专业电气自动化毕业论文范例十篇

本文是一篇电气自动化论文，电气自动化专业生能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验技术、研制开发、经济管理以及电子与计算机技术应用等领域的工作，是宽口径“复合型”高级工程技术人才。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇电气自动化论文，供大家参考。

 

 

1绪论

 

1.1选题背景与意义

人类可以长期生存和发展,离不开对能源的利用,因此,能源是重要的必要条件对于人类的生存和发展。由于经济在高速的发展和增长,对能源的消耗也在不断的增长,能源的需求量在逐年攀升。由于传统能源对经济的发展起着无可替代的作用,这就使得传统能源被过度的开釆和利用,进而促使传统能源的枯竭速度在逐年的递增。根据世界权威机构的统计,在世界范围内,已被探明可采的煤炭总量共计15890亿吨,估计可连续开釆200年左右。已被探明的可采的石油总量共计1211亿吨,估计可连续开釆40年左右。然而传统能源在使用过程中对环境造成巨大的污染也是显而易见的,这类污染主要包括固体废弃物污染和烟雾对大气的污染。传统能源对环境的污染最突出的两个方面是:一,由于能源的大量消耗,同时伴随着尾气排放,造成空气中的二氧化碳含量不断的递增,使得气候加剧变暖;二,由于气候变暖的原因,原有的生态平衡正在被慢慢的破坏,甚至处于失衡状态。寻找清洁的能源、绿色的能源、低碳的能源是人类社会发展的趋势也是必要的选择,这不但有助于对人类环境的保护同时也有助于人类社会更长久的发展下去。因此,世界上各个国家都在积极的寻找和探索清洁能源。太阳能资源由于其无穷性、清洁而无公害可以很好的为人类的持久发展提供可靠的保障,而且太阳能源在各个国家的能源当中都几乎占有一席之地。如何对太阳能源进行更大规模的开发以及对开发太阳能所需技术的进一步提升,这是人类利用太阳能必须解决的问题。因此,世界上各个发达及发展中国家都逐步的将寻找和开发可再生能源的议题提到国家议程上来。太阳能的优点是众所周知的,而且其受到的青睐度越来越高,如何在更大程度与广度上开展对太阳能发电技术的研究,对于解决传统能源的短缺以及传统能源带来污染和破坏,对于提高和改善人类的生存环境使社会不断持续高速发展都有极其重要的意义。

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1.2太阳能光伏发电的现状

上个世纪五十年代,第一块光伏电池板诞生至今,在这六十多年的时间里,人类对太阳能发电技术的应用和发展并不是一帆分顺的,而是经历了多种波折,经历了坎坷曲折的发展历程。因太阳能电池不菲的造价和光电转换效率一直比较偏低,想要实现产业化一直是各国都在探讨的技术难题。太阳能电池的发展与军事有着密切的联系,最初,太阳能电池是被应用在军事领域和航空领域的。由于上世纪70年代出现了能源短缺的现象以及使用传统能源带来的严重的环境污染,世界各国都在全力寻找新能源和清洁能源,因此,各国政府幵始将关注点集中在对太阳能的利用上,进而,利用太阳能发电不断的受到人们的青睐。对太阳能的光伏利用和深度开发已经成为世界上的一种潮流,世界上的各个发达及发展中国家都竞相出台各种政策来支持本国光伏产业的发展。根据欧盟的预测,在21世纪中叶,欧盟发电总量的40%左右将来自光伏发电容量,因此可以毫不夸张的说太阳能利用的世纪成长于21世纪。由于不受地理位置限制的特点,理论上来说,只要有阳光,那么就有利用光伏发电的可能性。随着各国政府在不断的加大对光伏产业的支持力度,生产的光伏电池的种类趋于多样化,而且由于生产的的电池数量的大幅上升以及伴随着成本的不断下降,同时光伏电池板在一定程度上可以有效地代替建筑材料,这些优点对光伏事业的进一步发展都提供了非常良好的契机,对光伏产业的未来发展有着重要意义。

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2光伏电池和光伏阵列

 

光伏发电简言之就是将光能转换为电能,而实现这一转换的介质是光伏电池,在转换的过程中,半导体材料对光能的特殊特性即光生伏特效应。要充分利用这一技术就必须使用太阳能光伏电池这一不可或缺的元件,它可以直接将光能转换为电能。将光伏电池按照需要的结构进行合适的组合并进行封装就可以组成大规模的光伏电池组件。按照实际的应用要求,对太阳能电池进行合理组合就可以使得输出的电压和功率达到一定的等级。将光伏电池组进行组合就成了光伏阵列。光伏阵列在光伏发电系统中占据着重要地位。因为它的输出特性很大程度上受制于外界环境,因此非线性的特点是光伏电池输出特性的最明显的特点。因此,对光伏电池和光伏阵列的进行细致的分析和研究,对后面章节有着极其重要的作用尤其在最大功率跟踪技术的研究方面是必不可少的内容。

 

2.1光伏电池的工作原理

光伏发电的基础是对光伏电池的应用,它将光能直接转换为电能。它的工作原理就是对光生伏特效应的应用。由于每块光伏电池自身的输出电压很低,同时光伏电池的输出电流、输出电压以及输出功率与外界环境温度、太阳光强度、光伏电池受阳光照射的表面积和光伏电池的连接方式有关。通过图4可以直观的了解光伏电池如何将吸收到的太阳能转换为电能的情况[7]。由图4可以看出,当太阳光照射到光伏电池表面(N型),由于各个太阳光的光子携带的能量不同,会发生不同的情况,其中一部分光子会被光伏电池反射回去(如光子①);一部分光子在距离P-N结较远(如光子②),这些光子在被吸收之后并不产生光生电动势;一部分光子由于携带的能量较低,在刚刚进入P-N结表面就会被吸收(如光子③),但是这些光子不仅不产生电动势反而使得光伏电池的本体温度升高而影响光伏电池的输出特性。还有一部分光子携带的能量很高可以直接穿透光伏电池而不会被吸收(如光子④);而那些在P—N结附近被吸收的光子是真正可以利用来产生电动势的,对光伏发电起作用的(如光子⑤),在N型半导体和P型半导体区中,由于太阳的光子对原子的价电子的冲击使得这些价电子获得能量,很多电子一空穴对就会产生而且处于非平衡状态中。

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2.2光伏电池分类

现在市面上出售的光伏电池类型主要有单晶娃、多晶娃、非晶桂和非娃材料,现有的各种光伏材料既有其优点又有其不足之处[8]。单晶娃和多晶娃电池板如图6所不。单晶桂光伏电池是最早被开发的,在目前所有的光伏电池中,它的转换效率也是居于首位的。据资料显示在我国,单晶娃光伏电池的转换效率平均为16.5%,而在实验室里的转换效率要比其平均效率高出很多已经超过了 24.7%。多晶桂光伏电池顾名思义就是由多晶娃构成的电池,它与单晶桂的生产过程是有区别的:单晶娃的生产需要拉制过程而多晶桂是用绕铸的方法,这一方法的优点是生产周期缩短,大大的降低了生产成本。此外,由于组成光伏组件后是以平面的形式进行使用,而单晶娃娃棒则呈现出圆柱状,这就造成了单晶娃光伏电池的利用率不高的问题。正是由于多晶娃光伏电池这一特点,才使得多晶鞋光伏电池在竞争上具有一定的特殊优势。

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3直激直流变换电路......21

3.1斩波变换电路分类......21

3.2升压斩波电路原理......22

3.3 Boost变换器的数学模型搭建......26

3.4仿真......28

3.5本章小结......29

4最大功率追踪技术研究......31

4.1光伏阵列的输出特性......31

4.2最大功率点跟踪原理......34

4.3最大功率点跟踪方法............35

4.4双模式结合的MPPT控制方法研究......39

4.5本章小结......43

5光伏并网系统的研究......45

5.1光伏并网逆变器分类和结构......45

5.2单项光伏并网逆变器控制策略......47

5.3单相并网锁相环研究......57

5.4光伏并网系统稳定性分析......62

5.5仿真......63

5.6本章小结......65

 

5光伏并网系统的研究

 

5.1光伏并网逆变器分类和结构

按照发电系统是否与电网连接可以将其分为两种模式[27]: —种不与电网连接即独立式;另一种是与电网的连接的并网式。独立式发电系统主要是用在远离电网的偏远山区和农村等地,主要解决的问题是无电。并网型发电系统还可以进一步的进行细分,按照系统的功能的不同可以将其分为两种方式[28]: —种是不含存储单元的不可调度系统,另一种是含有存储系统的可调度系统。在可调度的发电系统中,按照存储单元连接母线类型又可将其分为直流母线类型和交流母线类型。按照电力电子变换电路的自身特点进行划分[29],又可将光伏并网型发电系统分为基于公共母线的电路拓扑结构、单级电路拓扑结构以及多级电路拓扑结构。对于多级电路中,前级电路的主要作用通常是实现最大功率点的跟踪,前级电路也是DC/DC变换电路,而后级电路的功能是实现并网的作用。公共直流母线电路结构的设计思想是模块化的光伏并网发电系统。按照电路性质进行划分即电路是否隔离可将并网发电系统分为隔离型并网和非隔离型并网。在非隔离型结构中,又可将其分为单级结构和多级结构两种电路类型,其电路图如图36所示。与单级电路结构相比,多级电路的优点是体积方面明显减小,重量也有显著降低而且转换效率有了很大提高。如果将隔离型电路再进行细分[31],则又可将其按照工作频率的不同分为工频隔离型并网和高频隔离型并网两种结构。工频隔离型基本属于单级电路的类型,优点是结构简单,安全性高,效率也相对较高,而缺点是体积大、重量大、噪声大等。高频隔离型大多数属于多级电路型结构,一般可将其分为电压源型、电流源型和周波变流器型。

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总结

 

光伏发电是我国新能源的重要组成部分,随着我国对其不断的重视,光伏发电在我国能源结构的调整中发挥的角色越来越重要。本文以单相光伏并网发电为平台,介绍了光伏器件的特性,光伏电池的原理,光伏阵列的特性,最大功率点的跟踪技术以及系统的并网等内容。全文的主要的工作如下:

(1)对光伏电池的工作原理进行了细致和全面的分析,对光伏电池的输出特性也进行了较为详尽的分析,并在MATLAB平台上对光伏电池的仿真模型进行了搭建,并且对模型进行了仿真,通过对模型的仿真结果分析,可以对光伏电池的基本工作原理做一个更加深刻的了解。

(2)对升压斩波电路进行了详细的研究。通过对升压斩波电路的分析,得到了其数学模型,在MATLAB平台上搭建了其仿真模型,并对电路进行了仿真。

(3)对最大功率点的追踪技术进行了研究。本文对传统最大功率点进行了分析,了解到传统方法的缺点,并在传统方法的基础上提出了一种新的最大功率点跟踪技术即双模式最大功率点跟踪技术。通过仿真,验证了该方法较传统方法在各个方面均有较大的提高和改善。

(4)对系统的并网进行了必要地研究。主要研究内容包括:系统并网的拓扑结构、系统并网的控制策略、系统并网的调制策略以及锁相环的研究。通过仿真对其可靠性进行了验证,最后对系统并网的稳定性进行了简要的分析。

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参考文献(略)

 

 

第 1 章  绪论 

 

1.1  课题背景及意义 

近几年，各地电力公司根据国家电网公司实施的人力资源、财务、物资集约化管理和构建大规划、大建设、大运行、大营销（简称“三集五大”）的发展体系建设要求，在确保电网安全稳定运行的前提下，积极地推进“调控一体化”工作平台的建设。在 2012 年南方电网公司“调控一体化”现场研讨会上，南方电网公司提出争取到 2020 年实现全网调控一体化的工作目标。目前有多个省份的电网已经迈入了“调控一体化”的时代。 所谓电网调控一体化，即是将原来电网运行管理模式下的变电监控业务和变电运行维护业务分离开来，将变电站监控业务与调度业务一起融合在电网调控中心，从而实现电网监控业务和调度业务的一体化管理[1]。电网调控一体化运行管理模式的应用将使电网的运行管理水平得到强化，业务流程得到优化，工作效率和电网事故处置能力得到提高，继而使电网集约化的管理水平得到全面提升[2]。随着电网调控一体化平台建设的开展，对变电站无人值班、集中监控的运行管理模式提出进一步的要求，促使各地电网调度部门实现调控中心远方操作变电站设备的目标。 随着全面推进 35kV 及以上变电站远方遥控操作的实施进程的加快，变电站设备操作权限归电网调控中心后，原有的电网调度智能操作票系统已经不能满足新模式下的功能要求。原有的电网调度智能操作票系统只能自动推理出操作指令票，再由调度值班人员根据操作票内容通过电话形式下令到运维操作站或变电站，然后运维操作站或变电站根据操作票指令编写出工作票，最后操作执行人员根据工作票进行操作，运维站或变电站操作完后又通过电话告知调度值班人员操作执行情况。

