分布式供电（共7篇）
分布式供电 篇1
1 概述
能源是人类生存的基本条件和人类社会发展的原动力。随着人类文明的进步, 能源问题成为人们日益关注的焦点问题。目前全世界都在推动第二代能源系统的建设, 积极试点, 认真进行立法准备, 抓紧开发配套相关设备。第二代能源系统具有六个方面的主要特征, 一是燃料的多元化;二是设备的小型、微型化;三是冷热电联产化;四是网络化:五是智能化控制和信息化管理;六是高标准的环保水平。而其中燃料的多元化, 设备的小型、微型化, 冷热电联产化和环保要求则代表着能源技术发展的几个重要方向:可再生能源的开发利用、分布式供电技术的兴起与冷热电三联产系统的发展。通过对分布式供电特点及其发展趋势的阐述, 强调分布式供电对电力工业的重要作用, 指出可再生能源为分布式供电提供了更广阔的发展前景;分布式供电技术发展的主要方向之一为冷热电三联产技术。
2 分布式供电
2.1 分布式供电概述及其特点
顾名思义, 分布式供电是相对于传统的集中式供电方式而言的, 是指将发电系统以小规模 (数千瓦至50MW的小型模块式) 、分散式的方式布置在用户附近, 可独立地输出电、热或 (和) 冷能的系统。当今的分布式供电方式主要是指用液体或气体燃料的内燃机、微型燃气轮机和各种工程用的燃料电池。因其具有良好的环保性能, 分布式供电电源与“小机组”己不是同一概念。与常规的集中供电电站相比, 分布式供电具有以下优势:没有或很低输配电损耗;无需建设配电站, 可避免或延缓增加的输配电成本;适合多种热电比的变化, 系统可根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时;土建和安装成本低;各电站相互独立, 用户可自行控制, 不会发生大规模供电事故, 供电的可靠性高;可进行遥控和监测区域电力质量和性能:非常适合对乡村、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力;大量减少了环保压力。二十世纪初以来电力行业流行的观点是, 发电机组容量越大, 则效率越高, 单位kw投资越低, 发明成本也越低, 因而随着能源产业的发展, 电力工业发展方向是“大机组、大电厂和大电网”。但是, 在许多特殊情况下, 分布式供电是集中供电不可缺少的重要补充:分布式供电可以满足特殊场合的需求。这种供电方式最大的优点是不需远距离输配电设备, 输电损失显著减少, 运行安全可靠, 并可按需要方便、灵活地利用排气热量实现热电联产或热电冷三联产, 提高能源利用率。分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足。分布式供电方式为能源的综合梯级利用提供了可能在常规的集中供电方式中, 能量形式相对单一。当用户不仅仅需要电力, 而且需要其它能量形式如冷能和热能的供应时, 仅通过电力来满足上述需要时难以实现能量的综合梯级利用:而分布式供电方式以其规模小、灵活性强等特点, 通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能量的综合梯级利用, 并且克服了冷能和热能无法远距离传输的困难。分布式供电方式为可再生能源利用的发展提供了新的动力。我国的可再生能源资源丰富, 发展可再生能源是二十一世纪减少环境污染和温室气体排放以及替代化石能源的必然要求, 因此为充分利用量多面广的可再生能源发电, 方便安全地向偏僻、少能源地区供电, 建设可再生能源分布式供电应受到高度重视。
2.2 分布式供电发展趋势
2.2.1 分布式供电的主要方式
分布式发电方式多种多样, 根据燃料不同, 可分为化石能源与可再生能源;根据用户需求不同, 有电力单供方式与热电联产方式 (CHP) , 或冷热电三联产方式 (CCHP) ;根据循环方式不同, 可分为燃气轮机发电方式, 蒸汽轮机发电方式或柴油机发电方式等。在产业革命后的200年中, 煤炭一直是世界范围内的主要能源, 而随着科技、经济的发展, 石油在一次能源结构中的比例不断增加, 于20世纪60年代超过煤炭。此后, 石油、煤炭所占比例缓慢下降, 天然气比例上升;同时, 新能源、可再生能源逐步发展, 形成了当前的以石化燃料为主和新能源、可再生能源并存的格局。然而, 虽然可再生能源是取之无尽的洁净能源, 但其能源密度低, 稳定性较差, 需要蓄能调节, 长期稳定运行困难, 且由于技术不够成熟, 可再生能源一次投资较大, 经济性差;而石化能源的发电技术不仅更加成熟, 而且效率更高。因此, 作为分布式供电的发电技术, 石化能源目前仍是国际上的主要方向。
2.2.2 分布式供电的主要动力-微型燃气轮机
以石化能源为能源动力的分布式供电方式多种多样。随着微型燃机技术的不断完善, 微型燃机发电机组已成为分布式供电的主力。微型燃气轮机是功率为数百KW以下的、以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃料的超小型燃气轮机。它的雏形可追溯到20世纪60年代, 但作为一种新型的小型分布式供电系统和电源装置的发展历史则较短。微型燃气轮机大都采用回热循环。通常它由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控制部分组成, 从压气机出来的高压空气先在回热器内接受透平排气的预热, 然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧。大多数微型气轮机由燃气轮机直接驱动内置式高速发电机, 发电机与压气机、透平同轴, 转速在50000-120000rpm之间。一些单轴微型燃气轮机设计, 发电机发出高频交流电, 转换成高压直流电后, 再转换为60Hz480v的交流电。目前, 开发微型透平的厂商主要集中在北美, 欧洲有瑞典和英国。与柴油机发电机组相比, 微型燃机具有以下一系列先进技术特征:
a.运动部件少, 结构简单紧凑。重量轻, 是传统燃机的1/4;
b.可用多种燃料, 燃料消耗率低, 排放低, 尤其是使用天然气;
c.低振动, 低噪音, 寿命长, 运行成本低;
d.设计简单, 备用件少, 生产成本低;
e.通过调节转速, 即使不是满负荷运转, 效率也非常高。
因此, 先进的微型燃气轮机是提供清洁、可靠、高质量、多用途的小型分布式供电的最佳方式, 使电站更靠近用户, 无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。有理由相信, 一旦达到适当的批量, 微型燃机轮机有能力与中心发电厂相匹敌。对终端用户来说, 与其它小型发电装置相比, 微型燃气轮机是一种更好的环保型发电装置。
分布式供电 篇2
电气化铁路牵引供电系统的故障十分频繁。根据相关部门统计,2010年全国牵引供电系统共计发生故障跳闸7 501次,其中不明确原因跳闸1 518次。不明确故障原因跳闸产生的根源,往往由于信息不够造成的,给事故分析和事故预防带来很大困难。
目前,牵引变电所(包括分区所)采用的微机保护装置和综合自动化系统具有一定的故障录波功能[1,2,3],但存在如下不足:(1)采样率低,一般只有1 k Hz左右,不能捕捉到精细暂态过程;(2)不能异地同步启动录波。在故障或异常情况发生时,仅能得到部分区所的录波数据,无法进行系统级的故障分析;(3)各馈线保护装置的录波相对独立,不能集中把所内高低压相关电气量同时录波;(4)录波信息远传功能不完善;(5)录波触发机制单一,一些没有导致跳闸的异常过程不能被记录;(6)录波时间短,一般记录故障前4周,故障后25周或跳闸后25周,对于分析完整的故障往往缺乏完整的故障信息;(7)如系统与机车之间发生振荡时,不能记录完整的振荡波形。
随着铁路运营速度的不断提高和客运专线建设规模的迅速扩大,对牵引供电系统的可靠性要求越来越高。相应地,对事故判断、分析、处理的能力也提出了更高的要求。而目前由于录波功能的欠缺,分析事故时不能提供足够的信息,不利于事故的分析判断,延误事故处理时间,并给牵引供电系统的运行带来安全隐患。因此,为提高牵引供电系统智能化水平,应借鉴电力系统故障录波分析系统经验[4,5],针对牵引供电系统的特点和需求,研制牵引供电系统专用的综合故障录波系统。
1 主要原理
1.1 异地同步触发录波
