一种基于低压柜柔性互联的台区智能自愈方法与流程

本发明涉及配电，具体涉及一种基于低压柜柔性互联的台区智能自愈方法。

背景技术：

1、当前，配电网台区在面临变压器故障、线路末端低电压、以及高比例非线性负荷接入等复杂工况时，缺乏快速、安全、优质的供电恢复能力，尚未充分利用分布式资源提高供电可靠性及电能质量，实现低压台区快速闭环自愈。

2、目前行业内针对台区重过载、线路低电压、短时供电中断等典型供电问题，主要形成传统电网硬件改造、新型柔性互济两类主流技术方案。然而，传统电网硬件改造方案（如线路改造、台区分割、串联调压器）存在投资高、工期长、无法快速响应故障等问题，且无法治理谐波等电能质量问题。而新型柔性互济方案多聚焦于长期经济性优化运行，其优化目标为最小化网损和运行成本，但是，其在实际运行过程中存在以下缺陷：

3、第一，自愈响应存在明显迟滞性：现有台区功率互济优化算法以电网长期经济运行为目标构建，多源约束条件繁杂、运算迭代耗时较长，决策执行周期较长，仅可满足日常负荷均衡调节需求，故障停电发生后无法达成秒级快速复电的应急自愈时效要求，停电时长难以有效压缩。

4、第二，电能质量治理被动：未能将谐波、振荡抑制与负荷投切决策进行前瞻性协同，导致敏感负荷在恢复后仍面临二次损害风险。

5、第三，转供容量计算未与负荷重要性、线路安全裕度、以及投切负荷可能引发的谐波冲击进行联动分析，存在恢复过程中引发过载或电能质量恶化的风险：（1）转供容量决策依据单一，未兼顾负荷供电价值属性。现有台区转供容量核算仅依托变压器额定物理功率平衡作为唯一判定条件，未关联负荷重要等级、民生保供优先级开展分级管控，故障紧急切负荷环节易盲目关停民生关键负荷、保留普通商业负荷，造成不必要社会与经济损失，无法实现故障场景下保民生、保重点负荷的复电目标；（2）转供安全约束校验维度片面，遗留线路运行安全隐患。现有方案校验转供承载能力时，仅校核配电变压器、联络开关额定容量参数，未同步联动校验供电线路热稳定极限参数，易造成负荷转供后线路持续过载、绝缘加速老化甚至线路熔断问题；同时缺少转供后全域母线、用户末端电压预判校验逻辑，长馈线末端台区复电后极易出现电压长期越下限工况，导致终端用电设备无法正常启停运行；（3）负荷投切风险预判机制缺失，易诱发电网二次故障。现有负荷投切决策模块与谐波、暂态冲击类电能质量治理系统相互独立割裂，在电机类感性负荷、变频器、整流器等非线性冲击负荷复电接入时，无法提前预判合闸涌流、谐波畸变对台区电网的冲击影响，进而引发补偿电容器过流烧毁、敏感负荷电压扰动宕机、继电保护误动作跳闸等次生故障，造成刚恢复的供电链路再次中断，导致故障自愈处置失效。

6、第四，防护能力不足：硬件设计未充分考虑野外恶劣环境（如雷击、盐雾）下的长期可靠运行：（1）雷击防护薄弱：传统柔性互联装置依赖外部避雷器，内部igbt器件在山区强雷击下损毁率超30%，且无失效预警机制；（2）环境适应性差：沿海高盐雾、林区高湿度导致端子腐蚀，常规ip54防护无法满足野外长期运行需求；（3）散热效率低下：封闭式壳体内部温升快，导热材料性能不足，引发过热保护频动。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于低压柜柔性互联的台区智能自愈方法，这种台区智能自愈方法能够实现低压台区的快速闭环自愈，满足故障后“秒级”供电恢复的紧迫需求，而且可以兼顾供电可靠性与电能质量，确保自愈过程中电能质量始终可控。采用的技术方案如下：

