融合配電自動(dòng)化技術(shù)的海島微電網(wǎng)控制策略研究及實(shí)現(xiàn)

孫景釕，楊建華，李 琦，項(xiàng)燁鋆，趙 碚

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

融合配電自動(dòng)化技術(shù)的海島微電網(wǎng)控制策略研究及實(shí)現(xiàn)

孫景釕，楊建華，李 琦，項(xiàng)燁鋆，趙 碚

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

微電網(wǎng)供電模式在海島得到了快速發(fā)展，配電自動(dòng)化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路的可觀可控，將配電自動(dòng)化與微電網(wǎng)控制策略進(jìn)行融合具有天然的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。為豐富海島微電網(wǎng)的控制手段，分別針對(duì)配電自動(dòng)化技術(shù)與微電網(wǎng)的運(yùn)行模式切換和黑啟動(dòng)控制進(jìn)行了融合研究，并分析了在海島應(yīng)用的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。2種技術(shù)的結(jié)合，可以進(jìn)一步確保海島微電網(wǎng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，為海島微電網(wǎng)供電模式的推廣應(yīng)用開(kāi)拓新的思路。

海島；微電網(wǎng)；控制；配電自動(dòng)化

0 引言

我國(guó)擁有數(shù)量眾多的海島，其中500 m2以上的海島超過(guò)6 500個(gè)，總面積達(dá)6 600 km2[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，由于受限于電力等能源的供應(yīng)，海島的發(fā)展嚴(yán)重滯后。海島的供電模式目前基本上分為2種，一種是依靠島上的柴油發(fā)電機(jī)構(gòu)成獨(dú)立電網(wǎng)為島上用戶供電；另一種是通過(guò)建設(shè)長(zhǎng)距離的海底電纜與大電網(wǎng)并聯(lián)，由大電網(wǎng)提供電力。前者容易對(duì)海島的自然環(huán)境產(chǎn)生影響，此外島上用油的運(yùn)輸和儲(chǔ)存也額外增加了整體投資成本[2]；而后者不僅經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)，而且供電可靠性不高，一旦長(zhǎng)距離的海纜出現(xiàn)故障或被損壞，很難保證海島用戶的可靠供電。

海島一般具有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，在海島供電系統(tǒng)中充分利用風(fēng)、光等清潔能源，通過(guò)分布式發(fā)電技術(shù)來(lái)解決海島能源的供應(yīng)問(wèn)題是一種切實(shí)可行的方法。而微電網(wǎng)作為由分布式電源、儲(chǔ)能和負(fù)荷組成的獨(dú)立可控系統(tǒng)，是發(fā)揮分布式發(fā)電技術(shù)效能的最有效形式[3-6]。在海島上建設(shè)微電網(wǎng)系統(tǒng)，可以用較少的環(huán)境代價(jià)，換取較高的整體投資效益和能源轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)微電網(wǎng)內(nèi)部多種分布式電源的協(xié)調(diào)控制，可以為海島用戶提供可靠的綠色電力。目前，我國(guó)已有多個(gè)已經(jīng)投運(yùn)或正在建設(shè)的海島微電網(wǎng)工程，在浙江溫州也已經(jīng)建成投運(yùn)了南麂島和鹿西島2座微電網(wǎng)示范工程，這一新的海島供電模式得到了快速的發(fā)展。海島微電網(wǎng)在制定控制策略時(shí)，需要綜合采集分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷等信息，并能夠?qū)ι鲜鰡卧獙?shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。

配電自動(dòng)化技術(shù)可以做到對(duì)配電線路的遙測(cè)、遙信和遙控，即實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路負(fù)荷的可觀可控[7]。它的這一特點(diǎn)與微電網(wǎng)控制策略之間在技術(shù)上具備天然的融合優(yōu)勢(shì)，因此如果能夠在建設(shè)海島微電網(wǎng)系統(tǒng)的同時(shí)對(duì)海島電網(wǎng)進(jìn)行配電自動(dòng)化改造，將配電自動(dòng)化技術(shù)與海島微電網(wǎng)控制策略進(jìn)行融合，將可以極大地豐富海島微電網(wǎng)的控制手段，進(jìn)一步保證海島微電網(wǎng)更加穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

