0 引 言

近年来，传统的交流配电方式面临着前所未有的挑战。新型能源接入需求不断增加，光伏、风电、储能等新型能源增速迅猛；多样化用电需求不断增加，直流负荷、变频设备涌现[1]；供电可靠性需求不断提高，减少停电时间、提高电能质量、保证优质供电需求强烈；信息化需求不断提高，信号采集、数据挖掘、信息传输愈发频繁[2]；容量需求不断增长，线路走廊紧张、供电半径较短矛盾突出[3]。其中以新能源电源和多样化负荷涌现所带来的冲击最为剧烈。直流配电网技术成为解决上述问题的有效途径。

对比交流配电网，直流配电网能直接接入新能源电源、储能装置及直流负荷等设施，减少不必要的功率变换环节[4]；直流配电网通过电力电子装置可实现潮流灵活控制[5]；直流配电网输送能力更强，相同电压等级直流双极系统可输送的功率大约是对应三相交流配电系统的1.2倍[6]；对比交流线路，在相同输送能力需求下，直流线路可节约线路和杆头材料，可节省线路走廊，直流线路传输过程中无涡流损耗和交流电抗产生的功率损耗，传输线损率低于交流线路[7]。

在交流配电网的基础上建设交直流混合配电网成为近年来的研究热点。国际电工委员会(IEC)、欧洲电气委员会(CENELEC)和国际大电网组织(CIGRE)都设立了专题组来研究直流电网的相关标准。特别是CIGRE成立了C 6.31专题小组来研究和推广中压直流配电网技术。

国内外有多个机构和地区开展了交直流配电网的专题研究和工程实践[8-14]，采用的技术方案各有特色，虽广泛结合了微电网、分布式能源、多元用户等，但也存在一定的不足。现有方案基本上沿用了输电网两端供电的模式，侧重发挥直流输送能力强的优势，但输送能力的限制并非当前配电网面临的最核心挑战。同时，现有方案无一例外采用了分散式设备组网，设备多、占地大，这使本已紧张的配电网用地更加捉襟见肘。

本文将梳理国内外交直流配电网现有技术方案，并总结其特点和不足。基于配电网现实需求，创新性地提出基于柔性变电站的交直流配电网技术。柔性变电站是电力电子技术与变电站技术的结合[15]，以一次设备电力电子化为特征，简化变电站设备种类及数量，旨在提高电网状态参数及潮流的精确灵活控制，可实现电网有功、无功、电压等平滑调控，提升电网安全、稳定、高效运行水平等。基于柔性变电站的交直流配电网技术可提高“源网荷”互动能力，实现新能源电源及多元化交直流负荷的友好接纳及协调控制，实现故障的快速隔离，提高用户电能质量。这一技术为配电网面临的主要矛盾做出了积极响应并提供了参考方案。最后，以张北交直流配电网及柔性变电站示范工程为实例，设计世界首个基于全可控柔性变电站的交直流配电网系统方案，并开展电气计算、制定自动化系统及控制保护方案，为交直流配电网发展提供示范。

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1 交直流配电网技术现状

1.1 国内外技术研究与实践

国外交直流配电网研究开展较早。荷兰能源研究中心(ECN)早在1997年对住宅中采用直流供电技术就提出了系统的实施方案。日本大阪大学在2006年提出双极直流配电网结构。罗马尼亚在2007年提出采用双电源交替供电的系统。考虑不同负荷，美国弗吉尼亚大学2010年提出交直流配电分层连接的混合配电系统[10]。

我国交直流配电网研究起步较晚，但近年来已成为研究热点之一[11]。图1列举了国内几个典型的交直流配电网系统设想或工程实践方案。图1(a)为某配电网轻型直流输电示范工程，工程建设了一条±10 kV轻型直流输电线路，采用了三相桥级联拓扑[12]。图1(b)为某柔性直流配网系统，采用双电源“手拉手”式的网络拓扑，使用电压源换流器从2个变电站的10 kV母线侧吸收功率[16]。图1(c)为某地构建的交直流混合配电网，预留了分布式电源、多样性负荷及储能设备“即插即用”接口[14]。图1(d)将配电网不同电压等级分区合环运行，意在缓解20 kV和10 kV供区不平衡问题，提高供电可靠性和电能质量。

