配電網(wǎng)中臺(tái)區(qū)抗負(fù)荷波動(dòng)能力提高的方法研究

王官濤，高 峰，吳曉東

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600)

在電力物聯(lián)網(wǎng)架設(shè)過(guò)程中臺(tái)區(qū)并網(wǎng)數(shù)量逐漸增加，負(fù)荷波動(dòng)異常使電能損失加大。因此，提高抗負(fù)荷波動(dòng)能力在電力研究中占據(jù)較重地位，基于此本文對(duì)提高臺(tái)區(qū)負(fù)荷抗波動(dòng)方法進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]通過(guò)找出臺(tái)區(qū)負(fù)荷波動(dòng)有序數(shù)列，采用蒙特卡洛方法調(diào)整臺(tái)區(qū)負(fù)荷偏差較大的數(shù)據(jù)，從而提高臺(tái)區(qū)抗波動(dòng)能力，但在調(diào)整偏差過(guò)程中容易降低負(fù)荷容量；文獻(xiàn)[2]采樣層次聚類算法，將波動(dòng)量轉(zhuǎn)換為風(fēng)險(xiǎn)程度，利用兩階段風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度的方法降低負(fù)荷波動(dòng)。但這種方法步驟較為復(fù)雜，容易造成數(shù)據(jù)遺漏。

上述文獻(xiàn)雖然都能夠一定程度控制并網(wǎng)時(shí)負(fù)荷波動(dòng)，但均無(wú)法滿足抗波動(dòng)能力需求。因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出具有高抗波動(dòng)能力的臺(tái)區(qū)負(fù)荷系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)臺(tái)區(qū)電路直流和交流檢測(cè)，判斷負(fù)荷是否存在波動(dòng)隱患；運(yùn)用多維分層采樣方法采集臺(tái)區(qū)負(fù)荷電路數(shù)據(jù)；根據(jù)采集的波動(dòng)數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)校正負(fù)荷波動(dòng)技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)，利用改進(jìn)的波動(dòng)校正技術(shù)針對(duì)性地進(jìn)行時(shí)序校正，從而提高配電系統(tǒng)抗負(fù)荷波動(dòng)能力[3]。

1 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)負(fù)荷系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)有臺(tái)區(qū)配電網(wǎng)控制中心，對(duì)具有負(fù)荷波動(dòng)效應(yīng)的配網(wǎng)區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能夠及時(shí)反映負(fù)荷波動(dòng)位置，能夠針對(duì)性地發(fā)出命令，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)設(shè)備集中監(jiān)控，保證設(shè)備正常運(yùn)行，方便找到波動(dòng)原因，從而完成校正對(duì)位處理。設(shè)計(jì)臺(tái)區(qū)指令調(diào)度中心如圖1所示。

圖1 臺(tái)區(qū)指令調(diào)度中心

臺(tái)區(qū)負(fù)荷綜合控制系統(tǒng)通過(guò)微機(jī)控制，利用計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行臺(tái)區(qū)信息收錄，通過(guò)微機(jī)控制中心組合形態(tài)完成對(duì)接及儲(chǔ)存。整個(gè)臺(tái)區(qū)設(shè)備連接數(shù)據(jù)通道，設(shè)備分為臺(tái)區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)、狀態(tài)監(jiān)控、并網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)和電表記錄4大類，通過(guò)設(shè)備具有的不同職能完成整個(gè)臺(tái)區(qū)管理。整個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò)處理在傳真窗口進(jìn)行分析比對(duì)。之后比對(duì)結(jié)果通過(guò)傳輸總線接入端口對(duì)接裝置和技術(shù)平臺(tái)，端口對(duì)接主要連接的外設(shè)裝備和數(shù)據(jù)網(wǎng)，供外在機(jī)構(gòu)進(jìn)行參考；技術(shù)平臺(tái)負(fù)責(zé)檢測(cè)和校正負(fù)荷波動(dòng)，通過(guò)負(fù)荷檢測(cè)電路對(duì)并網(wǎng)前后負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)[4]；利用多維分層抽樣(LHS)方法對(duì)電壓波動(dòng)、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷波動(dòng)和電網(wǎng)抗波動(dòng)能力進(jìn)行數(shù)據(jù)抽樣；最后利用錯(cuò)誤檢測(cè)和校正技術(shù)(EDAC)進(jìn)行負(fù)荷時(shí)序檢測(cè)和波動(dòng)校正。

