CN101944750A - 一种柔性智能直流电力局域网电力系统实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性智能直流电力局域网电力系统实现方法，该发明涉及智能电网与直流电网领域。发明目的是：提出一种柔性智能直流电力局域网电力系统实现方法，使得电力局域网电力系统具有更为宽泛、灵活的调节特性，用于提高电力系统运行效率、可靠性与包容性。主要以智能直流半导体电力变换器为节点设备，按照特定配置要求，用相应的直流输电线路将其连接，并且有一个分布式计算机网络电力管理系统与其相匹配，从而构成这种智能电力系统。这样的电力系统，如同建立了一种梯级动态直流电力库，它的灵活调节特性有利于分布式自然能以及其它发电设备电力入网，有效地实现了电力的电网储存。

Description

一种柔性智能直流电力局域网电力系统实现方法

1技术领域

本发明涉及智能电网与直流电网领域，尤其涉及一种柔性智能直流电力局域网电力系统实现方法。

2背景技术

无论国内外，目前电力网基本上是交流网，用户电力网除个别的情况外，绝大多数也为交流网，电网主要表现为少数电力生产方对用户单向供电形式。

受诸多因素影响，目前交流电网运行效率较低，电网设备工作适应能力小，一些新电力能源，如风力发电，太阳能发电，不易实现电力入网。电力消费单位或居民小区，建立有电力用户单位局域电力网。在目前运行的交流电网中，用户局域网是影响电网电力运行效率和电力品质提高重要环节，上述问题比较集中的反映在电网的这个层面；对于我国数量大、分布范围广的农村用户电力局域网来说，电网运行效率低、电力品质差表现的尤为显著。一般说来，交流电网运行条件以及设备相互之间要求相对较为严格，不易调整，系统特性表现为柔性差。

3发明内容

发展适用范围广泛，功能特性更为灵活的，自适应调节功能强的智能化、直流化电力电网，是对现有输电模式改进。一种柔性智能直流电力局域网电力系统实现方法可以提高电网电力系统运行效率，有利于风力发电，太阳能发电电力入网。柔性智能直流电力局域网电力系统的建设为建立起柔性智能直流电力全局网电力系统提供了必要的基础条件。

发明目的：提出一种柔性智能直流电力局域网电力系统实现方法，使得电力局域网电力系统具有更为宽泛、灵活的调节特性，用于提高电力系统运行效率，提高电力系统可靠性与包容性，利于分布式电力生产单元的电力入网。

这种柔性智能直流电力局域网电力系统王要由直流局域网与智能电网管理系统构成。

3.1这种柔性智能直流电力局域网结构

一个向电网送入电力的变换器称之为电力输入变换器或电力源变换器；一个向电网终端用电设备或终端用电回路输出电力的变换器称之为电力负载变换器，独立成为一个电力设备的电力负载变换器称之为显式电力负载变换器，包含在用电设备电源系统内的电力负载变换器称之为隐式电力负载变换器；局域电网内，功能上介于电力源变换器和电力负载变换器之间的电力变换器也称之为中间电力变换器。这种柔性智能直流电力局域网中使用的电力变换器为一种智能型.PWM式直流半导体电力变换器。其中：PWM降压型变换器，设定为正向电力变换器，它将电力网络中与其相邻上层的高电压变换为较低电压送入与其相邻下层电力网络或用电设备；PWM升压型变换器，设定为逆向电力变换器，它将电力网络中与其相邻下层的低电压变换为高电压送入相邻上层电力网络。

这种柔性智能直流电力局域网电力系统的电网终端设备指用户用电设备或用户发电设备，一般的情况下，电网终端设备，应该能够提供必要的运行状态信息；同时，也应该能够接受来自电网的必要调控。

这种柔性智能直流电力局域网电力系统，在其电网中，包含一个直流半导体电力主源变换器，允许包含若干个直流半导体电力副源变换器，允许包含若干个直流半导体电力中间变换器，包含若干个直流半导体电力负载变换器，包含相应的输电线路。这种柔性智能直流电力局域网物理上是一种树状结构；在功能特性上区分，以直流半导体电力主源变换器、直流半导体电力中间变换器、直流半导体电力负载变换器为界面，分为顶层、中间层和底层。

