偏遠地區微網結構探討

周惟婧，朱 鑫，劉俊勇，向 月，閆占新，張文濤

(1.四川省電力公司電力經濟技術研究院，四川 成都 610065;2.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

0 電網結構概述

電網結構是電力系統安全穩定運行的基礎，從某種程度上看，世界上發生的大電網惡性事故其根本原因是電網結構不合理造成的，因此，電網結構是否合理對電網的安全有著及其重要的影響。隨著技術的進步和人們生活水平的提高，在電網的規劃和建設過程中對供電的可靠性、經濟性以及環境保護等有了更高的要求。目前，中國電網迫切需要解決的問題有:資源配置不合理，電網網架結構薄弱以至于抵御事故風險的能力低;配電網建設滯后與當前用戶對電能質量和安全可靠性的要求不斷提高的矛盾日漸突出;用戶多樣化的用電需求使得配電網建設與節能降耗的壓力巨大;農村負荷分布廣、密度低、距離遠，使得對遠距離農村供電投資巨大且運行損耗大［1］。

分布式發電及微網的出現為解決偏遠地區的用電提供了一種較為經濟的供電方式。微網在電力系統末端的分散負荷處引入微電源［2］，不僅有利于解決用戶的供電問題或者提高用戶端的電能質量和供電可靠性，而且可以降低配電網電力損耗，節約電能，緩解電力緊張局面。但是微網的出現也使得輸配電網絡的規劃面臨更大的不確定性，如負荷預測和變電站建設方案等，大大增加了規劃的難度，必須充分考慮投資主體、微網容量、安裝地點及接入時間等諸多因素的影響，提出具有高適應度的網架規劃方案。

微網既可以看作是一個小型的電力系統，也可以看作是配電網中虛擬的一個延伸分支。總體上而言，微網與配電網結構有一定相似性，配電網線路的結構多具有多分段、多連接的特點，而微網系統結構則相對靈活。在微網的設計過程中應該根據其地域特征、經濟性等方面因素則設計不同結構。

1 常規配電網結構

配電網絡的網架結構是由無數條線路組成，可分成干線和分支線，或者經線、緯線和分支線。在干線中，為了能夠適應負荷的發展和線路的分割，減少故障時停電用戶的數量，必須對并聯或串聯連接的線路進行必要的分段。對公用架空配電網進行分段和連接，可靈活運行配電線路，減少停電用戶數，并使在線路工作或線路故障時受影響的用戶最少。結合配電線分段連接理論的成熟過程，配電線路已經從初期只是對配電線路進行環網，即兩條10 kV線路連接，任意一條線路故障時由另外一條接帶全部負荷，發展到當前配電線路發多分段、多連接的形式［3］。

2 微網

微網是分散的、獨立且較小規模電力系統，它采用大量的現代電力技術，將風電、光伏發電、燃氣輪機、儲能設備等一些分布式電源通過一定的電氣連接方式并在一起，在用戶側直接接入。相對傳統配電網而言，微網可以被看作為電網中的一個可控的補充單元。在需要時，它可以快速啟動，滿足外部輸配電網絡的需求［4］。

相對電力系統而言，微網類似于一個獨立的控制單元，其中每一個微電源都具有尖端的即拔即插功能。在并網運行模式下，微網與主網部分或全部連接，能與主網之間實現功率的雙向流通。當主網有任何的擾動異常時，微網都能及時切換到孤島運行模式，并能繼續對優先負荷供電。為了防止微網與配電網解列時對微網內負荷的沖擊，有些微網的配電結構需重新設計，將不重要的負荷接在同一條饋線上，重要或敏感的負荷接在另外饋線上。

典型的微網一般通過固態開關公共連接點與外部電網連接，按照規定的接口標準，一般連接在低壓配網側。通過斷路器的開合實現整個微網與主網的斷開或連接。各條饋線的通斷可以分別通過操作斷路器完成。微電源可包含多種形式，如光伏發電、風力發電等可再生能源，微型燃氣輪機、燃料電池等高效能源。必要時應配備儲能等電能質量調節裝置滿足重要負荷的需要。

