分布式發(fā)電儲能及微電網(wǎng)接入控制建設(shè)技術(shù)方案

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司如皋市供電分公司 王 震

1 引言

原有的網(wǎng)絡(luò)模式為垂直式的，但智能電網(wǎng)出現(xiàn)后，特別是接入了分布式電源后，配網(wǎng)變成了水平網(wǎng)絡(luò)，這就需要創(chuàng)新電網(wǎng)運行模式，因此控制、調(diào)度分布式電源及微電網(wǎng)顯得尤為重要。

2 試點項目概況

在光伏發(fā)電方面，江蘇南通地區(qū)開展了以科學電力理念為指導的光伏發(fā)電項目發(fā)展專項研究，站在了中國資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會建設(shè)的前沿。根據(jù)江蘇南通地區(qū)社會的實際狀況和我國國家能源戰(zhàn)略實施，太陽能發(fā)電建設(shè)推動清潔新能源發(fā)展，這與開辟國際電能市場的重大政策措施、重大技術(shù)任務(wù)相契合。建設(shè)再生能源與環(huán)保工業(yè)園區(qū)為確保分布式發(fā)電、微電網(wǎng)和配電網(wǎng)的安全和諧運行，有必要研究分布式發(fā)電和微電網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響，并根據(jù)研究成果提出合理地控制規(guī)范。

3 分布式發(fā)電儲能與微電網(wǎng)接入控制技術(shù)研究

3.1 分布式電源接入配電自動化系統(tǒng)方式

江蘇南通地區(qū)現(xiàn)有的分布式電源接入模式的設(shè)計方案如圖1所示。配電自動化系統(tǒng)通過三區(qū)資源中心相連，再利用信息總線接收分布式供電和負荷監(jiān)控信息[1]。這種接入方式可以集中于資源中心，接入設(shè)計易于實現(xiàn)，成本低。此外，這一方案進一步提高了微網(wǎng)管理操作的便捷性、靈活性及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰性，配電智能化控制系統(tǒng)管理復(fù)雜性得到有效控制。

圖1 分布式電源接入模式示意圖

3.2 配電自動化接入微網(wǎng)應(yīng)用功能

結(jié)合江蘇南通地區(qū)能源與環(huán)保園區(qū)光伏發(fā)電站、充換電站等儲能電站及其分布式網(wǎng)絡(luò)供電和儲能微網(wǎng)的建設(shè)情況，逐步提高配電網(wǎng)對分布式計算電源和微網(wǎng)的接入能力與控制能力。布置式供電/微電網(wǎng)在接入配電網(wǎng)主站后，根據(jù)主站的具體使用情況，可按照研究與實際狀況，開展以下功能建設(shè)與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。

3.2.1 分布式電源/微電網(wǎng)接入監(jiān)控

根據(jù)分布式發(fā)電的特點，按照國家標準進行建模。分布式電源建模可以和配電網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合，從而真正地實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)供電和多種類配電網(wǎng)絡(luò)的整合。分布式電源SCADA系統(tǒng)在城市供電網(wǎng)的規(guī)劃層、分布式電源管理層和自主管理級三個層面，有效實現(xiàn)了綜合控制。同時，分布式電源是一種可受單獨控制的單位，因此在配網(wǎng)時，為了確保經(jīng)濟性以及安全性，在設(shè)計方面采用該種電源方式更方便。當其接受調(diào)度令后，進行有效的控制，如調(diào)度、故障時切換，等等。同時，還需要完善監(jiān)測工作，對供電經(jīng)濟性進行分析處理。分布式電源這種創(chuàng)新的供電以及技術(shù)方式，比傳統(tǒng)系統(tǒng)更“干凈”，可減少電網(wǎng)的耗損，并且投資小，在供電時可靠性也更高[2]。

3.2.2 分布式電源/微網(wǎng)綜合展示

在分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下供電，為了確保供電的品質(zhì)，因此在每一處供電的關(guān)鍵點，如上層供電、輸出回路等，均將電能品質(zhì)的檢測儀安裝上，這樣操作的目的在于全面檢測回路中的供電情況，在畫面上就可以顯示這些關(guān)鍵點的電能質(zhì)量。同時，可以將所收集的數(shù)據(jù)制作成曲線圖，供使用者一目了然。如發(fā)電量曲線、持續(xù)水力發(fā)電時間曲線、二氧化碳減排率曲線等，繪制分布式供電接入電網(wǎng)后的電氣示意圖，動態(tài)呈現(xiàn)分布式電源與微型供電系統(tǒng)間的水力發(fā)電過程與潮流，并直觀呈現(xiàn)微型供電系統(tǒng)與主配電網(wǎng)之間的潮流分布。顯示出分布式電源實時工作數(shù)據(jù)，監(jiān)控分布式電源工作狀態(tài)，繼而得到光伏電站外觀及分布式電源相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2.3 含分布式電源及微網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制

