综合治理装置及分布式光伏接入低压配电线路的治理系统

技术领域

本发明涉及配电网与分布式电源技术领域，特别是涉及一种综合治理装置及分布式光伏接入低压配电线路的治理系统。

背景技术

随着分布式光伏规模迅速增长，局部配电网消纳和并网服务压力日趋增大，同时带来了电压、谐波等电能质量问题，以及部分台区或者部分线路功率倒送问题，对配电网安全稳定运行、检修作业安全产生影响，具体表现在：

(1)多典型治理场景耦合交互导致低压配电网综合治理难度增加。大规模分布式光伏接入，以及非线性负荷、单相负荷和冲击性负荷占比增大，易引起低压线路的三相不平衡、过电压、网损高等多种典型电能质量问题。由于源荷互动日益加深，配电网多样化治理需求显著增加，单一治理措施难以满足日渐多元交互的配电网电能质量治理需要。

(2)高比例分布式光伏接入低压配网使得台区分散式就地自治运行存在困难。大规模分布式光伏接入将会导致电压合格率低、运行成本高、就地消纳率低、综合损耗高等问题，威胁低压台区运行安全。此外，由于大规模分布式光伏接入带来的强波动性，以及台区内负荷日益增加的不确定性，导致低压配电相间存在严重的不平衡问题，使得台区分散式就地自治运行技术的实现存在较大困难。

(3)现有治理设备技术不够成熟无法满足低压线路多级综合治理需求。分布式光伏分布广泛且增长速度较快，使得电能质量治理需求量激增。然而，受到电网用户投资成本限制，当前低压线路综合治理设备存在功能单一、规模较大，且治理装置制造成本较高等问题，难以在实际生产应用中广泛推广。

(4)区域-台区-分支线路多层级间缺乏协调配合难以有力支撑配网稳定运行。各级用户电能质量治理需求存在差异，区域-台区-分支线路相互间缺乏有效的协调调控方法与主动管控平台，不能充分发挥区域-台区-分支线路各层级间的协调作用，难以充分发挥对电网安全稳定经济运行的支撑潜力。

目前通过以下两种方案对配电网进行治理，具体如下：

方案1：基于台区智能终端+光伏并网断路器实现分布式光伏可观可测可控。该方案将配电物联网系统架构划分为“云管边端”四大核心层级，“云”是对传统信息系统架构和组织方式进行创新的云主站；“管”是为“云”、“边”、“端”数据提供数据传输的通道；“边”是一种靠近物或数据源头处于网络边缘的分布式智能代理，拓展了“云”收集和管理数据的范围和能力；“端”是状态感知和执行控制主体终端单元。台区智能终端，作为“边”设备，对下汇集各类终端数据，实现台区与低压分布式光伏运行状态在线监测、智能分析与控制；对上与供服系统交互，上报故障、异常、孤岛等分析结果，接收上级策略。台区内光伏并网断路器集群，作为端设备，将实时监测数据、事件等上传台区智能终端。该方案中台区智能终端和并网断路器作为低压台区的信息感知节点，可以实时监测变压器出线及并网断路器的电气量、谐波、三相不平衡信息，并可通过边缘计算策略远程遥控并网断路器分合闸，控制光伏逆变器并/离网。但是此方式主要存在以下问题：一是其只能实现单一控制策略，并不能对并网功率进行平滑调节，造成并网电量部分浪费，没有较好解决发电量高峰时段就地消纳问题；二是分布式光伏并网主要在县域及农村地区，并网点与终端安装节点距离较远，而目前边端之间通信仅支持本地载波、载波/无线通信方式，并网断路器与智能终端之间通信连接中断等问题。

方案2：基于柔性互联装置的低压台区间交直流互联技术。该方案在台区内建设直流母线，实现低压分布式光伏“直流DC/DC即插即用”。通过多台区直流互联(必要时配置相应容量的储能)，实现了不同台区间的功率转供，唤醒闲置的配变资源。该技术解决了农村地区由于灌溉等季节性负荷差异造成的台区负载率不平衡以及分布式电源最大化消纳问题，解决台区短时重过载问题，均衡负载，减少增容布点投资。该方案中柔性互联装置可将不同台区进行直流互联、功率转供及三相不平衡、谐波及无功补偿控制，其中涉及多环节的AC/DC、DC/DC功率单元转换，造成该装置体积大、成本高，推广方面实用化较差。