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1.2  国内外操作票系统发展现状

操作票系统是确保电气操作正确可靠，防止人为误操作的主要手段，是电力系统中进行电气设备操作的书面依据[6]。 从 80 年代中期开始，国外的电力专家们以及各科研单位对电网调度操作票生成系统都先后进行了一定程度的科学研究，在理论技术和实践应用上都获得了许多的研究成果。国外比较早的电网操作票系统是由日本 Thkashi Abe 等科研人员设计开发的 Virgo 专家系统，其实现方式是采用知识性描述语言 KDL，这种方式开发出来的系统可用的操作任务比较少，仅限于 4 种：停电操作、送电操作、并列运行及单独运行；所涉及到的电气设备类型也比较少，只有 3 种类型：母线、线路和变压器，该系统能够自动生成顺序的操作命令集，并且具有仿真功能，但是形成的操作票没有涉及到二次设备保护压板的投退[7 ]。美国Noelnschulz 等学者针对设备有时是远程遥控操作有时是就地操作的特点，把它视为一个估价条件，利用专家系统来产生开关、线路、变压器的操作设备顺序内容[8]。加拿大 Z.Z.Zhang 教授等提出了把变电站按照组件层次、分支层次以及网络层次分类来进行分层建模，这个系统可以对操作人物进行自动分解，并且利用启发式估价算法获得最佳的操作路径，但该系统只针对开关、母线以及线路设备的投入或退出进行任务分解，并且没有独立的电网规则库[9][10]。 

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第 2 章  系统需求分析与总体结构

 

2.1 系统功能需求分析 

某省电网调度中心原有的电网调度智能操作票系统是基于分层结构的专家系统建立的，目前该系统能够能实现的功能有：智能推理生成操作指令票、模拟预演、安全防误校核等。在调控一体化的电网运行管理模式下，上述功能显然不能满足相关要求，为此本文立足于原有的电网调度智能操作票系统，在系统功能上增加遥控防误校核、电气设备远程解闭锁、遥控操作票的自动生成以及远程遥控操作等功能，以使其能够满足新的电网运行管理模式的功能需求。调控中心是电力系统运行的指挥中心，调控中心发生的误操作对电网的安全运行将带来严重的危害。因此，针对电网调度智能操作票系统的远程遥控操作需要建立一套有效的遥控防误校核体系。遥控操作票在执行操作前，电网调度智能操作票系统首先会对其进行遥控防误校核，以确保遥控操作的正确性。本文中的遥控防误校核功能是以遥控防误校核规则为约束机制构建而成的。为了防止误操作的发生，通常会在变电站内安装防误闭锁装置，包括开关、刀闸等高压电气设备上，目前变电站内使用的闭锁装置主要有微机防误闭锁、电气闭锁以及机械闭锁。在调控一体化的运行管理模式下，遥控操作执行前需要对处于闭锁状态的操作设备进行远程解锁操作。本文针对微机闭锁在电网调度智能操作票系统中扩展增加远程解锁、闭锁功能，即遥控操作前对处于闭锁状态的操作设备进行解锁操作，遥控操作完后恢复到闭锁状态。

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2.2  系统的总体结构 

系统中原有的智能开票、模拟预演、安全防误校核等功能不能被破坏，系统在增加遥控防误校核、远程解闭锁、遥控操作票等功能的过程中，不能对系统原有功能的正常使用造成影响干扰。系统新增的功能模块不与原有的功能模块放在一起，并且新增功能模块之间进行分层设计，使得系统在调用相关功能模块时不受其他功能模块的影响。 电网调度智能操作票系统是属于长期不间断运行的电网自动化系统，因此升级改造后的电网操作票系统应该保证长期运行中的稳定性。改造后的系统除了应具有要求的功能外，还应具有在电网多种运行方式下和所需时间内完成相应任务的能力。调控中心内的电网调度智能操作票系统并不是独立运行的系统，而是通过相关服务接口与其他系统相连。如为了获取电网实时运行数据，系统与 EMS 系统相连；为了实现遥控操作票在调控中心操作执行的目标，电网调度智能操作票系统与调度自动化监控系统相连，实现遥控操作票自动下发至调度自动化监控系统的功能。所以，电网调度智能操作票系统必须具有很高的可靠性，防止系统出现问题对所连的其他系统造成影响。 

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第 3 章  系统扩展通信程序的设计 ......... 14 

3.1  与监控系统的通信程序设计 .... 14 

3.1.1 TCP/IP 协议与 Socket 简介 ..... 14 

3.1.2 TCP/IP 协议下的通信程序设计 ...... 15

3.2 与一体化防误闭锁系统的通信程序设计 .......... 16 

3.2.1  规约数据祯格式 ..... 17 

3.2.2  通信程序设计 ......... 18 

3.3  本章小结 ........... 23 第 

4 章  系统新增功能的设计 ........ 24 

4.1  遥控防误校核 ........... 24

4.2  远程解闭锁 ....... 28 

4.3  遥控操作票 ....... 30 

4.4  倒闸遥控操作 ........... 31 

4.5  本章小结 ........... 34 

第 5 章  系统的实现与应用 .... 35 

5.1  系统的硬件结构 ....... 35 

5.2  系统的软件结构 ....... 36 

5.3  系统智能开票 ........... 37 

5.4  模拟预演 ........... 39 

5.5  解锁操作 ........... 40 

5.6  遥控操作票 ....... 41 

5.7  遥控防误校核 ........... 42 

5.8  本章小结 ........... 43 

 

第 5 章  系统的实现与应用 

 

上一章对电网调度智能操作票系统在调控一体化模式下扩展新增的功能进行了研究设计，接下来本章将对系统在某省电网中的实现和应用进行介绍。

 

5.1  系统的硬件结构 

电网调度智能操作票系统的主要硬件结构包括两台互为备用的系统服务器、两台监控台工作站和两台调度台工作站，同时为了取得电网实时运行数据和各变电站设备运行状态情况，从 SCADA 系统和 EMS 系统中读取这些相关信息。为了实现遥控操作票的远程遥控操作功能，智能操作票系统通过通信程序实现与调控中心的调度自动化监控系统、变电站一体化防误闭锁系统的相连。智能操作票系统中的服务器（服务器 1 和服务器 2）主要功能是存储系统的获取的电网实时数据、知识库规则、历史操作票以及系统应用服务的运行等；监控台主要是对调度员在拟票、防误校核、操作执行等进行监护，防止误操作的发生；调度台工作站主要用于调度工作人员进行拟票、审核、操作执行等。 

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总结 

 

针对某省电网进行调控一体化运行管理模式的建设，调控中心要求实现对变电站设备远方操作的目标，以提高电网调度操作的效率和紧急事故的处理能力，最终实现管理水平的提升和技术创新的目标。本文在研究分析了调控一体化的电网运行管理模式下对电网调度智能操作票系统的要求以及原有系统不足之处的基础上，扩展增加了与其他自动化系统的通信连接和新模式下要求的系统功能，从而使升级改造后的电网调度智能操作票系统满足相关应用要求。全文总结如下： 

（1）对电网调度智能操作票系统的国内外发展研究现状和调控一体化的电网运行管理模式进行了深入的研究分析，明确了操作票系统设计方向和调控一体化模式下的电网调度智能操作票系统所应具有的系统功能。 

（2）从系统的功能需求入手分析了在原有电网调度智能操作票系统中应扩展增加的系统功能。在原系统的总体结构上增加了遥控防误校核规则库，并将调度自动化监控系统、变电站一体化防误闭锁系统接入智能操作票系统中，以实现遥控操作和远程接闭锁的功能。 

（3）对新系统与其他两个自动化监控系统通信连接程序进行了研究设计，使得新系统的远程解闭锁功能和遥控操作功能在其他两个自动化监控系统的辅助下得以实现。 

（4）针对调控一体化的电网运行管理模式要求，对智能操作票系统的新增功能进行了研究设计。

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参考文献(略)

 

 

第 1 章 绪论

 

1.1 课题研究的背景和意义

如今，传统化石能源的枯竭，生态环境的恶化等，已经引起人们越来越多的关注。火力发电由于其能效低、污染重，加之化石能源逐渐枯竭，大部分小火电机组已经关停，但是当前火力发电仍然是我国发电的主力军。为了改变我国能源结构，减少对化石能源的依赖，大力发展新能源，尤其是清洁能源发电是必然之路。在各种新能源中，风电和光伏发电发展迅速，而且由于其发电几乎不对环境产生任何损害，安装地域不受限制，所以得到了国家和政府的大力扶持。但是风电和光伏发电具有间歇性和波动性的特点[1-3]。风电场和光伏电站属于不可调节电源，发电量不受控制，具有不可预测性的特点，增加了系统调节裕度，加大了电网的调节难度。传统的火电机组具有调节速度慢、可调容量小、污染严重等缺点，造成我国风电和光伏发电迅速发展的同时也存在大规模弃风弃电的尴尬现象。解决弃电问题的一个有效方法是在电力系统中引入储能环节，如今在电网中引入大规模储能装置已经被越来越多的国家和地区认可。在各种储能技术中，化学储能由于成本高、有污染，不适合大规模建设，而电磁储能的发展尚不成熟，只有物理储能可以做到大规模、低成本。抽水蓄能电站发展较早，技术较成熟，且对环境无污染，非常适合在电网中担任大规模储能装置，抽水蓄能配合任何一种电源建设都能够使得电力系统的整体效益最大化[4]。进入 21 世纪以来，国际能源格局变化较大，以风电和太阳能发电为代表的新能源发电得到了迅速发展，尤其是近几年，随着技术的成熟和管理能力的提高，风电和光伏发电正在以前所未有的速度发展。纵观欧美等发达国家，在能源问题和环境问题的压力下，风力发电和光伏发电都在迅速发展，部分欧洲国家风电的装机容量已超过国内装机总量的 20%，光伏发电比例也在迅速增长，其中德国光伏发电装机容量达 3820 万kW ，占世界装机容量 26%。截止 2014 年底，国际风电并网装机容量为 3.69 亿 kW[5]，太阳能发电装机容量约 1.7 亿 kW，风电和太阳能发电的装机容量已达全部装机容量的 7%，并且还在迅速增长中。图 1.1 给出了 2001 年以来世界风电和光伏发电增长曲线，可以看出风电和光伏发电都在快速稳定的增长中。

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1.2 国内外研究现状

大规模发展新能源已经是现在世界能源变化的大趋势，目前，风电和光伏发电的发展最为迅速，但是由于其发电的不确定性和间歇性，系统无法大量消纳，限制了风电和光伏发电的并网。大量应用和研究表明，在系统中加入储能装置可以大幅度提高变化性电源的消纳能力，加强电网的稳定性。抽水蓄能作为目前发展最为成熟的储能技术，不仅具有常规发电功能，还有其独特的优点：调节速度快、既是发电厂又是负荷。进入 21 世纪后，抽水蓄能电站的发展进入新阶段—电力系统管理工具阶段[11]。欧美等国家的抽水蓄能电站占本国装机容量的比例均较高，基本已达 10%以上，而我国仅占 2%左右，经验表明利用抽水蓄能的优势与风电光电等变动性电源相结合形成独特的联合运行系统，可以最大化利用清洁能源，提高电网的稳定性。目前，对于互补发电已有一定的研究，主要有风电与抽水蓄能混合发电的系统[12-19]，光伏发电与抽水蓄能互补运行的系统[20-22]，风光储发电互补运行的系统[23-27]。

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第 2 章 互补发电基础技术

 

2.1 风力发电技术

风力发电技术最早可追溯至 19 世纪末，丹麦建造了第一座风力发电机组。在很长的一段时间里，风电都是作为电网无法覆盖地区的主要电源，为当时的农村电气化提供了极大的支持。直到 20 世纪 40 年代，美国才研制出第一个可用于并网的风力发电机组。1973 年发生石油危机后，风力发电得到了欧美等发达国家的重视，得以迅速发展起来，到 20 世纪末风电装机并网容量已达 2400万 kW，进入 21 世纪后，能源问题和环境问题得到了广泛的关注，世界范围内掀起了一股新能源发展的热潮，到 2014 年底，全球风电并网装机容量已达 36970万 kW。其中，我国风电并网装机容量在 2015 年 2 月突破 1 亿 kW 大关。

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2.2 光伏发电技术

光伏发电由于成本较高，最早只用在航天和军事领域，很长的一段时间以来，光伏发电发展速度缓慢，直到近几年由于技术突破光伏电池成本大幅下降，光伏发电才得以迅速发展起来，目前世界光伏发电装机容量已达 1.8 亿千瓦。我国紧随世界发展的脚步，目前光伏发展正处于高潮阶段，近两年并网装机容量增长居世界第一位。光伏发电的原理是基于太阳能照射 PN 结的结合部分所产生的空穴和传导电子的流动，即“光生伏特”效应，由于单个电池片所产生的电压只有 0.5~0.7V 左右，所以光伏电池要由大量的电池片串联而成。光伏电池的数学原理如图 2.3 所示：光伏电池通常采用最大功率点跟踪技术（MPPT）进行功率的跟踪控制，影响光伏电池功率输出特性曲线的主要因素是光照强度和温度。从图 2.4 中可以看出随着光照强度的降低，光伏电池的输出电流急剧下降，但是对开路电压的影响不大，因此输出功率也会迅速下降。从图 2.5 可以看出，温度对光伏电池的输出特性也有一定的影响，当温度升高时光伏电池的开路电压会有所下降，短路电流值变化不明显，因此，输出的功率值也会随着温度的升高而降低。此外，阴影遮挡、天气状况等对光伏模块的出力也有一定的影响，实际光伏电站的出力分析还可根据天气预报及温度情况结合历史数据进行预测。

