含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)特征分析與運維策略

吳 英，廖鵬毅，黃迪潔

(1.國網(wǎng)臨汾供電公司，山西 臨汾 041000； 2.武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢430072；3.南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院， 江蘇 南京 211816)

0 引言

隨著化石燃料等傳統(tǒng)能源資源的枯竭，人們越來越重視可再生能源的利用開發(fā)?？稍偕茉窗l(fā)電電源與用電負荷、儲能裝置、監(jiān)控、保護和自動化裝置等組合，可構成一個微電網(wǎng)，簡稱微網(wǎng)[1-2]。與傳統(tǒng)大電網(wǎng)相比，微電網(wǎng)具有靈活、智能、高效等特點[3]。我國對于微電網(wǎng)的研究目前仍處于起步階段，微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的一個重要組成部分，是重要研究方向之一。

為了優(yōu)化微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)之后的運行，國內外學者對此進行了大量研究。文獻[4-5]對微電網(wǎng)接入主動配電網(wǎng)后的網(wǎng)架結構、規(guī)劃設計、控制方案、運行模式、綜合效益等問題進行了闡述，分析了應用微電網(wǎng)技術為主動配電網(wǎng)帶來的優(yōu)勢，但沒有分析微電網(wǎng)接入后，對配電網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)。文獻[6-7]提出，利用廣泛和動態(tài)的資源集和控制點來管理大量分布式電源，管理這種系統(tǒng)的最佳方法是將配電系統(tǒng)分解成小集群或微電網(wǎng)，用分布式優(yōu)化控制協(xié)調多個微電網(wǎng)，但沒有分析含有多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)的運維。文獻[8]在比較微網(wǎng)與智能配電系統(tǒng)特征，并分析多微網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢給傳統(tǒng)配電系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)和機遇的基礎上，提出了智能配電系統(tǒng)與多微網(wǎng)之間逐步培育和構建開放、友好型協(xié)同自律式運控關系的構想，從而促進配電網(wǎng)主動性和智能性的良性發(fā)展。以往對微電網(wǎng)的研究，主要針對微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)后的優(yōu)化控制方面，而涉及含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)運行維護方式的研究還欠缺，缺少分析和現(xiàn)場測試。本文對含多個光伏微電網(wǎng)的配電網(wǎng)的運維特征進行研究，結合華中某市配網(wǎng)項目的實際情況，設計正常運行情況與多種故障情況下的運行方案。

1 含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)特征分析

微電網(wǎng)的產生主要是為了實現(xiàn)分布式電源的靈活、高效應用，隨著化石能源儲量不足等問題的出現(xiàn)，分布式新能源發(fā)電成為了越來越有效的電能開發(fā)模式。微電網(wǎng)概念的提出能夠充分促進分布式電源的大規(guī)模接入，實現(xiàn)多種能源的高可靠性供給[9]。微電網(wǎng)主要存在于電力系統(tǒng)配電網(wǎng)層級，在對分布式電源的主控、管理以及可靠性方面，含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)有效提高了系統(tǒng)的整體性能[10]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)有如下特點：

1) 在正常時，微電網(wǎng)可以并網(wǎng)運行；也可以在配電網(wǎng)故障時，脫離配電網(wǎng)，孤網(wǎng)運行，減小故障影響區(qū)域，保障最大區(qū)域的供電可靠性。

2) 配電網(wǎng)的電能質量問題。由于風力、光伏等新能源出力不穩(wěn)定，可能會造成含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)的電壓波動、閃變等；另一方面，由于多個微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)，大量電力電子器件的使用，同樣會給配電網(wǎng)帶來大量諧波，影響配電網(wǎng)的電能質量。

3) 配電網(wǎng)的保護。由于微電網(wǎng)的潮流具有不確定性，多個微電網(wǎng)的接入，可能會引起保護勿動、拒動等問題，這給配電網(wǎng)的保護帶來新的挑戰(zhàn)。

4) 配電網(wǎng)的可靠性。當配電網(wǎng)發(fā)生故障時，運維人員前往配電網(wǎng)檢修，若微電網(wǎng)仍并網(wǎng)運行，向配電網(wǎng)送點，會威脅檢修人員的生命安全[11-14]。