目前，針對(duì)配電自動(dòng)化技術(shù)和海島微電網(wǎng)控制策略的融合研究還基本沒(méi)有。以下將分別針對(duì)配電自動(dòng)化技術(shù)與微電網(wǎng)的運(yùn)行模式切換控制和黑啟動(dòng)控制的結(jié)合進(jìn)行分析，并探討其在海島應(yīng)用的適應(yīng)性和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，為微電網(wǎng)供電模式在海島的推廣應(yīng)用做好進(jìn)一步的技術(shù)儲(chǔ)備。

1 與運(yùn)行模式切換控制結(jié)合

海島微電網(wǎng)根據(jù)是否與大陸電網(wǎng)互聯(lián)分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型。對(duì)于并網(wǎng)型海島微電網(wǎng)，正常方式下一般并網(wǎng)運(yùn)行，但是在并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線檢修或上級(jí)電網(wǎng)故障情況下，需要采用主動(dòng)或被動(dòng)的方式切換到離網(wǎng)運(yùn)行模式，待檢修工作結(jié)束或故障消除后又需要恢復(fù)到并網(wǎng)運(yùn)行模式，因此存在并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行模式之間的切換。對(duì)于離網(wǎng)型海島微電網(wǎng)，為了增強(qiáng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性和穩(wěn)定性，一般需要配置柴油發(fā)電機(jī)，即采用類似于風(fēng)、光、柴、儲(chǔ)的電源組合形式，因此也存在微電網(wǎng)主電源或?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)或?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)2種不同運(yùn)行模式之間的切換。此外，在有些海島微電網(wǎng)系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，會(huì)將整個(gè)微電網(wǎng)分成若干個(gè)子微網(wǎng)，因此還存在小微網(wǎng)與大微網(wǎng)或者是聯(lián)合運(yùn)行微網(wǎng)之間的運(yùn)行切換。

海島微電網(wǎng)在運(yùn)行模式切換時(shí)，微電網(wǎng)中央控制器需要綜合微電網(wǎng)各組成部分的信息，包括各分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷等單元。以并網(wǎng)型海島微電網(wǎng)的主動(dòng)離網(wǎng)模式切換為例，微電網(wǎng)中央控制器在接收到上級(jí)調(diào)度的離網(wǎng)切換命令后，為了確保切換過(guò)程盡可能平滑，在切換之前需要將并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率控制在一定范圍以下，以滿足切換后儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主電源的穩(wěn)定裕度。如果不結(jié)合配電自動(dòng)化技術(shù)，微電網(wǎng)中央控制器能做的調(diào)整手段主要是對(duì)分布式電源出力以及儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電進(jìn)行控制，調(diào)整的效果有限。而如果在建設(shè)微電網(wǎng)的同時(shí)，對(duì)微電網(wǎng)所處的海島配電網(wǎng)進(jìn)行配電自動(dòng)化改造，則可以將配電自動(dòng)化技術(shù)融合到微電網(wǎng)的模式切換控制策略中，從而可以豐富微電網(wǎng)的控制手段，達(dá)到最優(yōu)的控制效果。

結(jié)合配電自動(dòng)化技術(shù)，微電網(wǎng)中央控制器可以通過(guò)分布在配電線路上的配電自動(dòng)化終端采集到線路的實(shí)時(shí)負(fù)荷信息。在進(jìn)行主動(dòng)離網(wǎng)切換時(shí)，如果微電網(wǎng)的功率缺額，即并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上的功率不能滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度要求，比如微電網(wǎng)的電源出力與系統(tǒng)負(fù)荷相差比較大，負(fù)荷過(guò)多，此時(shí)就需要根據(jù)采集到的負(fù)荷信息向運(yùn)行模式切換控制器發(fā)送觸發(fā)指令，并通過(guò)配電自動(dòng)化技術(shù)由模式切換控制器向特定的配電自動(dòng)化終端發(fā)送切負(fù)荷命令，保證一定量的負(fù)荷切除之后，系統(tǒng)功率缺額能夠滿足穩(wěn)定裕度要求。海島微電網(wǎng)融合配電自動(dòng)化技術(shù)的主動(dòng)離網(wǎng)控制策略流程如圖1所示。微電網(wǎng)在進(jìn)行上述其它運(yùn)行模式切換時(shí)，如果能夠結(jié)合配電自動(dòng)化技術(shù)，同樣能夠極大地優(yōu)化切換控制策略。