1.2 现有方案分析

整体分析以上方案的结构，做统一简化，可等效为图2所示模型。

这一模型有如下特点：

(1)方案套用了输电网的思路，采用了近似于输电网两端柔性直流工程的拓扑结构。负荷容量与设备容量比值较低，设备利用率低。

柔性变电站是以电力电子广泛应用为特征的新一代变电站，在上述组网方案中居于核心地位。技术上，柔性变电站以电力电子技术、控制保护技术以及信息通信技术等的高度融合为特征；设备形态上，功能高度集中，设备界限逐渐模糊；角色定位上，不仅是能量传输节点、电网调控节点，还是负荷调控节点；运行方式上，既可以并网运行，又可以孤网运行；信息交互上，不但可以作为接收和执行信息的节点，而且可以实现数据采集功能，实现电气设备与信息的深度融合。柔性变电站的组网方式如图4所示。

PET控制作为柔性变电站的控制中枢，结合实际需求，控制策略采用两层方式：系统控制层、设备层，结构如图11所示。

(3)方案侧重发挥直流电网便于控制、输送能力强的优势。电压等级的兼容性有限。没有充分响应交流配电网所面临的核心挑战，对于直流电网易于光伏、储能装置及各类直流负荷的接入，减少功率变换环节的优势挖掘不够。

图1 交直流配网系统示意图 Fig.1 System schematics of AC and DC distribution network

图2 现有方案统一简化模型 Fig.2 Unified simplified model of existing schemes overall

基于配电网现实需求，以及现有交直流配电网方案的特点，本文提出了基于柔性变电站的交直流配电网方案。在设备层面实现功能高度集成，在网络层面能更便捷地接入新能源电源及交直流负荷。

2 基于柔性变电站的交直流配电网技术

2.1 组网方案

参考典型的两端式结构，构建基于柔性变电站的交直流配电网组网方案如图3所示。

柔性变电站A、B中压交流侧分别接入交流电网。中压直流侧互联，可实现潮流双向灵活控制[17]；同时中压直流侧直接接入直流升压的光伏电源[18]。低压交直流侧既可为交直流负荷供电，又可以接入分布式电源。通过柔性变电站的强大功能，形成“源网荷”协调互动的交直流配电网。

两组患者在护理前的焦虑评分对比无显著统计学差异(P>0.05);护理后,研究组患者的住院时间与焦虑评分显著优于对照组(P<0.05),两组比较的差异具有显著统计学意义。如下表1所示。

2.2 柔性变电站功能形态

通过分析各指标的相互关系，建立递阶层次的评价指标体系。评价指标体系建立后，上下层次指标间的隶属关系就被确定了，对同一层次指标，进行两两比较，并建立各自的判断矩阵。其比较结果如表2所示。

图3 系统组网方案示意图 Fig.3 Schematics of system topology structure

随着容量的增大和电压等级的提高，柔性变电站在电力系统中可发挥能源路由器的作用，在分布式与集中式新能源柔性接入、用户多元化供用电、交直流混合联网、枢纽电站控制等方面有重要的应用前景。

图4 柔性变电站组网方式示意图 Fig.4 Schematics of flexible substation topology structure

图5 PET结构示意图 Fig.5 Schematics of PET's structure

(1)在分布式电源方面，基于柔性变电站的交直流配电网技术可利用柔性电力设备特性，实现电压、频率等参数动态快速调节；可对变电站系统有功、无功功率起到综合支撑作用；与传统分布式能源并网方式相比，基于柔性变电站的交直流配电网技术可实现分布式电源的直流并网，为分布式电源接入电网的形态提供多样选择；同时具备与各类分布式电源、储能装置协调控制，灵活调控潮流。