從上述分析可以看出，隨著越來越多微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的運行維護方式，將不能滿足配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的需要。需結合含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)的特征，對含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)的運行和維護，進行進一步的研究。

2 華中某市含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)情況

本文依據(jù)華中某市含多個光伏微電網(wǎng)的配電網(wǎng)運行實際情況，選取該地區(qū)一個含光伏微網(wǎng)的35 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)，進行運維策略研究。具體為針對光伏微電網(wǎng)并入35 kV配電網(wǎng)運行時，當配電網(wǎng)發(fā)生故障，整個系統(tǒng)在故障時的運行情況，特別是微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的公共聯(lián)接點電氣量變化情況。通過測試結果對可能產生的故障情況進行整理分析，并提出合適的解決方案，對系統(tǒng)的運行與維護提出建議。

以往有關本課題的研究論文，多為仿真研究，缺失實地測試。且在模型設置上較為簡略，在研究時對微電網(wǎng)進行簡化，將微電網(wǎng)簡單地同等于分布式電源，直接將分布式發(fā)電電源視為微網(wǎng)進行研究。本文在研究時，結合華中某地區(qū)光伏微電網(wǎng)的實際情況，在含光伏微電網(wǎng)的配電網(wǎng)現(xiàn)場進行測試與檢驗。在研究故障時系統(tǒng)運行情況時，將分布式電源及其周邊負荷視為整體研究，更加符合微電網(wǎng)的實際定義與特點，使得研究結果更加貼合實際。

本研究所選取的華中某地區(qū)含光伏微電網(wǎng)的配電網(wǎng)簡圖如圖1所示，線路模型主要由主網(wǎng)側供給電源、配網(wǎng)線路、配網(wǎng)負荷三大塊構成。主網(wǎng)側電壓輸出基準為35 kV，額定容量為20 MW。

首先在正常情況下，對含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)進行運行檢測。運行結果整理見表1，從表中可以看出，正常運行時配電網(wǎng)各節(jié)點滿足運行要求，系統(tǒng)運行安全、可靠。

3 含多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)故障設置及解決方案研究

3.1 故障設置

本文所研究對象為含多個光伏微網(wǎng)的35 kV配電網(wǎng)。研究當配網(wǎng)故障時，其系統(tǒng)的運行情況。所以測試方案的設計思路為，在配電網(wǎng)上，于不同位置設置故障，其中故障類型設置為系統(tǒng)最常見單相短路故障與最嚴重的三相短路故障兩種類型[15-16]。在故障時記錄下各節(jié)點的電流幅值、電壓有效值，并用故障時節(jié)點數(shù)據(jù)與系統(tǒng)正常運行時的數(shù)據(jù)進行對比，按照國家標準GB 12325—90《供電電壓允許偏差》與國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準 Q/GDW 651—2011《電能質量評估技術導則》的技術要求，判斷系統(tǒng)運行是否可靠。

圖1 配電網(wǎng)簡圖Fig.1 Distribution network diagram

節(jié)點編號最大相電流峰值/kA線電壓有效值/kV電壓畸變率/%電流畸變率/%NODE0050.14835.13 0.37140NODE0090.12934.82-0.51420NODE1010.05134.56-1.25710NODE1040.05234.41-1.68570NODE8010.05433.66-3.82850

在研究過程中，將光伏陣列與微網(wǎng)內部所帶負荷視為一個整體進行考慮，關注光伏微網(wǎng)與配網(wǎng)公共聯(lián)接點的電氣量變化情況。據(jù)此分析在配網(wǎng)故障時，光伏微網(wǎng)并網(wǎng)是否可靠，是否需要脫網(wǎng)運行，同時給出系統(tǒng)運行與維護的建議。