为了在发生故障或异常运行时,及时扑捉到全系统各个观测点的相关信息,需要故障录波系统具有异地同步触发录波功能。
当系统内任何一台录波装置启动后,系统通过通信网络传递启动录波信号。其他牵引变电所或分区亭的录波装置收到启动录波信号后,立即同步启动录波。为了更全面地了解故障或扰动前的系统情况,录波装置应从启动时刻之前1 s开始记录录波数据。
各变电所之间可以利用以太网作为通信通道。在分区所等不具备以太网条件的地方,可以利用铁路沿线的铁路无线网络GSMR系统。其通信速率为20 kbyte/s。该系统对用户的接口为GPRS或数字电台。
为了保证故障录波系统内各个录波装置同步采样,所有录波装置的采样脉冲都与GPS的秒脉冲同步。同步精度到达1μs,守时精度为24μs/h。
由于录波器之间具有同步采集,又具有同步录波,各个变电所之间的录波图可以在同一时轴上进行分析。为复杂事故的分析提供更多、更全面的故障信息。
1.2 录波触发机制
牵引供电系统有其特殊性。机车牵引负荷为单相负荷,三相严重不平衡。因此,正常运行时,负序和零序分量较大;机车上有整流变压器,谐波含量丰富;机车负荷具有冲击性;接触网线路末端短路时,故障电流可能会小于正常机车负荷电流,等等。录波启动判据应充分考虑到这些因素。此外,在牵引供电系统中突发的一些异常事件,如电压突变、电压凹陷、谐波超标等,应启动录波以便记录这些异常运行数据供分析用。因此,不能套用电力系统故障录波器[1,2]的判据,需根据实际情况研究符合牵引供电规律的录波判据。
牵引供电故障录波启动判据分为电压判据、电流判据、频率判据和非电量判据。
1.2.1 电压判据
a)低电压启动
其中:Uφ为A、B、C任一相电压有效值(下同);UL为低电压启动定值。
b)过电压启动
其中,UH为过电压启动定值。
c)电压突变量启动
其中:Uφ(t)为A、B、C任一相电压t时刻的有效值;Uφ(t-60 ms)为A、B、C任一相电压60 ms前时刻的有效值;UD为电压突变量启动定值。
1.2.2 电流判据
a)过流启动
其中:Iφ为A、B、C任一相电流有效值;IH为过流启动定值。
b)电流突变量启动
其中:Iφ(t)为A、B、C任一相电流t时刻的有效值;Iφ(t-60 ms)为A、B、C任一相电流60 ms前时刻的有效值;ID为电流突变量启动定值。
c)电流振荡启动
其中:Imax和Imin为1 s内最大和最小电流有效值;IH.delt为电流振荡启动定值。
1.2.3 阻抗判据
考虑到故障电流有时会小于正常机车负荷电流(如馈线末端短路),因此设置了阻抗启动判据。该判据仅适用于牵引变压器低压侧。
距离测量元件采用解微分方程算法。对相间阻抗有
其中,φφ=AB或BC或CA。
通过求解以上微分方程,可得保护安装处的测量故障电阻R和测量故障电抗X=ωL=2πf L。
阻抗元件的动作特性为多边形特性,如图1所示。其中1θ默认为15°,θ2默认为70°,θ3默认为85°。R、X可独立整定。
由于机车负荷谐波含量丰富,为防止机车正常运行时误启动,阻抗启动元件设置了自适应特性,可以根据波形的畸变率对动作边界进行自适应调节。
波形畸变率:其中I1、I2、I3为电流的基波及二、三、五次谐波。
自适应动作边界为:XDZ=K·Kwave·XZDDZ,RDZ=K·Kwave·RZDDZ。其中K为阻抗保护可靠系数,XZDDZ、RZDDZ为整定定值。
当线路发生故障时,机车被旁路,故障电流接近正弦波,Kwave≈1,自适应阻抗元件的范围不会缩减;当线路上有若干机车,分别处于重负荷牵引、再生制动、机车起动、机车过电分相等工况时,电流中含有较丰富的谐波含量,此时Kwave<1,自适应阻抗元件动作范围缩小,降低了误动的可能性。
当自适应特性退出时,Kwave=1。
1.2.4 频率判据
a)频率越高限启动
当频率超过高限定值后启动。
b)频率越低限启动
当频率低于低限定值后启动。
c)频率变化量启动
其中:F(t)为t时刻的频率;F(t-60 ms)为60 ms前时刻的频率;DF为频率变化量启动定值。
1.2.5 非电量判据
a)手动启动录波。
b)遥控启动录波。
c)开入启动录波。
d)保护装置启动或跳闸时,启动录波。
e)联动启动录波。当任一录波器启动后,系统通过通信网络群发启动录波命令。系统内各录波器收到命令后,启动录波。
1.2.6 其他判据
除了上述启动判据外,录波器装置还设置有零序分量和负序分量启动判据,可供牵引变压器高压侧选择使用。具体判据主要有:零序电压越限启动、零序电压突变启动、负序电压越限启动、负序电压突变量启动、负序过流启动、负序电流突变量启动、零序过流启动、零序电流突变量启动。
2 系统构成
系统采用多微机、主从式分层分布式网络结构,由调度主站、现场分析站和数据采集站(故障录波器)构成。故障录波器与分析站通过以太网连接;分析站和调度主站主要采用以太网连接,不具备该条件时,可通过GPRS连接,如图2所示。
1)故障录波器
采用嵌入式CPU,插件式结构,4U19英寸机箱。采用16位高精度AD芯片。主芯片使用MPC8315,主频400 M,外扩512 MB的DDRII ram,500 G的硬盘,32 M的NANDFLASH存定值及配置信息,8 M的NORFLASH存程序。
为了提高系统抗病毒能力,装置采用LINUX操作系统。装置内部使用CAN网和以太网混合连接。具体结构如图3所示。
管理/录波插件与开入插件之间采用CAN网连接,可配置4个开入插件(每个开入插件配有24路开入,1路开出),共计96路开入、4路开出。交流模拟量插件(AI插件)通过100 M以太网与管理/录波插件相联,可配置4个AI插件,每个AI插件配有12路模拟量,装置最大模拟量采集数量为48路。管理录波插件通过外部以太网与现场分析站相联。如配置不够,录波装置可采用级联方式扩展到192路开入,96路模拟量采集。
2)现场分析站
为了提高分析站的稳定性和可靠性,减少运行维护工作量,分析站主机采用嵌入式结构,无风扇设计,机箱采用2U19英寸扁平机箱。主CPU采用32位高性能微处理器,主频为1 G,内存512 M,硬盘为500 G,3个100 M以太网口,2个串口。配置19英寸的液晶显示器、键盘和鼠标、打印机。
操作系统:WINDOWS XP。
3)调度主站
在调度所配置一台工控机作为数据查询和分析客户端;另外配置一台工控机作为数据服务器。
3 系统性能及主要功能
3.1 系统性能
采样速率为10 kbit/s,16位AD,存储容量为500 G。稳态录波不低于50 Hz/s,能保存15天的稳态向量数据;能存储不少于10 000个暂态录波文件。开入分辨率不大于1 ms;时钟误差不大于2μs;AD同步采样时钟误差不大于3μs。
3.2 主要功能
3.2.1 故障录波器
a)具备同步采集能力,可接入IRIG-B对时码。
b)具备海量数据记录功能,支持SATA硬盘,硬盘容量不低于300 G。
c)支持稳态录波和暂态录波功能。稳态录波容量250 G,暂态录波容量250 G。
d)暂态录波格式符合电力系统暂态数据交换(COMTRADE)共用格式。稳态录波格式符合《电力系统同步相量标准》格式。
e)可通过装置面板或以太网接口整定录波装置启动定值。
f)具有级联功能。若干个录波器可通过CAN网实现级联,以扩大录波范围。
3.2.2 现场分析站a)录波配置
配置录波器变电站名称、通道个数、各通道名称等信息;设置故障录波器各相对应的通道号和各种启动方式对应的启动定值。
b)实时监视
监控系统按录波配置的组类别实时显示所定义组别的电气量向量值,并可实时观测所选交流电流、电压的向量图;按通道显示实时谐波数据;按通道显示实时波形;开入量数据;告警和录波报文。
c)录波管理
波形查询功能。按时间段检索录波文件。可对查询出的波形文件进行显示和分析。
波形存储功能。对磁盘保存录波数据的方式及容量管理策略进行管理,根据容量管理策略对不同的录波数据进行容量管理。
波形读取功能。分析站主机定期或每次重启动后自动扫描故障录波装置的录波存储文件夹,如果发现存在没有读取的录波文件则读取该文件,保证分析站存储的录波文件和故障录波器装置一致。
管理故障录波装置内的录波文件。浏览录波装置内部的波形文件目录,并可将任意波形文件下载至本地。
d)通信管理
与前置采集单元(故障录波器)进行通信,以取得波形文件或实时录波数据。
与远方调度主站通信,向调度主站提供录波列表、录波文件、故障简报、定值等数据的传送功能。
