基于HPLC智能電能表改造的低壓分布式光伏調(diào)峰方法

樊茂森,高 龍,胡文麗,崔 良,楊嘉良

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司保定供電分公司,河北 保定 071000)

0 引言

近年來,隨著新能源電站裝機(jī)容量的不斷增加,我國(guó)能源結(jié)構(gòu)發(fā)生著重大改變,從曾經(jīng)占重要地位的水電、火電模式逐漸向光伏、風(fēng)力發(fā)電等新能源模式傾斜,截至2021年底,全國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量為3.06億k W,在可再生能源發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恐械恼急葹?2.9%[1]。2021年,全國(guó)光伏新增裝機(jī)容量為5 488萬k W,在可再生能源新增裝機(jī)容量中份額占比最大,達(dá)到31.1%,其中,光伏電站新增裝機(jī)容量2 560萬k W,分布式光伏新增裝機(jī)容量2 928萬k W[2-3]。

低壓分布式光伏相比于集中式光伏有就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用的優(yōu)勢(shì),不僅能夠高效將光能轉(zhuǎn)換為清潔電能,而且能有效解決電力在升壓及長(zhǎng)途運(yùn)輸中的損耗問題[47]。隨著新能源占比的提高,電網(wǎng)調(diào)峰資源越來越緊張,有時(shí)僅僅靠集中式光伏電站與風(fēng)電場(chǎng)不足以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰需求。分布式光伏參與電網(wǎng)調(diào)峰逐漸成為一個(gè)不可繞開的課題[8-10]。然而低壓分布式光伏相比于集中式光伏分布范圍更廣,分布式光伏的控制涉及眾多廠家和用戶,牽扯到多方利益,調(diào)峰管理難度大,急需一個(gè)科學(xué)的分布式調(diào)峰管理方法及功率分配策略,指導(dǎo)各個(gè)省公司或地市公司有序推進(jìn)分布式光伏參與調(diào)峰[1113]。

低壓分布式光伏參與調(diào)峰理論上可通過參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易和電網(wǎng)調(diào)度部門協(xié)同管理2種方式實(shí)現(xiàn)。目前電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)還處于發(fā)展階段,大多數(shù)省份還未形成成熟的電力市場(chǎng)交易體系。而分布式光伏分布在電網(wǎng)末端,難以監(jiān)測(cè)、難以控制,成了電網(wǎng)調(diào)度部門管理低壓分布式光伏的最大障礙[14-17]。基于以上問題,提出基于寬帶電力載波(HPLC)智能電能表改造的低壓分布式光伏調(diào)峰方法,改造后,可實(shí)現(xiàn)低壓分布式光伏分鐘級(jí)精度功率的測(cè)量,在基本不增加投資的情況下可以控制分布式光伏解網(wǎng),實(shí)現(xiàn)分布式光伏的可測(cè)和可控,在盡量避免分布式光伏用戶經(jīng)濟(jì)損失情況下,充分調(diào)用低壓分布式調(diào)峰資源,為將來低壓分布式光伏的發(fā)展和管理提供思路[1821]。

1 HPLC智能電能表改造

1.1 總體技術(shù)方案

HPLC智能電能表改造方法通過在智能電能表上配置升級(jí),實(shí)現(xiàn)分布式光伏電能表數(shù)據(jù)的分鐘級(jí)采集。

1.1.1 抄表內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為分鐘凍結(jié)數(shù)據(jù)

采用電能表本身的周期凍結(jié)數(shù)據(jù)功能一般無法實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)的數(shù)據(jù)上傳。配置升級(jí)后,采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)凍結(jié)模式可以解決這個(gè)問題,電能表接收到集中器下發(fā)的數(shù)據(jù)抄讀指令后,凍結(jié)數(shù)據(jù),隨即進(jìn)行上傳。

1.1.2 定義任務(wù)上傳優(yōu)先級(jí)