式中：R为中性点串入的电阻；R0为消弧线圈原有电阻值； Up为偏置电压。

PET采用三级结构，包括输入级箝位双子模块(clamping double sub-module, CDSM)，如图6所示，隔离级DC/DC变换器以及输出级DC/AC和DC/DC模块。

输入级CDSM具有闭锁箝位能力，直流侧接入±10 kV直流网络，能实现中压直流故障电流的快速截断，节省直流断路器配置。

图6 CDSM 拓扑 Fig.6 Topology of CDSM

隔离级DC/DC变换器采取中压侧串联，低压侧并联的结构，与750 V低压直流网络连接。高频变压器采用三相共铁芯拓扑，交/直流变换产生的二倍频波动在铁芯中抵消，大幅减小传统MMC拓扑的模块电容，降低设备的体积和造价。

输出级DC/AC模块、DC/DC模块分别向低压交流负荷、低压直流负荷供电。

2.3 方案技术先进性

基于柔性变电站的交直流配电网是电力电子技术与配网技术的结合，其先进性体现在如下几方面。

柔性变电站的核心设备为多功能交直流电力电子变压器(power electric transformer, PET)，如图5所示。PET采用多端口一体化设计，具备10 kV AC/5 MV·A、±10 kV DC/5 MW、750 V DC/5 MW、380 V AC/2.5 MV·A 4个端口，各端口间实现潮流的双向流动，满足交直流配电网柔性灵活控制的需求。如图5所示，PET 10 kV AC、±10 kV DC和低压750 V DC部分为一体化设计，包含大功率中频环节，低压380 V AC换流器端口为分立标准柜式结构，以便于根据负荷情况增容扩展。

(2)在多元化负荷供电方面，基于柔性变电站的交直流配电网技术可实现交直流混合输出，提供多电压等级、交直流多电能形态的优质电源，适合数据中心、电动汽车等交直流多元化负荷即插即用，提升了用户友好性[19]；可有效抑制电压闪变，提升电压合格率，隔离电能质量故障；可支撑用户需求侧管理，提供优质电力供应及紧急应召功能。

(3)在配电网运行方面，基于柔性变电站的交直流配电网技术连接方式多样，可实现高低压交直流电网互联，实现交直流配电网能量灵活互通，提升配网运行的可控性；可利用电力电子设备动作特性，实现系统故障快速切除，提升配电网运行可靠性，是一种先进的配电网发展形态。

(4)在设备集成度上，多功能交直流电力电子变压器集成了中压AC/DC变换器、DC/DC变压器、AC/AC变压器、低压DC/AC变换器、无功补偿装置等设备功能，大幅减少设备配置。在系统设计、控制保护、装备研制等多个方面达到国际、国内领先水平，应用前景广泛。

3 工程实践

3.1 系统方案

张北交直流配电网及柔性变电站示范工程采用了基于柔性变电站的交直流配电网技术开展系统方案构建。方案最大的特色是结合典型的新能源发电场景和典型的直流负荷场景，依托高度集成的电力电子设备，构建了更为纯粹的直流网。在“源”侧除交流电源外，实现集中式光伏直流接入配电网；在“荷”侧实现数据中心高可靠性要求负荷由直流电网直接供电。示范工程组网方案如图7所示。

方案以110 kV变电站作为上级交流电源；以光伏电站作为新能源直流电源，通过光伏直流升压站经架空直流线路接入柔性变电站。柔性变电站主要为数据中心、电动汽车等典型直流负荷及其他交流负荷供电。

图7 示范工程本期组网方案 Fig.7 System topology structure of demonstration project in current period

3.2 电气计算

相较以往工程，本示范工程具有设备高度集成、不配置直流断路器和联结变压器、光伏直流接入、负荷可靠性高等特点。

此时，一杭那种悔恨，无法用言语表达。他压抑着哭声，看着护士给母亲穿衣服，又拿一张蓝色塑料纸，轻轻盖在母亲脸上，用一辆平车把母亲推出了病房。而他，站在一旁，像个局外人。

