含分布式新能源的城市配電網(wǎng)供電模式柔性切換方法研究

朱濤波，岳濤

（國網(wǎng)邵陽供電公司，湖南 邵陽 422000）

0 引言

隨著清潔能源的發(fā)展和城市用電需求的增加，分布式新能源逐漸在城市配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。然而，在使用分布式新能源的城市配電網(wǎng)中，由于其不穩(wěn)定性和間歇性特點(diǎn)，供電模式的切換變得尤為重要。有效的供電模式切換方法可以提高供電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，并最大限度地利用可再生能源。

1 含分布式新能源的城市配電網(wǎng)特點(diǎn)

分布式新能源的接入具有分散性。與傳統(tǒng)集中式能源發(fā)電方式相比，分布式新能源將發(fā)電設(shè)備分布在城市不同區(qū)域，例如屋頂太陽能光伏板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。以其中光伏板發(fā)電為例，接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。這種分散性帶來了能源供應(yīng)更加靈活和多樣化的優(yōu)勢，使得城市配電網(wǎng)的供電模式更為復(fù)雜[1]。

圖1 光伏發(fā)電接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

分布式新能源的特點(diǎn)是不穩(wěn)定性和間歇性。太陽能和風(fēng)能等可再生能源受氣候條件和環(huán)境影響較大，因此其發(fā)電量存在波動性和不確定性。這就要求城市配電網(wǎng)必須具備對新能源產(chǎn)生的不穩(wěn)定性進(jìn)行有效調(diào)節(jié)和管理的能力，以保證供電的穩(wěn)定性和可靠性。分布式新能源的接入增加了電力系統(tǒng)的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的城市配電網(wǎng)主要依賴于中央發(fā)電站進(jìn)行能源供應(yīng)，而分布式新能源的接入使得能源供應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅增加。這導(dǎo)致城市配電網(wǎng)需要適應(yīng)更多的能源入口和出口，同時考慮到各供電節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)和平衡，以避免電力系統(tǒng)運(yùn)行問題和安全風(fēng)險。分布式新能源的接入還帶來了能源供需匹配的挑戰(zhàn)。由于可再生能源的發(fā)電量與負(fù)荷需求之間存在一定的差異，配電網(wǎng)必須實現(xiàn)對能源供需的精確測算和動態(tài)調(diào)整。這需要引入智能監(jiān)測與控制技術(shù)，以實時監(jiān)測負(fù)荷情況和新能源供應(yīng)，從而進(jìn)行合理的能源分配和優(yōu)化調(diào)度[2]。

2 基于智能控制的含分布式新能源的供電模式柔性切換措施

2.1 建立實時監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)需求，確定需要監(jiān)測的關(guān)鍵指標(biāo)，例如分布式新能源的發(fā)電量、負(fù)荷需求、能源儲存情況等。然后，設(shè)計合適的傳感器布局，將傳感器安裝在關(guān)鍵位置，以便獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，具體如下：①太陽能輻射傳感器。用于監(jiān)測光伏發(fā)電板上的太陽能輻射情況。常見的種類包括輻射計和直射輻射計。設(shè)置時，需要將傳感器安裝在合適的位置，使其能夠準(zhǔn)確地接收太陽輻射。②風(fēng)速傳感器。用于監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速情況。常見的種類包括杯式風(fēng)速計和超聲波風(fēng)速計。設(shè)置時，需要將傳感器安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，以便測量風(fēng)速。③電流傳感器。用于監(jiān)測電力變壓器等設(shè)備中的電流情況。常見的種類包括霍爾效應(yīng)電流傳感器和羅格斯基線圈。設(shè)置時，傳感器需要正確連接到電路中，以測量實際的電流值。④溫度傳感器。用于監(jiān)測各個供電節(jié)點(diǎn)的溫度情況。常見的種類包括熱電偶和電阻溫度探測器。設(shè)置時，傳感器需要安裝在需要監(jiān)測溫度的位置，并與相應(yīng)的測溫設(shè)備連接。⑤濕度傳感器：用于監(jiān)測環(huán)境中的濕度情況。常見的種類包括電容式濕度傳感器和電阻式濕度傳感器。設(shè)置時，傳感器需要安裝在適當(dāng)位置，以獲取準(zhǔn)確的濕度值。在選擇具體種類時，可以根據(jù)需求考慮以下因素：測量范圍、精度、響應(yīng)時間、工作溫度范圍、通信接口等。此外，還要確保所選傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，以適應(yīng)實際環(huán)境中的各種條件。將傳感器集成為運(yùn)動裝置，并采用集中控制器控制，通過UI界面（用戶界面）呈現(xiàn)到調(diào)度中心。監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)到調(diào)度中心前，應(yīng)選擇合適的數(shù)據(jù)采集和通信技術(shù)。為了實時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，可采用各種數(shù)據(jù)采集技術(shù)，如模擬信號采集或數(shù)字信號采集。此外，需要選擇合適的通信技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚碇行幕蚩刂浦行摹３Ｓ玫耐ㄐ偶夹g(shù)包括有線通信（如以太網(wǎng)）和無線通信（如WiˉFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等），根據(jù)具體情況選擇最適合的通信方式。監(jiān)測系統(tǒng)需要有一個可靠的數(shù)據(jù)存儲和處理系統(tǒng)，用于接收、存儲和處理監(jiān)測數(shù)據(jù)。可以采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和索引，以便快速檢索和查詢數(shù)據(jù)。同時，需要建立數(shù)據(jù)處理算法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析和預(yù)處理，提取有用信息并去除噪聲和異常值。建立監(jiān)測系統(tǒng)的可視化界面，調(diào)度中心用戶界面示例如圖3 所示。為了方便用戶查看和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以設(shè)計一個直觀、易用的可視化界面。該界面可以通過圖表、曲線和地圖等形式展示監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供實時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。同時，還可以設(shè)置報警機(jī)制，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過事先設(shè)定的閾值時，及時發(fā)出警報，以便采取相應(yīng)的措施[3]。

