適應(yīng)分布式發(fā)電的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)

付學(xué)謙，陳皓勇，金小明

(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州市 510640;2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州市 510080)

0 引言

分布式發(fā)電(distributed generation，DG)一般定義為配電網(wǎng)或電網(wǎng)用戶側(cè)的電力生產(chǎn)［1］。分布式發(fā)電功率在幾十kW到幾十MW范圍內(nèi)，能夠經(jīng)濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電［2］。在近幾年，分布式發(fā)電被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，尤其是配電系統(tǒng)的末端［3］。嵌入電力系統(tǒng)的分布式發(fā)電主要具有以下優(yōu)點(diǎn)［4-6］。

(1)技術(shù)優(yōu)勢(shì):可以減少電力線路損耗，提高電能質(zhì)量、供電可靠性、能源管理水平和能源效率;

(2)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì):可以減少電力系統(tǒng)建設(shè)的投資成本;

(3)環(huán)境優(yōu)勢(shì):可再生能源是分布式發(fā)電的主要能源來源，因此有利于降低碳排放量。

根據(jù)中國(guó)南方電網(wǎng)公司“智能電網(wǎng)”的建設(shè)規(guī)劃，分布式電源、電動(dòng)汽車、可再生能源、智能小區(qū)建設(shè)等將成為電力公司業(yè)務(wù)拓展的重要方向，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)作為電力企業(yè)的專業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，需要對(duì)新型業(yè)務(wù)接入技術(shù)進(jìn)行充分研究，滿足各類電力數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、應(yīng)用的要求，對(duì)營(yíng)銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)及能效平臺(tái)進(jìn)行有力支撐。

文獻(xiàn)［7］介紹了適應(yīng)智能電網(wǎng)的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施方案。文獻(xiàn)［8］和［9］介紹了計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)在電力營(yíng)銷中的作用。中國(guó)南方電網(wǎng)公司不斷推進(jìn)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)，包括存儲(chǔ)、安全防護(hù)、主站性能等技術(shù)［10-13］。與傳統(tǒng)的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)不同，新一代計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以適應(yīng)分布式電源的營(yíng)銷業(yè)務(wù)的需要。本文從廣州電網(wǎng)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)狀和分布式能源營(yíng)銷業(yè)務(wù)特性出發(fā)，對(duì)新一代計(jì)量自動(dòng)化主站系統(tǒng)軟件功能配置、數(shù)據(jù)采集、線損率、DG上網(wǎng)電量監(jiān)測(cè)及分析和DG離網(wǎng)(并網(wǎng))時(shí)間統(tǒng)計(jì)等幾方面進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。

圖1 計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)Fig.1 Business architecture of MAS

適應(yīng)分布式發(fā)電的新一代計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)可以滿足用戶側(cè)分布式電源接入的數(shù)據(jù)采集需求，實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電電能管理可監(jiān)測(cè)、可控制，滿足分布式發(fā)電客戶的電力能源需求，加強(qiáng)電力企業(yè)與客戶的服務(wù)交互，提高對(duì)客戶的服務(wù)質(zhì)量。

1 計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)概述

為加強(qiáng)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)(metering automatic system，MAS)的運(yùn)行管理工作，中國(guó)南方電網(wǎng)公司對(duì)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)、計(jì)量自動(dòng)化主站系統(tǒng)、通信通道和計(jì)量自動(dòng)化終端進(jìn)行了明確定義。

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)指對(duì)電廠、變電站、公變、專變、低壓用戶等發(fā)電側(cè)、供電側(cè)、配電側(cè)和售電側(cè)電能量等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)采集、監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析功能的系統(tǒng)，由計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)主站、通信通道、計(jì)量自動(dòng)化終端組成，包括廠站電能量計(jì)量遙測(cè)、負(fù)荷管理、配變監(jiān)測(cè)、低壓集抄等模塊。

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)主站指接入各類計(jì)量自動(dòng)化終端的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是整個(gè)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的信息采集與控制中心，通過遠(yuǎn)程通信通道對(duì)計(jì)量自動(dòng)化終端的信息進(jìn)行采集和控制，并進(jìn)行分析、綜合處理和電能量數(shù)據(jù)發(fā)布。

通信通道指計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)主站與計(jì)量自動(dòng)化終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，包括無線公網(wǎng)、電話撥號(hào)、專線、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)等。

計(jì)量自動(dòng)化終端指負(fù)責(zé)各級(jí)計(jì)量點(diǎn)電能信息的采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)傳輸以及執(zhí)行或轉(zhuǎn)發(fā)主站下發(fā)的控制命令的設(shè)備。按應(yīng)用場(chǎng)所可分為廠站電能量采集終端、負(fù)荷管理終端、配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端、低壓集中抄表終端(包括集中器、采集終端)等類型。

