張 煬,程韌俐,史 軍,祝宇翔,馬偉哲,許 琴

（1．深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2．廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

1 引言

城市配電網(wǎng)是一個(gè)小型的電力系統(tǒng)，其主要包括負(fù)荷、分布式發(fā)電DG、控制設(shè)備和儲(chǔ)能裝置[1]。城市配電網(wǎng)系統(tǒng)主要有兩種運(yùn)作模式：并網(wǎng)和孤島。并且通過在這兩種模式間的切換來形成電壓幅值的波動(dòng)和通過合閘來沖擊電流，這樣有利于保證城市配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)作過程中的安全性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑切換[2]。分布式新能源在城市配電網(wǎng)中發(fā)揮了重大作用，能夠創(chuàng)造城市配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益、保證微型電源的正常運(yùn)作、改變電能質(zhì)量和緩沖能量等。而且在城市配電網(wǎng)中，PCS(Power Conversion System，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng))作為主電源的時(shí)候，能夠給其他的DG提供離網(wǎng)運(yùn)作時(shí)的電壓支撐，這樣能夠通過控制蓄電池的充放電來維系系統(tǒng)功率的平衡[3]。

袁簡(jiǎn)等人研究了適用于高可靠性供電區(qū)的配電網(wǎng)接線柔性切換方法，改變系統(tǒng)的運(yùn)作模式比如斷開直流配電網(wǎng)的內(nèi)線路和對(duì)有些可控設(shè)備停止運(yùn)作等方式，對(duì)于以后的直流配單網(wǎng)的運(yùn)作提供了一定的參考價(jià)值和意義[4]；李國(guó)香提出直流配電網(wǎng)的運(yùn)行方式柔性切換方法，保證在切換過程中沖擊電流不會(huì)產(chǎn)生，而且也不會(huì)產(chǎn)生過電壓等，設(shè)備能夠正常運(yùn)作，在切換的過程中，主要是協(xié)調(diào)控制器來控制和協(xié)調(diào)各設(shè)備間的信息流，對(duì)今后電網(wǎng)的發(fā)展具有一定的適應(yīng)功能[5]。在上述分析基礎(chǔ)上，提出將分布式新能源應(yīng)用到了城市配電網(wǎng)供電模式的切換中，提高城市配電網(wǎng)供電模式的切換效果。

2 城市配電網(wǎng)供電模式柔性切換方法設(shè)計(jì)

2.1 探測(cè)城市配電網(wǎng)的性能

將城市配電網(wǎng)的丟包率、數(shù)據(jù)傳輸速率、連接構(gòu)建時(shí)間以及時(shí)延作為城市配電網(wǎng)性能的探測(cè)指標(biāo)，從而滿足供電模式的切換需求[6]。

城市配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸丟包率是指在特定的時(shí)間段內(nèi)，丟失或者出錯(cuò)的數(shù)據(jù)量占所有傳輸數(shù)據(jù)包的比重[7]。比如城市配電網(wǎng)在時(shí)間段t內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包為Nt，那么丟包率的計(jì)算公式為：

式中，Nr表示所有數(shù)據(jù)包中正確傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

數(shù)據(jù)傳輸速率是城市配電網(wǎng)在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量[8]，數(shù)據(jù)傳輸速率的計(jì)算公式為：

式中，城市配電網(wǎng)在t時(shí)刻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為M。連接構(gòu)建時(shí)間是城市配電網(wǎng)的客戶端與服務(wù)器之間構(gòu)建連接耗費(fèi)的時(shí)間，連接構(gòu)建時(shí)間的計(jì)算公式為：

式中，Tst表示客戶端傳輸數(shù)據(jù)過程中構(gòu)建連接申請(qǐng)的時(shí)刻，Tend表示連接構(gòu)建的完成時(shí)間。城市配電網(wǎng)的時(shí)延是數(shù)據(jù)從傳輸?shù)浇邮盏臅r(shí)間間隔，城市配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延計(jì)算公式為：

式中，城市配電網(wǎng)連續(xù)探測(cè)了n次，Tli表示數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)刻，T2i表示數(shù)據(jù)的接收時(shí)刻。丟包率、數(shù)據(jù)傳輸速率、連接構(gòu)建時(shí)間以及時(shí)延是探測(cè)城市配電網(wǎng)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)，從而識(shí)別城市配電網(wǎng)鏈路性能的好與壞。為了將多個(gè)探測(cè)參數(shù)綜合，需要?dú)w一化處理不同量綱參量。

