新時期下配電網(wǎng)新能源與多元負(fù)荷接入研究

國網(wǎng)烏魯木齊供電公司 居來提 阿不力孜 顧 銘 張振亮 魏弋然 青 華

新能源作為傳統(tǒng)能源的后備能源，是有效解決當(dāng)今社會中能源缺口問題的一個主要途徑。雖然在我國整個發(fā)電體系內(nèi)新能源發(fā)電占比偏低，但其是21世紀(jì)電力行業(yè)的中主要發(fā)展趨向，能使電力系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、靈活，故而其應(yīng)用情況也得到社會的廣泛重視。

1 配電網(wǎng)新能源與多元負(fù)荷接入的應(yīng)用現(xiàn)狀

在科學(xué)技術(shù)水平日漸發(fā)展的大時代背景下，配電網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行直接關(guān)系到廣大人民群眾的生產(chǎn)和生活，為了確保供電網(wǎng)系統(tǒng)提供的電力能源具備充足的安全性和穩(wěn)定性，國家電力管理部門緊密結(jié)合時代發(fā)展契機(jī)，投入適當(dāng)建設(shè)資金，集中為配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供了分布式能源與多元符合接入的場地，為后期可再生能源發(fā)電及電動汽車等設(shè)備多元負(fù)荷工作奠定夯實(shí)基礎(chǔ)。

2015年11月中旬，國家電網(wǎng)技術(shù)研究院會同各部門舉辦了一場電網(wǎng)經(jīng)研體系配電網(wǎng)主題交流會，并邀請了10位電力知識較多、實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)豐富的專家對相關(guān)工作展開了深入交流和探討。值得注意的是，國外西方國家對配電網(wǎng)整體的經(jīng)濟(jì)效益研究工作卻相對較少，在國外，配電網(wǎng)企業(yè)管理者更加關(guān)注配電網(wǎng)的可靠性效益及網(wǎng)損效益。

與此同時，在國家日漸倡導(dǎo)科學(xué)發(fā)展觀理念后，清潔能源的普及和推廣一直是社會廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)話題，經(jīng)過大量的模擬試驗(yàn)和實(shí)踐探索，電網(wǎng)管理人員利用合理管控技術(shù)將配電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，在后期多元負(fù)荷接入研究工作中，配電網(wǎng)管理人員還應(yīng)密切聯(lián)系配電網(wǎng)運(yùn)營的具體數(shù)據(jù)，從供電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益方面出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外成功的下配電網(wǎng)新能源與多元負(fù)荷接入方式設(shè)計(jì)科學(xué)完整的配電網(wǎng)最優(yōu)投資方案。

2 新能源接入對配電網(wǎng)形成的影響

2.1 新能源的負(fù)荷特性

近些年中，我國風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)很成熟，建設(shè)周期明顯縮短，成為了處理海島及偏遠(yuǎn)地區(qū)等供電需求相關(guān)問題的主要手段，也是一種具有很大發(fā)展空間的新能源。集中式風(fēng)力發(fā)電通常處于風(fēng)力資源較富足的地區(qū)，利用千百個風(fēng)力發(fā)電機(jī)為電網(wǎng)集中供電；而相比之下分布式風(fēng)力發(fā)電相對較分散化，通常直接被接進(jìn)本地的380V 或者10kV 配網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)。

本文提及的新能源針對的主要是配網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)常見的光伏發(fā)電、風(fēng)電以及電能儲存裝置，借此方式確保能夠在夜間或者陰雨天等沒有陽光、無風(fēng)的天氣中依然能正常的提供電能資源，且能維持電能輸送過程的穩(wěn)定性。

先對新能源與配網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)規(guī)劃，建設(shè)出由新能源主導(dǎo)的供電模式。針對新能源在配電網(wǎng)內(nèi)的最優(yōu)規(guī)劃及模型，既往國內(nèi)外發(fā)表的很多文章內(nèi)均有論述，本文的關(guān)注點(diǎn)主要集中在新能源和配電網(wǎng)共同建設(shè)時的數(shù)學(xué)模型，由充電設(shè)施與新能源共同組建成的微電網(wǎng)，對外界的配電網(wǎng)系統(tǒng)表現(xiàn)出的用電特性可以采用下式表示：。

在本式中，P(t)代表的是微電網(wǎng)對外界表現(xiàn)出的綜合用電負(fù)荷；P(ti)是充電站的用電負(fù)荷是儲能裝置內(nèi)部存儲下的能量，分別代表的是光伏發(fā)電、風(fēng)電裝置各自的發(fā)電負(fù)荷量。

