融合配電自動化技術的海島微電網控制策略研究及實現

孫景釕，楊建華，李 琦，項燁鋆，趙 碚

（國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

融合配電自動化技術的海島微電網控制策略研究及實現

孫景釕，楊建華，李 琦，項燁鋆，趙 碚

（國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

微電網供電模式在海島得到了快速發展，配電自動化技術可實現對配電線路的可觀可控，將配電自動化與微電網控制策略進行融合具有天然的技術優勢。為豐富海島微電網的控制手段，分別針對配電自動化技術與微電網的運行模式切換和黑啟動控制進行了融合研究，并分析了在海島應用的技術實現方案。2種技術的結合，可以進一步確保海島微電網系統更加穩定、可靠運行，為海島微電網供電模式的推廣應用開拓新的思路。

海島；微電網；控制；配電自動化

0 引言

我國擁有數量眾多的海島，其中500 m2以上的海島超過6 500個，總面積達6 600 km2[1]。長期以來，由于受限于電力等能源的供應，海島的發展嚴重滯后。海島的供電模式目前基本上分為2種，一種是依靠島上的柴油發電機構成獨立電網為島上用戶供電；另一種是通過建設長距離的海底電纜與大電網并聯，由大電網提供電力。前者容易對海島的自然環境產生影響，此外島上用油的運輸和儲存也額外增加了整體投資成本[2]；而后者不僅經濟性不強，而且供電可靠性不高，一旦長距離的海纜出現故障或被損壞，很難保證海島用戶的可靠供電。

海島一般具有豐富的風能和太陽能資源，在海島供電系統中充分利用風、光等清潔能源，通過分布式發電技術來解決海島能源的供應問題是一種切實可行的方法。而微電網作為由分布式電源、儲能和負荷組成的獨立可控系統，是發揮分布式發電技術效能的最有效形式[3-6]。在海島上建設微電網系統，可以用較少的環境代價，換取較高的整體投資效益和能源轉換效率。通過微電網內部多種分布式電源的協調控制，可以為海島用戶提供可靠的綠色電力。目前，我國已有多個已經投運或正在建設的海島微電網工程，在浙江溫州也已經建成投運了南麂島和鹿西島2座微電網示范工程，這一新的海島供電模式得到了快速的發展。海島微電網在制定控制策略時，需要綜合采集分布式電源、儲能、負荷等信息，并能夠對上述單元實現調節控制。

配電自動化技術可以做到對配電線路的遙測、遙信和遙控，即實現對配電線路負荷的可觀可控[7]。它的這一特點與微電網控制策略之間在技術上具備天然的融合優勢，因此如果能夠在建設海島微電網系統的同時對海島電網進行配電自動化改造，將配電自動化技術與海島微電網控制策略進行融合，將可以極大地豐富海島微電網的控制手段，進一步保證海島微電網更加穩定、可靠地運行。

目前，針對配電自動化技術和海島微電網控制策略的融合研究還基本沒有。以下將分別針對配電自動化技術與微電網的運行模式切換控制和黑啟動控制的結合進行分析，并探討其在海島應用的適應性和技術實現方案，為微電網供電模式在海島的推廣應用做好進一步的技術儲備。

1 與運行模式切換控制結合

海島微電網根據是否與大陸電網互聯分為并網型和離網型。對于并網型海島微電網，正常方式下一般并網運行，但是在并網聯絡線檢修或上級電網故障情況下，需要采用主動或被動的方式切換到離網運行模式，待檢修工作結束或故障消除后又需要恢復到并網運行模式，因此存在并網和離網運行模式之間的切換。對于離網型海島微電網，為了增強微電網系統的供電可靠性和穩定性，一般需要配置柴油發電機，即采用類似于風、光、柴、儲的電源組合形式，因此也存在微電網主電源或為柴油發電機或為儲能系統2種不同運行模式之間的切換。此外，在有些海島微電網系統中，為了提高系統運行的靈活性，會將整個微電網分成若干個子微網，因此還存在小微網與大微網或者是聯合運行微網之間的運行切換。

海島微電網在運行模式切換時，微電網中央控制器需要綜合微電網各組成部分的信息，包括各分布式電源、儲能系統、負荷等單元。以并網型海島微電網的主動離網模式切換為例，微電網中央控制器在接收到上級調度的離網切換命令后，為了確保切換過程盡可能平滑，在切換之前需要將并網聯絡線功率控制在一定范圍以下，以滿足切換后儲能系統作為主電源的穩定裕度。如果不結合配電自動化技術，微電網中央控制器能做的調整手段主要是對分布式電源出力以及儲能系統充放電進行控制，調整的效果有限。而如果在建設微電網的同時，對微電網所處的海島配電網進行配電自動化改造，則可以將配電自動化技術融合到微電網的模式切換控制策略中，從而可以豐富微電網的控制手段，達到最優的控制效果。