圖1融合配電自動(dòng)化技術(shù)的主動(dòng)離網(wǎng)控制策略流程

2 與黑啟動(dòng)控制結(jié)合

海島微電網(wǎng)在進(jìn)行運(yùn)行模式切換，尤其是并網(wǎng)運(yùn)行切換到離網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中，存在切換失敗的可能，此時(shí)就有可能導(dǎo)致微電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰，因此需要進(jìn)行黑啟動(dòng)控制，以盡快恢復(fù)對(duì)島上重要用戶的短時(shí)供電。

在黑啟動(dòng)控制前，微電網(wǎng)中央控制器需要根據(jù)系統(tǒng)崩潰前各個(gè)配電自動(dòng)化終端采集到的負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)其中的重要負(fù)荷容量進(jìn)行預(yù)估。當(dāng)采用儲(chǔ)能系統(tǒng)作為黑啟動(dòng)的主電源時(shí)，需確保所帶的負(fù)荷容量不超過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的帶載能力，因此在黑啟動(dòng)前需根據(jù)微電網(wǎng)的實(shí)際情況，利用配電自動(dòng)化系統(tǒng)向相關(guān)的配電自動(dòng)化終端發(fā)送切負(fù)荷命令。在黑啟動(dòng)過(guò)程中，逐步并入分布式電源以及與之相匹配的配電終端處負(fù)荷；同時(shí)，需要密切監(jiān)測(cè)配電自動(dòng)化終端上的不同節(jié)點(diǎn)處的電壓水平，避免在負(fù)荷恢復(fù)過(guò)程中由于電壓?jiǎn)栴}導(dǎo)致黑啟動(dòng)失敗。此外，需要指出的是：在制定黑啟動(dòng)控制策略時(shí)，需對(duì)每個(gè)配電自動(dòng)化終端節(jié)點(diǎn)處所帶的變壓器容量進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)變壓器容量超過(guò)一定范圍時(shí)，在黑啟動(dòng)過(guò)程中禁止通過(guò)配電自動(dòng)化系統(tǒng)向?qū)?yīng)的終端發(fā)送并網(wǎng)命令，否則極有可能由于變壓器勵(lì)磁涌流過(guò)大導(dǎo)致系統(tǒng)再次崩潰。只有在微電網(wǎng)黑啟動(dòng)成功且重新并入大電網(wǎng)之后，才考慮將這些大容量變壓器并網(wǎng)運(yùn)行。

將海島微電網(wǎng)黑啟動(dòng)控制與配電自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所帶負(fù)荷的可觀可控，避免操作的盲目性，從而有效提高黑啟動(dòng)的成功率。

3 技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)

在海島微電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化技術(shù)的融合，需要根據(jù)微電網(wǎng)的技術(shù)要求對(duì)海島電網(wǎng)進(jìn)行配電自動(dòng)化改造。

3.1 配電終端布點(diǎn)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)在進(jìn)行配電自動(dòng)化終端布點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮微電網(wǎng)的實(shí)際情況，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式電源配置以及分段線路負(fù)荷水平等具體情況。微電網(wǎng)在制定運(yùn)行模式切換、黑啟動(dòng)等控制策略時(shí)，對(duì)需要控制的負(fù)荷量會(huì)有不同的要求，因此在配電自動(dòng)化終端數(shù)量有限的前提下，需要根據(jù)分段線路負(fù)荷的實(shí)際水平對(duì)配電終端進(jìn)行優(yōu)化布點(diǎn)，同時(shí)不能影響到配電自動(dòng)化系統(tǒng)故障定位功能的實(shí)現(xiàn)。

