低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展模式

何 曉，盧宜林

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司黃山市黃山區(qū)供電公司，安徽 黃山 245000）

現(xiàn)階段，我國(guó)較多地區(qū)的區(qū)域電網(wǎng)在連接中仍然采取的是剛性連接方式，結(jié)合關(guān)于低壓配電臺(tái)區(qū)剛性連接的分析，其具有較高的線損，尤其是在農(nóng)村地區(qū)，其低壓臺(tái)區(qū)具有點(diǎn)多、面廣以及較分散的特點(diǎn)，較多用戶須從支線上直接引入電源，存在較多的線損，影響到供電質(zhì)量[1]。新時(shí)期，隨著對(duì)區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)結(jié)的不斷研究，低壓配電柔性互聯(lián)逐步在低壓配電臺(tái)區(qū)聯(lián)結(jié)中得到應(yīng)用。柔性互聯(lián)技術(shù)指的是運(yùn)用柔性直流輸電技術(shù)完成不同區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，該方式在應(yīng)用期間可較好地實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，減少線損，更好地適應(yīng)新能源的接入，并逐步成為區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)結(jié)的一個(gè)重要研究方向。

1 區(qū)域電網(wǎng)剛性互聯(lián)的局限性分析

區(qū)域電網(wǎng)剛性互聯(lián)是現(xiàn)階段電網(wǎng)互聯(lián)的主要方式，即通過(guò)硬性連接方式實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域多個(gè)電網(wǎng)的互聯(lián)，通過(guò)不同電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)與處理，更好地為用戶提供可靠且穩(wěn)定的電力資源。

結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的剛性互聯(lián)模式，其在使用中具有較高的穩(wěn)定性，但是同時(shí)也存在局限性，主要表現(xiàn)為：（1）投資大，區(qū)域電網(wǎng)剛性互聯(lián)時(shí)，為了保證電力輸送的穩(wěn)定性和可靠性，在剛性互聯(lián)過(guò)程中通常需要對(duì)現(xiàn)有的輸電設(shè)施予以擴(kuò)建或者繼續(xù)建設(shè)新的輸電線路，需要大量的資金投入；（2）需要較多的運(yùn)行維護(hù)成本，區(qū)域電網(wǎng)在維護(hù)過(guò)程中，須視情況使用變壓器、輸電線路、配電設(shè)備、控制系統(tǒng)等，同時(shí)需要人力成本支出，還需要相關(guān)的安全保障措施費(fèi)用支出，各方面的成本支出較大，使得整體運(yùn)行維護(hù)成本高；（3）如果發(fā)生故障，影響的范圍較大，且因?yàn)榉秶^大，整個(gè)故障排查以及故障處理耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，可能給相關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)、人民的生活造成較大影響；（4）靈活性差，不同用戶本身在用電需求方面存在多樣性，而剛性連接的靈活性差，無(wú)法較好地適應(yīng)用戶側(cè)多樣化需求。相對(duì)而言，區(qū)域電網(wǎng)中的柔性互聯(lián)不僅可靠性高，同時(shí)還存在較強(qiáng)的“自愈”特點(diǎn)。

2 柔性互聯(lián)的主要設(shè)備分析

主要設(shè)備有以下5類。

2.1 交流低壓智能斷路器

常規(guī)的機(jī)械式斷路器、電子式斷路器在早期低壓臺(tái)區(qū)中應(yīng)用較多，但是實(shí)際應(yīng)用效果并不理想，比如在應(yīng)用中存在較高的故障率，而發(fā)生故障后的維修難度也較大，且上述斷路器在使用中的智能化不足。對(duì)此，區(qū)域電網(wǎng)在柔性互聯(lián)過(guò)程中應(yīng)積極研究一種新型的低壓智能斷路器，而結(jié)合不同學(xué)者關(guān)于低壓智能斷路器的相關(guān)研究，現(xiàn)階段應(yīng)用可靠，且研發(fā)成熟度較高的主要有分布式智能終端（DSTATM）、智能型萬(wàn)能式斷路器（PLC），上述兩種智能斷路器均符合IEC 60870-5-104協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。智能斷路器中使用微處理器形成控制中心，不同數(shù)據(jù)可通過(guò)傳感器獲取并在數(shù)據(jù)分析后執(zhí)行有關(guān)操作，能夠更好地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)，保護(hù)電網(wǎng)[2]。

