分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載診斷模型分析

吳 健, 吳奎華, 崔 燦, 李 昭, 王延朔, 張博頤

(國網(wǎng)山東省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 濟(jì)南 250000)

分布式發(fā)電主要以投資少、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)得以迅速發(fā)展.但是隨著分布式電源接入量不斷增加,導(dǎo)致原始的配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了改變[1].現(xiàn)階段含有風(fēng)能、太陽能等新能源的配電網(wǎng)正在被廣泛應(yīng)用,它能夠有效代替部分火力發(fā)電[2],減少能源的消耗與環(huán)境污染,同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.如何在一個(gè)大型的配電網(wǎng)絡(luò)中,完成分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載診斷成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)問題,并且其對(duì)于配電網(wǎng)操作以及規(guī)劃等都具有十分重要的意義,相關(guān)學(xué)者對(duì)此展開了研究.

顧雪平等[3]提出基于結(jié)構(gòu)平衡理論的電網(wǎng)自組織臨界態(tài)辨識(shí)方法,該文將電網(wǎng)輸電線路虛擬為節(jié)點(diǎn),綜合考慮線路初始負(fù)載率、負(fù)載率增量的平均值,在此基礎(chǔ)上分析了電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)平衡結(jié)構(gòu),但該方法在不同線路狀態(tài)下的估計(jì)誤差不穩(wěn)定;徐帥[4]提出了計(jì)及多種分布式能源的交直流混合電網(wǎng)建模方法,在PSCAD中構(gòu)建交直流混合電網(wǎng)的仿真模型,經(jīng)實(shí)驗(yàn)獲得了電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)特性和故障特性,但該方法獲取電網(wǎng)特性的運(yùn)行時(shí)間較長.

為進(jìn)一步完善新能源背景下對(duì)配電網(wǎng)線路負(fù)載的研究,本文提出了一種分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載診斷模型,分析輸電網(wǎng)線路運(yùn)行參數(shù),組建分布式電源的電力網(wǎng)絡(luò)等值電路,用以消除電網(wǎng)耦合.考慮輸電線路的直流分量與諧波分量,利用傅里葉變換提取基波正序分量.基于上述過程,利用和聲搜索算法構(gòu)建輸出線路負(fù)載診斷模型,并且利用該模型展開相關(guān)的研究工作.

1 負(fù)載診斷模型分析

1.1 線路運(yùn)行參數(shù)分析

電力系統(tǒng)主要是由多個(gè)不同的基本元件組成,包括發(fā)電機(jī)、變壓器等,其中確定電力系統(tǒng)不同元件的數(shù)學(xué)模型是電力系統(tǒng)分析的基礎(chǔ),而這些元件及應(yīng)用場(chǎng)合需根據(jù)國家電網(wǎng)規(guī)定的連接形式利用輸電線進(jìn)行連接[5].

在輸電線正常連通情況下,線路產(chǎn)生負(fù)載,為優(yōu)化輸電線路運(yùn)行狀態(tài),需預(yù)測(cè)并診斷其負(fù)載情況[6].通過分析先驗(yàn)信息可知,總體測(cè)試建模方法是目前組建分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載診斷最為有效的方法,但在建模過程中需要采集大量的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行測(cè)試[7].目前,分布式發(fā)電仍然處于發(fā)展初期,有關(guān)新能源數(shù)據(jù)的采集變得十分困難.

若獲取相關(guān)測(cè)試樣本,需要組建分布式電源的電力網(wǎng)絡(luò)等值電路,以實(shí)現(xiàn)模型的組建.通過配電網(wǎng)等值替換,可消除電網(wǎng)輸電線工作狀態(tài)中存在的耦合現(xiàn)象[8].在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建等值電路耦合現(xiàn)象的數(shù)據(jù)消除函數(shù),則有

(1)

式中:Un、In為耦合狀態(tài)下輸電線路的電壓及電流;Eopenn為耦合電能.

其中勵(lì)磁系統(tǒng)選用可控硅勵(lì)磁,而電網(wǎng)的發(fā)動(dòng)原理以及調(diào)度系統(tǒng)采用了非線性模型表示[9],主要是為了提升系統(tǒng)的準(zhǔn)確性.硅勵(lì)磁系統(tǒng)的非線性控制模型為

(2)

式中:Ut為實(shí)時(shí)電壓數(shù)值;At為實(shí)時(shí)電流數(shù)值;γ為非線性影響系數(shù).一般情況下,分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載選用三相基波正序數(shù)據(jù),針對(duì)電力系統(tǒng)而言,能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整系統(tǒng)的采樣頻率[10].但由于分布式發(fā)電系統(tǒng)選用電力電子裝置,在計(jì)算過程中會(huì)引入諧波,所以,在采集建模過程所需要的樣本時(shí),需進(jìn)行基波正序分量的提取.在提取分量時(shí),需考慮輸電線路中的直流分量以及諧波分量,直流分量I(x)以及諧波分量B(x)分別表示為

(3)

B(x)=I(x)ε

(4)

式中:nt為t時(shí)刻的實(shí)時(shí)直流電阻值;ε為基波有效值.