具备透明传输功能,以便安装于不同站点的故障录波器之间通过现场分析站和调度主站进行通信。
e)录波分析
在线自动分析功能。即每次故障录波后,在线对故障录波文件进行故障分析,以报告形式显示故障时间、故障类型、启动线路,并可打印出故障报告。
离线分析功能。可对保存于离线分析计算机中的故障录波数据进行分析。系统在经过分析后,将产生故障分析报告,包括故障线路,故障时间,故障相别,故障距离,故障后电流、电压的有效值,跳闸时间,重合闸时间,再次故障的信息,以及启动线路,开关变位等。此外,还可进行波形显示、序分量/矢量图、谐波分析、公式编辑、故障测距等功能。
f)权限管理
配置角色、权限、用户组,管理系统的使用、配置等权限。
g)看门狗
采用WATCH-DOG技术,每块模块均配有一个WATCH-DOG,任意模块受到干扰和出现异常都将使系统重新加载,完全避免死机现象。
h)时钟同步
经过GPS时钟校正的录波装置定时上送时钟信息同步监控系统时钟。
3.2.3 调度主站
调度系统的录波管理、波形分析、实时监视等功能同现场分析站相同,此外还有以下功能。
a)各变电站录波定值管理
远方各变电站调取定值和下载定值、修改各变电站的定值。
b)各变电站录波文件管理
远方调取录波文件名、远方调取录波文件。
c)远方监控
调取实时录波数据、调取录波器实时状态、录波程序远方升级、远方启动录波。
d)向MIS网发布录波数据。
4 结语
牵引供电系统目前尚无综合故障录波系统。对故障数据的记录仍然局限于故障局部分析,无法实现高层次的全面的系统分析。随着高速铁路的大范围运行,供电系统故障的原因呈现多样化。因此,提升牵引供电系统的检测手段,对于供电设备运行管理部门有着重要的意义。
本装置不仅是针对某条线路或者某个变电站的录波,而是针对一个综合的系统进行全系统录波。在自成体系的基础上,可以与已有的继电保护和综合自动化系统接口,面向的是整体解决方案,在应用上有着很好的先天优势。
该系统已经于2010年3月份成功安装于北京西客站开闭所和相邻的衙门口站变电所。期间捕捉到了大量的故障数据,为运营人员从系统层面查找和分析故障原因提供了有力支持。
摘要：电气化铁路牵引供电系统对故障数据的记录仍然局限于故障局部分析,无法实现高层次的系统分析。分析了传统录波系统存在的不足,提出了异地同步启动触发录波的主要原理,以及详细的录波启动判据。给出了故障录波系统的构成方式、系统性能及主要功能说明。最后,给出了在北京西客站开闭所和衙门口牵引变电所装设的故障录波系统的运行实例。
关键词：故障录波,分布式,牵引供电系统,数据同步,异地同步,启动判据
参考文献
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分布式供电 篇3
1 分布式电源并网系统的概况
1.1 分布式电源并网系统的含义
分布式电源并网系统主要是为了满足用电用户的需求, 有效提高电网运行的经济性。通常分布式电源并网系统需要与环境友好兼容且就近用户, 可以是所有用户周围环境友好型发电设备。再生能源和不可再生能源是分布式电源并网系统的主要能源类型, 其中可再生能源并网系统可以对废能进行高效利用, 进而产生电和热, 例如利用废热、废气以及其他压差发电来实现能源循环利用。
1.2 分布式电源并网系统的分类
根据分布式电源并网系统的特点, 可以将分布式电源并网系统分成不同的类别。
(1) 依据是否和电网进行连接分为电源-用户型和电源-配电网-用户型, 在偏远地区, 因传统供电方式的供电能力不足, 电源-用户型分散式电源可以发挥其他用电方式无可比拟作用, 其对环境无污染、清洁, 据统计其效率可达到40%~50%, 此类电源包括风能、太阳能、地热、潮汐以及生物能等。电源-配电网-用户型则包括热电冷三联产和热电联产, 其效率可以达到75%以上。
(2) 产品构成的角度。根据产品构成角度可以分为热电冷三联产、热电联产供电方式, 其中热电冷三联产对电源能够最大限度的进行使用, 对环境的伤害也最小, 因此是分布式电源发展的方向。
2 分布式电源并网技术的要求
当DG并网到高电压等级电力系统中时, 当分布式供电系统内的电压质量发生了恶化, 就会扩散至整个区域的电力系统, 对系统电压稳定产生重大的影响, 给用户带来不便, 产生十分严重的后果。因此国家对并网联接点以及DG机组的电压有严格的规定, 一般情况下, DG机组在35k V以下的配电系统中进行并网。具体并网电压是根据DG机组容量大小进行确定的, DG机组的容量越大, 选择的并网电压也就越大。
当分布式供电系统内的电压波动过大并超出规定范围时, 我们要在规定的时间内将DG机组和电网进行分离, 防止DG机组运行时的电压波动加剧进而危及电网。
3 分布式电源并网对供电可靠性的影响
目前, 分布式电源并网的运行方式主要有三种, 每种运行方式对供电的可靠性有不同的影响。
3.1 分布式电源为配电系统的备用电源
当分布式电源为配电系统的备用电源时, 俗称“明备用”, 负荷通过开关的操作被转移, 从而利用分布式电源供电。当解除故障以后, 再转向系统电源, 从而为用户正常供电, 这种运行方式下, 供电可靠性会有一定的提高, 但是这种运行方式的供电经济性能很差, 只能在满足重要负荷需要时才能启用, 国内电力市场化的大环境下, 此方案并不多见, 因其性价不不高。
3.2 配电系统成为分布式电源的备用电源
若是分布式电源为负荷进行供电, 就会因为电力负荷波动有限而不能对波动负荷进行连续供电。配电系统作为分布式电源的备用电源, 在分布式电源出现缺额时, 为其补充缺额;在分布式电源处于富裕时可以将多余的电能输送给系统。如此一来, 对分布式电源以及波动负荷之间的平衡性就有很大的保证, 用户的电能质量得到了很好保障。这种方式用户只需对配网从配电吸收电量的差值进行支付, 在保障用户用电质量的前提下, 投资者可以减少不必要投资, 使其利益最大化, 此种分布式电源并网方式既确保了电力系统的可靠性, 又充分发挥了分布式电源的经济性。
3.3 分布式电源和配电系统并网运行
分布式电源和系统电源并网运行, 共同为负荷供电, 配电网的辐射式网络就会转变为多电源网络, 用户能够从不同方向获取电能, 配电系统和分布式电源的互为备用大大提高了用户供电的可靠性。分布式发电引入配电系统后, 可能会产生一种新的运行方式———孤岛运行。“孤岛”是指包含分布式电源的配电网与主配电网分离后, 仍然继续向所在的独立配电网输电。无意中形成的孤岛, 可能会对系统、维修人员等造成危害, 而且负荷可能出现的供需不平衡将严重损害电能质量, 从而降低配电网的供电可靠性。若事先有应对策略来应付孤岛的出现, 利用孤岛最快最大限度地向孤岛内的负荷供电, 则可以提高配电网的供电可靠性。
根据分布式电源充当的角色不同, 对供电可靠性的影响也有不同。当分布式电源作为配电变电站时 (即逆变器型分布式电源) , 因逆变器型分布式电源容量是可扩的, 对输出的功率并没有限制, 故可以当作全网的备用电源。当分布式电源作为配电变电站时, 若是元件有了故障, 那么对元件进行修复的时间就是停电时间, 因为对分布式电源并没有限制, 因此对孤岛划分不需要考虑, 供电可靠性得到了很大的提高。这种模式在我国由于有政策支持, 发展很快, 尤其是建筑光伏发电和沼气发电, 此类清洁可再生能源有着很好的经济效益和环境效益。
分布式电源充当发电机组时 (即旋转电机型分布式电源) , 因为其容量是一定的, 故限制了输出功率。由于要保证孤岛内的稳定运行以及电力平衡, 这种模式可以提高附近负荷的用电可靠性, 而对远离分布式电源的负荷没什么意义。
4 结束语
文章理论分析研究了分布式电源对配电网可靠性的影响, 即分布式电源运行方式的不同, 其对配电网的可靠性也将产生不同的影响。如果分布式电源是作为配电系统的备用电源来使用, 则分布式发电的接入可以提高系统的供电可靠性;如果分布式电源是和系统电源并网运行, 控制不好则可能降低系统的可靠性, 反之则可以提高可靠性, 减少系统故障所带来的经济损失。电力企业以及相关部门在运用分布式电源并网的方式时, 要综合考虑, 让供电的可靠性和经济性能够充分协调, 多方面地对分布式电源并网进行分析, 让分布式电源的运行更加理想。
参考文献
[1]汪浅予.分布式电源并网及其对电网的影响[J].科技资讯, 2013 (28) .