假設(shè)存在n'個(gè)城市配電網(wǎng)的探測(cè)指標(biāo)，歸一化處理每一個(gè)探測(cè)指標(biāo)之后，可以得到，探測(cè)指標(biāo)的加權(quán)值為，根據(jù)丟包率、數(shù)據(jù)傳輸速率、連接構(gòu)建時(shí)間以及時(shí)延四個(gè)參數(shù)的設(shè)定，綜合衡量探測(cè)參量，表示為：

采用數(shù)據(jù)傳輸丟包率和時(shí)延作為主要探測(cè)指標(biāo)，數(shù)據(jù)傳輸速率和連接構(gòu)建時(shí)間作為輔助探測(cè)指標(biāo)，從而計(jì)算城市配電網(wǎng)性能的綜合探測(cè)參量。

式中，Tmin表示最短時(shí)延，Tmax表示最長(zhǎng)時(shí)延，歸一化處理城市配電網(wǎng)每一條鏈路的傳輸時(shí)延之后，定義第i條鏈路的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為：

式中，Lmin表示最小的數(shù)據(jù)丟包率，Lmax表示最大的數(shù)據(jù)丟包率，歸一化處理城市配電網(wǎng)每一條鏈路的數(shù)據(jù)傳輸丟包率之后，定義第i條鏈路的數(shù)據(jù)傳輸丟包率為：

令城市配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延權(quán)值為wd，數(shù)據(jù)傳輸丟包率的權(quán)值為wl，那么第i條鏈路訪問城市配電網(wǎng)性能的綜合參量表示為：

依據(jù)城市配電網(wǎng)供電模式的柔性切換需求，將城市配電網(wǎng)的丟包率、數(shù)據(jù)傳輸速率、連接構(gòu)建時(shí)間以及時(shí)延作為城市配電網(wǎng)性能的探測(cè)指標(biāo)，計(jì)算城市配電網(wǎng)性能探測(cè)的綜合衡量參量，探測(cè)了城市配電網(wǎng)的性能。

2.2 定位城市配電網(wǎng)供電模式溫升異常點(diǎn)

假設(shè)城市配電網(wǎng)供電模式的單位距離為1米時(shí)，電能的接收功率為Q，可以計(jì)算出電能發(fā)射結(jié)點(diǎn)與接收結(jié)點(diǎn)之間的距離，公式為：

式中，n表示城市配電網(wǎng)供電模式的電量損耗指數(shù)，m表示電力修正系數(shù)。利用電力修正測(cè)量方法確定Q和m的取值，通過在城市配電網(wǎng)供電模式的電能異常發(fā)射結(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，選取任意兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)來確定。但是會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差參數(shù)，因此當(dāng)城市配電網(wǎng)供電模式的異常發(fā)射結(jié)點(diǎn)接收RSSI值時(shí)，選擇最大的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，確定城市配電網(wǎng)供電模式的溫升異常點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 m值計(jì)算過程示意圖

在m值的計(jì)算過程示意圖中，假設(shè)O為異常點(diǎn)，A、B、C是城市配電網(wǎng)供電模式溫升異常點(diǎn)定位所使用的三個(gè)錨結(jié)點(diǎn)。在O、A、B、C的特征環(huán)境中，根據(jù)公式(11)可以確定A、B、C 的坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離。連通A、B、C 三個(gè)錨結(jié)點(diǎn)的電源，通過分布式新能源計(jì)算值Q和n值，當(dāng)錨結(jié)點(diǎn)B和C接收到城市配電網(wǎng)供電模式的電流RAB和RAC時(shí)，可以得到相關(guān)等式，表示為：

利用上式可以計(jì)算nA和QA的值，相同道理也可以計(jì)算B和C的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

通過計(jì)算電能發(fā)射結(jié)點(diǎn)與接收結(jié)點(diǎn)之間的距離，利用電力修正測(cè)量方法，在城市配電網(wǎng)供電模式的電能異常發(fā)射結(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)選取任意兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，建立城市配電網(wǎng)供電模式溫升異常點(diǎn)的實(shí)際距離與測(cè)距距離之間的修正方程，確定了城市配電網(wǎng)供電模式溫升異常點(diǎn)的位置。