整個(gè)臺(tái)區(qū)指令調(diào)度中心負(fù)責(zé)全方位監(jiān)控，能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進(jìn)行全面檢測(cè)，提高波動(dòng)反應(yīng)能力，能夠?qū)ω?fù)荷波動(dòng)位置進(jìn)行針對(duì)性校正，解決傳統(tǒng)方法抗負(fù)荷波動(dòng)能力弱的問(wèn)題。

2 負(fù)荷波動(dòng)檢測(cè)電路

本文設(shè)計(jì)的波動(dòng)檢測(cè)電路主要針對(duì)臺(tái)區(qū)負(fù)荷波動(dòng)故障，對(duì)波動(dòng)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行交、直流檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析負(fù)荷是否具有波動(dòng)效應(yīng)，能夠更加方便找到具體位置。直交流負(fù)荷波動(dòng)電路如圖2、圖3所示。

圖2 直流負(fù)荷波動(dòng)檢測(cè)

圖3 交流負(fù)荷波動(dòng)檢測(cè)

檢測(cè)電路能夠根據(jù)不同臺(tái)區(qū)輸入的數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果稍有不同。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路在圖2中電阻值為R1=R2=60 Ω，R3=10 kΩ，若電路的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出波動(dòng)形態(tài)，則低壓側(cè)升高，導(dǎo)致二極管無(wú)法工作，檢測(cè)結(jié)果表現(xiàn)為鋸齒形態(tài)；輸入正常信號(hào)時(shí)，二極管正常工作，直流檢測(cè)電路處于正常工作狀態(tài)，延時(shí)時(shí)間為零。圖3設(shè)計(jì)檢測(cè)負(fù)荷原理是利用整流橋的作用，將不同形態(tài)的波動(dòng)信號(hào)輸入到檢測(cè)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(shí)，如果輸入的交流信號(hào)為波動(dòng)信號(hào)，通過(guò)整流橋轉(zhuǎn)換的直流電就會(huì)變得不穩(wěn)定，輸出的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)；如果信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)，則檢測(cè)輸出結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)較大起伏。

3 多維分層抽樣方法

假設(shè)采集的負(fù)荷波動(dòng)數(shù)據(jù)為隨機(jī)抽取，則得到的臺(tái)區(qū)負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)量為：

Yk=Fk(Xk)，k=1，2，…，n

(1)

式中，F(xiàn)k為隨負(fù)荷波動(dòng)而變化的抗擾動(dòng)函數(shù)，Xk為臺(tái)區(qū)負(fù)荷輸入變量，通過(guò)檢測(cè)電路了解臺(tái)區(qū)電路狀態(tài)。將負(fù)荷波動(dòng)范圍劃分為不同數(shù)據(jù)區(qū)域，各區(qū)域隨機(jī)采集數(shù)值，其中可能采集到波動(dòng)數(shù)值[6]，也可能采集的只是尋常信號(hào)。

負(fù)荷數(shù)據(jù)波動(dòng)時(shí)，抽樣區(qū)域輸出的電壓不穩(wěn)定，電流傳輸節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)斷流，此區(qū)域電壓變化為：

(2)

式中，pl為抽樣區(qū)域內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行下的功率值，Tmvw為抽樣區(qū)域不穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)的時(shí)間；Ukt為出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)間內(nèi)電壓記錄值。

抽樣區(qū)域負(fù)荷波動(dòng)存在一定的壓差，其中造成的功率波動(dòng)為：

(3)

