电气工程学报, 2020, 15(4): 138-143 doi: 10.11985/2020.04.017

分布式多电源开环接线的不同模式的可靠性分析 *

李响,1, 王宝巍,2, 欧阳卫年1, 喻翔2

1.广东电网有限责任公司佛山供电局 佛山 528000

2.北京科锐配电自动化股份有限公司 北京 100193

Reliability Analysis of Different Modes of Distributed Multi-power Open Loop Wiring

LI Xiang,1, WANG Baowei,2, OUYANG Weinian1, YU Xiang2

1. Foshan Power Supply, Guangdong Power Grid Corporation, Foshan 528000

2. Creative Distribution Automation Co., Ltd., Beijing 100193

收稿日期: 2020-03-24   修回日期: 2020-07-24   网络出版日期: 2020-12-25

基金资助: * 广东电网有限责任公司科技资助项目.  GDKJXM20172911

Received: 2020-03-24   Revised: 2020-07-24   Online: 2020-12-25

作者简介 About authors

李响,男,1977年生,高级工程师。主要研究方向为电力系统自动化,智能调度,配网自愈,优化安稳系统等工作的规划与建设。E-mail:yongmudangzzb@163.com

王宝巍,男,1989年生,硕士,中级工程师。主要研究方向为电力系统自动化,配网自愈。E-mail：yousi96066@163.com

欧阳卫年,男,1978年生,硕士,高级工程师。主要研究方向为配网调度自动化,变电站自动化,智能调度,配网自愈,电网大数据应用分析等。

喻翔,男,1989年生,中级工程师。主要研究方向为电力系统自动化,配网自愈。

摘要

为有效协调电网环境中的配置容量,针对不同模式分布式多电源开环接线法的可靠性展开研究。利用多电源滑模控制器协调分布式转矩间的电流比数值,进而计算电动机结构体的开环曲率,完成步进两相混合接线模式设计。重构配电网环境中的所有分布式节点,按照多级优化准则,计算开环馈线量的具体数值,完成双层配网规划接线模式设计。试验分析结果表明,该模式设计适应电网调度能力较强,与“一字”型开环接线法相比,应用步进两相混合接线模式后的电网容量超过100 TW·h,应用双层配网规划接线模式后的电网导容率达到90%,电网环境中的配置容量得到妥善协调,分布式多电源的应用可靠性出现明显上升趋势。

关键词： 分布式电源 ; 电动机曲率 ; 配电网重构

Abstract

In order to coordinate the configuration capacity effectively in the power grid, the reliability of different modes of distributed multi-power source open-loop wiring is studied. The multi-power sliding mode controller is used to coordinate the current ratio between the distributed torques, and then the open-loop curvature of the motor structure is calculated. All the distributed nodes in the distribution network environment are reconstructed, and the specific value of the number of open-loop feeders is calculated according to the multi-stage optimization criteria, and the planning and connection mode design of the double-layer distribution network is completed. The experimental results show that the design of this mode has strong adaptability to power grid dispatching. Compared with the “one word” open-loop connection method, the grid capacity after applying the step-by-step two-phase hybrid connection mode is more than 100 TW·h. After the application of the double-layer distribution network planning and connection mode, the conductivity rate of the power grid can reach 90%, and the configuration capacity in the grid environment is properly coordinated, and the application reliability of distributed multi generation appears an obvious upward trend.

Keywords： Distributed power source ; motor curvature ; distribution network reconfiguration

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本文引用格式

李响, 王宝巍, 欧阳卫年, 喻翔. 分布式多电源开环接线的不同模式的可靠性分析 *. 电气工程学报[J], 2020, 15(4): 138-143 doi:10.11985/2020.04.017

LI Xiang, WANG Baowei, OUYANG Weinian, YU Xiang. Reliability Analysis of Different Modes of Distributed Multi-power Open Loop Wiring. Journal of Electrical Engineering[J], 2020, 15(4): 138-143 doi:10.11985/2020.04.017