目前，國內外根據自身發展需求的不同，微網結構也存在較大差異。

2.1 美國

美國電氣可靠性技術解決方案聯合會(CERTS)的微網設計理念是不采用快速電氣控制、單點并網不上網、提供多樣化的電能質量與供電可靠性、隨時可接入的DG等［5］。CERTS微網研究主要集中在對DG的設計和魯棒控制;GE微網則更多地關注在外部監控回路的研發上，以及對能量利用和運行成本的優化上。從美國電網現代化角度來看，微網發展的重點主要集中于提高重要負荷的供電可靠性、滿足用戶對多種電能質量的需求、降低成本、實現智能化等方面［6］。

2.2 歐洲

在典型的歐盟微網結構中，小型風力發電機可以直接連接到微網，而光伏電源、燃料電池和微型燃氣輪機則需要通過電力電子接口連接到微網，中心儲能單元被安裝在交流母線側。微網系統采用分層控制策略，并且允許微網作為電網中分布式電源的一部分向大電網供電［7］。歐洲電網具備靈活性、可接入性、可靠性、經濟性等特點。基于此特點，歐洲提出要充分利用分布式能源、智能技術、先進電力電子等技術，實現集中供電與分布式發電的高效緊密結合，共同推進電網發展。歐洲微網的發展方向主要繞著可靠性、可接入性和靈活性3個方面來考慮。而電網的智能化、能量利用的多元化、環保性等將是歐洲未來電網的重要特點。

2.3 日本

日本將傳統供電的獨立電力系統也歸入微網的研究范疇，擴展了對微網的定義。日本微網研究方向主要定位于負荷跟蹤能力、電能質量監控、電力供需平衡、經濟調度以及管道穩定運行等問題，利用靈活可靠性和智能能量供給系統以及FACTS控制器快速、靈活的性能，實現對配電網能源結構的優化以滿足用戶的需求，為小型配電系統及基于傳統電源的較大規模獨立系統提供了廣闊的發展空間［8］。

2.4 中國

中國對微網的研究起步比較晚，還沒有形成對微網的統一定義，只在分布式發電和分布式儲能上開展了相關的研究。在微網的容量方面需要根據中國國情進一步研究和實驗，并了解微網的運行和暫態特性以及微網與電力系統的相互作用與影響，將有助于微網建立和相關標準的制定。國家已將“分布式供能技術”列入了2006—2020年中長期科學和技術發展規劃綱要，并且已有863和973計劃支持微網領域的研究項目［8］。

綜上可見，各國微網的定義以及發展側重點是根據自身發展需求而決定的，具體對比如表1。

表1 各國微網研究對比

3 偏遠地區典型微網結構設計

目前中國在微網的設計上仍處于探索階段，并無微網結構設計的固定模式，由于中國微網供電主要強調其靈活性、定制性、經濟型、自治性，以及根據不同地區復雜的地理環境設計可靠性高、經濟性好、能夠適應典型地區居民需要的微網［9，10］。

3.1 偏遠地區特點

國內各省市偏遠地區的具體情況不同，但造成部分地區無電的原因主要集中以下幾個方面。

1)地理位置的偏遠造成電力建設的造價相對較大，而單位投資獲得的效益不明顯;

2)運行維護困難，無電地區地理位置偏僻，地形地質條件復雜，交通極其不便，造成輸電線路、電源等設備運行維護成本高;

3)體制機制性障礙未完全消除，偏遠地區電力建設投入機制、運營機制、激勵機制有待進一步建立和完善。

以四川省甘孜偏遠無電地區為例，該地區地域遼闊、人口稀少、交通不便、氣候惡劣。無電居民分布也主要分為離主網較近無電地區、單戶游牧家庭、牧民聚集點、單戶村民和偏遠村落5種類型。因此，該地區地理特點及居民分布特點使得在該地區單一依靠大電網建設往往投資巨大且施工環境異常惡劣。

值得注意的是，甘孜地區水能、太陽能、風能和生物質能資源十分豐富，其中，太陽能資源豐富，太陽能資源總量和密度大，屬全國高光能地區之一，具有發展生態能源產業十分優越的資源條件，因而可以考慮對該地區采用微網供電模式，直接有效利用當地資源。

根據居民聚居的稀疏程度可在該地區的微網規劃過程將人口分布極為稀疏的地區的電網設計為簡單的單戶結構，而將具有一定居民聚居的村落的電網設計成較為復雜的多戶結構。

3.2 單戶

圖1 單戶微網結構

如圖1所示，考慮到甘孜地區風能較為充沛，也有具有可利用價值的太陽能，同時，單用戶用電量較低且負荷種類較為單一，故在單戶的微網設計中裝設風能發電機組和太陽能發電機組［11］。為了保證供電的可靠性，可增裝燃機發電機組和儲能裝置，各種微源通過電力電子設備接口與配電網保留可能相連的交流母線連接，同時，微網能量管理系統(MEMS)根據負荷情況通過電力電子接口對各微源進行協調控制［12］。