結(jié)合式(3)與式(4),利用傅里葉變換的相關(guān)原理[11]能夠獲取總電路基波分量的幅值為

(5)

式中:θ為直流分量衰減時(shí)間常數(shù);ω為余弦電流相位.

通過對(duì)總電路基波分量幅值的分析計(jì)算,能夠獲取電壓及電流基波分量.由于輸電線路中電流SA和電壓的基波信號(hào)SU是以復(fù)數(shù)形式存在的,則有

SA=biXi-At+αiAt

(6)

SU=biXi-Ut+αiUt

(7)

式中:Xi為輸電線路基波分量的有效值;αi為輸電線路基波分量的初始相位.

上述完成了分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路運(yùn)行參數(shù)的獲取,為負(fù)載診斷提供可靠數(shù)據(jù).

1.2 線路負(fù)載參數(shù)的提取

首先計(jì)算線路的正序分量[12],然后利用計(jì)算結(jié)果識(shí)別負(fù)載數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)函數(shù),最后通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與響應(yīng)數(shù)據(jù)的辨識(shí)完成負(fù)載參數(shù)信息的提取.分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路的正序分量計(jì)算式為

(8)

動(dòng)態(tài)參數(shù)模型的辨識(shí)主要由規(guī)則以及算法兩部分所組成[13].本文在進(jìn)行建模過程中,將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和響應(yīng)數(shù)據(jù)之間的殘差平方作為目標(biāo)函數(shù),即

(9)

式中,yk為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本k的擬合值.

組建分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載參數(shù)信息提取模型,其表達(dá)式為

(10)

式中:L為線路電感值;uq為最終諧波分量幅值;ug為最初諧波分量幅值.

1.3 基于HSA算法的輸出線路負(fù)載診斷模型

現(xiàn)階段遇到的優(yōu)化問題大部分都十分復(fù)雜,為了更好地完成優(yōu)化,相關(guān)專家提出了一種和聲搜索算法(harmony search algorithm,HSA).HSA算法相比其它算法優(yōu)勢(shì)較為明顯的[14-16],具體如下:1)能夠處理離散變量以及連續(xù)變量;2)不需要設(shè)定各個(gè)變量的初始值;3)能夠忽略局部最優(yōu)解;4)能夠通過數(shù)據(jù)庫的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行搜索校正.

算法的具體流程如下:

1) 將相關(guān)問題公式化.本文以負(fù)載參數(shù)信息提取模型作為負(fù)載診斷問題公式化函數(shù).

2) 對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化處理.

3) 對(duì)初始化參數(shù)進(jìn)行更新處理,形成最新解,即

G(x)=δ(x)βη

(11)

式中:β為更新時(shí)間;η為更新系數(shù).

4) 利用最新解更新參數(shù)庫;

5) 算法迭代,直至迭代至最新負(fù)載參數(shù).

利用HSA算法實(shí)現(xiàn)分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載診斷模型的構(gòu)建過程中,需考慮定子側(cè)以及轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓、磁鏈對(duì)電線負(fù)載的影響[17],故需先求解其數(shù)值.定子側(cè)電壓計(jì)算表達(dá)式為

Uds=rsids+λqs+biλds

(12)

式中:rs為定子繞組頻率;ids為定子d軸轉(zhuǎn)速;λds、λqs為定子d、q軸頻率.

轉(zhuǎn)子側(cè)電壓計(jì)算表達(dá)式為

Udr=rridr+λqr+λdr

(13)

式中:rr為轉(zhuǎn)子電流頻率;idr為轉(zhuǎn)子d軸轉(zhuǎn)速;λdr、λqr為轉(zhuǎn)子d、q軸頻率.

定子側(cè)以及轉(zhuǎn)子側(cè)磁鏈計(jì)算表達(dá)式[18]為

Ts=Te(λdsiqs-λqsids)

(14)

Tr=Ts(Udridr-Udsiqr)

(15)

式中,Te為電磁轉(zhuǎn)矩.所組建的分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載診斷模型[19-20]可表示為

(16)

基于上述過程,完成分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路的負(fù)載診斷.

