基于抗擾時間的優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)技術(shù)方案優(yōu)化方法

余光明，鄭穎

（國網(wǎng)重慶市供電公司銅梁區(qū)供電分公司，重慶402560）

0 引 言

隨著高新技術(shù)的大量應(yīng)用，在由敏感負(fù)荷構(gòu)成的工業(yè)園區(qū)中的電壓暫降等擾動問題，已成為迫切需要系統(tǒng)解決的重大問題［1-2］。優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)作為一種有效的解決方案，已在日本仙臺、美國特拉華州等進(jìn)行了工程示范，我國廈門、北京等地也正在積極爭取試點(diǎn)［3-4］。優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)可定義為：利用定制電力技術(shù)和統(tǒng)籌優(yōu)化技術(shù)等，為不同用戶設(shè)備或過程提供不同質(zhì)量的電力供應(yīng)的供用電方式［5-6］。其中，用戶電能需求和定制電力技術(shù)方案的確定，直接影響電能質(zhì)量改善水平和投資成本，是建設(shè)優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)的重要基礎(chǔ)，因此，研究優(yōu)質(zhì)園區(qū)技術(shù)方案的優(yōu)化問題，具有重要理論價值和現(xiàn)實意義。

優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)與現(xiàn)有配電網(wǎng)優(yōu)化的重點(diǎn)不同，后者主要是變電站、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等優(yōu)化［7］，前者側(cè)重于用戶供配方式、技術(shù)與成本優(yōu)化。現(xiàn)有研究集中于電能 質(zhì) 量 評 價［4，8］、定 制 電 力 技 術(shù)［3，9-10］、典 型 配置［5，11］等方面，對園區(qū)內(nèi)用戶所需供電質(zhì)量、供電質(zhì)量級劃分方法以及園區(qū)技術(shù)方案優(yōu)化等，研究較少。在典型優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)方案中［8，11-12］，供電質(zhì)量劃分為普通、優(yōu)質(zhì)和特級等3個等級，但對用戶需求、供電質(zhì)量等級劃分等基礎(chǔ)性方法的研究還不夠。現(xiàn)有研究中，對所需技術(shù)方案大多僅作定性研究［5］，未考慮用戶需求、可接受水平和投資成本等，工程實用性還不夠強(qiáng)，迫切需要研究優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)優(yōu)化方法。

現(xiàn)有研究主要考慮了過程電氣響應(yīng)特性，以過程中設(shè)備的電壓耐受能力為依據(jù)，提出設(shè)備故障率的概率［13-14］、模糊［15］和復(fù)雜不確定性［16］評估方法，實際上，負(fù)荷常由多元件組成，工業(yè)過程受影響的狀態(tài)與設(shè)備或元件狀態(tài)間呈非線性關(guān)系，用戶更關(guān)注的是反映其需要達(dá)到的功效的物理參數(shù)（包括：溫度、速度、力矩、壓力等），并用物理參數(shù)的某個范圍作為可接受狀態(tài)的度量。因此，需把用戶可接受狀態(tài)與經(jīng)受的電壓暫降聯(lián)系起來。

本文以IEC C4.110于2010年推薦的過程抗擾時間（Process Immunity Time，PIT）為基礎(chǔ)，引入電壓暫降抗擾度概念［17］，以過程物理參數(shù)作為用戶可接受狀態(tài)的度量，提出電能質(zhì)量需求量化和園區(qū)供電質(zhì)量等級劃分方法；以總成本最少為目標(biāo)，建立園區(qū)優(yōu)化模型，并用Tabu搜索算法進(jìn)行求解?；贛ATLAB和PSCAD/EMTDC，對某典型園區(qū)進(jìn)行仿真，證明方法的正確性和可行性。

1 優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)典型結(jié)構(gòu)

不同過程對供電質(zhì)量的需求不同，實際不可能為每個用戶單獨(dú)供電，優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)可在保證用戶需求的同時，最大限度地降低總成本。美國特拉華州和日本仙臺等地的示范得出的典型方案如圖1所示［18］。采用的定制電力技術(shù)有［6，19］：動態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）、不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）和儲能設(shè)備等，但補(bǔ)償設(shè)備的配置首先需確定過程抗擾度和各饋線的供電質(zhì)量等級。如圖1所示。

