CN110311377B - 雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法，包括以下步骤：步骤1：对雷电进行探测，并对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果；步骤2：根据雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路；步骤3：确定负荷转移方案并在雷电发生前，依据负荷转移方案将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移至备用输电线路和/或分布式微网和/或储能装置上。本发明能够预先针对雷电对电网进行合理的负荷转移，从而减小雷电可能带来的负荷损失，提高电网运行稳定性，且实施成本较低。

Description

雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法和系统

技术领域

本发明属于雷电防护和负荷控制领域，是一种结合雷电预测、分布式电源控制和电网负荷快速投切的雷电综合防护策略。

背景技术

雷电一直是危害电网运行安全的重要自然因素。每年美国百分之三十以上停电事故，欧洲一半以上电网扰动及停电事故由雷电引起。在我国，沿海省份有一半以上的停电事故由雷电导致。随着电网规模的不断增大，雷电对于电网的影响也越来越显著。对于我国而言，东南沿海一直是雷电的多发地区，而这些地区又恰好是我国的负荷中心地带。由于电网负荷密度极大，夏季一次雷暴就可以引起一个地区级电网几百条次的供电线路跳闸，造成大量用户失电，带来巨大的经济损失。因此，防雷一直是我国电网需要面临和解决的重大问题。

目前电力系统采用的主要防雷策略是通过安装在设备和输电线路上的各类防雷装置分流雷电能量，以降低电网设备遭受雷击产生跳闸的概率，实现静态防雷。例如，在变电站内和周边安装避雷针，降低雷电击中站内设备的可能性；在输电线路上方架设避雷线，保护其下方的线路；优化输电杆塔接地装置，降低杆塔的接地电阻，减弱雷击杆塔造成的地电位升；强化线路绝缘，使其能够承受雷击造成的过电压等。

从运行效果来看，静态雷击防护设备对于变电站内的设备能够起到较好的保护作用，但对于输电线路的雷击防护效果不佳。由于雷电放电通道的随机性，其绕过避雷线击中下方的相线的情况时有发生。而比绕击更常见的则是由于雷电击中输电杆塔引起的杆塔与线路之间的闪络，由于输电走廊的地质与气候条件的多样性与复杂性，降低接地电阻和强化线路绝缘的效果也不甚明显。

而在雷击事故发生后，目前仍然缺乏有效的手段对受影响的负荷进行处理。尽管线路通常配备有自动重合闸设备和备用电源投切装置，但一方面，由于雷电造成的线路跳闸很大一部分是由于线路绝缘闪络造成的，这种闪络故障并非瞬时性的，重合闸一般无法成功；另一方面，目前变电站中通常不配备专用的备用电源，而使用两台运行中的变压器互为备用，而由于雷电通常发生于夏季负荷高峰期，主变各自处于高负载率状态，若因为其中一台变压器失电而将其符合全部转移到另一台变压器上，则会造成该主变严重超载，可能导致事故的扩大化，因此实际中当线路因雷击而跳闸时，备用电源也很少被投入使用。

目前电网对于雷电的防护和负荷的处理，采取的是一种刚性的处理思路，即若无法保证设备与负荷的正常运行，则将其全部切除。但在实际运行中，即便电网处于重负荷状态下，多数设备和线路也仍然有一定的裕量，能够承载更多的电网负荷。

例如，某地区负荷由A、B两条容量相同的线路承载，在故障前负载率均为70%。此时若线路A遭受雷击跳闸，由于两条线路的总负荷量超出了B线路的最大容量，备用电源自动投切装置不会将线路B投入。但由于B线路仍然有30%的承载余量，这种刚性的投切方式事实上浪费了备用线路上的可用容量，也没有能够充分地发挥各种分布式电源和储能装置的应激作用。

由此可以看出，目前电力系统的被动式防雷措施主要存在以下局限性：1）设备成本较高，且随着电网设备规模的增长而增长；2）对于输电线路的防雷成功率低；3）缺乏预警，几乎没有预留时间处理故障；4）发生跳闸后直接切除负荷，造成大面积停电和经济损失；5）短时间大量负荷解网对于系统的冲击性较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种合理、有效地对电网进行控制，从而降低雷电对电网的影响、提高防雷成功率和电网利用率的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法，包括以下步骤：

步骤1：对雷电进行探测，并对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果；

步骤2：根据所述雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路；

步骤3：确定负荷转移方案并在雷电发生前，依据所述负荷转移方案将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移至备用输电线路和/或分布式微网和/或储能装置上。

所述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法还包括步骤4：在雷电发生时，将未转移的部分负荷转移至所述分布式微网和/或所述储能装置上。