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第 3 章 联合运行系统.... 20

3.1 风电和光伏发电出力互补特性分析......... 20

3.2 火电与抽水蓄能性能比较.... 22

3.2.1 能耗分析....... 23

3.2.2 调节能力比较...... 25

3.3 抽水蓄能与风光互补联合运行系统......... 26

3.4 本章小节.... 31

第 4 章 抽水蓄能与风光互补发电并网分析.......... 32

4.1 粒子群优化算法...... 32

4.1.1 粒子群优化算法的原理.... 33

4.1.2 粒子群算法的参数设置.... 34

4.1.3 粒子群优化算法的优缺点....... 36

4.2 改进粒子群优化算法..... 37

4.2.1 改进策略....... 37

4.2.2 算法实现....... 39

4.3 算例分析.... 41

4.4 抽水蓄能电站效益分析........ 51

4.5 本章小节.... 53

第 5 章 总结与展望........ 54

5.1 总结..... 54

5.2 展望..... 55

 

第 4 章 抽水蓄能与风光互补发电并网分析

 

4.1 粒子群优化算法

目前对于机组优化运行问题主要的处理方法有：顺序型算法、多阶段动态规划法、拉格朗日松弛法以及遗传算法、蚁群优化算法、粒子群算法等智能优化算法。顺序型控制和多阶动态规划法都是比较初级的控制方法，简单高效但是控制精度低，拉格朗日松弛法理论上对于越多机组的优化问题的处理效果越好，但是可能出现震荡和奇异现象，从而无法得到最优解。随着计算机技术的迅速发展，智能优化算法得到了人们的重视，智能优化算法具有计算速度快，精度高，实现简单等优点。智能优化算法的基本原理都是利用计算机的快速处理能力在全局范围内进行最优解的搜索，在改进约束条件的情况下，能够较好地解决机组优化运行问题[43-46]。表 4.1 给出了几种常用智能优化算法的优缺点比较，从中可以发现粒子群算法的搜索速度优于其他几种算法。粒子群优化算法具有较强的鲁棒性、精度高、全局搜索速度快等优点，其缺点是易陷入局部最优。算法需要进行改进才能更好地处理具体的问题，本文采用改进粒子群优化算法对联合运行系统优化运行问题进行计算。

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总结

 

随着我国小火电机组的关停以及大规模核电机组的建设，通过火电机组启停调峰将越来越困难，在不久的将来，核电风电以及太阳能等新能源必将成为电力系统中发电的主力，但是这些电源的调节能力极差，大规模抽水蓄能电站的建设是大势所趋也是势在必行。风电和光伏发电作为发展前景最好的新能源，在资源数量和环境友好性方面有着传统化石能源不可比拟的优越性，但是风电和光伏发电的波动性、时空分布不均的特点也对其利用增加了难度。近几年我国风电和光伏发电发展速度较快，如何消纳大量的变动性能源成了亟待解决的问题，针对我国“大基地融入大电网”的发展现状，本文对抽水蓄能与风光互补的联合运行系统进行了仿真分析。主要工作内容有：

⑴阐述了我国风电和光伏发电的发展现状以及存在的问题，分析了储能系统的作用及各种储能系统的优缺点。

⑵将传统火电机组的调峰性能以及煤耗特性与抽水蓄能机组进行进行了对比分析，简要说明了抽水蓄能机组加入电力系统调峰及配合风光等变动性电源的优越性。

⑶对风电和光伏发电的出力特性进行了分析，初步确定了风光互补的可行性和优势，并在风光互补系统中加入抽水蓄能电站进行储能调节，提出了风-光-抽水蓄能-火电联合运行的系统数学模型。

⑷智能优化算法对于处理复杂的多维、多约束的离散函数具有天然的优势，经过对几种算法的分析，粒子群优化算法具有收敛速度快，精度高等优点。针对其易陷入局部最优的缺点提出加入遗传算法的变异机制改善粒子的多样性，但是智能优化算法对于约束问题的求解较复杂，通常采用的罚函数法中的罚因子较难确定，本文提出一种标幺化的处理方法，将目标函数与约束条件进行标幺化处理，结果证明具有良好的收敛效果。

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参考文献(略)

 

第一章 绪论

 

1.1 本课题研究的背景与意义

自 2011 年起，赣州市供电公司展开了电网结构模式的更新建设，由传统的“变电集中监控”转变为新一代“调控一体化”的电网运行模式，接入了智能电网调度自动化集成系统 OPEN-3000 并运行至今。模式的改变使得调控中心的责任加重，面对日渐扩大的电网规模，新增的数百座厂站上传至主站的繁多信息数据，造成了监控运行人员日常监视与事故诊断的困难。基于 OPEN-3000 系统开放式平台，我们总结了数年内的实际运行经验，展开了对上传的告警信息进行在线实时处理的研究与创新，以适应当下电网智能化的发展与大规模的建设。该系统作为新一代电网调度自动化集成系统，对比以往的运行系统有着其研究的充分代表性，结合国际新标准、新思想与各级调度合作研制而成的能量管理系统，在国内各个地市级电力系统调度控制领域应用广泛，成为国内众多网省、地市级调度的运行系统。因此对 OPEN-3000 自动化集成系统展开理论剖析与实用性研究，不仅是对其先进技术底蕴的充分继承以及多年运行经验的有效总结，更是为了满足高速发展的电力网络之下提出功能新需求的前提与基础。

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1.2 国内外研究现状及存在问题

国内外已有多种智能或创新技术参与到有关如何优化告警信息处理这个问题的解决之中，具体例如人工神经元网络、Petri 网络、专家系统、模糊逻辑推理技术、基于优化技术的解析方法等。经过阶段性的研究发展，实际中从专家系统以及解析模型入手解决该问题的可行性与利用率较其他办法更加的理想。20 多年以前就能在辅助电力运行的功能模块中发现专家系统的影子，现如今在电力系统规模建设、设备监视与控制、事故诊断、电力经济分配等各功能系统中都用到了这项技术。目前开发出的基于各类知识点设计而成的专家系统中，具体总结出的有这些类型：通过知识规则构建的、来源于事例的、基于模型框架的、采用模糊逻辑的、应用 D-S 证据理论的、基于人工神经网络的和运用优化算法的专家系统等[1]。下面分别论述了它们的简要原理和优劣之处。基于规则推理：规则是一种具有代表性的知识逻辑，不是凭空创造而是基于具体实际发现并总结出来的，专家的经验对应于这种代表性的知识逻辑。它的推理模式具有启发性，先有明确具体的条件，再得出清晰的结论。它被开发设计成各种功能应用系统，是比较经典可靠的专家系统技术。规则在被机器合理选择与正确应用的过程即推理过程，而翻译成计算机识别的语句是用产生式的“IF…AND（OR）…THEN…”表示，其作用机理简洁明了。

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第二章 OPEN-3000 系统开发平台

 

2.1 引言

OPEN-3000 系统在赣州市电力公司自 2011 年开始投入运行至今已数年，在其开放式平台上架设的功能系统十分丰富，解决了调控一体新模式下的不少问题。模式的转变对于调度运行的影响是革命性的，变电站实现无人值守，将变电站的监视与调度融为一体。原本站端的监视人员只需坐在主站调控大厅通过监控系统采集的网络运行信息，来进行调度与控制。然而智能网架结构的日益壮大，使得无人值守的变电站上传至调控中心的告警信息数量急剧攀升，系统平台的基本信息处理服务功能并没有得到完美的利用，并且功能性也不能很好的满足调控新需求，有待进一步得升级与建设。本章对 OPEN-3000 系统开发平台进行功能研究与结构剖析，展示了其平台友好的可集成性，重点阐述平台提供的公共告警信息服务功能的实现，为下一章节对其进行优化的试验研究打下理论基础。

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2.2 体系特色

0PEN-3000 智能调度集成系统的体系特色在于其基于平台之上功能应用的独立与交互，采用最新国际标准达成开放式的信息沟通，从测点到网络拓扑的数据信息采集升级，是融合了国内外各项前沿技术的新一代调度自动化集成系统。0PEN-3000 系统于 2004 年 10 月推向市场，次年 9 月参与了科技成果鉴定并取得了良好成果，在全国各调度领域内应用广泛，并于 2011 年正式在赣州市地调网络启动运行。多年的投入使用经验证明 OPEN-3000 系统运行的可靠稳定性，它的友好升级与开放式功能扩展使得其技术的先进性得到了维持，不断总结以往实际运行所得，同时顺应国家电力改革政策将新的功能需求日渐完善。各调度领域还可根据自身实际创建带有地区特色的应用模块，维护与更新服务也深受各方的好评。标准化是指功能应用的模型开发采用界内预先统一设定的标准，是评判电力调控运行系统优良与否的关键点。对比传统的电力调控运行系统，OPEN-3000不仅继承了可移植操作系统接口标准 POSIX、便利信息交互与传输的网络通讯TCP/IP 协议和图形界面的开发接口标准 MOTIF 等，更首次在其功能平台和应用服务方面通过统一遵循 IEC61970 国际标准解决了不同构成的应用系统之间沟通困难的问题[2]。

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第三章 调控信息预处理优化的研究与试验.........14

3.1 引言.......14

3.2 现状调查......14

3.3 原因分析与确认........16

3.3.1 原因分析关联.....16

3.3.2 要因确认......18

3.4 针对性的对策制定与实施......20

3.5 试验结果......25

3.6 设计便利巡检模块....26

3.6.1 电压监视页面模块....26

3.6.2 光字牌间隔信号分类.......28

第四章 智能告警信息实时处理专家系统....30

4.1 引言.......30

4.2 数据采集......32

4.3 基于 IEC61850 的信息建模 ..........34

4.4 故障信息的可靠截取.......37

第五章 知识库与推理机制.........42

5.1 概述.......42

5.2 基于告警信息关联性制定规则......43

5.3 告警逻辑推理机........45

5.4 知识库建立.........47

5.5 智能推理的模拟........53

5.6 本章小结......54

 

第五章 知识库与推理机制

 

5.1 概述

知识库，顾名思义是储存着大量知识与经验的数据库，这些知识与经验来自于各领域的专家学者。智能告警信息实时处理专家系统的知识库，存放的必然是与告警信息处理与事故诊断相关的规则。在上一章节介绍可靠截取故障信息的流程中，就运用知识库中关于保护动作与断路器跳闸匹配关系的规则，来识别信息流中的故障告警信息。要对故障告警信息做出准确的诊断，必然需要全面的制定各类告警信息之间的规则，知识库中规则的优劣与全面性决定了我们信息处理结果的好坏。随着电网运行的发展，越来越多的智能技术与智能设备的参与将给我们提供愈来愈丰富的知识。好的知识库模型的建立，对知识库的更新与维护有很大的助益。知识库模型的建立取决于我们对库内规则的表示形式，目前人工智能中的知识表示形式有产生式、框架、语义网络等，而在专家系统中运用得较为普遍的知识是产生式规则[27]。为了适用 OPEN-3000 系统平台运行，我们选择采用产生式的知识表示方法，并根据告警关联规则归纳了知识库中告警信息的类纲，在其后的小节中将进行阐述。推理机制，即我们对一个事件进行思考判断的思维方法。在这里，即调度人员根据现有的告警信息并结合知识库中存储的相关规则，来判断故障原因的逻辑方式，是对知识的合理选择与有效利用的方式[28]。

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结语

 

本文首先介绍了电网运行模式转变后的过渡大背景，阐述了赣州市电力调控中心告警信息数量庞大的问题，暴露了 OPEN-3000 系统平台支持功能的不足。为适应电网规模的不断发展，提升调控一体化的运行可靠性，对告警信息进行智能实时处理的研究势在必行。本文基于广泛应用于各网省、地市级调度控制中心的 OPEN-3000 调度自动化集成系统，对其展开结构与功能的研究。并结合赣州市电力调控主站采集的告警信息繁杂的特点，做出预处理研究与试验，达到了锐减信息量，优化后台显示的便利监视目的。然后对厂站端采集的二次信息的模型做出描述，设计了可靠截取故障信息队列的获取流程。最后介绍了智能告警信息实时处理专家系统的产生式知识表示与将置信度计算与模糊推理结合的推理机制，并实际建立了知识库大纲，实现了专家系统的告警信息关联推理的试点模拟，完成了全文内容。

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参考文献（略）

 

第一章 绪论

 