為了較為全面的研究本課題，在配電網(wǎng)故障的選擇上盡量覆蓋多種情況，于是選取了以下節(jié)點作為故障設置位置：

在配網(wǎng)主干路上，選擇節(jié)點NODE005作為故障設置位置。

在配網(wǎng)支路上，選擇節(jié)點NODE009作為故障設置位置。

在故障類型的設置上，選擇系統(tǒng)最常見單相短路故障與最嚴重的三相短路故障兩種類型。在現(xiàn)場進行故障數(shù)據(jù)采集時，考慮到結果的可靠性與全面性，在主要挑選以下關鍵節(jié)點的實時電氣量進行分析，節(jié)點選擇較為分散且具有代表性。

數(shù)據(jù)記錄節(jié)點為：NODE005、NODE009、NODE101、NODE104與NODE801。

3.2 配網(wǎng)主干路節(jié)點故障及解決方案

在配網(wǎng)主干路上，選擇節(jié)點NODE005作為故障發(fā)生位置。其中故障類型設置為系統(tǒng)最常見單相短路故障與最嚴重的三相短路故障兩種類型。下面將進行現(xiàn)場故障實驗，并記錄故障時系統(tǒng)部分節(jié)點的實時數(shù)據(jù)，同時提出解決故障的方案。

在配網(wǎng)主干支路節(jié)點NODE005處設置單相短路故障時，部分節(jié)點電壓、電流數(shù)據(jù)整理如表2所示。

表2 配網(wǎng)主干路節(jié)點單相短路故障數(shù)據(jù)Table 2 Data of single-phase grounding short circuit fault in distribution network primary road

在配電網(wǎng)主干支路節(jié)點NODE005處設置三相短路故障時，部分節(jié)點電壓、電流數(shù)據(jù)整理如表3所示。

表3 配網(wǎng)主干路節(jié)點三相短路故障數(shù)據(jù)Table 3 Data of three-phase grounding short circuit fault in distribution network primary road

通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)可以看出，配網(wǎng)主干支路NODE005節(jié)點處不論是發(fā)生單相短路故障還是三相短路故障，系統(tǒng)各節(jié)點的電壓電流最大偏移值都超出了限定標準。其中三相短路故障的偏移程度遠遠大于單相短路故障，可以判斷當NODE005節(jié)點發(fā)生短路故障時，需要采取措施切除故障，保證系統(tǒng)的安全。

按照電力系統(tǒng)運行經(jīng)驗，當NODE005節(jié)點處發(fā)生故障時，應立即切除故障，避免電力系統(tǒng)遭到損壞[17-19]。但NODE005節(jié)點處于主干支路上，若切斷NODE005節(jié)點，光伏微電網(wǎng)還處于正常發(fā)電狀態(tài)，向配電網(wǎng)側送電，這時就會給電網(wǎng)側檢修人員帶來嚴峻的安全威脅。綜上所述，當NODE005節(jié)點發(fā)生短路故障時，應切除NODE005節(jié)點，同時光伏微電網(wǎng)應從NODE104節(jié)點脫網(wǎng)運行，減小負荷斷電影響范圍，保證光伏微電網(wǎng)內部負荷供電的安全可靠。

圖2 配網(wǎng)主干路節(jié)點故障時線電壓有效值Fig.2 Line voltage RMS during node failure in distribution network primary road

確定保護方案后，按照預定故障解決方案再次進行現(xiàn)場測試，檢驗故障解決方案是否可行?？紤]最嚴峻的情況，列出三相短路故障時的圖像。采用上文故障解決方案后，現(xiàn)場測試結果如圖2所示。從圖2可以看出，NODE005上游節(jié)點在故障切除后恢復穩(wěn)定供電，光伏微網(wǎng)進入孤島運行狀態(tài)，保證其內部負荷恢復穩(wěn)定供電，故障解決方案有效。

3.3 配網(wǎng)支路節(jié)點故障及解決方案

在配網(wǎng)支路上，選擇節(jié)點NODE009作為故障發(fā)生位置。其中故障類型設置為系統(tǒng)最常見單相短路故障與最嚴重的三相短路故障兩種類型。在現(xiàn)場進行故障試驗，并記錄故障時系統(tǒng)部分節(jié)點數(shù)據(jù)。

