雙電源接入的配電網(wǎng)重構(gòu)與優(yōu)化技術(shù)研究

張愛(ài)軍

（泰州三新供電服務(wù)有限公司姜堰分公司，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，民眾對(duì)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，因此需要進(jìn)一步提高配電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)效率和電力質(zhì)量。目前，雙電源配電環(huán)網(wǎng)是提高電力供應(yīng)可靠性的一種常用方式。然而，雙電源配電環(huán)網(wǎng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)維難度大、電流控制困難等問(wèn)題，導(dǎo)致配電網(wǎng)的能耗偏高。在電力行業(yè)，如何有效地控制雙電源配電環(huán)網(wǎng)內(nèi)的電流分布，以降低能耗，成為研究人員新的研究方向。柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展，尤其是統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）的出現(xiàn)，可以較好地解決這一問(wèn)題。文章將UPFC 應(yīng)用于雙電源配電環(huán)網(wǎng)的電流優(yōu)化控制，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法在優(yōu)化電流控制方面的有效性。

1 環(huán)網(wǎng)柜雙電源自動(dòng)投切的基本接線

雙電源環(huán)網(wǎng)供電配電網(wǎng)系統(tǒng)可以提高電力供應(yīng)的可靠性，有效應(yīng)對(duì)電源故障。在該系統(tǒng)中，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)（K8）在正常情況下保持?jǐn)嚅_(kāi)，使雙電源環(huán)網(wǎng)以開(kāi)環(huán)模式運(yùn)行，僅由一個(gè)電源供應(yīng)電力[1]。而在任一電源發(fā)生故障時(shí)，K8閉合，實(shí)現(xiàn)雙電源供電，以確保供電的連續(xù)性。故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)需要定位故障，并對(duì)故障所產(chǎn)生的電流大小和方向進(jìn)行分析與診斷。在雙電源配電網(wǎng)設(shè)計(jì)和實(shí)施接線時(shí)，需要合理選擇自動(dòng)切換設(shè)備，并根據(jù)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行正確的輸入、輸出接線。

2 雙電源自動(dòng)投切系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 機(jī)械電氣雙重聯(lián)鎖功能

該功能是安全關(guān)鍵應(yīng)用中的重要部分，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化和電力系統(tǒng)，包括配電環(huán)網(wǎng)柜等。機(jī)械電氣雙重聯(lián)鎖的工作原理主要包括機(jī)械聯(lián)鎖和電氣聯(lián)鎖2 個(gè)方面。

機(jī)械聯(lián)鎖通常涉及實(shí)物安全屏障或構(gòu)造，如鎖具、插銷(xiāo)或其他形式的物理阻擋，確保只有在滿足特定條件時(shí)才能進(jìn)行機(jī)械操作[2]。例如，在一個(gè)環(huán)網(wǎng)柜中，只有先打開(kāi)一個(gè)保護(hù)開(kāi)關(guān)，才能訪問(wèn)內(nèi)部的電氣元件，從而確保在人員接觸這些元件之前切斷電源。機(jī)械聯(lián)鎖作為一種預(yù)防性的安全特性，通過(guò)物理手段確保在合適的條件下才能執(zhí)行操作。在電氣系統(tǒng)和自動(dòng)化控制領(lǐng)域，尤其在環(huán)網(wǎng)柜這樣的配電設(shè)備中，機(jī)械聯(lián)鎖通常涉及一些物理裝置，如插銷(xiāo)、鎖具或其他阻擋機(jī)制，它們構(gòu)成一道安全屏障，阻止在設(shè)備帶電狀態(tài)或在其他不安全狀態(tài)下的操作。

