模块化新能源汇集站混合拓扑组网系统及方法与流程

本发明涉及新能源电力汇集与配电自动化，更具体地说，本发明涉及模块化新能源汇集站混合拓扑组网系统及方法。

背景技术：

1、风电、光伏、储能及可控负荷通常通过汇集线路接入升压站、换流站或配电网接口。传统新能源汇集站多采用固定辐射式结构，各支路沿单一路径向并网点汇集。该结构建设简单，但任一主干线路或汇集开关故障均可能导致下游多个新能源单元同时退出，且在新能源出力空间分布发生变化时难以通过拓扑调整降低潮流集中和线路损耗。

2、为了提高供电可靠性，部分汇集站设置环网联络开关或双母线，但其拓扑通常在设计阶段固定，联络支路仅作为人工倒闸备用通道，未能结合新能源功率快速波动、储能调节能力、设备检修状态和保护配合关系进行实时编排。不同类型新能源设备还常采用非统一的接口、通信模型和控制策略，使扩容改造需要重新设计接线、保护定值和控制逻辑，增加停电时间和工程成本。

3、此外，现有拓扑切换方法多以单个开关的远方控制为主，缺少从功率转移、同步校验、开关联锁到切换后闭环验证的完整过程控制。当多个模块同时参与拓扑重构时，若操作顺序不当，容易产生环流、越限、保护误动或切换失败。因此，有必要提出一种兼顾模块化扩展、多拓扑协同、在线安全校核及故障恢复能力的新能源汇集站组网方案。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供模块化新能源汇集站混合拓扑组网系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，包括：

3、标准化能源接入模块、模块化汇集单元、混合拓扑互联网络、拓扑状态感知模块、混合拓扑编排控制器、协同切换控制模块、并网接口单元以及保护与恢复模块；

4、所述标准化能源接入模块分别与新能源发电单元、储能单元或柔性负荷连接，用于完成电气接口适配、运行参数采集和接入身份注册；

5、所述模块化汇集单元具有至少两个可配置电气端口，其内部设有多段母线，相邻母线段之间通过分段开关串联连接，每段母线上引出至少一个分支回路，各个分支回路通过对应的端口开关连接至所述可配置电气端口，并通过所述混合拓扑互联网络连接至相邻模块化汇集单元和所述并网接口单元；

6、所述混合拓扑互联网络包括主汇集通道以及至少一条联络支路，通过控制特定的分段开关与端口开关的闭合与断开组合来改变所述可配置电气端口的连接状态，使各模块化汇集单元形成辐射式拓扑、环式拓扑或分区双母线式拓扑中的至少两种；

7、所述拓扑状态感知模块用于获取新能源出力、负荷需求、电气量、设备状态、开关状态和故障信息；

8、所述混合拓扑编排控制器用于根据所述拓扑状态感知模块获取的信息构建实时拓扑图，按照连通性、线路容量、潮流分布、设备可用性和故障隔离约束生成候选拓扑，并从所述候选拓扑中确定目标拓扑；

9、所述协同切换控制模块用于对所述目标拓扑执行切换前校核、功率转移、同步校验和分阶段开关操作；

10、所述保护与恢复模块用于在拓扑切换失败或检测到故障时隔离故障区域，并将系统恢复至切换前拓扑或重构为满足非故障区域供电要求的替代拓扑。

11、优选的，所述标准化能源接入模块包括可插拔电气接口、设备身份存储单元、参数映射单元、本地测量单元和通信单元；所述设备身份存储单元保存接入设备类型、额定容量、允许电压范围、允许频率范围和控制能力，所述参数映射单元内置多协议解析库读取接入设备的私有寄存器数据后，基于iec 61850标准将其映射为标准化的逻辑节点数据模型，其映射步骤包括：提取私有寄存器中的设备特征码以匹配设备类型；将物理量数据按量纲系数转换为标准单位；将状态字位拆解并映射至相应的逻辑节点，例如将储能设备的荷电状态数据映射至  逻辑节点的  数据对象中，将逆变器的有功/无功调节指令映射至  逻辑节点，从而将不同类型接入设备的运行数据转换为统一数据结构，以使新增设备在完成身份校验后自动加入所述实时拓扑图。

12、优选的，所述模块化汇集单元包括分段母线、连接于所述分段母线各区段之间的分段开关、连接于所述可配置电气端口的端口开关、用于检测电压、电流、相位和功率方向的本地测量组件以及用于执行本地联锁的单元控制器；所述单元控制器根据所述混合拓扑编排控制器下发的拓扑状态指令选择主汇集通道或联络支路。