分布式供电 篇4
随着煤炭开采机械化、自动化水平的不断提升,煤矿对供电系统的安全可靠性要求越来越高。为避免和减少供电灾害事故,优质高效服务煤炭开采工作,分布式电源(Distributed Generation,DG)供电升级改造成为煤矿追逐的热点。但在改造过程中,配电网出现了新的孤岛运行方式,可靠性评估方法因此变得更为复杂[1],《电业生产事故调查规章》中特别对配电网可靠性评估方法提出了新要求。目前,解析法和蒙特卡罗模拟法为主流的两大可靠性评估方法。参考文献[2]指出蒙特卡罗模拟法从大量的模拟实验结果中统计出了系统的可靠性指标,虽然算法程序结构简单,但一般只用于静态复杂网络评估,而且若要得到较高精度,需花费更多的时间。参考文献[3]采用解析法中的最小路法评估分布式电源供电系统,通过对非最小路元件故障简化折算,只需分析最小路上元件故障对相应负荷点的影响,对电网的薄弱环节评估非常有效,但是文中对于孤岛划分没有给出具体求解办法。参考文献[4]介绍了一种基于广度优先搜索(Breadth First Search,BFS)的拓扑分析方法,该方法网络拓扑分析快速、简便、通用性强,适用于孤岛范围的动态划分。本文在此基础上,提出了一种改进的BFS-最小路评估方法,在传统最小路法基础上,利用BFS法不仅能快速求解孤岛范围,而且提高了最小路集求取速度,减少了评估耗时,提高了评估效能。
1 孤岛运行方式的产生与评估必要性
模拟的6kV等级的井下分布式供电系统如图1所示[5],LP1—LP4为用电负荷,DG1和DG2为容量不同的分布式电源。如果去掉DG1和DG2,这就是1条传统的放射型配电线路,线路负荷供电全部依靠从变电站引出的6kV电压等级母线,若线路1段发生故障,那么所有的负荷都会失去电力供应,造成供电事故。
DG1和DG2并网可以避免上述事故。如图1所示,线路3段发生事故,整个系统被分为3个部分,6kV母线和电源DG1向区域1中负荷LP1、LP2供电;区域2因故障被隔离,LP3停止用电;区域3中的负荷LP4仅由电源DG2供电,失去和大电网联系,形成孤岛。
孤岛的形成和运行,解决了传统配电方式因前端故障导致后端崩溃的问题。但是,孤岛也存在隐患,由于分布式电源容量限制,与大电网失联可能会造成电能质量下降,负荷之间电压分配不均衡,易发生安全事故,因此,在对配电网供电可靠性评估时必须考虑孤岛运行方式。
2 配电网孤岛划分优化模型建立
当系统发生故障时,分布式电源向脱离大电网的孤岛上的设备供电,电源容量成为判别负荷是否能正常运行的一个重要指标。设计采用画功率圆方法对孤岛正常运行范围进行评估[6],功率圆半径为分布式电源的容量,原则上是从电源放射出去的任意一条线路的等值电力负荷PEL不超过功率圆半径,即可认为是孤岛正常运行范围,计算公式如下:
式中:i为负荷点的标号;D为孤岛的负荷所组成的区域;ω(i)为i点的负荷权重系数;La(i)为i点的负荷大小;PDG为分布式电源的等值额定容量。
某厂矿组态简化配电图如图2所示。现以图2为例描述用功率圆模型划分孤岛范围的方法。为描述方便,假设只有1个容量为0.6 MW的分布式电源位于负荷点S１上,所有负荷的权重系数ω 设为1,以S１为圆心画功率圆。 可以看出,“S１→S２→S３→S４”和“S１→S５”这2条线路节点的负荷容量和均小于0.6 MW,在功率圆范围之内,即途中虚线所包围的A区域为孤岛的正常运行范围。
3 改进的BFS-最小路评估方法
配电网改进的BFS-最小路评估方法大致分为3个步骤:1 将煤矿实际配电图化为简图后,用BFS方法遍历负荷节点形成访问队列;2 根据遍历结果,借助功率圆模型划分孤岛范围,写出网络关联矩阵并计算所有路集;3 根据给出的可靠性指标,用最小路法进行可靠性评估。
3.1常用的可靠性评估指标
常用的可靠性评估指标如下[7]:
系统平均停电频率指标SAIFI:
((次/用户数)·a)(2)i
系统平均停电持续时间指标SAIDI:
((h/用户数)·a)(3)
系统平均供电可用率指标ASAI:
系统电量不足指标ENSI:
(kW·h·a-1)(5)
用户平均停电频率指标CAIFI:
((次/停电用户数)·a)(6)
用户平均停电持续时间指标CAIDI:
((h/停电用户数)·a) (7)
式中:Ni,λi分别为负荷节点i的总用户数量和故障率;Ui为节点i的等值年平均停电时间,h;Lb(i)为停电节点的平均负荷,kW;EFF为包括所有停电节点的集合;Nj为停电节点j的总用户数。
3.2 BFS方法程序设计
BFS方法首先要解决顶点的搜索问题,即将所有具有电气联系的节点依照连通关系归总到一个系统图中,如将分段母线的几个母线段当做一个节点计算等[8]。图化简完毕之后,从某一个顶点进行遍历,将顶点放入已访问列表,横向搜索所有还没有访问过的节点,标记已访问节点并放入已访问队列之中,按照此方法继续搜索直到没有剩余可访问节点[9],最后写出网络关联矩阵,计算所有路集,提高最小路集求取速度。BFS方法的优点是从近到远,逐层有序,不重复访问节点,节省了时间,提高了效率。
本文采用BFS方法快速求解孤岛功率圆范围,将分布式电源所在的负荷点设为顶点,先访问与顶点相连的支路,然后逐层访问剩余支路,直至路径上的负荷点的等值负荷大小满足式(1)条件后停止搜索,最后得到孤岛运行范围,BFS方法程序流程如图3所示。
对图2用BFS方法遍历各个负荷节点,假设孤岛形成,S１为分布式电源所在位置,设S１为起始访问顶点,访问顺序:S１→S２→S５→S７→S３→S６→S８→S４。
3.3 最小路法程序设计
最小路法是建立在BFS方法上的改进方法。如图1所示,假设线路2段发生故障,用BFS方法遍历各个负荷点,求取所有路集,以分布式电源DG２为顶点并借助功率圆模型求出区域2和区域3为孤岛范围。线路1、2、3 段加上C负荷分支线是对应于负荷LP３的最小路,以这条最小路为例说明最小路上设备故障对负荷LP３故障率和停运时间影响的评估方法。
(1)线路3段和C负荷分支线上设备在孤岛运行的范围内,若它们发生故障,会使负荷LP３停运。
(2)线路2段在最小路上,但是不在孤岛之内,若2段上设备故障,在评估时负荷LP３的停运计算时间是max{t１,t２},t１为主馈线上GW２隔离开关动作时间,t２为孤岛运行断路器QF３所需倒闸时间。
对于非最小路来说,需要根据实际情况,按照非最小路上的煤矿电力设备故障时对负荷节点的影响折算到最小路上的负荷节点上[10],这里以非最小路上元件故障对负荷点LP3故障率和停运时间的影响为例进行说明。
(1)负荷分支线A装有熔断器,若此线路发生故障,熔断器作用,不影响最小路,所以不计算在评估结果中。
(2)负荷LP3没有分支线保护,线路4段在孤岛范围内,其设备故障时,负荷LP3的停运时间等于GW3动作时间,并且检修时对LP3没有影响。
(3)负荷分支线B没有熔断器,在孤岛范围之外,当它发生故障时,隔离开关GW２动作和孤岛运行断路器QF３倒闸时间最大值就是LP３停运时间。
按照式(8)—式(10)计算分布式电源和主馈线二重故障时负荷节点的故障率λｉ以及节点i的等值年平均停电时间Uｉ［１１］。
式中:λD为DG故障率;γD为DG平均故障停运时间;λs,k为第k段线路故障概率;γs,k为第k段线路停电平均时间;ND为分布式电源和负荷节点前的主馈线段数。
改进最小路方法考虑到每台设备故障对负荷节点的影响情况,有助于提高电网薄弱环节评估可靠性。改进的最小路法程序流程如图4所示。
4 实验结果分析
图5为以IEEE-RBTS Bus6系统主馈线F4为基础模拟的1条1.1kV等级煤矿地面配电系统[12],DG1、DG2为分布式电源,L1—L23为负荷节点,这23条负荷分支都装有熔断器和变压器。图中负荷数据明细见表1。
实验假设:各段的断路器100%可靠动作;隔离开关动作时间为0.5h;熔断器故障时必熔断,且动作时间为0;一、二、三类负荷权重系数ω分别为0.5,0.3,0.2;馈线线路λs,k=0.05,γs,k=4;分布式电源λD=5,γD=50。
提出2种配电方案。方案1:不考虑分布式电源DG１、DG２影响;方案2:考虑分布式电源影响,DG１、DG２输出功率均为1MW。运用BFS-最小路法并结合式(1)—式(10),在Visual C++6.0编译环境下对配电系统可靠性进行评估,评估结果见表2。
从表2可以看出,方案2的系统平均停电频率指标SAIFI虽然比方案1略高,但是其他指标的数据均要优于方案1,尤其是SAIDI、CAIDI和ENSI指标均有大幅度的下降,这说明在煤矿传统配电系统中建设分布式电源大大提高了配电系统的可靠性,孤岛运行的优势也体现出来了。
5 结语
改进的BFS-最小路评估方法适用于煤矿配电网设计与故障整修方案的评估,故障时利用BFS方法能迅速求出孤岛运行范围和所有路集,发挥出最小路法对电网薄弱环节的评估效能。实验结果表明,该方法可快速模拟电网故障,准确得出配电系统可靠性指标,有效解决了传统评估方法对系统薄弱环节计算效率低、故障时不能及时反应的难题,对煤矿故障源头防控和减少供电灾害事故、提高故障快速反应能力有着较高的参考价值。