在配網(wǎng)支路節(jié)點NODE009處設置單相短路故障時，部分節(jié)點電壓、電流數(shù)據(jù)整理如表4所示。

在配網(wǎng)支路節(jié)點NODE009處設置三相短路故障時，部分節(jié)點電壓、電流數(shù)據(jù)整理如表5所示。

表4 配網(wǎng)支節(jié)點單相接短路故障數(shù)據(jù)Table 4 Data of single-phase grounding short circuit fault in distribution network branch

表5 配網(wǎng)主支節(jié)點三相短路故障數(shù)據(jù)Table 5 Data of three-phase grounding short circuit fault in distribution network branch

現(xiàn)場試驗結果顯示此時電力系統(tǒng)需切除故障保障安全，按照系統(tǒng)運行準則，此時需切除NODE009節(jié)點處故障，以保障系統(tǒng)安全運行。

確定保護方案后，按照預定故障解決方案再次進行現(xiàn)場試驗，檢驗故障解決方案是否可行?？紤]最嚴峻的情況，列出三相短路故障時的圖像。采用上文故障解決方案后，測試結果如圖3所示。

圖3 配網(wǎng)支節(jié)點故障時線電壓有效值Fig.3 Line voltage RMS during node failure in distribution network branch

從圖3可以看出，當系統(tǒng)采取預定方案切除故障后，系統(tǒng)將恢復穩(wěn)定運行狀態(tài)。

綜上分析，對于含有多個微電網(wǎng)的配電網(wǎng)，本文設置了不同故障地點與不同故障類型的配網(wǎng)故障情況，且給出了一般系統(tǒng)運行經(jīng)驗下，故障問題的解決方案。但對于系統(tǒng)而言，需考慮以上故障處理方案先后動作問題[20-21]?？稍O置各故障處斷路器動作的優(yōu)先級，即設定不同的斷路器動作延時。首先，保證整個系統(tǒng)的安全可靠，斷路器第一動作優(yōu)先級應為光伏陣列內部與主網(wǎng)供電電源內部斷路器，當三相電源或者光伏陣列內部發(fā)生故障時，優(yōu)先切除電源，避免造成大規(guī)模電力系統(tǒng)事故。斷路器第二動作優(yōu)先級為離故障處最近的兩端斷路器，可由距離保護與功率方向元件組合完成，保證故障近點斷路器合理動作。斷路器第三動作優(yōu)先級為光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)端口處三相斷路器。發(fā)生故障時，系統(tǒng)按預定方案斷開故障，如果微電網(wǎng)端口處電氣量指標仍然不滿足并網(wǎng)運行要求，而光伏微網(wǎng)自身運行狀態(tài)良好，此時跳開公共連接點處斷路器，微電網(wǎng)進入孤網(wǎng)運行狀態(tài)，可保證微電網(wǎng)內部負荷供電的安全、可靠。

4 結論

本文首先研究含多個光伏微電網(wǎng)的配電網(wǎng)的運維特征，然后結合華中某市配網(wǎng)項目的實際情況，設計了正常運行情況與多種故障情況下的運行方案，對故障問題提出了相應的解決措施，并將相關措施在當?shù)剡M行了現(xiàn)場測試。現(xiàn)場測試結果證明了解決方案的有效性，測試結果對含多個光伏微電網(wǎng)的主動配電網(wǎng)的運行維護有一定的指導意義。通過一系列的仿真研究與結果分析，本文得出了以下結論：

在配電網(wǎng)主干支路發(fā)生故障時，通過故障處斷路器動作切除故障可保證故障影響范圍最小，同時不影響配電網(wǎng)其他負荷供電穩(wěn)定性。此時，光伏微電網(wǎng)應拖網(wǎng)運行，進入孤網(wǎng)運行狀態(tài)，減小負荷斷電影響范圍，保證微電網(wǎng)內部負荷供電安全、可靠。

在配電網(wǎng)支路發(fā)生故障時，將對應支路切除，使切除故障范圍最小，保障系統(tǒng)最大區(qū)供電安全，剩余部分仍可以正常運行。