直流区域配电系统

直流区域配电系统（精选8篇）

直流区域配电系统 第1篇

综合电力系统包含了舰船的日常用电、舰体推进用电、高端武器设备发射用电和大功率探测设备用电等, 作为一种综合电力技术不仅可以对当前现代化舰船的整体设计实施简化, 而且对简化舰船的动力系统提高了可能, 为我国稳定, 可靠的使用高端的舰载武器设备提供了强大的保障。现在国内很多科研单位对舰船的综合电力系统做了深入的研究, 虽然在技术上取得了一定的进步, 但是舰船综合电力系统的关键技术并没有取得突破性的进展[1]。文章重点分析了与传统结构相比, 直流区域配电系统的直流网状结构存在的明显优势, 站在电力系统继电保护的层面对该系统中直流配电系统做了进一步的研究分析, 希望对我国现代化舰船综合电力系统的建设和发展起到一些借鉴性的意义。

1 直流网状网络的介绍

国内大型水面舰船自建造以来所使用的供电系统就是采用两个电站同时进行供电的模式, 这种供电模式被称为干馈式混合配电系统, 这种模式的特点在于这两个供电站是完全隔开的, 它们两个分别有自己的发电机组, 虽然设备存于不同的舰体结构中, 但是对舰船的符合设备却是同步供电[2]。但是从长远的角度来看, 水面舰船会不断的向超大容量方向发展, 基于此种发展趋势, 综合电力系统的双电站模式很有可能被突破和改善, 有可靠资料现实演变和发展的模式会是网状网络形式和多个供电站同时使用, 但是为了确保舰船的密封性和节约空间, 两种不同的供电系统会通过一条母线向舰船所有的符合设备提供电能, 并且根据舰船的实际需要给至关重要的符合设备输送电力。

直流网状网络的工作原理是将舰船电力系统中的电流整合为1000V的直流, 通过舰船两侧的左母线和右母线将电流传输出去, 而且在舰船的每一台发电机组中都有与左右母线连接的端口, 最终形成一个闭合的网络电流回路。这种配电系统不仅可以完成对所有发电机组的集中控制和管理, 还可以对发电系统中发电机组的备用容量进行合理的配置, 从另一个方面提高了发电机的使用效率。

2 直流区域的配电系统的优势

从目前的现状来看主流舰船上使用的电力系统都是通过舰船上集中式配电系统的中心设备通过电缆进行输送, 这样的结果大大的影响了舰体的密封性, 使舰体出现了上千个电缆的穿孔, 一方面为电力系统建设人员带来了大量繁琐的工作, 而且还在一定程度上减低了舰船的耐压性。如果现代舰船采用直流区域配电系统就可以有效的避免此类问题的发生, 这种方法操作简单, 只需要将输送电力的母线穿过舰体的耐压隔壁, 不仅节省了大量的电缆, 也减轻了舰体的总体重量, 是舰体在空间设计方面得到了很多好处[3]。

SSCM和SSIM有多重功能, 并且它们能够对通过半导体设备的电流执行电力转换、监测和限制, 所以可以在设备出现紧急故障时对供电系统实施保护, 所以如果舰船使用的是直流区域配电系统, 在故障发生时就可以将发生故障的部位隔离在一个小范围的电力区域中, 而且因为这种电力系统中的电流都是直流电, 在对设备故障检测的时候也更加方便和简单, 原先监测直流故障和初始化自动母线的转换器所需要的时间延迟不存在了, 进一步提升了电源的使用性能, 也提升了舰体的整体性能, 而且随着供电系统功率全面自动化程度的提高, 极大的简化了舰船的战斗系统设计。

直流区域配电系统的第二个显著优势就是对于不同的泵体和排风机来说可以进行不同的速度控制, 保证其始终保持在较高的运行效率之下, 另外在舰船大型电动机被启动的时候, 其输电系统中的电流会受到一定的限制, 这种情况可以使舰船母线中的电压始终处在稳定的状态之下, 而且在特定的场合下也可以实现电力的转换, 直流区域配电系统与传统的供电系统相比有很多明显的优势, 例如:在舰船不同的战斗系统当中, 很多武器设备要用到400Hz的直流电压, 因此如果现代舰船的配电系统是交流电则还要经过一步转化, 再用一个逆变器将交流电转换成400Hz方可实现战斗系统的运行和使用, 但是如果直接采用是直流区域配电系统, 那么仅仅需要将电压调到合适的水平就可以了, 然后在将电流整合成需要的直流即可。将两者进行对比之后可以看出在该系统与交流配电系统相比减少了很多的输电设备, 例如:担任变压作用的传输变压器, 还有交流配电系统中的很多开关, 这些设备的减少可以降低舰船本身的质量, 而且也节省了出了很多空间, 使舰船有了更多的空间安装更多的舰载武器, 进而增减现代化舰船的作战能力。

第三, 直流配电系统具备的另一大优势是发电机组的发电频率, 这种高频率的发电机组可以和整流器实现最大尺寸的优化组合, 而且根据直流区域的配电系统能够将原动机设计为始终处在最有效率的运行状态之下, 从节省油料方面来说不仅做到了最小的能源使用, 也减少了舰船配伍的排放量。

3 基于直流区域配电系统的直流网状网络的继电保护

适应直流网状网络中短路电流的计算标准, 当前我国陆地电网的自动保护技术相对舰船配电系统的保护技术来说比较成熟, 而且在系统级别的保护方法上也有了一定的研究, 例如:陆地电网中的快速距离保护、反应暂态分量的行波保护以及光纤差动保护等, 但是因为舰船的综合电力系统是建立在有限的空间之内, 并且是一种独立的电网单元, 因此其稳定性会受到舰船符合设备的影响, 加之系统结构形式复杂等多种不利因素, 提高了信号提取的困难程度。根据研究发现以往对舰船电力系统分析的原理、方法以及一些应用技术的成果, 在当前的直流网状网络配电系统中不能直接使用, 必须对舰船综合电力系统中常见故障的特征进行研究, 而且还要对现在舰船综合电力系统采用的保护手段进行适当的改进, 这样才能切实满足综合电力的保护需求。

4 结束语

综合电力系统能够包括电力推进在内的全船电能进行统一的调配, 具有很好的经济性、并且配置灵活多变、目标的声音强度很低、功率的密度较高等很多优点, 是世界各国舰船技术发展的主流方向。直流区域配电系统有很强的生命力, 而且有利于总体优化和模块化建造等优势, 是综合电力系统的最好选择。

参考文献

[1]曹融.船舶综合电力系统短路计算与仿真[J].哈尔滨工程大学, 2013 (03) :42-45.

[2]叶志浩.基于直流区域配电的舰船综合电力系统智能保护方式的研究[J].船电技术, 2009 (02) :31-34.

直流区域配电系统 第2篇

关键词：配电网；自动化系统建设；运行维护模式

前言

经济建设的电力能源需求量十分庞大，稳定是社会经济发展对于电力供应的最基本要求。当前，在我国正大幅度进行的电网改造中，自动化技术大量应用，对于提高电网运行效益起到了十分重要的积极作用。配电网自动化系统建设以自动化技术的合理应用为基础[1]，但是，当前自动化技术使用方面还存在一些问题，要想建设配电网自动化系统，就要首先妥善处理这些问题。

一、配电网自动化技术现状分析

1.重功能、轻实用

当前，比较突出的问题是只关注配电网的功能，对其实用性通常没有给予重视。这样做的后果就是配电网与现实脱节，对其长远发展不利，对后期进行的自动化系统建设与运维也产生了一定的限制作用。

2.没有得到应有的重视

在很长一段时期内，配电网自动化系统均处于被忽视的局面，通常表现在资金投入少、设备和设施跟不上等方面。设施落后会影响到配电网运行的可靠性和安全性，同时也增加了运维成本，对于电力企业和社会的发展来讲均十分不利。

