廣東電網(wǎng)有限公司梅州供電局 李延賓 李志華 中國科學院廣州能源研究所 喻 旻

微電網(wǎng)的拓撲關系對于系統(tǒng)的運行和穩(wěn)定具有關鍵作用，但由于其處于弱環(huán)網(wǎng)狀態(tài)且運行方式變化頻繁，拓撲關系的確定存在一定的難題，尤其在負荷轉檢修等情況下更加復雜，可能導致安全隱患。本文旨在通過基于特征信號識別的方法，實現(xiàn)微電網(wǎng)拓撲關系的動態(tài)分析與安全評估，為微電網(wǎng)的運行與管理提供有力支持。

1 微電網(wǎng)拓撲關系的重要性及存在的問題

1.1 微電網(wǎng)拓撲關系的作用

微電網(wǎng)拓撲關系是微電網(wǎng)系統(tǒng)中各個能源和負荷之間的電氣連接關系，其作用至關重要。拓撲關系決定了能源在微電網(wǎng)內的傳輸路徑和分配方式，直接影響微電網(wǎng)的運行、穩(wěn)定性和可靠性[1]。通過合理的拓撲關系設計，微電網(wǎng)可以實現(xiàn)能源的高效利用和優(yōu)化分配，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性；同時，良好的拓撲結構可以增強微電網(wǎng)系統(tǒng)在故障發(fā)生時的隔離能力與恢復能力，保障供電的穩(wěn)定性；此外，拓撲關系還影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡頻率，對于確保微電網(wǎng)的安全運行具有重要意義。因此，深入分析微電網(wǎng)拓撲關系的動態(tài)變化和安全評估，對于優(yōu)化微電網(wǎng)的運行管理和提高其可靠性具有重要意義。

1.2 微電網(wǎng)拓撲關系存在的問題

1.2.1 拓撲結構復雜性

微電網(wǎng)通常由多個分布式電源、負荷和儲能單元組成，其內部拓撲結構可能是弱環(huán)網(wǎng)或網(wǎng)狀結構，存在多個能源和負荷之間的多條路徑[2]。這使拓撲關系的確定變得復雜且多樣化。例如，一個典型的微電網(wǎng)可能包含數(shù)十個節(jié)點和數(shù)百條線路，其中每個節(jié)點可能有多個相鄰節(jié)點，導致節(jié)點之間的拓撲連接關系錯綜復雜。這種復雜性增加了拓撲動態(tài)分析的難度，同時也增加了拓撲關系的不穩(wěn)定性。

1.2.2 頻繁運行模式變化

微電網(wǎng)系統(tǒng)具有高度靈活性和適應性，其運行模式可能頻繁變化。根據(jù)負荷需求、可用能源資源和儲能狀態(tài)，微電網(wǎng)可能在不同時間切換不同的運行模式。這種頻繁的運行模式變化使拓撲關系在不同時刻也會隨之變化，導致拓撲關系的動態(tài)性。此動態(tài)性使傳統(tǒng)的靜態(tài)拓撲分析方法無法滿足微電網(wǎng)實時性要求，需要采用基于特征信號的方法來進行拓撲動態(tài)分析。

1.2.3 數(shù)據(jù)不完備性

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集可能受到限制。由于傳感器故障、通信中斷或數(shù)據(jù)丟失等原因，微電網(wǎng)中的某些節(jié)點的信息可能無法及時獲取或缺失。這導致在進行拓撲關系分析時，數(shù)據(jù)不完備，缺少一些關鍵信息，可能影響拓撲關系的準確性和全面性。同時，數(shù)據(jù)不完備性還會增加拓撲關系識別的難度，需要通過數(shù)據(jù)插補或故障檢測算法來解決這一問題。

2 基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓撲動態(tài)分析方法

2.1 特征信號在微電網(wǎng)中的應用

2.1.1 拓撲結構識別

通過在微電網(wǎng)中注入特征信號或對系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的特征信號進行提取，可以獲得節(jié)點之間的響應信息。根據(jù)特征信號在時間域或頻域的變化特性，可以識別微電網(wǎng)內部各個節(jié)點之間的連接關系，建立節(jié)點之間的拓撲連接關系圖[3]。例如，通過測量節(jié)點電流或電壓信號，并分析其波形特征，可以確定節(jié)點之間的電氣連接關系。