摘要：针对现有煤矿电网评估方法存在计算效率低、通用性差等问题,提出了一种改进的BFS-最小路评估方法。该方法首先利用广度优先搜索方法对配电网孤岛划分优化模型进行快速求解,然后结合孤岛运行范围,采用最小路法对供电可靠性进行评估。实验结果表明,该方法提高了电网薄弱环节的评估速度,评估结果安全可靠、精准有效。
关键词：煤矿分布式电源,电网孤岛,广度优先搜索法,最小路法,可靠性评估
参考文献
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分布式供电 篇5
关键词：分布式基站,远供电源,解决方案
WCDMA采纳了智能天线、联合检测、接力切换、动态信道分配、上行同步等多项关键先进技术, 这些新技术的应用对网络的规划、建设和优化提出了新的挑战。
在无线网络的规划、建设和优化过程中, 合适站址的选择一直是困扰运营商的一个难点。此外, 在一个站址选定后, 近端基带单元及远端射频单元的供电办理也是其中的一个难题, 大部分情况下市电引入都是易于出现纠纷的问题点。对于WCDMA网络如何在建网初期做好全网的覆盖, 尤其在选定站点的供电存在纠纷或者远端无电源的情况下, 网络质量能否得到保证也有待于研究。
通过对移动分布式基站BBU和RRU组成的室外基站覆盖策略进行分析, 找到一种为远端RRU的进行供电的方案。
1 BBU和RRU组成的室外基站覆盖策略的分析
1.1 BBU和RRU组成的室外基站覆盖策略的特点
目前, WCDMA网络中广泛使用“光纤到塔顶”的解决方案, 在WCDMA网络中, 这种方案的实施的目的是基带资源共享, 最大限度的降低建网和运维费用。该方案的实施场景如图1所示。
1.2 BBU和RRU组成的室外基站覆盖策略的问题
这种方案的实施解决了天馈施工的难题, 通过射频拉远端方式将传统的大量的天馈线由轻便的光线替代, 使线缆复杂、工程难度大的问题得到了有效解决, 为工程施工带来了极大的便利。
该种方案中, 室内外单元使用的线缆及其受限时解决方案如表1所示。
由上表可以看出, 该方案的瓶颈在于远端射频单元 (RRU) 的供电距离存在一定的限制。具体情况为当距离超过200米时, 基本无法采用由机房内提供的-48V直流电, 可行的方案是远端RRU就近取220V市电。这种解决方案的弱点是显而易见的---供电极易出现纠纷, 受市电限制易出电源告警, 不利于网络运维。
1.3 解决R R U远端供电的方案
在BBU和RRU组成的室外基站覆盖策略中, 远端供电系统由近端模块、远端模块和复合线缆组成。近端模块是远端供电系统的核心, 可以完成-48V直流隔离升压到250V~410V (DC/DC升压) , 具备完整的保护功能, 还可完成系统监控。远端模块具备将直流高压变换成稳定的直流-48V (DC/DC降压) 功能, 直接为接入设备供电。符合线缆为近端模块和远端模块之间的线缆可以使用复合光缆, 又可以使用专用铝缆连接, 完成直流电的远程传输, 为远程RRU设备供电。远端供电系统的结构图如图2所示。
在远端供电系统中, 近端模块可以与BBU共同放置在选定的机房内, 远端模块可以和RRU共同放置在天面上, 具体的实施场景如图3所示。
1.4 近端模块功能
1.4.1 电气特性
(1) 具有DC/DC隔离升压功能; (2) 输出电压:采用隔离升压技术, 保证直流电压 (3) 输出对地处于悬浮状态; (4) 输出电压可根据传输距离和负载的大小进行调整, 调整范围为:250V~410V;
具有输出过压保护功能, 保护时间≤30ms;具有输出过载保护功能, 保护时间≤50ms;
具有输入过压、欠压保护功能;
开路保护:当传输线路 (正极或负极电缆) 部分或全部被破坏时, 为确保维护人员与设备安全, 系统告警, 切断高压输出, 输出检测电压≤40V, 保护时间≤50ms;短路保护:当传输线路中, 某处电缆的正极与负极短接时, 为了保证设备和线路的安全, 系统告警, 切断高压输出, 输出检测电压≤40V, 保护时间≤50ms;漏电保护:当远供传输线路中任何一处对地绝缘阻抗下降, 产生对地电流时 (≥15mA) , 系统告警, 切断高压输出, 输出检测电压≤40V, 保护时间≤50ms, 可最大限度确保人身与设备的安全;强电入侵保护:当局端设备检测到有市电与远供传输线路产生搭接时, 系统告警, 切断局端的高压输出, 输出检测电压≤40V, 保护时间≤50ms, 可保证设备和线路安全。防雷保护:局端输出端具有防雷、防浪涌功能, 防雷等级不小于20kA;本地告警功能:当系统保护时, 具有声、光报警功能, 可实现不同的保护状态对应不同的指示灯, 方便维护人员查障。
1.4.2 监控特性
(1) 局端提供R S 2 3 2通讯接口; (2) 按RS232协议格式、和通信行业开关电源监控协议格式定义通信协议; (3) 可监测参量包括:局端输出电压、电流;传输线路是否开路、短路、漏电、强电搭接等共计6个监测量;利用宏基站动力监控通道完成远供电源系统监控。
1.4.3 远端模块功能
(1) 具有宽范围直流输入、DC/DC降压功能; (2) 具有输出短路、过压、过流保护功能; (3) 具有直流输入端防雷保护 (等级20kA) 功能;
2 远端供电方案的实施及测试情况
2.1 远端供电方案的施工
(1) 近端模块:与BBU安装在同一基站;为四加一备份模式, 每模块300W, 总输出容量1200W。 (2) 远端模块:安装与BBU之间有一定距离的远端, 电源线也布放到远端;复合光电缆:12B1+4×1.5mm2复合光缆、长度:600m。
具体施工示意图如图4所示。
2.2远端供电方案的结果测试
2.1.1 电气特性测试
(1) 测试工具测试工具
(1) 远供电源局端型号HGX-DCH-300S1200-20KA数量1个; (2) 远供电源远
(2) 测试过程及记录
使用2×10mm2铜缆将开关电源-48V输出与远供局端-48V输入正确连接, 蓝色线缆接-48V负极、黑色线缆接-48V正极。将复合光缆内铜芯红色线缆连接到局端输出的正极、棕色线缆连接到局端输出的负极。
将远端与防雷模块安装在景观塔底部, 复合光缆铜芯正确连接到防雷模块输入端。防雷模块输出端分两路分别连接到两远端单元的输入端;RRU电源线连接到远端单元-48V输出端。局端加电, 远供系统及3个RRU工作正常。
测量局端输入电压、电流, 局端输出电压、电流, 远端输入电压、电流, 远端单路输出电压、电流 (见下表) 。经计算:局端转换效率:89.4%, 远端转换效率:89.5% (表2) 。
断开局端设备正极输出, 局端立即开路保护, 局端面板开路告警灯常亮, 蜂鸣器报警;重新连接好正极, 设备在50S后自动恢复正常工作。
用一根导线直接短接局端输出的正极、负极, 局端立即短路保护, 局端面板过载告警灯常亮, 蜂鸣器报警;去掉短接线, 设备在50S后自动恢复正常工作。
用一根导线的一端接触到局端输出的正极, 另一端接触局端机壳 (保护地) , 局端立即漏电保护, 局端面板漏电告警灯常亮, 蜂鸣器报警;去掉连接线, 设备在50S后自动恢复正常工作。
用一根导线一端接机房交流电的火线, 另一端接一空开;另使用一根导线一端接空开, 另一端接局端输出正极;闭合空开, 局端立即强电保护, 局端面板强电告警灯常亮, 蜂鸣器报警;打开空开, 设备在50S后自动恢复正常工作。
用一根导线直接短接远端单元输出的正极、负极, 远端输出短路保护, RRU停止工作;去掉短接线, 远端设备输出正常工作, RRU恢复工作。
2.1.2 测试结果
本次测试选用的远端供电设备能够远程为3个RRU设备供电, 该远端供电设备具备输出开路保护、短路保护、漏电保护、强电搭接保护、自动恢复等各种功能, 并且反应灵敏。局端、远端转换效率较高。
通过理论研究, 基站近端模块的输入功率与传输距离、传输线截面积、远供电源局端输出电压之间的关系如表3所示。
3 结语
本文研究目的在于解决目前WCDMA网络中疑难站址的远端供电问题。通过工程施工、性能测试等方法对疑难站址供电问题进行了深入研究和分析。提出了目前最适合解决分布式基站远端供电的解决方案, 并在实际场景中予以施工解决, 在电气特性、网络指标和远端监控等方面均得到了预期的效果。
远端供电方式也可以应用在目前WCDMA网络中的室内分布系统, 尤其是园区覆盖部分。通过远端供电系统可以将电源集中监控起来, 以分布式的方式为各通道的RRU供电, 提供了工程施工的便利, 减少网络维护的复杂度。
参考文献
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[2]ST2811.2-87通用直流稳定电源测试方法.
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[5]通信用高频开关电源设备进网质量认证检验实验细则.
[6]YD/T731-94通信用高频开关整流器.