圖3 調(diào)度中心用戶界面示例

2.2 數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理

在數(shù)據(jù)收集后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，包括檢測異常值、缺失值和噪聲等。異常值可能是由傳感器故障或不良環(huán)境因素引起的，需要進(jìn)行識別和處理。缺失值可能是由傳感器故障或通信問題導(dǎo)致的，可以通過插值或其他方法進(jìn)行填補(bǔ)。噪聲可以通過濾波技術(shù)去除，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和歸一化。數(shù)據(jù)清洗是指對無效、冗余或錯誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除或修復(fù)，確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性。數(shù)據(jù)歸一化是指將不同范圍或單位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)范圍，以消除數(shù)據(jù)之間的尺度差異，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和建模。進(jìn)行特征提取和選擇。特征提取是從原始數(shù)據(jù)中提取有用的特征或指標(biāo)，以反映系統(tǒng)的狀態(tài)和特性。例如，可以通過計算平均值、方差、頻率分量等來提取特征。特征選擇是在所有可用特征中選擇最具代表性和相關(guān)性的特征，以減少數(shù)據(jù)維度并提高模型的性能?；谇逑?、歸一化和特征選擇后的數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計分析等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和分析。例如，可以采用回歸分析、時間序列分析、聚類分析等技術(shù)，從歷史數(shù)據(jù)中挖掘出供電模式柔性切換的規(guī)律和趨勢，為決策提供依據(jù)[4]。

2.3 切換策略制定

需要根據(jù)供電系統(tǒng)的實際情況和需求確定切換策略的目標(biāo)。這包括確定切換的條件、優(yōu)先級和目標(biāo)，例如優(yōu)先使用可再生能源或優(yōu)化電網(wǎng)穩(wěn)定性等。需要對供電系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和評估。通過采集、處理和分析各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)，可以獲取關(guān)于太陽能輻射、風(fēng)速、電流、溫度、濕度等參數(shù)的信息，以及現(xiàn)有電網(wǎng)負(fù)載和供電節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)等信息?；诒O(jiān)測數(shù)據(jù)和評估結(jié)果，可以利用智能算法和控制方法來制定切換策略。例如，可以使用模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等技術(shù)來建立預(yù)測模型和優(yōu)化算法，以實現(xiàn)對供電模式的柔性切換。在制定切換策略時，還需要考慮供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。可以設(shè)置合理的閾值和容錯機(jī)制，以確保切換過程中不會對供電系統(tǒng)造成過大的波動或故障。此外，還應(yīng)該考慮與其他系統(tǒng)的協(xié)同和通信。例如，與電網(wǎng)運(yùn)營商進(jìn)行實時交互，獲取電網(wǎng)負(fù)載預(yù)測和市場電價等信息，以優(yōu)化切換策略。最后，為了驗證和優(yōu)化制定的切換策略，可以進(jìn)行模擬仿真和實地試驗。通過模擬不同條件下的供電情況，并評估切換策略的性能和效果，可以對策略進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整[5]。

