绿电直连连续负载供电切换前安全许可控制方法及系统

本技术涉及新能源供能、用户侧电力控制、工业连续负载控制、电气安全联锁与供电切换保护，具体涉及一种绿电直连连续负载供电切换前安全许可控制方法及系统。

背景技术：

1、在工业绿色低碳转型背景下，利用光伏、风电等新能源为工业用户侧连续负载提供就地供能，已成为提高新能源就近消纳水平、降低工业用能成本和减少碳排放的重要方式。

2、在传统新能源并网供电方式中，新能源电源通常接入公共电网，新能源出力波动主要由公共电网、调度系统或上级电力系统吸收和调节。用户侧连续负载通常面对容量较大、供电刚性较强的公共电网，新能源出力波动不会直接形成用户侧供电切换瞬态风险。

3、在用户侧绿电直连供电方式中，新能源电源通过用户侧直连线路向连续负载供电。新能源电源与连续负载在用户侧直接耦合。当绿电出力突降、绿电电压异常、辅助电源接入、缓冲单元介入或系统由一种供电模式切换至另一种供电模式时，用户侧控制系统需要自行完成供电模式切换、连续负载功率调节、缓冲单元支撑和供电切换安全判定。若目标切换电源短时承载能力、缓冲单元短时支撑能力和切换前连续负载功率在切换瞬间不能匹配，将形成暂态功率缺口，引发目标切换电源过载、母线电压跌落、负载电流冲击、接触器误动作、保护误跳或连续负载工艺中断。

4、现有自动转换开关技术能够在市电、备用电源、光伏逆变器或储能逆变器之间选择供电路径，并可设置负荷管理、优先级负荷切除或互锁保护功能。现有微电网能量管理技术能够进行分布式电源协调、储能调度、频率阈值负荷切除和供电恢复。现有光伏储能控制技术能够基于功率缺口、母线电压变化率、负载电流变化率等参数进行储能补偿或功率平衡控制。现有工业安全联锁系统也可能采用许可逻辑、开关状态确认、通信握手或故障确认，以避免设备在不满足预设条件时动作。

5、但是，上述现有技术主要关注“由哪个电源供电”“何时切负荷”“如何恢复供电”“如何维持微电网能量平衡”“如何进行储能补偿”或“如何确认开关侧具备动作条件”。其通常没有针对用户侧绿电直连连续负载的供电切换瞬间，建立一种在电气投切前必须完成的安全许可闭环，即：1)先计算切换前暂态承载缺口；2)有暂态功率缺口时生成连续负载降载指令；3)无暂态功率缺口时也生成显式功率保持指令；4)将供电切换动作与连续负载功率调节动作绑定至同一安全执行事务；5)要求连续负载功率调节指令的生成、下发和反馈确认早于供电切换单元完成电气投切；6)基于负载驱动侧的连续功率调节确认反馈和供电切换侧的可执行状态反馈共同生成独立于供电切换指令本身的供电切换执行许可信号；7)仅当所述执行许可信号有效时，才允许供电切换单元完成电气投切。

6、现有ats互锁、工业安全联锁和通信握手机制虽然分别具有开关侧确认、许可逻辑或通信确认功能，但其通常并未将“连续负载功率调节确认反馈”作为“供电切换电气投切许可”的必要条件，也未在无暂态功率缺口时生成携带当前功率设定值、保持标志、反馈请求标志和指令编号的显式功率保持指令，并将该显式功率保持指令纳入与供电切换动作相同的安全执行事务。因此，用户侧绿电直连连续负载系统的供电切换问题并不是普通自动转换开关问题，也不是单纯光储能量管理问题，而是包含“源侧波动—供电模式切换—连续负载功率调节—缓冲单元支撑—电气投切前安全许可”的用户侧安全执行控制问题。

7、现有技术存在以下问题：

8、1、传统并网控制难以直接适用于用户侧绿电直连连续负载。传统并网方式中，新能源电源通常经公共电网实现功率汇集和波动平衡，用户侧连续负载主要面对公共电网供电，新能源波动不会直接形成用户侧供电切换瞬态风险。在用户侧绿电直连模式下，新能源电源与连续负载直接耦合，绿电波动会直接影响用户侧供电状态。当绿电不足、绿电突降或辅助电源接入时，用户侧系统必须自行完成供电模式切换、连续负载功率调节、缓冲单元支撑和安全许可判定。现有传统并网控制方法难以解决该场景下供电切换瞬间的暂态承载匹配和执行时序安全问题。

9、2、供电切换瞬间目标切换电源承载能力与连续负载功率可能不匹配。现有微电网能量管理方法通常将供电模式切换和负载功率调节作为两个相对独立的控制问题处理。前者关注电源侧可用性，后者关注负载侧功率限幅。对于连续负载而言，二者在供电切换瞬间存在强耦合关系。若目标切换电源与缓冲单元的瞬时支撑能力小于切换前负载功率，而连续负载功率调节未同步准备完成，则会形成暂态功率缺口，引起电流冲击、辅助电源过载、母线欠压、负载驱动器失步或保护误动作。

