含分布式新能源的城市配电网供电模式柔性切换方法＊

张 炀,程韧俐,史 军,祝宇翔,马伟哲,许 琴

（1．深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2．广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）

1 引言

城市配电网是一个小型的电力系统，其主要包括负荷、分布式发电DG、控制设备和储能装置[1]。城市配电网系统主要有两种运作模式：并网和孤岛。并且通过在这两种模式间的切换来形成电压幅值的波动和通过合闸来冲击电流，这样有利于保证城市配电网系统运作过程中的安全性和可靠性，能够实现平滑切换[2]。分布式新能源在城市配电网中发挥了重大作用，能够创造城市配电网的经济效益、保证微型电源的正常运作、改变电能质量和缓冲能量等。而且在城市配电网中，PCS(Power Conversion System，功率转换系统)作为主电源的时候，能够给其他的DG提供离网运作时的电压支撑，这样能够通过控制蓄电池的充放电来维系系统功率的平衡[3]。

袁简等人研究了适用于高可靠性供电区的配电网接线柔性切换方法，改变系统的运作模式比如断开直流配电网的内线路和对有些可控设备停止运作等方式，对于以后的直流配单网的运作提供了一定的参考价值和意义[4]；李国香提出直流配电网的运行方式柔性切换方法，保证在切换过程中冲击电流不会产生，而且也不会产生过电压等，设备能够正常运作，在切换的过程中，主要是协调控制器来控制和协调各设备间的信息流，对今后电网的发展具有一定的适应功能[5]。在上述分析基础上，提出将分布式新能源应用到了城市配电网供电模式的切换中，提高城市配电网供电模式的切换效果。

2 城市配电网供电模式柔性切换方法设计

2.1 探测城市配电网的性能

将城市配电网的丢包率、数据传输速率、连接构建时间以及时延作为城市配电网性能的探测指标，从而满足供电模式的切换需求[6]。

城市配电网的数据传输丢包率是指在特定的时间段内，丢失或者出错的数据量占所有传输数据包的比重[7]。比如城市配电网在时间段t内传输的数据包为Nt，那么丢包率的计算公式为：

式中，Nr表示所有数据包中正确传输的数据量。

数据传输速率是城市配电网在单位时间内传输的数据量[8]，数据传输速率的计算公式为：

式中，城市配电网在t时刻传输的数据量为M。连接构建时间是城市配电网的客户端与服务器之间构建连接耗费的时间，连接构建时间的计算公式为：

式中，Tst表示客户端传输数据过程中构建连接申请的时刻，Tend表示连接构建的完成时间。城市配电网的时延是数据从传输到接收的时间间隔，城市配电网数据传输的时延计算公式为：

式中，城市配电网连续探测了n次，Tli表示数据的传输时刻，T2i表示数据的接收时刻。丢包率、数据传输速率、连接构建时间以及时延是探测城市配电网性能的关键性指标，从而识别城市配电网链路性能的好与坏。为了将多个探测参数综合，需要归一化处理不同量纲参量。

假设存在n'个城市配电网的探测指标，归一化处理每一个探测指标之后，可以得到，探测指标的加权值为，根据丢包率、数据传输速率、连接构建时间以及时延四个参数的设定，综合衡量探测参量，表示为：

采用数据传输丢包率和时延作为主要探测指标，数据传输速率和连接构建时间作为辅助探测指标，从而计算城市配电网性能的综合探测参量。

式中，Tmin表示最短时延，Tmax表示最长时延，归一化处理城市配电网每一条链路的传输时延之后，定义第i条链路的数据传输时延为：

式中，Lmin表示最小的数据丢包率，Lmax表示最大的数据丢包率，归一化处理城市配电网每一条链路的数据传输丢包率之后，定义第i条链路的数据传输丢包率为：

令城市配电网的数据传输时延权值为wd，数据传输丢包率的权值为wl，那么第i条链路访问城市配电网性能的综合参量表示为：

依据城市配电网供电模式的柔性切换需求，将城市配电网的丢包率、数据传输速率、连接构建时间以及时延作为城市配电网性能的探测指标，计算城市配电网性能探测的综合衡量参量，探测了城市配电网的性能。

