智能電網(wǎng)10kV／380V變電站監(jiān)測研究

潘啟迪

（武鋼資源集團金山店礦業(yè)有限公司，湖北 大冶 435116）

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴大，近年來，國內(nèi)外大面積停電事故多發(fā)，造成了嚴重的經(jīng)濟損失。2008年的冰凍災害造成許多主電源故障，也反映了我國有些城市電網(wǎng)抗外部沖擊能力的不足[1－2]。

由于世界范圍內(nèi)能源供應緊張，故在21世紀之初出現(xiàn)了智能電網(wǎng)的概念，其主要目的是盡可能提高電網(wǎng)抗干擾的能力，并網(wǎng)更多的可再生能源，減少化石能源消耗，減少碳排放，保護自然生態(tài)環(huán)境[3]。

鑒于大型配電網(wǎng)集中監(jiān)控的復雜性，為提高配電網(wǎng)的自愈能力和抗外界干擾的能力，實現(xiàn)更多綠色可再生能源并網(wǎng)，使電網(wǎng)的不利影響降到最低，一些學術研究機構先后提出了變電站監(jiān)控技術的概念。

1 變電站監(jiān)控技術

小微網(wǎng)絡由分布式電源（微型燃氣輪機，燃料電池，光伏電源等）、儲能裝置、電力負荷、冷熱負荷等組成，其電壓等級在10kV及以下，可與大電網(wǎng)進行能量交換，也可獨立運行，其常使用較小的電力設備控制系統(tǒng)[4－5]。當微網(wǎng)與大電網(wǎng)同時運行時，根據(jù)用戶的不同情況，網(wǎng)絡負載可從內(nèi)部或外部電網(wǎng)中吸收能量。如果滿足了內(nèi)部負載的需求之后網(wǎng)絡仍然有盈余能量，網(wǎng)絡可以將能量傳輸?shù)酵獠康碾娋W(wǎng)。如果因故障或停電檢修等導致變電站與變電站之間的連接中斷，變電站可獨立于外部電網(wǎng)模式而平滑過渡到內(nèi)網(wǎng)運行狀態(tài)。

我國電力自動化系統(tǒng)測控技術的發(fā)展有以下特點：

（1）我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，導致分銷網(wǎng)絡跟不上快速發(fā)展的要求，所以在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)經(jīng)常會發(fā)生當某一配電網(wǎng)剛剛完成了改造，部分或大部分線路又已滿負荷或過載，甚至無法在線路之間傳遞負載，此時，電源分配就需要再次改變。

（2）某中型城市配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)涉及多達一百條配電線路、數(shù)千列開關和監(jiān)控終端、數(shù)百公里的通信線路，投資大但效率不高。根據(jù)統(tǒng)計分析，進行網(wǎng)絡改造可以使變電站的可靠性達到99%以上，并可結合配網(wǎng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的建設，使電力配電網(wǎng)的可靠性進一步提升，但對提高電網(wǎng)效率不明顯，只對提升社會效益和經(jīng)濟效益有幫助。

建設智能電網(wǎng)的目的是使電網(wǎng)的自愈能力增強，使抵御外部沖擊的能力增強，并增強其分布式綠色能源自由獲取的能力。

2 10kV／380V變電站監(jiān)控系統(tǒng)

隨著“智能電網(wǎng)”在世界范圍內(nèi)的高度關注，在發(fā)達城市和工業(yè)發(fā)達國家的分銷網(wǎng)絡中，對分布式供電的接入非常重視，因為這樣可以提高綠色能源在電力結構中的比重[7－8]。研究智能電力、智能社區(qū)、智能樓宇和智能家居的目的是提高終端用電效率，進一步提高供電末端電能質(zhì)量和供電可靠性。在開展項目建設試點的基礎上，人們提出了智能變電站的概念。

微網(wǎng)是城市電網(wǎng)的一部分，可平衡區(qū)域內(nèi)負荷，使其按照城市發(fā)展規(guī)劃穩(wěn)定運行。區(qū)域內(nèi)分布式發(fā)電可優(yōu)化供電質(zhì)量，提高供電可靠性，增強抗外部干擾能力，其微型電網(wǎng)分布圖如圖1所示。

