配電網中臺區抗負荷波動能力提高的方法研究

王官濤，高 峰，吳曉東

(國網山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600)

在電力物聯網架設過程中臺區并網數量逐漸增加，負荷波動異常使電能損失加大。因此，提高抗負荷波動能力在電力研究中占據較重地位，基于此本文對提高臺區負荷抗波動方法進行研究。文獻[1]通過找出臺區負荷波動有序數列，采用蒙特卡洛方法調整臺區負荷偏差較大的數據，從而提高臺區抗波動能力，但在調整偏差過程中容易降低負荷容量；文獻[2]采樣層次聚類算法，將波動量轉換為風險程度，利用兩階段風險調度的方法降低負荷波動。但這種方法步驟較為復雜，容易造成數據遺漏。

上述文獻雖然都能夠一定程度控制并網時負荷波動，但均無法滿足抗波動能力需求。因此，在此基礎上進行創新，設計出具有高抗波動能力的臺區負荷系統，通過對臺區電路直流和交流檢測，判斷負荷是否存在波動隱患；運用多維分層采樣方法采集臺區負荷電路數據；根據采集的波動數據，在傳統校正負荷波動技術上進行改進，利用改進的波動校正技術針對性地進行時序校正，從而提高配電系統抗負荷波動能力[3]。

1 配電網臺區負荷系統

根據現有臺區配電網控制中心，對具有負荷波動效應的配網區域進行設計，使系統能夠及時反映負荷波動位置，能夠針對性地發出命令，對整個電網設備集中監控，保證設備正常運行，方便找到波動原因，從而完成校正對位處理。設計臺區指令調度中心如圖1所示。

圖1 臺區指令調度中心

臺區負荷綜合控制系統通過微機控制，利用計算機大數據處理能力進行臺區信息收錄，通過微機控制中心組合形態完成對接及儲存。整個臺區設備連接數據通道，設備分為臺區配電網絡、狀態監控、并網負荷波動和電表記錄4大類，通過設備具有的不同職能完成整個臺區管理。整個過程經過處理在傳真窗口進行分析比對。之后比對結果通過傳輸總線接入端口對接裝置和技術平臺，端口對接主要連接的外設裝備和數據網，供外在機構進行參考；技術平臺負責檢測和校正負荷波動，通過負荷檢測電路對并網前后負荷狀態進行檢測[4]；利用多維分層抽樣(LHS)方法對電壓波動、節點負荷波動和電網抗波動能力進行數據抽樣；最后利用錯誤檢測和校正技術(EDAC)進行負荷時序檢測和波動校正。

整個臺區指令調度中心負責全方位監控，能夠對設備狀態進行全面檢測，提高波動反應能力，能夠對負荷波動位置進行針對性校正，解決傳統方法抗負荷波動能力弱的問題。

2 負荷波動檢測電路

本文設計的波動檢測電路主要針對臺區負荷波動故障，對波動數據分別進行交、直流檢測，根據檢測結果分析負荷是否具有波動效應，能夠更加方便找到具體位置。直交流負荷波動電路如圖2、圖3所示。

圖2 直流負荷波動檢測

圖3 交流負荷波動檢測

檢測電路能夠根據不同臺區輸入的數據，檢測結果稍有不同。本文設計的檢測電路在圖2中電阻值為R1=R2=60 Ω，R3=10 kΩ，若電路的數據表現出波動形態，則低壓側升高，導致二極管無法工作，檢測結果表現為鋸齒形態；輸入正常信號時，二極管正常工作，直流檢測電路處于正常工作狀態，延時時間為零。圖3設計檢測負荷原理是利用整流橋的作用，將不同形態的波動信號輸入到檢測電路中[5]。其中，電阻值為R4=R5=R6=51 Ω，RS=1 kΩ，R7=10 kΩ，電容為CK=4.7 μF，電路開始工作時，如果輸入的交流信號為波動信號，通過整流橋轉換的直流電就會變得不穩定，輸出的信號會出現斷續；如果信號出現波動，則檢測輸出結果不會出現較大起伏。