2 過程暫降抗擾度

過程暫降抗擾度與抗風(fēng)險能力、投資水平等有關(guān)。IEC C4.110工作組提出了過程抗擾時間概念，并定義為：過程經(jīng)受電壓暫降后，物理參數(shù)超過允許限制值的時間［17］，如圖 2（a）。其中，Pnom為物理參數(shù)額定值，Plimit為可接受的限制值，t1為暫降發(fā)生數(shù)額定值，Plimit為可接受的限制值，t1為暫降發(fā)生時刻，Δt為過程響應(yīng)延時，t2為物理參數(shù)越過Plimit的時刻。只要過程的構(gòu)成、元件、運(yùn)行特性與工作原理等確定，Pnom和Plimit也確定。PIT是度量特定暫降幅值（全文均指剩余電壓值）下過程暫降抗擾度的重要指標(biāo)，不同暫降幅值下PIT不同，如圖2（b）。隨暫降幅值減?。║sag1＜Usag2），PIT逐漸變短，因此，同一過程的PIT可用一組曲線族表示。

圖1 優(yōu)質(zhì)園區(qū)典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of premium power park

圖2 過程抗擾時間Fig.2 Process immunity time（PIT）

3 供電質(zhì)量等級劃分與需求量化

園區(qū)供電質(zhì)量等級與過程抗擾度、用戶可接受后果狀態(tài)有直接關(guān)系?；赑IT曲線，可將過程后果狀態(tài)分為：完全正常、自動恢復(fù)和人工恢復(fù)等狀態(tài)，對應(yīng)于圖 3中曲線 I1、I2和 I3，TS1、TS2和 TS3為各狀態(tài)下物理參數(shù)的恢復(fù)點(diǎn)。

圖3 用戶可接受后果狀態(tài)Fig.3 Acceptable consequence status of customer

實際中，不同過程在遭遇特定暫降時，PIT曲線不同，但只要PIT值大于暫降持續(xù)時間，就不會出現(xiàn)不可接受狀態(tài)，因此，PIT可用于度量用戶對供電質(zhì)量的需求，也就可基于PIT值進(jìn)行供電質(zhì)量等級劃分。實際中，可將供電質(zhì)量級劃分為普通、優(yōu)質(zhì)和特優(yōu)級三類，如圖4所示。

圖4 過程的暫降響應(yīng)特征Fig.4 Response characteristic of process to sag

用戶不可接受狀態(tài)起源于過程物理參數(shù)超過限定閥值。分析圖4中3類過程經(jīng)受幅值為Usag（Usag1＞Usag2＞Usag3），典型持續(xù)時間為Dsag的暫降時的響應(yīng)特性可知，隨暫降幅值減小，PIT1＞PIT2＞PIT3，對應(yīng)的供電質(zhì)量等級分別為：普通、優(yōu)質(zhì)、特級。如果用戶可接受水平為自動恢復(fù)，過程2在Usag1和Usag3作用下處于完全正常和人工恢復(fù)狀態(tài)，發(fā)生Usag2時為自動恢復(fù)，且Dsag=PIT2，該狀態(tài)是臨界狀態(tài)。因此，過程2的供電需求Usag＞Usag2，類似可得過程1和過程3的供電質(zhì)量等級，如表1所示。

表1 供電質(zhì)量等級與需求量化表Tab.1 Power supply schemes based on power quality levels

4 優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)技術(shù)優(yōu)化模型

優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)是一靈活、友好的末端供電網(wǎng)，在保證用戶不同質(zhì)量需求的同時，使常規(guī)供電投資和定制電力設(shè)備等的總成本最低是確定優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)技術(shù)方案重要課題［20］。定制電力設(shè)備的選擇對需求滿足程度和總投資影響很大。針對電壓暫降最突出的園區(qū)，動態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）是最常采用的定制電力技術(shù)［19］，因此，本文以DVR作為定制設(shè)備，研究園區(qū)技術(shù)方案優(yōu)化問題。補(bǔ)償電壓最大值和容量DVR的主要指標(biāo)，可根據(jù)上節(jié)所得用戶質(zhì)量需求確定，由此可得基于PIT的園區(qū)優(yōu)化模型：