2.2 定位城市配电网供电模式温升异常点

假设城市配电网供电模式的单位距离为1米时，电能的接收功率为Q，可以计算出电能发射结点与接收结点之间的距离，公式为：

式中，n表示城市配电网供电模式的电量损耗指数，m表示电力修正系数。利用电力修正测量方法确定Q和m的取值，通过在城市配电网供电模式的电能异常发射结点区域内，选取任意两个锚节点来确定。但是会产生比较大的误差参数，因此当城市配电网供电模式的异常发射结点接收RSSI值时，选择最大的三个锚节点，确定城市配电网供电模式的温升异常点，如图1所示。

图1 m值计算过程示意图

在m值的计算过程示意图中，假设O为异常点，A、B、C是城市配电网供电模式温升异常点定位所使用的三个锚结点。在O、A、B、C的特征环境中，根据公式(11)可以确定A、B、C 的坐标节点距离。连通A、B、C 三个锚结点的电源，通过分布式新能源计算值Q和n值，当锚结点B和C接收到城市配电网供电模式的电流RAB和RAC时，可以得到相关等式，表示为：

利用上式可以计算nA和QA的值，相同道理也可以计算B和C的结点坐标。

通过计算电能发射结点与接收结点之间的距离，利用电力修正测量方法，在城市配电网供电模式的电能异常发射结点区域内选取任意两个锚节点，建立城市配电网供电模式温升异常点的实际距离与测距距离之间的修正方程，确定了城市配电网供电模式温升异常点的位置。

2.3 城市配电网供电模式的柔性切换

当检测到城市配电网恢复供电模式时，需要将城市配电网由孤岛运行模式切换到并网运行模式，在切换过程中，城市配电网的光伏发电和风力发电都在PQ 控制下出力，只需要调节作为主电源的分布式新能源，切换过程如下：

Step 1：将城市配电网供电模式由孤岛切换到并网，其产生的电流大小是由相角差和电压偏差决定的，与频率差之间几乎没有关系，为了减小城市配电网在并网合闸时产生的冲击，需要采用预同步控制的方式，将电压和相角调节到初始状态。

Step 2：经过预同步控制切换之后，城市配电网与公共配电网的电压和相角满足以下关系时，将城市配电网切换到并网模式；

式中，|U|grid表示公共配电网的电压幅值，|U|表示城市配电网的电压幅值，|U|N表示额定电压幅值。

Step 3：完成并网模式的切换之后，将分布式新能源由控制模式切换到充电模式，并使得电容器和蓄电池进入充电状态，恢复对城市配电网供电模式的次要负荷进行供电。

综上所述，通过探测城市配电网的性能，定位了城市配电网供电模式温升异常点，结合城市配电网供电模式切换流程，实现了城市配电网供电模式的切换。

3 实验对比分析

为了验证含分布式新能源的城市配电网供电模式柔性切换方法的性能，分别引入文献[4]的柔性切换方法和文献[5]的柔性切换方法作对比，从数据传输时延和丢包率两个方面，进行测试。

三种柔性切换方法的输出传输时延测试结果如图2所示。

图2 输出传输时延测试结果

从图2的结果可以看出，与文献[4]的柔性切换方法和文献[5]的柔性切换方法相比，采用含分布式新能源的城市配电网供电模式柔性切换方法，在不同的实验次数下，数据传输时延是最短的，整个测试过程中都将数据传输时延控制到了0．6ms以内，原因是，本文设计的方法针对城市配电网中的每一条链路都计算了探测的平均时延，并归一化处理了平均时延计算结果，为其赋予权值，降低了该方法的数据传输时延。

三种柔性切换方法的数据丢包率测试结果如图3所示。

图3 丢包率测试结果

从图3的结果可以看出，文献[4]的柔性切换方法在传输数据时丢包率大约为15%，文献[5]的柔性切换方法在传输数据时，丢包率比较高，基本上都超过了9%，而含分布式新能源的城市配电网供电模式柔性切换方法随着时间的变化，切换供电模式之后，数据的丢包率偏低，都控制到了5%以内，该方法针对城市配电网每一条链路持续计算数据丢包率，并对其进行归一化处理，大大降低了数据传输的丢包率。

4 结束语

本文提出了含分布式新能源的城市配电网供电模式柔性切换方法，通过探测城市配电网的性能，定位了城市配电网供电模式温升异常点，结合城市配电网供电模式切换流程，实现了城市配电网供电模式的切换。结果显示，该方法可以提高城市配电网的性能。