利用本項目觀察各布置式電源的發(fā)電與工作狀態(tài)，通過智能設(shè)定負荷功耗，確定負荷與供電特性，并結(jié)合工作調(diào)整策略，完成了各布置式電源系統(tǒng)之間發(fā)電與儲能狀態(tài)附加優(yōu)化管理，平衡內(nèi)部供電與微電網(wǎng)中的負載。對每個建設(shè)項目的主要技術(shù)經(jīng)濟指標均作出客觀評估，需要通過系統(tǒng)控制方式，實現(xiàn)供電、微網(wǎng)與主配網(wǎng)之間傳輸，并對運行方式進行調(diào)度。通過數(shù)據(jù)分析完成決策，協(xié)助調(diào)度員工作。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行期間，會按照各負荷的供電狀況調(diào)整其分布式供電出力，以達到微電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運營的目的。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸方式

由于光伏電站本地監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)位于III區(qū)，需要通過反向隔離裝置傳到I區(qū)。

3.4 光纖系統(tǒng)信息通信

相比其他通信技術(shù)，光纖通信的優(yōu)點有以下幾點：一是具有較寬的傳輸頻帶，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量通信；二是傳輸過程中產(chǎn)生的損耗較低，能夠在遠距離傳輸中推廣使用；三是體積小、重量低、抗風能力強、易于堆放；四是具有較好的私密性，不會出現(xiàn)信號泄漏的情況，不會產(chǎn)生串擾；五是耐腐蝕、耐酸堿，光纜可直接敷設(shè)于地下。

目前，商用計算機中多應(yīng)用應(yīng)用層協(xié)定，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備間以太網(wǎng)需求，所以需要在標準以太網(wǎng)與TCP/IP協(xié)定的基礎(chǔ)上，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模式，建立健全以太網(wǎng)業(yè)務(wù)機制，配合工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場系統(tǒng)中實時信號、非實時信號傳送，建立被普遍認可的應(yīng)用層協(xié)定，即工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)定。目前提出的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)定包括MODBUS/TCP、ProfiNet、Ethernet/IP、HSE等[3]。

4 分布式發(fā)電/儲能及微電網(wǎng)接入控制建設(shè)技術(shù)方案的實現(xiàn)

4.1 接入控制系統(tǒng)

只有接入了控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)才能正常工作，所以為了確保分布式發(fā)電能以及主網(wǎng)、微電間的運行是更加流暢協(xié)調(diào)的，需要做好各項監(jiān)控工作，監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)記錄與歷史、環(huán)境數(shù)據(jù)進行比對，明確電網(wǎng)的實際運行情況，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)擬定針對的控制方法。采用分布式發(fā)電接入控制的系統(tǒng)，監(jiān)視多種網(wǎng)絡(luò)的運行并接收各微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)信息。這樣操作的目的在于可以擬定具有針對性的控制管理對策，同時可以下達工作命令。

4.1.1 分布式發(fā)電/儲能及微電網(wǎng)監(jiān)控內(nèi)容

接收微電網(wǎng)控制系統(tǒng)上傳的分布式發(fā)電/儲能及微電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以利用電氣接線圖監(jiān)視分布式發(fā)電/儲能及微電網(wǎng)運行情況。系統(tǒng)控制主要包括手動控制和自動控制兩部分，手動控制指的是通過手動操作分布式發(fā)電/儲能及微電網(wǎng)的接入開關(guān)；自動控制指的是落實預(yù)先確定的控制策略。

4.1.2 高級應(yīng)用功能

一是分布式發(fā)電/微電網(wǎng)出力控制：結(jié)合當前微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)，同時使用聯(lián)絡(luò)線的功率控制功能，并且采用下達式的微電網(wǎng)，繪制微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)功率，有效控制電網(wǎng)的實際情況。二是分布式發(fā)電/微電網(wǎng)發(fā)電預(yù)測：為了更好的調(diào)度分布式發(fā)電/微電網(wǎng)，可以根據(jù)自然資源情況和微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的信息，合理預(yù)測分布式發(fā)電/微電網(wǎng)發(fā)電出力。三是分布式發(fā)電/微電網(wǎng)智能優(yōu)化調(diào)度：分布式發(fā)電/微電網(wǎng)啟停和出力直接關(guān)系到主網(wǎng)電壓，系統(tǒng)可以結(jié)合分布式發(fā)電/儲能及微電網(wǎng)運行情況，開展智能化優(yōu)化調(diào)度。

4.2 運行控制系統(tǒng)

4.2.1 微網(wǎng)運行控制

因微電網(wǎng)運行方式具有可變性特征，控制模式也具備多變性，因此增加了微電網(wǎng)控制技術(shù)的復(fù)雜性，需要研究控制技術(shù)，促進微電網(wǎng)發(fā)展。微網(wǎng)運行控制器結(jié)合轉(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，通過控制策略計算之后可以確定各執(zhí)行設(shè)備的具體控制量。并且利用微網(wǎng)通訊控制器向執(zhí)行結(jié)構(gòu)下發(fā)，微網(wǎng)通訊控制器向配件向配電主站輸送狀態(tài)信息。

充分發(fā)揮微電網(wǎng)的運行以及控制功能，可以使用控制器的同時，將各發(fā)電單元融合在一起，通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)再進行分布式的發(fā)電工作。這樣操作可較大提高電壓的穩(wěn)定性，且頻率的穩(wěn)定性也能得到控制。