由图9可知，系统在0.27 s发生±10 kV直流单极接地故障后，PET闭锁，截断直流故障，跳开直流线路侧隔离开关后，PET解锁恢复；光伏闭锁，跳开直流线路侧隔离开关，光伏停止出力。PET闭锁期间，出现短时功率缺额，因此PET需结合动作时间配置一定容量的储能单元作为闭锁期间的功率支撑。待PET解锁后，交流系统增大出力，弥补光伏闭锁导致的功率缺额。

本文开展了潮流、暂态电流等仿真，分析了不同工况下系统的各项功能实现及性能指标。经全面的系统仿真计算，验证了柔性变电站的原理和理论分析的准确性，验证了MW级光伏电源直流并网的拓扑方案，为系统设备选型、参数制定以及控制保护方案设计给出指导。

3.2.1 潮流分析

系统正常运行状态下潮流情况如图8所示。0.25～0.38 s期间，当光伏出力为0 MW时，110 kV站为负荷提供全部功率；0.41～0.57 s期间，当光伏出力为0.5 MW时，光伏出力小于负荷，全部功率为负荷供电，同时功率缺额由110 kV变电站从系统提供；0.64～0.70 s，当光伏出力为2.5 MW时，光伏为负荷供电后将剩余功率逆变至交流系统。

在光伏出力发生改变时，系统潮流分布将随之变化。在上述仿真中，系统中各处的电压、电流均在预设范围内，实现了预期的潮流控制效果。

图8 正常运行方式下系统潮流图 Fig.8 Power flow of project in normal operation mode

3.2.2 暂态电流分析

以±10 kV直流线路发生单极接地故障为例开展暂态电流分析，系统各处波形如图9所示。

工程从系统角度出发，开展建模仿真。利用电磁暂态仿真软件搭建了PET和光伏直流升压变压器模型[20]，并对系统方案建模[18, 21-24]。在本文搭建的仿真模型中，10 kV交流电压由110 kV电网经110 kV/38.5 kV/10.5 kV变压器降压得到；10 kV侧经消弧线圈接地；±10 kV DC侧不接地；750 V DC侧不接地；柔性变电站380 V AC侧为中性点接地，采用接零保护，工作接零与保护接零各自独立的低压配电系统(TN-S)；光伏直流升压站低压侧不接地。

图9 ±10 kV直流单极接地故障波形 Fig.9 Waveform of ±10kV monopolar grounding fault

由于本工程没有配置联结变压器，如图9(f)所示，±10 kV直流单极故障会在交流侧中性点产生10 kV的偏置电压，超过100 A的偏置电流。当10 kV交流系统的出力很小、甚至为0时，一旦出现偏置，可能会造成交流侧电流没有过零点，交流断路器无法拉开故障电流。因此需要对10 kV系统接地方式进行改造，在原消弧线圈中串入电阻。当中性点直流电流达到限额时，投入电阻，减小偏置电流保证断路器可靠动作。则出现直流偏置电压后，偏置电流Ip的表达式为

(1)

步骤7 标准突变操作。依次判断各栖息地，随机产生Kmu，Kmu∈{1,2,3}，若rand

本工程中，R0=26.5 Ω，Up=10 kV，考虑交流断路器可以在几安培的电流下拉开，经计算，R在kΩ级能满足要求。

熵值越小，不确定度越小，专家的决策水平越高，给出的评分越科学。反之，熵值越大，专家给出的评价结论可信度越低，给出的评价越不科学。

本文结果：CRP、IL-6、TSH及T3血清中水平与新生儿感染性肺炎相关，且不同感染类型患者间存在显著性差异(P<0.05)，与现有研究成果一致[15-16]。说明CRP、IL-6、TSH及T3均可作为新生儿感染性肺炎检测指标。另外，本次研究显示甲状腺激素、IL-6及CRP联合检测的灵敏度、特异度均显著高于三者的单一检测，说明甲状腺激素、IL-6及CRP联合检测更利于新生儿感染性肺炎的诊断，且利于临床治疗和判断预后。

