基于抗擾時間的優質電力園區技術方案優化方法

余光明，鄭穎

（國網重慶市供電公司銅梁區供電分公司，重慶402560）

0 引 言

隨著高新技術的大量應用，在由敏感負荷構成的工業園區中的電壓暫降等擾動問題，已成為迫切需要系統解決的重大問題［1-2］。優質電力園區作為一種有效的解決方案，已在日本仙臺、美國特拉華州等進行了工程示范，我國廈門、北京等地也正在積極爭取試點［3-4］。優質電力園區可定義為：利用定制電力技術和統籌優化技術等，為不同用戶設備或過程提供不同質量的電力供應的供用電方式［5-6］。其中，用戶電能需求和定制電力技術方案的確定，直接影響電能質量改善水平和投資成本，是建設優質電力園區的重要基礎，因此，研究優質園區技術方案的優化問題，具有重要理論價值和現實意義。

優質電力園區與現有配電網優化的重點不同，后者主要是變電站、網架結構等優化［7］，前者側重于用戶供配方式、技術與成本優化。現有研究集中于電能 質 量 評 價［4，8］、定 制 電 力 技 術［3，9-10］、典 型 配置［5，11］等方面，對園區內用戶所需供電質量、供電質量級劃分方法以及園區技術方案優化等，研究較少。在典型優質電力園區方案中［8，11-12］，供電質量劃分為普通、優質和特級等3個等級，但對用戶需求、供電質量等級劃分等基礎性方法的研究還不夠。現有研究中，對所需技術方案大多僅作定性研究［5］，未考慮用戶需求、可接受水平和投資成本等，工程實用性還不夠強，迫切需要研究優質電力園區優化方法。

現有研究主要考慮了過程電氣響應特性，以過程中設備的電壓耐受能力為依據，提出設備故障率的概率［13-14］、模糊［15］和復雜不確定性［16］評估方法，實際上，負荷常由多元件組成，工業過程受影響的狀態與設備或元件狀態間呈非線性關系，用戶更關注的是反映其需要達到的功效的物理參數（包括：溫度、速度、力矩、壓力等），并用物理參數的某個范圍作為可接受狀態的度量。因此，需把用戶可接受狀態與經受的電壓暫降聯系起來。

本文以IEC C4.110于2010年推薦的過程抗擾時間（Process Immunity Time，PIT）為基礎，引入電壓暫降抗擾度概念［17］，以過程物理參數作為用戶可接受狀態的度量，提出電能質量需求量化和園區供電質量等級劃分方法；以總成本最少為目標，建立園區優化模型，并用Tabu搜索算法進行求解。基于MATLAB和PSCAD/EMTDC，對某典型園區進行仿真，證明方法的正確性和可行性。

1 優質電力園區典型結構

不同過程對供電質量的需求不同，實際不可能為每個用戶單獨供電，優質電力園區可在保證用戶需求的同時，最大限度地降低總成本。美國特拉華州和日本仙臺等地的示范得出的典型方案如圖1所示［18］。采用的定制電力技術有［6，19］：動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）、不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）和儲能設備等，但補償設備的配置首先需確定過程抗擾度和各饋線的供電質量等級。如圖1所示。

2 過程暫降抗擾度

過程暫降抗擾度與抗風險能力、投資水平等有關。IEC C4.110工作組提出了過程抗擾時間概念，并定義為：過程經受電壓暫降后，物理參數超過允許限制值的時間［17］，如圖 2（a）。其中，Pnom為物理參數額定值，Plimit為可接受的限制值，t1為暫降發生數額定值，Plimit為可接受的限制值，t1為暫降發生時刻，Δt為過程響應延時，t2為物理參數越過Plimit的時刻。只要過程的構成、元件、運行特性與工作原理等確定，Pnom和Plimit也確定。PIT是度量特定暫降幅值（全文均指剩余電壓值）下過程暫降抗擾度的重要指標，不同暫降幅值下PIT不同，如圖2（b）。隨暫降幅值減小（Usag1＜Usag2），PIT逐漸變短，因此，同一過程的PIT可用一組曲線族表示。

