主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷控制與電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

曾祥君，羅 莎，胡曉曦，王 沾，喻 錕

（1.長沙理工大學(xué) 智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004；2.湖南省電力公司 常德供電局，湖南 常德 415000）

隨著電力需求的持續(xù)增長、傳統(tǒng)能源緊缺形勢(shì)不斷加深，以及環(huán)境問題的日益突出，分布式電源（Distributed Generation，DG）尤其是可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展獲得了廣泛支持.然而，由于分布式電源的分散性、不穩(wěn)定性及發(fā)電間歇性，導(dǎo)致其并網(wǎng)后電網(wǎng)將出現(xiàn)負(fù)荷峰谷差加大、電能質(zhì)量變差、運(yùn)行穩(wěn)定性降低等問題，微網(wǎng)技術(shù)及虛擬發(fā)電廠技術(shù)等在一定程度上為其提供了解決方案，但由于上述技術(shù)的容量制約及控制目標(biāo)不同，依然難以解決規(guī)?；疍G的接入問題，制約了可再生能源的高度滲透［1］.

為此，2008年國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）配電與分布式發(fā)電（C6）小組的報(bào)告C6.11提出了主動(dòng)配電網(wǎng)的概念，經(jīng)過4年多的討論與研究，主動(dòng)配電網(wǎng)改稱為主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)（Active Distribution Systems，ADS），并被定義為具備組合控制各種分布式能源（DG、可控負(fù)荷、儲(chǔ)能、需求側(cè)管理等）能力的配電網(wǎng)絡(luò)，其目的是加大配電網(wǎng)對(duì)于可再生能源的接納能力、提升配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率、延緩配電網(wǎng)的升級(jí)投資以及提高用戶的用電質(zhì)量和供電可靠性［2］.

主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)是未來智能配電網(wǎng)的一種發(fā)展模式，與微網(wǎng)以客戶為中心不同，它是電力企業(yè)的公用配電系統(tǒng)［3］.由于分布式能源資源（Distributed Energy Resources，DER）的大量接入，使主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)從傳統(tǒng)的被動(dòng)單向供電配電網(wǎng)變?yōu)楸椴贾行‰娫从脩舻碾p向供電配電網(wǎng)，配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大及復(fù)雜性增加，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有功功率不平衡現(xiàn)象加劇，需要各種電源與負(fù)荷協(xié)調(diào)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［4］；同時(shí)，主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中仍然存在分布式電源接入后的電能質(zhì)量問題，必須采用有效的檢測(cè)手段及合理的治理措施，保證優(yōu)質(zhì)電能的供給［5］.

1 主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)的可中斷負(fù)荷

文獻(xiàn)［6］提出，到2020年，中國的可再生能源消費(fèi)量將達(dá)到能源消費(fèi)總量的15%，其中電力的20%將來自于可再生能源.然而，風(fēng)電、光電出力的不可控性及可再生能源發(fā)電所占比重不斷加大的要求，驅(qū)動(dòng)著主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)必須尋求一種新的運(yùn)行控制思路——利用可控的負(fù)荷來平衡不可控的出力，讓可中斷負(fù)荷（Interruptible Load，IL）與風(fēng)電、光電聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置.

可中斷負(fù)荷是指那些在特定時(shí)段允許有條件停電，并給予一定補(bǔ)償?shù)奶厥庳?fù)荷.一般說來，這些負(fù)荷本身對(duì)供電可靠性的要求不是太高，在一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償下，對(duì)小概率的停電事故可以容忍.傳統(tǒng)的可中斷負(fù)荷研究主要集中于系統(tǒng)調(diào)峰備用、阻塞管理等方面，隨著新技術(shù)的研發(fā)，其概念得到了外延與擴(kuò)充，如溫度負(fù)荷及移動(dòng)負(fù)荷等.應(yīng)用于主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的可中斷負(fù)荷特點(diǎn)如圖1所示.

圖1 可中斷負(fù)荷主要特性Figure 1 Main characteristics of interruptible load

1）實(shí)時(shí)分析，快速響應(yīng).

可中斷負(fù)荷實(shí)時(shí)自檢并上傳運(yùn)行參數(shù)，能量管理系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)ADS各部分運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)要求分析并獲取最佳控制策略，可中斷負(fù)荷接受控制命令后應(yīng)能夠快速響應(yīng).

2）魯棒性強(qiáng)，頻率穩(wěn)定.