此外，配電終端在進(jìn)行布點(diǎn)時(shí)，除了要考慮所在節(jié)點(diǎn)處負(fù)荷量的因素外，還需要考慮負(fù)荷的重要性，可以根據(jù)負(fù)荷的重要程度對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分級(jí)，并按照負(fù)荷的不同級(jí)別分別參與到微電網(wǎng)的運(yùn)行模式切換或黑啟動(dòng)控制策略中。對(duì)于微電網(wǎng)的運(yùn)行模式切換控制，在切負(fù)荷時(shí)優(yōu)先切除重要性級(jí)別最低的負(fù)荷，當(dāng)該類負(fù)荷切除后仍然不能滿足切換控制的要求，再考慮切除級(jí)別再高一級(jí)的負(fù)荷，依次類推。而在進(jìn)行黑啟動(dòng)控制時(shí)，則優(yōu)先考慮將涉及海島居民用電、通信設(shè)施、黨政機(jī)關(guān)、碼頭及安保等重要負(fù)荷并入微電網(wǎng)。

3.2 斷路器改造

海島電網(wǎng)配電設(shè)備一般比較老舊，運(yùn)行年限比較久遠(yuǎn)，線路上的開(kāi)關(guān)也都不具備電動(dòng)操作等功能。如上所述，海島微電網(wǎng)在制定控制策略時(shí)，需要通過(guò)配電終端對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行遙控操作，同時(shí)也需要能夠接收開(kāi)關(guān)處的電壓、功率等信息，因此在完成配電自動(dòng)化終端的布點(diǎn)之后，還需要對(duì)終端所在處的開(kāi)關(guān)進(jìn)行改造。

改造后的開(kāi)關(guān)需具備高性能、高可靠性、免維護(hù)等特點(diǎn)，采用電動(dòng)操作方式，并提供與配電自動(dòng)化終端的接口，具有遙信、遙測(cè)、遙控等功能。同時(shí)在開(kāi)關(guān)的兩側(cè)配套安裝電壓互感器，電壓互感器的二次回路除接入配電終端進(jìn)行電壓采集外，還經(jīng)過(guò)充電模塊（含雙電源切換功能）將交流電轉(zhuǎn)換為直流，向配電終端、通信設(shè)備等裝置供電或向蓄電池充電，市電失電后，由蓄電池向裝置供電。此外，為了適應(yīng)海島戶外的工作環(huán)境，開(kāi)關(guān)除了在技術(shù)指標(biāo)上要滿足上述在微電網(wǎng)中應(yīng)用需具備的基本功能外，還需要充分考慮海島不同于大陸的特殊氣候和自然環(huán)境條件，對(duì)其提出特殊的要求。海島的高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境會(huì)對(duì)配電設(shè)備產(chǎn)生較大的腐蝕作用，必要時(shí)可考慮在設(shè)備的外殼噴涂耐高溫、耐濕、耐腐蝕的特殊防護(hù)材料，增強(qiáng)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性。設(shè)備在出廠前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的鹽霧試驗(yàn)，確保設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中具備良好的電氣和機(jī)械性能。

3.3 通信系統(tǒng)建設(shè)

海島微電網(wǎng)在執(zhí)行運(yùn)行模式切換、黑啟動(dòng)等控制策略時(shí)，對(duì)時(shí)間要求很高，所有的調(diào)節(jié)手段需要在極短的時(shí)間內(nèi)完成操作，否則極有可能導(dǎo)致模式切換或黑啟動(dòng)失敗。因此，在將配電自動(dòng)化技術(shù)與微電網(wǎng)控制策略進(jìn)行融合時(shí)，對(duì)通信系統(tǒng)提出了較高的要求。