基于智能控制的含分布式新能源的供電模式柔性切換策略的制定涉及目標(biāo)確定、數(shù)據(jù)監(jiān)測與評估、智能算法與控制方法、穩(wěn)定性與可靠性考慮、協(xié)同與通信以及驗證與優(yōu)化等關(guān)鍵步驟。這些步驟的有效執(zhí)行將為供電系統(tǒng)的柔性切換提供支持和保障。

2.4 動態(tài)切換控制

將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息作為智能算法的輸入，經(jīng)過算法處理和模型訓(xùn)練，得到切換控制的輸出結(jié)果，即切換決策。輸出結(jié)果可以是一個離散的切換動作，如切換到傳統(tǒng)電網(wǎng)或分布式新能源，也可以是一個連續(xù)的控制參數(shù)，如功率分配比例。進(jìn)行智能算法的訓(xùn)練和優(yōu)化。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實際運(yùn)行情況，通過訓(xùn)練智能算法模型，使其具備對不同監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)的判斷和決策能力。訓(xùn)練過程中，可以使用優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和模型優(yōu)化，以提高算法的性能和準(zhǔn)確性。最后，實施動態(tài)切換控制。將經(jīng)過訓(xùn)練和優(yōu)化的智能算法應(yīng)用于實際系統(tǒng)中，根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息，利用智能算法生成切換決策。根據(jù)切換決策，執(zhí)行相應(yīng)的切換操作，將電力供應(yīng)模式從傳統(tǒng)電網(wǎng)切換到分布式新能源或反之。

2.5 驗證與調(diào)整

進(jìn)行實際系統(tǒng)測試。在設(shè)計和實施切換措施后，需要將其應(yīng)用到實際的供電系統(tǒng)中進(jìn)行測試。這可以通過搭建小型規(guī)模的系統(tǒng)實驗室或在現(xiàn)有的實際系統(tǒng)中設(shè)立試點(diǎn)來完成。實際測試將評估控制策略的有效性和穩(wěn)定性，以及切換過程中的性能表現(xiàn)。進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和評估。通過收集實際測試中得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以對切換控制策略進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)分析和評估。這包括比較實際數(shù)據(jù)與預(yù)期結(jié)果的一致性，評估切換響應(yīng)時間、能源利用效率等指標(biāo)，并檢查是否存在異常情況或性能瓶頸。根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。如果在驗證過程中發(fā)現(xiàn)切換控制策略存在問題或需要改進(jìn)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。這可能涉及參數(shù)調(diào)整、邏輯修改或算法優(yōu)化等。調(diào)整后，需要再次進(jìn)行測試和評估，以確保改進(jìn)后的控制策略達(dá)到預(yù)期效果。進(jìn)行長期實時監(jiān)測和維護(hù)。一旦切換控制策略經(jīng)過驗證和調(diào)整，并成功應(yīng)用于實際系統(tǒng)中，需要建立長期的實時監(jiān)測和維護(hù)機(jī)制。這包括定期對系統(tǒng)性能進(jìn)行評估，及時檢測并解決潛在問題，并根據(jù)實際運(yùn)行情況，對控制策略進(jìn)行適時的優(yōu)化和改進(jìn)。

3 結(jié)語

綜上所述，通過深入分析分布式新能源的特點(diǎn)和城市配電網(wǎng)的需求，提出了一種有效的供電模式切換方法。該方法結(jié)合了實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和智能控制技術(shù)，能夠根據(jù)可再生能源的可用性和負(fù)荷需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。通過靈活切換供電模式，可以在保證供電可靠性的同時最大程度地利用分布式新能源，降低對傳統(tǒng)能源的依賴，實現(xiàn)城市配電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。未來的研究方向可以包括進(jìn)一步優(yōu)化切換策略，提高切換的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性，以適應(yīng)不同條件下的供電需求。此外，還可以探索與能源儲存技術(shù)的結(jié)合，提高分布式新能源的利用率和供電質(zhì)量。通過持續(xù)的研究和創(chuàng)新，有信心在含分布式新能源的城市配電網(wǎng)中實現(xiàn)更加靈活和可靠的供電模式切換，在此基礎(chǔ)上推動城市能源的可持續(xù)發(fā)展。