配電系統(tǒng)智能軟開(kāi)關(guān)技術(shù)及應(yīng)用

王俊

摘要：隨著電氣與信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，在國(guó)家政策與日益完善的市場(chǎng)機(jī)制激勵(lì)下，配電網(wǎng)進(jìn)入快速發(fā)展階段。分布式電源的接入比例不斷提升，電能替代在社會(huì)生產(chǎn)、居民生活、電氣化交通等領(lǐng)域被廣泛推進(jìn)，配電網(wǎng)所涵蓋的技術(shù)要素、所面臨的技術(shù)需求更為豐富，由此帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。面向未來(lái)配電網(wǎng)發(fā)展需求，如何利用電氣裝備與運(yùn)行調(diào)控等技術(shù)的創(chuàng)新，使系統(tǒng)能夠有效承載清潔能源的接入與消納、提供用戶(hù)側(cè)差異化電力服務(wù)、以及滿(mǎn)足配電網(wǎng)與社會(huì)生產(chǎn)生活多領(lǐng)域的協(xié)調(diào)互動(dòng)，成為當(dāng)前面臨的重要課題。

關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng);智能軟開(kāi)關(guān)技術(shù);應(yīng)用要點(diǎn)

引言

電力電子裝備的廣泛應(yīng)用是柔性配電網(wǎng)的重要特征之一，新型電力電子裝置將以各種不同的形式存在于配電網(wǎng)中，并能夠通過(guò)對(duì)電能的靈活變換與控制，使源、荷行為更加“柔性”和“主動(dòng)”，從而釋放各種源、荷新要素的運(yùn)行調(diào)度潛力，共同支撐配電網(wǎng)運(yùn)行目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。例如，借助新型電力電子拓?fù)浜涂刂撇呗裕植际焦夥軌蛟诓⒕W(wǎng)發(fā)電的同時(shí)參與系統(tǒng)的無(wú)功電壓控制;各種源、荷可組成微電網(wǎng)等形式，以整體可控形態(tài)參與配電網(wǎng)運(yùn)行;在高級(jí)量測(cè)和信息通信技術(shù)的支撐下，分散負(fù)荷也能夠利用虛擬電廠(chǎng)等組織形式，通過(guò)需求響應(yīng)支撐電網(wǎng)運(yùn)行;對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站、數(shù)據(jù)中心等新型負(fù)荷，還能夠利用自身能量管理能力獲得節(jié)能和支撐電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化的雙重收益。

1SOP多場(chǎng)景柔性互聯(lián)應(yīng)用形態(tài)

1.1雙端饋線(xiàn)柔性互聯(lián)

SOP的核心理念是代替?zhèn)鹘y(tǒng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)饋線(xiàn)間柔性電氣互聯(lián)，支撐饋線(xiàn)負(fù)載平衡和分布式電源高效消納等。背靠背電壓源型換流器拓?fù)涫荢OP的一種典型實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)換流器為對(duì)稱(chēng)形式，可實(shí)現(xiàn)有功功率傳輸、無(wú)功功率實(shí)時(shí)控制和四象限靈活運(yùn)行。SOP通過(guò)不同控制模式切換，以滿(mǎn)足正常狀態(tài)下的功率控制、外部故障狀態(tài)的電壓支撐等多場(chǎng)景應(yīng)用需求。

從運(yùn)行控制來(lái)看，SOP控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需兩側(cè)換流器共同完成，具體包括直流側(cè)電壓的控制、SOP傳輸有功功率控制，以及兩側(cè)換流器發(fā)出的無(wú)功功率控制等。SOP在正常和故障場(chǎng)景下的典型控制策略。近年來(lái)，圍繞如何提升直流側(cè)電壓抗干擾能力、提高功率控制響應(yīng)速度和魯棒性、正常-故障多場(chǎng)景控制策略無(wú)縫切換等問(wèn)題也取得了一些成果，為SOP運(yùn)行功能的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用形式的拓展奠定了基礎(chǔ)。

1.2多端饋線(xiàn)柔性混聯(lián)

