输电线路在线监测装置风光互补电源能量管理策略

陈忠华，俞容江，胡晨刚，陈 攀，高振宇

(杭州市电力设计院有限公司，杭州 310009)

输电线路在线监测装置风光互补电源能量管理策略

陈忠华，俞容江，胡晨刚，陈 攀，高振宇

(杭州市电力设计院有限公司，杭州 310009)

提出一种输电线路在线监测装置风光互补电源供电方式及能量管理策略。对光伏出力、风电出力、负荷功率和蓄电池组储能状态等参数进行实时监测。根据光伏、风电出力与负荷功率的大小关系、蓄电池组储能状态情况，设计能量管理系统的四种基本工作模式。在MATLAB/Simulink环境下搭建风光互补电源模型，并对提出的能量管理策略和运行模式进行验证。结果表明，该能量管理策略能够实现对风光互补电源的高效管理，为输电线路在线监测装置提供稳定的电能。

输电线路；在线监测装置；风光互补电源；能量管理策略

输电线路在线监测装置是电力系统安全运行、预防事故发生的可靠保障[1-2]。能否为输电线路在线监测装置提供稳定的电源决定了监测系统能否正常运行。输电线路在线监测装置的供电形式包括高压导线取能方式、激光供电、太阳能供电等[3]。光伏、风电技术的快速发展，为输电线路在线监测系统供电电源提供了新方案[4-5]。

现阶段国内外学者对输电线路在线监测系统供电电源做了大量研究，提出一系列供电方式。文献[6]通过在高压线路中放置取能线圈将输电线路电流转换成副边电压，为在线检测系统供电；文献[7]提出激光供电方式，在地面低电位侧将电能转化为光能，通过光纤将激光从地面传送到输电线路，再将光能转换成为电能，为检测装置提供稳定的电能；文献[8]通过光伏储能系统为输电线路在线监测系统供电。以上研究成果促进了输电线路在线检测系统供电技术的发展，同时风力发电、光伏发电及储能技术的快速发展为输电线路在线监测系统的供电问题提出了新的解决方案。

但是现阶段应用于输电线路在线检测系统的风光互补电源及其能量管理策略的研究较少。本文提出一种输电线路在线监测系统风光互补电源供电方式及风光互补电源能量管理策略。

1 风光互补电源拓扑结构与能量管理策略

1.1在线监测装置负荷特性及风光资源

输电线路在线监测系统一般由导线监控系统、气象监测、杆塔倾斜、绝缘子电流泄漏监测及通信设备组成，其均为直流供电方式且功率恒定。同时系统一般安装于输电杆塔上端，杆塔上端光资源、风电资源充足，为检测系统采用风电系统或光电系统供电提供了便利条件。然而风力发电系统与光伏发电系统无法直接为检测系统供电，原因在于风力发电系统与光伏发电系统的输出功率受天气影响较大导致发电与用电负荷的不平衡，风力发电与光伏发电系统都需要通过与储能系统连接才能为检测装置提供稳定电能。在无人看管状态下，单一光储、风储系统容易在极端天气或故障情况下造成供电不稳定甚至失灵。

风能与太阳能有着良好的互补性，风力发电系统与光伏发电系统的结合在资源上弥补了单一系统受天气影响较大的缺陷。同时，可以根据输电线路在线监测系统的负荷功率及当地风力及光照条件配置发电系统及储能系统容量，降低风光互补电源成本，因此，利用风光互补电源为输电线路在线监测系统供电更加合理。

1.2风光互补电源拓扑结构

风光互补电源由光伏、风电、储能及输电线路在线监测系统组成(拓扑见图1)。光伏电池通过单向直流升压电路与直流母线连接；风力发电机通过不控整流电路及单相直流降压电路与直流母线连接；蓄电池通过Buck/Boost电路与直流母线连接；输电线路在线监测系统作为风光互补电源的负荷与直流母线连接。

图1 风光储电源系统框图

通过控制与光伏电池和风力发电机连接的直流变换电路，可以使光伏及风力发电能够输出最大功率，提高光伏及风力发电机的效能，同时能够调节光伏及风力发电的输出电压。控制与蓄电池连接的Buck/Boost电路可对蓄电池的能量流动进行调节，保证风光互补电源能稳定运行。风光互补电源通过切换三个变换器的工作模式，实现在多个状态下运行。