圖1 優質園區典型結構Fig.1 Typical structure of premium power park

圖2 過程抗擾時間Fig.2 Process immunity time（PIT）

3 供電質量等級劃分與需求量化

園區供電質量等級與過程抗擾度、用戶可接受后果狀態有直接關系。基于PIT曲線，可將過程后果狀態分為：完全正常、自動恢復和人工恢復等狀態，對應于圖 3中曲線 I1、I2和 I3，TS1、TS2和 TS3為各狀態下物理參數的恢復點。

圖3 用戶可接受后果狀態Fig.3 Acceptable consequence status of customer

實際中，不同過程在遭遇特定暫降時，PIT曲線不同，但只要PIT值大于暫降持續時間，就不會出現不可接受狀態，因此，PIT可用于度量用戶對供電質量的需求，也就可基于PIT值進行供電質量等級劃分。實際中，可將供電質量級劃分為普通、優質和特優級三類，如圖4所示。

圖4 過程的暫降響應特征Fig.4 Response characteristic of process to sag

用戶不可接受狀態起源于過程物理參數超過限定閥值。分析圖4中3類過程經受幅值為Usag（Usag1＞Usag2＞Usag3），典型持續時間為Dsag的暫降時的響應特性可知，隨暫降幅值減小，PIT1＞PIT2＞PIT3，對應的供電質量等級分別為：普通、優質、特級。如果用戶可接受水平為自動恢復，過程2在Usag1和Usag3作用下處于完全正常和人工恢復狀態，發生Usag2時為自動恢復，且Dsag=PIT2，該狀態是臨界狀態。因此，過程2的供電需求Usag＞Usag2，類似可得過程1和過程3的供電質量等級，如表1所示。

表1 供電質量等級與需求量化表Tab.1 Power supply schemes based on power quality levels

4 優質電力園區技術優化模型

優質電力園區是一靈活、友好的末端供電網，在保證用戶不同質量需求的同時，使常規供電投資和定制電力設備等的總成本最低是確定優質電力園區技術方案重要課題［20］。定制電力設備的選擇對需求滿足程度和總投資影響很大。針對電壓暫降最突出的園區，動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）是最常采用的定制電力技術［19］，因此，本文以DVR作為定制設備，研究園區技術方案優化問題。補償電壓最大值和容量DVR的主要指標，可根據上節所得用戶質量需求確定，由此可得基于PIT的園區優化模型：

式中ND為補償設備數；BR為線路數；Dcosti為補償設備i的成本；Lcostj為線路j的成本。

假設暫降前后DVR輸出電壓與系統電壓的相位保持不變，可根據不同過程的電能需求得到約束條件：

圖5 DVR的容量-投資比Fig.5 Capacity-investment ratio of DVR

以一包含多類過程的工業用戶為例，為完全解決電壓暫降問題，總補償容量會很大，實際中缺乏過大容量的補償設備，而如果對每個過程單獨補償又會造成投資增大，犧牲了補償的選擇性和經濟性，造成資源閑置，因此，應將用戶需求相近的電能質量劃分為同一等級，對所在支路進行相對集中補償，不僅能抑制暫降影響，并能使投資成最小化本，具體步驟如下：

（1）根據用戶中不同過程的結構、功能和工作原理等，確定刻畫其運行狀態的過程參數Pnom和Plimit值，運用PSCAD/EMTDC暫態軟件繪制PIT曲線；

（2）根據用戶的可接受后果狀態，結合供配電系統繼電保護裝置確定接入點的典型暫降持續時間，劃分供電質量等級，確定不同過程需保證的暫降幅值下限，即園區內電能需求表；

（3）在已知園內用戶不同過程抗擾度及其相應的供電需求表的前提下，考慮園區內負荷點的地理位置，并遵照設計規范要求建立優質電力園區技術方案優化模型。

5 優化算法

由式（1）～式（4）確定的優質電力園區技術優化模型是一個組合優化問題，電網饋線布置主要考察各條待選線路的架設與否，可用二進制數編碼進行描述，先以符合條件的某可行解作為目標函數的初始解進行優化，具有非線性和整數性兩大特點，可采用 Tabu搜索技術有效求解［20］，具體流程如圖 6所示。