供电企业是一个服务行业，可靠供电并供优质的电是供电企业的重要使命。随着我国电力改革的不断深入，供电企业在追求服务质量，保证电力客户供电可靠的同时，如何获取高的经济效益成了企业追求的目标之一。对于供电企业来说，降低运行维护成本有是提高经济效益的重要手段。随着电网的不断发展和壮大，检修任务日益增多和“三集五大”的推行，为保证电力设备检修质量和电网的安全运行，采用更为先进、更为科学的设备检修维护体系，是提高电力系统可靠性，减少供电企业生产成本的有效途径。

 

1.1 研究背景与研究意义

电力是经济社会发展的动力和保障。以电网的科学发展推动电力工业健康协调发展，为全面建设小康社会提供安全可靠的电力保障，是经济发展的客观需要。电力的重要性、特殊性赋予了供电企业更多的社会责任和义务。随着电力设备科学技术的发展和水平的不断提高，尤其是经济发展迅速城市的供电企业，从发达国家引进了许多先进的、高性能的、高自动化的电力设备和技术，逐渐拉小我国供电企业的技术装备水平与国外的差距。即便如此我国的供电企业还是存在硬件水平不高和管理水平更不高的问题。变电站是电力供应的重要部分，它是电能传输与分配的载体，对变电站内设备的运行状态进行监测，及时发现故障前期表现可以做到“事前检修”，是目前电力系统设备检修的比较推崇的方式。每一个变电设备从要求设计、厂家制造、安装到投入运行中间有很多环节，在这期间有可能产生各种故障。随着现代设备生产技术的发展，变电设备的结构越来越复杂，设备的综合自动化程度越来越高，很难再早期发现故障和准确测定。因此，为确保变电设备的正常运行，一般 3~5 年对设备大修一次。主要是处理设备各组成部件缺陷为主。然而这种事前检修不是按照设备的运行状态，针对性不强，需要耗费大量的人力和财力。

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1.2 设备检修体系的发展综述

为节约检修费用，避免设备发生事故，消除计划检修带来的“过剩检修”或“检修不足”现象，变电设备从故障检修到周期性检修再到状态检修。故障检修是设备坏了才修，不坏不修，即检修工作在故障发生后才进行。是在电力发展初期由于维护手段缺乏，以及一些突发性事故的情况下不得以而为之的检修方式。周期性检修是定期进行的预防性试验和计划检修，对发现设备隐患、防止事故保证电力系统的安全运行起到了一定的作用。但是随着电力的发展这种检修方法已经不太适应发展的要求，主要表现在：（1）需要停电进行试验；（2）对某些设备可能出现检修不足的情况；（3）停电后设备状态和运行中不一致，影响判断的准确性。

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第二章 南昌电网变电设备（220kV 及以下）的检修现状的分析

 

随着居民生活越来越好，用电越来越多，作为一个非典型工业城市的南昌来说，电网发展也是非常迅速的。国家电网公司在近两年又提出“减员提效”政策，双重作用之下，南昌电网长期使用的检修模式已经不能完全承担繁重的检修任务了。本章重点对南昌电网变电设备（220kV 及以下）检修模式进行调研和分析，为提高检修效率改进检修模式提供决策依据。

 

2.1 南昌电网的总体现状分析

南昌电网是“上接华中、下接城乡、集中南昌、辐射四方”的江西电网枢纽中心、负荷中心，承担着南昌市和周边五县四区供电服务。截至 2012 年 10 月底，供电区域 8471 平方公里，供电用户 167.38 万户。现有 500kV 变电站 3 座（省电力公司检修分公司运行管理），35～220kV 变电站（开关站）133 座（220kV 变电站 19 座、110kV 变电站 51 座、35kV 变电站 63 座），变电总容量 9720.1MVA，输电线路总长度 3271.27km，配电线路总长度 11754.1km，配电变压器 15054 台，变电容量 4002MVA。2014 年公司完成售电量 117.5 亿千瓦时，增长 12.7%。南昌电网历史最大负荷为 265.65 万千瓦。

 

2.1.2 南昌电网变电设备（220kV 及以下）概况

（1）变电站：220kV21 座，110kV53 座，35kV 座，10kV 开关站 3 座（2）主变压器：共 142 台，110kV——106 台；220kV——26 台。其中 ABB3台，西门子 3 台，其余都为国产（如：华鹏、华明、南京电力变压器厂等）。（3）断路器：共 2332 个，其中 ABB286 台，西门子 152 台，其余都为国产（如：北京北开、河南平高、江苏如高、山东泰开等）。（4）隔离开关:共 4397 个，其中 ABB112 台，西门子 57 台，其余都为国产（如：北京北开、河南平高、江苏如高、山东泰开等）。

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2.2 南昌电网变电设备（220kV 及以下）各类检修模式的应用分析

国内变电设备检修有故障检修、周期性检修和状态检修三种模式。

（1）故障检修：是指对设备发生故障的一种作业方式，即修理、拆修设备的部分或全部更换。其不足表现在不能实现预防为主的要求，不能实现设备状态的“在控”，故障后果一般比较严重，造成电力系统和用电客户巨大损失。

（2）周期性检修：是对电力设备推行以预防性试验为基础的计划检修制度。长期以来，在停电情况下进行定期的预防性试验和计划维修，对于发现设备隐患、防止事故、保证电力系统的安全运行起到了很大的作用。

（3）状态检修：在设备状态评价的基础上，根据设备状态和分析诊断结果安排检修时间和项目，并主动实施的检修方式称为状态检修。南昌电网目前处于故障检修、周期性检修与状态检修的过渡期间。

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第三章 检修策略研究 ........12

3.1 变电设备检修模式选择的影响因素分析 .........12

3.2 检修策略的制定 ......13

3.3 状态检修模式分析 .........14

3.5 实施状态检修的意义 .....17

第四章 状态检修方案设计 .......18

4.1 状态检修的组织体系分析 ....18

4.1.1 明确状态检修管理层次 .....18

4.1.2 设计状态检修流程 ......18

4.2 状态检修的管理体系分析 ....20

4.3 状态检修的技术体系分析 ....22

4.4 状态检修的保证体系分析 ....24

第五章 的状态检修管理系统规划 .........25

5.1 的状态检修管理系统规划 ....25

5.2 的状态检修管理系统介绍 ....26

5.3 的状态检修管理系统实施效果分析.......30

 

第六章 南昌电网变电设备（220kV 及以下）状态检修举例

 

案例经过：西郊变电站#1 主变压器是 2002 年 5 月生产的 220kV 变压器，于2003 年 9 月投运，型号为 SFPSZ9-180000/220.2013 年 7 月 30 日，在进行周期性绝缘油中溶解气体分析是，发现绝缘油中溶解气体异常，其氢气、乙炔及总烃均超过注意值，外观检查及声音无异常，气体继电器内无气体，潜油泵运行正常。随后每天进行色谱跟踪，从几天的色谱数据分析，特征气体含量增长很快，初步判断变压器内部存在金属过热缺陷。8 月 1 日测量铁芯接地电流，排除了铁芯多点接地故障；红外热成像检测油箱无明显过热点，排除漏磁环流引起油箱发热的故障；同时发现 35kVB 相套管温度高于其他两相。8 月 4 日进行停电试验查找故障点，根据红外热成像结果首先进行低压绕组的直流电阻测量，测量结果发现直流电阻不平衡度超标达到 35%，已严重超过规程规定的 2%，与历史数据发现 B 相直流电阻偏大，确认故障回路在 35kVB 相引线回路。打开 35kV套管手孔法兰进行检查，发现 B 相套管导电板与引线连接部分过热灼伤形成焦炭，下部紧固螺栓用手可轻松转动，引线与导电板之间有 1mm 以上的间隙，此处就是造成绝缘油中溶解气体异常、红外热成像套管温度偏高、绕组直流电阻偏大的故障点。

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结论

 

随着我国电力体制改革的完成，供电企业己进入了一个崭新的阶段，企业已从计划经济时代向市场化的现代企业模式转变，经济效益和服务质量已成为企业追求的主要目标。如何在降低企业运行维护成本的同时，又能不断提升企业的优质服务水平成为供电企业面临的挑战。从企业的核心生产运营管理内容来看，电力企业长期以来遵循的设备周期性检修制度存在比较大的弊端，己不能适应电力系统发展的需要。在国内外设备检修体系发展历程及电力设备状态检修现状综述的基础上，本文全面分析了南昌电网变电设备检修模式的现状及存在的主要问题，在消化、吸收国内外已有先进的设备状态检修相关技术和管理经验的基础上，确立了南昌电网变电设备以状态检修为主，融故障检修、定期检修、状态检修三种检修策略为一体的优化的检修模式，取代以往的定期检修策略为主的检修模式，对设备状态检修管理系统进行了规划。具体地讲，本文主要研究以下内容:第一章 研究变电设备开展状态检修的目的、意义以及国内外的应用和发展第二章 主要从南昌电网的总体现状、各类变电设备检修模式应用情况和状态检修现状进行分析。第三章 结合南昌电网的实际情况，重点对南昌电网变电设备检修模式进行设计，提出南昌电网变电设备以状态检修为主，融故障检修、定期检修、状态检修三种检修策略为一体的优化的检修模式，取代以往的定期检修策略为主的检修模式，并对以上几种检修模式的适应性和应用情况进行分析。第四章 从建立健全南昌电网变电设备状态检修的组织体系、管理体系、技术体系和保证体系几方面制定南昌电网输变电设备的检修方案。第五章 是在前一章制定完善南昌电网输变电设备状态检修方案的基础上，为保证南昌电网变电设备的状态检修工作深入持久地开展下去，规划了南昌电网输变电设备状态检修管理系统。第六章 南昌电网变电设备（220kV 及以下）状态检修举例。

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参考文献（略）

 

 

1 绪 论

 

1.1 研究背景与意义

根据我国风电发展总体战略目标，到 2050 年风电将在电源结构中占到 26%[4]。风电机组是风电场的关键设备，其可靠性与风电场的安全与经济运行具有紧密联系。风电机组是一个极其复杂的系统，由多种机械、电气和控制组件构成，任一组件发生故障都可能导致机组停运，严重的故障甚至会影响电力系统稳定运行[5]。风电机组通常地处气候变化多端的高山、荒原和海上，冰冻、低气压、高辐射、沙尘、雷击等恶劣的自然环境导致风电组件组件出现故障的概率显著增加[6]。海上风电机组还面临更多的问题，台风、盐雾和湿度等因素同样增加了组件的故障率[7]。受地理环境和气候状况的影响，风电机组的故障维修时间较长，固定维修成本较高[8]。通过实时监测风电机组参数，诊断风电机组潜伏性故障，判断风电机组的运行状况，预测风电机组的短期可靠性，进一步提出适当的控制方法以降低机组的停运概率，对提高风电场的运行安全与经济性将具有显著的科学意义与应用价值。通过安装数据采集与监视控制（Supervisory control and data acquisition，简称为 SCADA）系统，是目前风电场普遍采用的监测风电机组的实时运行状态的措施，希望籍此达到提高风电场运行安全与经济性的目标。然而，在有效利用风电场 SCADA 数据方面还存在诸多问题，风电机组状态参数异常辨识和运行状态评估亟待深入研究，并且关于风电机组短期可靠性预测的研究还鲜见报道。通过对风电机组参数的异常辨识可以排除各种干扰因素对 SCADA 数据的影响，从而达到准确分析机组部件故障的目标，以免故障持续发展并造成重大损失。通过评估风电机组的运行状态，有利于风电场维修人员掌握风电机组整体的运行状况，提高风电机组的运行可靠性，实现风电机组的安全可靠运行。

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1.2 研究现状

状态监测技术是提高机组运行安全性的重要手段，对风电安全高效利用具有重要意义[17-21]。近年来，风电机组状态监测方法与技术引起了国内外研究人员与工程技术人员的极大关注。风电机组状态监测的目标是在风电机组故障的初始阶段进行有效预警，从而及时采取措施，避免重大事故的发生，降低机组维护费用，减少机组停机时间。振动监测法是风电机组旋转设备监测的常用技术，多用于监测齿轮箱、发电机轴承、主轴、叶片等设备。其原理是通过对设备传感器记录的振动信号进行时域与频域的分析，识别设备的故障，主要包括谱分析、倒谱分析、包络线分析法及时间波形分析法等方法。早期研究风电机组的振动信号局限于时域分析，而风电机组运行工况复杂，振动信号通常是非平稳和非线性的，因此针对风电机组的振动监测多采用频域分析法。目前国内外针对风电机组振动监测性能比较好的系统是 SKF 公司的 WinCom 系统，但其分析功能简单，缺乏精确的故障诊断功能。在风电机组状态监测中，油液分析主要用于监测油液质量和定性分析机组部件的状态。其原理是通过分析被监测设备的润滑油性能变化和携带的磨损微粒情况，获得机器的润滑和磨损状态信息，从而评价设备工况，确定故障原因的一种监测技术。目前国外对于油液监测技术较为成熟，已开发出成套的风电机组油液监测系统，并广为使用，如 GE-美国通用电气油品在线监测系统、PRUFTECHNIK油品检测系统、力士乐风机油品在线监测系统、Kittiwake 油品在线监测系统等[22]。我国在油液监测方面研究开展较晚，一般采用取样后离线分析的方法。油液监测可以及时预报潜在故障避免灾难性损坏，同时可以使处于正常运转的设备减小不必要的维修，从而增加经济效益，因此风电机组油液的在线监测是国内风电机组监测的发展趋势之一。