2.2 AC/DC換流器

低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)過(guò)程中，為了更好地實(shí)現(xiàn)電能傳輸，AC/DC變換器是必不可少。通過(guò)AC/DC換流器能夠使輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，確保輸出的電源滿足不同用電設(shè)備的負(fù)載需要，同時(shí)兼顧供電穩(wěn)定性與可靠性。AC/DC換流器存在不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如半橋型、全橋型等，從功率密度、效率方面分析，全橋型AC/DC變換器有明顯優(yōu)勢(shì)。如果低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)區(qū)域內(nèi)存在頻繁的電壓波動(dòng)，同時(shí)低壓臺(tái)區(qū)存在較大的負(fù)荷變化，此時(shí)選擇的AC/DC變換器應(yīng)符合高效、低損耗的要求。

2.3 DC/DC換流器

為了在區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)中保證交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)能夠完成電力資源的傳遞，須在柔性直流輸電中配備DC/DC變換器。DC/DC變換器在使用中能夠滿足可靠、高效等優(yōu)勢(shì)，在低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)中有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)中為了提升整個(gè)系統(tǒng)的靈活性，并考慮系統(tǒng)在后續(xù)應(yīng)用中的可擴(kuò)展性要求，其結(jié)構(gòu)可采取模塊化，從而滿足上述要求，同時(shí)有利于對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的維護(hù)與升級(jí)。半橋型、全橋型、推挽型均是現(xiàn)階段常用的DC/DC變換器拓?fù)湫问?，?dāng)然不同形式的變換器有著不同的特點(diǎn)。比如半橋型的DC/DC變換器整體電路相對(duì)簡(jiǎn)單，有較高的效率，并容易控制；針對(duì)一些用電的大功率場(chǎng)合可選擇全橋型DC/DC變換器，同時(shí)選擇電壓應(yīng)力較大的開(kāi)關(guān)管。隨著對(duì)DC/DC變換器的研究，諧振 DC/DC 變換器、DC-DC變換器等新型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也得到發(fā)展與應(yīng)用，在具體選擇中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，兼顧變換器的成本以及性能[3]。

2.4 直流斷路器

傳統(tǒng)的空氣開(kāi)關(guān)在低壓臺(tái)區(qū)中應(yīng)用較多，且具有較高的穩(wěn)定性，但是隨著太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等新能源發(fā)電在整個(gè)電網(wǎng)中的接入，其對(duì)供電可靠性有著更加嚴(yán)格的要求。為了保證整體供電的可靠性與穩(wěn)定性，常規(guī)的空氣開(kāi)關(guān)需要使用性能更好的開(kāi)關(guān)設(shè)備來(lái)替代，使用率較高的主要是直流斷路器。通過(guò)直流斷路器的使用，能夠較好地實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)。與交流斷路器相比，直流斷路器在具體使用中有著自身的優(yōu)勢(shì)，如直流斷路器重量較輕，同時(shí)體積較小，有著更快的響應(yīng)速度，在使用中能夠頻繁操作，更重要的是直流斷路器在使用中的燃弧時(shí)間短，可提升在實(shí)際使用中的安全性，預(yù)防并降低火災(zāi)事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。直流斷路器在使用中無(wú)磁飽和問(wèn)題，能夠降低諧波污染，改善供電過(guò)程中產(chǎn)生的噪音。