2 實(shí)例分析

以某電網(wǎng)公司監(jiān)測(cè)平臺(tái)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分析分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載狀態(tài),設(shè)置所有線路運(yùn)行數(shù)據(jù)的檢測(cè)周期為1 h.在電力系統(tǒng)電磁機(jī)電暫態(tài)混合仿真軟件DIgSILENT中搭建了電網(wǎng)系統(tǒng),并詳細(xì)模擬了電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)輸出線路上的電壓、電流及負(fù)載等情況,具體電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中電網(wǎng)內(nèi)部饋線A與饋線B接入重要負(fù)荷,饋線C接入普通負(fù)荷,每個(gè)電源出口均配備功率與電壓控制器,當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)啟動(dòng)隔離裝置,以保證重要負(fù)荷的持續(xù)供電.

設(shè)計(jì)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn),對(duì)比方法為基于結(jié)構(gòu)平衡理論的電網(wǎng)自組織臨界態(tài)辨識(shí)(文獻(xiàn)[3])與計(jì)及多種分布式能源的交直流混合電網(wǎng)建模(文獻(xiàn)[4])兩種方法.

2.1 瞬時(shí)狀態(tài)響應(yīng)的有效性

實(shí)驗(yàn)初始電壓為308 V,設(shè)置并網(wǎng)運(yùn)行工況,在區(qū)域5線路運(yùn)行6 s時(shí)突然降低線路電壓,使其發(fā)生電壓跳變,檢驗(yàn)診斷模型是否能有效檢驗(yàn)線路的異常情況.電壓跳變實(shí)際情況如圖2所示.利用兩種對(duì)比方法及本文方法檢測(cè)電壓跳變情況,得到的電壓檢測(cè)結(jié)果如圖3所示.

圖2 電壓跳變實(shí)際情況

圖3 不同方法檢測(cè)電壓跳變結(jié)果

對(duì)比圖2、3可知,本文設(shè)計(jì)的負(fù)載診斷模型能夠在6 s處檢測(cè)到輸出電路異常變化情況,且在較短時(shí)間內(nèi)使電壓恢復(fù)到接近原電壓值;文獻(xiàn)[3]測(cè)得電壓跳變的時(shí)間點(diǎn)滯后;文獻(xiàn)[4]測(cè)得電壓跳變的時(shí)間點(diǎn)超前,且恢復(fù)電壓值與原電壓值相差較大.由于本文在檢測(cè)輸電線工作狀態(tài)時(shí),構(gòu)建了等值電路耦合現(xiàn)象的數(shù)據(jù)消除函數(shù)E(x),通過電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,消除電網(wǎng)耦合狀態(tài)的影響,從而提高診斷檢測(cè)的及時(shí)性.

2.2 模型估計(jì)誤差分析

利用本文設(shè)計(jì)模型、文獻(xiàn)[3]及文獻(xiàn)[4]方法對(duì)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下區(qū)域3的有功功率進(jìn)行檢測(cè),并以監(jiān)測(cè)平臺(tái)在2019年8月12日監(jiān)測(cè)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)作為對(duì)照輸出參數(shù),3種方法估計(jì)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的對(duì)比如圖4所示.分析圖4可知,所設(shè)計(jì)模型的有功功率預(yù)測(cè)值與真實(shí)值最為接近,說明所組建模型是有效的.

圖4 診斷模型有功功率真實(shí)值和估計(jì)值

2.3 運(yùn)行時(shí)間對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提診斷方法在檢測(cè)速度上的優(yōu)勢(shì),基于上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境,利用不同方法檢測(cè)圖1所示電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中區(qū)域1～5的所有線路的電流、電壓、負(fù)載等情況,具體實(shí)驗(yàn)耗時(shí)結(jié)果如表1所示.

表1 不同方法檢測(cè)電網(wǎng)區(qū)域1～5的運(yùn)行時(shí)間對(duì)比

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,所設(shè)計(jì)模型的運(yùn)行時(shí)間在3種模型中最低,平均運(yùn)行時(shí)間為10.68 s,充分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)模型的檢測(cè)有效性,同時(shí)也能夠有效提升模型的故障診斷效率.

3 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載診斷模型存在的估計(jì)誤差不理想的問題,研究并設(shè)計(jì)了一種分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載診斷模型,基于電網(wǎng)等效電路,結(jié)合耦合消除函數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制,構(gòu)建了分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)荷參數(shù)提取方法.利用HSA搜索算法建立了輸出線負(fù)荷診斷模型,保證了其在網(wǎng)絡(luò)故障和瞬態(tài)情況下的有效性.通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所組建模型的綜合有效性,檢測(cè)不同區(qū)域的運(yùn)行時(shí)間平均值為10.68 s,優(yōu)于對(duì)比的兩種方法,說明該研究在分布式新能源配電網(wǎng)輸出線路負(fù)載診斷方面具有一定的優(yōu)勢(shì).