2 廣州電網(wǎng)MAS和DG現(xiàn)狀

廣州供電局有限公司計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)通過與營(yíng)配一體化平臺(tái)、營(yíng)銷系統(tǒng)接口的建立，將數(shù)據(jù)集成平臺(tái)作為計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的檔案信息來源，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)共享，提高了計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)與相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的檔案一致性與數(shù)據(jù)共享性，保證了企業(yè)數(shù)據(jù)的可規(guī)劃性、可重用性和穩(wěn)定性，同時(shí)為進(jìn)一步的系統(tǒng)間流程集成工作奠定了良好的基礎(chǔ)。廣州電網(wǎng)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖1所示。廣州電網(wǎng)共接入124座小水電發(fā)電廠，共178.989 MW，對(duì)廣州電網(wǎng)削峰填谷提供了有力支持。對(duì)于小水電站，廣州電網(wǎng)安裝了負(fù)荷管理終端進(jìn)行控制、監(jiān)控和采集數(shù)據(jù)。廣州大學(xué)城光伏發(fā)電站年發(fā)電量可達(dá)300萬kW·h，安裝負(fù)荷管理終端作為專變用戶管理。

3 新一代MAS系統(tǒng)

3.1 功能部署

為滿足接入分布式能源營(yíng)銷業(yè)務(wù)和其他計(jì)量業(yè)務(wù)管理的需要，本文設(shè)計(jì)了以計(jì)量應(yīng)用中心、運(yùn)維監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)管理中心、分布式發(fā)電業(yè)務(wù)中心4個(gè)層次結(jié)構(gòu)為目標(biāo)的新一代計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)。新一代計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)整體功能部署方案如圖2所示。

圖2 軟件功能配置Fig.2 Configuration of software function

新一代計(jì)量自動(dòng)化主站系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能分別部署在安全I(xiàn)I區(qū)、安全I(xiàn)II區(qū)，其中，核心功能應(yīng)用如Web應(yīng)用功能、GPRS通道數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算服務(wù)、外部接口服務(wù)等均部署在安全I(xiàn)II區(qū)，廠站遙測(cè)數(shù)據(jù)采集前置部署在安全I(xiàn)I區(qū)。

新一代計(jì)量自動(dòng)化主站系統(tǒng)各功能部署說明:

(1)遙測(cè)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)對(duì)已安裝廠站遙測(cè)終端并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的變電站、大電廠的計(jì)量數(shù)據(jù)采集功能。由于各廠站的計(jì)量數(shù)據(jù)是通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)(或?qū)＞€網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行傳輸，因此遙測(cè)數(shù)據(jù)采集服務(wù)的數(shù)據(jù)采集部署在安全I(xiàn)I區(qū)。

(2)分布式發(fā)電(小火電、小熱電、光伏發(fā)電和小水電廠)、大用戶、配變臺(tái)區(qū)以及低壓集抄采集是實(shí)現(xiàn)接收這類終端自動(dòng)上報(bào)的數(shù)據(jù)以及主動(dòng)下發(fā)抄表任務(wù)的功能，通過GPRS通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，針對(duì)這部分用戶的數(shù)據(jù)采集服務(wù)部署在安全I(xiàn)II區(qū)。

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)部署在安全I(xiàn)II區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)子系統(tǒng)的電能量數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及各種業(yè)務(wù)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)，并給主站系統(tǒng)的各業(yè)務(wù)功能提供數(shù)據(jù)訪問，并與其他第三方業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

(4)數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)部署在安全I(xiàn)II區(qū)，實(shí)現(xiàn)所有計(jì)量點(diǎn)電能量數(shù)據(jù)的計(jì)算，各種電量數(shù)據(jù)、線損數(shù)據(jù)的疊加計(jì)算等。

(5)系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能應(yīng)用服務(wù)部署在安全I(xiàn)II區(qū)，實(shí)現(xiàn)主站系統(tǒng)的采集中心功能、數(shù)據(jù)中心功能、應(yīng)用中心功能和安全與管理中心功能等。

(6)信息集成平臺(tái)部署在安全I(xiàn)II區(qū)，實(shí)現(xiàn)主站系統(tǒng)與其他第三方業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。

3.2 數(shù)據(jù)采集

圖3 10 kV饋線線路Fig.3 10 kV feeder line

分布式電源數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)思想:要具有自動(dòng)組網(wǎng)功能、具有通信中繼功能、抗網(wǎng)絡(luò)攻擊功能;具有多重抗干擾技術(shù)并保持實(shí)時(shí)在線和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確;可自動(dòng)適應(yīng)多重通信規(guī)約;應(yīng)滿足分布式能源采集數(shù)據(jù)的要求。