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2 风电机组状态参数相关性分析

 

2.1 引言

风电机组是复杂的非线性控制系统，其运行状态受气候、电网、部件可靠性等多种因素影响，导致风电机组状态参数间的关联关系复杂，基于 SCADA 数据的风电机组状态参数包含大量的干扰信息，原始 SCADA 数据难以直接用于分析机组运行状态。有效利用现有海量的 SCADA 数据是所有风电研究者面临的挑战，因此需深入研究基于 SCADA 数据的机组状态参数之间的相关关系，进一步挖掘出 SCADA 数据包含的有用信息是开展风电机组的故障诊断、状态评估的研究工作的重要基础。本章介绍了风电机组的基本组成，以及风电机组状态参数及其测量位置，分析了风速、叶轮转速和功率的概率分布特性，研究了根据风速范围选择选择合理的 SCADA 数据的方法；研究了风电机组的相关性度量方法，在分析 Pearson、Kendall 和 Spearman 相关系数的基础上，提出了风电机组状态参数的综合相关性指标，对风电机组状态参数之间的相关性进行了研究。

 

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2.2 风电机组子系统与数据选择

大型风电机组主要采用异步电机双馈式结构和永磁同步电机直接驱动式结构。本章实例数据来源于某风电场提供的双馈式风电机组 SCADA 数据，该风电机组为 1.5MW 上风向、水平轴的机型，采用主动偏航和主动变桨控制系统，切入风速为 3m/s，额定风速为 12m/s，切出风速为 25m/s。图 2.1 所示为双馈式风电机组结构示意图[93]，风电机组主要由以下 8 个部分组成：① 叶轮：由轮毂和叶片两部分构成，主要作用是将风能转换为机械能。② 主传动系统：包括主轴及主轴承、齿轮箱、高速轴和联轴器等。③ 发电系统：主要包括双馈式异步感应发电机、转子侧和网侧变流器、电容器和电抗器等。④ 偏航系统：为保证最大吸收风能，当机舱位置偏离实际风向时，偏航系统开始工作，调整机舱位置。包括电动机、减速器、变距轴承、制动机构等。⑤ 控制系统：包括各类传感器、电气设备、计算机控制系统和相应软件。⑥ 塔架：支撑机舱达到所需要的高度，其上安置发电机和主控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，还有供运行维护人员上下机舱的扶梯。⑦ 机舱：由底盘、整流罩和机舱罩组成，底盘上安装除主控制器以外的主要部件。机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，底部与塔架连接。⑧ 其它：包括液压系统，由液压站、输油管和执行机构组成。为了实现齿轮箱、发电机、变流器的温度控制，还设有冷却系统。

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3 风电机组状态参数异常辨识广义模型 .........35

3.1 引言 .... 35

3.2 风电机组状态参数异常辨识广义模型的构架 ...... 35

3.3 状态参数自动选择子模型 .......... 36

3.4 状态参数异常分析子模型 .......... 45

3.5 验证与分析...... 55

3.6 小结.... 61

4 计及工况的风电机组运行状态评估方法.... 63

4.1 引言.... 63

4.2 风电机组状态参数........ 63

4.3 风电机组状态参数的数据处理......... 64

4.4 风电机组状态评估模型....... 72

4.5 实例分析与验证..... 74

4.6 小结.... 78

5 风电机组短期可靠性预测模型 .... 79

5.1 引言.... 79

5.2 风电机组短期可靠性预测模型的框架.... 79

5.3 基于马尔可夫过程的风电机组状态划分....... 80

5.4 初始停运概率模型的建模过程......... 82

5.5 时变状态转移概率的马尔可夫预测模型....... 84

5.6 分析与验证...... 92

5.7 小结.... 96

 

5 风电机组短期可靠性预测模型

 

5.1 引言

恶劣的自然环境、元器件可靠性水平、电网状态等各因素共同作用于风电机组，使其可靠性具有时变性、动态性的特点。然而，常规可靠性研究采用的是中长期的统计数据，它反映的是设备的长期可靠性水平，无法描述设备在短期内的可靠性和运行风险。准确预测风电机组在未来短时间内的可靠性，对风电场的出力预测和功率控制具有重要价值。采用马尔可夫过程可对不同出力状态的风电机组进行可靠性建模，分析风电机组在不同出力状态之间的转移关系，获得风电机组可靠性变化情况。虽然马尔可夫过程在建立多状态可靠性模型方面具有显著优势，但是传统的基于马尔可夫模型的可靠性分析结果反映的是风电机组长期可靠性水平，而无法体现风电机组可靠性在短期内的时变特征。本文通过引入权重矩阵对状态转移概率矩阵进行改进，赋予状态转移概率矩阵时变性，让基于马尔可夫过程的短期可靠性预测模型结果兼顾统计性和时变性，为实现更加准确的风电机组短期可靠性预测提供理论支撑。本章通过分析数据采样率和状态转移概率的统计区间对机组停运概率的影响，提出了状态转移概率矩阵的计算方法。根据风电机组的运行状态评估结果和参数异常辨识结果，提出了改进状态转移概率时变性的权重矩阵，建立了基于马尔可夫过程的风电机组短期可靠性预测模型。

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结 论

 

高可靠性风电机组是风电场安全经济运行的基础。本文针对风电机组运行安全评估中的关键问题，考虑运行工况的复杂变化，对风电机组运行状态评估与短期可靠性预测模型与方法进行了系统的研究。本文的结论主要有：

① 提出了风电机组状态参数综合相关性指标，通过实例分析揭示了风电机组状态参数之间的相关规律。从理论上分析，采用 Pearson、Kendall 与 Spearman 相关系数结合构建的综合性相关指标，比三个独立相关系数能够更为科学地反映参数之间的相关性，实例数据验证了综合相关性指标能够合理描述风电机组状态参数之间的相关规律；通过采用综合相关性指标对风电机组实例数据的分析，发现不仅风电机组同一子系统或部件的状态参数之间具有较强的相关性，而且不同子系统或部件的状态参数之间也具有不可忽略的相关性，同时发现风电机组温度类参数与风速和环境温度都具有较强的相关性。

② 提出并建立了由状态参数自动选择子模型与状态参数异常分析子模型构成的风电机组状态参数异常辨识广义模型。自动参数选择子模型能够从 SCADA数据中选择合理有效的数据，在保证状态参数预测模型精度的前提下，有效简化了状态参数预测模型的结构；采用 LS-SVM、RBFNN、BPNN 建立的风电机组状态参数组合预测模型，具有比三个独立模型更小的参数预测误差；采用预测残差信息熵，比采用预测残差的均方根误差能够更有效地表征风电机组状态参数的异常状态。实例分析表明，提出的风电机组状态参数异常辨识广义模型，成功分辨出风电机组的异常情况，显著优于传统的阈值法。

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参考文献（略）

 

1 绪 论

 

1.1 研究背景及意义

频率作为评估电力系统稳定的重要指标，反映了电力系统有功出力与负荷需求的平衡关系。随着可再生能源技术的发展，特别是作为目前最为经济和成熟的风力发电技术的发展，使得风电并网容量不断增加，电力系统的风电渗透率也不断提高，但是风力发电自身的不确定性也给电力系统的频率稳定带来了一系列挑战。大规模风电并网后所产生的随机波动出力势必会影响系统的功荷平衡关系，而发生随机严重有功缺额时会使电网频率大幅下跌，甚至发生系统频率崩溃事故。在新型能源战略的大背景下，风电并网系统的频率稳定研究引起了广泛的关注。传统电网为了保证系统频率的稳定通常需要保留一定的有功备用。当系统产生有功缺额时，可以通过释放系统的有功备用快速增加有功供给。大规模风电接入增加了系统运行的不可控性和不确定性，通过变频器控制的风电机组因为与系统频率实现了解耦控制，使其并不能与传统同步发电机一样直接参与系统的频率控制。从一定程度上讲，大规模的风电接入将会减弱系统的频率调节能力，不利于系统频率的稳定运行。对于大规模风电并网系统，利用同步发电机组提供与风电同等容量的旋转备用显然不满足电力系统经济性的要求。随着风电并网容量的不断增加，考虑利用风电参与并网系统的频率控制是风电大规模并网后的必然趋势，风电如何参与系统调频是目前的研究热点。

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1.2 国内外研究现状

风能作为一种新型的、清洁的可再生能源，它与目前已知的煤、石油、天然气等矿物燃料能源不同，不会随着其本身的转化和利用而减少。风能作为一种取之不尽、用之不竭、无需开采运输的新能源，越来越受到世界各国的重视，风力发电技术也随之得到迅猛发展。风力发电成为除水力发电以外最成熟、最现实的一种清洁的再生能源，在世界范围内得到格外的青睐及迅速的发展。随着风力发电技术的不断成熟，大型并网风电场成为风力发电的主流，风电在电网中的比重日益增加。许多国家把发展风力发电作为改善能源结构、减少环境污染和保护生态环境的一种措施，纳入国家发展规划，同时世界能源结构也将进入大变革时期，二十一世纪将是清洁可再生能源发展的世纪[1]。截至 2014 年底，全球累计装机容量达到 369.597GW，经历了 2013 年的下滑阶段，2014 年全球风电年新增总装机容量又创造了一个新的记录，新增容量51473MW，同比增长 44%。全球约有 24 个国家的装机容量超过 1GW，其中 16个位于欧洲，4 个位于亚太地区，3 个位于北美，1 个位于拉丁美洲，全球拥有风电装机的国家超过了 80 个[2]。如图 1.1 所示，全球的风电装机容量多年来得到了稳步增长，十年前的装机容量仅为 2014 年的十分之一左右。虽然 2013 年全球风电年新增总装机容量出现了 18 年来的首次下降，与 2012 年相比，年新装机容量下降了 22%，这主要是受全球经济市场衰退的影响，其中美国市场表现得最为突出，新增总装机容量由 2012 年的 12GW 锐减至 1GW，但这并不代表全球风电的发展趋势。

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2 基于改进的弹性神经网络并网系统频率偏移评估方法

 

2.1 引言

随着风力发电技术的不断发展，风能供给在总电能需求中的比重正在日益增加。2010 年，英国的可再生清洁能源占到了总电能的 10%，电能总容量近 10GW，其中风电容量占大约 60%[46]。在德国、丹麦、西班牙等部分电网中，有的电力系统中平均年穿透水平达 50%以上，风力充足时风电能满足电网全部负荷需求，还可输出到邻近电网[47]。随着风电比重的增加，风机在代替传统电机发电的同时，也带来了风电并网后系统的频率稳定问题。风电出力的随机性以及不可控性为风电并网系统带来了更多的不确定性，大大增加了并网系统的频率不稳定性。国内外大量文献的研究结果表明风电机组的并网对于系统的频率特性的确产生了影响，文献[48]建立了适用于风电并网系统的短期功率波动模型，通过算例仿真分析了基于风电功率波动下的风电场对于并网系统频率的影响。文献[49]认为风电场对系统的影响是可接受的。在此文献中，R.A.Schlueter 等人对风电场穿透功率极限与系统发电机机组组合及自动发电机控制间的关系进行研究后认为，如果风电场容量超出规定比例时，系统就必须对发电机机组组合和自动发电机控制的控制方式、策略进行修正，不然，风电场并网运行后，系统的频率将会有较大的偏移，对系统运行的安全性、可靠性及稳定性构成威胁。在严重的情况下，系统可能会失去频率的稳定。大规模风电功率的随机波动会造成并网系统有功出力和负荷的功率不平衡，使并网系统频率出现频繁波动，会对并网系统的频率稳定性造成一定的冲击[50]。

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2.2 并网频率偏移评估方法的确定及其网络结构

人工神经网络是一种模拟人脑生理结构与机制的，有别于符号推理、逻辑思维的人工智能技术。当第一个神经元模型（M-P 模型）于 1943 年被 McCulloch 和Pitts 共同提出后，人工神经网络理论得到了迅速发展与应用。其广泛应用于特征缺损的模式识别、规则的自动学习、信号滤波检测等方面，尤其在难以建模的复杂问题求解方面发挥着其他方法不可替代的作用[51]。人工神经网络根据功能特点与数学模型的不同分为多种类型，表 2.1 给出了人工神经网络的大致分类情况。下面简单介绍几种常用的神经网络：Hopfield 神经网络属于反馈型网络，是一种不具有学习功能的递归神经网络，分为离散型网络和连续型网络两种，主要用于联想记忆、模式识别和求解 TSP 问题[52-54]；自适应谐振理论神经网络（Adaptive Resonance Theory， ART）属于自适应学习网络，利用自适应共振理论将输入模式与网络双向连接权进行匹配，能够对复杂的二维模式进行自组织、自稳定和大规模并行处理[55]；Boltzman Machines 网络从网络结构上看是类似于 Hopfield 网络的反馈型神经网络，从网络性质上看又属于随机神经网络，Boltzman Machines 网络引入模拟退火算法使网络各状态出现的概率服从Boltzman 分布，运用噪声过程来取代代价函数的全局极小值网络，利用噪声函数寻找全局最优，主要用于图像、雷达、声呐等模式识别[56-57]；双向联想记忆自适应网络(Bidirectional Associative Memory, BAM)也是属于反馈型的自适应学习网络，是一种异联想的双层网络，利用两层之间的信息流搜索已存储的刺激相依联想信息，多用于内容寻址的联想记忆[58]。人工神经网络模型目前已经发展到了 50 多种[59]，在此不便一一介绍，误差逆传播(Back-Propagation, BP)神经网络因为结构简单，根据从输入到输出的非线性映射，通过自学习，能够实现任何非线性映射的功能，是目前研究最充分、应用最广泛的神经网络模型之一[60-62]。许多神经网络模型都是基于 BP 神经网络衍生变化得到的，所以本文选择 BP 神经网络学习构建网络拓扑结构。