这种柔性智能直流电力局域网电力系统，通过电力源变换器接受来自电力主网提供的电力，直接或经由中间电力变换器向电力负载变换器提供电力，终端用电设备只能通过显式或隐式电力负载变换器接受电网电力；网内用户发电设备也能够将产生的电力通过逆向电力变换器送入直流电力局域网。这种柔性智能直流电力局域网电力系统的所有设备，受控于它的智能电网管理系统。

3.2这种柔性智能直流电力局域网电力系统的智能电网管理系统

这种柔性智能直流电力局域网电力系统的智能电网管理系统，按照管理任务需求，管理任务实现两方面对其进行说明。该电网管理系统任务需求由这种电网电力系统基本特性和要求确定，管理任务实现分为物理层面和协议层面。在物理层面，主要包括中央控制计算机、网络控制器和节点控制器三部分；在协议层面，中央控制计算机与网络控制器一起担负主要的系统管理任务，中央控制计算机偏重于执行一些计划性、宏观性、人工介入性强、数据以及计算量大的电力系统管理任务；网络控制器偏重于执行一些系统的适时性强的现场电力系统调控任务；节点控制器主要担负当前网络层面运行数据、状态信息采集、处理与电力调控。

3.2.1这种电力系统基本特性和要求

这种柔性智能直流电力局域网电力系统实现方法，适用于单位或小区用户局域电网电力系统构建；针对不同的用电设备，可采用灵活的、相应的调控措施，增强电网系统的适应能力；这种智能直流电力系统，更有利于分布式小容量发电设备电力入网；它应用智能电表技术，可以有效地执行时序浮动性电力收费方式，利于电力负荷的平衡调节；采用电网自动监测技术，适时的观测、识别电力系统的运行状态，可以及时发现、处理一些电力系统运行中的问题；这是一种具有综合功能的智能化直流电力系统。

这种柔性智能直流电力局域网电力系统的电网、电力品质，对环境的影响程度应符合现有直流电力系统的有关规定，其中的设备，需要符合GB/T 19826-2005《电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求》相对应的一些基本技术要求；此外，还需要符合柔性智能直流电力局域电网电力系统运行的一些特定要求，这主要表现在如下几方面：

1)电网电压

·1类电网输入电压                35000     V   AC

·2类电网输入电压                10000     V   AC

·3类电网输入电压                35000     V   DC

·4类电网输入电压                10000     V   DC

·1类顶层网络电压                

DC

·2类顶层网络电压                

DC

·3类顶层网络电压                

DC

·1类中间层网络电压              

      DC

·2类中间层网络电压

DC

·3类中间层网络电压DC

·1类底层网络电压  

DC

·2类底层网络电压  

DC

在构建这种电网系统时，电网电压可以根据实际情况，在上述类别中匹配设定。电网电压可以在设定允许范围内波动，波动幅值受电力源以及负荷变化的影响，并接受相关联电力变换器的调控。

2)电网电流

电网电流可在较大范围内波动，波动幅值受电力源以及负荷变化的影响，受相关电力变换器、输电线路、设定允许值的限制，并接受相关联电力变换器的调控。

3)电力系统中的主要电力设备特性

·智能半导体电力变换器

每一套半导体电力变换器都配有一个微控制单元，担负电力变换和电网智能调控任务。直流半导体电力主源变换器配有的微控制单元，称之为网络控制器；其余电力变换器配有的微控制单元称之为节点控制器。

·电网内发电设备

允许电网内挂接多台发电设备，所产生的电力通过逆向电力变换器，将直流电力送入该电力网，该电力变换器实际上是一种升压型电流变换器，调控要求是将直流发电设备产生的电力，尽可能多的送入电网。

·电网终端用电设备或底层网络

电网终端用电设备或底层网络必须通过称之为电力负载变换器，接入电网。该电力负载变换器满足所带负载的电力需求，并实施对其进行智能化调控和管理。调控的要求是均衡、合理的负荷时序分布。底层网络所挂接的设备，通常为家用电器或办公设备，如果是智能化设备，需要能够满足电力负载变换器的调控要求；否则就需要重点针对电力消耗大的设备，或单独为其配备负载变换器，或单独为其配备合适的遥控开关，以实现电力负载变换器对底层网络所挂接设备的调控。

