面向新型電力系統(tǒng)的跨臺區(qū)光伏消納技術(shù)研究

羅耀強(qiáng)

（南京易司拓電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

近些年來，智能化物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展為新型電力系統(tǒng)的發(fā)展提供了建設(shè)管理方案，也為光伏消納技術(shù)開辟了新的思路。應(yīng)用智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配合新型電網(wǎng)系統(tǒng)中的智能設(shè)備，實(shí)時地監(jiān)測各個臺區(qū)的負(fù)荷、光伏信息等，再通過大數(shù)據(jù)采集分析，調(diào)控各電力電子變壓器，改變光伏功率流動實(shí)現(xiàn)臺區(qū)之間的光伏消納。從新型電力系統(tǒng)的特征分析，通過仿真建模形式來研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用給垮臺區(qū)光伏消納技術(shù)帶來的影響。

1 新型電力系統(tǒng)的基本特征

新型電力系統(tǒng)具有四個基本特征：一是開放互聯(lián)。需要形成互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺，全面發(fā)揮電網(wǎng)的優(yōu)勢線路，獲取因?yàn)榧竟?jié)或者天氣原因互調(diào)和跨區(qū)域、跨領(lǐng)域補(bǔ)償調(diào)節(jié)等效益，充分實(shí)現(xiàn)各類發(fā)電資源的共享和相互備用。二是智能友好。運(yùn)用現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與電力技術(shù)的融合，做到信息化、智能化，改變傳統(tǒng)能源電力的分配方式，做到由計劃轉(zhuǎn)為智能高效的工作方式。三是靈活高效。新型電力系統(tǒng)運(yùn)用多種能源發(fā)電，要具備可調(diào)可控的能力，提升主動承擔(dān)性能，電網(wǎng)系統(tǒng)做到靈活調(diào)配，保證互相備份互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)靈活高效的能源發(fā)展需求。四是安全可控。為了做到交直流電壓之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，建設(shè)完整的安全調(diào)控系統(tǒng)，筑牢安全防線，有效防止系統(tǒng)故障，避免大面積停產(chǎn)停電風(fēng)險[1]。

新型電力系統(tǒng)的四個特征與能源物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展基調(diào)保持一致，都是表明了國家能源建設(shè)的發(fā)展方向，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在新型電力系統(tǒng)的重要作用也推動了電網(wǎng)向能源物聯(lián)網(wǎng)升級的助力，二者最終落實(shí)到國家戰(zhàn)略實(shí)施和發(fā)展的實(shí)踐中。

2 大型電站光伏消納仿真建模

2.1 設(shè)備層仿真模型的搭

就電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)來說，一方面通過運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)計算、分析光伏數(shù)據(jù)和使用的能耗信息，另一方面通過人工智能控制電網(wǎng)各個臺區(qū)之間的光伏流動，做到調(diào)配消納光伏的目的。下面通過物理模型來演示各臺區(qū)間的光伏流動，電力電子變壓器是該物理模型的核心。

每臺電力電子變壓器由交流負(fù)載端口變流器、網(wǎng)關(guān)變流器、直流負(fù)載端口變流器與互濟(jì)變流器4個變流器組成。不同的交流器工作方式不同。網(wǎng)關(guān)交流器作為電網(wǎng)與變壓器能量交換的端口，一端連接著電網(wǎng)，一端連接著直流母線；交流負(fù)載端口變流器為臺區(qū)內(nèi)的交流負(fù)荷供電；直流負(fù)載端口變流器負(fù)責(zé)為臺區(qū)內(nèi)直流負(fù)荷供電；互濟(jì)變流器是光伏消納的重要組件。