隨著配電網(wǎng)供電可靠性要求的不斷提高，傳統(tǒng)的放射形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正發(fā)生變化，N供一備、多分段多聯(lián)絡(luò)等接線(xiàn)模式開(kāi)始得到推廣應(yīng)用。為了以更為經(jīng)濟(jì)的方式滿(mǎn)足多饋線(xiàn)柔性互聯(lián)需求，在雙端SOP結(jié)構(gòu)之上進(jìn)一步衍生出了端口數(shù)量可靈活配置的多端SOP裝置。

1.3多電壓等級(jí)柔性互聯(lián)與柔性變電站

首先，多電壓等級(jí)柔性互聯(lián)可應(yīng)用于饋線(xiàn)間聯(lián)絡(luò)，通過(guò)對(duì)不同電壓等級(jí)的SOP換流器進(jìn)行拓?fù)湓O(shè)計(jì)、在SOP內(nèi)部直流環(huán)節(jié)增加電壓變換模塊以及在SOP交流端增加變壓器，使其能夠連接不同電壓等級(jí)饋線(xiàn)并控制互聯(lián)饋線(xiàn)間的功率流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多電壓等級(jí)饋線(xiàn)間功率的相互支撐。多電壓等級(jí)柔性互聯(lián)也可應(yīng)用于獨(dú)立供電場(chǎng)景，作為柔性變電站連接上下級(jí)配電網(wǎng)，發(fā)揮電壓變換和電能靈活分配的作用。

相比較而言，多電壓等級(jí)柔性互聯(lián)裝備的成本更高，故大多以柔性變電站形式出現(xiàn)，以期更充分地發(fā)揮其運(yùn)行控制價(jià)值。從基本結(jié)構(gòu)來(lái)看，柔性變電站的內(nèi)部直流部分加設(shè)了以高頻變壓器為核心的電壓變換模塊，以實(shí)現(xiàn)可控的直流電壓變換;外部交流端連接對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的饋線(xiàn)，形式較為緊湊。當(dāng)配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，可提供電壓變換、功率分配、無(wú)功補(bǔ)償、諧波抑制等功能，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的潮流優(yōu)化、電壓控制、電能質(zhì)量治理、定制化供電等需求;當(dāng)配電系統(tǒng)故障時(shí)可限制短路電流、實(shí)現(xiàn)故障隔離、提供電壓支撐等。此外，柔性變電站還可集成前文所述的交直流混合柔性互聯(lián)功能，為配電側(cè)源、荷提供更多元化的入網(wǎng)選擇。

2含SOP的配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化

2.1基于SOP的多手段協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化

配電網(wǎng)中既包含有載調(diào)壓變壓器、補(bǔ)償電容器等傳統(tǒng)控制手段，又包含分布式電源、儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車(chē)等新型調(diào)度資源。通過(guò)SOP對(duì)多種差異化運(yùn)行控制手段進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，成為充分發(fā)揮SOP運(yùn)行價(jià)值的關(guān)鍵。例如，針對(duì)SOP與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的協(xié)調(diào)問(wèn)題，將SOP的主動(dòng)精細(xì)潮流調(diào)節(jié)與基于傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法相結(jié)合，在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行前提下有效提高了分布式電源的消納水平。

SOP的無(wú)功出力能夠與傳統(tǒng)電壓和無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備在快、慢時(shí)間尺度上相互配合，實(shí)現(xiàn)電壓無(wú)功控制。例如，將SOP的運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題拓展為與有載調(diào)壓變壓器、補(bǔ)償電容器組等在多時(shí)間尺度下協(xié)調(diào)配合的電壓無(wú)功時(shí)序優(yōu)化問(wèn)題;采用預(yù)動(dòng)作表確定離散的無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備動(dòng)作時(shí)刻，并根據(jù)SOP的功率儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)動(dòng)作表，調(diào)節(jié)無(wú)功出力。