電氣聯(lián)鎖通過(guò)一個(gè)綜合的電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控設(shè)備和環(huán)境的狀態(tài)，并且在特定的安全條件未被滿足時(shí)，阻止電氣操作繼續(xù)進(jìn)行[3]。在實(shí)踐中，電氣聯(lián)鎖通常利用傳感器、繼電器、邏輯控制器等元件來(lái)構(gòu)建一套控制邏輯網(wǎng)絡(luò)。例如，在雙電源環(huán)網(wǎng)配電系統(tǒng)中，為保障在電源轉(zhuǎn)換或故障處理時(shí)的安全性，電氣聯(lián)鎖會(huì)禁止操作員在不安全的情況下切換電源或打開(kāi)某些控制開(kāi)關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)饋線終端單元（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）檢測(cè)到電流數(shù)值超出正常運(yùn)行狀態(tài)下的電流值時(shí)，則認(rèn)為存在故障電流，并標(biāo)記為“1”；若當(dāng)前電流數(shù)值低于正常水平，則標(biāo)記為“0”，表明系統(tǒng)運(yùn)行正常，無(wú)故障發(fā)生。這種基于FTU 的監(jiān)測(cè)方法為運(yùn)維人員提供了一系列二進(jìn)制的離散數(shù)據(jù)，即“0”和“1”的指示信息，能夠更直觀和便捷地判斷電網(wǎng)狀態(tài)。

2.2 自動(dòng)切換裝置和邏輯判斷及其功能

在電力系統(tǒng)中，自動(dòng)切換裝置（Automatic Transfer Switch，ATS）是一個(gè)關(guān)鍵的組件，確保在主電源失效時(shí)能自動(dòng)無(wú)縫切換到備用電源，維持電力的連續(xù)供應(yīng)。ATS 的核心在于依靠邏輯判斷來(lái)評(píng)估電源的狀況，涵蓋電壓大小、頻率及波形等質(zhì)量參數(shù)[4]。ATS 的邏輯判斷功能不僅要監(jiān)測(cè)電源的質(zhì)量，還需要在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)做出是否切換的決定。這種快速響應(yīng)的能力，對(duì)于避免設(shè)備停機(jī)、數(shù)據(jù)丟失或者其他由電源問(wèn)題導(dǎo)致的潛在損害極為必要。當(dāng)主電源的質(zhì)量超出預(yù)設(shè)的安全范圍時(shí)，ATS 觸發(fā)切換流程，這一過(guò)程包括斷開(kāi)原電源連接、驗(yàn)證備用電源就緒狀態(tài)，直至安全地完成供電轉(zhuǎn)換。為確保電源切換的平穩(wěn)進(jìn)行，ATS 內(nèi)部設(shè)計(jì)了延遲和保護(hù)機(jī)制，以防設(shè)備受損。此外，自動(dòng)切換裝置可以與監(jiān)控系統(tǒng)集成，收集數(shù)據(jù)以便于后續(xù)的故障分析和系統(tǒng)維護(hù)。當(dāng)ATS 與監(jiān)控系統(tǒng)緊密配合時(shí)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電源的狀態(tài)、負(fù)載情況及切換次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。這些數(shù)據(jù)對(duì)于評(píng)估電力系統(tǒng)的健康狀況、預(yù)防潛在故障以及優(yōu)化能源使用，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，集成的監(jiān)控系統(tǒng)可以迅速捕獲故障發(fā)生前后的所有數(shù)據(jù)，包括電源質(zhì)量參數(shù)、切換時(shí)間以及切換過(guò)程中的電流和電壓變化等。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)的故障分析提供寶貴的線索，通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)，可以識(shí)別出電力系統(tǒng)中可能存在的瓶頸和問(wèn)題區(qū)域，從而制定針對(duì)性的優(yōu)化方案。例如，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)電源質(zhì)量波動(dòng)較大，需要對(duì)該區(qū)域的電源進(jìn)行升級(jí)或更換。在更先進(jìn)的系統(tǒng)中，自動(dòng)切換邏輯可以融入智能算法，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型來(lái)提高決策精確度。這些智能化的特點(diǎn)不僅提高了配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性，還提高了供電系統(tǒng)的韌性，確保在遇到電源故障時(shí)，能夠?yàn)橹匾獏^(qū)域和關(guān)鍵設(shè)備提供穩(wěn)定持續(xù)的電力支持。

