一种配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法及设备

技术领域

本发明属于电力行业储能保护配电网运行技术领域，尤其涉及一种配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法及设备。

背景技术

近年来，电力行业储能迅速发展，随着储能的大规模接入，为电力系统提供灵活调节手段的同时，也带来了一系列安全方面的问题。用户侧储能系统直接面向生产企业、医院和社区等应用场景，一般坐落在人员和设备集中区，锂离子电池储能系统的安全性问题更为重要。而在电力系统运行过程中，配电网稳定性直接关系到终端用户侧储能的运行质量，一旦出现故障，不仅会影响生产和生活秩序，还可能引发过热失控等严重事故，造成不可挽回的损失。现有储能系统的研究大多面向电网储能，而并非用户侧储能，而实际上用户侧储能并非电网公司的资产，对运行质量要求更高，且更容易受到配电网侧运行状态的影响。同时，针对用户侧储能与配电网保护耦合的交互机理与相互影响研究仍聚焦在大容量接入的电网侧和平抑新能源波动的电源侧，从而忽视了用户侧储能的发展和规模化后对两者安全运行的耦合影响。现有技术的研究对象大多面向电网储能，而并非用户侧储能；且在研究内容上忽视了用户侧储能的发展和规模化后对两者安全运行的耦合影响。

发明内容

本发明提供一种配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法及设备，考虑针对用户侧储能与配电网耦合的交互机理与相互影响，开展用户侧储能系统在配网侧安全运行的安全域演化模型，具有较强的应用价值。

本发明一种配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法，包括以下步骤：

S1：测量过电流、过电压、谐波等配电网异常状态数据，建立配电网各类故障的仿真演化模型。

S2：建立出配网故障向用户侧储能的传导路径，得到配电网故障与储能过热之间的数学传递模型，建立能够在配电网故障下模拟出储能实时状态的用户侧储能状态演化模型。

S3：基于上述演化模型，计算出配网系统稳定条件下用户侧储能系统的安全运行边界，得到用户侧储能发生故障保护和锂电池热失控的触发条件。

根据本发明提供的一种配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法，步骤S1中考虑的配电网异常状态主要包括：配电网线路故障(两相短路、单相接地、两相短路接地以及三相短路)、极端天气、大型电气设备启/关、随机波动(新能源发电)与负荷波动。

根据本发明提供的一种配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法，步骤S2基于步骤S1建立的仿真演化模型，得到故障点电压/电流与用户侧电流之间的数学关系，显然这一过程包含：线路传输、变压器传导以及AC-DC整流器转换。

步骤S2所述的配网故障向用户侧储能传导的路径中的线路传输的电气特性将通过建立分布参数线模型的相位域完成，采用基于阻抗的方法，得到了一个能够高精度确定故障距离的新方程。该方法可以考虑不平衡负载和非均匀网络。为了解释所提出的方法，假设每个截面的分布参数线模型，则这些截面的度等于Δx，可得到方程：

其中：

ΔV：线路元件长度的串联阻抗上的电压降。

ΔI：线路元素长度的电容电流。

z：每公里线路的串联阻抗矩阵。

y：每公里线路的并联导纳矩阵。

根据本发明提供的一种配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法，步骤S3所述的用户侧储能安全域演化模型首先需要完成锂电池充放电模型的构建。在这一过程中，可利用安培积分法，在电池充放电过程中实时对充放电电流进行监测，然后对该段充放电时间积分便可得到该时段内的充电或放电量，具体的表达式为：

式中：SOC

计算电池内部的产热速率大小以及焦耳热，其中焦耳热大小计算式如下所示：

Q

式中：R

另外依据锂电池的表面积大小A、对流换热系数H以及电池表面T

Q

由此，根据图3所示的电池集总参数热模型，可以得到电池当前与上一时刻二者之间的温度关系，具体如下所示：

式中：C

由此，利用能够充分反映电池极化特点的二阶RC等效电路模型对锂电池外特性进行模拟，储能电池的瞬时温度值可以依据热模型获得；同时，将瞬时温度值与瞬时荷电量的值传递到等效电路模型以此来获得最优的二阶RC参数以及电池端电压和电动势，然后再利用此时的参数代入生热公式计算电池产热量，最后通过电池热模型计算当前时刻的电池温度，即可完成了单体电池与等效电路热电模型的耦合。