式中，Nall為單個(gè)抽樣區(qū)域存在的不穩(wěn)定數(shù)據(jù)流。

抽樣區(qū)域功率不穩(wěn)定數(shù)值映射出整個(gè)電路狀態(tài)。電路平穩(wěn)運(yùn)行瞬時(shí)變化為波動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算出的瞬時(shí)電壓變化越大，則負(fù)荷波動(dòng)位置概率越大，最大概率出現(xiàn)波動(dòng)的電壓為：

(4)

式中，Tmvcw為整條線路波動(dòng)時(shí)間，Uk0為平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)抽樣區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)電壓。

根據(jù)得到的最大概率電壓判斷出波動(dòng)的始發(fā)點(diǎn)，計(jì)算始發(fā)點(diǎn)功率是否存在變化，從而判斷整條電路是否完全失穩(wěn)，始發(fā)點(diǎn)功率為：

(5)

式中，Tmvcw/Nall為在電壓失穩(wěn)時(shí)整條電路發(fā)生波動(dòng)的概率。

當(dāng)整條電路出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，電路存在多個(gè)不穩(wěn)定區(qū)域，使整個(gè)直流電路呈現(xiàn)出不規(guī)則波形變化。對(duì)其中一個(gè)不穩(wěn)定電壓計(jì)算得到：

(6)

式中，Tmvcw為不穩(wěn)定區(qū)域前后校正系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，ΔUkt為波動(dòng)區(qū)間最大變化電壓，ΔLt為波動(dòng)范圍長(zhǎng)度，不穩(wěn)定區(qū)域功率為：

(7)

式中，Tmvsw/Nall為一段波動(dòng)線路電流經(jīng)過(guò)的時(shí)間均值[7]。

根據(jù)式(7)不穩(wěn)定負(fù)荷功率計(jì)算負(fù)荷波動(dòng)增長(zhǎng)率，在負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，根據(jù)找到的始發(fā)點(diǎn)，初步判斷線路波動(dòng)劇烈程度選擇校正方法，此時(shí)線路波動(dòng)程度為：

Klg rwi={Kki/Kk}

(8)

式中，Kki為一小段負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)，Kk為最小波動(dòng)線路長(zhǎng)度。

負(fù)荷波動(dòng)較小時(shí)采用常規(guī)校正方法，此時(shí)通過(guò)校正后的線路功率表示為：

(9)

式中，Tlg rkw/Nallw為負(fù)荷線路恢復(fù)平穩(wěn)消耗的時(shí)間均值。

對(duì)于波動(dòng)較為劇烈的負(fù)荷線路，運(yùn)用本文設(shè)計(jì)的校正方法。根據(jù)波動(dòng)數(shù)據(jù)判斷負(fù)荷承受的變化范圍，從而了解整個(gè)負(fù)荷系統(tǒng)的概況。對(duì)整個(gè)負(fù)荷系統(tǒng)進(jìn)行集成數(shù)據(jù)處理，根據(jù)每條線路采集的功率變化計(jì)算出最小波動(dòng)范圍即：

(10)

式中，min{Lallw}為單條線路波動(dòng)范圍的最小值。

同理得到系統(tǒng)負(fù)荷最大波動(dòng)范圍：

(11)

式中，max{Lallw}為單條線路波動(dòng)范圍的最大值。根據(jù)得到的系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)范圍閾值[8]，對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)進(jìn)行時(shí)序校正，即得到負(fù)荷總線校正函數(shù)為：

(12)

式中，Lallw為校正后線路恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行長(zhǎng)度，Nallw系統(tǒng)負(fù)荷具備校正條件的線路總量。

負(fù)荷波動(dòng)恢復(fù)存在一定的延時(shí)時(shí)間，在此期間造成的電能損失為：

(13)

