基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制方法研究

董世丹傑，楊超, 姜燕, 許元斌, 苑經(jīng)緯

(1.國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 102200；2. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力公司信息通信分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

0 引 言

光伏發(fā)電是將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電方式[1]，是當(dāng)前解決電能危機(jī)最有效的方式之一。光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行故障導(dǎo)致傳統(tǒng)電網(wǎng)出現(xiàn)如電壓、諧波和頻率等不同的質(zhì)量問(wèn)題[2]。上述質(zhì)量問(wèn)題均對(duì)配電網(wǎng)中光伏電源的接入產(chǎn)生消極影響。為使光伏產(chǎn)業(yè)健康化、標(biāo)準(zhǔn)化和快速化發(fā)展，需完善光伏發(fā)電接網(wǎng)與并網(wǎng)運(yùn)行服務(wù)，進(jìn)行光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制，提升配套電網(wǎng)技術(shù)[3]。

本文在分層分區(qū)協(xié)調(diào)的自愈控制技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制方法的硬件結(jié)構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的自愈控制圖。與此同時(shí)，根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)，將自愈控制代理分為五種控制情況分別分析，最大程度上提高光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制質(zhì)量。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)

1.1 分層分區(qū)協(xié)調(diào)的自愈控制技術(shù)

失去部分電荷的配電網(wǎng)處于不工作狀態(tài)，將對(duì)生產(chǎn)與生活造成巨大影響，故當(dāng)故障發(fā)生時(shí)及時(shí)實(shí)現(xiàn)“自我感知”，然后進(jìn)行診斷、控制與恢復(fù)。因此光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制方法在各層次與區(qū)域中采用匹配的協(xié)調(diào)自愈控制程序[4-5]，確保光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

具有分布自制性、廣域協(xié)調(diào)性和工況適應(yīng)性的配電網(wǎng)自愈控制“2-3-6”基礎(chǔ)組織架構(gòu)由兩環(huán)控制邏輯、三層控制結(jié)構(gòu)和六個(gè)控制環(huán)節(jié)共同組成[6-7]。兩環(huán)控制邏輯中的局部控制可以理解為光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)終端的就地控制，局部控制在保護(hù)控制配電網(wǎng)智能終端過(guò)程中無(wú)需配電主站與子站的輔助[8-10]。基于故障診斷邏輯，利用終端間彼此通信完成故障區(qū)域隔離，恢復(fù)非故障區(qū)域供電，處理方式與結(jié)果輸入上報(bào)程序。局部控制通信結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 局部控制通信結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的自愈控制方法硬件結(jié)構(gòu)

基于分層分區(qū)協(xié)調(diào)的自愈控制技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制方法是對(duì)“自我感知、診斷、控制與恢復(fù)”實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集電路對(duì)輸入電壓和電流等若干參數(shù)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳送的數(shù)據(jù)送往基于Samsung S3C2440的微處理器平臺(tái)。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的自愈控制方法硬件結(jié)構(gòu)

1.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的自愈控制方法軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在 Samsung S3C2440上移植 Linux操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)源代碼開(kāi)放和可移植性強(qiáng)。硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，上層應(yīng)用程序采用Qt，Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶(hù)界面庫(kù)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)的自愈控制方法軟件結(jié)構(gòu)

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的自愈控制

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的自愈控制圖

在基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制方法結(jié)構(gòu)中，控制層是最高層，為增強(qiáng)光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)供電的穩(wěn)定與安全性能，控制代理依照光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)與故障，通過(guò)不同控制程序使光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)健康狀態(tài)逐步提升?；谖锫?lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的自愈控制圖如圖4所示。

基于光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，以故障后失去部分負(fù)荷為底線(xiàn)，自愈控制代理劃分為緊急控制、恢復(fù)控制和校正控制。