互濟(jì)變流器作為不同臺區(qū)之間的交換互聯(lián)紐帶，是達(dá)到光伏消納的主要組件，依靠互聯(lián)母線實(shí)現(xiàn)各個電力電子變壓器的交換互聯(lián)，達(dá)到臺區(qū)間的能量補(bǔ)充，有效減弱各臺區(qū)與電網(wǎng)間的能量交換損耗，避免多余的損耗和電壓波動。若遇到某個臺區(qū)光伏功率突然增大的情況，互濟(jì)變流器便能及時發(fā)揮效力，及時輸送到功率急劇增大而急缺的臺區(qū)，有效避免額外光伏倒流電網(wǎng)造成的電壓變化，提高了光伏消納的能力。如圖1所示。

2.2 通信傳輸層仿真模型的搭建

搭建通信傳輸層模型這里用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，要模擬3個臺區(qū)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖2所示。為了研究方便，我們將模型簡化，選擇交換機(jī)、服務(wù)器、監(jiān)測單元、路由器等與控制相關(guān)的組件，以此模擬3個臺區(qū)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

一個臺區(qū)由4個不同的智能檢測設(shè)備組成，承擔(dān)臺區(qū)內(nèi)負(fù)荷功率、直流母線電壓及光伏功率的智能監(jiān)測。一般地，運(yùn)用SITL元件可以有效連接外部設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。這里也是通過2個不同的SITL元件建立與ADN-SIM與Labview的通信交換連接[2]。

2.3 臺區(qū)間電能調(diào)度控制層仿真模型的搭建

在程序開發(fā)環(huán)境Labview中使用數(shù)據(jù)包解析模塊、數(shù)據(jù)包接收模塊、數(shù)據(jù)包下發(fā)模塊及調(diào)度控制指令生成模塊，可以模擬電能調(diào)度控制的基礎(chǔ)功能。剛開始，在ADN-SIM中數(shù)據(jù)包按照報文協(xié)議一一封裝，并運(yùn)用UDP協(xié)議完成傳輸。仿真調(diào)度控制層程序搭建完畢，即可清晰采集3個臺區(qū)實(shí)時調(diào)度測量數(shù)據(jù)。

2.4 多臺區(qū)間光伏消納調(diào)度仿真模擬過程

按照上述操作，完成垮臺區(qū)間光伏消納調(diào)度仿真模型的構(gòu)建，即可開始設(shè)備層、通信傳輸層及電能調(diào)度控制層三個仿真層試驗(yàn)，如圖3所示。

（1）在仿真模擬中，ADN-SIM會依次測量3個臺區(qū)的直流負(fù)荷功率、直流母線電壓、交流負(fù)荷功率與光伏出力，按照協(xié)議處理數(shù)據(jù)包，并運(yùn)用UDP協(xié)議傳輸，在設(shè)定的頻率下及時傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包。

（2）然后，借助SITL仿真模塊，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包接收收據(jù)信息，將實(shí)際的數(shù)據(jù)信息處理為虛擬的信息，仿真數(shù)據(jù)信息通過固定距離網(wǎng)線，經(jīng)交換機(jī)、路由器傳輸?shù)接蒐abview搭建的控制主站，這個過程可以通過設(shè)置加大背景流量來有效阻止DDOS網(wǎng)絡(luò)攻擊，避免通道受到阻塞。

（3）接下來，OPNET傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息被程序開發(fā)環(huán)境Labview接收后，依據(jù)報文傳輸協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并將其輸入控制程序處理，可以生成3個臺區(qū)的控制指令，再依據(jù)報文傳輸協(xié)議生成二進(jìn)制的數(shù)據(jù)信息，并將其傳送到網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包OPNET[3]。

（4）緊接著，借助SITL仿真模塊，上述數(shù)據(jù)信息被網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包OPNET接收，也將實(shí)際的數(shù)據(jù)信息一一處理為虛擬的數(shù)據(jù)信息，并仿真模擬數(shù)據(jù)信息，通過固定距離網(wǎng)線，經(jīng)交換機(jī)、路由器傳輸后將數(shù)據(jù)信息傳送到ADN-SIM[4]。