发明内容

本发明提供一种分布式光伏接入低压配电线路的综合治理系统，能够实现各类控制策略的切换。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种综合治理装置，包括主电路部分和边缘计算节点部分，所述主电路部分采用电力电子补偿单元与电容器组合的框架，用于获取低压配电线路的分支节点和末端节点处的电能质量数据信息，所述边缘计算节点部分用于与对应的台区智能终端进行通信连接，并依据对所述电能质量数据信息进行边缘计算的计算结果切换工作模式。

所述主电路部分包括：

DC/AC模块和滤波模块，所述DC/AC模块的输入端与所述综合治理装置的对外直流接口相连，输出端与所述滤波模块相连，所述滤波模块通过接触器与低压母线相连；

电容器组，采用星型接线方式，并通过接触器与所述低压母线相连；

电流采集模块和电压采集模块，位于每一相线路上，用于检测交流侧的电压数据和电流数据，以及直流侧的电压数据。

所述主电路部分还包括DC/DC模块，所述DC/DC模块位于所述DC/AC模块的输入端与所述综合治理装置的对外直流接口之间。

所述边缘计算节点部分包括：

通信模块，用于通过4G组网方式与所述台区智能终端进行通信连接；

主控模块，用于根据所述电能质量数据信息进行边缘计算，并依据边缘计算的结果切换工作模式。

所述通信模块包括装置通信APP部分和4G模组APP部分；所述装置通信APP部分用于处理端侧DL/T645协议并实现与所述4G模组APP部分的报文通信；所述4G模组APP用于实现4G的网络注册，并作为客户端向所述台区智能终端发起网络连接，转发DL/T645数据帧；所述台区智能终端包括本地4G基础APP部分和装置控制策略APP部分；所述本地4G基础APP部分用于在所述台区智能终端侧建立网络服务器，并接收所述4G模组APP发起的网络连接，将接收到的数据以DL/T645+MQTT帧形式分发给所述装置控制策略APP部分；所述装置控制策略APP部分用于根据收到的DL/T645数据帧执行相应的业务动作。

所述主控模块包括：

计算单元，用于根据所述分支节点和末端节点处的电能质量数据信息计算三相有功功率和三相无功功率；

第二判断单元，用于判断三相有功功率是否都为正；

第二执行单元，用于在三相有功功率都为正时，计算三相不平衡度，并在三相不平衡度超过三相电流不平衡度阈值且线路电压超过电压阈值时，进入电能质量综合治理工作模式；

第三执行单元，用于在三相有功功率不都为正，且接入有储能单元时，进入储能单元充电工作模式；

第四执行单元，用于在三相有功功率不都为正，且未接入有储能单元时，进入逆变器通信交互工作模式。

所述主控模块还包括：

通信模块，用于通过4G组网方式与所述台区智能终端进行通信连接；

主控模块，用于根据所述电能质量数据信息进行边缘计算，并依据边缘计算的结果切换工作模式。

所述通信模块包括装置通信APP部分和4G模组APP部分；所述装置通信APP部分用于处理端侧DL/T645协议并实现与所述4G模组APP部分的报文通信；所述4G模组APP用于实现4G的网络注册，并作为客户端向所述台区智能终端发起网络连接，转发DL/T645数据帧；所述台区智能终端包括本地4G基础APP部分和装置控制策略APP部分；所述本地4G基础APP部分用于在所述台区智能终端侧建立网络服务器，并接收所述4G模组APP发起的网络连接，将接收到的数据以DL/T645+MQTT帧形式分发给所述装置控制策略APP部分；所述装置控制策略APP部分用于根据收到的DL/T645数据帧执行相应的业务动作。