結合配電自動化技術，微電網中央控制器可以通過分布在配電線路上的配電自動化終端采集到線路的實時負荷信息。在進行主動離網切換時，如果微電網的功率缺額，即并網聯絡線上的功率不能滿足儲能系統的穩定裕度要求，比如微電網的電源出力與系統負荷相差比較大，負荷過多，此時就需要根據采集到的負荷信息向運行模式切換控制器發送觸發指令，并通過配電自動化技術由模式切換控制器向特定的配電自動化終端發送切負荷命令，保證一定量的負荷切除之后，系統功率缺額能夠滿足穩定裕度要求。海島微電網融合配電自動化技術的主動離網控制策略流程如圖1所示。微電網在進行上述其它運行模式切換時，如果能夠結合配電自動化技術，同樣能夠極大地優化切換控制策略。

圖1融合配電自動化技術的主動離網控制策略流程

2 與黑啟動控制結合

海島微電網在進行運行模式切換，尤其是并網運行切換到離網運行的過程中，存在切換失敗的可能，此時就有可能導致微電網系統崩潰，因此需要進行黑啟動控制，以盡快恢復對島上重要用戶的短時供電。

在黑啟動控制前，微電網中央控制器需要根據系統崩潰前各個配電自動化終端采集到的負荷數據，對其中的重要負荷容量進行預估。當采用儲能系統作為黑啟動的主電源時，需確保所帶的負荷容量不超過儲能系統的帶載能力，因此在黑啟動前需根據微電網的實際情況，利用配電自動化系統向相關的配電自動化終端發送切負荷命令。在黑啟動過程中，逐步并入分布式電源以及與之相匹配的配電終端處負荷；同時，需要密切監測配電自動化終端上的不同節點處的電壓水平，避免在負荷恢復過程中由于電壓問題導致黑啟動失敗。此外，需要指出的是：在制定黑啟動控制策略時，需對每個配電自動化終端節點處所帶的變壓器容量進行評估，當變壓器容量超過一定范圍時，在黑啟動過程中禁止通過配電自動化系統向對應的終端發送并網命令，否則極有可能由于變壓器勵磁涌流過大導致系統再次崩潰。只有在微電網黑啟動成功且重新并入大電網之后，才考慮將這些大容量變壓器并網運行。

將海島微電網黑啟動控制與配電自動化技術結合，可以實現對所帶負荷的可觀可控，避免操作的盲目性，從而有效提高黑啟動的成功率。

3 技術方案實現

在海島微電網中實現配電自動化技術的融合，需要根據微電網的技術要求對海島電網進行配電自動化改造。

3.1 配電終端布點

配電自動化系統在進行配電自動化終端布點設計時，需充分考慮微電網的實際情況，結合儲能系統、分布式電源配置以及分段線路負荷水平等具體情況。微電網在制定運行模式切換、黑啟動等控制策略時，對需要控制的負荷量會有不同的要求，因此在配電自動化終端數量有限的前提下，需要根據分段線路負荷的實際水平對配電終端進行優化布點，同時不能影響到配電自動化系統故障定位功能的實現。

此外，配電終端在進行布點時，除了要考慮所在節點處負荷量的因素外，還需要考慮負荷的重要性，可以根據負荷的重要程度對負荷進行分級，并按照負荷的不同級別分別參與到微電網的運行模式切換或黑啟動控制策略中。對于微電網的運行模式切換控制，在切負荷時優先切除重要性級別最低的負荷，當該類負荷切除后仍然不能滿足切換控制的要求，再考慮切除級別再高一級的負荷，依次類推。而在進行黑啟動控制時，則優先考慮將涉及海島居民用電、通信設施、黨政機關、碼頭及安保等重要負荷并入微電網。

3.2 斷路器改造

海島電網配電設備一般比較老舊，運行年限比較久遠，線路上的開關也都不具備電動操作等功能。如上所述，海島微電網在制定控制策略時，需要通過配電終端對開關進行遙控操作，同時也需要能夠接收開關處的電壓、功率等信息，因此在完成配電自動化終端的布點之后，還需要對終端所在處的開關進行改造。