1 引言

分布式多电源是指低于35 kV的等级式输电主体,由发电设备、储能设备等消耗装置组成。在环境兼容模式下,分布式多电源具备较强的物理独立性,可充分满足中心电源系统及各级用户组织的电量应用需求。按照输出装置使用技术的不同,可将分布式多电源分为燃气轮机发电、太阳能光伏发电、内燃机组发电、风力发电、水力发电等多种类型,且随着传输电量的不断提升,分布式储能装置可实现快速组装,并按照模块化标准,与装配在电网主体上的能量存储转换装置相连[1]。所谓开环接线是指在不考虑反馈控制效果的前提下,依靠电动机转动快慢来判断电路的负载情况,因整个控制过程没有变频器的参与,故开环性接线直接决定电源结构的开路控制模式。

常见的分布式多电源开环接线法包含“一字”型接线、步进两相混合接线、双层配网规划接线三种模式[2],其中,盛铭伟等[1]基于电火花超声复合加工工艺设计了频率可调且稳定的超声波电源调节电路,采用PID控制算法,实现功率的稳定输出,采用半桥驱动器IR2110驱动全桥工作实现功率和频率可调的功能。熊小萍等[2]针对分布式电源输出功率的随机性问题,基于马尔可夫过程建立了发电机多容量状态模型,以模拟出力波动为落脚点,分析瞬时故障对配电网可靠性的影响,提高了配电网可靠性评估的复杂度,在可靠性指标计算方面具有更高的精准度。王金凤等[3]考虑到造成停电损失功率的时序性和不确定性,基于Monte-Carlo随机模拟优化配置模型,同时利用NSGA-II非支配排序策略和拥挤度距离选择最优粒子进行多目标全局寻优,采用最短归一化距离的方法选择最终方案,提高算法的收敛性能,具有实际可行性和有效性。

但是“一字”型接线模式的运行稳定性最强,但不能完全按照电网环境的传输需求协调需要配置的容量节点,进而导致电网容量及电网导容率始终不能达到预期数值水平。为解决上述问题,分别按照计算电动机开环曲率、开环馈线量的方法,完善步进两相混合接线模式、双层配网规划接线模式的设计流程,完成步进两相混合接线模式设计,并在后续比照试验中,突出说明传统模式及新型模式的可靠性应用差异,力图为相关研究提供理论与实际意义上的参考价值。

2 步进式两相混合接线

步进式两相混合接线模式设计,包含多电源滑模控制器连接、分布式转矩电流比控制、电动机开环曲率计算三个步骤,具体应用处理方法如下。

2.1 多电源滑模控制器连接

多电源滑模控制器是步进式两相混合接线模式的中央调配机,由电流比控制器、端口接线、主体电源、操作滑片等多个物理结构组成。其中,电流比控制器位于整个多电源滑模控制结构的最右端,上部为一个数值显示屏,下部为6个控制按键,随着接入按键的改变,显示屏中的物理示数也会随之改变。端口接线组织包括输入端接线和输出端接线,均由4条完全独立的传输线缆组成,分别与分布式电源的正、负极开环接线柱相连。主体电源包含一个常用电源“N”和一个备用电源“R”,分别位于步进式滑片的左、右两端[3]。一般情况下,步进式滑片偏向左端,与常用电源连接;在开环接线柱处于连续过量输出的情况下,步进式滑片逐渐向右偏移[4],直至备用电源与常用电源同时接入分布式多电源组织。图1为完整的多电源滑模控制器结构。