2.5 直流限流器

直流限流器在柔性互聯(lián)低壓臺(tái)區(qū)中也有重要應(yīng)用，通過(guò)串聯(lián)一個(gè)直流電源，可避免負(fù)載端發(fā)生電壓波動(dòng)，從而保證設(shè)備的正常使用，降低設(shè)備損壞可能。電網(wǎng)會(huì)為用電器提供相應(yīng)的電流，不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用期間因?yàn)榫€損、線路阻抗、電感等原因，電源所提供的電流可能不符合負(fù)載的具體需求，可能造成負(fù)載受到損害，對(duì)此，應(yīng)依靠一定的技術(shù)措施，對(duì)輸出的電流大小做好調(diào)節(jié)與處理，減少本身電流變化對(duì)用電器的影響。安裝直流限流器是調(diào)整電流的常用方法，其在不同場(chǎng)景電力電子裝置中均有應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際研究結(jié)果，其體積小、重量輕，并有著較快的響應(yīng)速度。通過(guò)在線路中安裝直流限流器，依靠控制電路實(shí)現(xiàn)直流電壓向交流電壓的轉(zhuǎn)換，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載電流的目的。如果負(fù)載電流較大，并超過(guò)一定范圍，直流限流器則會(huì)自動(dòng)將電源供應(yīng)斷開(kāi)，達(dá)到預(yù)防過(guò)載的目的。現(xiàn)階段可使用的限流器也較多，比如超導(dǎo)限流器、PTC 電阻限流器、混合型限流器、固態(tài)限流器、液態(tài)金屬限流器等。當(dāng)然，不同直流限流器在具體的限流能力、限流速度、通態(tài)損耗、重復(fù)操作能力、恢復(fù)時(shí)間以及設(shè)備成本方面存在差異，須結(jié)合具體情況靈活選擇[4]。

3 柔性互聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)分析

低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)中除了有相關(guān)設(shè)備外，還需要通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域互聯(lián)，達(dá)到柔性互聯(lián)，降低線損的目的。

3.1 穩(wěn)定控制技術(shù)

低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)須在實(shí)際的環(huán)境中運(yùn)行，相應(yīng)的會(huì)受到各種因素的影響，比如環(huán)境溫度的變化、用電負(fù)荷的變化等，這些變化會(huì)對(duì)電路系統(tǒng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生影響，造成低壓臺(tái)區(qū)聯(lián)絡(luò)線可能出現(xiàn)閃變、電壓波動(dòng)等問(wèn)題，影響到供電質(zhì)量。為了保證相關(guān)用電負(fù)荷可正常工作，并符合用電設(shè)備的負(fù)荷要求，在低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)過(guò)程中應(yīng)采取一定的技術(shù)確保聯(lián)絡(luò)線電壓處于可控與穩(wěn)定狀態(tài)?；谀Ｐ皖A(yù)測(cè)控制的開(kāi)環(huán)控制、基于PID控制器的閉環(huán)控制在低壓配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線電壓穩(wěn)定控制方面均有應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)具體情況靈活選擇技術(shù)措施。

3.2 兼顧儲(chǔ)能的臺(tái)區(qū)互聯(lián)調(diào)控技術(shù)

結(jié)合低壓配電電臺(tái)特點(diǎn)，其在運(yùn)行期間具有故障發(fā)生的可能，而故障發(fā)生后可能對(duì)用電設(shè)備造成損害，所以在柔性互聯(lián)期間應(yīng)注意上述問(wèn)題，并強(qiáng)調(diào)新技術(shù)措施的應(yīng)用。根據(jù)近年來(lái)的研究分析，通過(guò)在電壓控制以及電流調(diào)節(jié)過(guò)程中可通過(guò)電容滿足上述要求，即將LC濾波器加入到低壓配網(wǎng)中，同步實(shí)現(xiàn)對(duì)線路中電壓與電流的調(diào)控，提升整個(gè)電路的靈活性，更好地完成電路自動(dòng)轉(zhuǎn)換，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，保證低壓配網(wǎng)運(yùn)行中電壓受到控制，電流能夠得到調(diào)節(jié)，保證用電設(shè)備的安全。