配電網(wǎng)和分布式電源之間應(yīng)有易于獲取、可自鎖和可間斷的隔離裝置，該隔離裝置的控制節(jié)點(diǎn)由分布式電源數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行控制。

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制用戶側(cè)分布式電源、儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行信息，包括分布式電源接入點(diǎn)電壓、電流、功率、頻率、電能量、開關(guān)狀態(tài)、故障情況等。

3.3 線損率

基于線損“四分”管理的電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)考慮分布式電源接入帶來的影響。由于分布式電源的接入，配電網(wǎng)成為有源網(wǎng)絡(luò)，變電站10 kV饋線線路如圖3所示。

DG電源既有自用電量又有發(fā)電量。當(dāng)DG發(fā)出電量大于該饋線用電量時(shí)還會(huì)向變電站倒送電。因此，關(guān)口表A和DG接入點(diǎn)D不僅有正向有功電量還有反向有功電量?？梢园袲G電源和關(guān)口表連接點(diǎn)等效為提供有功的電源和負(fù)荷2部分，如圖4所示。

圖4 10 kV饋線線路等效電路Fig.4 Equivalent circuit of 10 kV feeder line

含DG的10 kV饋線線路線損率計(jì)算公式:

3.4 DG上網(wǎng)電量監(jiān)測(cè)及分析

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)對(duì)分布式能源的上網(wǎng)(下網(wǎng))電量和負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如對(duì)小水電站的豐枯電量、負(fù)荷、無功潮流進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)，并支持小水電中期電量預(yù)測(cè)。針對(duì)分布式電源監(jiān)測(cè)的主要功能有:

(1)對(duì)小水電廠、風(fēng)電場(chǎng)、用戶儲(chǔ)能等上網(wǎng)能源進(jìn)行監(jiān)測(cè);

(2)對(duì)小水電豐枯電量對(duì)比統(tǒng)計(jì)，月度(季度、年度)電量對(duì)比統(tǒng)計(jì);

(3)提供圖形化展示(負(fù)荷以曲線圖展示、電量以柱狀圖展示);

(4)根據(jù)年歷史數(shù)據(jù)、天氣等外部情況進(jìn)行小水電發(fā)電量的中期預(yù)測(cè)。

3.5 DG離網(wǎng)(并網(wǎng))時(shí)間統(tǒng)計(jì)

配電系統(tǒng)繼電保護(hù)從速動(dòng)性上一般很難保證故障后異步發(fā)電機(jī)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，因此，現(xiàn)有分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)一般要求故障后切除異步發(fā)電機(jī)［14-15］。異步發(fā)電機(jī)在小水電站和風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用很廣泛。計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)建立分布式電源離網(wǎng)(并網(wǎng))時(shí)間自動(dòng)統(tǒng)計(jì)邏輯判斷方案。

對(duì)于有告警事件上報(bào)的分布式發(fā)電離網(wǎng)(并網(wǎng))事件，邏輯判斷的步驟如下:

(1)采集告警信息，并修正告警時(shí)刻。計(jì)量自動(dòng)化主站采集到終端實(shí)時(shí)主動(dòng)上報(bào)的離網(wǎng)(并網(wǎng))告警事件時(shí)，自動(dòng)判斷告警時(shí)刻與主站時(shí)鐘的偏差，如偏差較大(默認(rèn)60 s，偏差閾值可設(shè)置)，將終端記錄的離網(wǎng)(并網(wǎng))告警時(shí)刻點(diǎn)修正為終端上傳告警事件時(shí)的主站時(shí)刻點(diǎn)。

(2)告警事件初步過濾。每天凌晨在計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)中15 min凍結(jié)任務(wù)數(shù)據(jù)的補(bǔ)采任務(wù)完成之后，對(duì)前一天的告警事項(xiàng)進(jìn)行過濾，提取出有用的離網(wǎng)(并網(wǎng))信息。有效離網(wǎng)(并網(wǎng))告警判斷:1)針對(duì)主站記錄的離網(wǎng)事件，對(duì)下一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)(15 min電壓、電流、功率、心跳數(shù)據(jù))進(jìn)行判斷，DG采集終端仍然在線，并且數(shù)據(jù)在正常的工作電壓、電流范圍內(nèi)的這部分離網(wǎng)告警認(rèn)為是無效的離網(wǎng)告警;2)針對(duì)主站記錄的并網(wǎng)告警，對(duì)下一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)(15 min電壓、電流、功率、心跳數(shù)據(jù))進(jìn)行判斷，DG采集終端不在線、電壓低于正常工作范圍或數(shù)據(jù)無效的這部分并網(wǎng)告警認(rèn)為是無效的并網(wǎng)告警。

