適應分布式發電的計量自動化系統

付學謙，陳皓勇，金小明

(1.華南理工大學電力學院，廣州市 510640;2.南方電網科學研究院，廣州市 510080)

0 引言

分布式發電(distributed generation，DG)一般定義為配電網或電網用戶側的電力生產［1］。分布式發電功率在幾十kW到幾十MW范圍內，能夠經濟、高效、可靠地發電［2］。在近幾年，分布式發電被廣泛應用于電力系統，尤其是配電系統的末端［3］。嵌入電力系統的分布式發電主要具有以下優點［4-6］。

(1)技術優勢:可以減少電力線路損耗，提高電能質量、供電可靠性、能源管理水平和能源效率;

(2)經濟優勢:可以減少電力系統建設的投資成本;

(3)環境優勢:可再生能源是分布式發電的主要能源來源，因此有利于降低碳排放量。

根據中國南方電網公司“智能電網”的建設規劃，分布式電源、電動汽車、可再生能源、智能小區建設等將成為電力公司業務拓展的重要方向，計量自動化系統作為電力企業的專業數據采集系統，需要對新型業務接入技術進行充分研究，滿足各類電力數據采集、存儲、應用的要求，對營銷業務系統及能效平臺進行有力支撐。

文獻［7］介紹了適應智能電網的計量自動化系統實施方案。文獻［8］和［9］介紹了計量自動化系統在電力營銷中的作用。中國南方電網公司不斷推進計量自動化系統的研究和設計，包括存儲、安全防護、主站性能等技術［10-13］。與傳統的計量自動化系統不同，新一代計量自動化系統的設計可以適應分布式電源的營銷業務的需要。本文從廣州電網計量自動化系統現狀和分布式能源營銷業務特性出發，對新一代計量自動化主站系統軟件功能配置、數據采集、線損率、DG上網電量監測及分析和DG離網(并網)時間統計等幾方面進行了研究設計。

圖1 計量自動化系統業務架構Fig.1 Business architecture of MAS

適應分布式發電的新一代計量自動化系統可以滿足用戶側分布式電源接入的數據采集需求，實現分布式發電電能管理可監測、可控制，滿足分布式發電客戶的電力能源需求，加強電力企業與客戶的服務交互，提高對客戶的服務質量。

1 計量自動化系統概述

為加強計量自動化系統(metering automatic system，MAS)的運行管理工作，中國南方電網公司對計量自動化系統、計量自動化主站系統、通信通道和計量自動化終端進行了明確定義。

計量自動化系統指對電廠、變電站、公變、專變、低壓用戶等發電側、供電側、配電側和售電側電能量等數據實現采集、監測與統計分析功能的系統，由計量自動化系統主站、通信通道、計量自動化終端組成，包括廠站電能量計量遙測、負荷管理、配變監測、低壓集抄等模塊。

計量自動化系統主站指接入各類計量自動化終端的計算機系統，它是整個計量自動化系統的信息采集與控制中心，通過遠程通信通道對計量自動化終端的信息進行采集和控制，并進行分析、綜合處理和電能量數據發布。

通信通道指計量自動化系統主站與計量自動化終端數據傳輸的介質，包括無線公網、電話撥號、專線、調度數據網、綜合數據網等。

計量自動化終端指負責各級計量點電能信息的采集、數據管理、數據傳輸以及執行或轉發主站下發的控制命令的設備。按應用場所可分為廠站電能量采集終端、負荷管理終端、配變監測計量終端、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MAS和DG現狀

廣州供電局有限公司計量自動化系統通過與營配一體化平臺、營銷系統接口的建立，將數據集成平臺作為計量自動化系統的檔案信息來源，實現運行數據共享，提高了計量自動化系統與相關業務系統的檔案一致性與數據共享性，保證了企業數據的可規劃性、可重用性和穩定性，同時為進一步的系統間流程集成工作奠定了良好的基礎。廣州電網計量自動化系統業務架構如圖1所示。廣州電網共接入124座小水電發電廠，共178.989 MW，對廣州電網削峰填谷提供了有力支持。對于小水電站，廣州電網安裝了負荷管理終端進行控制、監控和采集數據。廣州大學城光伏發電站年發電量可達300萬kW·h，安裝負荷管理終端作為專變用戶管理。

3 新一代MAS系統

3.1 功能部署

為滿足接入分布式能源營銷業務和其他計量業務管理的需要，本文設計了以計量應用中心、運維監控中心、數據管理中心、分布式發電業務中心4個層次結構為目標的新一代計量自動化系統。新一代計量自動化系統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

新一代計量自動化主站系統的業務功能分別部署在安全II區、安全III區，其中，核心功能應用如Web應用功能、GPRS通道數據采集、系統數據處理和計算服務、外部接口服務等均部署在安全III區，廠站遙測數據采集前置部署在安全II區。

新一代計量自動化主站系統各功能部署說明:

(1)遙測數據采集實現對已安裝廠站遙測終端并實現遠程抄表的變電站、大電廠的計量數據采集功能。由于各廠站的計量數據是通過調度數據網(或專線網絡)進行傳輸，因此遙測數據采集服務的數據采集部署在安全II區。

(2)分布式發電(小火電、小熱電、光伏發電和小水電廠)、大用戶、配變臺區以及低壓集抄采集是實現接收這類終端自動上報的數據以及主動下發抄表任務的功能，通過GPRS通信方式進行數據傳輸。因此，針對這部分用戶的數據采集服務部署在安全III區。