综上所述，可以得到储能电池模组的热电耦合模型：将等效电路模型参数代入电池热模型得到电池生热量大小，然后通过计算得到单体电池温度，按此结果查取等效电路模型参数来完成耦合，得到电池组热电耦合模型，以此计算储能电池组的温度：

CMΔT

式中：Q表示电池产生的热量大小；Q

基于此，能够构建出用户侧储能运行温度与配电网异常源电源以及与储能间距之间的关系。从大体趋势上而言，随着配电网异常源与储能间距的缩小，用户侧储能温度逐渐提升，且在间距小于0.5km时，具有极大的影响力；同样地，随着配电网异常源头初始电流的增加，用户侧储能的温度呈现出大幅度增加，且初始电流越大，且影响力越大。基于此，可查询用户侧储能的安全运行温度限度，在相关模型中加入此阈值，由此可直观地看出储能机组的热失控的触发边界条件。并由此根据不同配电网异常运行状态所对应的初始异常电流值，可得到相对应的距离限度。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法。

本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了用户侧储能与配电网保护耦合的交互机理，考虑了用户侧储能的发展和规模化后对两者安全运行的耦合影响，能够大大提高用户侧储能的运行安全性，解决了现有用户侧储能所具有的安全隐患。本发明针对用户侧储能安全稳定运行问题，提出一种配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法，有利于提高储能的安全稳定性能和配电网的运行优化，具有较强的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法流程图；

图2为本发明实施例的配电网异常运行状态向用户侧储能传导的路径示意图；

图3为本发明实施例单体电池与等效电路热电模型的耦合模型示意图；

图4(a)为本发明实施例不同温度与SOC状态下的内阻R

图4(b)为本发明实施例不同温度与SOC状态下的内阻R

图4(c)为本发明实施例不同温度与SOC状态下的内阻R

图4(d)为本发明实施例不同温度与SOC状态下的电容C

图4(e)为本发明实施例不同温度与SOC状态下的电容C

图4(f)为本发明实施例不同温度与SOC状态下的开路电压估计仿真图；

图5为本发明实施例33节点配电网网络单线图示意图；

图6为本发明实施例锂电池热失控的触发边界示意图；

图7为本发明实施例三相短路时锂电池热失控的受影响范围示意图；

图8为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图；

附图标记：

其中：810-处理器、820-通信接口、830-存储器、840-通信总线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，一种配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法，包括以下步骤：

1)测量过电流、过电压、谐波等配电网异常状态数据，建立配电网各类故障的仿真演化模型。

2)建立出配网故障向用户侧储能的传导路径，得到配电网故障与储能过热之间的数学传递模型，从而建立出能够在配电网故障下模拟出储能实时状态的用户侧储能状态演化模型。

3)基于步骤2)所得演化模型，计算出配网系统稳定条件下用户侧储能系统的安全运行边界，由此得到用户侧储能发生故障保护和锂电池热失控的触发条件。

实施例1

配网异常运行状态向用户侧储能传导的路径包含线路传输、变压器传导以及DC-AC变流器转换。如图2所示。可以根据配电网异常状态发生位置、类型以及用户侧储能位置，得到完整的配网异常运行状态向用户侧储能传导路径，从而计算出储能侧的异常电气量情况。

利用能够充分反映电池极化特点的二阶RC等效电路模型对锂电池外特性进行模拟，储能电池的瞬时温度值可以依据热模型获得；同时，将瞬时温度值与瞬时荷电量的值传递到等效电路模型以此来获得最优的二阶RC参数以及电池端电压和电动势，然后再利用此时的参数代入生热公式计算电池产热量，最后通过电池热模型计算当前时刻的电池温度，即可完成了单体电池与等效电路热电模型的耦合，具体过程如图3所示。并基于不同初始温度，重复上述实验，即可得到不同温度与SOC状态下的锂电池状态估计结果，如图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)、4(e)、4(f)、所示。

由此，可在Matlab/Simulink(2021a)建立出33节点配电网网络，其单线图如图5所示。此外，线路均采用的分布参数模型，用户侧储能集中分布于节点7、13与20，并分别命名为E

表1用户侧储能发生热故障的配电网异常条件

基于此，以三相短路为例，如图7所示，即可获得针对此33节点配电网网络中3组用户侧储能群所提出的用户侧储能系统的安全运行边界。

图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的配网扰动场景下的用户侧储能状态演化方法。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。