所述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法还包括步骤5：在雷电发生后，若可能遭受雷击的输电线路正常运行，则将负荷恢复至转移前的状态。

优选的，预先按照重要程度将所述电网中的各负荷进行分类而得到分类结果，则在所述步骤3中，按照所述分类结果确定所述负荷转移方案。

优选的，将负荷按照重要程度由高到低划分为重要负荷、次重要负荷和一般性负荷，再根据电网用户所拥有的负荷种类将电网用户划分为Ⅰ类用户、Ⅱ类用户、Ⅲ类用户和Ⅳ类用户，所述Ⅰ类用户为至少同时拥有所述重要负荷和所述次重要负荷的电网用户，所述Ⅱ类用户为至少只拥有所述重要负荷而不拥有所述次重要负荷的电网用户，所述Ⅲ类用户为至少只拥有所述次重要负荷而不拥有所述重要负荷的电网用户，所述Ⅳ类用户为只拥有所述一般性负荷的电网用户；则所述步骤3中确定的负荷转移方案为：将所述Ⅰ类用户和所述Ⅱ类用户拥有的所述重要负荷转移至所述备用输电线路上，将所述Ⅰ类用户和所述Ⅱ类用户拥有的所述次重要负荷和/或一般性负荷转移至所述分布式微网和/或储能装置上，所述Ⅲ类用户和所述Ⅳ类用户拥有的负荷保持不变。

优选的，确定的负荷转移方案时，若所述备用输电线路的剩余容量不足以承担所述Ⅰ类用户和所述Ⅱ类用户拥有的所述重要负荷，则将部分所述重要负荷转移至所述分布式微网和/或储能装置上。

本发明还提供一种实施上述方法的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统，它包括：

雷电探测模块，所述雷电探测模块用于对雷电进行探测；

雷电预测模块，所述雷电预测模块与所述雷电探测模块相连接并用于对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果；

控制决策系统，所述控制决策系统与所述雷电预测模块相连接，并用于根据所述雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路、确定负荷转移方案，并发出对应控制信号；

执行模块，所述执行模块与所述控制决策系统和电网相连接，并用于根据所述控制信号执行所述负荷转移方案，在雷电发生前将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移至备用输电线路和/或分布式微网和/或储能装置上。

优选的，所述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统还包括：

地理信息系统，所述地理信息系统用于向所述控制决策系统提供确定电网中可能遭受雷击的输电线路时所需的地理信息。

优选的，所述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统还包括：

主网监控系统，所述主网监控系统用于向所述控制决策系统提供所述电网的运行状态数据；

微网监控系统，所述微网监控系统用于向所述控制决策系统提供所述分布式微网的运行状态数据。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够预先针对雷电对电网进行合理的负荷转移，从而减小雷电可能带来的负荷损失，提高电网运行稳定性，且实施成本较低。

附图说明

附图1为正常鱼腥的电网示意图。

附图2为雷电发生前采用发明的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法进行负荷转移的示意图。

附图3为雷电发生后进行负荷转移的示意图。

附图4为本发明的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法，包括准备阶段和实施阶段。

一、准备阶段

预先按照重要程度将电网（区域内的电力系统）中的各负荷进行分类而得到分类结果，通常将负荷按照重要程度由高到低划分为重要负荷、次重要负荷和一般性负荷。

重要负荷主要包括两类，一类是对生产经营活动有重大影响且一旦停电会造成重大经济损失的负荷，例如炼钢厂的高炉、纺织厂的纺纱机，另一类是对社会运营有重大影响的负荷，例如医院的手术室、城市地铁线路、高铁线路等。次重要负荷主要指承担较大的生产任务，能够创造较大经济价值，但停电不会造成额外损失的负荷，例如可中断的机床等。一般性负荷则是指以生活供电为主，中断后影响较小的负荷，例如空调、电热水器、照明电源等。

上述方案为总体的负荷划分方案，实际操作中还需要结合电网用户的自身意愿和不同的运行条件进行区分。例如，应用在不同时间和场所的照明电源，其重要性显然是不同的；而对于某些次重要负荷，也可与用户签订相关协议，在雷电等特殊情况下时将其作为一般性负荷处理，并给予一定的补偿。

在负荷划分完成后，再根据电网用户拥有的负荷种类对客户进行分类。由于几乎所有的电网用户都拥有一般性负荷，故依据其拥有的重要负荷和次重要负荷的组合，即依据电网用户所拥有的负荷种类，将电网用户分为四类，分别为为Ⅰ类用户、Ⅱ类用户、Ⅲ类用户和Ⅳ类用户。Ⅰ类用户为至少同时拥有重要负荷和次重要负荷的电网用户；Ⅱ类用户为至少只拥有重要负荷而不拥有次重要负荷的电网用户；Ⅲ类用户为至少只拥有次重要负荷而不拥有重要负荷的电网用户；Ⅳ类用户为只拥有一般性负荷的电网用户。

