基于分布式能源接入的新一代智能變電站廣域分布式架構設計

秦秀敬，張華強，竇仁輝，姚志強（．哈爾濱工業大學（威海）電氣工程系，山東　威海　6409；．中國電力科學院（南京），江蘇　南京　0003）

基于分布式能源接入的新一代智能變電站廣域分布式架構設計

秦秀敬1，張華強1，竇仁輝2，姚志強2
（1．哈爾濱工業大學（威海）電氣工程系，山東威海264209；2．中國電力科學院（南京），江蘇南京210003）

摘要：為提高變電站支撐主站新業務應用能力，研究微網核心算法，建立基于分布式能源接入的面向廣域分布式架構的新一代智能變電站應用體系，提出變電站應用功能的分布式和集中式配置策略，重新規劃和補充站內數據需求及存儲、實時性等技術要求，促進智能電網新業務快速地融入變電站，全面提升新一代智能變電站“即插即用”的技術水平。

關鍵詞：分布式能源接入；微網；即插即用；新一代智能變電站

本文引用格式：秦秀敬，張華強，竇仁輝，等．基于分布式能源接入的新一代智能變電站廣域分布式架構設計[J]．新型工業化，2015，5（7）：34-40

Citation:QINXiu-jing,ZHANGHua-qiang,DOURen-hui,etal.WideAreaDistributedArchitectureDesignfor aNewGenerationIntelligentSubstationBasedonDistributedEnergyAccess[J].TheJournalofNewIndustrialization, 2015,5（7）:34-40.

0　引言

智能電網已成為新一代智能變電站的發展方向，我國正處于國家電網2020計劃的全面建設階段[1-2]，到2015年底，基本建成堅強智能電網，具備接納和優化配置大型火電、水電、風電、核電和其他可再生能源電力的能力，完成重要區域樞紐變電站的智能化建設和改造任務[3-5]。分布式能源具有便捷和本地部署方便等特點，易將其直接融入到智能變電站運行中。智能變電站在站內設備、層間通信與運維管理等方面取得較大進展，但廠站對主站的支撐能力仍有待提升，尤其是在電網新業務融合等方面還需要進一步改進。

為提高變電站支撐主站新業務應用能力，本文以分布式能源接入為研究對象，建立面向廣域分布式架構的智能變電站應用體系，依托微網核心算法將分布式能源接入業務下放至變電站，通過業務融合與平臺解耦，提高站級業務平臺的開放性和擴展性，滿足不同專業對數據深度分析和利用的需求，促進智能電網新業務高效、可靠地融入變電站，提升新一代智能變電站“即插即用”技術水平[6]。

1　分布式能源概述

分布式能源（DistributedEnergyResource，DER）以氣體燃料為主，可再生能源為輔，可就地實現熱、電、冷三聯供電。利用小型化設備向用戶提供梯級能源的新能源利用方式，實現能源的最大化利用[7]。與傳統集中式能源相比，DER多靠近負荷中心，可簡化能源輸送環節，降低線路損耗，減少輸配電建設成本。DER還可實現發電、供熱、供冷等多種服務功能，能夠有效地實現能源綜合梯級利用[8]。

目前，國內外有多種DER應用方式，包括獨立運行、組成微網與公網連接、直接接入用戶內部網絡或直接接入電網等4種方式[9]，本文以DER通過微網接入電網方式來研究新一代智能變電站構建基于分布式架構的DER配置策略。

我國規定200kW及以下分布式電源接入380V電壓等級電網；200kW以上分布式電源接入10kV （6kV）及以上電壓等級電網[10]。因此，分布式能源接入主要集中在配網領域。對變電站和調度主站而言，分布式能源通過10kV（6kV）-35kV電壓等級的分布式能源站來接入電網。

2　新一代智能變電站的分布式架構及功能流程

2.1數據要求

分布式能源的接入，改變了傳統變電站的數據流向及監測模式。在新一代智能變電站的分布式能源接入中增加動態數據處理模塊，通過數據同步、數據辨識、數據分析和數據實時貯存等環節，實現對站內數據動態監測與分析評估以及對分布式能源接入的實時跟蹤[11]。變電站數據處理流程如圖1所示。