3.3 XGBoost算法

低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)過(guò)程中還需要采集與線路運(yùn)行相關(guān)的信息，進(jìn)而作為線路運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)、故障診斷的參考，而在實(shí)際采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，部分?jǐn)?shù)據(jù)可能出現(xiàn)缺失，而部分?jǐn)?shù)據(jù)可能本身存在異常，影響到數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)線路的指導(dǎo)與參考價(jià)值。須通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理，并解決在實(shí)際數(shù)據(jù)分析中遇到的問(wèn)題，盡管支持向量機(jī)、線性回歸等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法能夠完成部分?jǐn)?shù)據(jù)的分析與處理，無(wú)法全面解決在具體應(yīng)用中遇到的問(wèn)題?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的算法能夠更系統(tǒng)、全面地完成數(shù)據(jù)分析，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)其中的異常數(shù)據(jù)，解決在具體運(yùn)行中遇到的問(wèn)題。從預(yù)測(cè)精度、泛化能力方面考慮，XGBoost作為決策樹(shù)集成算法之一，其可滿足上述要求，完成對(duì)多種類型數(shù)據(jù)集的分析與處理，整體預(yù)測(cè)精度較高。

4 柔性互聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

4.1 確定換流器的接線形式與相應(yīng)的電壓等級(jí)

ISOP換流器與LCC換流器是當(dāng)前使用較多的低壓臺(tái)區(qū)換流器，不同換流器本身的特點(diǎn)也有所不同，其中ISOP在使用中損耗較低，同時(shí)體積較小，是一種新型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流器，以IGBT、MOSFET為基礎(chǔ)。LCC則為換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，存在較高的轉(zhuǎn)換效率。鑒于不同用電負(fù)荷、用電場(chǎng)景以及用電需求等不同，需要的電能質(zhì)量也有差異，應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的換流器類型。在低壓臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)過(guò)程中，也應(yīng)重視換流器的電壓等級(jí)，通常情況下要求換流器額定工作電壓不小于用戶側(cè)所需電壓，換流器也須滿足過(guò)壓保護(hù)要求。比如在低壓臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)中可使用380 V/400 V兩級(jí)式升壓方案，這樣不會(huì)影響臺(tái)區(qū)內(nèi)其他負(fù)荷，同時(shí)更好地滿足不同用戶的用電要求[5]。

4.2 柔性互聯(lián)拓?fù)渑c結(jié)構(gòu)分析

柔性互聯(lián)拓?fù)渲袘?yīng)采取公共直流母線集中部署模式，圖1所示為雙臺(tái)區(qū)低壓母聯(lián)柜，其組成主要包括臺(tái)區(qū)智能斷路器、運(yùn)行狀態(tài)指示燈、急停按鈕、融合終端等相關(guān)模塊。柔性互聯(lián)系統(tǒng)的組成主要包括備用電源、公共直流母線、配電變流器等，采取分散式直流母線分段部署模式能夠通過(guò)饋線連接不同電源母線，不同分段上均有電壓互感器，然后接入終端，通過(guò)上述處理，能夠提高整個(gè)線路的靈活性，更好地對(duì)線路中的容量大小、負(fù)荷等級(jí)做出調(diào)整。

圖1 雙臺(tái)區(qū)低壓母聯(lián)柜

5 結(jié)束語(yǔ)

低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)技術(shù)在應(yīng)用中不僅能夠保證該臺(tái)區(qū)原有負(fù)荷的正常使用，同時(shí)還可解決相鄰臺(tái)區(qū)間的負(fù)載率不均衡的問(wèn)題，滿足不同用戶對(duì)電力資源使用中的負(fù)荷增長(zhǎng)需求。低壓配電臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)在應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況合理選擇所需要的設(shè)備，并保證關(guān)鍵技術(shù)的使用。母聯(lián)柜的使用能夠更好的實(shí)現(xiàn)多臺(tái)區(qū)的互聯(lián)，發(fā)揮母線匯集的作用，更好地保護(hù)與監(jiān)測(cè)配電變壓器，確保低壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，確保所提供的電力資源可靠，減少線損以及線路波動(dòng)對(duì)用電設(shè)備的影響。