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3 基于模糊逻辑系统的并网风电场频率响应分析 .........3

3.1 引言 ......... 31

3.2 基于直流潮流的风电并网系统模型简化 ..... 32

3.3 基于模糊逻辑系统的并网风电场频率响应......... 38

3.4 算例分析......... 46

3.5 小结......... 52

4 并网风电场等值下垂控制系数概率模型 ......... 55

4.1 引言......... 55

4.2 风力发电机组的频率控制..... 56

4.3 基于风速变化的下垂控制系数概率模型..... 63

4.4 算例分析......... 67

4.5 小结......... 70

5 基于风电场-储能系统的频率联合控制策略 .......... 71

5.1 引言......... 71

5.2 风电场储能系统..... 72

5.3 基于风电场-储能系统的频率联合 ....... 76

5.4 算例分析 ......... 83

5.5 小结 ......... 87

 

5 基于风电场-储能系统的频率联合控制策略

 

5.1 引言

随着风电的发展和大规模并网，风电参与系统频率控制将会成为未来电网发展的必然趋势。频率稳定控制的关键是保证电力系统发电-负荷的平衡关系。对于传统同步发电机组，当系统功荷平衡被打破时，通过一次调频控制能够迅速提供频率响应，释放旋转备用中存储的动能，为系统提供有功支持[112]。对于风力发电机组，虽然可以通过多种控制方式使其能够利用风机的旋转惯量参与系统的频率控制，但是风电出力的随机波动特性却为其参与系统的频率调整带来了巨大挑战。风电参与频率控制具有不可控性，当系统频率发生偏移时，如果此时风力发电机组正处于高风速阶段，那么风力发电机组能够为系统提供较大的有功支持，阻止频率的下降；如果此时风力发电机组正处于低风速阶段，那么风力发电机组自身的风电出力都处于下降阶段，不但无法为系统增加有功出力，反而会继续增加系统的有功缺额，导致系统频率的进一步下降。风电机组受额定容量的限制，与传统同步发电机相比其单机额定容量要小很多，所以大规模风电场通常由几十台甚至几百台风力发电机组构成。由于其空间分布特性，风电机组分布较广，各台风机在同一时刻因为分布位置和所处具体环境的差异，其运行状态也不尽相同。对于风电并网系统，当风电渗透率达到一定程度时，参与频率控制的风电场对于并网系统转动惯量的影响也是不能忽视，风电机组运行状况的随机改变使得并网系统的频率响应特性也具有时变性[113]。这些问题极大地增加了风电场参与系统频率控制过程中的复杂程度。在充分考虑风电场出力的随机波动特性的前提下，如何保证其参与系统频率控制的可靠性和稳定性是未来研究的重要方向之一。

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结论

 

频率稳定是电力系统稳定运行的重要保障，频率出现偏移将会影响系统设备的正常运行，甚至导致发电机组切出、系统频率崩溃等严重事故。随着风电并网容量的不断增加，风电出力的随机波动性对电网频率的影响不容忽视。目前有关这方面的研究相对还比较薄弱。因此，深入了解风电并网系统的频率响应特性，研究并网系统频率响应分析方法、风电参与系统频率控制技术等问题对于保证风电并网系统的频率稳定具有重要意义。本文通过理论分析和数值仿真的方法对风电并网系统的频率响应分析及控制问题进行了深入研究，完成的主要工作如下：

（1）对于稳定运行的风电并网系统，提出了一种基于神经网络算法的频率偏移评估方法。该方法采用改进的弹性反向算法，有效减少了训练次数，收敛速度快，收敛曲线平稳，避免了训练过程中在局部极小值无法跳出的问题。编制了基于改进的弹性反向算法的仿真程序，并在 IEEE-30 节点系统中进行仿真验证，证明了该方法适用于不同风电场结构，能够正确地反映不同风场结构对应的频率变化规律，可以用来评估风电场并网系统的频率问题。对风电并网后，系统频率可能出现的波动情况进行预判，为系统运行者提供制定频率控制策略的依据和数据支持。

（2）大规模风电场并网后，因为风电出力的随机性和波动性，很难给出一个确定的数学模型来研究并网风电场的频率响应特性。考虑到并网系统的动态运行特性，提出了利用模糊逻辑推理系统计算并网风电场的实时频率响应。采用基于直流潮流的频率响应模型对有功-频率动态进行快速计算，构建的模糊逻辑系统能够根据对应的输入变量，实时评估风电场频率响应特性。仿真结果表明，模糊逻辑系统能够正确反映并网风电场不同运行状态下的频率响应，其结果能够用来评估并网系统的频率稳定性，对于指导系统的安全稳定运行具有重要意义。

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参考文献（略）

 

 

1 绪 论

 

1.1 目的及意义

随着全球经济的快速发展，电力系统的稳定显得至关重要。高压架空输电线路作为电力系统输电环节中最主要的构成部分，承担着相隔数百乃至上千公里变电站间的输电任务。由于输电线路较长、所横跨地域的地形因素等影响，致使输电线路极易遭受雷击[1-2]。据统计资料可知，我国高压输电线路由雷击事故所引起的跳闸次数占总跳闸次数的 40%-70%。对于雷电活动强烈、地形复杂及土壤电阻率高的地方，雷击所引起的故障跳闸率会有所上升。当雷击引起跳闸停电事故时，可能会有损电气设备，甚至会出现系统瓦解等恶性事故，带来巨大的经济损失，严重影响了电力系统运行的稳定性、可靠性、安全性和经济性[3]。因此，如何增强线路防雷针对性和实现差异化防雷是电力系统雷电防护中亟需解决的关键科学技术问题。为了有效地抵御雷电的危害，各地电力部门在输电线路的防雷设计及改进方面投入了大量的人力和物力。伴随着数值仿真技术的发展，已能建立雷击输电线路雷电放电过程模型并计算输电线路雷击闪络率，尤其是雷击线路电气几何模型中的雷电吸收距离公式可用于获得雷击概率。但是由于缺乏准确的实测雷电参数的支持，往往对计算模型的有效性缺乏必要的验证。同时对于已发生的雷击事件，难以准确地识别其故障类型以及获取雷击点处的原始波形，很大程度上也限制了对输电线路雷电流的传播及作用机理的研究。这些原因均导致线路防雷形势依然严峻。虽然有大量学者在建立雷电流在线监测系统的基础上获取了一定数量的实测数据，并以此进行了统计分析，如利用浙江省电力试验研究院 1962-1988 年期间通过磁钢棒对 220 kV 新杭线 I 回路的雷电流进行长期监测获得的数据，提出了在我国电力行业标准 DL/T 620-1997 中所采用的雷电流幅值概率计算公式：lgP=IM/88。但是，雷电具有很大的分散性和地域特性。为了彻底实施“差异化”防雷策略，雷电流在线监测工作仍需要继续深入地开展。

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1.2 国内外研究现状

多年以来，国内外同行专家们在雷电流在线监测领域开展了大量相关研究工作，并取得了众多具有价值的成果和突破。目前，雷电流的监测方法主要分为以下四种：磁钢棒测量、雷电定位系统、磁带测量以及 Rogowski 线圈测量法。磁钢棒测量是基于消磁原理，利用交流退磁法或正切检测计检测磁钢棒的剩磁，结合由已校正曲线求出雷电流幅值。我国浙江省电力试验研究院在 1962-1988年间利用磁钢棒法测得 703 个雷击数据，通过对负极性的雷电流幅值数据拟合回归，得到了电力行业标准 DL/T 620-1997 所采用的雷电流幅值概率计算公式：lgP=IM/88[4-5]。孙萍、吴璞三等人在 1983-1987 年间运用改进型的磁钢式雷电流陡度仪在浙江省共实测得雷击塔顶 20 个陡度数据[6]。但是，磁钢棒测量法存在不足：1) 磁钢棒的生产工艺及配方具有很大的分散性，致使其剩磁与雷电流幅值间具有不确定性；2) 存在磁饱和现象，限制了灵敏度的提高，不利于准确测量幅值较小的雷电流；3) 主要测量雷电流幅值，无法测量其极性和波形；4) 易受周围磁场环境影响而降低了测量精度，且磁钢棒上载有雷电流幅值信息的剩磁易因运输过程中的振动而丢失；5) 装置安装在杆塔上，给装置的维护和读取数据等工作带来不便；6) 无法记录重复雷，只能记录载流导体中最大雷电流幅值或者雷电流陡度。雷电定位系统 LLS 作为在雷电工程技术领域中应用最广泛的雷电监测方法，最早于 20 世纪 70 年代末由美国科学家 M. A. Uman 和 E. P. Krider 教授等人提出[7-8]。LLS 通过测量雷电产生的电磁辐射波，可自动监测一定区域内的雷击情况及其发生时间、位置、雷电流幅值和极性等参数。LLS 主要由探测站、数据处理及系统控制中心和用户工作站或雷电信息系统等三部分组成，其构成示意图如图 1.1所示。20 世纪 80 年代末，我国自主研制出了雷电定位系统，并于 1993 年在安徽电网投入工程运用，逐渐形成了覆盖 29 个省域的雷电定位系统网络[9-11]。迄今为止，LLS 从最初由多个探测站的坐标及方位角确定雷击点位置的第一代定向法探测系统，到利用雷击点到各探测站的时间差以确定雷击点位置的第二代时差法定位系统，进化为将前两代综合起来实现优势互补的第三代综合定位系统[12-14]。第三代综合定位系统可同时对方向和时间差进行测量，极大的提高了测量精度。我国采用的第三代综合定位系统在雷击的定位和测量精度方面都得到了很大的提高，但是仍然存在一定的局限性：1) 雷击点的定位精度与探测站安装个数有关，需要一定数目的探测站来保证定位精度，导致投资成本巨大；2) 探测站所接收的雷电辐射电磁波在传播过程中受地球曲率、大地电导率以及地形起伏和河流等随机因素影响，其波形与幅值会出现衰减和畸变，目前的测量系统中均未考虑这些因数的影响，因而在多山地形的地区并不适合采用[15]。

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2 基于 PCB 微分环的雷电流传感器的研制

 

2.1 引言

传统的输电线路雷电流测量方法很难同时满足雷电流的全波测量与安全测量要求。本课题组将微分环应用于电力系统的雷电流测量，提出了准确、安全测量雷电流的微分环测量方法。随着现场实践经验不断积累，为了使微分环产品化，其性能更为优异，应用更为广泛，深入研究微分环基本原理，改进微分环性能将是本章研究工作的重点内容。结合 PCB 成熟工艺，提出了一种基于 PCB 微分环的雷电流传感器，该雷电流传感器改善了传统绕线式微分环的性能，对差异化防雷以及智能电网的建设推进等有重要的科学意义和实用价值。由于课题的不断深入，微分环的种类增加，“微分环”的定义不再仅限传统绕线式微分环，还应该包括 PCB微分环等改进型微分环。

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2.2 微分环基本原理

微分环作为 Rogowski 线圈的一种特殊类型，采用非介入的测量形式，工艺简单，应用较广，其单层微分环的结构示意图如图 2.1 所示。微分环测量原理仍以法拉第电磁感应定律为基础，通过感应被测载流导线上冲击电流所产生的瞬态磁场而测量得到磁场微分信号，微分环两端感生的感应电动势 e(t)与被测雷电流的变化率dI(t)/dt 成正比关系。在此基础上，利用一定的积分方法对微分环两端的感应电动势进行积分，即可还原雷电流 I 的全波波形。当固定微分环与载流导线位置后，微分环所测结果与载流导线上的被测脉冲电流波形相同，且幅值间为一线性关系，从而利用微分环可实现对载流导线上电流的非接触式测量。当积分方式采用无源自积分形式时，引入自积电阻以还原被测雷电流信号的波形。实践应用中发现，绕线式微分环的制作过程受工艺的限制容易出现杂散参数不统一的情况，进而使其频带参数不统一，需要重新绕制，浪费大量人力、物力。而且无源自积分形式存在灵敏度与下限截止频率间的固有矛盾，即当保证较低的下限截止频率时，灵敏度难以再提高。印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)作为一种较为成熟的工艺技术，已成功应用于 PCB Rogowski 线圈的制作[97-98]。为了解决微分环制作工艺的问题，引入了 PCB 制作技术，利用 PCB 的覆铜代替铜线的绕制，从而提出了基于 PCB 微分环的雷电流传感器。同时，为了解决灵敏度受限的问题，利用 PCB 微分环测量得到的微分信号，配合数值积分处理技术，实现微分信号的还原以线性地测量被测导体上的电流波形。PCB 微分环通过利用两种处理方法，不仅保留传统绕线式微分环非接触式测量等优点，而且改善了微分环性能，使微分环测量技术更为成熟。

......