13、优选的，所述混合拓扑编排控制器生成候选拓扑时，先从实时拓扑图中剔除故障设备、检修设备和超容量通道，再基于非故障能源接入节点与并网接口节点之间的连通关系，采用深度优先搜索算法遍历所有非故障连通边形成候选连接组合，并依次执行节点供电可达性校核、线路载流能力校核、母线电压校核、潮流方向校核、保护配合校核和开关操作次数校核；其中，所述线路载流能力校核是指：根据实时拓扑图中各节点的注入有功功率和关联线路的电抗参数，构建直流潮流节点方程；迭代计算求得各节点相角及各支路有功潮流；当任一支路的估算有功功率绝对值与该支路额定容量的比值大于预设的线路安全裕度阈值时，判定该候选拓扑的线路载流能力校核不通过并予以剔除。

14、优选的，所述协同切换控制模块按照先降低待切换通道功率、再建立备用通道、随后校验备用通道两端的电压幅值差、频率差和相位差、最后断开原通道的顺序完成闭环切换；在不允许短时并列的设备区段，采用先断后合方式，在允许短时并列的设备区段，采用带联锁条件的先合后断方式。

15、本发明还提供了模块化新能源汇集站混合拓扑组网方法，包括采集各新能源发电单元、储能单元、柔性负荷、模块化汇集单元、线路和开关的运行状态；

16、根据模块化汇集单元的端口连接关系和开关状态构建实时拓扑图；

17、依据新能源出力波动、负荷需求、设备检修状态和故障信息识别当前运行场景，并形成对应的拓扑约束集合；

18、在所述拓扑约束集合下生成包括辐射式拓扑、环式拓扑和分区双母线式拓扑在内的候选拓扑；

19、对各候选拓扑进行连通性、容量、潮流、电压和保护配合校核，并选定目标拓扑；

20、将待切换通道的功率转移至备用通道，在满足同步条件和开关联锁条件时，按照预定顺序执行开关操作，以建立所述目标拓扑；

21、对切换后的拓扑状态和电气量进行闭环验证，在验证未通过时恢复切换前拓扑或重新生成替代拓扑。

22、优选的，在正常运行场景下，根据各通道的负载率、传输距离、线路损耗、可再生能源预测偏差和储能可调容量确定候选拓扑的运行优先级，并在满足供电可靠性约束的前提下，优先选择线路损耗最小且开关操作次数最少的候选拓扑。

23、优选的，在故障运行场景下，先根据保护动作信息和电气量突变量确定故障边界，再断开故障边界两侧的端口开关，将实时拓扑图划分为故障子图和非故障子图；随后针对所述非故障子图搜索与并网接口单元连通的联络支路，并通过所述联络支路恢复非故障能源接入节点的汇集通道。

24、优选的，在新增模块化汇集单元或标准化能源接入模块时，读取新增模块的身份信息和端口能力，执行地址分配、时间同步和参数一致性校验，将新增模块以待激活节点加入实时拓扑图；在通过绝缘检测、相序检测和通信可靠性检测后，生成包含所述新增模块的候选拓扑并完成在线扩展。

25、优选的，当并网接口单元不可用且至少一个储能单元具备电压和频率支撑能力时，将可支撑储能单元设置为构网电源，选择满足功率平衡条件的新能源发电单元和柔性负荷形成局部孤岛拓扑；所述功率平衡条件为：孤岛内各新能源发电单元的预测输出功率总和与构网储能单元的最大放电功率之和大于或等于孤岛内所带负荷的消耗功率总和；在并网条件恢复后，先完成孤岛拓扑与公共电网之间的同步校验，再以斜坡方式转移功率恢复并网运行。

26、所述功率平衡条件包括下限约束与上限约束：下限约束为： ；上限约束为： ；其中，为单台新能源发电单元预测输出有功功率， 为构网储能单元最大允许放电功率， 为节点负荷消耗功率， 为构网储能单元最大允许充电吸收功率

27、本发明的技术效果和优点：

28、本发明汇集节点与能源接入节点采用模块化结构，新能源单元可以在不中断主网运行或尽量压缩停电窗口的前提下直接接入；主汇集通道和联络支路共同构成可重构的混合拓扑，实际出力分布决定潮流路径的调整方式，局部过载和线路损耗随之降低；故障发生后，系统自动识别故障边界并对非故障区域重构供电路径，停运范围被限制在最小；功率转移、同步校验、联锁操作和闭环验证全部整合在同一切换流程中，环流、越限以及保护误动的风险明显下降；若并网接口无法使用，具备构网能力的储能装置可形成局部孤岛，保障新能源场站在极端情况下的韧性运行。