2.2 對配電網(wǎng)形成的影響

對負(fù)荷預(yù)測的影響。新能源電源、特別是分布式電源，風(fēng)力、光照強(qiáng)度、溫濕度等均影響其出力情況，以致其實(shí)際出力過程摻雜著很多不確定因素、波動性很大。部分負(fù)荷節(jié)點(diǎn)接進(jìn)配電網(wǎng)以后，新能源電源成為廣大用戶的首選，在這樣的工況下負(fù)荷用電數(shù)值降低，伴隨電源接入容量的增加，形成的偏差也會加大。歷史負(fù)荷曲線是當(dāng)下規(guī)劃設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)的重要憑據(jù)，配電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐中新能源電源的應(yīng)用范疇呈不斷拓展趨勢，帶來的直接影響是歷史負(fù)荷曲線的相似性明顯跌落，負(fù)荷指標(biāo)預(yù)測的精準(zhǔn)度隨之降低，不利于配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。

對配電網(wǎng)可靠性的影響。接入新能源可能會降低電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的風(fēng)險，但也可能不利于電網(wǎng)的安穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)適當(dāng)電源容量接進(jìn)電力系統(tǒng)且選址科學(xué)時，接入新能源可能會消除一些負(fù)荷增長情況，降低潮流堵塞情況的發(fā)生率，進(jìn)而輔助電網(wǎng)輸電能力的提升過程。接入適量新能源有助于提升電力系統(tǒng)電壓水平，尤其是在系統(tǒng)無功容量不夠造成用電高峰期電壓降低時，在提升電網(wǎng)電壓方面表現(xiàn)出良好效能。一旦電網(wǎng)突發(fā)斷路故障時，新能源電源依然能維持電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)，能降低切負(fù)荷量，并且還能延緩電壓的下降速度，增強(qiáng)電壓調(diào)控能力，使系統(tǒng)電壓更具穩(wěn)定性。

對實(shí)際電網(wǎng)建設(shè)的影響。當(dāng)下，國內(nèi)大部分新能源電站是在既有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上擴(kuò)建而成的，但原始網(wǎng)架內(nèi)的很多電路不能滿足新能源接入時對電壓、繼電保護(hù)提出的要求，尤其是在初有饋線尾端直接接入分布式電源時，容易造成饋線末端電壓值顯著上升。針對以上情況，既有的處置方法有直接增加線路保護(hù)的電壓整定值，有利于減少電壓上升造成的線路跳閘情況，但此時電壓穩(wěn)定裕度會下降，配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險相應(yīng)增加。實(shí)際建設(shè)中也可以應(yīng)用電壓等級更高的線路型號，其能減少電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險，但資金投入較高、經(jīng)濟(jì)性較差。故而，應(yīng)在理論分析的基礎(chǔ)上，綜合現(xiàn)實(shí)條件編制符合區(qū)域?qū)崨r的配電網(wǎng)建設(shè)方案，這樣方能為本地區(qū)后期電網(wǎng)建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)，提高未來配電網(wǎng)系統(tǒng)的堅(jiān)強(qiáng)度。

2.3 多元化負(fù)荷及清潔能源接入存在的主要問題

多元化負(fù)荷接入。政策方面：在過去的很長一段時間中，國內(nèi)各級政府習(xí)慣把生產(chǎn)單位GDP 電耗值作為測評能源雙控效率的主要指標(biāo)，部分用戶擔(dān)心迎峰度夏及度冬期的電力資源供應(yīng)過程的穩(wěn)定性，電力企業(yè)自身也擔(dān)心新能源將傳統(tǒng)電能取代或降低生產(chǎn)效率，影響經(jīng)濟(jì)收益；電價優(yōu)惠及附加減免政策沒有全面貫徹落實(shí)，替代性或環(huán)保性補(bǔ)貼等政策支持力度尚不大；技術(shù)方面：一方面增加配電網(wǎng)供電水平及設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性是大量接入的重要基礎(chǔ)，另一方面相配套的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與法律還不完善。

清潔能源消納。技術(shù)性方面：當(dāng)下國內(nèi)電力系統(tǒng)建設(shè)過程中，沒有從多個方面分析慮新能源接入的實(shí)際需求，相關(guān)部門應(yīng)加速配電網(wǎng)適應(yīng)性與設(shè)施智能化水平的進(jìn)度，進(jìn)而更好的滿足分布式電源即插即用的實(shí)際需求；建設(shè)方面：針對分布式電源并網(wǎng)接入實(shí)踐中衍生出的外接電網(wǎng)改造項(xiàng)目，統(tǒng)統(tǒng)交由電網(wǎng)公司負(fù)責(zé)實(shí)施，在這樣的情境下發(fā)電項(xiàng)目屬于兩方所有，那么在電力工程建設(shè)實(shí)踐中要及時做好進(jìn)度、成本等要素的協(xié)調(diào)工作。