2、一种基于低压柜柔性互联的台区智能自愈方法，其特征在于包括如下步骤：

3、s1、设置柔直互联装置，柔直互联装置包括交直流总线、igbt全控型开关、逆变电感模块、网侧电感模块、共模电感模块和通信及控制模块，交直流总线与通信及控制模块相应的输入端电连接，逆变电感模块、网侧电感模块、共模电感模块通过igbt全控型开关与通信及控制模块相应的输出端电连接；

4、s2、通过所述柔直互联装置持续监测台区状态，通过交直流总线采集台区变压器的电压电流值并发送给通信及控制模块进行处理；

5、s3、当满足“台区全域失压且无过流”的故障触发条件时，即刻判定为上级电源故障，由通信及控制模块执行如下快速自愈流程：

6、（1）通信及控制模块通过所采集的电压电流值，并结合所述台区变压器和柔直互联装置相应的工作参数，计算出台区剩余容量、线路热稳定极限、电压安全边界、台区需求负荷功率和最大允许互济功率；

7、（2）通信及控制模块将台区需求负荷功率与最大允许互济功率进行对比，以判定其处于轻载状态还是重载状态并执行相应决策：当台区需求负荷功率小于最大允许互济功率时，判定其处于轻载状态，通过igbt全控型开关投切增加10%转供容量；当台区需求负荷功率大于最大允许互济功率时，判定其处于重载状态，通过igbt全控型开关投切缩减5%并执行负荷优化决策，通过逆变电感模块、网侧电感模块、共模电感模块实现谐波补偿、振荡抑制和功率互济。

8、上述步骤s1设置的柔直互联装置中，交直流总线是交流总线连接到变压器出线的母线，直流总线连接柔性互联装置，采集电压电流实现ad采样并输入至通信及控制模块，同时承载功率双向流动；通信及控制模块是柔直互联装置的“大脑”，用于运行所有软件算法（包括采集、谐波检测与补偿、负荷决策优化等全部核心算法），同时接收前馈信号，生成pwm驱动指令； igbt全控型开关模块是柔直互联装置的核心功率变换执行单元，是实现谐波补偿、振荡抑制和功率互济的最终执行者；逆变电感模块是apf输出回路的核心储能与滤波元件，与igbt全控型开关模块动作配合，滤除高频pwm载波成分，平滑补偿电流波形；网侧电感模块用于连接柔直互联装置与电网的接口电感，抑制电流突变和谐波注入，限制短路电流上升率，平滑并网电流波形；共模电感模块用于抑制共模干扰信号，滤除高频噪声，阻断电力电子装置产生的高频传导干扰反向注入电网，这些硬件共同构成了停电事件检测、功率计算、谐波补偿的物理基础。

9、上述步骤s2-s3中，将“台区全域失压（u=0）且无过流（i_fault=0）”作为触发自愈流程的唯一故障触发条件, u就是指母线电压，i_fault是一个标志，当电流<设定值，代表没有发生故障，过流故障标志i_fault=0。柔直互联装置持续监测台区状态，通过交直流采样回路采集台区的电压电流信号，当同时满足“台区全域失压且无过流”时，即刻判定为上级电源故障，并触发快速自愈流程，在秒级时间内完成从动态边界计算到负荷投切执行的全流程自愈动作。在快速自愈流程中，通信及控制模块通过所采集的电压电流值计算台区变压器的实时功率，通过配置的台区变压器额定容量减去现在的实时功率就能得到台区变压器剩余容量，再根据采集的电流值计算线路发热量，评估有没有超过线路热稳定极限。