多維分層抽樣方法能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行初步判斷，對(duì)負(fù)荷波動(dòng)程度進(jìn)行分類校正，使系統(tǒng)校正更加具有條理性，保證本文設(shè)計(jì)的校正方法更具有針對(duì)性。

4 負(fù)荷波動(dòng)校正技術(shù)

本文設(shè)計(jì)的校正技術(shù)在錯(cuò)誤檢測(cè)與校正技術(shù)(EDAC)的基礎(chǔ)上插入寄存器，能夠更加穩(wěn)定地進(jìn)行負(fù)荷時(shí)序校正，對(duì)負(fù)荷波動(dòng)程度更加靈敏，能夠提高配電網(wǎng)抗負(fù)荷波動(dòng)能力。根據(jù)多維分層抽樣計(jì)算結(jié)果，將波動(dòng)較為劇烈的負(fù)荷信號(hào)輸入到EDAC技術(shù)平臺(tái)中，信號(hào)校正過(guò)程如圖4所示。

圖4 負(fù)荷波動(dòng)校正技術(shù)

EDAC技術(shù)通過(guò)采集多維分層抽樣輸出數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)區(qū)直流信息和交流信息進(jìn)行負(fù)荷波動(dòng)分析，同時(shí)進(jìn)行電路檢測(cè)和并網(wǎng)設(shè)備檢測(cè)。根據(jù)綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)得出結(jié)論，進(jìn)而分別進(jìn)行時(shí)序校正，能夠更加有效調(diào)制時(shí)序信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路的邏輯時(shí)序分析，將具有波動(dòng)的高低信號(hào)調(diào)制為穩(wěn)定輸出信號(hào)，最終得到校正后的輸出時(shí)序波形。

為精確調(diào)制出符合要求的時(shí)序輸出信號(hào)，本文根據(jù)EDAC技術(shù)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)插入特殊寄存器[9]，其內(nèi)部電路如圖5所示。寄存器主要利用鎖存器和觸發(fā)器進(jìn)行時(shí)序控制，通過(guò)邏輯門完成信號(hào)轉(zhuǎn)換。寄存器接收到EDAC的輸入電壓，經(jīng)過(guò)邏輯門轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，波動(dòng)信號(hào)在鎖存器的作用下完成時(shí)序調(diào)制，調(diào)制信號(hào)由觸發(fā)器接收并存儲(chǔ)，電信號(hào)將轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)邏輯門的信號(hào)轉(zhuǎn)換，穩(wěn)定電壓最終表現(xiàn)為平穩(wěn)信號(hào)。

圖5 寄存器電路

對(duì)于EDAC技術(shù)的創(chuàng)新，對(duì)臺(tái)區(qū)負(fù)荷波動(dòng)更加靈敏，加強(qiáng)了電網(wǎng)抗波動(dòng)能力，能夠及時(shí)校正波動(dòng)時(shí)序信號(hào)，減少了負(fù)荷波動(dòng)造成的電網(wǎng)損失。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

研究在華中電網(wǎng)臺(tái)區(qū)測(cè)試網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)實(shí)驗(yàn)記錄，對(duì)采樣的負(fù)荷波動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)具體測(cè)試結(jié)果判斷本方法的設(shè)計(jì)有效性。實(shí)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有嚴(yán)格要求，臺(tái)區(qū)電網(wǎng)額定功率不能超過(guò)30%，采樣數(shù)據(jù)精度不少于80%[10]，數(shù)據(jù)處理器采用Intel i8以上，對(duì)實(shí)驗(yàn)芯片輸出運(yùn)用Proteus軟件進(jìn)行仿真，應(yīng)用Matlab進(jìn)行抗波動(dòng)能力對(duì)比驗(yàn)證，臺(tái)區(qū)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)網(wǎng)點(diǎn)配置參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

計(jì)算機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)為Windows 10操作系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)區(qū)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行負(fù)荷波動(dòng)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄報(bào)表，經(jīng)過(guò)后續(xù)加工處理，提取混亂數(shù)據(jù)，從而得到臺(tái)區(qū)波動(dòng)測(cè)試點(diǎn)位數(shù)據(jù)(表2)。

