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主动配电网系统负荷控制与电能质量监测
第28卷第1期
2013年3月电力科学与技术学报JOURNALOFEIECTRICPOWERSCIENCEANDTECHNOLOGY Vol.28No.1Mar.2013
主动配电网系统负荷控制与电能质量监测
曾祥君1,罗 莎1,胡晓曦2,王 沾1,喻 锟1
(长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南长沙 41.10004;
)湖南常德 42.湖南省电力公司常德供电局,15000
摘 要:
主动配电网系统是适应分布式电源接入进行主动控制与管理的新型配电系统.分析主动配电网系统的可中断负荷特性;基于智能计量技术和通信技术建立柔性负荷控制模型,提出负荷控制策略;并针对主动配电系统电
研究基于负荷终端的电能质量在线监测技术,提出基于HHT的电能质量检测方法;主动配电网能质量恶化问题,
系统实例仿真分析结果验证了该负荷控制和电能质量监控技术的优越性.
关 键 词:
主动配电网系统;可中断负荷;负荷控制;电能质量
()中图分类号:
TM762 文献标识码:
A 文章编号:
16739140201301004107---
Loadcontrolandowerualitmonitorin gpqy
inactivedistributionsstems y
11211,,HU ,WANG,unZENGXianLUOShaXiaoxiZhanYU Kun - - jg
(,,1.HunanProvinceKeLaboratorofSmartGridsOerationandControlChanshaUniversitofScienceandTechnolo yypgygy
;,)Chansha410004,China2.ChandeElectricPowerBureauofHunanElectricalComanChande415000,China ggpyg
:
)AbstractTheactivedistributionsstem(ADSisanoveldistributionsstem,whichcanactivelcontrol yyy
,andmanaedistributedinterrutibleloadcharacteristicswereanalzedinthistheenerators.Theaer gpygpp
,meterinandcommunicationtechnolobasedflexibleloadcontrolmodelswereestablishedandsmart ggy
theloadcontrolstrateieswereordertoimrovethedeteriorationinroosed.Inowerualitroblem gppppqyp
,ADStheloadcontrolterminalbasedon-linemonitorintechnolowasalsostudiedandowerualit ggypqy
theHHTbasedowerualitmonitorinmethodswereroosed.ADScasesweresimulatedandthere -pqygpp
sultsshowedtheadvantaesoftheloadcontrolandmonitorintechnoloies.owerualit gggpqy
:
;;;Kewordsactivedistributionsstemsinterrutibleloadloadcontrolowerualit yppqyy
收稿日期:
2013—01—15
);)基金项目:
国家自然科学基金(湖南省科技重大专项(61233008,51277014,512070142012FJ1003
,:
通讯作者:
曾祥君(男,博士,教授,主要从事电力系统保护与控制的研究;1972—)E-maileexzenofmail.com@hjg
42
电力科学与技术学报 2013年3月
传统能源紧缺形势 随着电力需求的持续增长、
以及环境问题的日益突出,分布式电源不断加深,
(,尤其是可再生能源发DistributedGenerationDG) 电技术的发展获得了广泛支持.然而,由于分布式电不稳定性及发电间歇性,导致其并网后源的分散性、
电网将出现负荷峰谷差加大、电能质量变差、运行稳微网技术及虚拟发电厂技术等在定性降低等问题,
一定程度上为其提供了解决方案,但由于上述技术的容量制约及控制目标不同,依然难以解决规模化制约了可再生能源的高度渗透1.DG的接入问题,
为此,配电与2008年国际大电网会议(CIGRE))小组的报告C分布式发电(C66.11提出了主动配电网的概念,经过4年多的讨论与研究,主动配电网改称为主动配电网系统(ActiveDistributionSs -y,),并被定义为具备组合控制各种分布式temsADS能源(可控负荷、储能、需求侧管理等)能力的配DG、其目的是加大配电网对于可再生能源的接电网络,
纳能力、提升配电网资产的利用率、延缓配电网的升
2]级投资以及提高用户的用电质量和供电可靠性[.