2.3 城市配電網(wǎng)供電模式的柔性切換

當(dāng)檢測(cè)到城市配電網(wǎng)恢復(fù)供電模式時(shí)，需要將城市配電網(wǎng)由孤島運(yùn)行模式切換到并網(wǎng)運(yùn)行模式，在切換過程中，城市配電網(wǎng)的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電都在PQ 控制下出力，只需要調(diào)節(jié)作為主電源的分布式新能源，切換過程如下：

Step 1：將城市配電網(wǎng)供電模式由孤島切換到并網(wǎng)，其產(chǎn)生的電流大小是由相角差和電壓偏差決定的，與頻率差之間幾乎沒有關(guān)系，為了減小城市配電網(wǎng)在并網(wǎng)合閘時(shí)產(chǎn)生的沖擊，需要采用預(yù)同步控制的方式，將電壓和相角調(diào)節(jié)到初始狀態(tài)。

Step 2：經(jīng)過預(yù)同步控制切換之后，城市配電網(wǎng)與公共配電網(wǎng)的電壓和相角滿足以下關(guān)系時(shí)，將城市配電網(wǎng)切換到并網(wǎng)模式；

式中，|U|grid表示公共配電網(wǎng)的電壓幅值，|U|表示城市配電網(wǎng)的電壓幅值，|U|N表示額定電壓幅值。

Step 3：完成并網(wǎng)模式的切換之后，將分布式新能源由控制模式切換到充電模式，并使得電容器和蓄電池進(jìn)入充電狀態(tài)，恢復(fù)對(duì)城市配電網(wǎng)供電模式的次要負(fù)荷進(jìn)行供電。

綜上所述，通過探測(cè)城市配電網(wǎng)的性能，定位了城市配電網(wǎng)供電模式溫升異常點(diǎn)，結(jié)合城市配電網(wǎng)供電模式切換流程，實(shí)現(xiàn)了城市配電網(wǎng)供電模式的切換。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證含分布式新能源的城市配電網(wǎng)供電模式柔性切換方法的性能，分別引入文獻(xiàn)[4]的柔性切換方法和文獻(xiàn)[5]的柔性切換方法作對(duì)比，從數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和丟包率兩個(gè)方面，進(jìn)行測(cè)試。

三種柔性切換方法的輸出傳輸時(shí)延測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 輸出傳輸時(shí)延測(cè)試結(jié)果

從圖2的結(jié)果可以看出，與文獻(xiàn)[4]的柔性切換方法和文獻(xiàn)[5]的柔性切換方法相比，采用含分布式新能源的城市配電網(wǎng)供電模式柔性切換方法，在不同的實(shí)驗(yàn)次數(shù)下，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延是最短的，整個(gè)測(cè)試過程中都將數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延控制到了0．6ms以內(nèi)，原因是，本文設(shè)計(jì)的方法針對(duì)城市配電網(wǎng)中的每一條鏈路都計(jì)算了探測(cè)的平均時(shí)延，并歸一化處理了平均時(shí)延計(jì)算結(jié)果，為其賦予權(quán)值，降低了該方法的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

三種柔性切換方法的數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 丟包率測(cè)試結(jié)果

從圖3的結(jié)果可以看出，文獻(xiàn)[4]的柔性切換方法在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)丟包率大約為15%，文獻(xiàn)[5]的柔性切換方法在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，丟包率比較高，基本上都超過了9%，而含分布式新能源的城市配電網(wǎng)供電模式柔性切換方法隨著時(shí)間的變化，切換供電模式之后，數(shù)據(jù)的丟包率偏低，都控制到了5%以內(nèi)，該方法針對(duì)城市配電網(wǎng)每一條鏈路持續(xù)計(jì)算數(shù)據(jù)丟包率，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率。

4 結(jié)束語

本文提出了含分布式新能源的城市配電網(wǎng)供電模式柔性切換方法，通過探測(cè)城市配電網(wǎng)的性能，定位了城市配電網(wǎng)供電模式溫升異常點(diǎn)，結(jié)合城市配電網(wǎng)供電模式切換流程，實(shí)現(xiàn)了城市配電網(wǎng)供電模式的切換。結(jié)果顯示，該方法可以提高城市配電網(wǎng)的性能。