即使通過先進(jìn)的量測(cè)技術(shù)，測(cè)得的實(shí)際值仍會(huì)偏離其標(biāo)稱值，在異常和危險(xiǎn)情況下，微小的偏差可能會(huì)引起精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的誤動(dòng).可中斷負(fù)荷應(yīng)有較強(qiáng)魯棒性，即便受到一定的參數(shù)攝動(dòng)，仍能維持自身特性.

3）多類型，多選擇.

主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中大規(guī)模接入分布式電源，需要多類型、有不同負(fù)荷特性的可中斷負(fù)荷參與響應(yīng)，如各類儲(chǔ)能元件、空調(diào)負(fù)荷、電動(dòng)汽車電池等等，負(fù)荷的多樣性才能滿足中斷方案多選擇性的要求.

4）激勵(lì)機(jī)制，定價(jià)補(bǔ)償.

建立合理的激勵(lì)機(jī)制是最行之有效的鼓勵(lì)用于參與負(fù)荷控制、需求側(cè)管理，實(shí)現(xiàn)ADS電力動(dòng)態(tài)平衡的手段［7］.

5）通信、計(jì)量智能化.

要滿足主動(dòng)配電網(wǎng)電力動(dòng)態(tài)平衡的要求，可中斷負(fù)荷的計(jì)量與通信組件應(yīng)具備實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、雙向互動(dòng)的特點(diǎn).

6）與分布式能源協(xié)調(diào)發(fā)展.

2 主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷控制技術(shù)

主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)的核心價(jià)值體現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)的主動(dòng)管理，即通過系統(tǒng)內(nèi)多種可控資源與DG的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)可再生能源的高滲透率，提高已有資產(chǎn)的利用率.其中，可控資源包含了柔性負(fù)載、無功補(bǔ)償及需求側(cè)管理等.主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，收集DG運(yùn)行工況、儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)、柔性負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)及可中斷負(fù)荷的啟停狀態(tài)等信息，通過全局優(yōu)化算法獲得系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的負(fù)荷控制策略.主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)如圖2所示.

圖2 主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)Figure 2 Advanced distribution management schema for active distribution system

2.1 負(fù)荷控制策略

主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)荷作為系統(tǒng)瞬時(shí)平衡的主動(dòng)方，其負(fù)荷特性、可中斷負(fù)荷調(diào)度及用戶負(fù)荷需求等都影響著系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.在既有的有序用電的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步考慮通過改善負(fù)荷的時(shí)間特性、頻率特性和電壓特性等來柔性控制負(fù)荷［8］；利用可控負(fù)荷及儲(chǔ)能裝置聯(lián)合追蹤光電、風(fēng)電出力變化；調(diào)度電動(dòng)汽車等移動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備參與主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)緊急調(diào)峰等手段，協(xié)助系統(tǒng)快速恢復(fù)頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定.

2.2 可中斷負(fù)荷控制目標(biāo)函數(shù)

基于主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中可中斷負(fù)荷的特點(diǎn)，IL將在主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用.通過建立合理的控制目標(biāo)函數(shù)，調(diào)用合適的可中斷負(fù)荷，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)地平衡電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài).

以中斷的總補(bǔ)償費(fèi)用最小和盡量低的中斷頻率為目標(biāo)函數(shù)：

式中 S為補(bǔ)償費(fèi)用；G為中斷次數(shù)；T為總時(shí)間段數(shù)；N為IL數(shù)量；x（i，t）為中斷決策變量（0-1變量）；L（i）為可中斷負(fù)荷容量（kW）；P（t）為補(bǔ)償單價(jià)（元／（kW·h））.

系統(tǒng)在第t時(shí)段需要中斷的負(fù)荷量，該數(shù)值（ΔL（t））由能量管理系統(tǒng)綜合全網(wǎng)狀態(tài)信息得出.容量平衡約束條件為

考慮IL自身的負(fù)荷特性及狀態(tài)，如冷、熱負(fù)荷一般有最長連續(xù)停電時(shí)間限制及最短復(fù)電間隔時(shí)間限制，考慮電動(dòng)汽車電池使用壽命設(shè)置電池最小容量限制等，從而判斷該負(fù)荷此時(shí)是否可中斷.

最長連續(xù)停電時(shí)間限制：

式中 m為停電的開始時(shí)刻，最長可中斷時(shí)間為a個(gè)單位時(shí)間段.

最短復(fù)電間隔時(shí)間限制：

式中 n為復(fù)電的起始時(shí)刻，最短復(fù)電的間隔時(shí)間為b個(gè)單位時(shí)間.

對(duì)于可充放電的儲(chǔ)能設(shè)備，其荷電狀態(tài)必須滿足：

式中 ΔQitmax和ΔQitmin分別為電池可用容量的上、下限.