式中ND為補(bǔ)償設(shè)備數(shù)；BR為線路數(shù)；Dcosti為補(bǔ)償設(shè)備i的成本；Lcostj為線路j的成本。

假設(shè)暫降前后DVR輸出電壓與系統(tǒng)電壓的相位保持不變，可根據(jù)不同過程的電能需求得到約束條件：

圖5 DVR的容量-投資比Fig.5 Capacity-investment ratio of DVR

以一包含多類過程的工業(yè)用戶為例，為完全解決電壓暫降問題，總補(bǔ)償容量會很大，實際中缺乏過大容量的補(bǔ)償設(shè)備，而如果對每個過程單獨(dú)補(bǔ)償又會造成投資增大，犧牲了補(bǔ)償?shù)倪x擇性和經(jīng)濟(jì)性，造成資源閑置，因此，應(yīng)將用戶需求相近的電能質(zhì)量劃分為同一等級，對所在支路進(jìn)行相對集中補(bǔ)償，不僅能抑制暫降影響，并能使投資成最小化本，具體步驟如下：

（1）根據(jù)用戶中不同過程的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理等，確定刻畫其運(yùn)行狀態(tài)的過程參數(shù)Pnom和Plimit值，運(yùn)用PSCAD/EMTDC暫態(tài)軟件繪制PIT曲線；

（2）根據(jù)用戶的可接受后果狀態(tài)，結(jié)合供配電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置確定接入點(diǎn)的典型暫降持續(xù)時間，劃分供電質(zhì)量等級，確定不同過程需保證的暫降幅值下限，即園區(qū)內(nèi)電能需求表；

（3）在已知園內(nèi)用戶不同過程抗擾度及其相應(yīng)的供電需求表的前提下，考慮園區(qū)內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)的地理位置，并遵照設(shè)計規(guī)范要求建立優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)技術(shù)方案優(yōu)化模型。

5 優(yōu)化算法

由式（1）～式（4）確定的優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)技術(shù)優(yōu)化模型是一個組合優(yōu)化問題，電網(wǎng)饋線布置主要考察各條待選線路的架設(shè)與否，可用二進(jìn)制數(shù)編碼進(jìn)行描述，先以符合條件的某可行解作為目標(biāo)函數(shù)的初始解進(jìn)行優(yōu)化，具有非線性和整數(shù)性兩大特點(diǎn)，可采用 Tabu搜索技術(shù)有效求解［20］，具體流程如圖 6所示。

6 算例分析

圖6 Tabu搜索流程圖Fig.6 Flow chart of Tabu searching

以影響最嚴(yán)重的三相對稱暫降為例，基于MATLAB和PSCAD/EMTDC仿真平臺對以工廠用戶為代表典型優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)進(jìn)行仿真驗證。假設(shè)工廠主要包含三類工業(yè)過程，其中造紙過程又可分為處理木料的木片切削機(jī)（200 kW）、提煉木漿的水泵（800 kW）和鼓風(fēng)機(jī)（22 kW）等子過程；類似地，制藥過程分為維持制藥車間氣孔壓強(qiáng)的通風(fēng)機(jī)（560 kW）、增壓泵（500 kW）和變頻器（4 kW）等子過程；化工過程分為控制化學(xué)反應(yīng)堆水溫度的冷凝風(fēng)機(jī)（160 kW）、離心油泵（880 kW）和保證實驗環(huán)境的氧氣測量裝置（18 kW）。首先通過PSCAD/EMTDC暫態(tài)仿真確定各子過程的PIT曲線，本文中的物理參數(shù)均為電動機(jī)轉(zhuǎn)速。首先得到用戶的電能需求列表。以木片切削機(jī)為例，如圖7所示，結(jié)合其生產(chǎn)工藝和工作原理可知，電動機(jī)轉(zhuǎn)動帶動刀具獲得滿足一定幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的木材，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到低于同步轉(zhuǎn)速96%時切削速度不滿足要求，導(dǎo)致中斷或產(chǎn)品報廢，由此可知過程參數(shù)限制值Plimit=0.96。結(jié)合電力園區(qū)配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置，保護(hù)動作時間為100 ms～150 ms，取典型暫降持續(xù)時間為150 ms，只有當(dāng)PIT大于150 ms，才能滿足過程可自動恢復(fù)的后果狀態(tài)，圖7給出了木片切削機(jī)遭遇不同幅值暫降時PIT的變化趨勢，當(dāng)暫降幅值為0.54 p.u.時，PIT=Dsag，因此可知子過程A的供電質(zhì)量需求為Usag≥65%Un。同理可得其他過程供電質(zhì)量需求，如表2所示。

