低压配电台区柔性互联关键技术与发展模式

何 晓，卢宜林

（国网安徽省电力有限公司黄山市黄山区供电公司，安徽 黄山 245000）

现阶段，我国较多地区的区域电网在连接中仍然采取的是刚性连接方式，结合关于低压配电台区刚性连接的分析，其具有较高的线损，尤其是在农村地区，其低压台区具有点多、面广以及较分散的特点，较多用户须从支线上直接引入电源，存在较多的线损，影响到供电质量[1]。新时期，随着对区域电网联结的不断研究，低压配电柔性互联逐步在低压配电台区联结中得到应用。柔性互联技术指的是运用柔性直流输电技术完成不同区域电网的互联，该方式在应用期间可较好地实现资源优化配置，减少线损，更好地适应新能源的接入，并逐步成为区域电网联结的一个重要研究方向。

区域电网刚性互联是现阶段电网互联的主要方式，即通过硬性连接方式实现不同区域多个电网的互联，通过不同电网之间的协调与处理，更好地为用户提供可靠且稳定的电力资源。

结合区域电网互联的刚性互联模式，其在使用中具有较高的稳定性，但是同时也存在局限性，主要表现为：（1）投资大，区域电网刚性互联时，为了保证电力输送的稳定性和可靠性，在刚性互联过程中通常需要对现有的输电设施予以扩建或者继续建设新的输电线路，需要大量的资金投入；
（2）需要较多的运行维护成本，区域电网在维护过程中，须视情况使用变压器、输电线路、配电设备、控制系统等，同时需要人力成本支出，还需要相关的安全保障措施费用支出，各方面的成本支出较大，使得整体运行维护成本高；
（3）如果发生故障，影响的范围较大，且因为范围较大，整个故障排查以及故障处理耗费的时间较长，可能给相关生产活动、人民的生活造成较大影响；
（4）灵活性差，不同用户本身在用电需求方面存在多样性，而刚性连接的灵活性差，无法较好地适应用户侧多样化需求。相对而言，区域电网中的柔性互联不仅可靠性高，同时还存在较强的“自愈”特点。

主要设备有以下5类。

2.1 交流低压智能断路器

常规的机械式断路器、电子式断路器在早期低压台区中应用较多，但是实际应用效果并不理想，比如在应用中存在较高的故障率，而发生故障后的维修难度也较大，且上述断路器在使用中的智能化不足。对此，区域电网在柔性互联过程中应积极研究一种新型的低压智能断路器，而结合不同学者关于低压智能断路器的相关研究，现阶段应用可靠，且研发成熟度较高的主要有分布式智能终端（DSTATM）、智能型万能式断路器（PLC），上述两种智能断路器均符合IEC 60870-5-104协议标准。智能断路器中使用微处理器形成控制中心，不同数据可通过传感器获取并在数据分析后执行有关操作，能够更好地监测电网，保护电网[2]。

2.2 AC/DC换流器

低压配电台区柔性互联过程中，为了更好地实现电能传输，AC/DC变换器是必不可少。通过AC/DC换流器能够使输入的交流电转换为直流电，确保输出的电源满足不同用电设备的负载需要，同时兼顾供电稳定性与可靠性。AC/DC换流器存在不同的拓扑结构，如半桥型、全桥型等，从功率密度、效率方面分析，全桥型AC/DC变换器有明显优势。如果低压配电台区柔性互联区域内存在频繁的电压波动，同时低压台区存在较大的负荷变化，此时选择的AC/DC变换器应符合高效、低损耗的要求。

2.3 DC/DC换流器

为了在区域电网互联中保证交流电网和直流电网能够完成电力资源的传递，须在柔性直流输电中配备DC/DC变换器。DC/DC变换器在使用中能够满足可靠、高效等优势，在低压配电台区柔性互联中有一定的应用优势。低压配电台区柔性互联中为了提升整个系统的灵活性，并考虑系统在后续应用中的可扩展性要求，其结构可采取模块化，从而满足上述要求，同时有利于对整个结构的维护与升级。半桥型、全桥型、推挽型均是现阶段常用的DC/DC变换器拓扑形式，当然不同形式的变换器有着不同的特点。比如半桥型的DC/DC变换器整体电路相对简单，有较高的效率，并容易控制；
针对一些用电的大功率场合可选择全桥型DC/DC变换器，同时选择电压应力较大的开关管。随着对DC/DC变换器的研究，谐振 DC/DC 变换器、DC-DC变换器等新型变换器拓扑结构也得到发展与应用，在具体选择中应结合实际情况，兼顾变换器的成本以及性能[3]。

2.4 直流断路器

传统的空气开关在低压台区中应用较多，且具有较高的稳定性，但是随着太阳能发电、风能发电等新能源发电在整个电网中的接入，其对供电可靠性有着更加严格的要求。为了保证整体供电的可靠性与稳定性，常规的空气开关需要使用性能更好的开关设备来替代，使用率较高的主要是直流断路器。通过直流断路器的使用，能够较好地实现短路保护、过载保护。与交流断路器相比，直流断路器在具体使用中有着自身的优势，如直流断路器重量较轻，同时体积较小，有着更快的响应速度，在使用中能够频繁操作，更重要的是直流断路器在使用中的燃弧时间短，可提升在实际使用中的安全性，预防并降低火灾事故发生风险。直流断路器在使用中无磁饱和问题，能够降低谐波污染，改善供电过程中产生的噪音。

