分布式电源接入配电网不平衡负荷数据修正系统

2023-10-05姚朋辉张越铖

电子设计工程 2023年19期

白杰，姚朋辉，张越铖，雷霆

（云南电网有限责任公司玉溪供电局，云南玉溪 653100）

配电网中分布式接入电源会导致电流电压负载不均匀，在运行过程中容易产生大量不平衡负荷的负载数据。负荷不均衡会加大变压器、线路的消耗，危害供电系统的安全，导致供电系统无法平稳和正常运行。通过对配电网不平衡负荷的数据修正，可以确保电力设备正常运行以及减少备用电力设备容量，降低发电成本，提高经济效益。

近年来，由于我国对分布式电源接入配电网负荷不均衡现象的普遍关注，国家陆续出台了相应的电力质量标准，有很多学者对此方面进行了相关研究。文献[1]提出了一种对分布式电源接入配电网不平衡的优化研究，结合了对分布式光伏和分布式风能输出功率的研究，建立了城市供电网不平衡无功优化的研究体系，通过退火蚁群算法对模型的计算，实现配电网的无功优化，但此方式过于依赖电力数据数值，在大多数情况下无法完成。文献[2]利用混沌粒子群技术建立仿真模型，完成对分布式电源接入配电网的优化仿真，但此方法的优化过程受算法的影响，在实际运用中模型的求解过程较复杂。

为了解决配电网不平衡负荷数据修正过程复杂、能耗较高的问题，该文设计了分布式电源接入配电网不平衡负荷数据修正系统。

1 系统硬件设计

该文采用多数字信号处理器以及复杂可编辑逻辑器组成分布式电源接入配电网不平衡负荷数据修正系统的硬件部分。系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构

1.1 多数字信号处理器

该文选用的多数字信号处理器型号为9281-321DF，主体为16 位的微处理芯片作为基本位长，并配有程序操控芯片、程序报警中断芯片、DMA 合成芯片、时间芯片，字宽为32 位，通过三角载波控制法产生脉冲控制信号，将输出的补偿与输出电压和三角载波比较，从而形成脉冲控制信号[3-4]。多数字信号处理器结构如图2 所示。

图2 多数字信号处理器结构

观察图2 可知，其指令模式采用微程序操控，处理速度快、反应时间短，采用浮点算法，以数据表示成指数形式来实现大数据动态范围操控[5-6]。

多数字信号处理器的主要功能是记录分析补偿电流，采集负荷电流与负荷电压，并对采集到的电流负荷与电压负荷进行DQ 转换，以此得到负荷电流与负荷电压的有功功率与无功功率，提取负荷电流中的无功数据，通过DQ 反转换得到电流基波分量。

提取分布式电源接入配电网交流电荷中的不平衡负荷数据，分析数据得到负荷中电流数据所需补偿的电流无功数值，计算总谐波含量，将谐波大小依次排序。将处理后的数据传输到多数字信号处理器总控制器中，总控制器根据收集到的信息生成脉冲控制信号，脉冲控制信号控制无源补偿模块与有源补偿模块[7-8]，从而实现配电网不平衡负荷补偿。

1.2 复杂可编程逻辑器

该文选用的复杂可编程逻辑器为可重配置型机器，该复杂可编程逻辑器的逻辑分析模块采用GFR模块，由排列单元、乘积单元、共享单元以及输出逻辑单元组成，由PLD 电路控制整体运行。使用SHJU 单元保存模块数据，其优点为逻辑功能高、系统结构简单、费用低、可靠性高[9-10]。频率计量过程如图3所示。

图3 频率计量过程

根据图3 频率计量实现逻辑编程，逻辑器包含静态随机储存器以及ISO1289 器件，由全局操控模块、逻辑分析模块、输入输出模块以及布线模块构成[11-12]，并含有时间单元与网络CHG 单元。

2 系统软件设计

通过复杂可编程逻辑器设计分布式电源接入配电网不平衡负荷数据检测软件以及修正软件。

2.1 分布式电源接入配电网不平衡负荷数据检测

针对复杂可编程逻辑器件设计分布式电源接入配电网的不平衡负荷数据监测程序，采用TAKEN 嵌入思想，结合配电网电力系统的参数，建立相位空间点，以V表示相位空间点，进而采集时间序列的样本，在系统的嵌入数够大时，对吸引子维数d也存在着确定性映射，设分布式电源接入配电网参数为c，m为相位空间点向量，因此重构的相位空间点也可以描述为：