1.3风光互补电源能量管理策略

能量管理系统通过控制储能系统充放电功率协调光伏、风电及储能电池的工作状态，保证输电线路在线监测系统可靠供电。同时，考虑到蓄电池的工作效率和性能，通过合理的能量管理策略对储能系统的充放电功率进行控制，延长蓄电池使用寿命，提高风光互补电源运行效率。

稳定可靠的电源是在线检测系统连续运行的保证，而光伏及风力发电系统输出功率受天气影响较大，具有波动性，需要辅以储能系统才能提供稳定的输出，所以储能系统的控制是能量管理策略的核心。风光互补电源运行过程中，风光互补发电系统首先对在线检测系统供电，剩余功率为蓄电池充电。风光互补电源能量管理策略通过蓄电池的荷电状态确定工作状态，首先检测电池的储能状态，如果蓄电池处于满储能状态，风光互补发电系统将维持直流母线的电压，为在线检测设备供电，多余风电和光伏发电量将被舍弃；如果蓄电池储能不满，发电系统首先向检测系统供电，多余电能将向蓄电池充电；如果风电和光伏发电量不足，蓄电池将释放电能以保证检测系统正常工作；如果风电和光伏发电量不足导致蓄电池储能状态达到储能状态下限时，为了防止蓄电池过度放电而损伤蓄电池，将不再为检测系统供电并发出报警信号。当风力和光照资源改善，风光互补电源检测到发电系统有电量输出时，将重新为检测系统供电。

由蓄电池储能状态、风电和光伏发电量确定风光互补电源能量管理策略。提出以下四种基本工作模式，使风光储协调工作，保证系统稳定运行，如表1所示。

表1 系统工作模式

模式I：当风光互补电源发电系统输出电能功率PN≥负载功率PL且蓄电池储能状态SOC≥SOCmax时，风力发电系统和光伏发电系统为负载供电，多余电能将舍弃，发电系统中的单向直流变换电路将维持直流母线电压。同时为防止损伤蓄电池，与蓄电池连接的Buck/Boost电路将限制蓄电池的充电电流，使储能系统工作在待机模式。其中SOC为蓄电池组储能状态，SOCmax为储能状态最大值，PN为光伏、风电发出功率的总和。

PN=PPV+PW

(1)

式中PPV——光伏发出的功率；PW——风机发出的功率。

模式II：当PN≥PL+PBC且蓄电池储能状态SOC

模式III：当PN

模式IV：当PN

2 风光互补电源建模与仿真

在MATLAB/Simulink环境下对提出的输电线路在线监测系统风光储供电方式及能量管理方法进行仿真分析，相关仿真参数如表2所示。

表2 仿真相关参数

(1) 系统初始状态为工作在模式III，PN≥PL。在0.5 s时，风光互补发电系统输出功率减少，使PN

图2 模式III向模式II切换波形图

(2) 系统初始状态为工作在模式III，PN≥PL。在0.5 s时，风光互补电源发电系统输出功率增加，使PN>PL+PBC。储能Buck/Boost电路切换到恒流充电模式，发电系统单向直流变换电路工作在恒压模式，向负荷供电，此时系统进入工作模式II。直流母线电压UBUS和风光互补发电系统输出功率PN，蓄电池组电流IB如图3所示。

图3 模式III向模式II切换波形图

(3) 系统初始状态为工作在模式III，PN≥PL。在0.5 s时，蓄电池组储能状态SOC增加到SOCmax。储能Buck/Boost电路切换到离线模式，发电系统单向直流变换电路工作在恒压模式，向负荷供电，系统进入工作模式I。直流母线电压UBUS和风光互补发电系统输出功率PN，蓄电池组电流IB如图4所示。

图4 模式III向模式I切换波形图

仿真结果表明，此能量管理方法能够稳定直流母线电压，实现对风光储混合发电系统的高效管理，提高输电线路在线监测系统供电稳定性。

3 结语

采用输电线路在线监测系统风光储电源供电方式及其电源能量管理方法。对光伏出力、风电出力、负荷功率和储能电池端电压等参数进行监控。根据光伏及风电出力与负荷功率的大小关系、蓄电池储能情况，设计了能量管理系统的四种基本工作模式。在MATLAB/Simulink环境下对提出的能量管理策略和运行模式进行了仿真验证。结果表明，此能量管理方法能够稳定直流母线电压，实现对风光储混合发电系统的高效管理，提高输电线路在线监测系统供电稳定性。

[1] 高洪雨，陈青，徐丙垠，等．输电线路单端行波故障测距新算法[J]．电力系统自动化，2017，41(5)：121-127.