分布式供电 篇6
本文采用STC12C5620AD系列单片机微处理器, 它具有较强的控制功能和较大输出电流的I/O输入输出接口:有四个通道捕获/比较单元 (PCA/CCP/PWM) (PWM脉冲宽度调制Pulse Width Modulation) , 可用于逆变电源的PWM输出和风、光互补供电的恒流充电控制;有8个可以独立输入的10位A/D变换输入接口, 实时检测相关的电压、电流值, 通过计算和逻辑控制, 用来完成以下工作:用于太阳能光伏发电电压、风能发电机的输出电压和蓄电池电压监视;对风、光互补系统的运行进行智能管理;用于逆变电源的电压、电流反馈闭环控制, 提高了逆变电源的精度。
1 状态监测装置电源控制结构
为了确保在恶劣运行环境下保证输电线监测装置的电源正常工作, 采用了STC12C5620AD系列单片机作为控制芯片, 该芯片具有抗强干扰、无法解密、可以在-45℃~85℃环境下正常工作, 能够适应3.5~5.5V宽的工作电压, 有27个I/O口, 每个I/O口的驱动能力可以达到平均20m A, I/O口可以根据编程, 选择适当的输入输出接口形式, 提高了系统抗干扰特性, 并有硬件的乘法和除法指令和高速的运行速度, 经过工程实践的应用, 比较适合在恶劣环境下使用。
状态监测装置电源控制结构如图1所示。
1.1 风光互补供电系统
在全天候条件下连续对输电线状态监测装置供电, 风光互补供电系统需要选择寿命长、可靠性高的蓄电池, 阀控式密封铅酸蓄电池具有免维护、体积小、寿命长 (5~18年) 、无污染排放等优点, [6]比较适合安装在输电线的铁架上。但是阀控式铅酸蓄电池耐过充能力较差、温度需要补偿, 太阳能电池和风能发电机的发电效率随时间变化, 在二个发电设备电压输出不一致的情况下, 如何保证按蓄电池使用规程充电, 又要保证蓄电池充分放电, 充分保证能源的有效利用, 维持蓄电池应用的最佳环境温度, 因此, 维护和使用管理好铅酸蓄电池是保证输电线状态监测装置电源正常工作的关键。
在输电线状态监测装置中, 需要不间断地对设备供电采用单电池供电时, 蓄电池必须同时进行充电, 在复杂的环境和用电条件下, 较难满足铅酸电池的使用和维护要求, 在阴雨天气时监测装置的连续供电将遇到问题, 使用寿命也是能否选择铅酸电池作为系统的储能元件的瓶颈。拟采用双蓄电池供电方式, 其中一个蓄电池专门用于对输电线监测装置的供电, 并使该蓄电池在输电线路监测装置正常使用中放电。而备用蓄电池专门用于太阳能光伏电池, 风力发电机的能量储存贮, 合理的蓄电池充, 放电控制可以有效验证蓄电池的使用寿命, 防止电池损坏[7]。
式中C为蓄电池组容量;t为放电时间;If恒定放电电流, 根据输电线状态监视装置子系统所需供电功率来确定。
根据该装置安装地点的经纬度、海拔、等地理位置数据、日照强度及风速气象数据、装置的负载特性、平均功耗及最大功耗、运行时间来选择阀控式铅酸蓄电池的容量、太阳能光伏电池尺寸、风力发电机功率选择。[8]
其风光互补电源蓄电池管理控制结构图如图2所示。由图可以看出, 供电系统包括:
(1) 蓄电池充电电路。控制太阳能光伏电池和风力发电机按蓄电池使用规范以恒电流、恒电压二阶段充电法方式对备用蓄电池充电, 在充满电后维持对蓄电池进行浮充电, 所余电能用于维持蓄电池使用温度的加热和风扇冷却;图3为备用蓄电池充电、载荷特性图。由图可以看出, 仅在太阳能发电或风力发电的电压大于备用蓄电池的端电压时, 蓄电池才能进入充电工作状态, 由于太阳能电池受季节、昼夜、气候影响较大, 风速对风力发电机的发电电压影响甚大, 蓄电池的充电过程的电流将是随时变化的, 二个发电设备向蓄电池充电量也是不同的, 为了蓄电池充电过程的优化, 必须对充电过程进行控制。
充电电路由STC12C5620AD控制VMOS管的电路开关来实现。由于太阳能电池、风力发电机的输出电压是随着日照强度、风力大小而变化的, 当太阳能电池输出电压为V01、风力发电机输出电压V02须其中一组 (或二组) 电压大于阀控铅酸蓄电池放完电以后的电压值 (10.5V) 时, 充电才能进行。STC12C5620AD控制器中通过对充电电流的实时检测, 应用控制器内部的PCA控制寄存器, 通过捕获、计数、比较, 以PWM波输出模式, 通过高速光电隔离缓冲器, 直接驱动高速光电耦合器TLP2404隔离控制VMOS管的开、关, 根据蓄电池充电要求进行充电, 根据使用要求不同铅酸蓄电池的充电方法很多[7]拟采用二阶段充电法, 为了充分利用太阳能、风能资源, 保证铅酸蓄电池的使用寿命, 在能源充分的情况下 (V01、V02电压值较高时) , 起始阶段可以适当提高充电电流值, 加快充电过程。通常充电以恒流、恒压二种模式充电, 直至充电结束, 按蓄电池使用要求, 备用蓄电池处于“浮充”工作状态。浮充电流较小, 以保证蓄电池使用寿命, 同时启动太阳能电池、和风能发电机卸荷、风冷或加热装置工作, 所有控制程序按电池使用要求, 设计成控制表格, 存入相应的内存, 由微处理器查表程序、装载相应的CCAPn H和CCAPn L, 并控制PWM的输出。
(2) 蓄电池放电回路。通过阀控铅酸蓄电池实现对输电线路监测装置正常供电, 供电蓄电池与输电线监测系统的各分系统由DC/DC变换器隔离供电, 并可实现供电电压变换, DC/DC变换器保证各分系统的电源要求。在需要提供交流电压的场合也可以配置输出所需要的交流供电, 由同一块STC12C5620AD控制芯片来实现。
实施蓄电池充、放电、温度补偿管理由STC12C5620AD控制, 其中微处理器器的P0.0~P0.3的输出, 辅以4个反向缓冲器, 其分别控制8个直流固态开关GTJ8-8A和GTJ3-3A, 控制太阳能电池和风力发电机对其中一个蓄电池组充电, 而另一个蓄电池组向输电线监测装置供电, 蓄电池组处于正常放电工作状态。当备用蓄电池充满电以后, 蓄电池处于“浮充”工作状态, 多余的太阳能电池、风力发电机的电能通过固态开关GTJ3-3A进行卸荷。为了充分应用多余的电量, 可以根据当时的控制箱内温度和蓄电池要求的合适工作温度对蓄电池和其他用电装置加热和风冷, 并根据环境温度适当调节恒流充电的数值大小, 达到最佳的充电效果。
温度由单总线温度传感器DS18B20来测量。DS18B20传感器是一个10位的单总线数字传感器, 仅需要一根信号线传输数据, 由P3.1口读入, 可以根据需要测量多个位置的温度值, 可以应用软件的方法实现使用的设备在合适的环境下可靠工作。采样及逻辑控制结构框图见图4所示。
1.2 单相正弦逆变器
采用STC12C5620AD的捕获/比较单元 (PCA/CCP/PWM) 的内部定时器产生三角载波, SPWM算法由控制器专用PWM口输出带有死区的PWM波驱动上下桥臂, 同时采用高速光耦隔离驱动电路和控制电路, 采样后的电压和电流经一系列处理到STC12C5620AD的A/D输入接口, 作为输出电源的电压、电流反馈, 选取VMOS管作为开关器件, 为提高整个系统的精度用电压和电流霍尔传感器完成电压和电流采样。
整个逆变系统的硬件实现如图5所示。
单相全桥式逆变器, 是由SPWM正弦脉宽调制产生的开关控制信号去控制功率开关器件的导通和关断。
为了提高监测摄影机的图像清晰度, 希望逆变器输出的正弦波电压的失真度小。而SPWM就是一种调制技术, 以比正弦调制波频率高的多的等腰三角波作为载波, 两者的交点就是逆变器开关器件的导通与关断时刻, 按照面积相等的原则, 从而获得与正弦调制波频率相等的宽窄不等的矩形脉冲。[9~10]
2 状态监测装置电源软件设计
输电线状态监测装置电源的软件主要完成如下工作:
(1) 双电池的充电、放电电池选择:二个电池分别处于充电 (浮充) 和放电工作状态。当测试到其中一个蓄电池的端电压小于10.5伏, 这个电池即进入充电工作, 另一个电池即与风、发电设备断开。由软件保证供电电压基本稳定。
(2) 充电阶段:分别应用恒流、恒压二个充电模式进行, 待被充电的蓄电池的恒流恒压阶段的充电转换取决于太阳能光伏电池电压、风力发电机电压, 当V01、V02电压值均大于蓄电池端电压EA或EB, 则有
在充电过程中, 太阳能电池或风能电压小于蓄电池端电压EA或EB时, 其I值小于蓄电池恒流整定值, 蓄电池转换至恒压充电阶段。
(3) 浮充电压阶段:根据季节环境温度差异, 通过加热器、风扇对铅酸阀控蓄电池的外壳温度进行调节, 式其始终工作在-10℃~+50℃蓄电池工作温度范围内, 在不同阶段根据公式 (3) 的计算值, 对浮充电压予以补偿。
式中:Vfu-设置浮充电压值;T-当前环境温度值
(4) TC12C5620AD系列微处理器系列包含二个16位的定时器T0、T1和四通道捕获/比较单元 (PWM/PCA/CCP) 单元, 应用其中的二个16位定时器完成开关器件的工作频率设定, 四个捕获/比较单元 (PWM/PCA/CCP) 单元来分别完成蓄电池恒流、恒压控制和单相逆变电源的PWM输出。