3 多維分層抽樣方法

假設采集的負荷波動數據為隨機抽取，則得到的臺區負荷隨機波動量為：

Yk=Fk(Xk)，k=1，2，…，n

(1)

式中，Fk為隨負荷波動而變化的抗擾動函數，Xk為臺區負荷輸入變量，通過檢測電路了解臺區電路狀態。將負荷波動范圍劃分為不同數據區域，各區域隨機采集數值，其中可能采集到波動數值[6]，也可能采集的只是尋常信號。

負荷數據波動時，抽樣區域輸出的電壓不穩定，電流傳輸節點出現斷流，此區域電壓變化為：

(2)

式中，pl為抽樣區域內平穩運行下的功率值，Tmvw為抽樣區域不穩定狀態出現的時間；Ukt為出現負荷波動時間內電壓記錄值。

抽樣區域負荷波動存在一定的壓差，其中造成的功率波動為：

(3)

式中，Nall為單個抽樣區域存在的不穩定數據流。

抽樣區域功率不穩定數值映射出整個電路狀態。電路平穩運行瞬時變化為波動狀態，計算出的瞬時電壓變化越大，則負荷波動位置概率越大，最大概率出現波動的電壓為：

(4)

式中，Tmvcw為整條線路波動時間，Uk0為平穩運行時抽樣區域標準電壓。

根據得到的最大概率電壓判斷出波動的始發點，計算始發點功率是否存在變化，從而判斷整條電路是否完全失穩，始發點功率為：

(5)

式中，Tmvcw/Nall為在電壓失穩時整條電路發生波動的概率。

當整條電路出現波動時，電路存在多個不穩定區域，使整個直流電路呈現出不規則波形變化。對其中一個不穩定電壓計算得到：

(6)

式中，Tmvcw為不穩定區域前后校正系統的反應時間，ΔUkt為波動區間最大變化電壓，ΔLt為波動范圍長度，不穩定區域功率為：

(7)

式中，Tmvsw/Nall為一段波動線路電流經過的時間均值[7]。

根據式(7)不穩定負荷功率計算負荷波動增長率，在負荷波動較大時，根據找到的始發點，初步判斷線路波動劇烈程度選擇校正方法，此時線路波動程度為：

Klg rwi={Kki/Kk}

(8)

式中，Kki為一小段負荷波動系數，Kk為最小波動線路長度。

負荷波動較小時采用常規校正方法，此時通過校正后的線路功率表示為：

(9)

式中，Tlg rkw/Nallw為負荷線路恢復平穩消耗的時間均值。

對于波動較為劇烈的負荷線路，運用本文設計的校正方法。根據波動數據判斷負荷承受的變化范圍，從而了解整個負荷系統的概況。對整個負荷系統進行集成數據處理，根據每條線路采集的功率變化計算出最小波動范圍即：

(10)

式中，min{Lallw}為單條線路波動范圍的最小值。

同理得到系統負荷最大波動范圍：

(11)

式中，max{Lallw}為單條線路波動范圍的最大值。根據得到的系統負荷波動范圍閾值[8]，對系統負荷波動進行時序校正，即得到負荷總線校正函數為：

(12)

式中，Lallw為校正后線路恢復平穩運行長度，Nallw系統負荷具備校正條件的線路總量。

負荷波動恢復存在一定的延時時間，在此期間造成的電能損失為：

(13)

多維分層抽樣方法能夠對整個系統負荷進行初步判斷，對負荷波動程度進行分類校正，使系統校正更加具有條理性，保證本文設計的校正方法更具有針對性。

4 負荷波動校正技術

本文設計的校正技術在錯誤檢測與校正技術(EDAC)的基礎上插入寄存器，能夠更加穩定地進行負荷時序校正，對負荷波動程度更加靈敏，能夠提高配電網抗負荷波動能力。根據多維分層抽樣計算結果，將波動較為劇烈的負荷信號輸入到EDAC技術平臺中，信號校正過程如圖4所示。

圖4 負荷波動校正技術

EDAC技術通過采集多維分層抽樣輸出數據，對臺區直流信息和交流信息進行負荷波動分析，同時進行電路檢測和并網設備檢測。根據綜合評判標準得出結論，進而分別進行時序校正，能夠更加有效調制時序信號，經過電路的邏輯時序分析，將具有波動的高低信號調制為穩定輸出信號，最終得到校正后的輸出時序波形。

