交直流混合微網檢測技術綜述

李勝文，常 瀟，劉翼肇

（國網山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001）

0 引言

由于微電網直接面向用戶且是一個帶分布式電源的單元，所以其電能質量的標準會直接影響用戶，關系著是否能被用戶接受與采納。微網屬于配網的一部分，容量較小，其穩定運行容易受到來自大電網和微電網內部各設備運行狀況的影響，因此，對微電網的電能檢測至關重要。針對不同類型并網設備以及同類型設備處于微電網不同位置時，其運行性能、所起作用各有不同，輸出側接入配電網，對配電網的電能質量及安全運行均有很大的影響，所以有必要針對并網設備，確定指標參數進行實時檢測；同時，微電網關鍵設備檢測系統能夠對并網設備的指標參數進行整合處理計算，對設備進行運行性能評估和技術評價。

1 微電網電能質量檢測及并網設備性能檢測裝置分類

1.1 便攜離線式電能質量檢測裝置

如Fluke公司的Fluke 345手持式諧波功率鉗表、Fluke 110真有效值數字萬用表均為離線式。該種儀器功能簡單，便于攜帶，但缺點是無法聯網，需要分配人力實地測量，常用于對監測重要程度不是很高、不需要采集實時數據監測點的巡回檢測。

1.2 可聯網式電能監測裝置

典型的如現在配電網智能電表的使用，取代了人工抄表的方式，這得益于電子制造技術、通信技術及計算機技術的發展。配電網智能電表集成電路的硬件部分包括互感器模塊、電源供電模塊、電能計量模塊、通信模塊等，以此獲取監測點基本信息，通過電力載波或者RS485專用線路接口通信[1-3]。

1.3 無線通信檢測設備

此類設備最大的特點在于無線通信，避免了有線通信接線上的復雜問題，節約資源。無線通信方式根據傳輸距離可以分為本地通信和遠程通信，本地通信包括Zigbee、藍牙、WiFi等，傳輸距離短，傳輸容量小；遠程通信包括LoRa、電力載波、4G、5G技術等，傳輸距離長，傳輸容量大。無線檢測設備使得檢測平臺更加智能化，節約資源，采集數據更為方便快捷，促進了電力物聯網的發展進程[4]。

2 國內外并網設備檢測規范和標準

微電網檢測技術研究包括對并網設備性能的實時檢測。不同類型設備以及同類型設備處于微電網不同位置時，其運行性能、所起作用各有不同。所以，有必要針對并網設備，確定指標參數進行實時檢測。參照國家標準、行業標準，針對光伏并網逆變器、儲能變換器、交直流母線接口變換器等并網設備，設定運行指標，對其運行性能、轉換效果進行測試評估。隨著光伏、風力發電大規模接入傳統電網及微電網，配電網的潮流控制、諧波問題、繼電保護、電壓調整以及各種隨之而來的電能質量問題都威脅著電網的穩定運行和用戶設備的安全。對于光伏逆變器，國家已制定了相關標準[5-6]來規范光伏逆變器裝置的標準，國外如德國相關機構也發布了光伏電源并網技術要求[7-8]，美國也發布了檢測方法[9]；2017年之前儲能變換器技術標準均參考光伏逆變器技術要求，2017年之后，國內制定了適應儲能變換器技術規范[10-11]；隨著新能源汽車的普及，汽車充電樁大規模接入供電網，前沿的充電樁還具有雙向功率流動的特點，因此對其轉換功率的能力需要嚴格要求，文獻[12]和文獻[13]給出了電動汽車充電樁的技術規范。

3 微電網并網設備監測指標和分析方法

微電網中互聯接口變換器是單元的核心，是連接交直流2個子網的接口，并通過調節2個子網功率互相流動使單元穩定運行。當該系統并網運行，互聯接口變換器控制直流母線電壓穩定，當孤島運行時，維持交、直流母線電壓穩定，因此，對互聯接口變換器的可靠性、輸出電能質量和效率等有著極高的要求。儲能變換器的主要用途是使電能在交流電網和儲能單元間互相傳遞、雙向變流并提供無功功率來提高電網的效益和電能質量。因此，儲能變換器轉換效率、充放電精度、輸出側電能質量對微電網高效穩定運行至關重要。重要分布式能源光伏發電系統，接入微電網需要連接光伏逆變器，輸出側接入配電網，對電網的電能質量及安全運行有著很大影響。

微電網中各設備的運行狀態、運行模式對電網的電能質量和穩定運行有很大影響，因此，對其相關性能指標的技術檢測十分重要。例如光伏系統，通過光伏組件產生的直流電輸入至光伏逆變器，光伏逆變器將其轉換為交流電接入電網，并通過控制輸出電流電壓的振幅、頻率、波形等實現電站的高效安全、綠色環保運行等多重目標。為此，文獻[14]提出了24項性能測試項目。針對檢測指標，以主要指標轉換效率、諧波、功率因數為例說明。

3.1 逆變器轉換效率測試技術

轉換效率是檢測并網設備效率的重要指標，轉換效率的高低決定了該并網設備的運行效率。轉換效率檢測原理如式（1）所示。

其中，Pac為逆變器輸出功率，Pdc為逆變器直流側輸入功率。

檢測儀表一端連接輸出的三相交流電壓和電流，另一端連接輸入的直流電壓和電流。目前，應用于變換器設備的效率檢測儀器較少，Fluke公司的Fluke Norma 6000系列可以完成此項工作。