3 饋線自動化模式研究

3.1 電纜網(wǎng)饋線自動化

總體技術(shù)方案。從動作敏性、低成本性及運(yùn)轉(zhuǎn)安穩(wěn)性等角度分析問題，結(jié)合相應(yīng)結(jié)果構(gòu)建配電智能架構(gòu)?；趯Ｓ眯屯ǖ缹?shí)現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的有效保護(hù)，使DTU 之間的橫向通信效果得到更大保障。在雙纖環(huán)形組網(wǎng)模式的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)組網(wǎng)，將其設(shè)定成DTU 和配電網(wǎng)主站縱向上可靠通信的基礎(chǔ)型通路，具體是由多種光纖組建而成的，異常運(yùn)轉(zhuǎn)活動中互為主、備投入使用。

3.1.1 配套要求

一次開關(guān)裝置應(yīng)用全斷路器形式，本課題研究時建議應(yīng)用完全絕緣、絕對密封開關(guān)柜裝置，其作用主要是斷離相間短路、負(fù)荷以及零序電流。在主干與次干、分支線路上表現(xiàn)出高度適用性，可以用來配置電壓、電流互感器，將其裝設(shè)在開關(guān)柜中局部以更好地滿足分布式電源在并網(wǎng)管理控制實(shí)踐中提出的內(nèi)在需求。

通信通道自身要滿足雙信道可靠運(yùn)行的基本要求，能嚴(yán)格按照信息分信道的差異執(zhí)行通信任務(wù)，選用光纖直聯(lián)模式作為維護(hù)性信息通路，借此方式使保護(hù)性信息交互過程的安全性得到保障；信息通道和以太網(wǎng)交換機(jī)要連接成一個整體，進(jìn)而完整、安全的把相關(guān)信息傳送到匯聚中心或主站系統(tǒng)。

3.1.2 技術(shù)原理

節(jié)點(diǎn)故障電流判斷原理：具體是把和開關(guān)元件相連接的饋線視為節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)內(nèi)開關(guān)故障電流的具體流向，就能精準(zhǔn)的辨識出故障節(jié)點(diǎn)。

隔離故障點(diǎn)位前端的故障：將單個配電室設(shè)定成所屬單元，采用交互式辦法解讀單元本體內(nèi)及單元間負(fù)載電流、保護(hù)啟動等諸多信息，據(jù)此能精準(zhǔn)的判斷出區(qū)域內(nèi)外的故障發(fā)生情況，進(jìn)而在極短時間內(nèi)隔離網(wǎng)架下饋線進(jìn)線、開關(guān)母線等故障。

故障點(diǎn)后端的供電復(fù)原：在成功隔離故障節(jié)點(diǎn)以后，由建造在網(wǎng)絡(luò)開關(guān)房內(nèi)的匯聚中心執(zhí)行非故障區(qū)內(nèi)正常供電活動的恢復(fù)任務(wù)，安置在匯聚中心的DTU 接收到故障成功隔離的訊息后，科學(xué)分析線路實(shí)時運(yùn)轉(zhuǎn)情況，有針對性的完善轉(zhuǎn)供電方法，閉合主干線聯(lián)絡(luò)開關(guān)：當(dāng)待轉(zhuǎn)供電區(qū)段負(fù)載低于非故障電源節(jié)點(diǎn)的備用容量值時，會優(yōu)先啟動實(shí)際負(fù)載偏輕電源點(diǎn)；故障被成功隔離后，開關(guān)所處方位及網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)均正常，智能化復(fù)原功能正常啟用。

和主站系統(tǒng)之間的配合：當(dāng)配電系統(tǒng)運(yùn)行過程中線路沒有出現(xiàn)故障情況時，分布式終端裝置把遙測、遙信以及開關(guān)狀態(tài)信息等傳送到主站系統(tǒng)內(nèi)，以上是實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的重要基礎(chǔ)；當(dāng)線路突發(fā)故障時，配電終端開啟分布式執(zhí)行故障定位隔離以及非故障區(qū)正常供電復(fù)原任務(wù)，在以上過程中配電主站不會操作開關(guān)，僅推送故障分析以及處置信息。