 

3基于ADF-EMS的微分环安装点磁场的仿真研究....45

3.1引言.....45

3.2基本原理.....45

3.3基于ADF-EMS的频域分析法仿真验证.........47

3.4雷电通道影响因素.....50

3.5基于ADF-EMS的三维多杆塔场模型的建立.........54

3.6多种故障类型安装点磁场时域波形及分析.....56

3.7本章小结.....61

4基于EMTP-ATP的多种雷击故障类型的仿真研究.........63

4.1引言.....63

4.2多杆塔路模型建立.....63

4.3绕击时导线暂态电流行波.........72

4.4雷击塔顶时导线暂态电流行波.........75

4.5其他故障类型导线暂态电流波形.....79

4.6本章小结.....84

5基于马氏聚类和S变换的输电线路直击雷识别研究......85

5.1引言.....85

5.2基于马氏距离的雷电流故障聚类特征量提取.........85

5.3基于S变换的雷电流时频特征量提取.....88

5.4输电线路直击雷识别方法验证及应用.....99

5.5本章小结...........108

 

6 基于微分环测量的雷电流全波反演方法初探

 

6.1 引言

雷电包含波形、上升时间、幅值等参数信息，是防雷保护工作的研究基础。但是，输电线路雷电流在线监测系统所测波形均为经过多次分流后的暂态电流行波，无法直接用于防雷保护研究工作，因此亟需利用所测暂态电流行波进行反演计算以得到雷击点处的雷电流波形。不同雷电流监测方法关注的传感器安装位置、监测对象有所不同，所获取的暂态电流波形也会具有一定的差异。结合基于微分环的雷电流在线监测系统所测结果，在文献[133]中基于微分环的改进型输电线路雷击定位方法基础上，探索出一种基于微分环测量的雷电流全波反演方法是本章研究工作的重要内容。输电线路上的波过程本质上是能量沿着导线传播的过程。在输电导线周围逐步形成电磁场，且电场储存的能量密度和磁场所储存的能量密度一致，各点处的电场和磁场相互垂直，均与波的传播方向垂直。雷电流往往具有较高的等值频率，使得传输线上各点的电流变化极快。而且，在同一时刻不同点处的电流值相差较大。在对作为反演研究基础的雷电流传播特性研究时，需利用分布参数模型对雷电流传播全过程进行分析[134]。工程计算时，单相有损传输线常常是利用由若干长度单元 dx 等效电路构成的级联电路进行研究，如图 6.1 所示。每个长度单元 dx 均包含电阻 Rdx、电感 Ldx，对地电容为 Cdx 和对地电导 Gdx，其中，R、L、C、G 分别为单位长度电阻( /m)、单位长度电感(H/m)、单位长度电容(F/m)和单位长度电导(S/m)。因此，可建立单相传输线的电报方程，如式(6.1)所示。

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结论

 

本论文针对基于微分环的输电线路雷电流监测识别及反演方法的不足，研制了基于 PCB 微分环的雷电流传感器，并实现了基于微分环的雷电流在线监测系统的搭建及其安装应用；建立基于 ADF-EMS 输电线路多杆塔场模型，研究了雷电通道对监测结果的影响程度，进而利用 EMTP-ATP 软件建立了计及冲击电晕的输电线路多杆塔路模型，得到了大量基于微分环测量的仿真暂态电流行波数据；基于此，开展了输电线路直击雷识别方法的研究，并探索了输电线路雷电流全波反演计算方法。得到的主要结论和成果如下：

① 研制了基于 PCB 微分环的雷电流传感器。该传感器带宽理论值为 14MHz，能以较高灵敏度测量微分信号（可达 2 V/kA），结合数值积分技术，准确地还原被测电流波形。验证试验表明，在被测距离 1.4 m 下，能够准确实现雷电流非接触式测量，平均测量误差仅为 3.05%。搭建了基于微分环的雷电流在线监测系统，将其安装运行于 110 kV 输电线路，并获得雷电流实测波形数据。

② 建立了基于 ADF-EMS 的输电线路多杆塔场模型。运用基于 ADF-EMS 的频域分析法，研究了雷电通道波速、入射角和弯曲度等因素对微分环安装处磁场的影响，提出了 2 类垂直雷电通道模型方案。在此基础上，建立了三维多杆塔场模型，分析了四种典型直击雷故障类型下安装点的磁场情况，发现雷电通道对微分环测量结果的影响程度较小的特点。进而建立了计及冲击电晕的 EMTP-ATP 输电线路多杆塔路模型，得到并分析了 13 种常规与特殊直击雷故障类型监测点的暂态电流时域波形的特征。

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参考文献（略）

 

 

第 1 章 绪 论

 

1.1 课题的背景及意义

我国是世界上最大的发展中国家，面临着发展社会生产力，增强综合国力和提高人民生活水平的巨大压力，因此发展电力事业仍然是我国面临的紧迫任务。电能是一次能源经过加工而形成的二次能源，与其他形式的能源相比，电能具有诸多特点。电能可以大规模生产并且允许远距离传输；电能方便转换并且容易控制；电能输送时的损耗与传输其他形式的能量相比，要小得多；电能代替其他能源时，可以提高能源的利用效率；电能在使用时无污染，噪声小。将一次能源转变为电能的工厂为发电厂。发电厂可分为火力发电厂、水力发电厂、风力发电厂以及核能发电厂、太阳能发电场、地热发电场，潮汐发电场等[1-3]。目前我国以火力发电厂为主，其发电量占全国总发电量的 70%以上。大型火电厂的建成可生产强大的电力造福人类社会，但同时火力发电厂在建设过程中以及建成投产后对附近的地区环境会造成不良的影响。它需要占用大面积的土地，使用大量的一次能源和水资源，建设高大的建筑群，排放大量的废气、废水和废渣，给环境带来不良的影响。例如一座 2400MW 的燃煤电厂，厂区占地约 60~80 万平方米，厂区外灰场占地大约 200 万平方米。每年需要消耗 750 万吨煤，发电厂采用循环冷却水系统每年仍需要 5000~7000 万立方米的补给水以及消耗 3 万立方米的助燃油。即使以煤中含硫量 1%以及除尘效率 99.5%计算，每年排放的硫化物也有 14 万吨，氮化物 7 万吨，灰渣 150 万吨，飘尘 0.68 万吨左右。另外还有约 55%热量，即相当每年400 多万吨煤的燃烧热量作为废热由循环冷却水带出排放，补给水也有相当一部分是变为废水排放的。火电厂给环境带来的问题分为厂内环境问题，当地环境问题和地区环境问题[4-6]。

…………

 

1.2 课题研究现状

为了消除或者减轻火电厂对环境的影响，节能减排，充分利用资源显得尤为重要。目前世界各国利用煤矸石做燃料燃烧的主要途径是采用循环流化床(CFB)锅炉。我国大力提倡利用劣质燃料发电的炉型是也是循环流化床锅炉。循环流化床锅炉存在一定的缺点，其主要是磨损大，特别是锅炉炉膛的密相区向稀相区过渡段、旋风分离器、尾部受热面及炉床风帽的磨损，如果处理不好，会影响锅炉安全运行[19-21]。在我国75 t / h、 13 0t / h、 22 0 t / h、 24 0t / h、 26 0 t / h煤矸石与中煤混烧的循环流化床锅炉技术比较成熟，基本解决磨损问题。经多次沟通及现场了解情况，昊田集团现存在下列急需解决的问题。低热值燃料无处消化问题。昊田集团每年在兰炭生产过程中和洗选煤厂产生约 70 多万吨的煤矸石、100 万吨焦粉、4.4 万吨煤泥、0.3 万吨渣油。除部分焦粉利用外，煤矸石、煤泥、渣油没有用户，基本是长期堆放，既造成资源浪费，也造成了区域的环境污染。如能有效地综合利用这些劣质能源，是利国、利民、利于企业的大事，也将大大提高企业的经济效益。如何综合利用兰炭生产的副产品——低热值煤矸石、煤泥已成为昊田集团需要尽快解决的重要问题。根据昊田集团提供资料：煤矸石的热值约 6470kJ/kg(1548kcal/kg)、煤泥热值约19198kJ/kg(4593kcal/kg)。煤泥虽然也具有一定的热值，但它粒径太小、粘度太大，呈浆状且运输比较困难。煤矸石的可燃成分少、热值低，较难燃烧。

………..

 

第 2 章 电气接线设计

 

2.1 主接线的设计

电力系统的发电厂一般包括三种类型：大型主力发电厂、中小型地区发电厂、企业自备电厂。大型主力发电厂靠近煤炭或沿江、沿海等地区，接入 330~500kV 超高压系统；地区电厂一般接入 110~220kV 系统；企业自备电厂本身是以对企业供电供热为目的，一般接入地区 110~220kV 系统。电系系统的变电所主要包括系统枢纽变电所、地区重要变电所以及一般变电所三种类型。系统枢纽变电所汇集多个大电源进行功率交换，电压为 330~500kV；地区重要变电所，电压为 220~330kV；一般变电所电压一般为 110kV，也有 220 kV。发电厂机组容量的选择应该根据电力系统的规划容量、系统负荷的增长速度以及电网结构等因素进行选择。变电所的设计则根据五到十年电力系统发展规划。一般安装两组主变压器，枢纽变电所可安装三到四组主变压器。为了适应符合突然增大、发电机组检修以及故障运行三种情况，系统中需要有一定的发电机装机备用容量，其容量不少于 8~10%。装有两组和两组以上主变压器的变电所，当一组因事故断开，其余主变压器的容量应该保证所内 70% 的全部符合，在记及过负荷能力后的允许时间内，应该保证用户的一、二级负荷。主接线设计时，还应充分考虑运行方式的变化受系统备用容量大小的影响。

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2.2 厂用电的设计

 

2.2.1 厂用电接线的设计原则

发电厂在生产电能的过程中，向系统输送电能的同时发电厂本身也在消耗电能。发电厂的电量大都由本身供给，且为重要负荷。因此提高厂用电的可靠性，对电力系统的安全运行非常重要，必须认真考虑厂用电的接线方式。厂用电接线的设计原则有以下几点：

(1) 厂用电接线应该保证对厂用负荷可靠、连续供电。

(2) 接线方式能够灵活的适应正常、检修、事故等运行方式的要求。

(3) 各机组的厂用电系统应该是独立的，一台机组的故障或者停运不影响其它机组的正常运行.

(4) 接线方式的设计还应该充分考虑其经济性和发展的可能性，并积极慎重的采用新技术、新设备，使厂用电接线具有可行性和先进性。

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第 3 章 短路电流计算及主要设备的选择 ...........13 

3.1 基于分布系数法的短路电流计算 .....13 

3.1.1 短路电流计算方法 .......13 

3.1.2 本课题短路电流计算 ...........16 

3.2 厂用电设备选择 .........22 

3.2.1 厂用电设备选择的一般要求 .......22 

3.2.2 本课题厂用电设备的选择及配置 .......23 

3.3 本章小结.....25 

第 4 章 保护配置及继电保护整定.......26 

4.1 保护配置原则 .....26 

4.2 发电机变压器组的保护及整定计算 .........27

4.3 厂用电的保护配置及整定计算 .........33

4.4 本章小结.....39 

第 5 章 项目投运中的问题及对策.......40 

5.1 主接线部分出现的问题及对策 .........40 

5.1.1 增加联络电缆的接线方案 ....40 

5.1.2 增加转角变压器的接线方案 ........41 

5.2 差动保护误动作问题及对策 .....42

5.3 断路器偷跳的问题及对策 .........44

5.4 投运情况及课题设计特点 ..........47 

5.5 本章小结.....48

 

第 5 章 项目投运中的问题及对策

 

5.1 主接线部分出现的问题及对策

陕西昊田集团公司利用煤矸石 2×50MW 热电联产工程，10kV 启动电源引自上级 110kV 变电站 10kV 母线段，110kV 变电站主变为三绕组变压器，额定电压为110V/10.5V/6.3kV，接线为 YN,yn0,d11；工作电源引自发电机出口分支，发电机升压变压器为集团公司利旧设备，额定电压为 121±2×2.5%/10.5kV，接线为 YNd11。厂用电启动电源与工作电源存在 30°相位差。试运行期间 1 号机组由启动电源向厂用电提供电源，已并网投入运行，2 号机组尚未调试。启动电源与工作电源存在 30°相位差，导致发电机正常运行后无法给厂用设备供电。针对该问题，提出以下接线方案。1 号机组厂用电由启动电源供电，并网运行，7QF、 4QF 处于合闸状态， 0AH9隔离打开。1 号厂用分支断路器 1QF、I 段厂用工作电源进线断路器 3QF、II 段母联断路器 6QF 均处于分闸位置。2 号机组启动时，合上 1 号机组厂用分支断路器 1QF、厂用母联 6QF，利用 1号机组厂用分支作为 2 号机组启动电源。2 号机组启动完成，正常发电并网后，合2QF，通过合 5QF、跳 6QF 完成 2 号机组厂用电源的切换，厂用电由 2 号发电机出口厂用电分支供电。2 号机组正常运行。

