構建堅強智能電網：儲能與智能配電網自動化設備的應用——北美案例介紹

文/施恩禧電氣（中國）有限公司 郝 晨/

文/施恩禧電氣（中國）有限公司 郝 晨/

盡管自動化以及分布式智能已經在業內推進了近20年的時間，但當人們談論建設智能電網時，大多數人還是會僅僅想到為家庭以及商業用戶安裝智能電表。

在這20年的推進中，其中一個重要的創新就是“可自愈的配電網”，它指的是在配網中各智能開關和保護設備之間實時的通信，自行判斷并隔離故障，而不需要通過控制中心統一調度。若在自愈系統中加入儲能裝置，那么，可以在電源完全消失后，由儲能裝置來供電，形成孤島。

由美國能源部（U.S.Department of Energy，DOE）牽頭，聯合桑迪亞國家實驗室（Sandia National Labs）,施恩禧電氣（S&C Electric Company）以及美國電力公司（American Electric Power，AEP）在北美已經實施了多個高質量的儲能項目以解決多樣的配電網難題，儲能示范項目的意義在于：

(1) 完成DOE將儲能作為智能電網重要部分的目標；

(2) 量化將大規模兆瓦級的儲能作為配電站以及配電線路的調節手段的可行性；

(3) 延緩配電站升級，起到削峰填谷的作用；

(4) 驗證儲能在微網中的作用，在配電網上游出現永久故障時，利用分布式儲能為整個“孤島”供電。

本文著重闡述安裝在配電站或者其附近的大規模儲能設備配合分布式智能系統可以大幅改善配電網的服務可靠性。

孤島提高可靠性

孤島是一種在斷電時使用就地電源對被隔離的配電網供電的方案，這個電源可能是化石電源，也可能是利用先進技術的燃料電池或者其他儲能系統。對于市電缺失，波動或者故障的配電網絡來說，具備孤島能力可以提高系統可靠性，將突發事件對系統的影響降到最低。

孤島效應對于電力公司有著重要意義，尤其是那些頻繁停電的區域。從孤島效應中獲益的區域包括：

(1) 配電線路較老較舊的負荷中心；

(2) 植被茂盛的區域（茂盛的植物接觸到配電線，容易引起線路停電）；

(3) 頻發極端災害天氣的區域（颶風，暴雨等）。

孤島的經濟價值

當故障發生后，智能孤島將為配電網帶來諸多的好處。

(1) 增強可靠性指數：可靠性指數包含“客戶平均中斷持續時間（CAIDI）”和“系統平均中斷時間（SAIDI）”，它們是衡量電力系統可靠性的通用指標。孤島可以大幅的改進這個指數，意味著更少的客戶受斷電影響以及縮短服務中斷持續時間。

(2) 資源優化：孤島效應可以優化重構過程，使得有限的人力以及資源可以專注于優先恢復非孤島區域。

(3) 延緩投資：孤島可以快速及時的解決線路的問題，從而使得為電力公司傳統建設方法（新建配電站或者擴建，傳輸線延展，強化配電線路）贏得了時間。

孤島的實現方法

上面介紹了孤島帶來的益處，那么隨之而來的問題就是“如何切實可行的實現孤島呢？”美國電力公司（AEP）經過分析大量數據，認為以下兩種方法是實現分布式電源孤島的可行辦法：1）自適應動態孤島(ADI，Adaptive Dynamic Islanding )；2)離散動態孤島(DDI，Discrete Dynamic Islanding)。

自適應動態孤島（ADI，Adaptive Dynamic Islanding）

自適應動態孤島（ADI）依賴電力公司通過遠程控制智能電表系統（AMI：Advanced Metering Infrastructure）來“接入”或者“切除”獨立用戶。一旦智能電表系統覆蓋足夠大的區域，自適應的動態孤島的實施和控制將合理而可行。（如圖1和圖2）

圖1 自適應動態孤島（ADI）

圖2 不同負荷狀態下的自適應動態孤島

自適應動態孤島的理念是，當智能電表系統（AMI）得到足夠的發展以及安裝，電力公司可以將每一個客戶的負載視為“島”，且可以遠程控制。因此，在遇到停電的情況時，可以給某些重要負載如醫院，警察局以及消防隊等優先恢復供電，使其免受或者少受電力問題的侵擾。

圖1示意了通過電池管理系統在斷電的情況下為了保證重要負載盡可能不受侵擾，對部分負荷斷電或者間歇供電。

圖2示意了如何通過智能管理系統來遠程連接和斷開獨立負荷，使得儲能系統利用最優化。

圖3 離散動態孤島（DDI）

在自適應動態孤島方案（ADI）中，根據儲能系統的容量情況，來調整用戶數量是很容易實現的。在負荷較低時，儲能系統足以支撐整個孤島中的負荷運轉。若儲能系統不足以支撐整個孤島的負荷3運轉，那么可以如圖2所示來選擇為部分負荷供電。

因為在美國電力公司（AEP）準備實施孤島項目的備選區域中，智能電表系統（AMI）的普及率都不足以實現自適應動態孤島（ADI），所以美國電力公司（AEP）尋找另外一種可行的替代方案來實現對負載控制的需求。