按數(shù)據(jù)使用量、時(shí)效性、重要程度等,對(duì)集中器多個(gè)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分,例如按照一級(jí)事件、1 min高頻采集、日凍結(jié)、15 min、小時(shí)高頻采集、二級(jí)事件、三級(jí)事件的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序,確保分鐘級(jí)數(shù)據(jù)可靠上傳。

1.1.3 優(yōu)化配置采集數(shù)據(jù)項(xiàng)

一般電能表有電流、電壓、功率等多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的采集任務(wù)。為保證分鐘級(jí)數(shù)據(jù)在1 min采集完成,同時(shí)確保不影響集中器原抄讀數(shù)據(jù)內(nèi)容,分鐘級(jí)采集數(shù)據(jù)項(xiàng)只可包含光伏有功功率1個(gè)數(shù)據(jù)。

光伏臺(tái)區(qū)電能表經(jīng)HPLC 改造后,分布式光伏運(yùn)行數(shù)據(jù)將具備分鐘級(jí)采集功能,可以及時(shí)掌握分布式光伏出力情況,實(shí)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)和營(yíng)銷用電信息采集系統(tǒng)的信息貫通,不僅可以動(dòng)態(tài)監(jiān)視出力情況,實(shí)現(xiàn)控制流信息的傳遞和遠(yuǎn)程控制開斷,還可以對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

1.2 改造后信息流采集及路徑

用電信息采集系統(tǒng)對(duì)原始分鐘級(jí)采集報(bào)文進(jìn)行解析入庫后,將光伏數(shù)據(jù)通過Kafka(一種高吞吐量的分布式發(fā)布訂閱消息系統(tǒng))機(jī)制轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)中臺(tái)進(jìn)行共享。調(diào)控云系統(tǒng)從數(shù)據(jù)中臺(tái)Kafka獲取光伏高頻采樣數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)打包成Cim/e(電網(wǎng)通用模型描述)文本,傳遞給調(diào)度控制系統(tǒng)III區(qū)代理服務(wù)器,III區(qū)代理服務(wù)器再通過反向隔離裝置將數(shù)據(jù)傳遞給配網(wǎng)Scada服務(wù)器,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)度控制系統(tǒng)對(duì)分布式光伏的分鐘級(jí)高頻采集,見圖1。

圖1 光伏分鐘級(jí)數(shù)據(jù)信息流

分布式光伏控制通過調(diào)控中心和營(yíng)銷用電信息采集系統(tǒng)對(duì)接實(shí)現(xiàn)分布式光伏的可觀可測(cè)可控。控制信號(hào)通過調(diào)控中心傳至營(yíng)銷中心的用電信息采集系統(tǒng),用電信息采集系統(tǒng)通過臺(tái)區(qū)變壓器的集中器控制光伏電能表開斷,將控制結(jié)果返回給調(diào)控中心,見圖2。

圖2 光伏分鐘級(jí)數(shù)據(jù)信息流

對(duì)經(jīng)HPLC智能電能表改造的500戶戶用低壓分布式光伏同時(shí)進(jìn)行測(cè)試,命令下發(fā)后3 min之內(nèi)都可正常斷開,成功率95%,失敗原因主要是營(yíng)銷用電信息采集系統(tǒng)信道繁忙。隨著營(yíng)銷用電信息采集系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí),分布式光伏控制速度會(huì)更快。參考火電機(jī)組參與調(diào)峰響應(yīng)時(shí)間,經(jīng)HPLC智能電能表改造后的分布式光伏完全可以滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求。

2 基于HPLC智能電能表的調(diào)峰控制策略

2.1 調(diào)峰下令模型

調(diào)峰下令模型中由下令類型、下令模式、地調(diào)分配模式三部分組成。調(diào)峰下令有按功率下令和按容量下令2種下令類型。2種下令類型有不同的應(yīng)用場(chǎng)景,基于功率下令可以考慮電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況,而基于裝機(jī)容量下令具有簡(jiǎn)便高效利于執(zhí)行的特點(diǎn),見圖3。