3.设备毁损几率高

不少的设备均布置在野外环境下，受到恶劣环境和天气变化的影响比较明显。在这样的情况下，设备很容易出现损坏，对于自动化系统功能的正常发挥产生不利影响。

4.遇到瓶颈

当前，在自动化技术方面，配电网输出故障是一个具有代表性的问题。输出故障会造成停电，对于供电的平稳性危害很大。结合我国改革开放实行情况来看，城镇化进程使得电力需求量、用电负荷大幅增加，但与此相对的是，电力建设却没有真正实现同步发展，并不能满足当前社会发展的实际需求，具体表现在输出覆盖面有限、线路过长、线损率过高、电能资源浪费严重等方面。

5.管理水平有待提高

目前，在电力建设方面，管理水平相对有限、权责不明等问题，均是比较突出的问题。这些因素或多或少都会影响到自动化系统建设和配电网的运行效益，因此，出于促进企业发展的考虑，在大力推进电力建设的同时，管理也必须同步改进，确保能够与配电网发展现状相适应。

二、区域配电网自动化系统建设的基本思路以及注意要点

1.区域配电网自动化系统建设的基本思路

复杂、多样是配电网供电的基本特征，在自动化系统建设中应将这两点纳入考虑范围[2]。在方案设计的过程中，应考虑不同模式对于方案的个性要求。单一方案具有明显的局限性，不符合自动化系统建设的实际要求。因此，为了满足多种供电模式的需求，应依据不同模式制定与其相适应的建设方案，以保障建设成效。

配电网自动化系统中应用了很多的新技术（比如通信技术、网络技术等），能够通过实时收集各种有用信息，形成一套相对完善的管理系统。该系统具有监测、维护、管理等多重功能，可以实现较为高效的系统管理。

配电网自动化系统建设中，可以以GIS为数据信息平台。该平台可以實现站外信息的录入，包括主站外设施运行参数、反馈线图等。录入的信息可以创建连接线，之后再利用GIS把反馈线图导入调配系统，就能够统一维护自动化系统。

调度系统也是区域配电网自动化系统建设需要考虑的方面。在进行这一步的过程中，应在设计环节做好科学布局，结构也要确保合理。此外，对其的应用和管理，除了要保障具有可行性之外，还要同时兼顾合理性、实用性。

2.区域配电网自动化系统建设中的注意要点

配电网自动化系统建设的过程中，需要引起注意的有以下几点：

（1）建设应结合当前经济发展与电力需求实际进行[3]，不能将功能作为唯一关注要点，而是要多考虑其实用性。

（2）自动化系统建设中，应考虑其综合性强、涉及面广的特征，将电网规划作为参照和基本依据，防止盲目建设。

（3）建设过程中应考虑后期维护的便利性，同时，由于系统规模大，其中的设施、设备也比较多，所以，为了避免干扰作用影响供电稳定性，应重视提升抗干扰能力。考虑到设备很多都处于恶劣环境中，因此，建设中也应该对设备采取一些防护手段。

3.区域配电网自动化系统运维管理探讨

配电网自动化系统本质上结合了通信技术与运维管理技术。配电网线路较长、分布较广，再加上所处环境比较恶劣，运维管理就显得非常重要。在具体实行中，可以采取如下措施：

（1）按周期对配电系统进行细致的检查，在日常检查中，一旦发现设施或系统存在安全隐患、故障，必须在最短的时间内进行维修，妥善、彻底的解决问题。

（2）通讯光缆对自动化系统功能的发挥有着重要意义，因此，在运维管理中，应由专业技术人员对其进行定期的检查和维修，对于可能存在问题的光缆要及时更换。

（3）对于图形数据，应做好维护和记录。

（4）结合系统的具体情况，在系统升级的过程中，应对性能不合格的设备、隐患设备实行更换处理，同时，也要对相关资料进行同步更新。

总之，在进行配电网自动化系统建设的过程中，需注意留好容量余量和接口余量，这样做是为了应对将来可能会发生的一些变化。配电网建设与自动化系统建设均需要在满足当前需求的前提下，考虑未来的发展事态，用电负荷应能够满足未来5-10年的发展要求。配电网自动化系统应与社会、经济共同发展，因此，建设时应保障其规模与功能可以持续发展，在未来能够通过不断扩展，始终与社会需求相适应。

参考文献：

[1]李蔚.配电网自动化系统的分析应用[J].科技资讯.2015，（02）：36.

[2]陈刚.关于配电网自动化系统的探讨[J].电子技术与软件工程.2015，（09）：162.

船舶直流区域配电网的故障恢复研究 第3篇

相比传统船舶电力系统，高智能大型化的船舶系统对船舶生命力和供电可靠性提出了更高的要求。区域配电系统把电网分成了相互独立的区域，因此，比其他供电方式具有更高的船舶生命力和供电可靠性。与交流配电相比，船舶系统采用直流区域供电具有以下优势[1]:

1)布线所需成本低。交流配电为三相，而直流配电只需两个线路。同时，在船舱上进行开孔布线时，线路少也为布线带来了方便。而且，有效值相同的直流电压峰值要比交流电压小41.4%，这样大大减少了电缆绝缘介质的投资。

2)供电可靠性高。交流的供电质量受同步发电机间功角问题的影响，而直流线路不会存在频率稳定和无功功率的问题，故供电可靠性较交流高。因此，该系统更适应未来船舶上高能武器的发展需要。

3)安全性能高。直流区域配电系统间的电气相互隔离，安全系数较高。另外，当发生线路故障时，各个区域间互不影响，从而提高了系统的供电稳定性。

4)功率密度大。与传统船舶交流输电方式相比，直流电制具有更高的功率密度，更适应高功率等级的大型化舰船电力系统[2]。

因此，随着船舶电力系统和电力电子技术的发展，直流区域配电系统将成为未来船舶电力系统的发展方向之一。

船舶电网重构是一个多目标、多约束的复杂组合优化决策问题[3,4,5]。人们对交流配电网重构进行了大量的研究，其中包括各种优化算法，如启发式优化算法[6]、传统数学优化算法[7]、现代随机优化算法[8,9,10]、人工智能算法[11]、混合算法[12]和多Agent演化算法[5]等。文献[4]提出了基于云理论自适应遗传算法并面向负荷投切的舰船电力系统故障智能恢复策略，提高了收敛速度，改善了解的全局最优性，但是运算复杂且优化过程中可能会出现收敛缓慢甚至早熟的现象。文献[13]采用LINGO软件编程，利用整数规划的方法，选取配电系统网损最小为目标函数来完成配电网故障重构，降低了计算量，但忽略了最基本的约束条件。

然而，目前国内外对于船舶直流区域配电网的研究非常少，特别是优化重构方面。直流系统采用直流电制，线路中包含一定数量的电力电子装置，如整流器、逆变器和斩波器。因此，相对于交流系统重构而言，直流系统考虑的约束条件更为复杂。

文献[14]对直流区域配电网提出了一种基于图论的重构优化算法，运用节点-支路关联矩阵进行了网络拓扑分析，考虑了故障后重要负荷的供电连续性和最小开关操作次数。针对交直流混合船舶电力系统，文献[7]将代表负荷、开关状态的0-1整数变量松弛为连续变量，将非凸的混合整数优化问题简化为凸的连续变量优化问题，降低了计算复杂度，并证明了在一定条件下，松弛后问题的解与松弛前原问题的全局最优解相一致。文献[15]不仅分析了船舶直流区域系统的故障重构，而且对含三相不平衡负荷的交直流混合系统进行了故障恢复，同时还考虑了接入分布式电源和孤岛运行的情况。

本文在现有研究基础上，针对船舶直流区域配电网独有的特点，考虑了左右舷母线、整流器和逆变器容量约束，利用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)来确定各目标的权重，并通过加权和算子整合成一个多目标模型。然后针对开关状态，利用整数规划方法来求解其故障恢复模型。算例研究和仿真结果表明，该方法具有一定的可行性和实用性。

1 船舶直流区域电网模型

在传统舰船电网中，大部分系统均采用前后两个电站的布局，且两个电站之间相互隔离，各自使用相互独立的一套或几套发电机组向不同的电力负荷供电，网络结构为干馈式混合配电网络，采用交流电制[16]。

