基于“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的新型配電系統(tǒng)真型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

黃 潔, 趙岱平, 李慧軍

(1.國(guó)網(wǎng)安徽電力有限公司培訓(xùn)中心, 安徽 合肥 230022;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司, 安徽 合肥 230022)

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)深入實(shí)施“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略，做出“碳達(dá)峰、碳中和”承諾，提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。國(guó)家能源局啟動(dòng)整縣(市、區(qū))屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)試點(diǎn)工作，整合各類(lèi)資源加速推動(dòng)分布式新能源發(fā)展，新能源的發(fā)展從規(guī)?；_(kāi)發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺?、分布式并重的態(tài)勢(shì)，配電網(wǎng)隨之面臨保障電力持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)和加快清潔低碳轉(zhuǎn)型的雙重挑戰(zhàn)?！霸淳W(wǎng)荷儲(chǔ)”(電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能)一體化運(yùn)行的新型配電系統(tǒng)已逐步形成，運(yùn)維難度大大增加，運(yùn)維人員素質(zhì)要求顯著提升，因此，設(shè)計(jì)基于“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的新型配電系統(tǒng)真型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)非常必要[1-3]。

為服務(wù)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，助力國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，基于“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的新型配電系統(tǒng)真型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建“交直流混合柔性堅(jiān)強(qiáng)配網(wǎng)網(wǎng)架、‘源網(wǎng)荷儲(chǔ)’協(xié)調(diào)控制、配電自動(dòng)化、智慧物聯(lián)配電臺(tái)區(qū)、供電服務(wù)指揮系統(tǒng)”五大場(chǎng)景，對(duì)“供電模式、典型建設(shè)、設(shè)備運(yùn)檢、通信控制、供電指揮、靈活互動(dòng)”六大環(huán)節(jié)全覆蓋，滿(mǎn)足新型配電系統(tǒng)運(yùn)維檢修等全業(yè)務(wù)培訓(xùn)需求。

1 新型配電系統(tǒng)真型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

1.1 交直流混合柔性堅(jiān)強(qiáng)配網(wǎng)網(wǎng)架設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足新型配電系統(tǒng)運(yùn)維檢修等全業(yè)務(wù)培訓(xùn)需求，并兼顧經(jīng)濟(jì)性，新型配電系統(tǒng)真型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)配網(wǎng)網(wǎng)架為包含“雙花瓣”的交直流混聯(lián)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屋頂光伏等新能源接入配網(wǎng)系統(tǒng)，5G基站、新能源汽車(chē)等新型直流負(fù)荷有效接入，配網(wǎng)線路包含10 kV架空線路和電纜線路、設(shè)備主要包含10 kV開(kāi)關(guān)站、環(huán)網(wǎng)室(箱)、柱上變壓器等。

1.2 配電自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配電自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以本平臺(tái)交直流混合柔性堅(jiān)強(qiáng)配網(wǎng)網(wǎng)架和設(shè)備為基礎(chǔ)，充分模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在10 kV開(kāi)關(guān)站、環(huán)網(wǎng)室、環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)安裝開(kāi)閉所終端(DTU)在低壓線路開(kāi)關(guān)處安裝饋線終端(FTU)，采用5G、光纖通信等多種方式，與配電自動(dòng)化主站實(shí)現(xiàn)信息交互以及開(kāi)關(guān)控制，并且通過(guò)對(duì)一次系統(tǒng)各種故障的仿真模擬，充分鍛煉學(xué)員利用配電自動(dòng)化處理系統(tǒng)各種故障的能力。

為滿(mǎn)足規(guī)?；嘤?xùn)需求，亦需要單獨(dú)設(shè)置室內(nèi)配電自動(dòng)化主站實(shí)訓(xùn)室、終端實(shí)訓(xùn)室。配電自動(dòng)化主站實(shí)訓(xùn)室配置工作站40臺(tái)，終端實(shí)訓(xùn)室配置“環(huán)網(wǎng)柜+DTU終端”實(shí)訓(xùn)工位10臺(tái)，“柱上開(kāi)關(guān)+FTU終端”實(shí)訓(xùn)工位10臺(tái)，通過(guò)繼電保護(hù)測(cè)試儀加量方式模擬一次系統(tǒng)各類(lèi)故障，實(shí)現(xiàn)終端調(diào)試、終端與主站聯(lián)調(diào)、故障分析等培訓(xùn)功能。

