構(gòu)建堅強智能電網(wǎng)：儲能與智能配電網(wǎng)自動化設(shè)備的應(yīng)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(jīng)在業(yè)內(nèi)推進了近20年的時間，但當人們談?wù)摻ㄔO(shè)智能電網(wǎng)時，大多數(shù)人還是會僅僅想到為家庭以及商業(yè)用戶安裝智能電表。

在這20年的推進中，其中一個重要的創(chuàng)新就是“可自愈的配電網(wǎng)”，它指的是在配網(wǎng)中各智能開關(guān)和保護設(shè)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(tǒng)一調(diào)度。若在自愈系統(tǒng)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(lián)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(jīng)實施了多個高質(zhì)量的儲能項目以解決多樣的配電網(wǎng)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(wǎng)重要部分的目標；

(2) 量化將大規(guī)模兆瓦級的儲能作為配電站以及配電線路的調(diào)節(jié)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(wǎng)中的作用，在配電網(wǎng)上游出現(xiàn)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(guī)模儲能設(shè)備配合分布式智能系統(tǒng)可以大幅改善配電網(wǎng)的服務(wù)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(wǎng)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(shù)的燃料電池或者其他儲能系統(tǒng)。對于市電缺失，波動或者故障的配電網(wǎng)絡(luò)來說，具備孤島能力可以提高系統(tǒng)可靠性，將突發(fā)事件對系統(tǒng)的影響降到最低。

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

(1) 配電線路較老較舊的負荷中心；

(2) 植被茂盛的區(qū)域（茂盛的植物接觸到配電線，容易引起線路停電）；

(3) 頻發(fā)極端災(zāi)害天氣的區(qū)域（颶風(fēng)，暴雨等）。

孤島的經(jīng)濟價值

當故障發(fā)生后，智能孤島將為配電網(wǎng)帶來諸多的好處。

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

(2) 資源優(yōu)化：孤島效應(yīng)可以優(yōu)化重構(gòu)過程，使得有限的人力以及資源可以專注于優(yōu)先恢復(fù)非孤島區(qū)域。

(3) 延緩?fù)顿Y：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(tǒng)建設(shè)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(xiàn)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(xiàn)孤島呢？”美國電力公司（AEP）經(jīng)過分析大量數(shù)據(jù)，認為以下兩種方法是實現(xiàn)分布式電源孤島的可行辦法：1）自適應(yīng)動態(tài)孤島(ADI，Adaptive Dynamic Islanding )；2)離散動態(tài)孤島(DDI，Discrete Dynamic Islanding)。

自適應(yīng)動態(tài)孤島（ADI，Adaptive Dynamic Islanding）

自適應(yīng)動態(tài)孤島（ADI）依賴電力公司通過遠程控制智能電表系統(tǒng)（AMI：Advanced Metering Infrastructure）來“接入”或者“切除”獨立用戶。一旦智能電表系統(tǒng)覆蓋足夠大的區(qū)域，自適應(yīng)的動態(tài)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(yīng)動態(tài)孤島（ADI）

圖2 不同負荷狀態(tài)下的自適應(yīng)動態(tài)孤島

自適應(yīng)動態(tài)孤島的理念是，當智能電表系統(tǒng)（AMI）得到足夠的發(fā)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(yī)院，警察局以及消防隊等優(yōu)先恢復(fù)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(tǒng)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(tǒng)來遠程連接和斷開獨立負荷，使得儲能系統(tǒng)利用最優(yōu)化。

圖3 離散動態(tài)孤島（DDI）

在自適應(yīng)動態(tài)孤島方案（ADI）中，根據(jù)儲能系統(tǒng)的容量情況，來調(diào)整用戶數(shù)量是很容易實現(xiàn)的。在負荷較低時，儲能系統(tǒng)足以支撐整個孤島中的負荷運轉(zhuǎn)。若儲能系統(tǒng)不足以支撐整個孤島的負荷3運轉(zhuǎn)，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(qū)域中，智能電表系統(tǒng)（AMI）的普及率都不足以實現(xiàn)自適應(yīng)動態(tài)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(xiàn)對負載控制的需求。

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

離散動態(tài)孤島（DDI）以遠程控制部分電網(wǎng)（饋線）區(qū)域來替代自適應(yīng)孤島（ADI）中的獨立用戶控制。這種形式的孤島使得利用現(xiàn)有的通信以及控制系統(tǒng)配合分布式智能來控制分段開關(guān)以及保護設(shè)備來隔離故障以及重構(gòu)更加易于實現(xiàn)。美國電力公司（AEP）決定利用這種方案來評估孤島技術(shù)的可行性。值得注意的是，在智能電表系統(tǒng)（AMI）存在的區(qū)域內(nèi)，離散動態(tài)孤島（DDI）作為自適應(yīng)動態(tài)孤島（ADI）的補充而存在。當上游發(fā)生故障時，這兩種方法都能有效的實現(xiàn)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(tǒng)管理。經(jīng)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(tǒng)可以緩解區(qū)域的供電壓力。每一套儲能系統(tǒng)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(guān)，每一處的孤島容量可以達到2MW。

納入到孤島方案的配電設(shè)備包含智能分段開關(guān)以及兩臺智能重合器（IED，Intelligent Electronic Device）。配網(wǎng)自動化（DA,Distributed Automation）方案已經(jīng)非常成熟了，結(jié)合孤島應(yīng)用，可以對其進行必要的改進，使其適應(yīng)新的應(yīng)用。此項目將深入研究孤島結(jié)合NaS電池儲能技術(shù)的相關(guān)問題，進行配合分析，加載和歷史數(shù)據(jù)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(fù)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(shù)以及環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)。

因為Ball Gap 的輻射型線路，沒有可用的備用電源，所以一旦發(fā)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(shù)據(jù)的分析之后，發(fā)現(xiàn)大部分的停電事故都發(fā)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(tǒng)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(qū)域的服務(wù)可靠性，配合這一目的的一系列計劃包含：1）建設(shè)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(shè)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(qū)的居民仍將忍受由于永久故障導(dǎo)致的長時間的停電。

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

圖4 Balls Gap/Grassy Fork 線路圖

圖5 單線圖

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

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

當故障發(fā)生在孤島之內(nèi)時，只要故障不是發(fā)生在儲能系統(tǒng)以及主干線之間（Sw-1；Sw-4；Sw-5），配網(wǎng)自動化系統(tǒng)（DA,Distributed Automation）判斷故障位置并將其隔離，隨后恢復(fù)儲能系統(tǒng)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(wǎng)自動化系統(tǒng)（DA, Distributed Automation）配合下實現(xiàn)的，這樣的應(yīng)用形式增強了離散動態(tài)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(shè)備（IED，Intelligent Electronic Device）配合開放架構(gòu)的分布式自動化系統(tǒng)（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(tǒng)。

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

圖7 Balls Gap儲能系統(tǒng)（2MW/7.2MWh）

結(jié)論

在實際線路故障發(fā)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(xù)開展了更多的項目，在孤島（微電網(wǎng)）以及儲能方面積累了豐富的經(jīng)驗。