2.5 直流限流器

直流限流器在柔性互联低压台区中也有重要应用，通过串联一个直流电源，可避免负载端发生电压波动，从而保证设备的正常使用，降低设备损坏可能。电网会为用电器提供相应的电流，不过在实际应用期间因为线损、线路阻抗、电感等原因，电源所提供的电流可能不符合负载的具体需求，可能造成负载受到损害，对此，应依靠一定的技术措施，对输出的电流大小做好调节与处理，减少本身电流变化对用电器的影响。安装直流限流器是调整电流的常用方法，其在不同场景电力电子装置中均有应用，结合实际研究结果，其体积小、重量轻，并有着较快的响应速度。通过在线路中安装直流限流器，依靠控制电路实现直流电压向交流电压的转换，达到调节负载电流的目的。如果负载电流较大，并超过一定范围，直流限流器则会自动将电源供应断开，达到预防过载的目的。现阶段可使用的限流器也较多，比如超导限流器、PTC 电阻限流器、混合型限流器、固态限流器、液态金属限流器等。当然，不同直流限流器在具体的限流能力、限流速度、通态损耗、重复操作能力、恢复时间以及设备成本方面存在差异，须结合具体情况灵活选择[4]。

低压配电台区柔性互联中除了有相关设备外，还需要通过关键技术实现区域互联，达到柔性互联，降低线损的目的。

3.1 稳定控制技术

低压配电台区柔性互联须在实际的环境中运行，相应的会受到各种因素的影响，比如环境温度的变化、用电负荷的变化等，这些变化会对电路系统的供电质量产生影响，造成低压台区联络线可能出现闪变、电压波动等问题，影响到供电质量。为了保证相关用电负荷可正常工作，并符合用电设备的负荷要求，在低压配电台区柔性互联过程中应采取一定的技术确保联络线电压处于可控与稳定状态。基于模型预测控制的开环控制、基于PID控制器的闭环控制在低压配电网联络线电压稳定控制方面均有应用，应根据具体情况灵活选择技术措施。

3.2 兼顾储能的台区互联调控技术

结合低压配电电台特点，其在运行期间具有故障发生的可能，而故障发生后可能对用电设备造成损害，所以在柔性互联期间应注意上述问题，并强调新技术措施的应用。根据近年来的研究分析，通过在电压控制以及电流调节过程中可通过电容满足上述要求，即将LC滤波器加入到低压配网中，同步实现对线路中电压与电流的调控，提升整个电路的灵活性，更好地完成电路自动转换，保证整个系统运行的可靠性，保证低压配网运行中电压受到控制，电流能够得到调节，保证用电设备的安全。

3.3 XGBoost算法

低压配电台区柔性互联过程中还需要采集与线路运行相关的信息，进而作为线路运行状况评价、故障诊断的参考，而在实际采集数据过程中，部分数据可能出现缺失，而部分数据可能本身存在异常，影响到数据对整个线路的指导与参考价值。须通过统计学分析方法完成对数据的分析与处理，并解决在实际数据分析中遇到的问题，尽管支持向量机、线性回归等统计学方法能够完成部分数据的分析与处理，无法全面解决在具体应用中遇到的问题。基于机器学习的算法能够更系统、全面地完成数据分析，并通过数据分析发现其中的异常数据，解决在具体运行中遇到的问题。从预测精度、泛化能力方面考虑，XGBoost作为决策树集成算法之一，其可满足上述要求，完成对多种类型数据集的分析与处理，整体预测精度较高。

4.1 确定换流器的接线形式与相应的电压等级

ISOP换流器与LCC换流器是当前使用较多的低压台区换流器，不同换流器本身的特点也有所不同，其中ISOP在使用中损耗较低，同时体积较小，是一种新型换流器拓扑结构换流器，以IGBT、MOSFET为基础。LCC则为换流器拓扑结构，能够实现交流到直流的转换，存在较高的转换效率。鉴于不同用电负荷、用电场景以及用电需求等不同，需要的电能质量也有差异，应依据实际情况选择最佳的换流器类型。在低压台区柔性互联过程中，也应重视换流器的电压等级，通常情况下要求换流器额定工作电压不小于用户侧所需电压，换流器也须满足过压保护要求。比如在低压台区柔性互联中可使用380 V/400 V两级式升压方案，这样不会影响台区内其他负荷，同时更好地满足不同用户的用电要求[5]。

4.2 柔性互联拓扑与结构分析

柔性互联拓扑中应采取公共直流母线集中部署模式，图1所示为双台区低压母联柜，其组成主要包括台区智能断路器、运行状态指示灯、急停按钮、融合终端等相关模块。柔性互联系统的组成主要包括备用电源、公共直流母线、配电变流器等，采取分散式直流母线分段部署模式能够通过馈线连接不同电源母线，不同分段上均有电压互感器，然后接入终端，通过上述处理，能够提高整个线路的灵活性，更好地对线路中的容量大小、负荷等级做出调整。

图1 双台区低压母联柜

低压配电台区柔性互联技术在应用中不仅能够保证该台区原有负荷的正常使用，同时还可解决相邻台区间的负载率不均衡的问题，满足不同用户对电力资源使用中的负荷增长需求。低压配电台区柔性互联关键技术在应用中应结合实际情况合理选择所需要的设备，并保证关键技术的使用。母联柜的使用能够更好的实现多台区的互联，发挥母线汇集的作用，更好地保护与监测配电变压器，确保低压系统的稳定运行，确保所提供的电力资源可靠，减少线损以及线路波动对用电设备的影响。

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