為和現(xiàn)場(chǎng)保持一致，建設(shè)集中型饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，在發(fā)生故障時(shí)依靠配電主站判斷故障區(qū)域，并通過(guò)自動(dòng)遙控或人工方式隔離故障區(qū)域，恢復(fù)非故障區(qū)域供電。對(duì)于配電線路關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，如主干線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)、分段開(kāi)關(guān)，進(jìn)出線較多的節(jié)點(diǎn)，配置三遙配電終端。非關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)如分支開(kāi)關(guān)、無(wú)聯(lián)絡(luò)的末端站室等，可不配三遙配電終端。出線開(kāi)關(guān)應(yīng)配置斷路器，具備故障跳閘功能。

1.3 配網(wǎng)智慧物聯(lián)臺(tái)區(qū)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配網(wǎng)智慧物聯(lián)臺(tái)區(qū)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)[4-6]以本平臺(tái)交直流混合柔性堅(jiān)強(qiáng)配網(wǎng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，在10 kV開(kāi)關(guān)站同期建設(shè)低壓配電室1座、在10 kV架空線路走線建設(shè)柱上臺(tái)區(qū)1座、在10 kV電纜線路走線建設(shè)箱變臺(tái)區(qū)1座。各臺(tái)區(qū)智能物聯(lián)感知設(shè)備部署結(jié)構(gòu)可分為中壓側(cè)、配變側(cè)、低壓側(cè)、線路側(cè)和用戶(hù)側(cè)五個(gè)層級(jí)，各層級(jí)感知數(shù)據(jù)及信息都應(yīng)統(tǒng)一匯聚至臺(tái)區(qū)智能終端內(nèi)進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)計(jì)算及分析應(yīng)用。柱上變臺(tái)區(qū)設(shè)備部署結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

圖1 柱上變臺(tái)區(qū)智慧物聯(lián)設(shè)備部署結(jié)構(gòu)

臺(tái)區(qū)低壓側(cè)通過(guò)加裝新型智能配變終端和開(kāi)口式CT來(lái)配合軟件交采APP實(shí)現(xiàn)基本配變監(jiān)測(cè)功能；臺(tái)區(qū)環(huán)境側(cè)通過(guò)加裝相關(guān)傳感器或者更換智能開(kāi)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)RS485和開(kāi)入信號(hào)方式接入TTU；分支箱側(cè)通過(guò)加裝低壓分支監(jiān)測(cè)單元設(shè)備或者升級(jí)更換帶有IP化載波通訊功能的塑殼開(kāi)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，TTU通過(guò)寬帶載波、無(wú)線雙模方式以分鐘級(jí)采樣速率獲得分支箱內(nèi)各種數(shù)據(jù)；用戶(hù)側(cè)通過(guò)RS485與集中器交互，每15 min得到用戶(hù)電表電量信息。

1.4 配網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)運(yùn)行實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)運(yùn)行實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)同時(shí)滿(mǎn)足培訓(xùn)和實(shí)際使用功能，構(gòu)建分布式電源、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)一體直流配電系統(tǒng)以及微網(wǎng)系統(tǒng)[7]。

1.4.1 交流微網(wǎng)系統(tǒng)

微網(wǎng)系統(tǒng)由5 kW光伏發(fā)電、4 kW風(fēng)力發(fā)電、12 kWh電池儲(chǔ)能、5 kW模擬負(fù)載組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖2所示，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以離網(wǎng)運(yùn)行。

圖2 交流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光照、風(fēng)力充足時(shí)，太陽(yáng)能、風(fēng)能優(yōu)先給負(fù)載供電；光照、風(fēng)力不夠或沒(méi)有時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能優(yōu)先供電，市電補(bǔ)充；蓄電池始終留有部分能量，在停電時(shí)，提供給應(yīng)急負(fù)載。