3.3 自动化系统

示范工程自动化系统主要分为4个层次：站域层、站控层、设备控保层和执行层，如图10所示。

切口感染是急性阑尾炎术后最为常见的并发症，在未穿孔的急性阑尾炎患者中切口感染率一般小于10%，而一旦阑尾炎化脓穿孔，此时切口感染率便可高达30%左右[6，7]。在本研究中150例急性化脓性或坏疽性阑尾炎术后切口感染率约10.67%，因本研究中化脓性或坏疽性阑尾炎基本均为未穿孔阑尾炎，故切口感染率相对要低，这也与上述文献报道相近。

柔性变电站站域管理部分作为主要功能，光伏直流升压站站域管理部分作为从属功能。站域层接收柔性变电站站控层与光伏直流升压站站控层的数据，根据站间协调控制策略，形成对光伏直流升压站的控制与联闭锁等动作。站控层接收本站设备控保层的数据以及调度指令，为站域层提供需要的数据。设备控保层将一体化监控模块的控制与联闭锁等动作信息下发到各个模块上，同时监控执行层的状态，并且将这些状态上送给一体化监控模块。执行层将执行设备控保层的命令内容，上送各个模块的状态，主要包括交、直流开关设备和PET本体阀控设备。

3.4 控制策略

3.4.1 PET运行模式分析

小学科学的最终目标应当是促使学生能够主动将科学技能与生活实践联系起来，进而实现科学教学内容的生活化以及学生课外活动的生活化。达到这一最终目标，除了需要科学教师自身拥有超高的专业素养，还需要其主动将教学内容与学生生活实际有机结合起来，运用科学的引导作用，促使学生将科学知识运用到课外的实践活动中，帮助学生理解科学与生活的密切联系性，为生活服务。

(2)方案无一例外地采用了分散式电力电子设备组网，设备多，占地面积较大。联结变压器及直流断路器增加投资和占地；需要分别配置控制和保护装置；分立设备间的通信也要占用通信资源。

系统控制层实现主设备启停控制、运行方式管理、能量管理及潮流优化控制等功能，保证交直流配电网整体的优化运行。设备层接收系统控制层指令，实现具体设备的控制与监视，从而实现各设备工作在期望运行状态。

综上所述，文印管理信息系统在公司应用还处于起步阶段，将来还有很多需完善与开发的功能。由文印设备厂商根据用户实际情况提供包含硬件及定制软件成套专业解决方案，将成为今后公司实现打印设备信息化管理的必然选择。通过近两年公司总部机关集中文印管理系统的应用，深深地感受到它不仅提高了办公效率、降低了文印成本，而且所有文印历史数据可追溯，应用效果显著，未来必将成为大中型企业文印管理的发展趋势。

依照系统信息所反映的不同情境，结合不同运行状态，在交直流开关设备的配合下实现不同运行方式的切换与管理，以控制系统不同需求情况下的运行方式。PET主要运行模式为：检修模式、冷备用模式、热备用模式、闭锁模式、定直流电压运行模式、定直流功率运行模式、定交流电压运行模式、定交流功率运行模式。

图10 自动化系统功能架构 Fig.10 Functional architecture of automation system

图11 控制系统结构示意图 Fig.11 Schematic of control system structure

本方案中，根据中压系统的潮流变化，控制系统调节柔性变电站的运行方式，分别实现定直流电压和定直流功率运行模式。正常情况下，为提高可靠性，采用基于电压偏差的主从控制方案，柔性变电站中PET采用定直流电压控制。如与干式变压器配合向负荷供电时，可依据负荷实际需求配合干式变压器采取定交流电压或功率运行模式，柔性调整潮流形式为负荷供能。