区域配电系统不同于辐射网和环网，其发电机输出端的交流电经整流，以直流形式分别输送到左舷和右舷母线，通过左舷和右舷母线向每个配电区域供电。

综合电力系统直流区域配电网络典型结构如图1所示[17]，直流区域配电网络主要由发电机、左舷和右舷直流母线、整流器、逆变器、斩波器、开关、配电板及负载组成。船舶电网故障恢复过程中，一方面应最大限度地恢复重要负载的供电，另一方面应减少开关的操作次数。同时，应满足发电机、电力电子元器件和线路容量等限制条件。

图2为直流区域配电系统符号表示，整个系统分为四个区域，分别由四台发电机供电。PB和SB分别代表左右舷母线，G1和G4为主发电机，G2和G3为辅助发电机，负载有最重要负载(vital loads,VL)、较重要负载(semi-vital loads,SVL)和非重要负载(non-vital loads,NVL)。Load1-6均包含了VL和SVL,Load7-18为NVL。该模型和参数在文献[6]的基础上进行了部分修改，将系统划分为几个区域，具体参数见表1。

2 故障恢复数学模型

2.1 整数规划

整数规划(Integer Programming,IP)是近30年发展起来的，属于规划论中的一个重要分支。在规划问题中，当它的某些变量(或全部变量)要求取整数时，这个规划问题就称为整数规划问题。特殊地，当所有决策变量只能取0或1时，则称该规划为0-1规划。

0-1规划模型：

配电网故障恢复是一个复杂的大规模组合优化问题，用开关的状态来表示网络结构，其本身就是一个离散逻辑变量0-1规划问题。

2.2 目标函数

故障恢复问题是一个典型的多目标规划问题。它指在满足一定约束的条件下，最大保证供电连续性，特别是重要负荷的供电连续性。同时，还要满足开关操作次数最少。

对于N个开关构成的网络，可用N维向量X=[x1,x2,…,xN]表示开关状态。其中，

对应地，负荷的供电情况与开关状态相关。如当x1=1(或x19=1)时，L1由左舷(或右舷)母线供电，当x1=0且x19=0时，L1卸载；当x13=1(或0)时，L13由左舷母线供电(或卸载)。

a.重要负荷供电总量Objv1(X):

b.非重要负荷供电总量Objv2(X):

c.开关操作次数：

上述目标函数中，Objv1(X)、Objv2(X)分别为故障恢复后重要负荷(VL和SVL)和非重要负荷(NVL)的供电总量，Objv3(X)为故障恢复后开关操作次数；分别为Objv1(X)、Objv2(X)和Objv3(X)对应的归一化函数；N1和N2分别表示故障恢复后重要负荷和非重要负荷标号集，和分别表示系统正常运行时重要负荷功率总和和非重要负荷功率总和；N3和N4分别表示故障前闭合和断开开关的标号集，N为开关总数。

2.3 多目标综合

基于上述分析，考虑到各目标的重要性程度等级不同。对目标函数进行单位化后，根据各个目标的重要性程度设置相应的权重，再进行多目标综合。

层次分析法(The analytic hierarchy process)简称AHP，在20世纪70年代中期由美国运筹学家托马斯·塞蒂(T.L.Saaty)正式提出，它是一种系统化、层次化的决策分析方法[18]。AHP因为能很好地处理定性因素，方法简单、科学，已经在电力行业的一些决策问题中得到了很好的应用[4,19]。本文运用AHP方法对多目标问题进行建模分析，根据三个目标的重要性程度等级，创建判断矩阵A。

aij在1-9及其倒数中间取值，aij=1表示元素i与元素j重要性相同，aij=3表示元素i比j略重要，aij=5表示元素i比j重要。求得A的最大特征值为，与之对应的特征向量为=[0.9161 0.3715 0.1506]T。表2为不同阶方阵的平均一致性指标，A为n=3阶的方阵，查表可知平均一致性指标RI=0.58，一致性指标，一致性比率，所以符合一致性要求。对向量归一化，得到向量，向量值即为各目标函数的权重。

通过AHP分析可知，上述复杂的多目标问题可简化为求式(11)的最大值：

2.4 直流约束条件

本文研究的是一种只含三相平衡负荷的船舶电力系统。在本小节中，约束条件与文献[7,14,15]中直流约束类似，同时还考虑了左右舷母线和电力电子器件的容量约束。

a)辐射状供电约束：

此约束是针对重要负荷制定的，重要负荷通过自动转换开关由左舷或右舷母线供电。为了避免出现环流，电网必须保持辐射状运行。也就是说，负荷最多只能由1条路径供电，即连接左右舷的开关不能同时闭合。

b)整流器容量约束：

故障恢复后，必须满足整流器输出功率和负荷消耗功率的平衡条件，不能引起整流器过载。即：

式中：PVSRi为第i组电压型整流器(Voltage Source Rectifer,VSR)实际输出的功率；为第i台发电机允许的最大输出功率；K为比例常数，此处取值为0.8。

c)逆变器容量约束

逆变器的下一级为负载，系统正常运行、负载过载和故障情况下，都应保证流过逆变器线路上的容量维持在允许范围内。

式中：PVSI i为第i条支路上流过电压型逆变器(Voltage Source Inverter,VSI)的功率；为第i条支路上负载功率的最大允许值。

d)直流电缆线路传输容量约束：

根据负荷就近分配原则，正常运行情况下，各区域发电机只对本区域负载进行供电，当出现故障时，可将负载转移至邻区域。当Zone2(或Zone3)负载需要转移时，优先转移至Zone1(或Zone4)。为了保证可靠性，线路传输容量均应满足正常供电时最大负载运行情况。只有当出现负荷转移时，不同区域间传输的容量才会有可能大于线路最大传输容量值。所以，重构时只需考虑图2中Cable1～Cable4上的线路传输容量约束。

3 算例分析

本文以图2系统为实例，随机设置故障情况，建立相应的故障恢复模型，并用Matlab软件进行编程，仿真得出模型的最优解。

图2系统为故障前的状态，各开关状态为[01010 11111 11111 11110 1010]。在Case1中，故障发生在支路12-21,6-7上，在图2中分别为f1和f2；在Case2中故障发生在母线7-23和9-10上，在图2中分别为f3和f4。

表3为Case1-2的故障恢复后最优开关组合和对应的目标函数值，开关向量X中标下划线的元素表示故障后动作的开关，该优化结果不违背约束条件。Case1中，主发电机G1连接右舷母线支路发生故障，L1和L2只能由左舷供电，开关x19断开，x1闭合，非重要负荷L7和L8只能进行负荷转移，但如果全部转移至Zone2,G2将违背整流器容量约束条件，故L7卸载，即x7为0；母线7-23故障，导致G3不能通过左舷对L4和L16进行供电，L4转为右舷供电，G2没多余的功率提供给L16，故L16卸载。Case2中，主发电机G3连接左舷母线支路故障，L4转为右舷供电，L16只能进行负荷转移，根据主发电机优先供电规则，G4优先给L16供电；母线9-10故障时，L6和L18不能通过左舷供电，L6通过开关切换转移至右舷，L18没有其他线路供电而导致卸载

4 结论

直流配电系统可行性研究 第4篇

交流配电系统在电网运行过程中存在了很长一段时间。传统上更多的使用交流而不是直流是因为负载可以更好的适应交流, 发电厂发出的交流电可以方便传输。然而, 使用直流电源作为新的消费产品和IT产品正在加速出现。例如包括手机、电脑和LED照明技术在内被认为是未来科技。由于直流负载的大幅增加, 国内直流配电系统变得有吸引力。不仅激发了对可再生能源研究利用, 而且使为家庭提供直流电源成为了可能。

在韩国, 能源消费持续增加。据统计, 2000年韩国的家庭用电总量为371亿千瓦, 到2008年, 以年平均6.02%的增速达到592亿千瓦, 大约占总功耗的15%.随着功耗的增加, 一些直流负载例如手机、电脑和LED照明设施随处可见。近年来, 增加了对可再生能源的利用, 用直流电源对家庭供电的可能性不断增加。许多可再生能源, 例如太阳能光伏发电, 本质上是直流供应。直流配电系统具有以下优势。可再生能源发出的直流电可以更容易融入一个直流电网。这样做省去了转换过程, 节省2.5%至10%的能源。除此之外, 电能质量和电压的稳定也会得到明显提高。通过比较研究, 家庭用电消耗主要可以分为6种主要形式:冰箱、洗衣机、空调、照明、电视和电脑。表1是2006年韩国这几种耗电形式的年耗电量和供应率。