偏遠單戶微網結構簡單、投資較小，也適用于其他偏遠山區、海島等地區供電。但由于缺少外電網的支撐，電能質量不高。在不具備一定容量旋轉電源的地區，不宜接入對電能質量要求高的負荷。

3.3 多戶

綜合各種基本結構，對于多用戶，諸如村落形式的等含多種DG和儲能裝置構成的微網，其典型結構如圖2所示。

從圖2［13］可以看出，該微網是由分布式電源和各種儲能裝置組成，主要展示是村落這一級的網絡結構。各種村落級的微網包含各種以可再生能源為基礎和燃機為輔助的分布式電源。所有的村落不一定具備各種可再生能源形式的分布式電源。儲能裝置被放置在指定的村落里以保證滿足不同等級負荷的需求。如此的微網結構最適合農村社區的能源需求，以及未來擴展與主電網的連接運用各種可再生能源如風能、光能、小水電、微型燃氣輪機等的小型分布式電源機組和當地的各種儲能單元以及當地負荷組成基礎單一微網結構。

圖2 多戶微網典型結構

微網監控系統［8］的控制方式根據控制器不同的決策方式可以劃分為集中式控制和分散式控制［14］。其中微網的集中式控制與常規電力系統中分層控制的思想近似，實現過程也相對較為簡單，因此當前的很多研究是通過該思想進行的。在集中式控制方式中，由微網中央控制器進行優化管理，協調控制各個層次控制系統，主要實現系統的經濟性、安全性等，以通過優化各微源的發電量及其與主網間的功率交換使微網得到最大化利用為目標。此外，從多用戶微網系統控制的角度考慮，采用統一集中調度方式由于本身的分布式特性及海量控制數據等原因難以實現靈活有效控制，需要將控制權分散到各元件上實現控制、通信、協作。分散式的控制思想是想要最大程度地實現微網內分布式發電單元和負荷的自治，但實現較為復雜。其中，Agent技術具有分布、自治和快速處理復雜問題的能力，在微網控制中得到應用［15］。在嵌入了Agent的微網電壓控制系統后，微網被分成微網層(由微網Agent控制)和元件層(由執行級Agent控制)。其工作過程如下所述［16］。

(1)微網Agent一方面接收上層網絡命令開斷靜態開關以確定微網處于并網或孤網運行狀態，另一方面接收各微源Agent返回的信息，通過測量微網內部電氣參數，把握全局信息，協調控制。

(2)一般意義上的微網可以實現并網和孤網運行。在并網運行時，微網可以看作是主網的一條低壓配線，此時微網的頻率、電壓由主網控制。而微網孤網運行時需要結合各Agent間配合、分層協調實現系統的安全穩定運行。以電壓調節過程為例。

微網Agent定期對系統內電壓整定，整定后將此電壓值發送給此系統內各微源Agent。微源Agent在接受到微網Agent發送的整定值后對該值進行評估，判定執行該電壓整定值是否會對本控制區域造成危害。若不會，微源Agent會將該電壓整定值發送給相應的微源，微源會調節無功輸出使其控制區域的電壓維持在該整定值。在一個整定周期內，微源Agent會根據本控制區域內負荷的變化對電壓整定值進行微調，以優化本區域內的電壓質量;若評估表明執行該整定值會對本區域造成危害，則微源A-gent拒絕執行該調壓命令，此時微源實行自治。

當饋線輸出的無功不能滿足負荷需求時，PV Agent向微網Agent發出的協調調壓請求，由于超級電容器啟動快但容量有限，而SVC的啟動速度較慢但卻能提供連續的無功，微網Agent將選定SC Agent和SVC Agent進行協調調壓。即首先由超級電容器為饋線提供短時無功功率，以延緩電壓繼續下降，然后由SVC為饋線提供持續的無功以維持電壓穩定。