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结 论

 

课题着眼于热电联产项目的设计，以昊田热电联产项目为例，详细阐述了电厂的电气设计，使理论在实际工程应用中得到了进一步验证。本文阐述的电气设计，实现了热电联产工艺系统的要求。经工程实践证明，电气接线设计是合理的，设备选择是经济的，保护动作是可靠的。本文的主要研究成果和结论如下：

(1) 依据主接线的设计原则以及工程实际，对项目主接线方案进行了确定即单元接线方式，并对厂用电接线以及直流系统进行了设计。

(2) 在电气主接线确定以后，明确了短路电流的计算方法，依据本工程实际的原始数据，完成了电抗标幺值、d1 点短路电流以及 d2 点短路电流的计算，为电气设备的选择提供了理论依据。并以断路器、电流互感器为例，对电气设备进行了动稳定性及热稳定性的校验。

(3) 在整个电力系统中继电保护非常重要，本文在分析了保护配置原理的基础上，结合本工程实际，通过对主设备的保护及整定计算为电气设备的可靠运行提供了理论上的支持，进一步确保继电保护装置的可靠性、选择性、灵敏性、速动性。

(4) 设计过程就是工程实现的过程，必然会存在一些问题。本文介绍了该电厂从投运至今发现的电气主接线问题、继电保护误动作以及断路器偷跳等典型问题，并分析问题出现的原因给出对策。

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参考文献（略）

 

 

第一章 绪论

 

1.1 本文研究的背景及意义

伴随资源的日益紧缺，环境的日益恶化，特别是近些年大城市挥之不去的雾霾天气给国民的生活质量众多不利影响，减少碳排量是维持社会可持续发展的重要组成部分。在大力发展风电、光伏发电等分布式电源的同时应加大对零排放电动汽车的推广[1]。作为电动车能量补充的智能化换电站（Battery Swap Station，BSS）也亟需发展。这些年，国家加大对新能源投资力度从而促使其快速发展。但是在发展的同时，由于太阳能发电、风能发电等分布式电源的波动性与随机性对电网具有一定的冲击性，从而导致电网对其接纳不足。同时数以万计的电动汽车无序入网将会给区域电网带来负荷冲击等不利影响。这些客观因素严重影响新能源及电动汽车的大力的推广，亟需得到突破。目前大力推广分布式电源与电动汽车，存在着三大问题：①分布式电源与电动汽车充电负荷的随机性、间隙性等特点，对电网冲击大；②为了提高分布式电源系统的稳定性，增加储能单元加大了投资成本及运营费用；③数以万计的电动汽车入网将对区域电网容量、电能质量、网损、负荷谷差等多方面造成影响；这些问题将严重制约新能源发电及电动汽车的大力推广。假如结合各自的特点，将分别电源与 BSS 换电站集合在一起构成微网，将能减少分布式电源并网对电网的冲击、从而有助于提高电网对分布式电源的接纳能力。并且可以将含 BSS 的微网看成虚拟电厂，参与经济调度及调频调峰，起到“削峰填谷”作用。为了加快分布式电源及电动车产业的集成发展，各国政府加强投入建立一系列示范工程来推动产业的发展。早在 1996 年，美国在加利福利州 7 个充电车位上面覆盖 50 平米的光伏阵列。2003 年同样在美国，建立具有 V2G（Vehicle-to-grid）功能的光伏充电站，同时能为 5 俩电动汽车进行充放电。在欧盟，英国率先建立世界上第一条高速公路光伏充电站网络，在 30 多个高速公路服务区出现了此类型充电站，可以为高速行驶的电动汽车提供能量补充。 2010 年，江西宜春建立了全国第一个光伏充电站，在充电站顶棚铺设太阳能电池板，有效的利用光伏发电对其供电。2011 年，在西安世博园建立第一个风、光、储、充电站结合的微网，并实施微网实时监控与调度。

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1.2 含 BSS 微网的研究现状

将分布式电源与 BSS 集合成微网，如何进行有效的衔接，充分发挥出各自的优势，需要克服很多关键技术问题。由于分布式电源及电动汽车充电装置种类比较多，首先要结合各种分布式电源与充电装置，分析其适应性；然后，需要对容量配置及设计进行研究，这样才可以减少资源投资的浪费；还需要对整个系统的控制以及经济运行进行研究。如今广泛应用的分布式电源主要包括风力发电、光伏发电以及沼气发电等新能源，各自发电的特点以及所处的地理位置都不一样。电动汽车的充电装置，主要包括分布式充电装置、集中充电装置以及换电站，三种不同的充电装置，地点规模都不一样。选择合理的分布式电源与对应的汽车充电装置结合，有利于发挥各自的特点。文献[28]通过对微网中的风能、光伏等新能源的特点及国内外已有充电设施种类进行联合分析，得出分散式充电桩比较适合与屋顶或者车棚光伏发电系统结合，这样在节约成本空间的同时减少了电动汽车入网给城市配电网带来的负荷压力；集中充电站可以利用风光互补，对其进行供电，这样可以有效的缓解出力的波动性；大型换电站，可以利用周边的小型风电场或者光伏电站进行能量直接补给，可以更为有效的接纳新能源。文献[29]对光伏充电站可行性进行分析研究，研究表明，光伏充电站的建设，可以完善充电站现已有的供电方式的同时提高新能源的利用率，改善能源结构。

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第二章 含 BSS 微网的构成

 

2.1 风力发电系统

这些年，我国风力发电得到大力发展技术也越来越成熟，我国风电装机容量也在大幅度增加。从能量转化过程，风力发电包括两大部分。一、风能转化机械能的过程，叶片利用扑捉到的风能带动风机；二、机械能转化为电能的过程，为风机通过连轴带动发电机切割磁场线发电过程。风力发电系统单机输出功率关键取决于风机切入风速，具体函数关系如下所示[47]：风力发电系统包括恒速恒频及变速恒频两种运行方式。恒速恒频运行，就是风力发电机组以恒定的转速运行不受外界风速的改变，保持恒定的功率输出，其优点可以保证出力稳定，但是不能最大有效的利用风能。变速恒频就是，风力发电机组转速跟随风速波动，可以有效的提高风能的利用率。为了有效的利用风能，本文主要考虑变频恒速的运行方式，采取最大功率点跟踪的运行模式。目前最大功率点跟踪主要有叶尖速比法、功率反馈法、爬山搜索法三种方法[48]。叶尖速比法，是以实际叶尖速比λ 与最佳叶尖optλ 的差值 Δ λ为调节参数，通过 PI调节器来控制电磁转矩，从而实现风机转速最大跟踪，达到最大功率点跟踪的效果。功率反馈法，是通过先测量风机转速然后计算出最优功率，与发电机输出的实际功率进行比较，经过 PI 控制器来调节转矩，从而实现最大功率点的追踪效果。爬山搜索法就是依据当前数据，计算出摸索信号的期望值，通过不断的摸索，反复的执行来寻找最大功率点。

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2.2 光伏发电系统

光伏发电就是利用太阳能照射在光伏电池板上产生光伏效应，将太阳能转换为直流电，然后通过逆变器转换成交流电。光伏电池的输出电气特性主要包伏安特性及功率特性，其输出功率主要受光照及温度因数的影响。其中图 2-1 为不同温度下的光伏电池电气特性，图 2-2 为不同光照强度下的光伏电池电气特性。EV 电池组通过电力电子开关与充放电装置。不同模式下，三组电池的连接也不一样。在孤岛运行的时，微网系统失去主网的支持，首要任务就是保证系统安全稳定运行，则一组为在线电池组在线放电，开关闭合；一组空电池组，为充电备用电池组，开关打开；一组为电量满电池组，为放电备用电池组，开关打开。在并网运行时，更多考虑微网的经济性以及参与大电网削峰填谷，则谷时期两组电池在线充电、一组备用放电；平时期一充一备一放；峰时期两放以备充。电池组更换有物联网系统完成，微网系统只负责在线充放电的控制。为了延长 EV 电池组的使用寿命，避免过充或者过放的情况出现，以及不允许在充电的过程中进行放电或者在放电的过程中进行充电。本文选定的EV电池组容量为50kW,容量低于 30%不允许进行放电，高于 90%不能进行过大功率充电、只能进行浮充[50]。

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第三章 基于运维成本最小的优化模型建立与求解.....15

3.1 含 BSS 微网能量管理系统 ......15

3.2 基于运维成本最小的优化模型建立 ....16

3.3 基于 PSO 的优化运行算法流程 ........20

3.4 小结 ......22

第四章 算例分析.........23

4.1 算例模型 ........23

4.2 基础数据分析 ....23

4.3 孤网优化运行 ....27

4.4 并网优化运行 ....30

4.4 小结 ......33

第五章 一种基于运维成本最小的运行策略...... 34

5.1 基于运维成本最小运行策略构思 ......34

5.2 孤网运行策略的研究 ....35

5.3 并网运行策略研究 ......39

5.4 小结 ......43

 

第五章 一种基于运维成本最小的运行策略

 

5.1 基于运维成本最小运行策略构思

含 BSS 微网基于运维成本最小的运行策略，就是要在保证系统稳定运行的前提下，有效的调节各基本单元的运行状况，从而系统的运维成本最小。其思路为，先通过对系统所在地的风速、光照强度以及温度进行预测，谷期，此时微型燃气轮机以及燃料电池的单位功率运维成本都高于购电价格。假如风光机组组合不能负荷及 EV 电池组最大充电功率需求时，从经济角度考虑应从主网购电来满足；当风光机组组合出力过剩，可以向主网输送，来提高清洁能源的利用率。平期，此时微型燃气轮机单位功率运维成本都高于购电价格而燃料电池发电成本处于于售电价与FC2P 购电价之间。假如风光机组组合不能负荷及 EV 电池组最大充电功率需求时，从经济角度先调用燃料电池，假如还不能满足的情况考虑从主网购电来满足；当风光机组组合出力过剩，可以向主网输送，来提高清洁能源的利用率。峰期，此时燃料电池单位功率运维成本低于售购电价而微型燃气轮机只有在功率大于QP 时成本才低于售电价。当风、光、燃机组联合出力大于负荷需求时候，应向主网输送电力来获益；当风、光、燃机组联合出力不能满足负荷需求时候，需要考虑缺额的多少来决定是否调用微型汽轮发电机及 EV 电池组放电来补充。根据净功率及各微单元单位功率运维成本等数据，可以把系统划分为九个运行工况区域。

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总结

 

由于风电等分布式电源出力的波动性及随机性对电网具有的冲击性，从而导致电网对其接纳不足。同时电动汽车无序入网将会给区域电网带来负荷冲击等不利影响。假如将风电、光伏等不可控分布式电源与电动车汽车换电站以微网的形式集合成一个整体，这样可以在满足汽车充电需求同时缓解新能源的波动性。利用正确的运行策略对系统内各微单元合理进行调节，有利于提高微网的可靠性及经济性。本文对基于运维成本最小含 BSS 微网经济运行策略进行理论及仿真分析研究。主要如下所述：

1）以风电、光伏发电、BSS 换电、燃料电池、微型燃气汽轮机五个微单元经济运行数学模型为基础，根据含 BSS 微网孤岛及并网两种不同运行状态建立基于运维成本最小的优化模型，并设定功率平衡等约束条件。然后在分析各种最优方法特点的基础上，选择收敛性好、精度高的粒子群算法进行求解。

2）结合优化运行模型，运用 MATLAB 工具及粒子群算法对一含 BSS 微网算例，分为并网与孤岛的两种运行状态进行仿真分析。仿真结果表明：在孤岛运行时，合理调节各微单元出力，实现运维成本最小的同时提高了供电的可靠性和分布式电源的利用率；在并网运行时，合理控制 BSS 中 EV 电池组充放电功率，实现运维成本最小的同时还起到“削峰填谷”的作用。

3）在优化模型及各单元发电成本等基本数据的基础上，提出一种基于运维成本最小的含 BSS 微网运行策略。根据含 BSS 微网孤岛与并网运行时的净功率（静功率表示风电功率、光伏发电功率之和再减去当地负荷）及各微电源单位功率运维成本来划分运行工况区域，研究制定各种运行时微单元的启停、调用顺序以及运行方式。孤岛运行时，总结归纳为十二种运行工况区域，对应十二种运行控制策略；并网运行时，总结归纳为九种运行工况区域，对应九种运行控制策略。并利用算例中数据去验证表明，按此策略运行同样能达到运维成本最小的优化效果。

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参考文献（略）