1) 緊急控制

用d(·)和d1分別表示狀態(tài)函數(shù)和緊急狀態(tài)函數(shù)。在d(·)≥d1條件下，光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)處于緊急狀態(tài)，通過(guò)切機(jī)和切負(fù)荷等緊急可控制程序可恢復(fù)光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)狀態(tài)，確保其安全穩(wěn)定供電。緊急控制流程在緊急狀態(tài)下展開(kāi)保護(hù)動(dòng)作，若滿(mǎn)足上述狀態(tài)函數(shù)大于緊急狀態(tài)函數(shù)，則可通過(guò)解列、切機(jī)或者切負(fù)荷控制電源狀態(tài)。

2) 恢復(fù)控制

用d2表示恢復(fù)狀態(tài)，在d2≤d(·)≤d1條件下，光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)參數(shù)大致能夠達(dá)到運(yùn)行的約束標(biāo)準(zhǔn)。在還缺少少量負(fù)荷的情況下，可通過(guò)局部恢復(fù)程序與整體恢復(fù)程序調(diào)整供電路徑[11-13]，清除故障，使停止工作的機(jī)組再次運(yùn)行，各列解小系統(tǒng)逐漸并行，使光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為異常狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)或正常狀態(tài)，恢復(fù)控制流程是光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)出現(xiàn)恢復(fù)狀態(tài)，則就地恢復(fù)供電，若直接恢復(fù)成功，則恢復(fù)控制結(jié)束；若未直接恢復(fù)成功，則采用遠(yuǎn)方恢復(fù)供電的方式，然后排除故障，直到恢復(fù)供電成功為止。

3) 校正控制

圖5 校正控制程序

用d3表示異常狀態(tài)，在d3≤d(·)≤d2條件下，光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)中存在過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象，處于異常狀態(tài)，但異常狀態(tài)持續(xù)時(shí)間在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，此時(shí)利用程序確定出現(xiàn)異常的設(shè)備位置，改變運(yùn)行結(jié)構(gòu)。利用補(bǔ)償程序改善過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象，平穩(wěn)電壓，使光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為預(yù)警狀態(tài)或正常狀態(tài)[14-15]，校正控制程序如圖5所示。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制方法的有效性與適用性，將本文方法運(yùn)行到光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中。考慮分布式電源與負(fù)荷等級(jí)，構(gòu)建光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)模型，該配電網(wǎng)模型中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為25，29條支路中包含5條聯(lián)絡(luò)支路，光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)模型中包含5個(gè)分布式電源，分別與8、13、14、17、23節(jié)點(diǎn)相連，除與13節(jié)點(diǎn)相連的分布式電源容量為250 kVA外，其余均為500 kVA。模型各節(jié)點(diǎn)符合等級(jí)參數(shù)如表1所示，整體自愈控制模型如圖6所示。

表1 負(fù)荷等級(jí)參數(shù)

圖6 光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)模型

圖7 未采取本文方法自愈前

3.2 試驗(yàn)

光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)模型中出現(xiàn)永久性故障(節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)4之間)條件下，斷路器開(kāi)關(guān)(3)斷開(kāi)，如圖7所示。

分析圖7可知，在線(xiàn)路(3)出現(xiàn)故障的情況下，開(kāi)關(guān)(4)斷開(kāi)。光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)整體劃分為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其中：一個(gè)網(wǎng)絡(luò)同大電網(wǎng)連接，其負(fù)荷不發(fā)生變化；另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)則形成孤島，其負(fù)荷相較于分布式電源的整體有功出力顯著提升，導(dǎo)致配電網(wǎng)損壞，分布式電源無(wú)法有效運(yùn)行，此光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)整體喪失供電能力。

在此條件下，假設(shè)不運(yùn)行故障自愈方法，光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)整體保持解列狀態(tài)，其中半數(shù)以上分布式電源無(wú)法正常工作，能源利用率顯著降低，失電負(fù)荷大幅提升，對(duì)人類(lèi)的生活、工作與學(xué)習(xí)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量，推進(jìn)光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制建設(shè)。本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制方法，最終構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的自愈控制圖。在光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)模型中引進(jìn)本文提出的自愈控制方法和原始方法，分別進(jìn)行故障后的自愈試驗(yàn)。仿真結(jié)果顯示本文方法可滿(mǎn)足光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)自愈控制的服務(wù)需求，最大程度達(dá)到預(yù)期，提高自愈控制質(zhì)量。