負(fù)荷中斷總時(shí)間約束條件：

2.3 主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)可中斷負(fù)荷仿真

假設(shè)主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)已預(yù)測(cè)每個(gè)時(shí)段的中斷負(fù)荷需求量如表1所示，為簡化仿真設(shè)定10個(gè)可中斷負(fù)荷，其中包括1個(gè)由電動(dòng)汽車電池組成的充放電儲(chǔ)能設(shè)備.

可中斷負(fù)荷的中斷容量、中斷總時(shí)段數(shù)、中斷的最大時(shí)段數(shù)、中斷最小間隔時(shí)段數(shù)（以1h為單位時(shí)間）及中斷補(bǔ)償價(jià)格的參數(shù)設(shè)置如表2所示，其中可中斷負(fù)荷6為由20個(gè)容量為80Ah的電動(dòng)汽車電池組成，其最大充放電功率分別為10和15kW，在實(shí)際情況下其可中斷量是可變的，在V2G技術(shù)（Vehicle to Grid，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)）中已研究較深入，該文假定其在仿真中第4～8的時(shí)間段可參與調(diào)度，且按最小可中斷量為150kW進(jìn)行仿真.

表1 中斷負(fù)荷需求量Table 1 Interrupt load demand

表2 可中斷負(fù)荷特性Table 2 Interruptible load characteristics

仿真采用粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）求解，各時(shí)段可中斷負(fù)荷啟停方案如表3所示.

表3 可中斷負(fù)荷啟停關(guān)系Table 3 Start-stop relationship of interruptible load

3 負(fù)荷控制終端的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)

分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)給主網(wǎng)帶來一系列電能質(zhì)量問題，包括電壓暫降、電壓偏差、電壓波動(dòng)、三相不平衡以及諧波等，在主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中，分布式電源的高滲透率將導(dǎo)致上述電能質(zhì)量問題更為突出.電能質(zhì)量問題直接影響著電力系統(tǒng)的供電安全，因此，符合電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)的高效、準(zhǔn)確的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、高質(zhì)量運(yùn)行的基礎(chǔ)，同時(shí)利用集成化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)性、開放式應(yīng)用平臺(tái)，采用柔性控制技術(shù)，并結(jié)合靈活輸電、電網(wǎng)規(guī)劃、需求側(cè)管理技術(shù)，有望從根源上治理諧波來源，防止電能質(zhì)量的惡化.

電能質(zhì)量問題中有80%是電壓跌落問題，其導(dǎo)致的事故率是供電完全中斷的10倍［8］.電壓跌落又稱電壓暫降、電壓凹陷，是指在某一時(shí)刻供電系統(tǒng)電壓的幅值突然偏離正常工作范圍，經(jīng)很短的一段時(shí)間后又恢復(fù)到正常水平的現(xiàn)象.其次，主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中電力電子元件的大量應(yīng)用及頻繁操作，將導(dǎo)致電壓、電流的畸變，造成電網(wǎng)諧波污染加重.

3.1 電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)算法

ADS的負(fù)荷終端電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)算法應(yīng)要求算法具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、計(jì)算準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn).國內(nèi)外提取電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)特征量的方法主要有傅里葉變換、S變換、小波變換等，但均存在局限.HHT（Hilbert-Huang Transform）變換法廣泛用于非線性非平穩(wěn)信號(hào)的分析，能夠快速、精確檢測(cè)電能質(zhì)量中電壓跌落和諧波問題［9，10］，為主動(dòng)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)提供了一種有效的解決方案.HHT變換由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）和Hilbert變換構(gòu)成.

3.1.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）

用EMD方法從原信號(hào)中提取固有模態(tài)函數(shù)IMF（Intrinsic Mode Function），使原信號(hào)的局部特征信息得以凸顯.該方法的特點(diǎn)在于：①極值點(diǎn)和過零點(diǎn)的數(shù)目之差應(yīng)為0或1；②分別連接其局部極大值和局部極小值所形成的2條包絡(luò)線的均值在任一點(diǎn)處為零.

找到信號(hào)s（t）的局部極大值和極小值，并根據(jù)極值求出該信號(hào)上、下包絡(luò)線v1（t）和v2（t）的平均值

令s（t）與m11的差值為h11，考察該差值

若h11≠IMF，則令h11為新的s（t），重復(fù)上述步驟k次，

式中 h1k為第k次篩選所得數(shù)據(jù)；h1（k-1）為第k-1次篩選所得數(shù)據(jù)；m1k為信號(hào)h1（k-1）上、下包絡(luò)線的平均值.