交流微網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏MPPT控制器選用XTENDER VARIO TRACK系列光伏MPPT控制器，該控制器與儲(chǔ)能逆變器深度集成，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間同步協(xié)調(diào)控制，確保光伏最大化利用及儲(chǔ)能電池安全；風(fēng)機(jī)控制器采用3 kW風(fēng)機(jī)控制器，直流側(cè)電壓48 V；風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)智能控制器實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)運(yùn)行信息，采用優(yōu)化的電池備電管理策略，最大化利用可再生能源發(fā)電，同時(shí)確保電網(wǎng)停電時(shí)重要負(fù)荷的持續(xù)供電。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)選用磷酸鐵鋰電池，由5個(gè)48 V/50 Ah模組并聯(lián)。

1.4.2 直流微網(wǎng)系統(tǒng) (1)分布式光伏系統(tǒng)

分布式光伏系統(tǒng)總裝機(jī)容量50 kWp，按照接入配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和典型設(shè)計(jì)中的要求配置光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要包括光伏組件、逆變器、并網(wǎng)柜、并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、計(jì)量表等。

圖3 直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光伏方陣部署在10 kV開(kāi)關(guān)站和教學(xué)樓樓頂，采用水泥配重塊的安裝方式，不破壞屋面防水，安全可靠，總裝機(jī)容量50 kWp，采用單板功率405 Wp的單晶硅，分為3組,總占地面積預(yù)計(jì)500 m2。

光伏逆變器采用組串式光伏逆變器，共3臺(tái)，每臺(tái)額定功率30 kW。

光伏并網(wǎng)柜包含并網(wǎng)斷路器、計(jì)量用互感器、計(jì)量電表和柜體。

并網(wǎng)點(diǎn)保護(hù)通過(guò)10 kV電壓等級(jí)T接線路接入系統(tǒng)時(shí)在光伏發(fā)電站側(cè)配置過(guò)流保護(hù)裝置。當(dāng)檢測(cè)到配電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路時(shí)，分布式發(fā)電項(xiàng)目系統(tǒng)向配電網(wǎng)輸出的短路電流應(yīng)不大于額定電流的150%，同時(shí)分布式發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)立即與配電網(wǎng)斷開(kāi)。

(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)總裝機(jī)容量100 kW/100 kWh，按照電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，符合儲(chǔ)能電站接入電力系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，包括：電池組、電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器、計(jì)量柜、保護(hù)裝置、通信和自動(dòng)化裝置、儲(chǔ)能預(yù)制艙等。

(3)電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)采取基于臺(tái)區(qū)融合終端的電動(dòng)汽車(chē)柔性充電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，其中，臺(tái)區(qū)融合終端通過(guò)本地?cái)?shù)據(jù)采集獲得配電臺(tái)區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷信息，通過(guò)配電主站系統(tǒng)的充放電運(yùn)營(yíng)調(diào)控平臺(tái)，獲取用戶(hù)側(cè)對(duì)有序充放電的響應(yīng)狀態(tài)，通過(guò)與柔性互動(dòng)充電樁實(shí)時(shí)通訊連接獲取電動(dòng)汽車(chē)充電需求和充電樁的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。臺(tái)區(qū)融合終端根據(jù)以上信息制定并更新電動(dòng)汽車(chē)有序充放電控制策略，下發(fā)給電動(dòng)汽車(chē)柔性互動(dòng)充電樁執(zhí)行。

基于臺(tái)區(qū)融合終端邊緣計(jì)算能力，開(kāi)發(fā)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度控制策略，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車(chē)充放電功率，輔助臺(tái)區(qū)電網(wǎng)的調(diào)峰、三相不平衡和線損的治理。基于分時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)、需求響應(yīng)等新型電力市場(chǎng)交易模式，通過(guò)算法優(yōu)化充電效率和降低動(dòng)力電池?fù)p耗，降低用戶(hù)充電成本。

主站有序充電模塊根據(jù)區(qū)域負(fù)荷分布和調(diào)控需求，制定大尺度范圍的充電樁負(fù)荷調(diào)配策略并下發(fā)到臺(tái)區(qū)融合終端。同時(shí)接收融合終端上報(bào)的實(shí)際充電運(yùn)行數(shù)據(jù)，做運(yùn)行狀態(tài)展示和數(shù)據(jù)分析，不斷優(yōu)化有序充電策略。在主站系統(tǒng)開(kāi)發(fā)部署電動(dòng)汽車(chē)充放電運(yùn)行調(diào)控模塊，模塊主要包括充電樁管理、充電樁狀態(tài)展示及臺(tái)區(qū)實(shí)時(shí)充電狀態(tài)展示、支持用戶(hù)自定義的有序充放電策略、有序充放電綜合數(shù)據(jù)分析及充放電策略?xún)?yōu)化等功能。主站系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)充放電運(yùn)行調(diào)控模塊連接車(chē)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)和電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的互動(dòng)，完成用戶(hù)響應(yīng)有序充放電控制意愿的統(tǒng)計(jì)收集。