所述主控模块包括：

计算单元，用于根据所述分支节点和末端节点处的电能质量数据信息计算三相有功功率和三相无功功率；

第二判断单元，用于判断三相有功功率是否都为正；

第二执行单元，用于在三相有功功率都为正时，计算三相不平衡度，并在三相不平衡度超过三相电流不平衡度阈值且线路电压超过电压阈值时，进入电能质量综合治理工作模式；

第三执行单元，用于在三相有功功率不都为正，且接入有储能单元时，进入储能单元充电工作模式；

第四执行单元，用于在三相有功功率不都为正，且未接入有储能单元时，进入逆变器通信交互工作模式。

所述主控模块还包括：

第一判断单元，用于判断是否接收到所述配电云主站下发的控制指令；

第一执行单元，用于在收到所述配电云主站下发的控制指令后，根据所述控制指令切换至指定的工作模式。

所述电能质量综合治理工作模式中，首先根据电压-无功九域图投入电容器组，并计算电压及谐波越限情况，若存在过补偿，则返回计算电压和谐波越限情况，并跳转至电力电子补偿；若不存在过补偿，则计算剩余无功补偿容量，并进入电力电子补偿。

所述储能单元充电工作模式中，采用恒流-恒压充电方式对所述储能单元进行充电。

所述逆变器通信交互工作模式中，根据网侧电压和并网点电压计算光伏弃光量，并设定并网有功功率限值，当并网有功功率超过设定的并网有功功率限值时，重新根据网侧电压和并网点电压计算光伏弃光量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种分布式光伏接入低压配电线路的综合治理系统，包括：

配电云主站；

多个台区智能终端，均通过无线通信模块与所述配电云主站通信相连；

多个上述的综合治理装置，安装在低压配电线路的分支节点或末端节点，通过通信模块与对应的所述台区智能终端通信相连；所述综合治理装置用于实时监测所述分支节点或末端节点处的电能质量数据信息，并根据所述电能质量数据信息采用不同的工作模式进行工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种分布式光伏接入低压配电线路的综合治理方法，应用于上述的分布式光伏接入低压配电线路的综合治理装置，包括以下步骤：

判断是否接收到控制指令；

在收到所述控制指令后，根据所述控制指令切换至指定的工作模式；

若未收到所述控制指令，根据所述分支节点或末端节点处的电能质量数据信息计算三相有功功率和三相无功功率，并判断三相有功功率是否都为正；

若三相有功功率都为正，计算三相不平衡度，并在三相不平衡度超过三相电流不平衡度阈值且线路电压超过电压阈值时，进入电能质量综合治理工作模式；

若三相有功功率不都为正，且接入有储能单元时，进入储能单元充电工作模式；

若三相有功功率不都为正，且未接入有储能单元时，进入逆变器通信交互工作模式。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明综合治理装置的主电路部分获取低压配电线路的分支节点和末端节点处的电能质量数据信息，并通过边缘计算节点部分与对应的台区智能终端进行通信连接，可以依据边缘计算的结果切换工作模式，其作为配网末端管理中心，实现各类控制策略切换；该综合治理装置对上可与智能终端进行通信连接，解决了偏远并网点通信不稳定问题。