圖1 微型電網(wǎng)分布圖

網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)應根據(jù)不同地區(qū)的特點建立配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，并應建立在許多微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎之上。穩(wěn)定獨立運行的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)可保障配電網(wǎng)穩(wěn)定經(jīng)濟運行。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)不再像過去那樣難以實現(xiàn)監(jiān)控，各個微網(wǎng)的穩(wěn)定運行保證了整個配電網(wǎng)絡的科學穩(wěn)定運行。

下垂系數(shù)和SST輸出阻抗應滿足以下方程：

其中，X1、m1和n1分別是輸出阻抗、有源功率下垂系數(shù)和無功功率系數(shù)。需要注意的是，輸出SST阻抗應包括內(nèi)部控制器阻抗和外部線路阻抗。

為了使并聯(lián)SST輸出阻抗?jié)M足方程（1），應調(diào)整并聯(lián)控制器參數(shù)，但由于固有線路阻抗的差異性，參數(shù)調(diào)整是有限的。虛擬電感可在靜止坐標系下添加到電源回路中，以削弱線路對無功功率分布的影響。在本文中，同步下的虛擬電感采用旋轉坐標系，與靜止坐標系下的虛擬阻抗相對應，其優(yōu)點是對諧波和噪聲的影響不敏感。

在同步旋轉參考系中，變量關系式為：

其中，VLd、VLq、iLd、iLq分別是相應電感軸上的電壓和電流，L是電感值。

因此，可以得出以下結論：

在添加虛擬電感后，同步旋轉參考系中功率控制器原理可以重寫為：

其中：Lv是虛擬電感；Vdref和Vqref是d軸和q軸上的參考電壓分量，分別由虛擬電感校正；id和iq分別是SST輸出電流在d軸和q軸上的分量；P＊和Q＊是參考量；Pi和Qi是SST輸出功率。當虛擬電感的電抗值被設置很大時，線路阻抗的差異可以忽略不計。因此，改進的電源控制器也適用于非線性負載系統(tǒng)。

3 仿真驗證

為了驗證本文所提出方法的有效性，可在Matlab／Simulink平臺上構建并行模型來觀察兩個SST的輸出功率分配比及低壓交流母線中的諧波含量。

系統(tǒng)頻率設置為50Hz。兩個SST的額定電壓為10kV／380V，額定容量分別為1MVA和0．5MVA。電感值和低通濾波器的電容值分別為2mH和60μF。下垂控制器的參數(shù)設置見表1。從兩個SST控制器參數(shù)可知，m2＝2m1，n2＝2n1，Lv2＝2Lv1。需要注意的是，線路阻抗的差異設置很大，這有利于驗證集成下垂控制器的控制效果。

表1 參數(shù)設置表

功率分配結果如圖2和圖3所示。在0－0．2S期間，并行系統(tǒng)是在經(jīng)典的下垂控制方法下運行，無需虛擬阻抗，而在0．2－0．5S期間是在綜合下垂控制方法下運行，負載時間值設置在0．35S處。

圖2 有功功率分配

圖3 無功功率分配

圖2中，兩者的有功功率按2：1準確分布，在陡峭變化時魯棒性強，負載發(fā)生在0．35S處。圖3中，在0－0．2S內(nèi)，無功功率不按容量比例分配，甚至出現(xiàn)負值，這是由于它們的線路阻抗差異很大。在0．2S處切換到綜合下垂控制方式后，無功功率可以根據(jù)2：1分布，不再因虛擬電感而受到線路阻抗的影響，0．35S處負載發(fā)生急劇變化，魯棒性強。

4 結論

基于智能電網(wǎng)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)是一種新型的監(jiān)控系統(tǒng)，符合現(xiàn)代智能電網(wǎng)發(fā)展需求，可以說變電站監(jiān)控系統(tǒng)就是智能電網(wǎng)的智能單元。建設網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)是對傳統(tǒng)配電的一次革命性變革。只有建立了眾多的變電站監(jiān)控系統(tǒng)，才能有效建設全市的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)。

變電站網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的建設不僅促進了技術創(chuàng)新，還帶動了各類智能開關、智能監(jiān)控終端設備等產(chǎn)品的應用和發(fā)展。隨著智能技術的不斷發(fā)展，變電站智能監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量性能會不斷提升，必將有力推動我國電力行業(yè)和智能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。