4.2.2 微網(wǎng)保護

微網(wǎng)保護體系具有較大的差異性，在不同情況下短路電路流向、大小具有較大的差異性，結(jié)合微網(wǎng)的運行，對外部配電的保護工作進行協(xié)調(diào)處理，建立起相關(guān)的控制策略，同時做好事故災(zāi)變的處理工作。在微網(wǎng)中接入分布式電源和儲能裝置支護，可以改變配電系統(tǒng)故障特征，故障后電氣量變化非常復(fù)雜，將會影響到傳統(tǒng)故障檢測方法，不利于精確定位故障發(fā)生問題。微網(wǎng)的運用方式有兩種，一種是獨立運行，而另一種則是并網(wǎng)運行模式，對微網(wǎng)內(nèi)、外部的故障可以有效片。如果發(fā)生了配電系統(tǒng)的問題則可實現(xiàn)有效的獨立運行，并且可確保微網(wǎng)、主網(wǎng)間運行的可靠性，把故障元件切除即可達到修復(fù)的目的。在并網(wǎng)運行時，如果微網(wǎng)有故障發(fā)生，則需要將故障設(shè)備切除，有效提升微網(wǎng)系統(tǒng)在運行時的安全以及穩(wěn)定性。

5 效益評估

5.1 經(jīng)濟效益

5.1.1 可再生能源發(fā)電經(jīng)濟效益分析

并網(wǎng)光伏發(fā)電可以為當?shù)赜脩籼峁┏渥愕碾娏?，?jié)省傳統(tǒng)的一次能源消耗，改善用戶的能源消費模式。最初投入和產(chǎn)出不成比例，但隨著技術(shù)改進，風能和太陽能儲能設(shè)備的成本將迅速下降，產(chǎn)出迅速平衡。

5.1.2 提高用戶供電的可靠性

原供電線路一次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與設(shè)備配置不合理，通過網(wǎng)絡(luò)和一次設(shè)備改造，線路形成“多段供電”的結(jié)構(gòu)和支線，增加了保護功能。如發(fā)生故障時，線路開關(guān)不再直接跳出，大大縮小了停電范圍。同時，多段、交叉口的轉(zhuǎn)換使線路可以實現(xiàn)負荷轉(zhuǎn)移，對提高用戶供電的可靠性有很大的好處。

5.1.3 智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用示范效果分析

通過該項目的實施，江蘇南通地區(qū)的電網(wǎng)積累了智能電網(wǎng)建設(shè)經(jīng)驗，特別是微電網(wǎng)分布式發(fā)電接入和運營領(lǐng)域的技術(shù)，為智能電網(wǎng)的全面落地奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

5.2 企業(yè)發(fā)展

電力以及能源的供需是呈矛盾的，其中最明顯的表現(xiàn)是峰谷差距在不斷增加，系統(tǒng)裝機的容量無法滿足最高負荷的需求。因為電力設(shè)施建設(shè)需要和用電高峰相適應(yīng)才可，但由于這一谷值不斷增加，負荷會快速下降，這就說明了低谷期設(shè)備對于電力公司而言是處在一種休閑的狀態(tài)下。因此，在資源保護、建設(shè)成本等方面，如果只想通過增加設(shè)備來滿足用電需求，顯得是行不通的[4]。

分布式電源及儲能系統(tǒng)的接入，有著較大的企業(yè)效益，主要表現(xiàn)在以下三個方面：一是節(jié)約電網(wǎng)建設(shè)投資。合理接入分布式供電和儲能[5]，可以降低尖峰時間配電系統(tǒng)對電網(wǎng)容量的要求。在計劃中，供電企業(yè)將分布式容量工程列入輸配電建設(shè)項目計劃范疇，減少相應(yīng)的輸配電項目投入，優(yōu)化電力公司投資管理。二是減少線路損耗。由于分布式電源和與之配套的儲能系統(tǒng)配置在負載附近，因此輸電時的功率損耗小于長距離輸電相同功率時的功率損耗。三是通過五大系統(tǒng)的接入和控制，讓江蘇電網(wǎng)在風電、光伏系統(tǒng)和儲能接入的運營管理方面獲得了實戰(zhàn)經(jīng)驗，積累了微電網(wǎng)的經(jīng)驗。由于生產(chǎn)風力發(fā)電+光伏發(fā)電+儲能相結(jié)合的應(yīng)用，加上定期組織技術(shù)培訓，也推動了微電網(wǎng)與風能和太陽能儲能的結(jié)合。

綜上，微電網(wǎng)為智能電網(wǎng)提供了一定的支撐，要想實現(xiàn)規(guī)?；仨氁訌娨?guī)范性，而且分布式電源的價格也要有合適的價格發(fā)展空間。同時，大電網(wǎng)交互時需要提出優(yōu)化策略，具有一定的自我保護能力，由此便可認定分布式電源今后發(fā)展方向，包容性、靈活性、個性化、經(jīng)濟性和自主性將進一步提升。