3 工程應(yīng)用

3.1 UPFC 在潮流優(yōu)化中的應(yīng)用

UPFC 是電力系統(tǒng)潮流控制領(lǐng)域的一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，在電力傳輸過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)線路參數(shù)，如電壓、阻抗和相位角，有效控制潮流。雙電源配電環(huán)網(wǎng)的核心優(yōu)勢(shì)是有效保障供電的可靠性。但該系統(tǒng)的潮流管理是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要精確地控制和優(yōu)化2 個(gè)電源提供的電力。為解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)基于UPFC的數(shù)學(xué)模型和控制策略，致力于最小化潮流引起的有功功率損耗，并求解UPFC 串聯(lián)補(bǔ)償電壓的優(yōu)化問(wèn)題[5]。該模型采用先進(jìn)的數(shù)學(xué)算法優(yōu)化配電網(wǎng)的潮流分布，降低損耗，最終提高2 個(gè)電源的相互協(xié)同能力和能源效率。含分布式電源接入的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 含分布式電源接入的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)原理

3.2 UPFC 應(yīng)用實(shí)例分析

在雙電源配電環(huán)網(wǎng)等結(jié)構(gòu)中，有效的潮流控制對(duì)于維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和優(yōu)化能源使用至關(guān)重要。UPFC 作為一種先進(jìn)的潮流控制設(shè)備，能夠調(diào)整電網(wǎng)中的電壓和相位，顯著提升電力傳輸效率并降低能耗。UPFC 在雙電源配電環(huán)網(wǎng)中的應(yīng)用有助于解決傳統(tǒng)潮流控制難以應(yīng)付的問(wèn)題，例如需要同時(shí)處理來(lái)自2 個(gè)不同電源的潮流輸入。針對(duì)這一應(yīng)用背景，進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，分析UPFC 在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中的性能[6]。仿真模型圖如圖2 所示，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓統(tǒng)計(jì)表

圖2 仿真模型圖

分析系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，深入探討UPFC在電力系統(tǒng)中調(diào)節(jié)電壓的作用和效率。由表1 可知：在未安裝UPFC 的情況下，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓在9.27 ～9.40 kV 的范圍內(nèi)波動(dòng)，表示在無(wú)潮流調(diào)控的環(huán)境下，系統(tǒng)可能面臨電壓穩(wěn)定性挑戰(zhàn)；UPFC 安裝在不同節(jié)點(diǎn)（分別標(biāo)記為M 側(cè)與N 側(cè)）時(shí)，無(wú)論是在M 側(cè)還是N 側(cè)，各節(jié)點(diǎn)電壓均實(shí)現(xiàn)不同程度的提升。

具體而言，在M 側(cè)安裝UPFC 后，各節(jié)點(diǎn)電壓普遍增加0.5 ～0.6 kV，而在N 側(cè)安裝情形下，雖然提升幅度相近，細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)卻有所差異，表明UPFC 安裝位置對(duì)于電壓調(diào)節(jié)效果十分重要，有必要根據(jù)具體電網(wǎng)需求來(lái)優(yōu)化UPFC 布置。此外，UPFC 安裝在不同節(jié)點(diǎn)處，所引起的電壓提升并不均勻，可能受線路阻抗、負(fù)荷分布等多種因素的共同影響。為達(dá)到優(yōu)化的電壓控制效果，制定UPFC 的控制策略時(shí)需要綜合考慮這些變量。研究結(jié)果表明，UPFC 技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，并且其安裝位置對(duì)于優(yōu)化效果具有關(guān)鍵影響。針對(duì)電網(wǎng)特定的需求和條件制定精確的UPFC 部署和控制策略，對(duì)于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率至關(guān)重要。

4 結(jié) 論

文章深入探討雙電源接入配電網(wǎng)的重構(gòu)與優(yōu)化調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)和策略，旨在提高配電網(wǎng)運(yùn)行效率與可靠性。通過(guò)優(yōu)化模型與算法創(chuàng)新，文章提出同時(shí)考慮電網(wǎng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的配電網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化模型，并利用先進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)快速求解。對(duì)比不同雙電源接入方案，文章提出基于效益與成本的最優(yōu)策略，有效平衡成本與可靠性。實(shí)證案例分析顯示，雙電源接入及其優(yōu)化策略在增強(qiáng)配電網(wǎng)抗干擾能力、降低運(yùn)營(yíng)成本和提高可再生能源消納能力方面均表現(xiàn)出色，能夠促進(jìn)雙電源技術(shù)應(yīng)用和配電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展。