分析表2數(shù)據(jù)結(jié)果，負(fù)荷電壓波動(dòng)量變化不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；電流波動(dòng)量變化較大，最大波動(dòng)為4.3～35.2 A；電流波動(dòng)量為48.3 A時(shí)，校正時(shí)延為24 ms；電流波動(dòng)量為13.1 A，校正時(shí)延為6 ms，證明校正時(shí)延隨電流波動(dòng)變化，即電流波動(dòng)量越大，校正時(shí)延越長(zhǎng)，兩者呈比例遞增。

表2 臺(tái)區(qū)波動(dòng)點(diǎn)位測(cè)試數(shù)據(jù)

為體現(xiàn)該研究方法抗負(fù)荷波動(dòng)的能力，通過(guò)計(jì)算機(jī)Proteus軟件對(duì)校正過(guò)程進(jìn)行仿真，首先得到臺(tái)區(qū)波動(dòng)效應(yīng)輸出信號(hào)，如圖6所示。

圖6 負(fù)荷波動(dòng)輸出信號(hào)

圖6中負(fù)荷出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，高低信號(hào)都會(huì)發(fā)生波動(dòng)，輸出信號(hào)持續(xù)波動(dòng)，將波動(dòng)信號(hào)輸入到系統(tǒng)中，最終校正信號(hào)呈現(xiàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 校正后的負(fù)荷輸出信號(hào)

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，校正后的負(fù)荷輸出信號(hào)已經(jīng)較為平穩(wěn)，高低信號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，明顯提高了臺(tái)區(qū)測(cè)試網(wǎng)點(diǎn)的抗波動(dòng)能力。

為證明本設(shè)計(jì)抗負(fù)荷波動(dòng)方法的優(yōu)越性，與文獻(xiàn)[1]的蒙特卡洛方法和文獻(xiàn)[2]的層次聚類方法進(jìn)行MATLAB仿真對(duì)比，對(duì)3種方法負(fù)荷恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行仿真，對(duì)比曲線如圖8所示。

圖8 抗波動(dòng)方法仿真對(duì)比

可以明顯看出文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]有一段反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間為0.2 s，最終恢復(fù)時(shí)間分別為1.2 s和1.4 s；而本研究方法不存在反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)感應(yīng)到負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)就能進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)序調(diào)節(jié)，因此恢復(fù)時(shí)間只有0.8 s。明顯本研究抗負(fù)荷波動(dòng)能力更強(qiáng)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究提高臺(tái)區(qū)抗負(fù)荷波動(dòng)能力的方法，在配電網(wǎng)綜合控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)創(chuàng)新，通過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷波動(dòng)檢測(cè)電路對(duì)臺(tái)區(qū)負(fù)荷線路進(jìn)行監(jiān)控，將可能波動(dòng)的位置進(jìn)行標(biāo)記，使校正過(guò)程具有針對(duì)性；采用多維分層抽樣方法對(duì)整個(gè)臺(tái)區(qū)波動(dòng)區(qū)域進(jìn)行劃分，對(duì)負(fù)荷波動(dòng)劇烈的區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)效校正，縮短負(fù)荷波動(dòng)分辨時(shí)間；在EDAC技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，插入特殊寄存器使時(shí)序校正能夠適應(yīng)強(qiáng)波動(dòng)負(fù)荷信號(hào)，加強(qiáng)了波動(dòng)校正能力。但是本設(shè)計(jì)方法在具體測(cè)試中凸顯出一些問(wèn)題，包括對(duì)校正后的負(fù)荷信號(hào)無(wú)法進(jìn)行二次校正，波動(dòng)信號(hào)恢復(fù)平穩(wěn)之后的數(shù)據(jù)處理較為粗糙等，在后續(xù)研究中希望能夠完善這些問(wèn)題。