圖7 木片切削機(jī)的暫降響應(yīng)特性Fig.7 Sag response characteristic of wood cutting machine

表2 不同子過程的供電質(zhì)量需求Tab.2 Power quality demand of different sub-processes

在園區(qū)內(nèi)，不同支路均需配置相應(yīng)補(bǔ)償裝置，以滿足接入負(fù)荷要求，圖8（a）為按過程類型得到的電網(wǎng)線鋪設(shè)方案，圖8（b）為考慮供電質(zhì)量等級后的饋線布置方案，后者是在獲得各過程抗擾度和電能需求后，建立相應(yīng)模型并運(yùn)用Tabu搜索法求解得到的。其中，不同技術(shù)方案中各支路的供電方式和DVR補(bǔ)償容量如表3，優(yōu)化后的園區(qū)將供電需求相近的子過程接入同一支路（圖8（b）），不同饋線按不同供電質(zhì)量等級集中補(bǔ)償，這樣得到的優(yōu)質(zhì)園區(qū)技術(shù)方案，供電質(zhì)量等級劃分明確，且能大幅減少在補(bǔ)償設(shè)備上的資金投入，兩者的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析如圖9所示。

表3 不同技術(shù)方案內(nèi)容Tab.3 Contents of different technical solutions

圖8 優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)的饋線布置方案Fig.8 Layout scheme of feeders in PPP

由圖9可知，總過程中各子過程的地理位置相對集中，傳統(tǒng)的技術(shù)方案在線路投資上更優(yōu)，但定制電力設(shè)備的成本則高于本文提出的方法，結(jié)合表2和表3可知，不同子過程的暫降抗擾度差異較大，需配置不同等級電能質(zhì)量。本文基于過程抗擾時間曲線獲取用戶的電能需求，對相近需求子過程進(jìn)行集中式補(bǔ)償，得到的基于供電質(zhì)量等級的技術(shù)方案能夠以更低成本解決園區(qū)內(nèi)用戶電能需求的差異性，為優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展提供了依據(jù)。

圖9 園區(qū)內(nèi)技術(shù)方案綜合成本Fig.9 Composite cost of technical solutions in PPP

7 結(jié)束語

（1）過程抗擾時間不僅可以將電壓暫降特征與過程物理參數(shù)、用戶可接受水平聯(lián)系起來，還可以作為供電質(zhì)量需求和園區(qū)供電質(zhì)量等級劃分的依據(jù)；

（2）基于過程暫降抗擾時間和PIT曲線的供電質(zhì)量等級劃分方法，克服了僅考慮過程電氣特性的不足，是確定優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)技術(shù)方案的有力依據(jù)；

（3）本文提出的優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)技術(shù)方案優(yōu)化方法，不僅能滿足不同用戶對供電質(zhì)量的要求，還能保證總投資最少，具有一定理論價值和明顯的工程應(yīng)用前景。

優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)是綜合解決區(qū)域性高品質(zhì)供電的有效解決方案，除了考慮用戶對供電質(zhì)量的需求和投資成本外，還應(yīng)進(jìn)一步考慮公用電網(wǎng)的供電可靠性、擾動水平，考慮可再生能源、儲能技術(shù)等的綜合應(yīng)用，考慮園區(qū)供電網(wǎng)與公用電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制等問題，這些問題均是值得深入研究的重要課題。