(3)數據庫服務部署在安全III區，實現對4個子系統的電能量數據、運行狀態數據以及各種業務計算、統計分析數據的集中存儲，并給主站系統的各業務功能提供數據訪問，并與其他第三方業務系統實現數據共享。

(4)數據計算服務部署在安全III區，實現所有計量點電能量數據的計算，各種電量數據、線損數據的疊加計算等。

(5)系統業務功能應用服務部署在安全III區，實現主站系統的采集中心功能、數據中心功能、應用中心功能和安全與管理中心功能等。

(6)信息集成平臺部署在安全III區，實現主站系統與其他第三方業務系統的數據共享。

3.2 數據采集

圖3 10 kV饋線線路Fig.3 10 kV feeder line

分布式電源數據采集終端設計思想:要具有自動組網功能、具有通信中繼功能、抗網絡攻擊功能;具有多重抗干擾技術并保持實時在線和數據準確;可自動適應多重通信規約;應滿足分布式能源采集數據的要求。

配電網和分布式電源之間應有易于獲取、可自鎖和可間斷的隔離裝置，該隔離裝置的控制節點由分布式電源數據采集終端進行控制。

計量自動化系統應實時監測控制用戶側分布式電源、儲能裝置的運行信息，包括分布式電源接入點電壓、電流、功率、頻率、電能量、開關狀態、故障情況等。

3.3 線損率

基于線損“四分”管理的電能計量自動化系統建設應考慮分布式電源接入帶來的影響。由于分布式電源的接入，配電網成為有源網絡，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電量。當DG發出電量大于該饋線用電量時還會向變電站倒送電。因此，關口表A和DG接入點D不僅有正向有功電量還有反向有功電量。可以把DG電源和關口表連接點等效為提供有功的電源和負荷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饋線線路線損率計算公式:

3.4 DG上網電量監測及分析

計量自動化系統應對分布式能源的上網(下網)電量和負荷進行監測，如對小水電站的豐枯電量、負荷、無功潮流進行查詢和統計，并支持小水電中期電量預測。針對分布式電源監測的主要功能有:

(1)對小水電廠、風電場、用戶儲能等上網能源進行監測;

(2)對小水電豐枯電量對比統計，月度(季度、年度)電量對比統計;

(3)提供圖形化展示(負荷以曲線圖展示、電量以柱狀圖展示);

(4)根據年歷史數據、天氣等外部情況進行小水電發電量的中期預測。

3.5 DG離網(并網)時間統計

配電系統繼電保護從速動性上一般很難保證故障后異步發電機恢復穩定運行，因此，現有分布式電源并網標準一般要求故障后切除異步發電機［14-15］。異步發電機在小水電站和風電場中應用很廣泛。計量自動化系統應建立分布式電源離網(并網)時間自動統計邏輯判斷方案。

對于有告警事件上報的分布式發電離網(并網)事件，邏輯判斷的步驟如下:

(1)采集告警信息，并修正告警時刻。計量自動化主站采集到終端實時主動上報的離網(并網)告警事件時，自動判斷告警時刻與主站時鐘的偏差，如偏差較大(默認60 s，偏差閾值可設置)，將終端記錄的離網(并網)告警時刻點修正為終端上傳告警事件時的主站時刻點。

(2)告警事件初步過濾。每天凌晨在計量自動化系統中15 min凍結任務數據的補采任務完成之后，對前一天的告警事項進行過濾，提取出有用的離網(并網)信息。有效離網(并網)告警判斷:1)針對主站記錄的離網事件，對下一個時刻點運行數據(15 min電壓、電流、功率、心跳數據)進行判斷，DG采集終端仍然在線，并且數據在正常的工作電壓、電流范圍內的這部分離網告警認為是無效的離網告警;2)針對主站記錄的并網告警，對下一個時刻點運行數據(15 min電壓、電流、功率、心跳數據)進行判斷，DG采集終端不在線、電壓低于正常工作范圍或數據無效的這部分并網告警認為是無效的并網告警。

(3)單邊過濾離網(并網)告警事件。1)只有離網沒有并網告警，根據電壓、電流等運行數據判斷，一旦有正常的運行數據，則為并網，作為DG并網時刻;2)只有并網，沒有離網告警，根據并網時間點往前推移，尋找最近一個有運行數據的點，則為DG離網的時間點。

(4)進行離網(并網)事件的確認配對。通過以上步驟即可判斷出DG離網(并網)的起始時間，可將過濾后的結果作為離網(并網)記錄輸出。

通過上述告警信息結合運行數據的方案得出DG的離網(并網)時間，通過接口將處理后的數據發送到集成信息平臺，調度系統由集成信息平臺取得信息進行二次離網(并網)時間校驗并給出最終的離網(并網)時間統計結果。

4 結語

計量自動化系統是南方電網公司電網智能化在用電環節的重要應用，通過計量自動化系統建設，可以促進智能電網用電環節的發展。廣州電網計量自動化系統發展方向如下:

(1)在保證與現有的中國南方電網計量自動化通信規約兼容的情況下，開發滿足分布式發電接入和電動汽車運營等新型營銷業務數據采集需求的終端。

(2)建設以數據抽取、異常分析、質量審核、發布監控、數據共享五大模塊為平臺的廣州電網電能量數據中心系統主站。

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