10、3、供电切换指令与连续负载功率调节指令分离执行，容易产生时序错位。现有供电切换控制通常允许供电切换指令和负载功率调节指令分别生成、分别下发、分别执行。若切换指令先执行，而降载指令尚未生成、尚未下发、尚未被负载驱动单元确认或执行失败，则供电切换瞬间的负载功率可能超过目标切换电源与缓冲单元的合计支撑能力。现有技术缺少在同一安全执行事务内，将供电切换动作与柔性连续负载降载动作或显式保持动作配置为绑定执行关系的机制，尤其缺少使连续功率调节指令的生成、下发和反馈确认早于供电切换单元完成电气投切的安全执行机制。

11、4、无暂态功率缺口场景下缺少负载侧显式确认。现有供电切换逻辑在判断无需降载时，通常直接执行切换或默认负载侧状态正常。但在实际工业系统中，即使计算得到暂态功率缺口为零，也需要确认负载驱动通道是否可控、当前功率设定值是否有效、负载驱动器是否无故障以及通信链路是否能够对当前切换事务返回匹配反馈。若无显式确认，供电切换仍可能在负载侧不可控、设定值失效、驱动器故障或反馈链路异常的情况下执行，造成切换风险。现有技术缺少将无缺口场景也纳入负载侧确认和切换许可闭环的显式功率保持指令机制。

12、5、缺少切换前跨侧许可判决机制。现有技术中，供电切换动作多由电源侧条件、切换器件状态或控制策略直接决定，缺少同时关联负载功率调节侧反馈和供电切换侧反馈的跨侧确认机制。换言之，现有技术通常没有生成独立于供电切换指令本身的执行许可信号，难以保证供电切换动作只有在负载侧调节准备完成、供电切换侧具备执行条件、事务编号匹配且未发生反馈异常时，才进入电气投切阶段。

13、6、控制策略层与安全执行层权限边界不清。现有智能控制、预测控制或优化控制方法通常将模型输出动作直接转换为执行指令，或者仅通过简单阈值进行限制。对于供电切换这种离散且高风险的动作，如果策略层输出可以直接驱动供电切换单元完成电气投切，则在预测不确定、通信异常、负载反馈缺失或驱动器不可控情况下容易发生误切换。现有技术缺少一种明确区分策略层切换意图与安全执行层切换许可的机制。策略层可以输出“希望切换”的候选动作，但该动作不应直接驱动电气投切，必须经安全执行层完成安全许可判定后才能实际执行。

14、7、切换后缺少基于多维电气量连续满足的稳定确认与冻结回切机制。绿电直连系统在供电模式切换后，电压、电流、负载功率和缓冲单元状态存在短时暂态。现有方法多采用简单延时或单一阈值防止回切，未将电压波动、电流波动、功率变化率、缓冲单元电压恢复、故障标志和通信状态等多维条件进行连续稳定确认，也未在稳定确认完成前冻结恢复性供电回切，难以抑制复杂暂态工况下的反复回切振荡。

15、因此，亟需一种方法能够解决供电源切换与连续负载功率调节分离执行造成的暂态承载缺口、电流冲击、目标切换电源过载、切换误动作和负载侧不可控状态下误投切的问题。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的是提供一种绿电直连连续负载供电切换前安全许可控制方法、安全许可控制器及系统，用以解决现有技术中供电源切换与连续负载功率调节分离执行造成的暂态承载缺口、电流冲击、目标切换电源过载、切换误动作和负载侧不可控状态下误投切的技术缺陷。

2、为了实现上述目的，本技术第一方面提供一种绿电直连连续负载供电切换前安全许可控制方法，方法包括：

3、获取新能源直连电源、辅助电源、缓冲单元、连续负载、负载驱动单元和供电切换单元的运行状态以及包含供电模式切换动作的候选控制动作，其中，新能源直连电源通过用户侧直连线路向连续负载供电，供电模式切换动作仅作为切换意图输入安全执行控制器，不能直接驱动供电切换单元完成电气投切；

4、当候选控制动作包含供电模式切换动作时，根据运行状态确定与供电模式切换动作对应的匹配参数，匹配参数至少包括目标切换电源的保守可支撑功率以及缓冲单元的保守可释放支撑功率、切换前连续负载总功率和安全裕度；

5、根据匹配参数判断是否存在暂态功率缺口，并根据判断结果生成对应的柔性连续负载调节指令；其中，当存在暂态功率缺口时，生成柔性连续负载降载指令，当不存在暂态功率缺口时，生成柔性连续负载功率保持指令，功率保持指令为显式连续功率调节确认指令；