(5) 单相逆变电源的软件设计:设正弦的角速度是, 幅值最大值是Um;载波周期是Tc, 幅值最大值是Uc, 则调制比, 一个PWM周期内的开通时间为Ton, 关断时间为Toff, 借助中间变量a和b:
根据三角形的相似关系得出:
其中, 工程上应用较多的顶点采样即是指取t1=KTC, 试想在k=0时则有, 随着值的增大则累计误差越来越大, 因此在计算导通的时刻有偏差。相比而言这种取值是输出电压纹波更小更接近自然采样, 代入t1的值, 则方程 (5) 可变成:
将调制系数、载波周期及正弦周期代入方程 (3) 中, 编程求解出a和b的值, 于是有:
采用这种方式进行计算, 只要确定了器件的开关频率、调制比就能利用 (1) 把开通时刻做开通时刻表存放在内存中。[11~12]
根据需要的开关器件的工作频率设定周期寄存器的周期值Tx和PCA定时器工作在连续增减模式、确定调制比, 就能产生所需要的频率的脉宽调制波。在每个开关周期, 程序根据 (4) ~ (7) 式计算的开关器件导通时刻读取该点的正弦值为PID参考值并与电压反馈到AD的值比较作电压环, 其输出作为电流环PID的参考值再与电流反馈到AD端的值比较, 该输出与周期寄存器的值比较输出PWM信号。
3 实验结果
图7给出的是铅酸阀控蓄电池在实验室条件下的充电过程的曲线图。蓄电池正常工作电压范围为10V~14.4V, 在10.5V时双蓄电池组进行转换, 把备用电池切换至供电 (输电线路状态监测装置) , 更换下的蓄电池开始充电, 起始充电电流为10A, 外加电源电压在变化时仍能保持在恒流10A的充电, 在充电电压达到14V时, 转入恒压充电模式, 充电电流逐渐减小, 蓄电池池端电压达到13.4V时, 蓄电池进入浮充工作状态, 浮充时涓流电流控制在0.4A, 最高电压达到14.5V, 蓄电池处于浮充工作状态。
单相交流逆变电源是以供电蓄电池供电的, 12V蓄电池分别采用二个DC/DC变换器进行逆变, 其中一个用作功率输出的40V高压母线电压, 另一个变换器用于STC12C5620AD控制器及其它硬件作控制电源用, 工作电压为5V。图8是一个桥臂的PWM输出波, 从图9可以看出加入低通滤波后, 输出的工频单相正弦逆变信号正弦特性很好, 失真度小, 完全可以满足输电线状态监测装置中交流电源的使用要求。
4 结语
电源是监测装置正常工作的保证, 由于需要安装在远离低压供电所的偏远地区, 自然环境恶劣, 对电源的可靠性要求极高, 采用风、光互补的电源系统除了要求具有相对可靠的太阳能电池组件、风能发电机等, 主蓄电池的使用寿命是保证输电线路监测装置长期可靠工作的关键, 本文使用工程常用的微处理器控制, 选用工程上常用的铅酸阀控蓄电池, 采用双蓄电池供电的方法, 使铅酸蓄电池的充电能够按照最佳的充电模式, 使蓄电池组的过氧化铅、铅极板不至于过大充电电流、过高外壳温度而损伤, 从而保证了铅酸蓄电池的正常可靠工作。输电线路状态监测装置, 安装环境恶劣, 设备完好率要求高, 电源维护、使用条件较差, 因此控制电源的装置必须功能强、器件少、电路相对简单。实验室测试结果表明, 其主要功能满足“输电线路状态监测装置通用技术规范”的基本要求, 在确定输电线路监测装置项目配置, 完善电源设计、加工工程考验的高质量器件选取以后, 可以为输电线路状态监测装置的电源优化设计提供借鉴。
摘要：智能电网中输电线路监测装置电源工作环境恶劣, 使用可靠性要求高, 是智能电网建设中的重要部分, 文章提出了一种智能电网用的输电线路状态监测装置电源, 充分利用太阳能、风能等分布式可再生能源的互补, 阀控式铅酸蓄电池双电池组储能, 采用高性能的微处理控制器作为控制芯片, 实现系统同时提供交、直流稳定电源, 优化对双蓄电池的充、放电管理, 完成对输电状态监测装置的可靠供电。
关键词：智能电网,输电线路状态监测装置,微处理控制器,双蓄电池,逆变电源
参考文献
[1]曾东, 杜俊杰, 许金明, 张勇.风光互补供电系统在输电线路视频监视中的应用[J].技术与应用, 2012
分布式供电 篇7
供电能力是反映配电网络供电可靠性、经济性的新指标[1],由于分布式电源(distributed generator,DG)并入配电网,其输出功率具有不确定性,使得系统的潮流具有了随机性,给供电能力的评估工作带来了新的挑战。
目前,学者们对供电能力的评估主要有以下几个方面:第一种是仅考虑变电站容量裕度的粗略评估,如容载比法[2];第二种是考虑网络影响因素,提出了最大负荷倍数法[3]、负荷能力法[4]、网络最大流法以及实时供电能力[5]计算方法;第三种是近年来在N-1准则和网络约束条件下计算配电网的最大供电能力的方法,主要有基于主变压器互联关系的配电系统供电能力计算[6]、基于馈线互联关系的配电网最大供电能力计算[7,8]等。但是,对DG加入配电网后对供电能力的评估尚未展开全面的讨论。
由于绝大多数研究者在对含DG的配电网进行相关研究时,常利用DG的概率密度分布进行分析。但是,在实际中很多随机变量无法严格地拟合成某种函数作进一步的分析,严格意义上满足概率分布的随机变量几乎不存在。盲数是表述不确定因素的一种新的形式,能够反映多种不确定因素,且不用考虑不确定因素的概率密度分布,其理论被应用于机械机构稳健优化[9]等方面。在电力系统中,盲数理论已经被用来进行负荷预测[10]、电力系统可靠性评估[11]、电价预测[12]等,但学者并没有将其应用于配电网供电能力评估之中。
综合供电能力的评估意义和盲数的特点,本文提出基于盲数理论的含DG配电网供电能力的研究,根据判断矩阵法构造不确定量的盲数模型,并结合重复潮流(repeat power flow,RPF)法,利用相关指标对配电网的供电能力进行评估分析,最后通过算例对比分析进行验证。
1 盲数的应用
1.1 盲数概念及运算
若g(I)为区间型灰数集,存在xi∈g(I),αi∈[0,1],i=1,2,…,n,f(x)为定义在g(I)上的灰函数,且有
当i≠j时,xi≠xj且,则称函数f(x)为一个盲数。其中xi是一个可信区间,αi为该可信区间下的可信度,α为f(x)的总可信度,n为f(x)的阶数。
假设存在盲数A=f(x),B=g(x),且有
设“*”表示A和B之间的一种四则运算,则经过运算的盲数生成了新的可信区间和可信度。式(4)构成的n×m阶矩阵称为A关于B在“*”运算下的可能值“*”矩阵,式(5)构成的n×m矩阵称为A关于B的可信度积矩阵。
1.2 盲数理论在供电能力评估中的应用
在进行含DG的供电能力评估过程中,构建不确定量模型的传统方法是利用测量数据拟合成某种函数,构造概率模型。但是在实际中由于DG的出力等不确定因素并不能完全满足一定函数关系,且DG和负荷的出力往往落在某个区域内,此种方法会忽略原始数据。
利用盲数模型能够通过实际情况估计出每个区间出现可能性,将每种因素的“强”不确定性转化为可信区间和可信度的“弱”不确定性,并通过盲数计算法则进行相关计算。例如,某一变量在实际测量中发现常集中落在3个集中区域内,记A,B,C为3个可信区间,利用公式可以求出在这3 个区域内的可信度,将变量表示为盲数A={αi,x=xi,i=1,2,3}的形式。同时可以利用盲数理论构建的供电能力评估指标,将其在DG等不确定因素影响下的结果利用盲数形式充分体现。
2 不确定因素的模型构建
2.1 判断矩阵法
判断矩阵法是利用权重系数对数据进行定量和定性分析的一种可信度估计方法[11]。估计结果能够全面综合地得到信息的权重,可用于盲数理论下区间的可信度评估。方法步骤如下。
1)判断值选取
根据实际情况将所要分析的数据分为n个区间,用X={x1,x2,…,xn}表示。取出两个区间xi和xj,将他们进行比较,把xi对xj的可能性程度记作kji,把xj对xi的可能性程度记作kij,并且记为1。判断值的选择方法见表1。
2)构造判断矩阵J
根据上述判断值的选取,令
可得判断矩阵为:
3)确定可信度
根据矩阵论知识,由J-λI=0计算J的最大特征根λmax,其中I为单位矩阵;将λmax代入J-λmaxI=0,求解对应最大特征根的特征向量u^={u1,u2,…,un};将u^ 进行归一化处理,将得到的归一化结果作为区间的可信度α。
在计算可信度,求解最大特征根所对应的特征向量时,可以用以下简化方法:
式中:;可将近似值α′作为区间的可信度。
2.2 不确定因数的盲数模型
根据上述判断矩阵法来确定含DG配电网中的不确定因素的盲数模型。
1)负荷的盲数模型
根据实际情况可知,负荷变化具有随机性,存在着不同的增长模式,分别为[0.85,0.95]p0,[0.95,1.05]p0及[1.05,1.15]p0,其中p0表示负荷的原始功率初值。负荷盲数模型记为:
利用判断矩阵法可知:α2比α1可能性非常大,故k12=7,k21=1;α2比α3可能性明显大,故k32=5,k23=1;α1比α3可能性稍大,故k31=3,k13=1;得到判断矩阵为:
由此可确定负荷盲数模型可信度为:0.321,0.521 5,0.157 5。负荷三阶盲数模型为:
2)DG的盲数模型