改造后的開關需具備高性能、高可靠性、免維護等特點，采用電動操作方式，并提供與配電自動化終端的接口，具有遙信、遙測、遙控等功能。同時在開關的兩側配套安裝電壓互感器，電壓互感器的二次回路除接入配電終端進行電壓采集外，還經過充電模塊（含雙電源切換功能）將交流電轉換為直流，向配電終端、通信設備等裝置供電或向蓄電池充電，市電失電后，由蓄電池向裝置供電。此外，為了適應海島戶外的工作環境，開關除了在技術指標上要滿足上述在微電網中應用需具備的基本功能外，還需要充分考慮海島不同于大陸的特殊氣候和自然環境條件，對其提出特殊的要求。海島的高溫、高濕、高鹽霧環境會對配電設備產生較大的腐蝕作用，必要時可考慮在設備的外殼噴涂耐高溫、耐濕、耐腐蝕的特殊防護材料，增強設備的環境適應性。設備在出廠前應進行嚴格的鹽霧試驗，確保設備在實際應用中具備良好的電氣和機械性能。

3.3 通信系統建設

海島微電網在執行運行模式切換、黑啟動等控制策略時，對時間要求很高，所有的調節手段需要在極短的時間內完成操作，否則極有可能導致模式切換或黑啟動失敗。因此，在將配電自動化技術與微電網控制策略進行融合時，對通信系統提出了較高的要求。

通信系統采用Epon（無源光網絡）技術，在微電網控制中心設置2臺OLT設備，一主一備，在每個戶外配電自動化終端處安裝ONU終端，通過光纜和分光器將站內的OLT與戶外的ONU組成光纖手拉手環網通信結構。根據不同的數據屬性采用不同的協議進行傳輸，對于電壓、功率等模擬量及開關量信息，由于其對實時性要求不高，采用MMS網傳輸；而對于跳閘命令信息，則采用快速的GOOSE網進行傳輸。因此，配電自動化終端需要不同的網口，以實現不同的業務功能。一般ONU終端采用雙PON口（主備），配電自動化終端的網口A（實現MMS業務）與網口B（實現GOOSE業務）接入ONU，并通過VLAN將MMS與GOOSE的業務進行劃分及隔離。數據通過光纖網傳到微電網控制中心后，再由OLT的不同網口與站內MMS網和GOOSE網相通，保證配電自動化的單網數據能與站內的微電網中央控制器及運行模式切換控制器等進行通信。按照此通信架構，可以將基于61850的快速通信機制與配電自動化的EPON技術進行有效融合，滿足微電網控制的快速性要求。該通信架構如圖2所示。

圖2 基于61850的通信架構示意

此外，當有新的ONU終端接入網絡并上電后，將自動在相應的PON口下進行配置，對MMS與GOOSE業務進行VLAN劃分，實現MMS和GOOSE業務自動通過不同的網口進行傳輸，當然，新接入的ONU終端需要關閉自身的組播方式。因此，此種通信模式的架構也極大地方便了在海島微電網內部進行配電自動化終端的擴展。

4 結論

我國擁有數量眾多的海島，作為解決海島供電問題的一種有效模式，海島微電網以其特有的優勢得到了快速發展，并有多個工程應用實例。配電自動化技術可以實現對配電線路的可觀可控，如果在建設海島微電網的同時，對海島配電網進行自動化改造，將配電自動化技術與微電網的控制策略進行融合，可以發揮二者的天然優勢，豐富微電網的調節控制手段，優化控制效果。對配電自動化技術與微電網的運行模式切換和黑啟動控制進行了融合研究，并分析了相應的技術實現方案，相關的研究成果已經在浙江省溫州市的南麂島離網型微電網示范工程和鹿西島并網型微電網示范工程中分別得到了實際應用，運行效果良好。本研究成果可以確保海島微電網更加穩定、可靠地運行，并為微電網供電模式在海島的進一步推廣應用提供新的思路。

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2017-05-27

孫景釕（1983），男，高級工程師，研究方向為分布式發電及微電網技術。

（本文編輯：徐 晗）

Research and Realization of Island Microgrid Control Strategy Integrated with Distribution Automation Technology

SUN Jingliao， YANGJianhua， LI Qi， XIANGYejun， ZHAO Bei
（State Grid Wenzhou Power Supply Company， Wenzhou Zhejiang 325000， China）

Microgrid power supply expands rapidly in island，and distribution automation technology makes distribution lines observable and controllable.Integration of distribution automation with microgrid control strategy is technically advantageous.To increase control means of island microgrid，integration of distribution automation technology and control of operation mode switching and black start is studied in this paper，and the technical scheme of application in islands is discussed.The integration of the two technologies further ensures steady and reliable operation of island microgrid,and opened up new thoughts for the popularization and application of island microgrid power supply.

island； microgrid； control； distribution automation

10.19585/j.zjdl.201710014

1007-1881（2017）10-0068-04

TM734

B