附图说明

图1是本发明实施方式的分布式光伏接入低压配电线路的综合治理系统示意图；

图2是本发明实施方式中综合治理装置的结构示意图；

图3是本发明实施方式中综合治理装置与台区智能终端之间通信方式的示意图；

图4是本发明实施方式中综合治理装置在切换工作模式时的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种分布式光伏接入低压配电线路的综合治理系统，如图1所示，包括：配电云主站；多个台区智能终端，均通过无线通信模块与所述配电云主站通信相连，实现与所述配电云主站的信息交互；多个综合治理装置，安装在低压配电线路的分支节点或末端节点，通过通信模块与对应的所述台区智能终端通信相连，实现与对应的所述台区智能终端的数据交互；所述综合治理装置用于实时监测节点处电能质量数据信息，并根据所述电能质量数据信息采用不同的工作模式进行工作。本实施方式中配电云主站与台区智能终端通过4G实现消息、事件等信息交互；综合治理装置与台区智能终端通过电力线载波或电力线载波与4G双模方式实现遥信、遥控、遥测数据交互；综合治理装置实时监测节点处电能质量数据信息，进行不同治理谐波检测及治理、无功补偿、三相不平衡等工作模式的切换，其中运行在无功补偿模式下，优先投切电容器组进行补偿；若检测到功率倒送情况，在配置储能场景下，优先通过装置的DC/DC直流接口对储能装置进行充电，否则通过装置与逆变器进行交互，动态调节逆变器输出功率。另外，多个综合治理装置的直流输出之间可通过直流母线完成不同台区间末端直流母线互联，通过台区智能终端下发控制指令，完成台区间潮流灵活控制。

如图2所示，本实施方式中的综合治理装置包括主电路部分和边缘计算节点部分，所述主电路部分采用电力电子补偿单元与电容器组合的框架，用于获取低压配电线路的分支节点和末端节点处电能质量数据信息，所述边缘计算节点部分用于与对应的所述台区智能终端连接，并依据边缘计算的结果切换工作模式。

其中，主电路部分包括：DC/AC模块和滤波模块，所述DC/AC模块的输入端与所述综合治理装置的直流接口相连，输出端与所述滤波模块相连，所述滤波模块通过接触器与低压母线相连；电容器组，采用星型接线方式，并通过接触器与所述低压母线相连；其中，接触器位于装置内部，在滤波模块和电容器组与低压母线之间；电流采集模块和电压采集模块，位于每一相线路上，用于检测交流侧的电压数据和电流数据，以及直流侧的电压数据，其中，电流采集模块可以采用电流互感器，电压采集模块可以采用电压互感器，检测到的数据由边缘计算节点部分进行处理。

本实施方式的边缘计算节点部分包括：

通信模块，用于通过4G组网方式与所述台区智能终端进行连接；该通信模块还可以包括RS485接口、蓝牙接口、USB接口、SPI接口、UART接口及其他GPIO接口等。

主控模块，用于根据所述配电云主站下发的控制指令切换工作模式，以及根据所述电能质量数据信息进行边缘计算，并依据边缘计算的结果切换工作模式。该主控模块可以采用带1024K字节内部闪存、USB、CAN、17个定时器、3个ADC、16个通信接口的CPU芯片，工作频率不低于为200MHz。

存储模块，用于存储相关的程序文件，与主控模块相连交换数据。该存储模块的存储容量不低于128Mbit。

为了解决部分应用场景下通信距离远、无通信中继导致通信质量差的问题，本实施方式中将台区智能终端4G模块由客户端变更为服务端，并采用DL/T 645协议作为本地4GAPP的程序协议。如图3所示，本实施方式中的通信模块包括装置通信APP部分和4G模组APP部分；所述装置通信APP部分用于处理端侧DL/T645协议并实现与所述4G模组APP部分的报文通信；所述4G模组APP用于实现4G的网络注册，并作为客户端向所述台区智能终端发起网络连接，维护综合治理装置与台区智能终端终端的链路稳定，转发DL/T645数据帧。所述台区智能终端包括本地4G基础APP部分和装置控制策略APP部分；所述本地4G基础APP部分用于在所述台区智能终端侧建立网络服务器，并接收所述4G模组APP发起的网络连接，将接收到的数据以DL/T645+MQTT帧形式分发给所述装置控制策略APP部分，并管理网络链路及装置档案，提供链路维护及数据分发的接口；所述装置控制策略APP部分用于根据收到的DL/T645数据帧执行相应的业务动作。

本实施方式中的综合治理装置有三种工作模式，第一中工作模式为电能质量综合治理工作模式，第二种工作模式为逆变器通信交互工作模式，控制逆变器输出有功功率和无功功率；第三种工作模式为储能单元充电工作模式。