[]
可中断负荷是指那些在特定时段允许有条件停并给予一定补偿的特殊负荷.一般说来,这些负电,
在一定的经荷本身对供电可靠性的要求不是太高,
济补偿下,对小概率的停电事故可以容忍.传统的可阻塞管理中断负荷研究主要集中于系统调峰备用、等方面,随着新技术的研发,其概念得到了外延与扩如温度负荷及移动负荷等.应用于主动配电网系充,
统中的可中断负荷特点如图1所示.
实时分析
快速响应
与分布式能源协调发展多层次、多场合调用
通信、计量智能化
鲁棒性强频率稳定
可中断负荷
多选择多方博弈
激励机制定价补偿
图1 可中断负荷主要特性
Fiure1 Maincharacteristicsofinterrutibleload pg
主动配电网系统是未来智能配电网的一种发展与微网以客户为中心不同,它是电力企业的公模式,
3]
由于分布式能源资源(用配电系统[.Distributed
)实时分析,快速响应.1
可中断负荷实时自检并上传运行参数,能量管理系统在线监测ADS各部分运行状态的同时根据系统要求分析并获取最佳控制策略,可中断负荷接受控制命令后应能够快速响应.
)鲁棒性强,频率稳定.2
即使通过先进的量测技术,测得的实际值仍会在异常和危险情况下,微小的偏差可偏离其标称值,
能会引起精准动态系统的误动.可中断负荷应有较强鲁棒性,即便受到一定的参数摄动,仍能维持自身特性.
)多类型,多选择.3
主动配电网系统中大规模接入分布式电源,需要多类型、有不同负荷特性的可中断负荷参与响应,如各类储能元件、空调负荷、电动汽车电池等等,负荷的多样性才能满足中断方案多选择性的要求.
)激励机制,定价补偿.4
建立合理的激励机制是最行之有效的鼓励用于参与负荷控制、需求侧管理,实现ADS电力动态平
7]
衡的手段[.
,的大量接入,使主动配电EnerResourcesDER)gy 网系统从传统的被动单向供电配电网变为遍布中小电源用户的双向供电配电网,配电网络规模扩大及导致系统运行时有功功率不平衡现象复杂性增加,
加剧,需要各种电源与负荷协调优化,以实现配电网
4]
;系统的安全经济运行[同时,主动配电网系统中仍
然存在分布式电源接入后的电能质量问题,必须采用有效的检测手段及合理的治理措施,保证优质电
5]
能的供给[.
1 主动配电网系统的可中断负荷
]文献[提出,到2中国的可再生能源消6020年,费量将达到能源消费总量的1其中电力的25%,0%将来自于可再生能源.然而,风电、光电出力的不可控性及可再生能源发电所占比重不断加大的要求,驱动着主动配电网系统必须寻求一种新的运行控制——利用可控的负荷来平衡不可控的出力,思路—让,可中断负荷(与风电、光电联InterrutibleLoadIL) p合应用,实现资源优化配置.
)通信、计量智能化.5
要满足主动配电网电力动态平衡的要求,可中
第28卷第1期曾祥君,等:
主动配电网系统负荷控制与电能质量监测
43
断负荷的计量与通信组件应具备实时准确、双向互动的特点.
)与分布式能源协调发展.6
紧急调峰等手段,协助系统快速恢复频率稳定和电压稳定.
2.2 可中断负荷控制目标函数
基于主动配电网系统中可中断负荷的特点,IL将在主动配电网系统中获得广泛应用.通过建立合理的控制目标函数,调用合适的可中断负荷,可实现实时、经济地平衡电网运行状态.
以中断的总补偿费用最小和尽量低的中断频率为目标函数:
T
N
2 主动配电网系统负荷控制技术
主动配电网系统的核心价值体现在对系统的主动管理,即通过系统内多种可控资源与DG的协调控制实现可再生能源的高渗透率,提高已有资产的利用率.其中,可控资源包含了柔性负载、无功补偿主动配电网系统能量管理系统实及需求侧管理等.