图1

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图1   多电源滑模控制器结构图


2.2 分布式转矩电流比控制

转矩电流就是分布式多电源起动时产生的瞬间电流,简单来说,就是负责产生转矩对抗效应的传输电流。在分布式多电源体系内,直流电动机连接是产生步进式两相混合促进作用的唯一途径,在此过程中,机体组织内部会产生大量的中枢电流,也就是最初级的转矩电流。在开环接线柱励磁效果的作用下,磁场电流与转矩电流始终保持相互独立的传输状态,由于整个多电源体系内不存在明显的耦合作用,分布式输电组织对上述两种电流采取分别控制的处置方式。在不发生外力干扰的情况下,磁场电流与转矩电流间的比值即为分布式转矩电流比。从步进式两相混合接线原理的角度来看,开环接线柱电流磁场与转矩电流间存在明显的耦合关系,即利用“3/2变换原理”就可将静态化的流量比矢量转变为动态化的转矩比矢量[5,6]。“3/2变换原理”是一种相对性的电源耦合处理原则,可分别针对电动机体的磁场效果和转矩物理量实施垂直控制,具有良好的分布矢量处理能力。设$\phi $代表开环接线柱的励磁效果,$\chi $代表多电源体系内的耦合作用矢量。利用$\phi $、$\chi $可将分布式转矩电流比表示为

$\left\{ \begin{align} & {{I}_{1}}=\frac{\ln (1-\phi )}{\Delta i} \\ & \\ & {{I}_{2}}=\frac{\left( {{t}_{1}}-{{t}_{0}} \right)\chi }{B} \\ & \lambda =\frac{2{{I}_{1}}}{3{{I}_{2}}} \\ \end{align} \right.$

式中,${{I}_{1}}$代表磁场电流;${{I}_{2}}$代表转矩电流;$\lambda $代表分布式转矩电流比;$\Delta i$代表传输电流在对抗时间内的总变化量;${{t}_{0}}$、${{t}_{1}}$分别代表理想电流传输时间和实际电流传输时间;$B$代表电流耦合作用的平均作用系数。

2.3 电动机开环曲率计算

电动机开环曲率是指电源在连接开环接线柱时,由步进式电动机连续运行而产生的分布式控制脉冲序列,且整个反馈过程不需要任何连接器件的配合,仅依靠闸型开关即可完成电子元件与电阻设备之间的连接转换。因不存在反馈器件,步进式电动机必须处于分布式多电源的中心位置,为了不影响开环接线励磁变化的响应状态,整个连接过程中,步进式电动机必须保持连贯性输出状态。常规情况下,电动机开环曲率始终与接线励磁响应保持相同的变化趋势,即接线励磁响应量越大,电动机的开环曲率偏移量也越大,反之则越小。在分布式转矩电流比控制效应保持不变的情况下,电动机开环曲率计算量只与电源设备分布相数、接线柱触点矢量保持关联性影响。所谓电源设备分布相数是指连接电源的转承级别,是开环接线状态下的定向化级别系数,不随物理输电时间的延长而发生改变[7,8]。接线柱触点矢量可伴随电源传输行为的改变而不断累积,直至达到目标极限数值${d}'$。设$\bar{k}$代表电源设备的分布相数,联立式(1),可将电动机开环曲率的计算结果表示为

$l=\frac{{{d}'}}{s\lambda }+\left( 1-\frac{\sqrt{{{{\bar{k}}}^{2}}+{{f}^{2}}}}{\beta j} \right)$

式中,$s$代表分布式转矩电流比的综合控制系数;$f$代表多电源组织的惯性传输周期;$j$代表电流转矩调节的最大限定参量;$\beta $代表偏导协调系数。

3 双层配网式规划接线

双层配网规划接线模式设计,包含分布式电源配电网重构、电源节点多级优化、开环馈线量计算三个步骤,具体应用处理方法如下。

3.1 分布式电源配电网重构

分布式电源配电网重构处理完全遵照分布式实施原则,主体电源层、配电传输层、开环接线层三个主体单元,存在不同的电量疏导任务。叠套配网系统位于整个分布式多电源主体的最下端,借助多根重构线缆与主体电源层次相连。在开环接线柱保持连续稳定输出的情况下,主体电源层中会累积大量的待传输电量,按照一定的配电连接请求,分别存储于各个分布主体结构中,图2反映了完整的分布式电源配电网重构操作过程。

图2

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图2   分布式电源配电网重构过程


配电传输层作为主体电源层的下级附属结构,负担分布式电源配电网的主体重构任务,可承接未完全利用的开环电流矢量,并按照各级重构节点所属的具体位置条件,重新分配这些电子参量,进而满足多电源主体的分布式执行需求[9,10]。开环连接层的搭建完全遵照分布式重构原理,可在确定主体分布节点所处位置的基础上,断开已连接的接线柱设备,并将未处于开环状态的传输节点,归结至同一条实体线缆内部,以供下级馈线组织的直接调取利用。