為精確調制出符合要求的時序輸出信號，本文根據EDAC技術結構圖，設計插入特殊寄存器[9]，其內部電路如圖5所示。寄存器主要利用鎖存器和觸發器進行時序控制，通過邏輯門完成信號轉換。寄存器接收到EDAC的輸入電壓，經過邏輯門轉化為電信號，波動信號在鎖存器的作用下完成時序調制，調制信號由觸發器接收并存儲，電信號將轉變為二進制數據，然后經過邏輯門的信號轉換，穩定電壓最終表現為平穩信號。

圖5 寄存器電路

對于EDAC技術的創新，對臺區負荷波動更加靈敏，加強了電網抗波動能力，能夠及時校正波動時序信號，減少了負荷波動造成的電網損失。

5 試驗結果與分析

研究在華中電網臺區測試網點進行，根據現場勘測實驗記錄，對采樣的負荷波動數據進行分析，根據具體測試結果判斷本方法的設計有效性。實驗對現場環境有嚴格要求，臺區電網額定功率不能超過30%，采樣數據精度不少于80%[10]，數據處理器采用Intel i8以上，對實驗芯片輸出運用Proteus軟件進行仿真，應用Matlab進行抗波動能力對比驗證，臺區負荷實驗網點配置參數見表1。

表1 實驗環境參數

計算機運行系統為Windows 10操作系統，對現場臺區測試點進行負荷波動實驗，根據實驗記錄報表，經過后續加工處理，提取混亂數據，從而得到臺區波動測試點位數據(表2)。

分析表2數據結果，負荷電壓波動量變化不大，基本處于穩定狀態；電流波動量變化較大，最大波動為4.3～35.2 A；電流波動量為48.3 A時，校正時延為24 ms；電流波動量為13.1 A，校正時延為6 ms，證明校正時延隨電流波動變化，即電流波動量越大，校正時延越長，兩者呈比例遞增。

表2 臺區波動點位測試數據

為體現該研究方法抗負荷波動的能力，通過計算機Proteus軟件對校正過程進行仿真，首先得到臺區波動效應輸出信號，如圖6所示。

圖6 負荷波動輸出信號

圖6中負荷出現波動時，高低信號都會發生波動，輸出信號持續波動，將波動信號輸入到系統中，最終校正信號呈現結果如圖7所示。

圖7 校正后的負荷輸出信號

由圖7可以發現，校正后的負荷輸出信號已經較為平穩，高低信號沒有出現波動現象，明顯提高了臺區測試網點的抗波動能力。

為證明本設計抗負荷波動方法的優越性，與文獻[1]的蒙特卡洛方法和文獻[2]的層次聚類方法進行MATLAB仿真對比，對3種方法負荷恢復時間進行仿真，對比曲線如圖8所示。

圖8 抗波動方法仿真對比

可以明顯看出文獻[1]和文獻[2]有一段反應時間，反應時間為0.2 s，最終恢復時間分別為1.2 s和1.4 s；而本研究方法不存在反應時間，當感應到負荷波動時，系統就能進行相應的時序調節，因此恢復時間只有0.8 s。明顯本研究抗負荷波動能力更強。

6 結語

本文主要研究提高臺區抗負荷波動能力的方法，在配電網綜合控制系統的基礎上設計創新，通過設計負荷波動檢測電路對臺區負荷線路進行監控，將可能波動的位置進行標記，使校正過程具有針對性；采用多維分層抽樣方法對整個臺區波動區域進行劃分，對負荷波動劇烈的區域進行強效校正，縮短負荷波動分辨時間；在EDAC技術的基礎上進行改進，插入特殊寄存器使時序校正能夠適應強波動負荷信號，加強了波動校正能力。但是本設計方法在具體測試中凸顯出一些問題，包括對校正后的負荷信號無法進行二次校正，波動信號恢復平穩之后的數據處理較為粗糙等，在后續研究中希望能夠完善這些問題。