类比负荷盲数模型构建步骤,首先将额定功率为200kW的光伏电池阵输出功率定为二阶盲数,其可信区间为[0,100]kW和[100,200]kW。将额定功率为300kW的风力发电机输出功率定为三阶盲数,其可信区间为[0,100]kW,[100,200]kW,[200,300]kW。
具体求解步骤不再赘述,得到光伏电池阵和风力发电机的输出功率盲数模型分别为:
3 供电能力评估方法
供电能力是配电网对负荷供给能力的一种体现[13,14],利用盲数理论对供电能力进行评价的步骤如图1所示。
首先,根据实际情况构建不确定量的盲数表达形式,再对其划分的区间进行抽样,利用RPF法进行最大供电能力的计算,最后将计算结果用于评估供电能力的相关指标中。
3.1 供电能力评估指标
在盲数理论下构建评价供电能力的指标,具体如下。
网络供电功率的增值定义为可用供电功率(available supply power,ASP),根据实际经验得出的ASP可信区间记为KASPR,将其对应的可信度记为KASPC:
式中:Pr(KASPC)为KASPC的可能性函数。
该指标可以表示不同DG注入量下,网络ASP出现范围的可能性。
根据文献[15]中盲数均值的定义可知,对于n阶盲数f(x),记,则其均值为:
根据上述盲数均值的定义可用式(16)表示ASP的均值,记为EASP:
式中:N为抽样个数;KiASP为在可行区间内抽样的第i个值;KiASPC为抽样值对应可信区间的可信度。
该指标可以表示不同DG注入量下,网络总体供电功率对于负荷需求量的平均裕度。
将ASP与EASP之差的平方开根作为ASP偏离度KP,即
该指标反映了ASP对ASP均值的离散程度。
3.2 RPF法的盲数实现
研究中常采用RPF法来估算最大供电功率,即通过逐渐增加系统的发电量和负荷,反复求解潮流方程,直到约束条件出现越限为止[5]。RPF法的核心是将潮流轨迹分成多段,并随时调整增长的初始步长l0为lt,重复计算进而逼近真实值。潮流迭代轨迹如图2所示,给定潮流初始状态S0,逐次改变步长,由S0→S1→S2→S3→S4,轨迹最终在临界M处求得结果。
根据上述RPF法的思想,构建最大供电功率盲数理论下的模型。
目标函数为:
式中:Si0为当前负荷供应量的盲数形式;ki为负荷增长的倍数;Sd为负荷增长基准值。
约束条件:
式中:Nbus为配电网节点数;PG,i和QG,i分别为接在节点i的DG(或变电站)的有功出力和无功出力的盲数表达式;PL,i和QL,i分别为节点i的有功负荷和无功负荷的盲数表达式;Gij为网络支路电导矩阵元素;Bij为网络支路电纳矩阵元素;δij为网络支路电压相角差;Vi和Vj分别为节点i和j的电压幅值;Vi,min和Vi,max分别为节点i的电压下限和上限;Sij和Sij,max分别为节点i和j支路间传输的功率和该支路允许通过的最大传输量;Sn和Sn,max分别为各变压器支路流出的功率值和最大容许值。
由于盲数表达式是可信度和可信区间的集合式,在盲数理论下实现RPF,需要了解在盲数形式下的交流潮流。对于交流潮流的牛顿—拉夫逊法计算而言,最主要的是修正方程的构建。
在盲数形式下,节点注入功率值的盲数形式记为 ΔW,雅可比矩阵的盲数形式记为Jy,而修正量的盲数形式记为 ΔV,得到修正方程如下:
则修正量的值为:
当各节点的注入功率均为盲数形式时,其修正方程也变为盲数形式。但由于盲数阶数增长过快,可利用功率盲数化与抽样法相结合求解,简化计算过程。
对于盲数 ΔWk={αi,ΔWik∈(ΔWmin,ΔWmax)},设在第i个可信区间内抽样N次,对于该区间内的抽样值{ΔWkij,j=1,2,…,N}而言,此时式(24)的盲数表达式可以作如式(26)所示的变化,将可信区间和可信度分开计算,求取出 ΔVk。
式中:和αΔVk分别为Jy-1和 ΔVk的可信度。
对于雅可比矩阵Jy,其可信值Jy的形成与原先相同,其求解方法不再赘述,则式(25)可变成:
从式(27)中可以看出,由于Jy-1是雅可比矩阵的逆矩阵,其可信度为1。由于αVk为解的初值的可信度,同理可看作1,则的值很容易计算。同时,在计算过程中有约束条件等数值判断,均将其视为可信度为1的盲数进行计算,对盲数潮流的计算过程进行归一、简化。
3.3 计算流程
算法的流程具体如下。
步骤1:在负荷的盲数可信区间内随机抽取网络每个负荷节点的初始值S0i以及其所对应的可信度α0i;同时,在DG出力的盲数可信区间内抽取其输出功率值SDG以及其对应的可信度βDG。
步骤2:确定负荷增长基准值Sd以及负荷增长速度(即步长)l0,同时给定收敛精度ε。
步骤3:以S=S0i+l0Sd作为每个节点的新的负荷值进行潮流计算,判断约束条件是否满足。如果没有越界,重复步骤3的过程;如果越界则进行步骤4。
步骤4:以S=S0i-l0Sd为下次计算负荷量。
步骤5:判断l0是否小于ε,如果小于,则跳到步骤7;如果大于ε 则进行步骤6。
步骤6:减小步长,使负荷的增长量变为h。令S=S+hSd作为新的负荷值进行潮流计算,判断是否出现潮流越界的情况。如果没有越界回到步骤5过程;如果越界先使得S=S-hSd,再回到步骤5继续运算。
步骤7:此时输出ASP值为Si-S0i,KASPC=βDGα0i,并根据相关公式得出指标。
4 算例分析
算例采用33节点配电网进行分析,具体的网络结构如图3所示,其电压等级为12.66kV,原有负荷为(3 715+2 300j)kVA,详细参数可参考文献[16]。
在图3中节点18和33处分别接入光伏电池和风力发电机。光伏电池的额定功率为200kW;风力发电机的额定功率为300kW;各节点负荷的功率变化范围均为[0.85,1.15]p0之间。根据文中2.2节的盲数构建不确定因素的盲数表达如表2所示。
根据蒙特卡洛抽样法,利用RPF法,将结果与盲数理论下的供电能力评估进行对比分析。取光伏电池的额定功率为200kW,其概率密度函数的形状系数均为0.75;风力发电机的额定功率为300kW,其风速的概率密度函数的形状参数和尺度参数分别为2.49和8.96,切入风速、额定风速和切出风速的值分别为2.6,12,20m/s,抽样次数为1 000。具体方法步骤参考文献[17-19]。得出ASP的概率密度曲线如图4所示。
4.1 KASPR和KASPC的仿真结果分析
利用MATLAB实现3.3 节算法,分别将每种不确定量的可信区间进行组合,取抽样个数N =300,得到KASPR和对应KASPC的值如表3所示。
1)从总体上看,在不同输出功率的DG注入网络的情况下,网络各节点的功率改变程度不相同,当负荷波动区间固定时,DG的输出功率越多,ASP越大;在光伏、风力发电机出力在相同区间内,ASP的值随着负荷的增长而减小。由此可知,DG能够提高网络ASP的大小,有利于网络ASP的增长,而负荷的基值越大,ASP越小,即网络提供给负荷使用的功率会减小。
2)从区间上看,对于每个KASPR内的ASP值是波动的,这可以看作是负荷在网络中的比例不断变化和DG出力变化共同作用下的结果;由于不同可信区间的DG输出功率不同,导致了各节点的功率改变的KASPC不同,总的来说,DG输出功率可信度越大,所对应的KASPC越高。
3)由图4和表3对比可以看出,利用盲数理论得出的KASPR分布情况与利用蒙特卡洛抽样法得出的概率密度曲线有相同的变化规律。在概率密度曲线下的ASP分布在0.7~0.75 MW之间较为密集,说明此部分的概率可能性较大;而在这个区间的KASPR对应的KASPC值也相对较大。说明盲数理论下计算的结果有一定准确性。
4.2 EASP和KP仿真结果分析
根据EASP和KP与ASP和KASPC的关系,抽样个数N分别取100,300,500,700,1 000的盲数法与蒙特卡洛抽样法求解法结果指标见图5和表4。
1)根据蒙特卡洛抽样法得到的EASP值相对于盲数法的结果偏小,且随着N的取值越来越大,其值逐渐减小。这是由于根据蒙特卡洛抽样法得出的EASP值,当负荷的增长值处于[1.05,1.15]p0时,网络的ASP值会越来越小,会拉低EASP的均值,但是实际上负荷处于这个区间的可能性是较低的,造成了它作为一种“偶然值”导致EASP的计算结果偏离。
2)从结果可以看出在盲数法下求解出的KP更大,说明在该方法下的数据对于均值的偏离程度大。由于盲数法在均值的计算中利用可信度降低了“偶然因素”的影响,从而使得均值的结果偏大,导致了KP结果与蒙特卡洛抽样法相比偏大,但是盲数法下的KP的值波动幅度不大,而蒙特卡洛抽样法下随着抽样次数的增加,KP呈增长趋势。
3)根据盲数法得出的ASP的值以及其对应KASPC的值,不但保留了抽样结果,同时考虑到了每个抽样值的可信度,在计算EASP时,能够很好地消除某些“小可能”值对计算结果的影响,更能准确地反映网络ASP的均值大小。虽然KP的值相对较大,但是能够很好地规避由于抽样次数增加导致小概率事件对结果的影响程度,较为准确地反映网络EASP的实际情况。同时盲数法下的供电功率评估可以观察在不同KASPR下的KP结果,能够更加全面地体现供电功率的分布情况。
5 结语
本文基于盲数理论建立含DG的配电网盲数模型,构造了供电能力评价的相关指标,并通过盲数理论对RPF法进行实现。