本平臺(tái)擬在1個(gè)專(zhuān)變臺(tái)區(qū)下新增1臺(tái)60 kW柔性互動(dòng)充電樁、2臺(tái)15 kW柔性互動(dòng)充電樁，以滿(mǎn)足公交車(chē)、旅游觀光車(chē)、市民電動(dòng)乘用車(chē)的充電服務(wù)，并對(duì)融合終端和主站系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)和改造，通過(guò)臺(tái)區(qū)融合終端連接主站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)和柔性充電負(fù)荷的友好互動(dòng)。

1.5 新型配網(wǎng)供電服務(wù)指揮實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于智能化的供電服務(wù)指揮系統(tǒng)，可對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行工況、設(shè)備狀態(tài)、業(yè)務(wù)管理、指標(biāo)數(shù)據(jù)等進(jìn)行全景化展示，并能開(kāi)展配電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)研判、隱患環(huán)節(jié)定位、運(yùn)行方式優(yōu)化調(diào)整、供電服務(wù)高效指揮、建設(shè)改造投資評(píng)價(jià)、人員績(jī)效優(yōu)化評(píng)估、物聯(lián)設(shè)備接入、工單驅(qū)動(dòng)等業(yè)務(wù)培訓(xùn)。

1.5.1 供電服務(wù)指揮中心培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)

通過(guò)在省公司互聯(lián)網(wǎng)大區(qū)云平臺(tái)開(kāi)辟單獨(dú)空間，重新建立訪問(wèn)終端口，將原省公司供電服務(wù)指揮系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)制部署，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與培訓(xùn)隔離，滿(mǎn)足供電服務(wù)指揮業(yè)務(wù)培訓(xùn)需求。

1.5.2 可視化大屏幕展示系統(tǒng)建設(shè)

建設(shè)供電服務(wù)指揮中心多功能展示系統(tǒng)，在滿(mǎn)足日常供電服務(wù)指揮培訓(xùn)基礎(chǔ)上，開(kāi)展新型配網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)控制、配電自動(dòng)化實(shí)時(shí)仿真測(cè)試等方面展示建設(shè)，全面滿(mǎn)足新型配網(wǎng)分布式發(fā)電與電網(wǎng)友好協(xié)調(diào)的有序接入、靈活并網(wǎng)，微電網(wǎng)以及協(xié)調(diào)控制與能量管理等可視化培訓(xùn)需求。

在服務(wù)指揮中心部署高清無(wú)縫拼接LED屏幕，組成寬高尺寸為7 680 mm×2 400 mm，共計(jì)18 m2的大屏。顯示系統(tǒng)可以根據(jù)需要，劃分成多個(gè)獨(dú)立的顯示區(qū)域，各區(qū)域可獨(dú)立控制。

2 總結(jié)

基于“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的新型配電系統(tǒng)真型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以實(shí)際配電系統(tǒng)為藍(lán)本，接入小規(guī)模風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電系統(tǒng)，模擬較復(fù)雜配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，架空線路、電纜線路對(duì)半分布，建立真實(shí)電動(dòng)汽車(chē)充電樁，既滿(mǎn)足培訓(xùn)需求、又能實(shí)際使用，并且，實(shí)時(shí)進(jìn)行潮流仿真，能有效模擬各類(lèi)故障情況，極大提高受訓(xùn)學(xué)員配電系統(tǒng)維護(hù)、處置能力。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)完成后，將集實(shí)操培訓(xùn)、技能鑒定、競(jìng)賽比武等功能于一體，是技術(shù)技能人才培養(yǎng)的重要平臺(tái)，平臺(tái)也將隨著技術(shù)發(fā)展不斷革新，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)需求。