智能电网10kV／380V变电站监测研究

潘启迪

（武钢资源集团金山店矿业有限公司，湖北 大冶 435116）

随着电力系统规模的日益扩大，近年来，国内外大面积停电事故多发，造成了严重的经济损失。2008年的冰冻灾害造成许多主电源故障，也反映了我国有些城市电网抗外部冲击能力的不足[1－2]。

由于世界范围内能源供应紧张，故在21世纪之初出现了智能电网的概念，其主要目的是尽可能提高电网抗干扰的能力，并网更多的可再生能源，减少化石能源消耗，减少碳排放，保护自然生态环境[3]。

鉴于大型配电网集中监控的复杂性，为提高配电网的自愈能力和抗外界干扰的能力，实现更多绿色可再生能源并网，使电网的不利影响降到最低，一些学术研究机构先后提出了变电站监控技术的概念。

1 变电站监控技术

小微网络由分布式电源（微型燃气轮机，燃料电池，光伏电源等）、储能装置、电力负荷、冷热负荷等组成，其电压等级在10kV及以下，可与大电网进行能量交换，也可独立运行，其常使用较小的电力设备控制系统[4－5]。当微网与大电网同时运行时，根据用户的不同情况，网络负载可从内部或外部电网中吸收能量。如果满足了内部负载的需求之后网络仍然有盈余能量，网络可以将能量传输到外部的电网。如果因故障或停电检修等导致变电站与变电站之间的连接中断，变电站可独立于外部电网模式而平滑过渡到内网运行状态。

我国电力自动化系统测控技术的发展有以下特点：

（1）我国经济发展迅速，导致分销网络跟不上快速发展的要求，所以在经济发达地区经常会发生当某一配电网刚刚完成了改造，部分或大部分线路又已满负荷或过载，甚至无法在线路之间传递负载，此时，电源分配就需要再次改变。

（2）某中型城市配电网自动化系统涉及多达一百条配电线路、数千列开关和监控终端、数百公里的通信线路，投资大但效率不高。根据统计分析，进行网络改造可以使变电站的可靠性达到99%以上，并可结合配网自动化监控系统的建设，使电力配电网的可靠性进一步提升，但对提高电网效率不明显，只对提升社会效益和经济效益有帮助。

建设智能电网的目的是使电网的自愈能力增强，使抵御外部冲击的能力增强，并增强其分布式绿色能源自由获取的能力。

2 10kV／380V变电站监控系统

随着“智能电网”在世界范围内的高度关注，在发达城市和工业发达国家的分销网络中，对分布式供电的接入非常重视，因为这样可以提高绿色能源在电力结构中的比重[7－8]。研究智能电力、智能社区、智能楼宇和智能家居的目的是提高终端用电效率，进一步提高供电末端电能质量和供电可靠性。在开展项目建设试点的基础上，人们提出了智能变电站的概念。

微网是城市电网的一部分，可平衡区域内负荷，使其按照城市发展规划稳定运行。区域内分布式发电可优化供电质量，提高供电可靠性，增强抗外部干扰能力，其微型电网分布图如图1所示。

图1 微型电网分布图

网络监控系统应根据不同地区的特点建立配网自动化系统，并应建立在许多微网监控系统的基础之上。稳定独立运行的网络监控系统可保障配电网稳定经济运行。配网自动化系统不再像过去那样难以实现监控，各个微网的稳定运行保证了整个配电网络的科学稳定运行。

下垂系数和SST输出阻抗应满足以下方程：

其中，X1、m1和n1分别是输出阻抗、有源功率下垂系数和无功功率系数。需要注意的是，输出SST阻抗应包括内部控制器阻抗和外部线路阻抗。

为了使并联SST输出阻抗满足方程（1），应调整并联控制器参数，但由于固有线路阻抗的差异性，参数调整是有限的。虚拟电感可在静止坐标系下添加到电源回路中，以削弱线路对无功功率分布的影响。在本文中，同步下的虚拟电感采用旋转坐标系，与静止坐标系下的虚拟阻抗相对应，其优点是对谐波和噪声的影响不敏感。

在同步旋转参考系中，变量关系式为：

其中，VLd、VLq、iLd、iLq分别是相应电感轴上的电压和电流，L是电感值。

因此，可以得出以下结论：

在添加虚拟电感后，同步旋转参考系中功率控制器原理可以重写为：

其中：Lv是虚拟电感；Vdref和Vqref是d轴和q轴上的参考电压分量，分别由虚拟电感校正；id和iq分别是SST输出电流在d轴和q轴上的分量；P＊和Q＊是参考量；Pi和Qi是SST输出功率。当虚拟电感的电抗值被设置很大时，线路阻抗的差异可以忽略不计。因此，改进的电源控制器也适用于非线性负载系统。

3 仿真验证

为了验证本文所提出方法的有效性，可在Matlab／Simulink平台上构建并行模型来观察两个SST的输出功率分配比及低压交流母线中的谐波含量。

系统频率设置为50Hz。两个SST的额定电压为10kV／380V，额定容量分别为1MVA和0．5MVA。电感值和低通滤波器的电容值分别为2mH和60μF。下垂控制器的参数设置见表1。从两个SST控制器参数可知，m2＝2m1，n2＝2n1，Lv2＝2Lv1。需要注意的是，线路阻抗的差异设置很大，这有利于验证集成下垂控制器的控制效果。

表1 参数设置表

功率分配结果如图2和图3所示。在0－0．2S期间，并行系统是在经典的下垂控制方法下运行，无需虚拟阻抗，而在0．2－0．5S期间是在综合下垂控制方法下运行，负载时间值设置在0．35S处。

图2 有功功率分配

图3 无功功率分配

图2中，两者的有功功率按2：1准确分布，在陡峭变化时鲁棒性强，负载发生在0．35S处。图3中，在0－0．2S内，无功功率不按容量比例分配，甚至出现负值，这是由于它们的线路阻抗差异很大。在0．2S处切换到综合下垂控制方式后，无功功率可以根据2：1分布，不再因虚拟电感而受到线路阻抗的影响，0．35S处负载发生急剧变化，鲁棒性强。

4 结论

基于智能电网的变电站监控系统是一种新型的监控系统，符合现代智能电网发展需求，可以说变电站监控系统就是智能电网的智能单元。建设网络监控系统是对传统配电的一次革命性变革。只有建立了众多的变电站监控系统，才能有效建设全市的配网自动化系统。

变电站网络监控系统的建设不仅促进了技术创新，还带动了各类智能开关、智能监控终端设备等产品的应用和发展。随着智能技术的不断发展，变电站智能监测系统的质量性能会不断提升，必将有力推动我国电力行业和智能产业的高质量发展。