收集D储能单元时监测电网运行状态,G运行工况、荷电状态、柔性负荷运行参数及可中断负荷的启停状态等信息,通过全局优化算法获得系统协调运行的负荷控制策略.主动配电网系统的能量管理系统如图2所示.
储能
装置的荷电状态
Smin=Gmin=t=1i=1T
N
,))),itL(iP(t∑∑x(,)it.∑∑x(
()1
t=1i=1
式中 S为补偿费用;G为中断次数;T为总时间段,)为中断决策变量(数;N为IL数量;x(it0-1变;)为可中断负荷容量(;)为补偿单量)L(ikW)P(t())元/价(kW·h.
系统在第t时段需要中断的负荷量,该数值())由能量管理系统综合全网状态信息得出.L(tΔ
容量平衡约束条件为
N
实
时测量开关状态网络拓扑可控无功补偿装置
DG的运行工况
输入
约束条件:
DG输出约束无功补偿容量约束储能单元荷电状态约束
主动配电网能量管理系统
输出
有功功率控制:
DG单元有功出力储能单元有功出力可控负载调节运行方式调整
约束条件:
电力平衡支路电流约束节点电压约束尽量利用可再生能源
i=1
,))≥0.itL(k)L(t-Δ∑x(
()2
考虑I如冷、热负荷L自身的负荷特性及状态,一般有最长连续停电时间限制及最短复电间隔时间限制,考虑电动汽车电池使用寿命设置电池最小容量限制等,从而判断该负荷此时是否可中断.
最长连续停电时间限制:
m+a
无功功率控制:
DG单元无功出力储能单元无功出力无功补偿装置的调节策略
OLTC分接头位置
,)=0,其中m≥1,x(it∏
t=m
,)=0,x(im-1
()3
图2 主动配电网系统的能量管理系统
Fiure2 Advanceddistributionmanaementschema gg
activedistributionsstemfor y
,x(im)=1.式中 m为停电的开始时刻,最长可中断时间为a个单位时间段.
最短复电间隔时间限制:
nb1)+(-
2.1 负荷控制策略
主动配电网系统中负荷作为系统瞬时平衡的主动方,其负荷特性、可中断负荷调度及用户负荷需求等都影响着系统的安全稳定运行.在既有的有序用可进一步考虑通过改善负荷的时间特电的基础上,
8]
;性、频率特性和电压特性等来柔性控制负荷[利用
=1,其中n≥1,it∏xt=n
,)=1,x(in-1
()4
,x(in)=0.式中 最短复电的间隔时间n为复电的起始时刻,为b个单位时间.
对于可充放电的储能设备,其荷电状态必须满足:
可控负荷及储能装置联合追踪光电、风电出力变化;调度电动汽车等移动储能设备参与主动配电网系统
QQQΔitmin≤Δit≤Δitmax.
()5
44
电力科学与技术学报 2013年3月
式中 ΔQQitmax和Δitmin分别为电池可用容量的上、 下限.
负荷中断总时间约束条件:
T
ParticleSwarm O 仿真采用粒子群优化算法( -p,求解,各时段可中断负荷启停方案timizationPSO)如表3所示.
t=1
,)≤Tit∑x(
total
()i.()6
表3 可中断负荷启停关系
Table3 Startstorelationshiofinterrutibleload - ppp
时段t1 2 3 4 5
中断负荷1,81,7,81,4,7,6,81,4,5,7,9,103,4,5,7,9
时段t6 7 8 9 10
中断负荷4,6,5,91,2,6,8,101,3,6,8,101,4,5,7,84,57,10
2.3 主动配电网系统可中断负荷仿真
假设主动配电网系统已预测每个时段的中断负为简化仿真设定1荷需求量如表1所示,0个可中断负荷,其中包括1个由电动汽车电池组成的充放电储能设备.
