考慮采用基于PMU的DMS來連接和管理DG的方案理念的設計

鄭 真 馬曄暉

（上海電力學院 電氣工程學院，中國 上海 200090）

0 前言

為了達到世界對再生能源的立法標準，需要相當大比例的新能源系統(tǒng)連接到配網(wǎng)中。例如在中國，據(jù)預測，為了滿足2020年的目標，配電網(wǎng)絡將有望連接50GW以上分布式發(fā)電（DG），而歐洲國家的英國預計為10GW[1]。

一直以來，分布式發(fā)電的連接沒有積極的管理，可連接的發(fā)電容量也有限，它可以不受所網(wǎng)絡運行情況的約束而工作，本文把這種較為獨立的狀況稱為“適應與淘汰”機制。這種限制情況（包括強風和電網(wǎng)低負荷同時發(fā)生）決定了DG并網(wǎng)的容量。因此，“適應與淘汰”機制并沒有有效地利用網(wǎng)絡，而經(jīng)費和延誤導致了許多配網(wǎng)不愿投資該類項目，致使目標無法實現(xiàn)。另一種方法可稱之為“連接與管理”模式，在這種模式下只有在當它被削減時才需要考慮網(wǎng)絡的限制。根據(jù)這一理念，配電網(wǎng)絡具備了可以容納更多分布式發(fā)電容量的水平，并且可以適度進行縮減。這種模式如果想要被廣泛采用，還需要新的實踐和檢測。但是“集中和分散”控制相結合的原則是需要堅持的，一個配電管理系統(tǒng)的關鍵是集中監(jiān)督控制，而分散控制涉及到DMS對自治區(qū)的測量和獨立運作的控制，這對于通知電網(wǎng)監(jiān)控人員監(jiān)測具體的網(wǎng)絡行為和狀態(tài)是非常有用的。本文探討了如何在“集中和分散”原則的指導下充分利用PMU在DMS中“連接和管理”分布式發(fā)電（DG），最終目標是使得基于PMU的先進DMS能夠使DG在保持供電質(zhì)量和供電安全的同時，亦可大幅提高適應分布式發(fā)電的能力。

1 PMU技術在方案中的應用

同步相量測量（PMU）技術運用GPS技術，能夠準確地從電壓和電流的正弦信號中提取幅度和相位。由于時間同步，在電網(wǎng)中不同線路的相量可以被同時比較。與傳統(tǒng)的連續(xù)SCADA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比的優(yōu)點是PMU能夠獲取SCADA不能獲取的相位信息，且速度更快[2]。

PMU已經(jīng)被廣泛應用于輸電網(wǎng)系統(tǒng)中。這個概念最初是發(fā)達國家在20世紀80年代提出來，但是在2005年修訂IEEE標準后才普遍得到應用。在同步相監(jiān)控系統(tǒng)中，子站獲取數(shù)據(jù)，然后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，在那里將進行分析數(shù)據(jù)和存儲。相量數(shù)據(jù)以及其他派生的可視化信息將被控制或被轉發(fā)到其他系統(tǒng)，其中包括配電管理系統(tǒng)（DMS）。本文涉及的方案重點就在于將PMU測得的相量數(shù)據(jù)輸入到DMS，然后得到配電系統(tǒng)、負荷和發(fā)電側的詳細信息，主要利用相角差等關鍵信息進行可再生能源的連接與管理[3]。

2 利用PMU進行DG并網(wǎng)整合方案的設計

針對DG整合，本文提出了一種三層次結構分析方案，該方案以逐步遞進的方式展示了如何充分利用PMU和DMS，進而最大限度地使DG在保持供電質(zhì)量和供電安全的同時，也能大幅增加配電網(wǎng)絡適應和連接DG的能力[4]。

2.1 一層整合——PMU信息的獲取

首先要解決的問題是提供實時的DG能源的可觀察性。新的DG能源通常要求能夠提供實時的自動測量記錄，典型的是通過DNP 3.0（國際電子電工協(xié)會IEC的TC57協(xié)議基礎上制定的通信規(guī)約）使用DMS系統(tǒng)的SCADA功能。而對于現(xiàn)有的DG能源，并不能夠進行自動測量記錄。要準確估計DG引入電網(wǎng)情況，正確認識電網(wǎng)狀態(tài)是問題的關鍵。但是即使在95%的風力發(fā)電是連接到配電網(wǎng)（20千伏）的法國[8]，這其中也只有75%的產(chǎn)品是可以自動測量記錄的，其余25%是根據(jù)規(guī)則和配備了遙測裝置的DG估計的。為了解決這個問題，可以開發(fā)出一個應用軟件平臺，可接收來自PMU的實時測量相量數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)實時風力引入的可觀察性，也可有效地對不同粒度如對風力發(fā)電機組、風力發(fā)電場、變壓器、風束或配電控制區(qū)的的監(jiān)測和警示。

同步相量測量對于提高配電系統(tǒng)的可觀察性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面中：