3.2 架空線饋線自動化

技術(shù)方案。為處理小電流接地故障高發(fā)及傳統(tǒng)故障處理方法的不足，本文提出以一二次融合裝置為基礎(chǔ)的單相接地故障快定位隔離方法，進(jìn)而使以上問題迎刃而解；對于光纖短期無法到位及不具備敷設(shè)光纖條件的架空線路差異性，需要建造出符合不依賴后臺的重合式饋線自動化。

配套要求。出線斷路器（CB）：一般要設(shè)置延時速斷保護(hù)、限時過流保護(hù)，這樣當(dāng)電力線路突發(fā)短路故障時，能夠?qū)崿F(xiàn)對跳閘的有效保護(hù)并符合一次重合功能；設(shè)置CB 保護(hù)定值時要分析到分布式電源實(shí)際接入容量帶來的影響，安裝方向保護(hù)器件，其具有故障電流方向辨識功能；線路分段開關(guān)（FB）：其功能主要表現(xiàn)在來電延時合閘、失壓分閘兩大方面上。需要安裝電流方向辨識元件，有合閘后加速及單相接地故障處置功能；網(wǎng)源分界開關(guān)（KB）：配置的功能有雙向故障保護(hù)、反孤島、電能品質(zhì)監(jiān)測等，有雙向電能計(jì)量功能，雙向故障保護(hù)能夠直接作用在保護(hù)跳閘上。

單相接地故障選線原理。針對小電流接地形式的配電網(wǎng)，出線開關(guān)僅設(shè)置絕緣監(jiān)測裝置，在線路突發(fā)接地故障問題后依然能正常運(yùn)行2h 左右。為了能精準(zhǔn)的探查到故障點(diǎn)，技術(shù)人員可以嘗試于饋線線路上安裝選線開關(guān)形式完成接地故障選線任務(wù)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，整個配電網(wǎng)便會出現(xiàn)零序電壓，零序電壓高于整定值時被啟動；零序電流依然經(jīng)由母線流向線路，通過故障點(diǎn)位原路返回；前2個周波內(nèi)所有零序電流均經(jīng)線路流到母線、和健全線路方向相反，據(jù)此可以判斷出該線路是故障線路，采用選線開關(guān)主動跳閘執(zhí)行故障選線過程。

短路故障處置流程：在F 點(diǎn)發(fā)生短路故障的工況下，CB1保護(hù)動作分閘，KB1-Kb3執(zhí)行反向故障保護(hù)功能，F(xiàn)B1-FB3因失壓二分閘；CB1歷經(jīng)單次重合閘，F(xiàn)B1得電以后會延長合閘時間（一般是5s）。FB1發(fā)出合閘動作后，F(xiàn)B2得電啟動延時合閘功能；FB2合閘動作發(fā)出后，如果是永久性故障則合閘知故障點(diǎn)，合閘后加速跳閘并閉鎖正向來電合閘過程，F(xiàn)B3自感到短時來電，執(zhí)行閉鎖反向來電合閘動作，成功故障隔離及復(fù)原電源側(cè)非故障區(qū)的供電狀態(tài)；在故障成功隔離后，開關(guān)LS 合閘復(fù)原非故障區(qū)供電過程；在電網(wǎng)正常供電被恢復(fù)后，KB1、KB3均合閘，真正實(shí)現(xiàn)了分布式電源并網(wǎng)。

接地故障處置流程：當(dāng)FB1檢測出F 點(diǎn)發(fā)生接地故障，通過延時去保護(hù)動作分閘，KB1-Kb3保護(hù)跳閘，F(xiàn)B2-FB3因失壓而分閘；FB1則重合閘，F(xiàn)B2得電進(jìn)行延時合閘；B2完成合閘以后，如果面對的是永久性故障，F(xiàn)B2便會在發(fā)出合閘動作檢出零壓突變以后加快分閘進(jìn)程，進(jìn)而成功隔離故障。FB3因感受到短時來電情況，執(zhí)行反向來電合閘的閉鎖操作。

4 結(jié)語

本文方法能有效處理處理光纖無法覆蓋區(qū)的配電線路故障定位難搭設(shè)實(shí)際問題，真正實(shí)現(xiàn)了快速隔離；也能快速、精準(zhǔn)定位由單相接地故障，進(jìn)而降低局部線路短路故障問題；單次合閘后便會快速恢復(fù)非故障區(qū)的供電情況，較好地滿足雙向電能計(jì)量監(jiān)測的實(shí)際需求，值得推廣。