假设ψ为重构相位空间点第i个时间序列的检测值，若已知V的值，则可以利用V对ψ进行求解[13-14]。对配电网不平衡负荷数据的检测是实际检测的关键内容，因此只检测相位空间点即可。通过检测寻找最近邻点与检测点的规律，根据欧氏距离公式得出吸引子维数d的值。

在配电网检测电路时，检测的准确度主要取决于欧氏距离方法定义的最近邻点的性质。如果最近相位点与最初相位点之间的距离较大，则测量的准确性便下降，反之则测量的准确性提高。但是在配电网测量中，往往由于各种环境因素的影响，导致最近相位点与最初相位点之间的距离增大，所以必须不断寻求最邻点以提高测量的准确性。因此可以通过相关度原理选择符合欧氏距离方法的最邻点，其具体选择流程如图4 所示。

根据图4 可知，将重构吸引子维数d代入欧氏距离计算方程中，得出V的L个最近邻点，并计算出中心点Vn，利用计算出的最近邻点建立V与Vn的关系为：

在计算过程中，最近邻点必须满足的条件是与二极限值之间不产生交集的交点。不满足线性回归方程参数所计算的最近邻点，要有关联性条件。因为由运算结果得出了参数矩阵上的值，所以，检验值可以表示为：

图4 选择流程

其中，u与o为拟合参数。通过上述计算，结合TAKEN 嵌入理论[15]完成对分布式电源接入配电网不平衡负荷数据的检测。

2.2 分布式电源接入配电网不平衡负荷数据修正

根据上述过程得到分布式电源接入配电网不平衡负荷数据检验结果后，运行数据修正程序，利用均方根值获取数据修正结果为：

其中，h为谐波电流的运行次数，I为配电网电流，n为终端电流。在谐波电流补偿过程中，谐波电流的性能影响着补偿电流的效率，以内环结合谐波的电流补偿效率通过电流的瞬时值来反映，控制器的带宽可以提高电路系统的性能与稳定性，更好地实现信息修正。根据补偿配电网的谐波电流以及无功功率[16]，完成分布式电源接入配电网不平衡负荷数据修正。

3 实验研究

为了验证该文提出的分布式电源接入配电网不平衡负荷数据修正系统的实际应用效果，设定实验，选用的配电网容量为300 kVA，同时内部设定智能电量调节器，分析实验数据。

在确定配电网负荷不平衡状态后，利用调节器进行调节，确保数据的综合利用率。通过对比分析确定电压数据、电流数据以及无功功率数据，分析配电网内部损耗情况，通过监测管理得到数据信息。图5 所示为修正前后平均负荷电流。

图5 修正前后平均负荷电流

根据图5 可知，在负荷数据修正之前，配电网内部的电流产生了较大的波动，负荷数据存在严重的不平衡问题，信息难以准确传达。在应用该文的修正系统后，很好地解决了负荷数据不平衡问题，波动明显减小，负荷电流基本能够稳定运行，配电网内部的变压器和线路损耗得到明显减小。

该文设计的系统在确保数据负荷平衡后，补偿有功功率，分析补偿前后的功率因数，得到的实验结果如图6 所示。

图6 修正前后功率因数

根据图6 可知，补偿后功率因数得到了明显的提高，在未进行修正补偿之前，功率因数为0.7，而补偿之后功率因数上升到0.9，用户的用电质量得到了很好的保证，提高了数据的利用率，在运行过程中虽然也会造成一定的线路损耗，但是与未引入修正系统相比电路损耗明显降低。

根据电流修正前后的不平衡度判断配电网运行的稳定性，实验结果如表1 所示。

根据表1 可知，在未修正之前，配电网运行的不平衡度达到了50%，在运行过程中产生了极大的波动，很容易受到外界干扰，配电网甚至会遭到入侵，而引入该文提出的修正系统后，不平衡度降低到5%，波动明显降低，系统运行更好。

表1 修正稳定性实验结果

为进一步深入验证修正系统的实际效果，选用文献[1]计及分布式电源接入的三相不平衡配电网无功优化方法和文献[2]面向分布式电源接入配电网的电力优化模型进行对比实验，得到的线路损耗结果如表2 所示。

表2 线路损耗量实验结果

观察表2 可知，与未引入修正系统相比，三种修正方法都能够减少运行过程的线路损耗量，但是与两种对比的修正方法相比，该文设计的修正系统线路损耗量更低，线损量最多降低了100.2 kW·h，计及分布式电源接入修正方法最多降低了68.2 kW·h，电力优化模型修正方法最多降低了58.3 kW·h。由此可知，设计系统的减损能力最强，能很好地降低运行损耗费用。