可中断负荷的中断容量、中断总时段数、中断的最大时段数、中断最小间隔时段数(以1h为单位时及中断补偿价格的参数设置如表2所示,其中可间)
中断负荷6为由20个容量为80Ah的电动汽车电池组成,其最大充放电功率分别为1在0和15kW,实际情况下其可中断量是可变的,在V2G技术(,电动汽车与电网互动)中已研究VehicletoGrid 较深入,该文假定其在仿真中第4~8的时间段可参与调度,且按最小可中断量为150kW进行仿真.
表1 中断负荷需求量Table1 Interrutloaddemand p
时段t1 2 3 4 5
中断量120220440680760
时段t6 7 8 9 10
中断量630520500390295
3 负荷控制终端的电能质量监测技术
分布式电源并网运行会给主网带来一系列电能质量问题,包括电压暂降、电压偏差、电压波动、三相不平衡以及谐波等,在主动配电网系统中,分布式电源的高渗透率将导致上述电能质量问题更为突出.电能质量问题直接影响着电力系统的供电安全,因此,符合电网发展趋势的高效、准确的电能质量在线监测技术是实现主动配电网系统安全、经济、高质量运行的基础,同时利用集成化、网络化、实时性、开放采用柔性控制技术,并结合灵活输电、式应用平台,
电网规划、需求侧管理技术,有望从根源上治理谐波防止电能质量的恶化.来源,
电能质量问题中有8其导0%是电压跌落问题,
[]
电压跌落又致的事故率是供电完全中断的10倍8.
表2 可中断负荷特性
Table2 Interrutibleloadcharacteristics p
可中断负荷编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
可中断量/kW75 210 190 84 90 150 90 55 310 35
中断总时段数/h7 7 8 7 5 5 6 6 3 4
最大连续中断时间/h4 5 4 4 3 3 4 3 3 3
最小停电间隔时间/h2 2 1 2 1 2 2 1 3 1
补偿(费用/元/())kW·h1.592.472.471.591.822.261.821.592.281.59
称电压暂降、电压凹陷,是指在某一时刻供电系统电压的幅值突然偏离正常工作范围,经很短的一段时间后又恢复到正常水平的现象.其次,主动配电网系将导致统中电力电子元件的大量应用及频繁操作,电压、电流的畸变,造成电网谐波污染加重.3.1 电能质量在线监测算法
ADS的负荷终端电能质量监测算法应要求算法具有实时性强、计算准确、适应性强的特点.国内外提取电能质量扰动信号特征量的方法主要有傅里叶变换、小波变换等,但均存在局限.S变换、HHT(变换法广泛用于非线HilbertuanTransform)-Hg 性非平稳信号的分析,能够快速、精确检测电能质量
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45
9,10]
,中电压跌落和谐波问题[为主动配电网的电能
质量在线监测提供了一种有效的解决方案.HHT变换由经验模态分解(和HEMD)ilbert变换构成.3.1.1 经验模态分解(EMD)
用EMD方法从原信号中提取固有模态函数),使原信号的局部特IMF(IntrinsicModeFunction 征信息得以凸显.该方法的特点在于:
①极值点和过零点的数目之差应为0或1;②分别连接其局部极大值和局部极小值所形成的2条包络线的均值在任一点处为零.
()的局部极大值和极小值,找到信号s并根据t)和v)的平下包络线v极值求出该信号上、tt1(2(均值
))1(2(
.
2
)=X(t
π
()τ.-∞τ-t
+∞
()14()15
()tθj
)=X())=a()Z(ttY(tte.+j
)为瞬时幅值;)为相位.式中 a(ttθ(
)=+Y(tXtt()16)()(rctan.t=a)X(t对IMF进行希尔伯特变换就能得到信号的时
2
2
频图,能够准确找到信号突变发生的时间.瞬时频率定义为
)()=t.f(
2tπd
()17
EMD分解和与其相应的希尔伯特变换一起被)来定位电该方案用瞬时频率f(称为HHT变换.t压跌落的准确时间.3.2 电能质量监测仿真
为验证该监测方法的正确性和可行性,在工频、幅值有效值为2分别进行电50Hz20V的条件下,压暂降谐波、电压暂升谐波、多谐波的定位及幅值、频率的检测的MATLAB仿真验证.暂降谐波检测仿真3.2.1 电压暂升、
仿真输入波形如图3所示,于0.20~0.85s之间向一次正弦波加入有效幅值为80V的5次谐波分量;随后,在0.30s时输入有效值幅值为140V电压暂降信号,直到0.上述65s时停止暂降信号.输入波形的EMD分解示意如图4所示.