3.2 电源节点的多级优化

在分布式电源配电网重构原理的支持下,电源节点的多级优化规制了分布式主体的上、下处理位置,并按照开环主机的连接形式,调节不同输出模式下接线柱结构所处的具体位置,电源节点多级优化过程如图3所示。

图3

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图3   电源节点多级优化过程


在整个分布式多电源布局模式下,多极化开环接线主机作为核心执行结构,可按照左、右两级对半原理分为正向执行单元和负向执行单元两类。其中,开环接线主机的左部分结构属于正向执行单元,以一个电源主机作为核心搭建设备,从上至下分别连接多个阻化元件[11,12],可同时消耗由分布式多电源产生的物理电量,以保证开环接线柱设备始终处于良好的接入状态。开环接线主机的右部分结构属于负向执行单元,也以一个电源主机作为核心搭建设备,上级电源节点作为接线电子的传入端,与电源主机体直接相连,可在开环接线保持连续闭合状态的情况下,将所有接线电子完全传输至多极化主机体结构中。下级电源节点与多极化开环接线主机的尾部相连,可将暂存的接线电子完全疏导至下级消耗元件中[13,14]。

3.3 开环馈线量计算

开环馈线也叫分布式电缆线,具备良好的电源信号促导能力,通常情况下,处于分布式多电源结构的前端位置,可按照接线柱设备的点触行为,分配电源系统内的所有电流传输量。材质密度及切平面半径是影响开环馈线量计算结果的两大物理因素。所谓材质密度是指开环馈线组织自身的质量及体积条件,作为硬性指标矢量[15],该项物理参数不随其他因素的改变而产生变化。在分布式多电源体系内部,开环馈线组织只有柱体一种表现形式,切平面半径是指柱体底部圆形结构的物理半径,通常情况下,包含Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三类原始型号。默认双层配网规划接线模式只应用半径为${{\alpha }_{1}}$的Ⅰ型开环馈线组织,该型号馈线的材质密度为${{\rho }_{1}}$,则利用上述物理量,可将开环馈线量的计算结果表示为

$h=\frac{\left| p-{{\alpha }_{1}}\sum\limits_{{{e}_{0}}}^{{{e}_{1}}}{{{w}^{\sqrt{{{u}^{2}}+{{r}^{2}}}}}} \right|}{\sum\limits_{{{e}_{0}}}^{{{e}_{1}}}{y\cdot {{\rho }_{1}}}}$

式中,$p$代表双层配网规划接线模式下分布式电源的电流输出总量;${{e}_{0}}$代表开环馈线调节的下限积分常量;${{e}_{1}}$代表开环馈线调节的上限积分常量;$w$代表主体开环积分常量;$u$、$r$分别代表两个不同的幂次项积分系数;$y$代表开环馈线的传输长度条件。至此,实现所有前期数值准备操作,在确保分布式电源保持良性传输的前提下,完成步进两相混合接线模式、双层配网规划接线模式设计。

4 可靠性分析检测

为突出说明步进两相混合接线模式、双层配网规划接线模式的应用可靠性,设计如下对比试验。在分布式多电源环境中,采取人工干预的方式,控制开环接线柱的连接位置。将记录数据分别输入搭载步进两相混合接线模式、双层配网规划接线模式、“一字”型开环接线法的检测主机,利用数据描点功能,绘制相关物理量的变化曲线图,其中第一组作为试验组A,第二组作为试验组B,第三组作为对照组,设置三个试验指标,分别是适应电网调度能力、电网容量和电网导容率。