2 几种配电系统的特性

每种供电系统的特性如表2所示.从一个案例分析研究从交流系统变为直流系统带来的影响。为了简便分析, 我们假设每一个转换装置都使用了逆变器。我们忽略掉每日和季节性变化给负载模式带来的影响, 把设备的实际功率视为一个常数。

3 几种配电系统的比较

48V直流配电系统的重置成本低于其他系统, 因为大多数现有的设备不需要改变电路, 电网不需要重置电缆。但是这种配电系统的安全保障措施还没有完全建立, 仍有许多潜在的危险。因此, 对此系统而言我们应该考虑更多的安全问题。

310V直流配电系统适用于大型家用电器, 然而, 现有的电缆运载能力是不够的, 因为310V交流系统的电压是这个系统的6倍。而且它的转换效率并不是非常高, 因此, 这种配电系统并不适用于家庭, 而适用于一些网络中心和办公楼。

48V直流配电系统+310V直流配电系统是家庭住宅最理想的配电系统。这种配电系统有着最高效的效率。该系统将在不久的将来得到应用, 然而, 这个系统也存在安全问题

220V交流配电系统+310V直流配电系统可以利用现有的部分配电系统, 所以线路重置的成本小于单一直流配电系统。然而, 310V直流不适用于数码电器, 效率的提升并不明显, 不过该系统可以应用于交流系统向直流系统的过渡时期。

220V交流配电系统+48V直流配电系统同样可以利用现有的部分配电系统, 同样, 该系统可以用于交流系统向直流系统的过渡时期, 但是48V直流系统不适用于光伏发电系统。

4 结束语

本文对家用交流配电系统和直流配电系统进行了比较。为了比较每种供电类型的效率, 我们进行了数据统计。在这几种类型的配电系统中, 高低压直流混合配电系统是最具竞争力的。伴随着可再生能源发展空间的不断增长, 将直流配电系统直接联入电网, 我们可以减少更多的转换损失。

参考文献

[1]王丹, 毛承雄, 陆继明, 陈迅, 曾杰, 张俊峰.直流配电系统技术分析及设计构想[J].电力系统自动化, 2013, 37 (8) :82-88.

[2]张祖平.直流配电技术的发展前景[J].供用电, 2014 (07) :16-19.

[3]宋强, 赵彪, 刘文华, 曾嵘.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报, 33 (25) :9-19.

直流配电系统技术分析及设计 第5篇

相较于核电、水电、火电而言, 太阳能发电和风力发电受地理条件制约、输出极不稳定、输出容量比较小, 这导致分布式电源接入交流电网时存在许多问题。一直用架空线输送电能的交流配电网容易发生故障, 用电缆线配送电能的交流配电系统, 其供电的范围易受充电电流的限制, 这就使得用户不得不寻求电网智能化。电网智能化对电网的可控性要求极高, 交流配电网可控性往往偏低, 分析和设计直流配电系统将给电力行业提供解决配电系统难题的新方法。

2 直流配电系统技术分析

直流配电系统技术是指在配电系统中以直流电为主的电能配送技术;该技术与交流配电技术比较, 直流配电系统技术存在很多优势。

2.1 直流配电系统可靠性高

直流配电的可靠性往往高于同等电压的交流线路, 对于两根导线的直流电路来说, 如果直流配电系统正极的线路出现故障时, 负极的线路会同大地间形成一个通路, 不断将部分乃至于所有功率输送出去。单极或单向瞬时接地的故障, 其在线路故障中占据的比例高达80%以上, 直流的配电系统比交流的配电系统的响应速度快、恢复时间短, 可经过重复的再启动模式或降电压运作创造消除故障、恢复正常的运作环境等特点[1]。而使用电力电子变换器也能让直流配电系统分别形成独立区域, 且各区域发生的故障不波及系统的运作。

2.2 直流配电系统不受频率稳定等问题影响

传统交流配电系统工作时要受频率、相位和电压幅值等多方面影响, 直流配电系统只受电压幅值影响, 就只需控制电压幅值。采用电缆线路是配电网发展的形势所趋, 交流电使用电容较大的电缆配送电能时会产生大量电容充电电流, 线路损耗程度以及线路的输电容量会分别因此增加和减少, 直流输电正好能解决交流输电的这些难题。同时, 直流配电还有供电的范围广、电能的质量高以及分布式电源方便互联等优点。

2.3 直流配电系统效率高

交流配电系统的线路损耗高于直流配电系统, 因为在直流配电系统中没有趋肤效应而产生的耗损, 也不存在无功功率的问题。直流配电系统的电力电子变换器是耗损集中的主要部位, 但现已研制出的直流变换器n21效率高达99�, 半导体宽禁带电力电子器件的应用随科学的发展不断成熟, 变换器的效率还可以往上提升, 变换器的研制和发展对于解决直流配电系统的耗损在电力电子变换器部分集中的问题具有重大意义[2]。随着直流电的负载越来越广泛和近几年许多旋转式负荷和变频调速的设备越来越趋向于一同使用的情况, 为这些负载直接提供直流电将获得更高的效率。

3 直流配电系统的设计构想

在以直流配电作为主导的配电形式真正成为现实以前, 直流配电还有许多技术性的问题需要先行解决。

3.1 直流配电系统的运行和控制

同交流配电系统中不能缺少变压器一样, 直流配电系统也要用到电能变换的设备来完成直流配电网内部电压等级的转换。直流配电系统里的电力电子变换装置样式及数量很多, 包含着许多电压等级配电网, 储能装置、分布式电源等都要通过各个变换器与直流母线连接。控制这些变换器要顾及五个因素:一是保证系统的稳定性;二是电源依照其容量恰当进行负载分配;三是提高系统的可靠度及冗余度, 实行系统自动控制;四是保持直流系统母线电压平稳, 电压的波动范围不能超过额定范围的5%;五是要有好的系统模块性能。

可以看出, 电压对于直流配电系统产生着巨大影响, 于直流配电系统而言, 电压的控制和直流电均流控制乃是系统运作的基本。保持暂态与稳态工作状态下的电压稳定, 是直流配电系统的控制存在的首要问题。

3.2 直流配电系统的网络结构改良跟设计

直流电配送网络跟传统交流电配送网络由于电能配送形式的不同而有极大区别, 构建合适的网络结构成为直流配电系统发展的关键所在[3]。与交流电系统相似, 直流配电系统在层次上也是一种多级配电网彼此合作的网络结构, 直流配电系统的网络结构设计就网络接线方式来说, 有环状、辐射状跟网状这三种结构, 结构设计不同, 其成本、控制的难易程度等也不相同。具体设计要根据实际应用场合、资金状况来决定恰当的形式。

对大部分已建立交流配电网的地区来说, 拆除交流配电网来建筑直流配电网究竟划不划算还值得商议。从理论上来说, 先混合使用原有交流网和增加的直流网, 再逐步用直流配电网全部代替的方案显得更加实际, 合理布局直流变电站同样是直流配电系统网络结构改良跟设计重点思考的对象。

3.3 直流配电系统的开关设备技术

开关设备是电力系统中分隔故障区域和故障线路, 防止故障波及其它正常部分正常运行的重要设备。没有自然过零点的直流电流分断困难, 其开关设备比交流开关设备难度大得多。目前在中低压部分已研究出能断开数十千安的大容量直流断路器, 但其高成本使得直流开关设备的研究任重道远, 从目前的技术来看, 采用机械与半导体混合式开关可行性比较高。

4 结束语

在分布式电源与直流负荷多的情况下, 以直流制为主导的直流配电系统相较于交流配电系统有许多优势, 它有潜力解决目前配电系统面临的问题。与交流配电系统相比, 直流配电系统能简单运行控制, 但直流配电系统运行和控制具有独特性, 尤其是存在数量很多的变换装置, 多个变换器在提高直流配电系统的可控性时, 也让系统更加复杂。因此, 处理好直流配电系统的运行和控制问题, 抓好直流配电系统网络结构设计与优化是直流配电系统当前的首要任务。

摘要：近几年, 交流配电系统渐渐难以满足人们的需求, 不少国内外学者开始关注到直流配电技术。提高运作效率、提高供电可靠性、改善电能质量、使分布式电源有效安全接入成为现实等问题, 为配电技术的进步带来了新机遇, 也是配电系统所要解决的问题, 使用直流主导的配电形式为解决以上难题开辟了新思路。本文对直流配电系统技术进行了分析, 并提出对其的设计构想, 以期能够进一步提升配电系统运行时的经济以及社会效益。

关键词：直流,配电系统技术,分析,设计

参考文献

[1]江道灼, 郑欢.直流配电网研究现状与展望口[J].电力系统自动化, 2012 (8) .