若饋線內發生故障，則該條線路上的斷路器斷開。此時，該饋線實際上形成一個更小的微網，微源Agent將起到原微網Agent的作用，它將根據控制區域內負荷變化自動計算電壓整定值，之后微源依據該電壓整定值調整無功輸出，是本饋線內的電壓維持穩定。若微源輸出小于所需的電壓值，微源將向SC Agent發出調壓請求。但是超級電容器只能提供短時無功支持，若無功負荷持續增加，則必須切掉一部分負荷以保持穩定的電壓。

5 結語

微網具有節約能源、提高電能質量、供電可靠性，優化電網性能、降低發電成本等優點，為達到引入微網的預期目的，在微網的設計過程中要依據該地區地域特征、經濟性、負荷特性、DG特性等基本元素對微網結構進行設計和選擇［17］。在微網的運行過程中應注意保持微網內能量守恒，即在并網運行時微網內各微源容量和配電網提供能量之和應與微網內總負荷相等，而在微網孤島運行時，微網內微源容量能滿足負荷的需求。

前面介紹了當前國內外微網的發展概況及各個國家未來發展的方向。根據中國在微網設計上的側重點，對甘孜偏遠地區微網的設計過程中根據人口的疏密程度將該地區的供電網絡分為單戶結構和多戶結構，并對其控制方式進行了說明。伴隨著人們對能源的需求和節能意識的提高，微網不僅將適用于解決偏遠地區的用電問題也將向城鎮居民提供多樣化的電能需求。未來微網的結構設計應以其需求用途為基礎，考慮基本元素對其結構的影響，并兼顧運行的經濟性、可擴展性、安全性以及易維護性對微網進行結構的“定制”設計。

［1］梅生偉，王瑩瑩.輸電網-配電網-微電網三級電網規劃的若干基礎問題［J］.電力科學與技術學報，2009，24(2):3-10.

［2］王成山，李鵬.分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰［J］.電力系統自動化，2010，34(2):10-14.

［3］孫賽，楊瑞麗.城市配電網絡結構分析［J］.內蒙古電力技術，2006，24(1):54-57.

［4］曲峰.基于B/S模式的微電網能量管理軟件的設計與實現［D］.成都:電子科技大學，2010.

［5］Geert Deconinck，Tom Rigole，Hakem Beitollahi，et al.Robust Overlay Networks for Microgrid Control Systems［EB/OL?.2007.http://www.esat.kuleuven.be/electa/publications/fulltexts/pub_1678.pdf.

［6］Chris Marnay Owen C.Bailey.The CERTS Microgrid and the Future of the Macrogrid［EB/OL］.2004.http://repositories.cdlib.org/lbnl/LBNL-55281.

［7］榮延澤.分布式電源建模與微電網控制及保護［D］.杭州:杭州電子科技大學，2012.

［8］李鵬，張玲，王偉，等.微網技術應用與分析［J］.電力系統自動化.2009，33(20):109-114.

［9］康龍云，郭紅霞，吳捷，等.分布式電源及其接入電力系統時若干研究課題綜述［J］.電網技術，2011，34(11):43-47.

［10］劉學平，劉天琪，李興源.混合獨立發電系統功率協調策略與仿真［J］.電網技術，2010，34(9):202-205.

［11］Zhang Haiyang Li Shande.Research on Micro-grid［C］//2011The International Conference on Advanced Power System Automation and Protection，2011:595-598.

［12］Balazs Rakos，Peter Stumpf，Istvan Nagy.Energy from Biogas，Renewables for Supplying Telecommunications in Remote，Rural Areas［C］//Telecommunications Energy Conference(INTELEC)，2011 IEEE 33rd International，2011:1-7.

［13］Tewodros Tesfaye Erbato，Thomas Hartkopf.Smarter Micro Grid for Energy Solution to Rural Ethiopia［C］//Innovative Smart Grid Technologies(ISGT)，2012 IEEE PES:1-7.

［14］張穎媛.微網系統的運行優化與能量管理研究［D］.合肥:合肥工業大學，2011.

［15］Zhang Jian，Ai Qian，Jiang Chuanwen，et al.The Application of Multi Agent System in Microgrid Coordination Control［C］.Sustainable Power Generation and Supply，SUPERGEN，International Conference on.2009:1-6.

［16］謝清華.基于Multi-Agent的微網電壓控制技術研究［D］.北京:華北電力大學，2009.

［17］汪少勇.基于分布式電源的微網的設計與運行［J］.電力自動化設備，2011，31(4):120-123.