GAO Hongyu ,CHEN Qing, XU Bingyin, et al. Fault location algorithm of single-ended traveling wave for transmission lines[J].Automation of Electric Power Systems,2017,41(5):121-127.

[2]张显，罗日成，邹明，等．特高压直流输电线路低零值绝缘子带电检测装置[J]．中国电力，2016，49(6)：90-100.

ZHANG Xian, LUO Richeng, ZOU Ming, et al. Online detection device of low or zero value insulators in UHVDC transmission Line[J]．Electric Power，2016，49(6)：90-100．

[3]褚强，李刚，张建成．一种基于超级电容的输电线路在线监测系统电源设计[J]．电力自动化设备，2013，33(3)：152-157.

ZHU Qiang, LI Gang, ZHANG Jiancheng. Power supply of transmission line online monitoring system based on super-capacitor[J]．Electric Power Automation Equipment，2013，33(3)：152-157．

[4]肖俊明，韦学辉，李燕斌，等．独立型风光互补系统分布式电源的优化设计[J]．电测与仪表，2016，53(6)：118-123.

XIAO Junming, WEI Xuehui, LI Yanbin, et al. Optimization design of distributed generation in stand-alone wind-solar hybrid system[J]．Electrical Measurement & Instrumentation，2016，53(6)：118-123．

[5]姚天亮，郑昕，吴兴全，等．平抑风光互补系统短时复合功率波动的储能容量配置研究[J]．电网与清洁能源，2016，32(10)：120-127.

YAO Tianliang, ZHENG Xin, WU Xingquan ,et al. Energy storage capacity configuration to stabilize the short composite power fluctuation for wind-solar complementary hybrid system[J]．Power System and Clean Energy，2016，32(10)：120-127．

[6]梁适春，张晓冬，林培峰．一种混合储能光伏发电系统的功率预测算法[J]．中国电力，2014，47(3)：24-27.

LIANG Shichun, ZHANG Xiaodong, LIN Peifeng. A prediction algorithm of PV power with hybrid energy storage[J]．Electric Power，2014，47(3)：24-27.

[7]陈攀．基于无线分组的输电线路绝缘子泄漏电流在线监测系统研究[D]．重庆：重庆大学，2006.

[8]黄伟，孙昶辉，吴子平，等．含分布式光伏发电系统的微网技术研究综述[J]．电网技术，2009，33(9)：14-18.

HUANG Wei,SUN Changhui,WU Ziping, et al. A review on microgrid technology containing distributed generation system[J].Power System Technology,2009,33(9):14-18.

(本文编辑：杨林青)

Energy Management Strategy of Wind-solar Hybrid Power System for Transmission Line On-line Monitoring Equipment

CHEN Zhonghua, YU Rongjiang, HU Chengang, CHEN Pan, GAO Zhenyu

(Hangzhou Electric Power Design Institute Co., Ltd., Hangzhou 310009, China)

An energy management strategy of wind-solar hybrid power system for transmission line on-line monitoring equipment is proposed. Firstly, the parameters of PV output, wind power output, load power and energy storage battery terminal voltage are monitored. Then, according to the relationship between photovoltaic, wind power output and load power, energy storage battery terminal voltage and capacity, four basic operation modes of energy management system are designed. Finally, the proposed energy management system and operation mode are verified by simulation in MATLAB/Simulink. The results show that the energy management strategy can realize the efficient management of hybrid power generation system, which provides a reliable and stable power supply for transmission line monitoring equipment.

transmission line; on-line monitoring device; wind-solar hybrid power system; energy management strategy

10.11973/dlyny201704004

陈忠华(1985—)，男，从事电网规划与设计、新能源技术研究。

TM615

：A

：2095-1256(2017)04-0387-04

2017-06-09