[2]肖立业, 林良真, 徐铭铭, 等.未来电网-多层次直流环形电网与云电力[J].电工电能新技, 2011 (4) .

直流区域配电系统 第6篇

1直流变压器的研究现状

在直流配电网中,直流变压器(DC/DC变换器)不仅起到了变换电压的作用,还可以实现高低压配电母线之间的能量交互。DC/DC变换器主要分为隔离型和非隔离型。在直流配网中,为了实现不同电压等级直流母线的电压和功率转换,直流变压器必须具有电气隔离功能。以美国弗吉尼亚电力电子中心Fred C.Lee为首的学者系统地提出了直流变压器的概念,直流变压器在接近100%的等效占空比下工作,输出省去了滤波电感,结构简单。而它采用开环控制,很容易实现软开关,可以进一步提高开关频率和功率密度。通常情况下,现有的功率变换技术是通过工频变压器实现电压匹配和电气隔离的,但是,由于工频变压器体积庞大、质量笨重、损耗较大,很难实现功率转换系统的高功率密度和高效率。近年来,高频变压器取代了传统的工频变压器,被普遍认为是下一代功率变换的必然发展趋势。事实上,在低压小容量领域,DC/DC变换器已经得到了比较广泛的应用,对于高频隔离型DC/DC变换器也有了较多的研究文献。但是,受电力电子半导体器件发展的限制,很少有文献涉及中高压大容量等级的高频隔离DC/DC变换器。

基于双主动全桥的高频隔离双向DC/DC变换器(DAB-IBDC)具有功率密度高、模块化对称结构、双向功率传输能力、动态响应快、软开关实现容易等优点,使其成为了高频隔离功率变换的核心电路,受到了学术界和工业界的高度重视。图1对比了DAB-IBDC与传统交流电力系统的基本工作原理。事实上,两者均可以等效为2个交流源连接在电感两端,通过调节2个交流源之间的相移来调节功率流动的大小和方向。所不同的是,在传统的交流电力系统中,交流源为工频正弦波,而DAB-IBDC中为高频方波。DAB-IBDC不仅实现了高低压等级的变换,还实现了高低压直流母线的电气隔离和功率的双向流动。另外,使用高频隔离变压器还可以进一步提高系统的功率密度和模块化程度。独立的DAB-IBDC单元可以作为一个最基本的直流变压器单元,实现直流电压的变换和功率的双向传递等功能。对于需要更高电压等级和更大容量的直流变压器场合,可以采用DAB-IBDC为基本单元组合,从而构建高压大容量直流变压器。

2直流变压器在直流配电网发展趋势

直流变压器被广泛应用于柔性直流配网中,而直流固态变压器的功率密度和效率是非常关键的指标。因为必须采用10k Hz以上的高频变换,所以,目前,IGBT等硅半导体器件的损耗比较大(目前效率通常在90%~92%左右),且需要较大的散热设计。同时,高频变压器对转换效率和密度的影响也非常大。在Si C器件快速发展的情况下,可以跟踪相关半导体器件公司的最新研发进展,采用最新的Si C半导体器件模块,利用Si C器件的高性能实现高效率和高功率密度的直流电压和功率转换。此外,用高频变压器取代传统的工频变压器被认为是下一代功率变换的必然发展趋势。而最新的纳米非晶等铁磁材料技术是实现直流固态变压器的关键技术。

3结束语

总的来说,直流配电网与直流变压器已经得到了各国研究者的普遍重视,一些机构提出了各自的直流配电网概念和发展目标,但还没有较为系统的示范工程报道,尤其是在高压大容量配电领域,关于柔性直流配电的研究还比较少。尽管如此,可以预见的是,在世界各国对节能减排和能源综合利用需求不断增长的今天,随着直流输电、分布式电源、储能和负荷的发展,直流配电网以其强大的技术和经济优势将会被广泛应用,有广阔的发展前景,而它也必将会对人们的生产生活产生较大的影响。

摘要：直流变压器是直流配电系统中的典型单元,其发展水平是影响直流配电发展的重要因素。简要叙述了直流变压器的发展现状,以期提高直流配电系统运行的安全性和稳定性。结合直流配电系统的发展情况指出直流变压器未来的发展趋势,从而为直流配电系统更深层次的研究奠定基础。

关键词：直流配电系统,配电安全,直流变压器,磁耦合

参考文献

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[3]应建华,张俊,肖靖帆.高频PWM DC/DC转换器的设计[J].微电子学与计算机,2009(01):197-200.

直流区域配电系统 第7篇

Citation:ZHANG Kan, HAO Si-peng, SONG Ci.Dc Power Distribution System Research and Development of Public Information Model[J].The Journal of New Industrialization, 2016, 6 (9) :46-52.

0 引言

近年来, 随着经济增长与社会发展, 大众用电需求与日俱增, 这使得工程上对电力系统的要求越来越高, 传统输配电系统面临诸多挑战。

现代城市发展建设迅速, 一方面导致配电网供电范围越来越大;另外, 城市负荷中心的支撑能力会日渐不足, 容易导致交流系统的电压崩坏等安全问题。直流负载和含有直流分量的负载增长快速, 如果使用交流配电网对这些负荷供电, 需要经过一级AC/DC变换, 降低了效率, 增加了能源损耗, 失去了经济性。

如今客户对电能质量的要求越来越高, 但是在普通交流配电系统中, 架空线路故障率偏高, 而电缆配电系统由于存在较大电容充电电流, 其供电半径有限, 所以传统交流配电网络支撑的供电系统已经越来越满足不了用户的需求。如今城市负荷中大量的电气化交通工具及电子设备、电力电子设备使得冲击性负荷极速增长, 致使交流配电系统存在大量谐波污染源, 对电能质量造成较大影响, 与用户要求的高质量电能存在矛盾。

最重要的是, 电网智能化趋势已经越来越必然, 智能电网对电网的可控性提出了更高的要求。传统交流电网的可控性较低。根据我国国情, 电网调度被分为五级调度体系, 分别是国调、网调、省调、地调和县调。各级调度系统的电网模型和信息采集相对独立, 容易形成信息孤岛。国际电工技术委员会 (IEC) 制订了EMS应用, 为应用系统提供了一个基于公共信息模型、公共体系结构和组件技术的系统集成框架, 通过定义标准应用程序接口, 使得这些应用或系统能够无阻碍地交换信息, 为直流配电网络的信息采集与控制提供了工具与保障。

1 直流配电技术优势

直流配电是指配电网采用直流电输送电能, 与交流配电相比, 直流配电具有如下几个明显优势:

1.1 更可靠

直流配电只需要两根导线, 线路的可靠性比相同电压等级的交流线路要高[1]。当直流线路发生一级故障时, 另一级回路可以与大地构成回路继续供电, 且基本不影响供电功率。众所周知, 占线路故障80%~90%的是单相接地瞬时故障, 而直流线路相比于交流线路具有响应快, 回复时间短、可通过多次再启动或降压运行来创造消除故障、恢复正常运行条件等优点[2]。

1.2 更高效

在直流输配电系统中, 不存在传递无功功率引起的网络损耗, 同样也没有交流电特有的集肤效应损耗, 所以直流配电网络拥有远小于交流网络的线路损耗。其损耗主要集中于电力电子变换器部分。由于直流变压需要经过DC/AC/DC过程, 所以存在一定的功率损耗。但是现在实验室里已经出现效率高达99%的直流变换器[9], 相信今后定能够大规模投入工程使用中。

