基于物聯網的光伏并網配電網自愈控制方法研究

董世丹傑，楊超, 姜燕, 許元斌, 苑經緯

(1.國網信息通信產業集團有限公司，北京 102200；2. 國網遼寧省電力公司信息通信分公司，遼寧 沈陽 110000；3.國網遼寧省電力科學研究院，遼寧 沈陽 110000)

0 引 言

光伏發電是將太陽輻射能轉換成電能的一種發電方式[1]，是當前解決電能危機最有效的方式之一。光伏發電并網運行故障導致傳統電網出現如電壓、諧波和頻率等不同的質量問題[2]。上述質量問題均對配電網中光伏電源的接入產生消極影響。為使光伏產業健康化、標準化和快速化發展，需完善光伏發電接網與并網運行服務，進行光伏并網配電網自愈控制，提升配套電網技術[3]。

本文在分層分區協調的自愈控制技術基礎上構建了基于物聯網的光伏并網配電網自愈控制方法的硬件結構及軟件結構，最終構建了基于物聯網的光伏并網配電網運行狀態的自愈控制圖。與此同時，根據不同的運行狀態，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配電網自愈控制質量。

1 基于物聯網的光伏并網配電網自愈控制系統

1.1 分層分區協調的自愈控制技術

失去部分電荷的配電網處于不工作狀態，將對生產與生活造成巨大影響，故當故障發生時及時實現“自我感知”，然后進行診斷、控制與恢復。因此光伏并網配電網自愈控制方法在各層次與區域中采用匹配的協調自愈控制程序[4-5]，確保光伏并網配電網安全、優質、穩定、經濟運行。

具有分布自制性、廣域協調性和工況適應性的配電網自愈控制“2-3-6”基礎組織架構由兩環控制邏輯、三層控制結構和六個控制環節共同組成[6-7]。兩環控制邏輯中的局部控制可以理解為光伏并網配電網終端的就地控制，局部控制在保護控制配電網智能終端過程中無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域隔離，恢復非故障區域供電，處理方式與結果輸入上報程序。局部控制通信結構示意圖如圖1所示。

圖1 局部控制通信結構示意圖

1.2 基于物聯網的自愈控制方法硬件結構

基于分層分區協調的自愈控制技術，物聯網的光伏并網配電網自愈控制方法是對“自我感知、診斷、控制與恢復”實現優化。監測系統通過數據采集電路對輸入電壓和電流等若干參數量進行數據采集，傳送的數據送往基于Samsung S3C2440的微處理器平臺。硬件結構如圖2所示。

圖2 基于物聯網的自愈控制方法硬件結構

1.3 基于物聯網的自愈控制方法軟件結構

系統在 Samsung S3C2440上移植 Linux操作系統，該操作系統源代碼開放和可移植性強。硬件設備驅動采用C語言編寫，上層應用程序采用Qt，Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫。系統軟件結構如圖3所示。

圖3 基于物聯網的自愈控制方法軟件結構

2 基于物聯網的光伏并網配電網運行狀態的自愈控制

圖4 基于物聯網的光伏并網配電網運行狀態的自愈控制圖

在基于物聯網的光伏并網配電網自愈控制方法結構中，控制層是最高層，為增強光伏并網配電網供電的穩定與安全性能，控制代理依照光伏并網配電網當前運行狀態與故障，通過不同控制程序使光伏并網配電網健康狀態逐步提升。基于物聯網的光伏并網配電網運行狀態的自愈控制圖如圖4所示。

基于光伏并網配電網運行狀態，以故障后失去部分負荷為底線，自愈控制代理劃分為緊急控制、恢復控制和校正控制。

1) 緊急控制

用d(·)和d1分別表示狀態函數和緊急狀態函數。在d(·)≥d1條件下，光伏并網配電網處于緊急狀態，通過切機和切負荷等緊急可控制程序可恢復光伏并網配電網狀態，確保其安全穩定供電。緊急控制流程在緊急狀態下展開保護動作，若滿足上述狀態函數大于緊急狀態函數，則可通過解列、切機或者切負荷控制電源狀態。

2) 恢復控制

用d2表示恢復狀態，在d2≤d(·)≤d1條件下，光伏并網配電網參數大致能夠達到運行的約束標準。在還缺少少量負荷的情況下，可通過局部恢復程序與整體恢復程序調整供電路徑[11-13]，清除故障，使停止工作的機組再次運行，各列解小系統逐漸并行，使光伏并網配電網轉換為異常狀態、預警狀態或正常狀態，恢復控制流程是光伏并網配電網出現恢復狀態，則就地恢復供電，若直接恢復成功，則恢復控制結束；若未直接恢復成功，則采用遠方恢復供電的方式，然后排除故障，直到恢復供電成功為止。

3) 校正控制

圖5 校正控制程序

用d3表示異常狀態，在d3≤d(·)≤d2條件下，光伏并網配電網中存在過負荷現象，處于異常狀態，但異常狀態持續時間在標準范圍內，此時利用程序確定出現異常的設備位置，改變運行結構。利用補償程序改善過負荷現象，平穩電壓，使光伏并網配電網轉換為預警狀態或正常狀態[14-15]，校正控制程序如圖5所示。

3 試驗分析

3.1 試驗環境

為驗證本文研究的基于物聯網的光伏并網配電網自愈控制方法的有效性與適用性，將本文方法運行到光伏并網配電網系統當中。考慮分布式電源與負荷等級，構建光伏并網配電網模型，該配電網模型中網絡節點數量為25，29條支路中包含5條聯絡支路，光伏并網配電網模型中包含5個分布式電源，分別與8、13、14、17、23節點相連，除與13節點相連的分布式電源容量為250 kVA外，其余均為500 kVA。模型各節點符合等級參數如表1所示，整體自愈控制模型如圖6所示。

表1 負荷等級參數

圖6 光伏并網配電網模型

圖7 未采取本文方法自愈前

3.2 試驗

光伏并網配電網模型中出現永久性故障(節點3與節點4之間)條件下，斷路器開關(3)斷開，如圖7所示。

分析圖7可知，在線路(3)出現故障的情況下，開關(4)斷開。光伏并網配電網整體劃分為兩個網絡，其中：一個網絡同大電網連接，其負荷不發生變化；另一個網絡則形成孤島，其負荷相較于分布式電源的整體有功出力顯著提升，導致配電網損壞，分布式電源無法有效運行，此光伏并網配電網整體喪失供電能力。

在此條件下，假設不運行故障自愈方法，光伏并網配電網整體保持解列狀態，其中半數以上分布式電源無法正常工作，能源利用率顯著降低，失電負荷大幅提升，對人類的生活、工作與學習產生嚴重影響。

4 結束語

為提高光伏并網配電網服務質量，推進光伏并網配電網自愈控制建設。本文提出基于物聯網的光伏并網配電網自愈控制方法，最終構建了基于物聯網的光伏并網配電網運行狀態的自愈控制圖。在光伏并網配電網模型中引進本文提出的自愈控制方法和原始方法，分別進行故障后的自愈試驗。仿真結果顯示本文方法可滿足光伏并網配電網自愈控制的服務需求，最大程度達到預期，提高自愈控制質量。