2.1.2 動態(tài)變化檢測

特征信號的傳播和反射特性可以用于實時跟蹤微電網(wǎng)拓撲關系的動態(tài)變化。通過監(jiān)測特征信號的傳播延遲和幅度變化，可以檢測拓撲關系的動態(tài)變化和故障事件的發(fā)生。例如，當系統(tǒng)中發(fā)生故障或節(jié)點狀態(tài)變化時，特征信號的傳播延遲和幅度可能會發(fā)生變化，通過對這些變化進行分析，可以及時檢測到拓撲結構的變動。

2.1.3 故障定位與隔離

特征信號的傳播特性可以用于故障定位，幫助確定故障位置，從而實現(xiàn)快速隔離和恢復微電網(wǎng)的運行。例如，當微電網(wǎng)中發(fā)生故障時，故障信號會在網(wǎng)絡中傳播，通過測量故障信號的傳播時間和幅度變化，可以精確定位故障位置，有助于迅速采取隔離措施。

2.2 特征信號識別方法與算法概述

2.2.1 小波變換（Wavelet Transform）：

小波變換是一種時頻分析方法，能夠捕捉信號在時間和頻率上的特征。小波變換將信號分解成不同尺度的小波系數(shù)，提供了信號局部頻率和幅值的信息[4]。通過選擇適當?shù)男〔ɑ瘮?shù)，可以針對不同頻率特征的信號進行分析。

小波變換公式為：

其中，x（t）是輸入信號；Ca,b是小波系數(shù)；a和b分別是尺度因子和平移因子；（t）是小波基函數(shù)的復共軛。

2.2.2 支持向量機（Support Vector Machine, SVM）

支持向量機是一種監(jiān)督學習算法，廣泛應用于特征信號識別和分類。在微電網(wǎng)拓撲動態(tài)分析中，可以將節(jié)點之間的拓撲關系作為不同類別，構建支持向量機分類模型，用于判斷節(jié)點之間是否存在連接關系。

SVM 的決策函數(shù)為：

其中，x是輸入樣本特征；Ns是支持向量的數(shù)量；αi是支持向量的權重；yi是類別標簽；K（xi,x）是核函數(shù)；b是偏置。

2.2.3 時域分析方法

時域分析是通過分析信號在時間軸上的波形變化來識別特征信號。例如，通過計算特征信號的峰值、谷值、波形周期等特征，可以識別出不同節(jié)點之間的連接關系。時域分析常用的指標包括峰值-to-峰值間隔（Peak-to-Peak Interval, PPI）、峰值-to-谷值間隔（Peak-to-Valley Interval, PVI）等。

2.3 基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓撲動態(tài)分析流程

基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓撲動態(tài)分析是一種應對微電網(wǎng)拓撲關系復雜性和動態(tài)性的有效方法。通過在微電網(wǎng)中注入特定的特征信號或對系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的特征信號進行提取，該方法可以實時識別微電網(wǎng)內部各個節(jié)點之間的連接關系，并跟蹤拓撲結構的變化，為微電網(wǎng)的運行和管理提供重要支持，如圖1所示。

圖1 基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓撲動態(tài)分析流程圖

2.3.1 數(shù)據(jù)采集與預處理

部署傳感器或監(jiān)測設備，對微電網(wǎng)中各個節(jié)點的電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)進行采集。采集的數(shù)據(jù)可能包含噪聲和異常值，因此需要進行預處理，如濾波、去噪等，以確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

2.3.2 特征信號注入與提取

在微電網(wǎng)中注入特定的特征信號或對系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的特征信號進行提取。注入的特征信號可以是短脈沖信號、頻率掃描信號、小波信號等。通過特征信號在微電網(wǎng)中的傳播和反射，可以獲得節(jié)點之間的響應信息。

2.3.3 特征信號識別與拓撲關系重構

通過對特征信號進行時域或頻域分析，識別微電網(wǎng)內部各個節(jié)點之間的連接關系。根據(jù)特征信號的傳播延遲、幅值變化等特性，重構微電網(wǎng)的拓撲結構，建立節(jié)點之間的拓撲連接關系圖。