HHT变换后获得的电压暂降时率关系如图5所示,扰动信号瞬时幅值如图6所示,二者显示的结果与输入信号的扰动时间及扰动频率相符,可见HHT变换能够实时准确地检测谐波入侵及电压暂降问题.
同样的方法可以检测电压暂升复合扰动.
m11=
()7
()与m1令s考察该差值t1的差值为h11,
()ht-m111=s1.
()8
(),若h则令h重复上述步骤MF,t11≠I11为新的s
k次,
h1k=h1(k1)-m1k.-
()9
式中 hk次筛选所得数据;h11k为第1(k1)为第k--次筛选所得数据;下包络线的m1k为信号h1(k1)上、-平均值.
当h令MF时,1k=I
)=hct1(1k.
)视为第1个I将c然后,tMF,1(
())=r)sttt.-c1(n(
()11
(),重复上述步骤,依次得到将r视作新的st),),)当|IMFctIMFct...rt|2(3(n(≤μ时测量停止.
()中于是,通过EMD分解,可以将一个信号st不同频率的信号分离出来:
n
()10
()=st
i=1
))tt.+r(∑c(
1
n
()12
500
4003002001000-100-200-300-400-500
)为残余函数;),))为式中 rtctct...,ctn(1(2(n(分解出来的不同频段的信号.)变换3.1.2 希尔伯特(Hilbert
)的H信号X(tilbert变换定义为正变换:
)=Y(t
反变换:
π
幅值/V
00.10.20.30.40.50.60.7时间/s
0.80.91.0
()τ.-∞t-τ
+∞
()13
图3 电压扰动信号
Fiure3 Voltaedisturbancesinal ggg
46
电力科学与技术学报 2013年3月
图4 目标信号EMD分解
Fiure4 EMDdecomositionoftaretsinal
s pggg
图8 多次谐波的时频关系
Fiure8 Freuencrelationsofmultileharmonic qypg
图8中清晰地显示了在不同时刻加入不同谐波,信号,3次谐波出现的时间为0.100~0.401s0.300~0.748s引入5次谐波,7次谐波扰动的时,这与输入信号的情况基本间为0.601~0.857s相符.
由仿真可见,HHT变换能够比较准确地检测出电能信号异常、谐波干扰及突变,获取异常信号的
3.2.2 多次谐波频率的检测
在不同时间分别加入3,5,7次工频电压信号进行仿真分析,其仿真输入电压谐波信号如图7所示,谐波信号HHT分析如图8所示.
5004003002001000-100-200-300-400-500
频率和幅值等信息,且多次测试的平均误引入时间、
差很小,能满足负荷终端电能质量在线监测的要求.
4 结语
)主动配电网系统(的推广应用不仅能延缓ADS电力建设投资,还将极大地提升可再生能源的兼容是未来配电网系统智能化发展的必然趋势.笔者性,
利用多种柔性负荷和储能设备的可控性来平衡
幅值/V
00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
时间
/s
分析了可中ADS中不可控分布电源的波动性出力,提出了负荷控制控制策略,采断负荷应具有的特点,
用粒子群算法获得了多种约束条件下的可中断负荷启停方案;并提出了基于HHT算法的电能质量在
图7 电压谐波信号
Fiure7 Voltaeharmonicsinal ggg
第28卷第1期曾祥君,等:
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47
线监测技术,仿真分析验证了该负荷控制和电能质量监控技术的优越性.参考文献:
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