圖1　變電站數據處理流程Fig.1　Data　processing　of　substation

站內測量裝置采用高速采樣技術，將電網運行數據的模擬量轉換為數字量，存儲到嵌入式控制單元并傳送至數據處理中心。數據處理中心對數據進行分析、挖掘，計算出電網運行參數：電流、電壓、頻率、相位、功率因數等。信息采集裝置同時采集變電站環境參量，如溫度、濕度等，匯集到站內監控系統或調度主站，通過網頁實時顯示電網及環境運行工況和電參量動態波形。

分布式能源兼具間歇性和波動性特點，在對智能變電站的數據規劃上，應該約定數據屬性，如調控（調度）數據、在線監測數據、同步相量數據、電能量數據、輔助監控數據和生產管理數據等的存儲方式、實時性以及數據精度，以滿足新一代智能變電站后臺監控系統對數據的實時性和準確性要求，數據屬性約定如表1所示。

2.2微網核心算法

微電網是以分布式發電技術為基礎，以分散型資源或小型電站為主，結合終端用戶電能質量管理，采用能源梯級利用技術而形成的小型化、分散式電源和負荷一體化功能網絡[12-15]。微網運行時，可通過公共耦合點接入電網；當電網發生故障或檢修時，公共耦合點與公共電網切斷，自動切換到孤島運行模式，借助微網的靈活特點實現DER的無縫接入。

微網基本結構如圖2所示，電力系統被假定為幾條饋線和負載的徑向集合系統。徑向系統通過分離裝置（通常是靜態開關，稱為公共耦合點）連接到分配系統，每條饋線都包括斷路器和潮流控制器，用于監視和控制負載。

分布式能源間歇性、波動性和難準確預測等問題可以通過并網與保護技術、儲能與通信技術等微網核心算法來解決。

（1）并網與保護技術

可再生能源受地域和氣候影響較大，屬于隨動能源，若直接并入電網勢必影響電力系統的電能品質，導致電網波動、諧波污染等問題。若將DER與微網組合再與公網連接，可以大大削弱其對公網的沖擊。在DER借助微網并入電網前，要求公共耦合點電壓、頻率和相角與公網近似相同，實現柔性并網、減小瞬態沖擊。微網可向電網提供保護電網系統的參數配置，提供公共耦合點連接狀態、無功、相角和頻率等實時數據，時刻監控DER并網狀態，動態評估DER通過微網并入電網的運行趨勢。微網自身的穩定性和可靠性都要優于分布式能源，提高微網滲透率可以減少電力系統的平均停電次數和停電時間，保證系統可靠運行。

圖2　微網基本結構Fig.2　Basic　structure　of　micro-grid

為確保微網穩定運行，完善新一代智能變電站的監測機制，提高數據采集和處理精度，實現電網故障智能預警、微網保護及故障迅速定位、隔離和恢復等。將靜態開關置于公共耦合點，在公網發生故障或電網檢修時，靜態開關會自動將微網切換到孤島模式，根據狀態監測信息判斷自動恢復與公網的連接指令。

表1　新一代智能變電站數據屬性約定表Tab.1　Data　attribute　convention　of　new　generation　intelligent　substation

（2）儲能與通信技術

通過增加儲能裝置可以解決可再生能源的間歇性、隨動性問題。儲能裝置備用容量的選擇和使用方式是解決該技術問題的關鍵。當微網運行在孤島模式時，需要考慮儲能裝置能否在合理時間內維持發電量和用電量的平衡。因此需對可再生能源發電進行精確預測、對運行工況可靠建模，科學評估儲能裝置的容量以及正確模擬儲能裝置的運行方式和運行時間，才能合理調控可再生能源發電品質。

AC/DC混合微網結構如圖3所示，微網中儲能裝置可以實現DER的分類儲能，減少儲能系統中復雜的變流環節，可同時為交、直流負載供電，并網結構簡單，控制靈活、可靠，降低成本、實用性強。

圖3　AC/DC混合微網結構Fig.3　AC/DC　Mixed　micro-grid　structure

借助微網儲能技術可提高DER發電及并網性能，平滑負荷，減少電能損耗，提高電能利用率，如削峰填谷、降低電磁干擾；利用微網的電力電子裝置進行無功補償，保證電能質量和供電可靠性，優化電網配置，提高經濟性。

采用先進的傳感技術、通信技術采集系統的并網和儲能信息，在微網設備間建立高速、實時的通信鏈路，實現微網運行信息的交互，提高系統信息處理能力。

2.3主站-廠站分布式架構設計

綜上所述，將分布式能源直接接入電網會對電網產生沖擊，如果通過微網技術將DER接入電網，并在并網前完成電能質量評估和諧波抑制等工作，可對變電站內電能質量和電能量的影響降至最低。