10、作为本发明的优选方案，所述柔直互联装置还包括防雷保护模块，防雷保护模块通过电压回路与交直流总线电连接，防雷保护模块内置有泄漏电流监测传感器、温度监测传感器和接地电阻监测传感器。具体地，防雷保护模块在dc母线配置二级防雷，直流防雷按120ka通流量保护，ac侧安装高频滤波spd防雷，交流防雷按30ka通流量保护，保证了长距离供电的雷击浪涌防护要求。防雷保护模块主要用于抵御雷击浪涌，确保了其在严苛环境下的运行可靠性，保护内部电力电子器件免受瞬态过电压损坏；泄漏电流监测传感器通过采样监测回路计算雷电放电电流，统计雷击次数，当泄露电流大于极限通过电流阈值时，可能会对雷击浪涌器件造成损坏，产生浪涌损坏告警；温度监测传感器与泄漏电流监测传感器共同形成老化判断逻辑；接地电阻监测传感器能够实时监测防雷保护模块的接地电阻，接地端未正常连接时，产生阻值异常告警，由此可形成反馈型防雷保护模块，利用泄漏电流监测传感器实时监测泄漏电流，降低雷击损毁率，通过接地电阻监测传感器对接地电阻异常预警，缩短防雷失效故障排除时间。

11、作为本发明的优选方案，所述柔直互联装置还包括交直流漏电保护模块、短路保护模块和散热模块，交直流漏电保护模块与所述通信及控制模块相应的输入输出端电连接，短路保护模块与通信及控制模块相应的输出端电连接。交直流漏电保护模块可以采用10ma级高精度漏电流检测方案，实时检测交直流侧对地泄漏电流，保障人身与设备安全；短路保护模块可以采用三级直流过流保护机制，作用于短路故障，防止柔直互联装置损毁。

12、作为本发明的优选方案，所述步骤s3中，所述台区剩余容量的计算公式为：，式中，k为变压器的安全裕度系数（k一般取0.9~1.0），为台区变压器容量，、为台区有功及无功负荷，为台区的光伏等分布式资源功率；所述线路热稳定极限的计算公式为：，式中，为线路允许载流量，为线路等效阻抗；电压安全边界的计算公式为：，式中，为灵敏度因子，u是电压，p是有功功率，q是无功功率，r是电阻, x是电抗；所述最大允许互济功率计算公式为：，式中，为柔直互联装置额定容量，为台区剩余容量，为线路热稳定极限，为电压安全边界；所述台区需求负荷功率的计算公式为：，式中，、为台区有功及无功负荷。其中，灵敏度因子用于动态修正压降以自适应轻载和重载场景，一般规定负载率在30%以下为轻载，80%以上为重载；负载率不同时，电压变化率不同，所计算得到的灵敏度因子α值不同，所以有自轻载和重载场景的功能。灵敏度因子α采用计算公式：，式中，，，u是电压，是电压对有功求偏导，是电压对无功求偏导。

13、为了在秒级时间内，以实现关键负荷优质供电为首要目标，执行融合了电能质量前馈控制的负荷快速投切决策，作为本发明的优选方案，所述步骤s3中执行负荷优化决策的流程为：发送负荷决策请求→谐波风险预识别→构建负荷价值权重向量→求解优化模型→生成负荷恢复序列→向谐波抑制系统发送“预投入负荷清单”→ 谐波抑制系统预先调整谐波检测的响应参数及补偿策略→igbt全控型开关执行投切动作。其中，谐波抑制系统在硬件上主要由交直流总线（提供信号输入）、信号及控制模块（运行谐波检测及谐波补偿算法，并接收来自负荷决策系统的前馈信号）、igbt全控型开关模块（执行功率输出）及逆变电感模块、网侧电感模块、共模电感模块协同实现。在生成负荷恢复序列xi 的同时，将该负荷恢复序列xi 作为“前馈信号”发送给谐波抑制系统，该谐波抑制系统提前调整apf补偿策略，将负荷决策系统生成的负荷恢复序列通过高速通信接口传输至通信及控制模块；通信及控制模块在接收到该前馈信号后，提前解析其中涉及的谐波源负荷类型与数量，并预先调整谐波检测的响应参数及补偿策略，实现治理指令超前于投切动作的执行时序。由此负荷决策系统将生成的负荷恢复序列作为前馈信号发送给通信及控制模块，在负荷投入前完成补偿策略的预调整与预使能（当负荷恢复序列中涉及到谐波源的负荷，提前使用apf功能治理谐波），实现“负荷未投，治理先行”，确保整个自愈过程中电能质量始终可控。