二、实施阶段

雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法包括以下步骤：

步骤1：对雷电进行探测，并对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果。

步骤2：根据雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路。

步骤3：确定负荷转移方案并在雷电发生前，依据负荷转移方案将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移至备用输电线路和/或分布式微网和/或储能装置上。

该步骤根据雷击预测结果，对电网的运行方式进行调整，按照对负荷的分类结果确定负荷转移方案。具体的负荷转移方案为，将Ⅰ类用户和Ⅱ类用户拥有的重要负荷转移至备用输电线路上，将Ⅰ类用户和Ⅱ类用户拥有的次重要负荷和/或一般性负荷转移至分布式微网和/或储能装置上，Ⅲ类用户和Ⅳ类用户拥有的负荷保持不变。确定的负荷转移方案时，若备用输电线路的剩余容量不足以承担Ⅰ类用户和Ⅱ类用户拥有的重要负荷，则将部分重要负荷转移至分布式微网和/或储能装置上。

例如，如附图1所示的电网，输电线路A和输电线路B为两条互为备用的输电线路，其各自带有一定的负载，每条线路上有各种类型的用户若干。同时，区域内有分布式电源和储能装置若干，通过分布式微电网接至各用户端，正常状况下处于备用状态，如附图1所示、

当提示输电线路A在若干时间后极有可能遭受雷击时，则根据线路区域电网中的负荷量、输电线路B上的负载率以及分布式电源和储能装置的出力水平，调整电网运行方式。理想情况下，应当将输电线路A所带Ⅰ类用户和Ⅱ类用户的所有重要负荷转移至输电线路B上，然后将这些用户的次重要和一般负荷转由分布式微网功能，以减轻输电线路B的负担，而输电线路A所带Ⅲ类用户和Ⅳ类用户的负荷则保持不变，如图2所示。

步骤4：一段时间后，输电线路A遭受雷击而跳闸。此时其所带Ⅰ类用户和Ⅱ类用户的负荷已全部转移，不会受到跳闸的影响，而未转移的部分负荷，即Ⅲ类用户和Ⅳ类用户的负荷则在跳闸后由自动装置迅速转移至分布式微网和/或储能装置上，转移量视微网的承载能力而定，且优先保障次重要负荷的供电，如附图3所示。

步骤5：在雷电发生后，若可能遭受雷击的输电线路，如输电线路A正常运行，则将负荷恢复至如附图1所示的转移前的正常状态。若输电线路A的故障短时间内不可恢复，视输电线路B和分布式电源的承载能力对转移的负荷进行后续处理，直至输电线路A恢复运行。

上述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切通过雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统来实施。如附图2所示，雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统主要包括雷电探测模块、雷电预测模块、控制决策系统、执行模块，还可以包括地理信息系统、主网监控系统、微网监控系统。

雷电探测模块用于对雷电进行探测，雷电预测模块与雷电探测模块相连接，并用于对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果。本实施例中，雷电探测模块和雷电预测模块利用安装在地面的雷电传感器测量空气中的电场强度变化和雷电活动产生的电磁辐射，并基于广谱分频传感技术，结合时域微分技术对雷电活动进行时域化定量分析，从而对雷击的地点和大致的雷击时间进行预测。该项技术在先前申请的专利（申请号为201710615287.2的发明专利）中已有涉及，故在此不详细展开。

控制决策系统与雷电预测模块相连接，其用于根据雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路、确定负荷转移方案，并发出对应控制信号。

执行模块与控制决策系统和电网相连接，其用于根据控制信号执行负荷转移方案，在雷电发生前将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移至备用输电线路和/或分布式微网和/或储能装置上。

地理信息系统与控制决策系统相连接，其用于向控制决策系统提供确定电网中可能遭受雷击的输电线路时所需的地理信息。

主网监控系统与控制决策系统相连接，用于向控制决策系统提供电网的运行状态数据；

微网监控系统控制决策系统相连接，用于向控制决策系统提供分布式微网的运行状态数据。

本方案基于雷电预警和源网荷储综合控制，实现负荷的柔性投切和电网动态防雷，主要包括以下优点：

（1）处理时间充裕：由于对雷击进行了较长提前量的预警，在应对雷击故障时可以有较长的时间进行负荷的转移和电网方式的调整，从而最大限度地降低雷击跳闸的损害；

（2）预测准确率高：根据实际运行经验，本发明的雷电预警系统在200平方公里的核心区域内对雷击预测的准确率达到了99%以上，远远高于传统静态防雷措施的防雷成功率；

（3）负荷损失小：通过对负荷的精准聚类，在雷击发生之前，将重要负荷转移至邻近的备用线路上，并充分利用区域微网内分布式电源和储能装置的出力供给剩余一部分负荷。故而当线路因雷击而跳闸时，由于其只承载部分次要负荷，造成的负荷损失将会大大降低；