2.2面向復(fù)雜場(chǎng)景的SOP多目標(biāo)優(yōu)化

將多目標(biāo)線(xiàn)性加權(quán)求和轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，是SOP多目標(biāo)運(yùn)行優(yōu)化中常用的方法，但存在權(quán)重系數(shù)設(shè)置主觀性過(guò)強(qiáng)的問(wèn)題。為減小主觀性影響，用權(quán)重分析法確定權(quán)重系數(shù)，同時(shí)明確了不同優(yōu)化目標(biāo)的起效范圍;提出一種網(wǎng)絡(luò)損耗與電壓優(yōu)化權(quán)重自適應(yīng)的SOP時(shí)序優(yōu)化方法，結(jié)合電氣距離及源荷出力相關(guān)性分析節(jié)點(diǎn)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓越限的風(fēng)險(xiǎn)差異自適應(yīng)調(diào)整電壓優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重。另一種思路是基于帕累托前沿對(duì)多目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，尤其適用于解決清潔性、可靠性等目標(biāo)函數(shù)存在沖突制約時(shí)的優(yōu)化問(wèn)題，具體計(jì)算多采用智能算法搜索可行空間中的非劣解。例如，采用強(qiáng)度帕累托進(jìn)化算法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)出力的帕累托最優(yōu)解集，并通過(guò)隸屬度函數(shù)選擇最終的運(yùn)行方案;將多目標(biāo)粒子群算法和局部搜索算法相結(jié)合，提高了求解效率和準(zhǔn)確性。

2.3基于SOP的配電網(wǎng)供電恢復(fù)策略

供電恢復(fù)策略制定需遵循上述基本流程，此外SOP可與多種設(shè)備協(xié)同運(yùn)行，以提升故障隔離與供電恢復(fù)效果。例如，將SOP與基于傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)相結(jié)合，在最大化恢復(fù)失電負(fù)荷的同時(shí)，減小了開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命;提出一種考慮SOP、分布式電源和儲(chǔ)能協(xié)同的孤島運(yùn)行優(yōu)化策略，在孤島運(yùn)行中協(xié)調(diào)SOP、分布式電源和儲(chǔ)能控制策略，以擴(kuò)大供電恢復(fù)范圍，并確保供電恢復(fù)的持續(xù)性與魯棒性;對(duì)新能源出力及負(fù)荷需求不確定性，進(jìn)一步面向不對(duì)稱(chēng)配電網(wǎng)提出一種多端SOP與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)協(xié)同的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)供電恢復(fù)方法，提高了對(duì)不確定性的應(yīng)對(duì)水平。

結(jié)論

為進(jìn)一步促進(jìn)SOP的發(fā)展和應(yīng)用，需要重點(diǎn)開(kāi)展以下3個(gè)方面的工作：

①發(fā)展新的SOP運(yùn)行控制架構(gòu)與方法，特別是面向未來(lái)配電網(wǎng)就地源荷平衡、柔性分區(qū)互聯(lián)等新形態(tài)的協(xié)調(diào)運(yùn)行方法，使容量有限的SOP發(fā)揮更大的優(yōu)化調(diào)控作用;②進(jìn)一步降低SOP的投資成本，這不僅依賴(lài)于電力電子技術(shù)和SOP裝置設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)還應(yīng)緊密結(jié)合SOP的應(yīng)用場(chǎng)景需求，避免SOP配置盲目求全、求大，導(dǎo)致資源浪費(fèi);③繼續(xù)發(fā)掘SOP的技術(shù)潛力，將SOP與端對(duì)端交易、共享經(jīng)濟(jì)等新技術(shù)相結(jié)合，從而創(chuàng)造更多的附加效益。

參考文獻(xiàn)

[1]李鵬，王瑞，冀浩然，等.低碳化智能配電網(wǎng)規(guī)劃思考與展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2021，45（24）：10-21.

[2]胡鵬飛，朱乃璇，江道灼，等.柔性互聯(lián)智能配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2021，45（8）：2-12.

[3]王成山，宋關(guān)羽，李鵬，等.基于智能軟開(kāi)關(guān)的智能配電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術(shù)及展望[J].