14、作为本发明的进一步优选方案，所述通信及控制模块内置有负荷特征数据库，负荷特征数据库能够为每个负荷打上“谐波源”或“谐波敏感”标签；定义是负荷i的优先级权重，所有构成所述负荷价值权重向量，的计算公式为：，式中，是基础优先级，与负荷类型有关；是健康度，与负荷状态有关；是谐波风险系数，谐波源负荷此值高，敏感负荷此值低。、、参数能够反映负荷的优先级、健康度及谐波状况，通过预设负荷的、、后计算获得、反映负荷的重要性，例如：1表示负荷为重要负荷，其不可以中断供电；2表示负荷为次重要负荷，其不可以优先中断供电；3表示负荷为普通负荷，其可以中断2小时。在负荷决策过程中，引入基于负荷特征数据库的谐波风险系数，为每个负荷打上“谐波源”(如变频器)或“谐波敏感”(如医疗设备)标签；构建价值权重向量 1，以在惩罚谐波源负荷，保护敏感负荷，实现对谐波源负荷的惩罚与对谐波敏感负荷的优先保障，从决策源头提升供电质量。

15、作为本发明的更进一步优选方案，通过如下公式求解优化模型，以得出并生成负荷恢复序列：；式中，是负荷i的优先级权重；xi是负荷规划的决策变量，其取值为0或 1，xi =1表示恢复对负荷i的供电；xi =0表示不恢复负荷i的用电；p i是负荷i的有功功率（单位：kw），其为触发负荷决策前的最后一次有功功率测量值，可通过实时监测获取。

16、针对山区、林区等存在多尘、多雨、多虫等复杂环境的特殊地区，可对上述柔直互联装置的装置硬件进行特殊防护结构设计，提高设备长时间运行的可靠性，例如：（1）在构成柔直互联装置的装置硬件上所有裸漏部分全部镀镍，包括机箱、接线端子、天线、通信口等，以应对沿海高盐雾问题；（2）内部电子器件采用高防护三防设计，将igbt全控型开关与铝基板进行真空焊接，并按模块用铸铝灌封，同时采用热对流结构进行散热，实现在无风扇条件及高防护等级的密闭环境下的高效自然散热，保证装置长期稳定运行。

17、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

18、（1）这种台区智能自愈方法通过设置柔直互联装置持续监测台区状态，由“台区全域失压且无过流”这一故障特征触发，在秒级时间内，以实现关键负荷优质供电为首要目标，执行融合了电能质量前馈控制的负荷快速投切决策，不仅能够实现低压台区的快速闭环自愈，满足故障后“秒级”供电恢复的紧迫需求，而且可以兼顾供电可靠性与电能质量，确保自愈过程中电能质量始终可控。

19、（2）这种台区智能自愈方法采用多目标负荷决策，按权重向量动态优化投切序列，降低重要负荷失电风险，滚动优化机制（5分钟周期）响应负荷波动，降低负荷误切率，在负荷决策过程中，引入基于负荷特征数据库的谐波风险系数，构建价值权重向量 1，以在惩罚谐波源负荷，保护敏感负荷，实现对谐波源负荷的惩罚与对谐波敏感负荷的优先保障，从决策源头提升供电质量；

20、（3）这种台区智能自愈方法通过设置反馈型防雷保护模块，利用泄漏电流监测传感器实时监测泄漏电流，降低雷击损毁率，通过接地电阻监测传感器对接地电阻异常预警，缩短防雷失效故障排除时间，还通过对硬件模块实施高防护设计，确保了其在严苛环境下的运行可靠性，从而保障了整套自愈互济系统在不同应用场景下的适应性与稳定性。