4)电力线路

网内输电为两线电力线输电模式，且附带有一条地线，电力变换器采取非隔离共零位线连接方式；在电力非源变换器处，零位线与地线采取不同点接地方式接地；在电力源变换器处，零位线与地线采取同点接地方式接地；电网中，只允许在高电位线中串接开关，用于切断电源，而不允许在零位线或地线中串接开关。

5)这种电力网络基本结构模型

主要以智能直流半导体电力变换器为节点设备，按照特定配置要求，用相应的直流输电线路将其连接，并且有一个分布式计算机网络电力管理系统与其相匹配，从而构成这种智能电力网络。

3.2.2这种智能电网管理系统的硬件系统的基本架构和要求

这种智能电网管理系统是一个以中央控制计算机、网络控制器、节点控制器组成的分布式计算机网络系统(见技术说明书附图2)。

中央控制计算机仅面向网络控制器进行双向通讯，它们之间，采取独立的通讯接口通路，可在RS232、RS422或RS485总线接口形式中选用。网络控制器与节点控制器之间，采取主从或多主分布式网络结构，双向通讯。当采取主从结构形式时，网络控制器为主设备，节点控制器为从设备，可在RS232、RS422、RS485或CAN或其它总线接口形式中选用。

网络控制器、节点控制器是现场计算机设备，不带人、机界面装置；中央控制计算机是一台具有完整人、机界面装置计算机设备，必要时，它也可通过专用的通讯接口接入国家电网计算机系统，与国家电网计算机系统交换信息；它也可通过专用的通讯接口接入互联网，这种情况下，这种电力系统，包括其中的用电设备，都可以通过互联网实现远距离控制。

3.2.3这种智能电网管理系统的软件系统的架构和功能要求

这种智能电网管理系统的软件系统根据电网电力系统基本特性和管理任务要求建立。智能电网管理系统的软件系统主要包括：中央控制计算机电网管理软件部分、网络控制器电网管理软件部分、节点控制器电网管理软件部分。

1)节点控制器电网管理软件的架构和功能要求

根据节点控制器相匹配的电力变换器的不同，可分为：

·与正向电力变换器匹配的节点控制器

□用PWM调制方式，控制降压型电力变换器，调控的要求是：

根据上、下端电力供求双方电力运行状态以及设定的条件，进行动态调整，以满足电网系统要求；

□具备电网运行状态自测与监控功能，它包括：对电网短路，电网漏电，电网线路耗损，电网超压、欠压，超负荷，零位线电压超值等运行状态识别和电网保护；

□根据自身、上、下游控制器以及网络控制器的调控需求；做出相应的调控响应；

□具有合理的调配电力负荷时序分布功能；

□利用通讯系统，传输电网运行状态、命令和数据；

□设置智能电力计量以及浮动式计费功能。

·与逆向电力变换器匹配的节点控制器

□用PWM调制方式控制升压型电力变换器，调控的要求是：在满足特定的条件下，将发电设备产生的电力，尽可能多的送入电网；或者，在满足下述条件下，将下层网络的电力送入上层网络，这些条件是：在正向电力变换器处于关断情况下，当前网络层电压仍然高于设定值范围，设定值在最大允许值的70％-90％范围内选取；或者，在正向电力变换器处于关断情况下，当前网络层电压虽然未高于设定值范围，但系统已经作出判断，当前网络层的电力较为富裕，需要向其它网络做电力调配时；

□具备电网运行状态自测与监控功能；

□根据自身、上、下游控制器以及网络控制器的调控需求，做出相应的调控响应；

□将发电设备产生的电力送入电网的节点控制器，需要具备智能电力计量功能；

□利用通讯系统，传输电网运行状态、命令和数据。

2)网络控制器电网管理软件的架构和功能要求

□控制直流半导体电力主源变换器，将国家电网的电力，按照设定的要求，送入这种柔性智能直流电力局域网；

□担负该电力系统现场系统管理以及电网顶层管理任务；

□向中央控制计算机报告电网运行数据和状态信息，接收中央控制计算机发送来的控制命令和数据；接收和处理由节点控制器发来的电网现场运行数据和状态信息，向节点控制器发出电网现场运行数据、状态信息和调控命令；