（4）电网稳定性高：由于对雷击跳闸进行了预测以及提前处理，故障线路所带负荷较少，故跳闸对于区域电网的冲击较小，因跳闸导致电网连锁反应的几率也大大降低；

（5）实施成本较低：目前电网中已大量布置有各类储能装置和分布式电源，但总体利用率不高，本发明可以充分发挥这些设备的作用而不需要过多额外的投入。而对于雷电预测部分，由于传感器的精确探测范围较大，也不随设备数量的增长而有明显的变化，故本发明的投入成本明显低于传统的静态防雷手段。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法，其特征在于：所述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法包括以下步骤：

步骤1：对雷电进行探测，并对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果；

步骤2：根据所述雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路；

步骤3：确定负荷转移方案并在雷电发生前，依据所述负荷转移方案将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移至备用输电线路和/或分布式微网和/或储能装置上；

预先按照重要程度将所述电网中的各负荷进行分类而得到分类结果，则在所述步骤3中，按照所述分类结果确定所述负荷转移方案；

将负荷按照重要程度由高到低划分为重要负荷、次重要负荷和一般性负荷，再根据电网用户所拥有的负荷种类将电网用户划分为Ⅰ类用户、Ⅱ类用户、Ⅲ类用户和Ⅳ类用户，所述Ⅰ类用户为至少同时拥有所述重要负荷和所述次重要负荷的电网用户，所述Ⅱ类用户为至少只拥有所述重要负荷而不拥有所述次重要负荷的电网用户，所述Ⅲ类用户为至少只拥有所述次重要负荷而不拥有所述重要负荷的电网用户，所述Ⅳ类用户为只拥有所述一般性负荷的电网用户；则所述步骤3中确定的负荷转移方案为：将所述Ⅰ类用户和所述Ⅱ类用户拥有的所述重要负荷转移至所述备用输电线路上，将所述Ⅰ类用户和所述Ⅱ类用户拥有的所述次重要负荷和/或一般性负荷转移至所述分布式微网和/或储能装置上，所述Ⅲ类用户和所述Ⅳ类用户拥有的负荷保持不变。

2.根据权利要求1所述的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法，其特征在于：所述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法还包括步骤4：在雷电发生时，将未转移的部分负荷转移至所述分布式微网和/或所述储能装置上。

3.根据权利要求2所述的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法，其特征在于：所述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法还包括步骤5：在雷电发生后，若可能遭受雷击的输电线路正常运行，则将负荷恢复至转移前的状态。

4.根据权利要求1所述的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法，其特征在于：确定的负荷转移方案时，若所述备用输电线路的剩余容量不足以承担所述Ⅰ类用户和所述Ⅱ类用户拥有的所述重要负荷，则将部分所述重要负荷转移至所述分布式微网和/或储能装置上。

5.一种实施如权利要求1至4中任一项所述的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切方法的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统，其特征在于：所述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统包括：

雷电探测模块，所述雷电探测模块用于对雷电进行探测；

雷电预测模块，所述雷电预测模块与所述雷电探测模块相连接并用于对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果；

控制决策系统，所述控制决策系统与所述雷电预测模块相连接，并用于根据所述雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路、确定负荷转移方案，并发出对应控制信号；

执行模块，所述执行模块与所述控制决策系统和电网相连接，并用于根据所述控制信号执行所述负荷转移方案，在雷电发生前将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移至备用输电线路和/或分布式微网和/或储能装置上。

6.根据权利要求5所述的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统，其特征在于：所述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统还包括：

地理信息系统，所述地理信息系统用于向所述控制决策系统提供确定电网中可能遭受雷击的输电线路时所需的地理信息。

7.根据权利要求5所述的雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统，其特征在于：所述雷电气候下的源网荷储控制和负荷柔性投切系统还包括：

主网监控系统，所述主网监控系统用于向所述控制决策系统提供所述电网的运行状态数据；

微网监控系统，所述微网监控系统用于向所述控制决策系统提供所述分布式微网的运行状态数据。

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