首先接入所有控制开关,待分布式多电源达到稳定运行状态后,记录试验组A、试验组B及对照组开环接线柱结构的相关执行参数,并将这些数据分别输入检测计算主机。

检测计算主机是否具备良好的数据感知能力,可根据输入参数的数值变化情况,而更改显示曲线中相关节点所处位置,进而生成完整的参数对比图像。

4.1 适应电网调度能力

我国电网运行实行统一调度以及分级管理的原则,为确保在本文所测两个模式下的电网能够安全、优质地工作,所以要进行适应电网调度能力测试。存在很多因素影响电网稳定运行,具体概括为以下指标：① SAIDI(平均停电时间);② AENS(用户平均电量不足指标);③ SAIFI(平均停电次数);④ ENSI(电网电量不足指标);⑤ ASAI(平均供电可用率指标)。

根据以上指标对两种模式分别进行4次测试,共8次,测试一年内的某电力公司高压配电网的相关数据,测试结果如表1所示。

表1   一年内高压配电网数据测试结果

次数SAIDI/hAENS/
(MW·h/年/户)		SAIFI/次ENSI/
(MW·h/年)		ASAI
case10.187 4260.012 800.000 7930.010 770.907 036
case20.193 3110.013 110.000 8220.021 860.900 021
case30.198 1100.013 270.000 7930.011 310.907 007
case40.193 6180.054 670.000 8210.023 190.906 029
case50.193 2890.043 210.000 8220.021 160.906 024
case60.198 3080.028 020.000 4870.019 710.907 014
case70.193 2080.042 710.000 8220.020 980.900 022
case80.193 2080.012 710.000 8220.020 980.900 022

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在中国国家数据网站中,我国电网公司系统统计并发布高压配电网的线路年平均故障为0.068 5次,每次故障平均停电时间为0.200 6 h/次,由表1可知,在8次测试中SAIDI数值皆小于0.200 6 h;其余影响因素指标数值皆小于0.068 5,表示其适应试验高压配电网,具有良好的适应电网调度能力。

4.2 电网容量条件对比

以试验组A和对照组数据作为参考,对比电网容量条件的变化情况,具体试验记录结果如表2~3所示。

表2   试验组A的电网容量条件

试验时间/min电网容量水平/(TW·h)变化行为平均值/(TW·h)
598.3—100.7
1099.2上升
1599.7上升
20100.1上升
25100.5上升
30101.6上升
35101.5下降
40101.7上升
45101.6下降
50101.5下降

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分析表2可知,前30 min的检测时间内,试验组A的电网容量水平始终不断上升,35~50 min的检测时间内,出现小幅波动状态,全局最大值水平达到101.1 TW·h,但并不能长期维持极值运行状态。

表3   对照组的电网容量条件

试验时间/min电网容量水平/(TW·h)变化行为平均值/(TW·h)
564.6—59.6
1052.1下降
1563.9上升
2050.8下降
2560.7上升
3060.7稳定
3559.5下降
4059.5稳定
4562.2上升
5062.2稳定

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分析表3可知,前20 min的检测时间内,对照组电网容量水平保持下降、上升交替出现的变化趋势,25~50 min的检测时间内,保持阶段性上升、下降、上升的变化状态,全局最大值仅为63.9 TW·h,也不能长期维持极值运行趋势,且远低于试验组最大值水平。综上可知,步进两相混合接线模式与“一字”型开环接线法相比,能够促进电网容量水平的有效提升。

4.3 电网导容率对比

以试验组B和对照组数据作为参考,对比电网导容率的变化情况,具体试验结果如图4所示。

图4

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图4   试验组B电网导容率对比图


分析图4可知,随着试验时间的增加,对照组电网导容滤保持相对稳定的变化状态,最大值水平也始终不超过40%;试验组电网导容滤则呈现明显的波动变化状态,最大值水平达到97%,远高于对照组数值。综上可知,双层配网规划接线模式与“一字”型开环接线法相比,能够有效提升电网导容滤的最大值水平。

5 结论

(1) 基于两相混合接线模式、双层配网规划接线模式,分别在电网容量水平及电网导容滤方面,优化步进两相混合接线模式,解决了“一字”型开环接线法可靠性较低的问题。

(2) 在整个设计过程中,电动机开环曲率、开环馈线量等数值均得到明确约束,从根本上实现加强分布式多电源开环接线执行可靠性的目的。

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