另一方面, 上文中提到, 直流或含有直流分量的负载日益增多, 比如电子产品、直流电动机、电动汽车等。直接为这些负荷提供直流电源而省去整流过程将是效率得到进一步提升。

1.3 更简洁

交流系统运行时为了保证电能质量, 必须控制电压幅值、频率和相位, 而直流系统只需要控制电压幅值, 不必涉及频率稳定和无功功率等问题, 管理更加简洁。另外, 无论从可靠性或者是美观性来看, 地下电缆式的配电线路已经是不可避免的趋势。而交流电电缆传输会产生较大充电电容, 既增加了线路损耗, 也降低了线路输电容量, 但是采用交流配电后, 则可以完全避免上述问题。

2 直流配电技术的问题与挑战

2.1 直流配电网络的设计

由于线路中流通的是直流电, 这与传统对称三相交流电有着本质的区别。因此, 设计出全新的配电系统网络是最基本的任务, 同时也是难度最大的任务。这是一个全局性的课题, 必须从整个配电系统层面考虑, 如对分布式电源的接纳能力, 电能配送问题, 建设及运行成本等。

从配电网层次来看, 交、直流都是一种多级配电网互相配合的网络。直流配电网同样拥有高压直流配电网, 中压直流配电网、低压与超低压直流配电网等。各级配电网络职责各不相同, 共同为客户输送着电能。在实际情况中, 电网的布局、结构, 形状等, 都需要从整个系统的层面考虑, 根据直流配电的供电可靠性、成本及控制复杂程度, 结合具体应用情况与投资能力进行取舍。

2.2 直流配电系统电压等级的选取

如上一条所述, 直流配电网络存在多个电压等级。对于这一重要参数的选取, 我们主要考虑这三个方面[4]: (1) 直流配电网络的供电距离 (供电半径) ; (2) 电气绝缘和保护; (3) 系统成本和设计难度。

目前已有的学术文章中多是研究系统末端的低压与超低压直流配电的电压等级问题。本文观点为:以400V作为城市中心供电系统的电压等级, 家庭直流配电系统设计两个电压等级:380V的高压等级, 为家庭供热系统、空调系统、厨房以及其他大型家用电器供电;48V的低压等级, 用于小型家电和照明电路。这样一来, 现在的所有终端用电设备将被淘汰, 取而代之的是各种直流电设备。虽然任重而道远, 但可以预见的是将会彻底省去家电中AC/DC的变换过程, 长远来看经济效益可以保证。

2.3 电能变换技术

在直流配电中, 大家最关心的是电压等级的变换。就像变压器在交流配电系统中不可或缺一样, 直流系统同样需要电压等级的变换装置, 用于实现直流配电网与负载和上级电网的接口, 并用于直流配电网内部的电压等级转换。由于直流电特点不能使用传统电磁感应变压器, 我们通过直流型电力电子变压器、交直流混合型电力电子变压器或通用的电力电子变换器实现, 这些可以通称为直流变压器。

经已有文献表明, 直流变压器应具有成本低、功率密度高、可靠性高、效率高、灵活调控能力强, 以及动态响应快等特点。这些要求无疑为直流变压器的研发与制造突出了更高的要求。

3 对配网信息采集的必要性

目前, 我国的交流配电网络已建成五级调度体系, 分别为国调、网调、省调、地调和县调。在各级调度系统中, 一般只建立本级调度管辖地域内详细的配电系统网络模型, 而一级配电网中又存在多个应用系统, 如:配网自动化系统、生产管理系统 (PMS) 、营销系统、95598系统、用电信息采集系统、电能质量监控、停电管理系统等, 各应用系统相互独立。随着电网规模越来越大, 信息量越来越多, 这种分级方式使得各级系统的电力信息相对独立, 容易形成信息孤岛。而直流配电网络同样存在分级制度, 为了避免各级网络间信息交流不畅, 急需统一电力信息模型。

综上所述, 为了避免各级配电网络之间和各应用系统之间的信息交互困难, 我们需要一种统一的信息模型来处理数据。

4 基于CIM的配电网络模型[5]

CIM采用面向对象建模技术。使用统一建模语言 (UML) 表示法, 它把CIM模型定义为一组包。每一个包含有一个或多个类图, 表示该包中的所有类和它们的关系, 用来简化应用系统间的互操作。CIM使用高度精细化的格式, 与电力系统每一处应用兼容。标准格式中包括了电力系统需要的基本数据, 同时也允许在不影响标准数据格式的前提下存入其它自定义数据。

CIM采用类形式来描述各电力系统对象, 通过类之间关系描述电力系统各对象之间的关系, 包括继承、关联、聚集等。

1) 配电容器模型

配电网络主要包括配电线路、配电变压器、开关、负荷等元件。这些元件构成了一个容器。其基本架构如图1所示。基类不会建立实体对象, 实际上是将其属性和关联扩充到派生类, 将派生类的属性和关联、派生类从基类继承的属性和关联都存储在派生类中, 并建立相应的实体对象。

2) 配电设备模型

配电设备主要包含配电变压器、配电线路以及开关等设备。以配电线路为例[6], 其模型如图2所示。所有设备类均从设备基类 (Equipment) 继承。与设备包容器类类似, 设备类的底层建立对象, 类中设置各自的属性。由于低压配电线路存在参数不对称, 设置了对应的单相单位长度阻抗子类。

3) 配电拓扑模型

配电设备的连接关系通过端点 (Terminal) 和节点 (Connectivity Node) 的关系进行描述。拓扑分析具有2个基本模型, 即Switch/Node模型和Bus/Branch模型。Switch/Node模型是基于Connectivity Node的开关/节点模型。Bus/Branch模型是基于拓扑节点类 (Topological Node) 的节点/支路模型, 如图3所示。

5 配电网络模型拼接和数据交互

配电自动化主站系统对电网进行监控需要获取电网的拓扑结构和实时监测数据。涉及和上级电网以及末端电网的连接关系以及数据交互。由于不同类型系统的开发商不同, 模型和数据交互缺乏统一格式。近年来, 随着符合IEC61970/IEC61968标准的IEB的建设, 通过CIM和CIS进行不同系统之间的信息交互不断成熟。

5.1 模型拼接

配电网络模型主要包括上级主网及变电站模型、配电网馈线模型和用户侧模型。主网和变电站模型通过地调EMS系统获取;配电网馈线模型通过用电管理系统 (PMS) 获取;用户侧模型通过用电信息采集系统获取。构建统一的配电网络模型需要拼接不同系统间的模型数据。

配电网和变电站的拼接需要从EMS中导入变电站的CIM模型, 从PMS中导入配电网CIM模型。模型的连接点通常为变电站的出线开关, 清理EMS出线开关处的其它模型和PMS中出线开关以上的模型。进行开关匹配, 合并网络模型。同时根据PMS中配电网信息变化, 实现动态更新[7,8]。

配电网和用户侧的拼接主要实现配变终端和配电台区低压出线对接以及用户和配电变压器关联。目前配电台区具有综合采集功能的智能监控终端安装较少, 多数采用负荷模型等值表示。

5.2 数据交互

配电自动化实时数据监测也通过不同系统获取[10]。主网和变电站的实时数据一般由地调定时通过符合IEC61970/61968信息交互总线 (IEB) 发送到主站, 配电自动化主站通过EMS实现对变电站的遥控;配电自动化终端采集的信息包括馈线终端 (FTU) 、配变配电终端 (TTU) 、开闭所配电终端 (DTU) 直接发送到配电自动化主站, 并接受主站的遥控信息;用户侧实时数据通过IEB由用电信息采集系统定时发送到主站, 部分具有遥控功能的配电台区和负控终端接受主站的遥控信息, 从而实现对配电网的实时监控。

6 工程应用

6.1 直流配电网络建模

城市配电主站通过PMS系统获得城市400v配网图模数据, 并同时把配电调度图形系统中的电网模型和图形, 按照IEC 61968的消息格式, 通过配置在通信接口服务器上的适配器发送到信息交互总线, 配电自动化主站通过总线获取图模数据并完成数据模型和图形的更新。