6 算例分析

圖6 Tabu搜索流程圖Fig.6 Flow chart of Tabu searching

以影響最嚴重的三相對稱暫降為例，基于MATLAB和PSCAD/EMTDC仿真平臺對以工廠用戶為代表典型優質電力園區進行仿真驗證。假設工廠主要包含三類工業過程，其中造紙過程又可分為處理木料的木片切削機（200 kW）、提煉木漿的水泵（800 kW）和鼓風機（22 kW）等子過程；類似地，制藥過程分為維持制藥車間氣孔壓強的通風機（560 kW）、增壓泵（500 kW）和變頻器（4 kW）等子過程；化工過程分為控制化學反應堆水溫度的冷凝風機（160 kW）、離心油泵（880 kW）和保證實驗環境的氧氣測量裝置（18 kW）。首先通過PSCAD/EMTDC暫態仿真確定各子過程的PIT曲線，本文中的物理參數均為電動機轉速。首先得到用戶的電能需求列表。以木片切削機為例，如圖7所示，結合其生產工藝和工作原理可知，電動機轉動帶動刀具獲得滿足一定幾何形狀、尺寸精度和表面質量的木材，當轉速下降到低于同步轉速96%時切削速度不滿足要求，導致中斷或產品報廢，由此可知過程參數限制值Plimit=0.96。結合電力園區配電網繼電保護配置，保護動作時間為100 ms～150 ms，取典型暫降持續時間為150 ms，只有當PIT大于150 ms，才能滿足過程可自動恢復的后果狀態，圖7給出了木片切削機遭遇不同幅值暫降時PIT的變化趨勢，當暫降幅值為0.54 p.u.時，PIT=Dsag，因此可知子過程A的供電質量需求為Usag≥65%Un。同理可得其他過程供電質量需求，如表2所示。

圖7 木片切削機的暫降響應特性Fig.7 Sag response characteristic of wood cutting machine

表2 不同子過程的供電質量需求Tab.2 Power quality demand of different sub-processes

在園區內，不同支路均需配置相應補償裝置，以滿足接入負荷要求，圖8（a）為按過程類型得到的電網線鋪設方案，圖8（b）為考慮供電質量等級后的饋線布置方案，后者是在獲得各過程抗擾度和電能需求后，建立相應模型并運用Tabu搜索法求解得到的。其中，不同技術方案中各支路的供電方式和DVR補償容量如表3，優化后的園區將供電需求相近的子過程接入同一支路（圖8（b）），不同饋線按不同供電質量等級集中補償，這樣得到的優質園區技術方案，供電質量等級劃分明確，且能大幅減少在補償設備上的資金投入，兩者的技術經濟性分析如圖9所示。

表3 不同技術方案內容Tab.3 Contents of different technical solutions

圖8 優質電力園區的饋線布置方案Fig.8 Layout scheme of feeders in PPP

由圖9可知，總過程中各子過程的地理位置相對集中，傳統的技術方案在線路投資上更優，但定制電力設備的成本則高于本文提出的方法，結合表2和表3可知，不同子過程的暫降抗擾度差異較大，需配置不同等級電能質量。本文基于過程抗擾時間曲線獲取用戶的電能需求，對相近需求子過程進行集中式補償，得到的基于供電質量等級的技術方案能夠以更低成本解決園區內用戶電能需求的差異性，為優質電力園區的進一步發展提供了依據。

圖9 園區內技術方案綜合成本Fig.9 Composite cost of technical solutions in PPP

7 結束語

（1）過程抗擾時間不僅可以將電壓暫降特征與過程物理參數、用戶可接受水平聯系起來，還可以作為供電質量需求和園區供電質量等級劃分的依據；

（2）基于過程暫降抗擾時間和PIT曲線的供電質量等級劃分方法，克服了僅考慮過程電氣特性的不足，是確定優質電力園區技術方案的有力依據；

（3）本文提出的優質電力園區技術方案優化方法，不僅能滿足不同用戶對供電質量的要求，還能保證總投資最少，具有一定理論價值和明顯的工程應用前景。

優質電力園區是綜合解決區域性高品質供電的有效解決方案，除了考慮用戶對供電質量的需求和投資成本外，還應進一步考慮公用電網的供電可靠性、擾動水平，考慮可再生能源、儲能技術等的綜合應用，考慮園區供電網與公用電網的協調控制等問題，這些問題均是值得深入研究的重要課題。