通信系統(tǒng)采用Epon（無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，在微電網(wǎng)控制中心設(shè)置2臺(tái)OLT設(shè)備，一主一備，在每個(gè)戶外配電自動(dòng)化終端處安裝ONU終端，通過(guò)光纜和分光器將站內(nèi)的OLT與戶外的ONU組成光纖手拉手環(huán)網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)屬性采用不同的協(xié)議進(jìn)行傳輸，對(duì)于電壓、功率等模擬量及開(kāi)關(guān)量信息，由于其對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，采用MMS網(wǎng)傳輸；而對(duì)于跳閘命令信息，則采用快速的GOOSE網(wǎng)進(jìn)行傳輸。因此，配電自動(dòng)化終端需要不同的網(wǎng)口，以實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)功能。一般ONU終端采用雙PON口（主備），配電自動(dòng)化終端的網(wǎng)口A（實(shí)現(xiàn)MMS業(yè)務(wù)）與網(wǎng)口B（實(shí)現(xiàn)GOOSE業(yè)務(wù)）接入ONU，并通過(guò)VLAN將MMS與GOOSE的業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分及隔離。數(shù)據(jù)通過(guò)光纖網(wǎng)傳到微電網(wǎng)控制中心后，再由OLT的不同網(wǎng)口與站內(nèi)MMS網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)相通，保證配電自動(dòng)化的單網(wǎng)數(shù)據(jù)能與站內(nèi)的微電網(wǎng)中央控制器及運(yùn)行模式切換控制器等進(jìn)行通信。按照此通信架構(gòu)，可以將基于61850的快速通信機(jī)制與配電自動(dòng)化的EPON技術(shù)進(jìn)行有效融合，滿足微電網(wǎng)控制的快速性要求。該通信架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于61850的通信架構(gòu)示意

此外，當(dāng)有新的ONU終端接入網(wǎng)絡(luò)并上電后，將自動(dòng)在相應(yīng)的PON口下進(jìn)行配置，對(duì)MMS與GOOSE業(yè)務(wù)進(jìn)行VLAN劃分，實(shí)現(xiàn)MMS和GOOSE業(yè)務(wù)自動(dòng)通過(guò)不同的網(wǎng)口進(jìn)行傳輸，當(dāng)然，新接入的ONU終端需要關(guān)閉自身的組播方式。因此，此種通信模式的架構(gòu)也極大地方便了在海島微電網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行配電自動(dòng)化終端的擴(kuò)展。

4 結(jié)論

我國(guó)擁有數(shù)量眾多的海島，作為解決海島供電問(wèn)題的一種有效模式，海島微電網(wǎng)以其特有的優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展，并有多個(gè)工程應(yīng)用實(shí)例。配電自動(dòng)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路的可觀可控，如果在建設(shè)海島微電網(wǎng)的同時(shí)，對(duì)海島配電網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，將配電自動(dòng)化技術(shù)與微電網(wǎng)的控制策略進(jìn)行融合，可以發(fā)揮二者的天然優(yōu)勢(shì)，豐富微電網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制手段，優(yōu)化控制效果。對(duì)配電自動(dòng)化技術(shù)與微電網(wǎng)的運(yùn)行模式切換和黑啟動(dòng)控制進(jìn)行了融合研究，并分析了相應(yīng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，相關(guān)的研究成果已經(jīng)在浙江省溫州市的南麂島離網(wǎng)型微電網(wǎng)示范工程和鹿西島并網(wǎng)型微電網(wǎng)示范工程中分別得到了實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。本研究成果可以確保海島微電網(wǎng)更加穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，并為微電網(wǎng)供電模式在海島的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供新的思路。

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2017-05-27

孫景釕（1983），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電及微電網(wǎng)技術(shù)。

（本文編輯：徐 晗）

Research and Realization of Island Microgrid Control Strategy Integrated with Distribution Automation Technology

SUN Jingliao， YANGJianhua， LI Qi， XIANGYejun， ZHAO Bei
（State Grid Wenzhou Power Supply Company， Wenzhou Zhejiang 325000， China）

Microgrid power supply expands rapidly in island，and distribution automation technology makes distribution lines observable and controllable.Integration of distribution automation with microgrid control strategy is technically advantageous.To increase control means of island microgrid，integration of distribution automation technology and control of operation mode switching and black start is studied in this paper，and the technical scheme of application in islands is discussed.The integration of the two technologies further ensures steady and reliable operation of island microgrid,and opened up new thoughts for the popularization and application of island microgrid power supply.

island； microgrid； control； distribution automation

10.19585/j.zjdl.201710014

1007-1881（2017）10-0068-04

TM734

B