（5）最后，控制指令數(shù)據(jù)信息被ADN-SIM中的數(shù)據(jù)接收模塊接收后，解析處理相關(guān)控制指令，并被指定臺區(qū)的電力電子變壓器仿真模型接收。依據(jù)控制指令，可以仿真模擬3個臺區(qū)的光伏消納情況。

3 算例分析

前面已經(jīng)用仿真模型驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用下的光伏消納水平。下面設(shè)置了一組低滲透率、高滲透率的對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二為不同的光伏消納場景，負(fù)荷都是恒定的，光伏功率是變化的，隨著時間發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)一的數(shù)據(jù)見表1，3個臺區(qū)均為低滲透率場景，光伏應(yīng)當(dāng)就地消納。電力物聯(lián)網(wǎng)并沒有起到電能調(diào)度控制作用，仿真模擬結(jié)果如圖4所示。

表1 實(shí)驗(yàn)一 3臺區(qū)負(fù)荷與光功率設(shè)定值

從圖4看出，3個臺區(qū)的光伏功率都小于負(fù)荷功率，互聯(lián)功率均為零，臺區(qū)間沒有能量交換，光伏達(dá)到了就地消納，低滲透率場景下的各自臺區(qū)光伏就地消納效果得到驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)二，3個臺區(qū)的負(fù)荷功率及光伏最大功率的設(shè)定值如表2所示。臺區(qū)2的最大光伏出力為零，臺區(qū)1、臺區(qū)2分別為處于高滲透率情況、低滲透率情況。這時，調(diào)度主站收到智能檢測設(shè)備發(fā)出的功率補(bǔ)給信息后，發(fā)出控制指令信息，啟動互濟(jì)變流器，臺區(qū)1將自己多余的光伏功率通過互聯(lián)直流母線補(bǔ)給到其他兩個臺區(qū)，完成高滲透場景下光伏的自動消納，配電物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮自動電能調(diào)度控制作用。仿真模擬結(jié)果如圖5所示。

表2 試驗(yàn)二3臺區(qū)負(fù)荷與光功率設(shè)定值

如圖5所示，當(dāng)臺區(qū)1處于高滲透場景下時，調(diào)度中心發(fā)布指令，啟動互濟(jì)變流器，臺區(qū)1多余的光伏功率補(bǔ)給臺區(qū)2，兩個臺區(qū)實(shí)現(xiàn)自動電能補(bǔ)給，這就達(dá)到了配電物聯(lián)網(wǎng)下的垮臺區(qū)光伏自動消納。

因此，低滲透率場景下，光伏功率小于負(fù)荷功率，電力物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測各臺區(qū)的功率信息，調(diào)度中心不發(fā)出調(diào)度指令，互聯(lián)功率為零，可以實(shí)現(xiàn)每個臺區(qū)就地光伏消納[5]。相反，高滲透率場景下，臺區(qū)光伏功率明顯增大時，不能就地消納，配電物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)監(jiān)測的功率數(shù)據(jù)，通過調(diào)度中心發(fā)送指令，啟動互濟(jì)變流器，多余臺區(qū)的光功率及時補(bǔ)給到功率不能滿足負(fù)荷的臺區(qū)，達(dá)到垮臺區(qū)光伏消納。

4 結(jié)語

從上述仿真模擬試驗(yàn)總結(jié)出，在不同光伏滲透率場景下，配電物聯(lián)網(wǎng)均可達(dá)到光伏自動消納。電力物聯(lián)網(wǎng)能夠準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，通過調(diào)度中心發(fā)出指令，自動實(shí)現(xiàn)各自臺區(qū)的光伏就地消納或垮臺區(qū)的光伏自動消納，這也證實(shí)了配電物聯(lián)網(wǎng)在多臺區(qū)光伏消納的靈活性，為提高光伏消納中電能的有效利用提供新的研究方向。