□电网运行状态自测与监控；

□智能电力计量以及浮动式计费功能。

3)中央控制计算机电网管理软件架构和功能要求

□担负该电力系统综合管理任务；

□编排、调整电力系统运行计划、模态、电力系统参量；向网络控制器发送电力系统参量、电力系统调控命令、数据；接收并处理网络控制器发送来的运行数据和状态信息。

□电网运行状态自测与监控；

□电网及用户电量、电费统计。

用上述方法建立的柔性智能直流电力局域网电力系统，具有较强的自适应调控能力，提高了电力系统运行效率；这样的电力系统，如同建立了一种梯级动态直流电力库，它的灵活调节特性有利于分布式自然能以及其它发电设备电力入网，实现了直流电力入网存储，电力消费层面同时可以生产电力，实现了电力的双向流动；它应用智能电表技术，可以有效地执行时序浮动性电力收费方式，利于电力负荷的平衡调节；采用电网自动监测技术，适时的观测、识别电力系统的运行状态，可以及时发现、处理一些电力系统运行中的问题，提高了电力系统运行可靠性。

用上述方法建立起一种智能的、高效率的电力系统，它的推广应用，将具有明显的经济效益和社会效益。

4附图说明

如《附图1一种柔性智能直流电力局域网电力系统结构示意图》所示：国家电网的电力，经过智能直流半导体电力主源变换器以及智能直流半导体电力副源变换器的变换，送入柔性智能直流电力局域网顶层网络；顶层网络的电力经过智能直流半导体电力中间变换器的变换，将电力送入柔性智能直流电力局域网中间层网络；中间层网络的电力经过智能直流半导体电力负载变换器的变换，送给用电设备或底层网络所挂接的设备；发电设备产生的电力，经过智能直流半导体电力逆向变换器的变换，将电力送入柔性智能直流电力局域网中间层网络；在满足一定条件下，中间层网络的电力，可经过智能直流半导体电力逆向变换器的变换，将电力送入柔性智能直流电力局域网顶层网络。

如《附图2一种柔性智能直流电力局域网电力系统计算机网络系统示意图》所示：这种柔性智能直流电力局域网电力系统计算机管理系统，是由中央控制计算机、网络控制器、若干个节点控制器构成的分布式计算机网络系统。中央控制计算机仅面向网络控制器进行双向通讯，它们之间，采取独立的通讯接口通路；网络控制器与节点控制器之间，采取主从或多主分布式网络结构。

5具体实施方式

可以选择具有一定规模电力需求的一个单位或小区，也可以选择交流电网中的10～35KV电力变压器供电区域，采用上述介绍的方法构建这种柔性智能直流电力局域网电力系统。

Claims (1)

1.一种柔性智能直流电力局域网电力系统实现方法

这种柔性智能直流电力局域网电力系统，使用的是一种智能直流半导体电力变换器；电网包含一个直流半导体电力主源变换器，允许包含若干个直流半导体电力副源变换器，允许包含若干个直流半导体电力中间变换器，包含若干个直流半导体电力负载变换器，包含相应的输电线路；这种柔性智能直流电力局域网电力系统，通过电力源变换器接受来自电力主网提供的电力，直接或经由中间电力变换器向电力负载变换器提供电力，终端用电设备只能通过显式或隐式电力负载变换器接受电网电力；网内用户发电设备也能够将产生的电力通过逆向电力变换器送入直流电力局域网；这种柔性智能直流电力局域网电力系统的所有设备，受控于它的智能电网管理系统；这种柔性智能直流电力局域网电力系统的管理系统，在硬件结构上，主要包括中央控制计算机、网络控制器和节点控制器三部分；在功能上，中央控制计算机与网络控制器一起担负主要的系统管理任务，中央控制计算机偏重于执行一些计划性、宏观性、人工介入性强、数据以及计算量大的电力系统管理任务；网络控制器偏重于执行一些系统的适时性强的现场电力系统调控任务；节点控制器主要担负当前网络层面运行数据、状态信息采集、处理与电力调控；这种柔性智能直流电力局域网电力系统，它的电网特性及管理系统技术要求，其特征在于：