1）更快的測量速度，提供更詳細的網(wǎng)絡操作。例如在快速變化時，引起瞬時的或周期的電能質(zhì)量問題無法在傳統(tǒng)的SCADA/RTU測量中觀察到。

2）先進的配網(wǎng)狀態(tài)估計和網(wǎng)絡負荷的觀察。電網(wǎng)容納DG的能力取決于負荷和發(fā)電的實際狀態(tài)。在配電系統(tǒng)中，負荷的實時數(shù)據(jù)變化無常，但同步相量測量可實時提供簡明的信息，以觀察監(jiān)控節(jié)點和相鄰節(jié)點。

3）可得到詳細的分析信息。例如，評估網(wǎng)絡的短路容量[2]。

其次，得到配電系統(tǒng)負荷的詳細信息也是有價值的，因為這對于確定現(xiàn)狀網(wǎng)絡狀態(tài)和確定網(wǎng)絡的規(guī)劃目標都十分重要。高時間分辨率的同步相量詳細數(shù)據(jù)若與其他數(shù)據(jù)源集成，可以更加顯著提高可用信息的準確性。

2.2 二層整合——考慮DMS對PMU信息的反映與功能設定

DG能源的二層整合需要對PMU信息進行反映，并實現(xiàn)利用其信息的功能設定。

1）考慮必須整合“智能”設備（如自動重合閘設備或可遠程控制切換設備）并幫助維持電網(wǎng)安全供電的功能。這樣的設備建立并整合一層整合里陳述的應用程序和用戶界面，針對目前狀況的新設備，也可以重新配置網(wǎng)絡的拓撲結構和進行后續(xù)的中斷恢復。

2）考慮位于DG的發(fā)電機控制器需要有能被連接到DG能源的輔助服務能力，如電壓支持。有源電壓控制減緩電壓上升問題，進而有效地限制了DG可連接的程度。考慮該應用軟件的功能需包含了一個電壓無功控制VCC提供對配電網(wǎng)絡中無功功率的控制，以優(yōu)化饋線損失(例如，最小損耗或電壓曲線跟隨)。VCC功能可以考慮到所有有源和無源VAR支持設備，包括DG能源。

3）考慮必須要能實現(xiàn)間歇發(fā)電的縮減功能。例如，由于得到了負荷與發(fā)電的準確實時有用信息。一些高風力與低負荷情況下需要減少由于網(wǎng)絡安全原因或阻塞管理導致的部分風力生產(chǎn)?？s減指令被保存在審計記錄中，以支持解決條件。

4）考慮DG的整合應該要包含在并網(wǎng)模式或孤島模式下運行微電網(wǎng)的能力。一個微網(wǎng)由幾種荷載(可控或不可控)、DG能源和配電饋線構成，可以平衡微網(wǎng)操作單位。目前大多數(shù)政策不允許獨立操作微網(wǎng)，需要快速斷開DG故障以保證電能質(zhì)量安全問題。

5）預計在不久的將來，負載在網(wǎng)絡管理中的作用將顯著增加。這將提供新的機會協(xié)調(diào)發(fā)電和負荷管理，該功能的整合需要實現(xiàn)既能更為高效地連接，也能穩(wěn)定獨立運營微網(wǎng)。

2.3 三層整合——考慮由DG輸出引起的潛在問題的評估

三層整合一方面要確定由DG輸出引起的潛在問題，另一方面要提供應對這些威脅的信息。本文考慮到如下幾個方面。

1）考慮安全分析。這包括了三相負荷潮流計算以及安全限制監(jiān)控，以確保電網(wǎng)在電能質(zhì)量和電壓/無功調(diào)節(jié)限制內(nèi)運行，并且運營標準取決于監(jiān)管法。

2）考慮短路分析。用于監(jiān)測故障電流等級并檢查設備校正的兼容性，包括DG的故障貢獻。

3）考慮故障隔離與恢復。用于支持停電恢復與饋線重新配置部署，考慮到DG以及人員安全的運營切換計劃的管理。

4）考慮仿真模擬。不同負荷/發(fā)電情況下網(wǎng)絡狀態(tài)的研究與模擬，有一個DG預測引擎的無縫接口和強大的模擬器。這幫助操作人員的培訓以及基于預測數(shù)據(jù)的現(xiàn)實場景的網(wǎng)絡研究。

5）考慮配套服務。為發(fā)展短期策略，需開發(fā)一個隨機最優(yōu)模型，以減輕因風力發(fā)電間歇性而引起的不確定性。提出應對平衡風力發(fā)電變化的最佳策略，以保證能夠對大風和低負荷等情況作出響應。

3 結論

具有挑戰(zhàn)性的DG連接目標需要用管理網(wǎng)絡的創(chuàng)新技術解決方案來實現(xiàn)。PMU的出現(xiàn)，為管理整合與運作DG連接方面的重大變化帶來新思路。同步相量測量信息結合開發(fā)的監(jiān)測應用程序，完成的協(xié)調(diào)控制功能對執(zhí)行DMS對DG連接來說是新的思路和方法，補充了DMS的不足之處。

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