3.2 設備并網電流諧波測試技術

設備在運行時，輸出至配網的電能質量至關重要。如諧波電流會影響相關設備運行，使電能質量偏離標準，影響整個配網系統的可靠性。在進行并網設備諧波監測時，測量位置應位于設備輸出側與電網相連的線路上。文獻[15]得到國內各次諧波電流含有率限值。

諧波測試技術已非常成熟，各廠家型號的檢測儀器精度越來越高，其中，Fluke公司的Fluke 1742、1746和1748電能質量檢測儀表可檢測電壓電流諧波單次達到50次，可進行諧波和間諧波檢測即諧波畸變率測試。

3.3 電能質量檢測技術

電能質量通常包括功率因數、三相電壓電流不平衡度、電壓波動、電壓閃變、電壓偏差、頻率波動等。

施耐德電氣在電能質量檢測儀表方面具有成熟的經驗，其應用案例眾多，系統管理應用在酒店及商業建筑、醫院、制造業工廠、地鐵及軌道交通等領域。其中，ION9000集電力參數測量（帶數據記錄）、電能質量分析、波形記錄、報警和I/O于一身，廣泛應用于工業和各個關鍵電力應用場合，常用于檢測配網進線10 kV電能質量，具有記錄數據和事件、監視波形變化的功能，實現斷路器狀態遙信和遙控，從而實現電力參數全面監視；PM8000是施耐德電氣新一代檢測儀表，能夠實現低一級進線母線的監視，具有記錄數據和事件、監視波形變化的功能，實現斷路器狀態遙信和遙控，從而實現電力參數全面監視；PM5000系列電力參數測量儀表對一級負荷、二級負荷的電力參數和諧波含量監視，實現斷路器狀態監測。

4 檢測平臺的研究現狀與展望

4.1 平臺總體結構概述

檢測平臺通常由一次系統、二次系統和檢測平臺3部分組成。以光伏逆變器測試平臺為例，其一次系統、二次系統如圖1所示。

圖1 光伏并網逆變器測試系統

4.2 檢測平臺硬件與軟件的組成與設計

硬件電路與數據采集、數據處理技術結合來實現對設備指標以及電能質量的分析與監測，可以實現現場數據采集、數據查詢、數據處理、數據自動報警等功能。硬件電路板將配電網信息實時采集，通過內部數據處理，之后傳輸至檢測平臺。

多種接口的計算系統常用于工程中實現微電網電能質量及設備的監測，其主要接口有USB接口、（串）并行接口、以太網接口等。數據采集時，可通過RS485將檢測儀表的數據傳回至監控平臺，同時部分設備也可以執行監控平臺下達的控制命令。

軟件部分的設計也極為關鍵，軟件部分的主要作用是對數據進行處理與分析。上層系統中數據采集與監視控制系統通常包括監控運營管理系統、綜合指揮調度系統、智能配電和能效管理系統及運維管理系統等，具有強大的數據分析能力，其功能特點在于：一是具有報警功能，二是方便進行實時信息的對比和分析，三是支持圖形實時打印，四是拿來即用，無需編程開發等。軟件總體原理結構如圖2所示。

圖2 系統軟件總體結構

5 結束語

微電網監測系統的建設和智能化程度的提升是電力系統發展的必然趨勢。萬物互聯提升了設備之間信息的高效互通，實現了信息的高速傳遞。隨著電力電子技術、無線通信技術、傳感技術的高速發展，未來微電網檢測平臺將愈來愈智能化。

微電網中并網設備的運行效果對于微電網、配電網影響重大。通過微電網關鍵設備智能監測系統，能夠實時監測并網設備運行效率、電能質量、設備溫度；能夠監測出微電網并網設備的故障，一旦發生異常和出現故障時，可以立即準確無誤地發出警報，通知配電工作人員故障點的具體位置，使工作人員在第一時間做出對故障的處理方案，提升配網供電可靠性；針對不同類型設備以及同類型設備處于微電網不同位置時，其運行性能、所起作用各有不同，輸出側接入配電網，對配電網的電能質量及安全運行均有著很大影響。文章對交直流混聯微網檢測技術主要進行了以下分析。

a）在現有的技術條件下，對微電網電能質量檢測及并網設備性能檢測裝置進行分類，分析了其優缺點以及適用范圍，指出可聯網式和無線式檢測裝置更適應發展潮流，具有更廣闊的應用前景。

b）總結歸納了關于微電網并網設備的國內外檢測技術及規范，確定了設備運行檢測指標，為微電網監測提供理論基礎。

c）介紹了微電網并網設備監測指標的測試方法，分析了各指標技術特點及現階段成熟的檢測儀表廠家型號。

d）總結了現有檢測平臺的基本結構、硬件以及軟件的開發與組成及軟件總體原理結構，指出微電網檢測平臺未來的發展趨勢，底層設備與底層設備，底層設備與中間層、上層的聯系將更加緊密、雙向化，檢測平臺將向智能化的方向不斷發展。