电网电压

·1类电网输入电压    35000    V   AC

·2类电网输入电压    10000    V   AC

·3类电网输入电压    35000    V   DC

·4类电网输入电压    10000    V   DC

·1类顶层网络电压    

DC

·2类顶层网络电压    

DC

·3类顶层网络电压    

DC

·1类中间层网络电压  

DC

·2类中间层网络电压  

DC

·3类中间层网络电压  DC

·1类底层网络电压    DC

·2类底层网络电压    

DC

在构建这种电网系统时，电网电压可以根据实际情况，在上述类别中匹配设定；电网电压可以在设定允许范围内波动，并接受相关联电力变换器的调控；

电网电流

电网电流可在较大范围内波动，受相关电力变换器、输电线路、设定允许值的限制，并接受相关联电力变换器的调控；

智能半导体电力变换器

每一套半导体电力变换器都配有一个微控制单元，担负电力变换和电网智能调控任务；直流半导体电力主源变换器配有网络控制器；其余电力变换器配有节点控制器；

电网内发电设备

允许电网内挂接多台发电设备，所产生的电力通过逆向电力变换器，将直流电力送入该电力网；

电网终端用电设备或底层网络

电网终端用电设备或底层网络必须通过称之为电力负载变换器，接入电网；该电力负载变换器满足所带负载的电力需求，并实施对其进行智能化调控和管理；

电力线路

网内输电为两线电力线输电模式，且附带有一条地线，电力变换器采取非隔离共零位线连接方式；在电力非源变换器处，零位线与地线采取不同点接地方式接地；在电力源变换器处，零位线与地线采取同点接地方式接地；

与正向电力变换器匹配的节点控制器

□用PWM调制方式，控制降压型电力变换器，调控的要求是：根据上、下端电力供求双方电力运行状态以及设定的条件，进行动态调整，以满足电网系统要求；

□具备电网运行状态自测与监控功能，它包括：对电网短路，电网漏电，电网线路耗损，电网超压、欠压，超负荷，零位线电压超值等运行状态识别和电网保护；

□根据自身、上、下游控制器以及网络控制器的调控需求；做出相应的调控响应；

□具有合理的调配电力负荷时序分布功能；

□利用通讯系统，传输电网运行状态、命令和数据；

□设置智能电力计量以及浮动式计费功能；

与逆向电力变换器匹配的节点控制器

□用PWM调制方式控制升压型电力变换器，调控的要求是：在满足特定的条件下，将发电设备产生的电力，尽可能多的送入电网；或者，在满足下述条件下，将下层网络的电力送入上层网络，这些条件是：在正向电力变换器处于关断情况下，当前网络层电压仍然高于设定值范围，设定值在最大允许值的70％-90％范围内选取；或者，在正向电力变换器处于关断情况下，当前网络层电压虽然未高于设定值范围，但系统已经作出判断，当前网络层的电力较为富裕，需要向其它网络做电力调配时；

□具备电网运行状态自测与监控功能；

□根据自身、上、下游控制器以及网络控制器的调控需求，做出相应的调控响应；

□将发电设备产生的电力送入电网的节点控制器，需要具备智能电力计量功能；

□利用通讯系统，传输电网运行状态、命令和数据；

网络控制器电网管理软件的架构和功能要求

□控制直流半导体电力主源变换器，将国家电网的电力，按照设定的要求，送入这种柔性智能直流电力局域网；

□担负该电力系统现场系统管理以及电网顶层管理任务；

□向中央控制计算机报告电网运行数据和状态信息，接收中央控制计算机发送来的控制命令和数据；接收和处理由节点控制器发来的电网现场运行数据和状态信息，向节点控制器发出电网现场运行数据、状态信息和调控命令；

□电网运行状态自测与监控；

□智能电力计量以及浮动式计费功能；

中央控制计算机电网管理软件架构和功能要求

□担负该电力系统系统综合管理任务；

□编排、调整电力系统运行计划、模态、电力系统参量；向网络控制器发送电力系统参量、电力系统调控命令、数据；接收并处理网络控制器发送来的运行数据和状态信息；

□电网运行状态自测与监控；

□电网及用户电量、电费统计。

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