(3)單邊過濾離網(wǎng)(并網(wǎng))告警事件。1)只有離網(wǎng)沒有并網(wǎng)告警，根據(jù)電壓、電流等運(yùn)行數(shù)據(jù)判斷，一旦有正常的運(yùn)行數(shù)據(jù)，則為并網(wǎng)，作為DG并網(wǎng)時(shí)刻;2)只有并網(wǎng)，沒有離網(wǎng)告警，根據(jù)并網(wǎng)時(shí)間點(diǎn)往前推移，尋找最近一個(gè)有運(yùn)行數(shù)據(jù)的點(diǎn)，則為DG離網(wǎng)的時(shí)間點(diǎn)。

(4)進(jìn)行離網(wǎng)(并網(wǎng))事件的確認(rèn)配對(duì)。通過以上步驟即可判斷出DG離網(wǎng)(并網(wǎng))的起始時(shí)間，可將過濾后的結(jié)果作為離網(wǎng)(并網(wǎng))記錄輸出。

通過上述告警信息結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)的方案得出DG的離網(wǎng)(并網(wǎng))時(shí)間，通過接口將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到集成信息平臺(tái)，調(diào)度系統(tǒng)由集成信息平臺(tái)取得信息進(jìn)行二次離網(wǎng)(并網(wǎng))時(shí)間校驗(yàn)并給出最終的離網(wǎng)(并網(wǎng))時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

4 結(jié)語

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)是南方電網(wǎng)公司電網(wǎng)智能化在用電環(huán)節(jié)的重要應(yīng)用，通過計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)，可以促進(jìn)智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的發(fā)展。廣州電網(wǎng)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展方向如下:

(1)在保證與現(xiàn)有的中國(guó)南方電網(wǎng)計(jì)量自動(dòng)化通信規(guī)約兼容的情況下，開發(fā)滿足分布式發(fā)電接入和電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)等新型營(yíng)銷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集需求的終端。

(2)建設(shè)以數(shù)據(jù)抽取、異常分析、質(zhì)量審核、發(fā)布監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享五大模塊為平臺(tái)的廣州電網(wǎng)電能量數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)主站。

［1］Ackerman T，Anderson G， SoderL. Distributed generation: a definition［J］.Electic Power System Research，2001，57(3):195-204.

［2］王志群，朱守真，周雙喜，等.分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(16):56-60.

［3］Katiraei F，Iravani M R，Sluis L.Micro-grid autonomous operation during and subsequent to islanding process［J］.IEEE Transaction on Power Delivery，2005，21(1):248-257.

［4］Nikkhajoei H，Lasseter R H.Distributed generation interface to the CERTS microgrid［J］.IEEE Transaction on Power Delivery，2009，24(3):1598-1608.

［5］Chiradeja P.Benefit of distributed generation:a line loss reduction analysis［C］//2005IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition，Dalian，2005:1-5.

［6］Haghifam M R，Hadian A.Distribution system adequacy assessment with cosideration of stochastic distributed generation［C］//Proceedings of IEEE 11th International Conference，Singapore，2010:553-557.

［7］梁洪浩，武占河，江大川.適應(yīng)智能電網(wǎng)的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施方案設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)與儀表，2012，49(3):50-53.

［8］陳蔚文，楊勁鋒，肖勇.電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)在電力營(yíng)銷中的應(yīng)用［J］.廣東電力，2012，24(12):117-120.

［9］陳海峰，竺軍，李偉華.電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)在電力營(yíng)銷中的應(yīng)用成效［J］.電測(cè)與儀表，2011，13(1):68-70.

［10］王勇，楊勁鋒，申妍華.大型供電企業(yè)電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.電測(cè)與儀表，2011，48(551):63-71.

［11］梁洪浩，丁國(guó)茂.面向未來電網(wǎng)的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)研究［J］.廣東電力，2012，25(4):22-24.

［12］鐘清，程瑛，王振宇，等.廣東電網(wǎng)電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)安全防護(hù)研究［J］.廣東電力，2012，40(9):134-138.

［13］楊勁鋒，肖勇，伍少成.計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)主站性能測(cè)試應(yīng)用研究［J］.電測(cè)與儀表，2010，47(536A):77-81.

［14］Kauhaniemi K，Kumpulainen L.Impact of distributed generation on the protection ofdistribution networks［C］ //Eighth IEEE International Conference on Developments in Power System Protection，2004.

［15］王希舟，陳鑫，羅龍，等.分布式發(fā)電與配電網(wǎng)保護(hù)協(xié)調(diào)性研究［J］.繼電器，2006，34(3):15-19.