其中，电能质量综合治理工作模式中，首先根据电压-无功九域图投入电容器组，并计算电压及谐波越限情况，若存在过补偿，则返回计算电压和谐波越限情况，并跳转至电力电子补偿；若不存在过补偿，则计算剩余无功补偿容量，并进入电力电子补偿。储能单元充电工作模式中，采用恒流-恒压充电方式对所述储能单元进行充电。逆变器通信交互工作模式中，根据网侧电压和并网点电压计算光伏弃光量，并设定并网有功功率限值，当并网有功功率超过设定的并网有功功率限值时，重新根据网侧电压和并网点电压计算光伏弃光量。这三种工作模式优先的接收配电云主站的控制指令，其次根据低压线路状态动态调节选择。

为实现上述工作模式，本实施方式的主控模块包括：第一判断单元，用于判断是否接收到所述配电云主站下发的控制指令；第一执行单元，用于在收到所述配电云主站下发的控制指令后，根据所述控制指令切换至指定的工作模式；计算单元，用于根据所述节点处电能质量数据信息计算三相有功功率和三相无功功率；第二判断单元，用于在未收到所述配电云主站下发的控制指令后，判断三相有功功率是否都为正；第二执行单元，用于在三相有功功率都为正时，计算三相不平衡度，并在三相不平衡度超过三相电流不平衡度阈值且线路电压超过电压阈值时，进入电能质量综合治理工作模式；第三执行单元，用于在三相有功功率不都为正，且接入有储能单元时，进入储能单元充电工作模式；第四执行单元，用于在三相有功功率不都为正，且未接入有储能单元时，进入逆变器通信交互工作模式。

如图4所示，本实施方式中综合治理装置在切换工作模式时的流程如下：

1)边缘计算节点初始化，设置三相不平衡度阈值为δ

2)装置实时监测电能质量稳态数据，计算三相有功功率Pa、Pb、Pc，和三相无功功率Qa、Qb、Qc，以及2-21次谐波电流；

2)判断是否接收到台区智能终端下发或透传的控制指令，如收到相关控制指令则优先的工作于控制指令指定的工作模式；

3)若无控制指令，则优先判断三相有功功率Pa、Pb、Pc是否都大于0，若三相有功功率Pa、Pb、Pc均为正，则计算三相不平衡度

4)在第一工作模式中，根据电压-无功九域图优先地投入一组电容器组，电容器内部采用星型接线方式，计算投入电容器组后的三相无功功率Qa、Qb、Qc，电压及谐波越限情况。

5)若存在过补偿，则返回计算电压和谐波越限情况，并跳转至电力电子补偿单元；当全部电容器组都投入后，仍存在功率因数及电压越限的情况，则计算剩余无功补偿容量Q

6)进一步地边缘计算节点部分将Q

7)若三相有功功率中存在负值，则边缘计算节点部分优先判断装置是否接入储能单元，若接入储能单元，则进入第三种工作模式，对储能单元采用恒流-恒压充电方式进行充电。

8)若未接入储能单元，则进入第二种工作模式，即根据网侧电压和并网点电压计算光伏弃光量，并设定并网有功功率限值，当并网有功功率超过设定的并网有功功率限值时，重新根据网侧电压和并网点电压计算光伏弃光量。其中，行功率限值调整由边缘计算节点部分实现区域自治。

不难发现，本发明综合治理装置的主电路部分获取低压配电线路的分支节点和末端节点处的电能质量数据信息，并通过边缘计算节点部分与对应的台区智能终端进行通信连接，可以依据边缘计算的结果切换工作模式，其作为配网末端管理中心，实现各类控制策略切换；该综合治理装置对上可通过4G和载波/无线双模方式与智能终端通信，接受终端或主站调控指令，解决偏远并网点通信不稳定问题；对下接入光伏逆变器，实现并网点输出功率控制调节。该综合治理装置将各个单元集成优化，实现无功补偿、谐波及三相不平衡治理，有效满足低压线路多种治理需求；对外具备直流输出接口，在光伏发电高峰器件可给储能装置充放电，也可实现线路末端直流互联及功率转供，通过主电路紧凑化及模块化设计，减少了并网断路器、APF、SVG、智能电容器等额外治理装置的投资，降低装置体积和成本，具有广泛的适用性和应用前景。