當(dāng)h1k=IMF時(shí)，令

將c1（t）視為第1個(gè)IMF，然后，

將r視作新的s（t），重復(fù)上述步驟，依次得到IMFc2（t），IMFc3（t）...，當(dāng)|rn（t）|≤μ時(shí)測(cè)量停止.

于是，通過EMD分解，可以將一個(gè)信號(hào)s（t）中不同頻率的信號(hào)分離出來：

式中 rn（t）為殘余函數(shù)；c1（t），c2（t）...，cn（t）為分解出來的不同頻段的信號(hào).

3.1.2 希爾伯特（Hilbert）變換

信號(hào)X（t）的Hilbert變換定義為

正變換：

反變換：

式中 a（t）為瞬時(shí)幅值；θ（t）為相位.

對(duì)IMF進(jìn)行希爾伯特變換就能得到信號(hào)的時(shí)頻圖，能夠準(zhǔn)確找到信號(hào)突變發(fā)生的時(shí)間.瞬時(shí)頻率定義為

EMD分解和與其相應(yīng)的希爾伯特變換一起被稱為HHT變換.該方案用瞬時(shí)頻率f（t）來定位電壓跌落的準(zhǔn)確時(shí)間.

3.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)仿真

為驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)方法的正確性和可行性，在工頻50Hz、幅值有效值為220V的條件下，分別進(jìn)行電壓暫降諧波、電壓暫升諧波、多諧波的定位及幅值、頻率的檢測(cè)的MATLAB仿真驗(yàn)證.

3.2.1 電壓暫升、暫降諧波檢測(cè)仿真

仿真輸入波形如圖3所示，于0.20～0.85s之間向一次正弦波加入有效幅值為80V的5次諧波分量；隨后，在0.30s時(shí)輸入有效值幅值為140V電壓暫降信號(hào)，直到0.65s時(shí)停止暫降信號(hào).上述輸入波形的EMD分解示意如圖4所示.

HHT變換后獲得的電壓暫降時(shí)率關(guān)系如圖5所示，擾動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)幅值如圖6所示，二者顯示的結(jié)果與輸入信號(hào)的擾動(dòng)時(shí)間及擾動(dòng)頻率相符，可見HHT變換能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)諧波入侵及電壓暫降問題.

同樣的方法可以檢測(cè)電壓暫升復(fù)合擾動(dòng).

圖3 電壓擾動(dòng)信號(hào)Figure 3 Voltage disturbance signal

圖4 目標(biāo)信號(hào)EMD分解Figure 4 EMD decomposition of target signals

3.2.2 多次諧波頻率的檢測(cè)

在不同時(shí)間分別加入3，5，7次工頻電壓信號(hào)進(jìn)行仿真分析，其仿真輸入電壓諧波信號(hào)如圖7所示，諧波信號(hào)HHT分析如圖8所示.

圖7 電壓諧波信號(hào)Figure 7 Voltage harmonic signal

圖8 多次諧波的時(shí)頻關(guān)系Figure 8 Frequency relations of multiple harmonic

圖8中清晰地顯示了在不同時(shí)刻加入不同諧波信號(hào)，3次諧波出現(xiàn)的時(shí)間為0.100～0.401s，0.300～0.748s引入5次諧波，7次諧波擾動(dòng)的時(shí)間為0.601～0.857s，這與輸入信號(hào)的情況基本相符.

由仿真可見，HHT變換能夠比較準(zhǔn)確地檢測(cè)出電能信號(hào)異常、諧波干擾及突變，獲取異常信號(hào)的引入時(shí)間、頻率和幅值等信息，且多次測(cè)試的平均誤差很小，能滿足負(fù)荷終端電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)的要求.

4 結(jié)語

主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)（ADS）的推廣應(yīng)用不僅能延緩電力建設(shè)投資，還將極大地提升可再生能源的兼容性，是未來配電網(wǎng)系統(tǒng)智能化發(fā)展的必然趨勢(shì).筆者利用多種柔性負(fù)荷和儲(chǔ)能設(shè)備的可控性來平衡ADS中不可控分布電源的波動(dòng)性出力，分析了可中斷負(fù)荷應(yīng)具有的特點(diǎn)，提出了負(fù)荷控制控制策略，采用粒子群算法獲得了多種約束條件下的可中斷負(fù)荷啟停方案；并提出了基于HHT算法的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，仿真分析驗(yàn)證了該負(fù)荷控制和電能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)越性.

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