng)。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在供電電池管控領(lǐng)域，通過(guò)靈活運(yùn)用不同能力電池單體的方式降低了維護(hù)壓力，解決了電池設(shè)備智能化程度較低的問(wèn)題。最主要的是，數(shù)字能源機(jī)柜技術(shù)不需要設(shè)置通信機(jī)房電力電池室，切實(shí)提高了能源轉(zhuǎn)化效率。

2.3 數(shù)字化技術(shù)在能源傳輸管控領(lǐng)域的應(yīng)用

除了以上兩個(gè)方面之外，數(shù)字化技術(shù)在能源傳輸管控領(lǐng)域的應(yīng)用也是未來(lái)主要的探討方向之一?，F(xiàn)階段，大部分供電企業(yè)都采用一對(duì)一的供電方式，但在這種末端供電模式下，導(dǎo)體之間的負(fù)載率并不平均，無(wú)法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體的高效利用。整合末端供電導(dǎo)體，在能源路由器和數(shù)字能源機(jī)柜技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合能源總線(xiàn)傳輸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種不同供電方式，從而有效提高供電系統(tǒng)的綜合效率[2]。數(shù)字電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

3 數(shù)字電力能源管理系統(tǒng)

3.1 數(shù)字電力能源管理系統(tǒng)的主要內(nèi)容

圖3 數(shù)字電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字電力能源管理系統(tǒng)是未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵，不僅可以降低能源消耗，還具有經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，必須得到重視。雖然上述技術(shù)的應(yīng)用使數(shù)字能源的作用在供電系統(tǒng)中得到了充分利用，但是在數(shù)字能源技術(shù)發(fā)展過(guò)程中還有很多問(wèn)題需要注意，包括高溫超導(dǎo)技術(shù)、新材料技術(shù)等，從而有效解決能源流和信息流之間存在的問(wèn)題。在短時(shí)間內(nèi)完成解碼處理，必須要保證信息流中包含頻率、波長(zhǎng)、幅度以及編碼等能量變化信息，從而高效準(zhǔn)確地完成能量流傳輸。一般情況下，數(shù)字電力能源管理系統(tǒng)主要包括電力數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信息采集網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理中心平臺(tái)等方面。

3.2 數(shù)字電力能源管理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

本文提出利用LTC2974四通道數(shù)字電源管理IC來(lái)改善供電系統(tǒng)現(xiàn)階段的傳輸效果。以某電力企業(yè)建立的LTC2974四通道數(shù)字電源管理IC系統(tǒng)為例，該企業(yè)借助2.4G短距離無(wú)線(xiàn)傳輸方案，將所有的供電數(shù)據(jù)匯聚在一起，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理[3]。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)數(shù)字電力能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合管理，并且完成數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、后臺(tái)監(jiān)控、報(bào)表生成以及超限報(bào)警等功能。采用半雙工的模式，將實(shí)際需求轉(zhuǎn)化為具體命令發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，最終輸送到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)。LTC2974四通道數(shù)字電源管理IC系統(tǒng)中可以隨意添加電源，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也降低了對(duì)系統(tǒng)的限制，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)故障排除，在發(fā)生故障后第一時(shí)間斷開(kāi)排序，降低故障影響。發(fā)生故障后，還可以監(jiān)視輸入電壓、芯片等部分的溫度，如果任何一個(gè)參數(shù)值超過(guò)了限定值，那么系統(tǒng)就會(huì)做出具體響應(yīng)，包括立即鎖斷、抗尖峰干擾鎖斷等不同鎖斷方式。比如：在LTC2974四通道數(shù)字電源管理IC系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了集成監(jiān)視器，利用監(jiān)視器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控外部微控制器，按照兩種不同的超時(shí)時(shí)間間隔進(jìn)行輸出。當(dāng)電源信號(hào)傳輸良好的狀態(tài)下，微控制器按照較長(zhǎng)的超時(shí)時(shí)間間隔運(yùn)行。如果出現(xiàn)故障，那么按照預(yù)先確定的時(shí)間長(zhǎng)度運(yùn)行微控制器，直到故障修復(fù)，重新恢復(fù)正常輸出。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，LTC2974四通道數(shù)字電源管理IC系統(tǒng)會(huì)根據(jù)反饋回系統(tǒng)的信息判斷供電系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)，同時(shí)完成對(duì)輸入電壓、輸出電壓、輸出電流以及內(nèi)部和外部二極管溫度等數(shù)據(jù)的監(jiān)控。考慮到在監(jiān)控過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)不可接受的功率損耗，因此選擇電感器的DC電阻作為電流分流組件，以降低功率損耗風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)行成本。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合溫度補(bǔ)償算法進(jìn)一步降低電流測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的準(zhǔn)確測(cè)量。根據(jù)國(guó)家目前的通信市場(chǎng)現(xiàn)狀，選擇5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。LTC2974四通道數(shù)字電源管理IC系統(tǒng)應(yīng)用在供電系統(tǒng)中，提高了供電的穩(wěn)定性，降低了成本。

3.3 數(shù)字電力能源管理系統(tǒng)的未來(lái)展望

國(guó)家配電網(wǎng)規(guī)劃日益完善，逐漸朝著多元化方向發(fā)展。如果想要進(jìn)一步滿(mǎn)足多元用戶(hù)的實(shí)際發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)差異化供電，還需要推廣普及智能電表，加快數(shù)字化工具和平臺(tái)的配套化建設(shè)。尤其是大數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)字化信息技術(shù)，開(kāi)發(fā)智能規(guī)劃工具，利用海量信息提高配網(wǎng)的精細(xì)化、實(shí)用化和一體化水平。因此，開(kāi)發(fā)配電網(wǎng)的智能規(guī)劃工具，實(shí)現(xiàn)供電技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展，保證各項(xiàng)設(shè)備可以正常運(yùn)行，強(qiáng)化狀態(tài)評(píng)估，是未來(lái)的發(fā)展關(guān)鍵。除了上述系統(tǒng)技術(shù)之外，也可以借助數(shù)學(xué)模型的方式，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和用戶(hù)之間能量流、信息流和業(yè)務(wù)流的傳遞轉(zhuǎn)換、靈活互動(dòng)。接入配電網(wǎng)元件復(fù)雜化程度不斷提高，供電過(guò)程中出現(xiàn)了不確定性和波動(dòng)性。完善配電網(wǎng)的規(guī)劃工作，綜合利用數(shù)字化工具和建模方式，可以為配電網(wǎng)規(guī)劃方式提供全新的發(fā)展機(jī)會(huì)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，利用數(shù)字化技術(shù)完成負(fù)荷建模、網(wǎng)絡(luò)建模、電氣建模以及分析計(jì)算等方式，能夠在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推動(dòng)供電技術(shù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

綜上所述，供電能源技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)，應(yīng)該充分挖掘數(shù)字信息技術(shù)，采用科學(xué)的技術(shù)，提高供電系統(tǒng)整體的智能化程度。在建設(shè)供電體系的過(guò)程中要找到切入點(diǎn)，繼而提高運(yùn)行效率。