利用站內過程層的智能終端和合并單元完成DER電能量原始數據的采集工作，將原始數據儲存在靜態數據庫中，靜態數據庫中還包括電網監視、設備運行、環境監測等公共信息，經過變電站分布式狀態估計及諧波處理等技術對原始數據進行“提純”，結果傳至實時數據庫，在數據處理中心進行數據辨識，獲得“高精度、低冗余度”數據，供調度主站進行統一分類和調度。變電站---調度主站應用功能分布式架構如圖4所示。

基于DER接入的廣域分布式應用架構，利用微電網的反孤島和低頻保護技術，對可再生能源發電過程和電能品質（質量和容量）進行建模，確定儲能裝置容量以及儲能裝置運行方式和運行時間，減輕DER并網對電網的沖擊，降低并網電能的波動。采用ATT7022E三相電能計量芯片，利用FFT算法、同步采樣、ADC采樣等技術對分布式發電過程進行跟蹤和監測，引入諧波動態補償技術，提高發電和并網質量。

廣域分布式應用架構可將DER接入業務下放至變電站，通過業務應用與平臺的解耦，提高站級業務平臺的開放性和擴展性，促進智能電站新業務的融合。

圖4　變電站應用功能分布式架構Fig.4　Distributed　architecture　for　substation　applications

3　新一代智能變電站應用功能集中式配置策略

3.1站內設備更新與集成

DER的接入對智能變電站中智能電子設備（IntelligentElectronicDevice，IED）的精度和抗干擾性提出了嚴格要求，為滿足新一代智能變電站“即插即用”功能，在智能變電站內引入智能變壓器、智能隔離斷路器、集成式電容器等智能一次設備，結合外置一個或多個智能綜合組件實現站內電能的控制、保護、計量、監測等相關功能。集成二次設備可以避免站內過程層和間隔層設備的功能重疊，造成資源浪費現象。

（1）智能變壓器

將傳統變壓器與傳感器、智能電子裝置等設備進行融合，組成符合智能變電站一體化設計、一體化制造、一體化試驗要求的智能變壓器。

智能變壓器對智能組件進行信息融合，配置高精度傳感器，實現對變壓器本體監測、控制和保護功能，保證采集端數據源的一致性和可靠性，減少重復采樣次數。內置狀態估計和運維的信息維度，對數據進行全方位分析評估，緩解數據處理中心的壓力。

（2）多合一裝置

傳統的35KV及以下電壓等級的變電站，其間隔層內部的測量、控制、保護和計量等裝置以及智能終端和合并單元等過程層設備大多數采用獨立安裝方式，這種布局導致站內各功能IED裝置接線和維護復雜，不利于多業務數據的融合和統一。為提高裝置集成度，將間隔層和過程層裝置功能進行集成，采用多業務數據的同步采樣，以保證數據的精度和準確度，降低全站設計的復雜度。功能多元化和設備狀態監測常態化，為分布式能源接入的新一代智能變電站廣域分布式架構應用模型提供可靠的數據支撐。

（3）集中式保護裝置

集中式保護是將傳統孤立的多間隔保護、測控、計量設備映射到同一裝置的邏輯設備中，每個邏輯設備功能上保持相對獨立，通過統一通信接口與其它設備進行信息交互，完成保護功能。將多個間隔縱聯通道同時接入優化過的通信接口，保證多個廠站之間的電氣信息數據完全同步，增加了站內繼電保護的可靠性。

在站內后臺保護系統中設置保護動作表決機制，如圖5所示，在某一路出現故障或檢修時，系統可憑借另一路的保護動作信號來控制斷路器的開關狀態，提高集中式保護防誤動性和靈活性。實現單間隔故障或檢修時設備可被安全隔離，其它間隔設備正常工作，解決集中式保護檢修難的問題。

圖5　集中式保護動作表決機制Fig.5　Action　voting　mechanism　of　centralized　protection

3.2廣域分布式架構及數據流向

基于分布式能源接入的變電站應用功能分布式架構，在完成站內設備更新與集成的前提下，對新一代智能變電站內部的設備部署以及數據流向做出合理規劃，如圖6所示。新一代智能變電站的過程層加入智能變壓器和智能無功設備，依靠ECT/EVT實現對電能的同步采集；間隔層采用35KV多合一裝置完成測控、保護和計量等功能，大大減少設備的占地空間和增加了數據的共享功能。