2.3.4 拓撲關系動態(tài)跟蹤與分析

持續(xù)監(jiān)測特征信號的傳播和反射，實時跟蹤微電網(wǎng)的拓撲關系變化。根據(jù)動態(tài)分析結果，檢測拓撲關系的變動及可能存在的故障事件，為微電網(wǎng)的運行與管理提供了實時決策支持。

2.3.5 安全評估與應對策略

基于拓撲關系的動態(tài)分析結果，進行微電網(wǎng)的安全評估，識別可能存在的安全隱患。根據(jù)評估結果制定相應的應對策略，如故障隔離、恢復措施，以確保微電網(wǎng)的安全運行。

3 微電網(wǎng)拓撲動態(tài)分析與安全評估的應用案例分析

某園區(qū)內的微電網(wǎng)系統(tǒng)是一個包含多個分布式電源（如太陽能光伏、風力發(fā)電等，總裝機容量為1000kW）、分布式儲能設備（如電池、儲能電容等，總容量為500kWh），以及負荷節(jié)點（如辦公樓、生產(chǎn)設施等，總負荷為800kW）的復雜能源網(wǎng)絡。該微電網(wǎng)系統(tǒng)旨在實現(xiàn)可再生能源的高比例利用和電能的自主供應，同時具備應對電網(wǎng)故障和斷電的能力，保障園區(qū)內用電的穩(wěn)定和安全。

3.1 拓撲動態(tài)分析與安全評估過程

在該園區(qū)內的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，部署了傳感器設備，實時采集各個節(jié)點的電流、電壓、功率等電氣數(shù)據(jù)。通過特定裝置向微電網(wǎng)中注入特征信號，如短脈沖信號或頻率掃描信號，并對采集到的信號進行預處理，去除噪聲和異常值。

3.2 小波變換等特征信號識別

利用小波變換等特征信號識別方法對特征信號進行分析，識別微電網(wǎng)內部各個節(jié)點之間的連接關系，并建立節(jié)點之間的拓撲連接關系圖。隨著微電網(wǎng)系統(tǒng)運行，持續(xù)監(jiān)測特征信號的傳播和反射，實時跟蹤微電網(wǎng)的拓撲關系變化。當微電網(wǎng)發(fā)生故障或節(jié)點狀態(tài)發(fā)生變化時，通過實時監(jiān)測和動態(tài)跟蹤，檢測拓撲結構的變動和故障事件的發(fā)生。

3.3 安全評估結果及分析

模擬在某時間點（如某日14:30）微電網(wǎng)發(fā)生節(jié)點故障，節(jié)點2發(fā)生故障導致連接中斷。通過拓撲動態(tài)分析與安全評估，系統(tǒng)及時檢測到節(jié)點2與其他節(jié)點之間的連接異常，發(fā)現(xiàn)節(jié)點2故障，并給出相應的應對措施。系統(tǒng)執(zhí)行故障隔離策略，將節(jié)點2與微電網(wǎng)系統(tǒng)隔離，避免故障影響其他節(jié)點。同時，根據(jù)系統(tǒng)的預先規(guī)劃，備用電源投入，保障園區(qū)內用電的穩(wěn)定供應，見表1。

表1 在該時間點的特征信號傳播數(shù)據(jù)

通過微電網(wǎng)拓撲動態(tài)分析與安全評估，可以實時監(jiān)測微電網(wǎng)的拓撲關系變化，及時發(fā)現(xiàn)拓撲變化和故障事件，采取相應措施保障微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4 結論

本文通過研究基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓撲動態(tài)分析與安全評估方法，針對微電網(wǎng)拓撲關系的動態(tài)變化和安全問題，提出了一種創(chuàng)新的解決方案。拓撲動態(tài)分析與安全評估方法，可以實時監(jiān)測微電網(wǎng)的拓撲關系變化，及時發(fā)現(xiàn)拓撲變化和故障事件，采取相應措施保障微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。該方法為微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行優(yōu)化和故障處理提供了可靠的支持和決策依據(jù)，優(yōu)化了能源利用效率，降低了運行成本，并增強了微電網(wǎng)系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。