6、将供电模式切换动作与柔性连续负载调节指令配置为同一安全执行事务并关联同一安全执行事务标识，其中柔性连续负载调节指令的生成、下发及反馈确认在供电切换单元完成电气投切之前完成；

7、获取来自负载驱动单元的与安全执行事务对应的连续功率调节确认反馈，以及获取来自供电切换单元的与安全执行事务对应的可执行状态反馈；

8、当连续功率调节确认反馈和可执行状态反馈均满足对应的预设许可条件，且连续功率调节确认反馈中的安全执行事务标识与当前安全执行事务标识匹配，且未检测到过流、欠压、过温、通信异常或人工禁止切换标志时，生成独立于供电切换指令本身的供电切换执行许可信号；

9、当供电切换执行许可信号有效时，允许供电切换单元完成与供电模式切换动作对应的电气投切。

10、在本技术的实施例中，根据匹配参数判断是否存在暂态功率缺口包括：对切换前连续负载总功率与安全裕度进行求和得到第一数值，并对目标切换电源的保守可支撑功率与缓冲单元的保守可释放支撑功率进行求和得到第二数值；当第一数值大于第二数值时，判断存在暂态功率缺口；当第一数值小于或等于第二数值时，判断不存在暂态功率缺口。

11、在本技术的实施例中，当候选控制动作包含供电模式切换动作时，根据运行状态确定与供电模式切换动作对应的匹配参数包括：当候选控制动作包含供电模式切换动作时，根据目标切换电源的额定支撑功率、目标切换电源在预设切换窗口内允许的短时过载支撑功率以及目标切换电源保护限值对应的允许功率，计算得到目标切换电源在当前切换窗口内的允许支撑功率；根据温度降额系数、响应延迟降额系数、通信状态降额系数以及目标切换电源在当前切换窗口内的允许支撑功率与当前已承担功率，计算得到目标切换电源的保守可支撑功率。

12、在本技术的实施例中，在满足以下所有条件时，确认将供电模式切换动作与柔性连续负载调节指令配置为同一安全执行事务，包括：供电模式切换动作与柔性连续负载调节指令被分配同一安全执行事务标识；供电切换指令和柔性连续负载调节指令均携带安全执行事务标识，其中，供电切换指令是根据供电模式切换动作生成的，用于下发至供电切换单元以控制供电切换单元执行与供电模式切换动作对应的电气投切；负载驱动单元返回的反馈帧中包含安全执行事务标识；供电切换单元返回的反馈帧中包含安全执行事务标识或与安全执行事务标识关联的待执行状态标志；安全执行事务标识包括控制周期编号、切换动作编号、目标供电模式编号、负载调节指令编号和校验码。

13、在本技术的实施例中，供电切换执行许可信号包括硬件许可输出信号和/或通信许可帧，当供电切换执行许可信号有效时，允许供电切换单元完成与供电模式切换动作对应的电气投切包括：当供电切换执行许可信号为硬件许可输出信号时，通过供电切换单元设置的许可输入端接收硬件许可输出信号，当硬件许可输出信号有效且供电切换单元自身状态满足投切条件时，允许供电切换单元完成与供电模式切换动作对应的电气投切；当供电切换执行许可信号为通信许可帧时，通过供电切换单元对通信许可帧进行校验，当通信许可帧校验通过的情况下，允许供电切换单元完成与供电模式切换动作对应的电气投切，其中，通信许可帧至少包括安全执行事务标识、目标供电模式编号、许可有效标志、时间戳和校验码；当供电切换执行许可信号为硬件许可输出信号与通信许可帧的组合信号时，当硬件许可信号有效且通信许可帧所指示的许可有效标志同时有效时，允许供电切换单元完成与供电模式切换动作对应的电气投切。

14、在本技术的实施例中，当供电切换执行许可信号无效时，控制供电切换单元的执行驱动保持禁止状态，不允许供电切换单元完成电气投切，其中，当满足以下任一条件的情况下，确认供电切换执行许可信号无效，包括：当供电切换执行许可信号为硬件许可输出信号且硬件许可输出信号为无效状态；当供电切换执行许可信号为通信许可帧，且通信许可帧的许可有效标志为无效或通信许可帧校验不通过；当供电切换执行许可信号为硬件许可输出信号与通信许可帧的组合信号，且硬件许可输出信号为无效状态或通信许可帧校验不通过。