新一代智能變電站內數據流向分為兩路。其中，經過程層采集到的電氣量數據通過MMS報文傳至間隔層，經過間隔層內部數據辨識處理后經GOOSE統一傳送至Ⅰ區數據通信網關；將來自間隔層交、直流電源、安防、消防、環境監測、綠色照明和視頻等輔助設備的數據信息統一傳送至Ⅱ區數據通信網關，數據分類明確，確保站內系統正常穩定運行。

智能終端和合并單元對過程層一次設備的開關量和狀態量進行采集，根據GOOSE/SV協議，將采集結果由過程層網絡傳至35KV多合一裝置、繼電保護裝置和動態記錄裝置等間隔層設備，實現保護、測控、記錄等功能，同時將分析結果傳送至監控主機和I區數據通信網關。變電站間隔層同時完成環境監測、消防/安防、視頻監控等輔助功能，將數據傳送至II區數據通信網關，最終上傳到調度中心，完成整個變電站的數據和信息采集、分析、上傳和調度操作。

基于分布式能源接入的新一代智能變電站廣域分布式架構，可以實現對全站的準確監視、分析和控制，在廣域范圍內實現對底層數據采集、分布式存儲、分布式狀態估計和數據辨識等功能。依托微網核心技術提高站內電能質量，通過業務應用與平臺解耦，提高站級業務平臺的開放性和擴展性，滿足不同專業對數據深度分析和利用的需求，促進智能電網新業務高效、快速地融入變電站。當變電站主站遷移或改建時，調度中心可快速構建該變電站的架構模型，完成變電站的架構配置，方便實現新一代智能變電站“即插即用”的功能。

圖6　基于分布式能源接入的新一代智能變電站廣域分布式數據流向Fig.6　Wide　area　distributed　data　direction　for　a　new　generation　intelligent　substation　based　on　distributed　energy　access

4　總結

智能變電站采用基于分布式架構的分布式能源接入系統和動態無功補償裝置，在極端天氣或故障下具有更好地魯棒性，縮短了主站與廠站間的調度時間，并打破了傳統電網單向傳輸的特性，使潮流雙向流動。當供電量超過負荷量時，發電機能夠將電能回饋到電網。采用一體化監控系統，使主站的支撐能力得到大幅提升，業務融合趨勢逐步凸顯，變電站與主站間的信息交互、功能服務成為主子站技術發展方向。

我國能源和負荷分布不均衡，電力需長距離傳輸、大范圍配置，電力能源結構仍以火電為主，分布式能源應用較少。隨著電力需求的不斷擴大，發展分布式能源并網，研究基于分布式能源接入的新一代智能變電站廣域分布式架構和應用技術，對提高電網穩定性、降低電能傳輸損耗以及實時數據交互和共享具有重要意義。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.006

基金項目：＊山東省科技發展基金（2011GGH20411）；中國電力科學院（DZN51201403957）。

作者簡介：秦秀敬（1992-），男，碩士研究生，研究方向為智能電網技術、電力電子技術及應用；張華強（1967-），男，博士，教授，研究方向為智能電網技術、電力電子技術及應用；竇仁暉（1976-），男，高級工程師，研究方向為電力系統自動化；姚志強（1983-），男，工程師，研究方向為電力系統自動化。

Wide Area Distributed Architecture Design for a New Generation Intelligent Substation Based on Distributed Energy Access

QINXiu-jing1,ZHANGHua-qiang1,DOURen-hui2,YAOZhi-qiang2
(1. Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai Shandong 264209; 2. China Electric Power Research Institute (Nanjing), Nanjing Jiangsu 210003)

Abstract:Thispaperproposesthedistributedandcentralizedconfigurationstrategyandre-planingandsupplyingthe stationdataanditsstorage,real-time.Thenewgenerationintelligentsubstationapplicationssystemforwideareadistributed architectureisbuiltwiththestudyonmicro-gridcorealgorithmonthebasisofthedistributedenergyaccesstoimprovethe applicationabilityofthesubstationforsupportingthenewbusinessinmasterstation.Allresearcheshavebeendonetopromote theintegrationofthesmartgridnewbusinessintothesubstationquickly,improvingtheentireleverofplugandplaytechnology inthenewgenerationintelligentsubstation.

Keywords:Accessofdistributedenergy;Micro-grid;Plugandplay;Newgenerationintelligentsubstation