3.4.2 柔性变电站系统自适应控制逻辑

与传统配电网相比，基于柔性变电站的交直流配电网在系统故障特性上和主要设备特性上都存在较大差异，在充分分析系统运行情景后，结合柔性变电站灵活的运行模式，本文建立自适应的柔性变电站控制策略，最大程度地实现为负荷可靠供电，充分消纳光伏发电的目标。

依据电流形态、电压等级以及保护目的的不同，将本示范工程保护区分为交流保护区、直流保护区、光伏保护区、负荷保护区和装置级保护区。保护区接受系统控制层统一调度，系统控制层通过对关键设备运行状态和系统电气量的综合判定，启动相应的控制逻辑，如表1所示，实现柔性变电站系统的自适应控制。

为此我们于2004年11月27日在振兴镇晓山村对该地区油松纯林进行二次渐伐初探。在林分内选取具有代表性地段设置标准地，样地面积为0.1 hm2，共设置两处样地。对设置样地采取每木检尺，计算后按径阶确定保留木、既砍小留大、砍劣留优，控制采伐蓄积强度在50%以下。经现场施工后具体情况见下表：

柔性变电站系统自适应控制逻辑主要以设备状态、事件和阀控动作作为判断条件，在有电流、电压、脉冲、开关位置信号越限时函数被激发，驱动产生相应事件，控制系统根据相应事件出口动作，形成逻辑判断后的相应控制策略集，自适应控制逻辑根据策略集调整设备工作状态，即调整柔性变电站的运行方式[25]。通过对柔性变电站控制策略进行分析发现，不同的设备状态和事件叠加在不同的事件类型上，所产生的策略集较为庞大。事件叠加判断同样是一组控制策略集，该动作行为将产生的控制策略集与已有的集合进行比较，若属于已有的集合，则根据事件叠加判断的类型，将产生的控制策略集作为逻辑的迭代条件，进一步将控制策略集与事件叠加类型、设备动作重组成逻辑判断前提进行判断。从而形成柔性变电站系统级的自适应控制逻辑，保障系统运行安全。

表1 PET运行模式下的控制逻辑 Table 1 Control logic in PET running mode

3.5 工程示范性

(1)建设了首个全可控电力电子柔性变电站。示范工程中的10 kV柔性变电站，能够实现10 kV AC，±10 kV DC，750 V DC，380 V AC 4个电压等级的双向输入输出，可灵活接入可再生能源及交直流负荷，能够实现清洁能源的高品质消纳、柔性接入和灵活调配，提高区域能源“源网荷”协调互动水平，提升未来配电网运行方式的灵活性及系统的稳定性。

(2)建设了柔性交直流配电网。示范工程结合柔性变电站实现潮流调节的能力，发挥了直流电网的优越性能。对交直流配电网的系统构建、运行控制及保护配置等给出了解决方案，对未来配电网的形态做出了探索。

(3)首次实现了智能电网与云计算产业的结合。工程体现出对直流负荷的良好兼容，建成后将首次实现数据中心高可靠性要求负荷由直流电网直接供电。

(4)实现了光伏电站直流送出。通过光伏直流升压站，实现集中式光伏电站MW级容量不经过逆变环节，直接升压至±10 kV，接入直流配电网，缩短变换环节，为消纳新能源发电，尤其是光伏发电进行了有益尝试。

4 结 论

本文对比了基于柔性变电站的交流配电网和其他交直流配电网方案，指出了本方案的先进性。本文依托张北交直流配电网及柔性变电站示范工程，首次提出了基于柔性变电站的交直流配电网技术，开展了建模仿真分析和自动化系统、控保策略制定，并介绍了工程方案，对交直流配电网的发展起到了引领和示范作用。

但应指出的是，无论哪种拓扑结构，目前交直流配电网在设备能耗、占地、经济性等方面还不及交流配电网，还处在工程示范阶段，还不是应用热点，仍属于研究领域热点。下一步应加强应用场景分析，提高交直流配电网的经济性，尤其要着重做好基础研究。

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