直流变电站模型由调度EMS系统的主站维护工作人员在EMS上通过画图软件和数据库维护工具建立电网模型, 之后通过与调度EMS系统的接口转换到配电调控一体化系统中。

配电自动化主站系统通过配电调度图形系统数据交换流程获取400V配网图模数据, 通过上级EMS系统数据交换流程获取了主网图模数据, 然后在图模库一体化平台上实现馈线模型与站内模型拼接[5], 从而在配电调配一体化系统中得到110k V到10k V完整的配电网络模型, 为配网调度的指挥管理准备完整的电网模型及拓扑资料。

配电网络拓扑分析是配网所有分析应用的基础。配电网络拓扑分析作用在于构建动态的配电网络模型, 模型的作用在于体现了设备间的连接关系、连通关系、配电网络的实时状态, 这种分析适用于任何形式的配电网络接线方式。根据模型, 可以进行带电区域划分和动态着色, 分析确定配电区域的供电源点和各点供电路径。模型结构随着配电接线图的设备变更而变化, 状态随着配电实时信息的刷新而相应变动。

6.2 实时数据交互

配电自动化实时数据包括配网实时数据以及变电站实时数据两部分。

城区配电网和农村集镇配电网实时数据由配电终端采集并通过光纤专网送入配电自动化主站, 农村边远地区由于架设专用光纤通信成本较高, 采用LTE230无线专网采集并送到配电自动化主站, 主站的各种控制命令也是通过通信直接下发到配电终端。变电站实时数据由地调EMS系统每隔5分钟发送到配电主站, 主站通过接口与调度自动化系统进行数据交换, 实现对变电站出线开关的控制操作。用户侧的公变、专变等设备量测通过GPRS公网通信送至用电信息采集系统, 配电自动化主站通过信息交换总线从SG186系统中的用电信息采集系统获取。所有实时数据交互通过CIS与CIM/XML模型对接。

7 结论

直流配电系统是一个以直流为主导的电能配送系统。在其配合以CIM、CIS系统之后, 具有解决现有交流配电网所面临问题的潜力。现在需要做的是加快直流系统网络结构、电压等级的选取, 研究低损耗、大容量的直流变压、直流开关、直流保护设备。同时, 本文提出了建立统一配电网信息模型的设想, 在统一配电网信息模型的基础上建立数据汇聚平台, 为直流配电的智能化提供了一种可行的发展方向。

摘要：提高电能质量, 改善供电可靠性, 降低输配电过程中的电能损耗, 实现分布式电源安全有效地接入电网, 直流配电不失为一种很好地尝试。对配电网更好地控制其基础在于对电网数据的采集, 配网中包含多个不同系统的功能组件, 而各组件间数据具有异构性, 想要快速、便捷地获取配网信息, 统一数据模型势在必行。本文中针对直流配网自动化的优势与不足进行了阐述, 对配网模型拼接和实时数据交互进行研究。结果表明, 利用CIM和CIS解决异构数据的交互, 构建标准、开放的直流配电网相较现有的交流电网有明显优势, 当为今后配网发展的有利方向。

关键词：直流配电网,统一数据模型,配电自动化,CIM,CIS

参考文献

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直流区域配电系统 第8篇

关键词：交直流电力系统,阻尼比,灵敏度分析,振荡,控制,DIgSILENT,稳定性,遗传算法

0 引言

随着全国联网的战略规划持续推行, 直流输电在长距离输电中扮演着重要角色, 但大区域交直流电力系统的安全稳定问题非常复杂, 而低频振荡不仅成为严重危及互联系统安全运行的重要因素, 还制约着系统间功率传输。因此, 对交直流电力系统功率振荡进行研究, 并采取相应的控制策略具有重要的理论价值和现实意义。

目前, PSS仍是增强系统阻尼、抑制电网低频振荡的首选, 但PSS对区域模式阻尼效果不明显, 大量安装问题复杂, 而基于广域信号的PSS仍处于理论研究阶段[1,2];此外, STATCOM、TCSC等FACTS设备也具有抑制低频振荡的作用[3], 但现场安装不普遍。对于交直流电力系统, PSS和直流调制等附加控制的协调也是难点[4]。文献[5-7]提出在大电网的区域振荡中, 采用降低关键机组出力 (包括解列机组) 、提高直流功率、降低交流通道功率等一次侧措施抑制系统低频振荡。作为阻尼控制器的补充, 合理调整系统运行方式将使振荡获得良好的阻尼。文献[1, 8]以参与因子作为求取与振荡模式强相关机组的性能指标, 并提出相应的调出力策略, 但参与因子不能明确机组参与的方向信息。文献[9]从特征值灵敏度的角度阐述了运行方式与小干扰稳定的关系, 并给出了灵敏度的计算方法;文献[10]提出了特征值对运行参数的灵敏度;文献[11-12]计算了特征值对运行参数的灵敏度, 分析了它们对系统小干扰稳定的影响;文献[13-14]在特征值灵敏度基础上计算了阻尼比灵敏度, 并通过合理地安排机组的出力以改善小干扰稳定性影响的功率传输能力。目前, 特征值对运行灵敏度的研究多集中在交流系统和调整机组出力, 而应用于交直流系统、将调整机组出力和直流线路功率相结合制定控制策略的相关研究并不多见。

本文提出基于阻尼比灵敏度的混合控制策略, 利用调整机组出力抑制振荡的快速有效性, 以及直流输电的高度可控、短时过负荷、快速改变潮流等特点, 将2种方式配合来提高模式阻尼。在阻尼比对发电机有功出力和直流有功潮流的灵敏度的基础上, 采用优化算法得出机组出力和直流功率的调整值, 将阻尼比提高至安全阈值, 当所有模式的阻尼比均在安全范围内, 则系统达到稳定要求。最后以8机交直流电力系统为例, 仿真验证该控制策略的合理性和有效性。

1 交直流系统的灵敏度计算

1.1 交直流系统模型

发电机采用考虑凸极效应和机械阻尼时的二阶模型, 如式 (1) 所示[15]。

其中, Ud、Uq、Id、Iq、Xq、X′d、E′q依次为发电机的d轴电压、q轴电压、d轴电流、q轴电流、q轴同步电抗、d轴暂态电抗、q轴暂态电势;M为转子惯性时间常数;ΔPe=KΔδ, K为同步力矩系数;D为阻尼转矩系数;Δω、Δδ分别为转子角速度和功角的微增量。

忽略分布电容, 整流侧采取定电流控制, 逆变侧采取定电压控制, 考虑简化的惯性放大调节器以及控制器的调节时间常数, 直流系统模型为[16]:

其中, Udr、Ur、Usr分别为整流器直流侧、交流侧电压和电压设定值;Udi、Ui、Usi为逆变器直流侧、交流侧电压和电压设定值;nr、ni、Xcr、Xci为换流变压器的变比和换相电抗;Id为直流线路电流;Rd、Xd分别为直流线路电阻和电抗, Xd中包含平波电抗;α、β、γ分别为触发角、触发超前角、换相角;K1、K2分别为定电流和定电压控制的惯性环节放大系数;T1、T2为时间常数。

交流网络采用准稳态模型, 只保留发电机节点和直流节点, 消去联络节点后的线性化模型为[17]:

其中, ΔUxy F、ΔIxy F、ΔUxy、ΔIxy分别为各发电机和各换流站电压、电流的偏差量在系统公共x-y坐标系中的分量;ZFL为实部和虚部分开的阻抗矩阵。

对发电机和直流换流器模型的代数方程进行线性化, 并将发电机方程转化为同步坐标, 则建立交直流电力系统标准的状态方程为X觶=AX, 其中, A为状态系数矩阵, 内含各机组和换流站节点直角坐标形式的电压和电流。X为:

1.2 阻尼比灵敏度计算

对于状态矩阵A, 特征值为λk=αk+jωk, αk为衰减系数, ωk为振荡角频率, 阻尼比为, 有Auk=λkuk和vkTA=vkTλk, 其中vk、uk分别为λk的左、右特征向量。设矩阵A是运行参数σ的函数, 则有A (α) uk=λkuk, 则λk、uk为σ的隐函数, 等式两边对σ求偏导数, 然后左乘vkT, 整理可得特征值λk对σ的灵敏度为[15]:

是复数, 反映σ微小变化时λk的移动方向 (相位) 和大小。取稳态工况下的σ值计算。当σ取为发电机节点和换流站节点的有功功率Pi时, 由于Pi不直接显含在A中, 不能直接得到, 需借助节点i处的电压和电流作为中间变量进行求取。于是, 第k个特征值对第i个参数Pi的灵敏度可表示为:

其中, n为网络节点数。

阻尼比灵敏度在特征值灵敏度基础上计算[13]:

其中, 分别为相应特征值灵敏度实部和虚部。

特征值灵敏度能反映参数Pi变化引起的特征值变化;阻尼比反映系统振荡模式衰减的快慢, 其灵敏度更直观地反映了运行参数对系统稳定的影响程度和方向, 可明确需要调整的机组和直流线路。

2 基于阻尼比灵敏度的控制策略

模式的阻尼比反映了模式的稳定性, 通过计算阻尼比对机组出力和直流有功潮流的灵敏度, 调整灵敏度高的机组或直流线路传输功率, 可以快速提高相应模式的阻尼比。当模式的阻尼比不低于可接受的安全值ζ1im时, 系统的小干扰稳定性得以保证, 文中取ζ1im=3%。

2.1 控制策略求解

根据低频振荡产生机理、灵敏度分析方法和交直流混合电力系统的客观条件, 控制策略求解步骤如下。

a.潮流计算。通过潮流计算, 求得各发电机、换流站节点的电压、电流等数据。

b.特征分析。计算矩阵A的特征根、阻尼比、参与因子等, 确定弱阻尼振荡模式及主要参与机组。

c.阻尼比灵敏度计算。针对区域弱阻尼模式, 通过式 (5) — (7) 求解该模式下对机组有功出力PG1、PG2、…、PGm和直流传输功率PD1、PD2、…、PDl的阻尼比灵敏度。设, 则Sk Gi和Sk Di分别为第k个振荡模式阻尼比对发电机i的有功出力和直流线路i的有功输送的灵敏度。

d.灵敏度排序。提取弱阻尼振荡模式k的阻尼比灵敏度, 并分别对Sk G1、Sk G2、…、Sk Gm和Sk D1、Sk D2、…、Sk Dl进行排序。当Ski>0时, 即该元件与阻尼比正相关, 增加Pi, 可以提高模式阻尼;同理, 当Ski<0时, 则减小Pi。

e.策略制定。根据步骤d的灵敏度, 为了使所有模式阻尼均满足小干扰稳定性的要求, 在调节代价最小的情况下, 以阻尼比灵敏度为指标, 采用优化算法求取各发电机和直流线路的调整量。目标函数为:

其中, |ΔPGi|为发电机i调整量的绝对值;ΔPDi为直流线路i调整量的绝对值。

研究表明, 系统结构不变和运行方式变化不大时, 阻尼比灵敏度Ski与Pi呈近似线性关系[14], 因此系统调整后的阻尼比应满足如下关系:

其中, ζj0为第j个弱阻尼振荡模式的阻尼比初值;m1为系统中需要提高的弱阻尼振荡模式数。

除此之外, 还应考虑发电机发出功率和直流线路输送功率的限值以及系统的功率平衡:

其中, PGimax和PGimin分别为发电机i的有功出力上、下限值;PDimax和PDimin分别为直流输电线i的输送容量上、下限值;下标0表示相应变量稳态值;PLi为节点i负荷。

上述控制策略可以采用优化方法求取。

f.策略校验。通过自动发电控制 (AGC) 或调度人员命令实施上述控制策略后, 校验是否产生新的弱阻尼振荡模式。若产生, 则转步骤a;否则, 优化结果即为最终控制策略。

2.2 遗传算法优化

遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机搜索算法, 其基本流程如图1所示[18]。

根据图1优化控制策略, 设机组出力和直流功率的调整量作为决策变量, 对决策变量编码并随机生成初始群体, 以式 (8) 作为适应度函数, 式 (9) — (12) 作为约束条件, 对初始群体进行遗传操作, 产生新一代群体, 用适应度函数评价个体, 往复迭代, 直到找到最优的个体, 即为所需控制策略。

3 算例仿真验证

3.1 8机交直流系统

8机交直流电力系统如图2所示, 该系统中有8台同步电机, 其中G1为参考机, G6为调相机, 相关参数见中国电科院PSASP数据包。

利用DIg SILENT/Power Factory软件计算出该系统机电模式的特征值及阻尼比如表1所示。

由表1数据可知, 模式7是典型的弱阻尼模式, 模式2略大于3%, DIg SILENT输出2种模式的发电机转速变量的参与因子如图3所示, 其他各模式阻尼比均有较大的裕度, 其参与因子分析在此省略。通过图3可知, 模式2为地区模式, 模式7为区域模式。

阻尼比灵敏度不仅反映机组出力和直流功率对模式阻尼的灵敏程度, 还可明确参与振荡的方向, 物理概念清晰。弱阻尼振荡模式的阻尼比对机组有功出力和直流功率的灵敏度, 如表2所示。

设初始群体为20, 交叉概率为0.8, 每代优选子辈为2。利用遗传算法计算出考虑直流调整和不考虑直流调整2种情况下的控制策略, 以及实施控制策略之后系统的阻尼比分别如表3和表4所示。

3.2 仿真分析

选择负荷变化和断线2种具有代表性的扰动, 对比采取控制策略前后的结果加以分析。

3.2.1 设定负荷扰动

在51 s时, 节点19的负荷突增40 MW, 持续2 s后恢复, 节点19与节点30的联络线19-30的振荡曲线如图4中实线所示。

对系统实施同样扰动, 在58 s时, 实施表3控制策略, 振荡曲线如图4中虚线所示;实施表4控制策略, 振荡曲线如图4中点划线所示。仿真结果表明, 实施策略后, 振荡曲线快速收敛, 阻尼振荡效果明显。

3.2.2 设定断线扰动

当51 s时, 交流联络线19-30发生单相断线扰动, 1.5 s后重合, 联络线19-30上发生大幅度的功率振荡, 如图5中实线所示。

对系统实施同样扰动, 分别实施表3和表4的控制策略, 振荡曲线分别如图5中虚线和点划线所示。仿真结果表明, 区域功率振荡收敛效果明显, 有力说明该策略对提高系统稳定性和抑制区域振荡的有效性。

同时, 通过图4和图5不同控制策略的比较可知, 当控制策略考虑直流线路输送功率时, 在达到同样阻尼比要求时, 可以使机组的功率调整量减小, 同时协调考虑直流线路和机组有功出力调整, 可以减小交流线的功率振荡, 使系统快速进入稳定状态。

总之, 仿真验证了基于阻尼比灵敏度抑制区域振荡的混合控制策略, 在二次系统阻尼控制效果不明显时, 根据阻尼比灵敏度调整机组有功出力或直流功率, 可有效地抑制区域模式的低频振荡。面对日益庞大和复杂的电网, 此策略可为调度人员决策提供参考, 弥补仅靠经验判断的不足。

4 结语

本文针对交直流混合电网区域功率振荡, 提出基于阻尼比灵敏度的机组出力及直流功率调整的混合控制策略。该策略从潮流控制的角度, 调整关键机组出力, 减弱振荡能量;提高关联紧密的直流线路功率, 控制电网潮流分布, 及时防止振荡恶化。通过阻尼比灵敏度明确参与振荡模式的关键机组和直流线路, 适当调整机组出力或直流功率将模式阻尼比提升至安全值, 改善了交直流系统的全局阻尼能力, 从整体上提高了系统的稳定性。以8机交直流系统为例, 仿真验证了该策略的有效性。但是本文控制策略制定时只考虑了系统的功率调整量最小, 没有考虑到不同机组有功出力调整以及与直流输送功率调整的经济代价不同, 也没有考虑到控制策略实施的时间问题, 这将是笔者下一步研究的内容。

另外, 随着基于GPS和PMU的广域测量系统在电网中的不断推广, 得到全网实时运行的动态信息成为可能, 利用广域在线数据计算得到类似阻尼比灵敏度的性能指标, 进而提出实用性更强的广域调度控制策略是本文进一步的研究方向。