15、在本技术的实施例中，方法还包括：在允许供电切换单元完成与供电模式切换动作对应的电气投切之后，连续监测负载母线电压波动、负载母线电流波动、负载功率变化率、缓冲单元电压、故障标志和通信状态；当检测到在连续稳定确认时间内所有稳定确认条件均满足时，解除恢复性供电回切冻结，其中，稳定确认条件至少包括负载母线电压波动小于电压波动阈值、负载母线电流波动小于电流波动阈值、负载功率变化率低于功率变化率阈值、缓冲单元电压恢复至预设安全区间、未检测到新的过流欠压过温或通信异常标志、供电切换单元状态与目标供电模式一致以及负载驱动单元处于可控且无故障状态；当检测到在连续稳定确认时间内任一稳定确认条件未满足时，保持冻结恢复性供电回切，并将连续功率调节指令限制在安全收缩区间内。

16、在本技术的实施例中，方法还包括参数标定步骤，参数标定步骤包括：对目标切换电源允许支撑功率、目标切换电源保护限值功率、缓冲单元保护限值功率、温度降额系数、响应延迟降额系数、通信状态降额系数、安全系数、最小安全裕度和稳定确认时间进行标定；其中，目标切换电源允许支撑功率根据目标切换电源额定支撑功率、预设切换窗口内的短时过载支撑功率以及保护限值对应的允许功率中的最小值确定；目标切换电源保护限值功率根据目标切换电源过流保护限值、欠压保护限值、温度保护限值和供电切换器件额定限值中的至少两项确定；缓冲单元保护限值功率根据缓冲单元电压、保护允许放电电流、荷电状态约束、温度约束、电池管理系统或储能管理系统输出的当前允许放电功率以及直流母线保护约束中的至少两项确定；温度降额系数根据目标切换电源温度-功率降额曲线或分段线性降额关系确定；响应延迟降额系数根据目标切换电源阶跃功率支撑测试确定；通信状态降额系数根据通信延迟、丢包率和校验错误率确定；安全系数和最小安全裕度根据不同负载功率变化率和不同供电切换延迟工况下的母线电压跌落、电流峰值和目标切换电源过载比例确定；稳定确认时间根据空载切换、额定负载切换和最不利连续负载变化工况测试确定。

17、本技术第二方面提供一种安全执行控制器，被配置成执行上述的绿电直连连续负载供电切换前安全许可控制方法。

18、本技术第三方面提供一种绿电直连连续负载供电切换前安全许可控制系统，包括：

19、上述的安全执行控制器；

20、新能源直连电源、辅助电源、缓冲单元、连续负载、负载驱动单元和供电切换单元。

21、上述技术方案，通过获取新能源直连电源、辅助电源、缓冲单元、连续负载、负载驱动单元和供电切换单元的运行状态以及包含供电模式切换动作的候选控制动作，其中，新能源直连电源通过用户侧直连线路向连续负载供电，供电模式切换动作仅作为切换意图输入安全执行控制器，不能直接驱动供电切换单元完成电气投切；当候选控制动作包含供电模式切换动作时，根据运行状态确定与供电模式切换动作对应的匹配参数，匹配参数至少包括目标切换电源的保守可支撑功率以及缓冲单元的保守可释放支撑功率、切换前连续负载总功率和安全裕度；根据匹配参数判断是否存在暂态功率缺口，并根据判断结果生成对应的柔性连续负载调节指令；其中，当存在暂态功率缺口时，生成柔性连续负载降载指令，当不存在暂态功率缺口时，生成柔性连续负载功率保持指令，功率保持指令为显式连续功率调节确认指令；将供电模式切换动作与柔性连续负载调节指令配置为同一安全执行事务并关联同一安全执行事务标识，其中柔性连续负载调节指令的生成、下发及反馈确认在供电切换单元完成电气投切之前完成；获取来自负载驱动单元的与安全执行事务对应的连续功率调节确认反馈，以及获取来自供电切换单元的与安全执行事务对应的可执行状态反馈；当连续功率调节确认反馈和可执行状态反馈均满足对应的预设许可条件，且连续功率调节确认反馈中的安全执行事务标识与当前安全执行事务标识匹配，且未检测到过流、欠压、过温、通信异常或人工禁止切换标志时，生成独立于供电切换指令本身的供电切换执行许可信号；当供电切换执行许可信号有效时，允许供电切换单元完成与供电模式切换动作对应的电气投切。本技术通过获取系统运行状态和候选控制动作，并在候选动作包含供电模式切换动作时，根据运行状态确定匹配参数并判断是否存在暂态功率缺口，进而生成对应的柔性连续负载调节指令；通过将供电模式切换动作与柔性连续负载调节指令配置为同一安全执行事务，并要求调节指令的生成、下发及反馈确认在电气投切前完成，再在两侧反馈均满足预设许可条件、事务标识匹配且未检测到异常时，生成独立于供电切换指令本身的供电切换执行许可信号，仅当该许可信号有效时才允许完成电气投切，从而保证在负载侧调节已确认、切换侧状态已具备且事务对应准确的前提下执行电气投切，降低切换瞬间源荷不匹配和时序错位导致的误投切风险。

22、本技术实施例的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。