離散動態孤島（DDI，Discrete Dynamic Islanding）

離散動態孤島（DDI）以遠程控制部分電網（饋線）區域來替代自適應孤島（ADI）中的獨立用戶控制。這種形式的孤島使得利用現有的通信以及控制系統配合分布式智能來控制分段開關以及保護設備來隔離故障以及重構更加易于實現。美國電力公司（AEP）決定利用這種方案來評估孤島技術的可行性。值得注意的是，在智能電表系統（AMI）存在的區域內，離散動態孤島（DDI）作為自適應動態孤島（ADI）的補充而存在。當上游發生故障時，這兩種方法都能有效的實現孤島。

美國電力公司（AEP）實施了3個項目來驗證孤島的可行性。本文將著重討論Balls Gap這一案例。

孤島項目概覽

美國電力公司（AEP）選擇鈉硫電池（NaS）作為儲能電池，并采用施恩禧電氣（S&C Electric）的PureWave SMS來進行系統管理。經過慎重考慮，選擇其位于西維吉尼亞（West Virginia）的Balls Gap變電站，奧黑爾的（Ohio）的Bluffton變電站和印第安納的（Indiana）的East Busco變電站作為項目實施地。這些線路均為輻射性線路，沒有備用電源，儲能系統可以緩解區域的供電壓力。每一套儲能系統的容量為2MW/7.2MWh，可以為2MW的負荷提供約7個小時的備用電力，配合智能開關，每一處的孤島容量可以達到2MW。

納入到孤島方案的配電設備包含智能分段開關以及兩臺智能重合器（IED，Intelligent Electronic Device）。配網自動化（DA,Distributed Automation）方案已經非常成熟了，結合孤島應用，可以對其進行必要的改進，使其適應新的應用。此項目將深入研究孤島結合NaS電池儲能技術的相關問題，進行配合分析，加載和歷史數據分析等。

Balls Gap 孤島項目

在2009年美國電力公司（AEP）實施的三個孤島項目中，Balls Gap是最復雜的一個，Balls Gap的輻射型線路大約有60km，電壓等級為34.5kV，它穿過位于西維吉尼亞米爾頓（Milton，West Virginia）的阿帕拉挈山脈（Appalachian Mountain）東北部，所以項目的實施面臨著技術以及環境的雙重挑戰。

因為Ball Gap 的輻射型線路，沒有可用的備用電源，所以一旦發生故障，常常要停電幾個小時。美國電力公司（AEP）對負荷以及歷史數據的分析之后，發現大部分的停電事故都發生在圖4所示的第一臺重合器的下游，且負荷大概在2MVA左右，這正好與美國電力公司（AEP）計劃實施的儲能系統容量接近，因此Balls Gap進入了美國電力公司（AEP）的項目備選地列表，開始著手進行成本評估以及孤島方案制定中。

盡管在Milton配電站附近沒有可用的三相饋線電源可用，但是有小容量的單相電源在附近的Grassy Creek 配電站。美國電力公司（AEP）的長期目標是增加整個區域的服務可靠性，配合這一目的的一系列計劃包含：1）建設新的配電站；2）升級單相饋線為三相并將Balls Gap配電站以及Grassy Creek配電站連接起來；3）從阿帕拉挈山脈架設一條138kV的13km長的的配電線。但是選址，審批以及施工通常至少要耗費4-5年的時間，而在這段時間里Balls Gap轄區的居民仍將忍受由于永久故障導致的長時間的停電。

在準備階段，對Balls Gap的饋線系統進行的詳細的分析，以確定在上游永久故障發生時，儲能系統將要接納的用戶數量以及容量。圖5為系統單線圖。6臺饋線設備（2臺重合器以及4臺分段開關）安裝在重要的位置，用來粗略的劃分儲能系統的負荷。

圖4 Balls Gap/Grassy Fork 線路圖

圖5 單線圖

當第一個自動饋線設備（Sw-3）上游發生故障時，所有的下游開關將會斷開失去電源，并且向其他的設備發出報告。當獲知所有的開關都分閘后，PureWave SMS電能存儲管理系統將會閉合連接在SW-7上的SW-1。當獲知所有的設備都失去電源后，配網自動化系統（DA, Distributed Automation）將只會計量每一個開關下的負荷，以確保不超過儲能系統的額定容量。

圖6 a)S&C Scada-Mate Switch智能負荷開關系統b) 智能重合器系統c）智能重合器系統d）S&C PureWave SMS電能存儲管理系統

當故障發生在孤島之內時，只要故障不是發生在儲能系統以及主干線之間（Sw-1；Sw-4；Sw-5），配網自動化系統（DA,Distributed Automation）判斷故障位置并將其隔離，隨后恢復儲能系統或者Milton配電站的供電。在這種邏輯下，可以使得Milton配電站為盡可能多的負荷供電，而這是在離散式孤島（DDI）與配網自動化系統（DA, Distributed Automation）配合下實現的，這樣的應用形式增強了離散動態孤島（DDI）的能力，更加契合用戶的需求。

在美國電力公司（AEP）用了多種智能電子設備（IED，Intelligent Electronic Device）配合開放架構的分布式自動化系統（DA, Distributed Automation），見圖6。包括用于NaS電池管理的PureWave SMS電能存儲管理系統。

項目測試時，人為的將各個饋線開關斷開來模擬斷電，用以來測試儲能系統以及孤島運行能力，最終達到得了設計目標。

圖7 Balls Gap儲能系統（2MW/7.2MWh）

結論

在實際線路故障發生時，成功的完成了孤島運行。在接下來的幾年中美國電力公司（AEP）陸續開展了更多的項目，在孤島（微電網）以及儲能方面積累了豐富的經驗。