圖3 分布式光伏調(diào)峰下令模型

按功率下令和按容量下令都有按目標(biāo)值下令和調(diào)節(jié)量下令2種下令模式。按目標(biāo)值下令對(duì)于控制和監(jiān)測(cè)手段有較高要求,按調(diào)節(jié)量下令需要考慮到光伏發(fā)電量隨著光照實(shí)時(shí)的變化,并考慮下令值的裕度。由于分布式光伏出力變化較快,且分布式光伏信息采集有一定延遲,建議下令不要過于頻繁,并考慮裕度。推薦采用按功率調(diào)節(jié)量下令的方式,可用下式計(jì)算下令的功率量

式中:Pxl為下令的功率;Pqe為系統(tǒng)將要超出或缺額的功率;β為綜合裕度系數(shù),與天氣、數(shù)據(jù)采集延時(shí)、光伏控制成功率等有關(guān)。

地調(diào)分配模式分為按各縣光伏出力分配和按各縣容量比例分配2種模式,按容量分配不依賴對(duì)低壓分布式光伏的出力監(jiān)測(cè)能力,按出力分配較為依賴檢測(cè)能力。但是分布式光伏控制時(shí)按容量分配不能充分考慮到天氣的影響,所以推薦采用按出力分配的策略。

2.2 光伏調(diào)控優(yōu)先級(jí)策略

原則上按照重要性、有效性進(jìn)行調(diào)峰優(yōu)先級(jí)排序。因?yàn)榭刂坪祥lHPLC智能電能表,40 kW 以上容量分布式光伏有過熱燒壞的風(fēng)險(xiǎn),所以參考40 k W 光伏容量為限制進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分。管理流程中可以考慮40 k W 以上光伏在參與調(diào)峰前一天通過手動(dòng)控制分閘。

1級(jí)優(yōu)先:40 kW 以上非自然人光伏用戶(非扶貧);2級(jí)優(yōu)先:40 k W 以上自然人光伏用戶(非扶貧);3級(jí)優(yōu)先:40 k W 以下光伏用戶(非扶貧);4級(jí)優(yōu)先:扶貧光伏。在同一縣域重要性相同的光伏總體上采取滾動(dòng)輪巡控制的策略,根據(jù)平臺(tái)內(nèi)記錄的控分次數(shù),優(yōu)先安排已控制分閘次數(shù)少的戶用光伏參與本次調(diào)峰,做到均衡控制、保障公平公正。

2.3 棄限電量統(tǒng)計(jì)方法

分別在每個(gè)縣東西南北中5個(gè)區(qū)域選擇基準(zhǔn)光伏樣板,每個(gè)區(qū)域選擇與該區(qū)域整體發(fā)電效率相近的光伏樣板(每處1~2個(gè)臺(tái)區(qū)約10個(gè)戶用光伏)。利用樣板光伏的發(fā)電效率代表總體發(fā)電效率,光伏樣板用來計(jì)算棄限電量和增發(fā)光伏量[79]。

選擇基準(zhǔn)光伏,對(duì)棄限功率進(jìn)行積分得到棄限電量,功率估算公式為

式中:P為分布式光伏限電后估算發(fā)電功率;P j為分布式光伏區(qū)域j估算發(fā)電功率;k為樣板光伏戶數(shù);P j,k為區(qū)域j,第k戶樣板分布式光伏用戶的功率;m為被控分布式光伏戶數(shù);M k為第k戶樣板分布式光伏容量;N j,m為區(qū)域j,第m戶分布式光伏容量。

2.4 分布式光伏控增策略

分布式控增有2種情況,一種是分布式調(diào)峰后,全部并網(wǎng)。另一種是調(diào)峰下令,增發(fā)分布式光伏功率(容量)。

第1種情況可以直接全部控合。第2種情況如果下令值是容量,也可直接控合相應(yīng)容量分布式光伏。若下令值是功率,則需要利用基準(zhǔn)光伏樣板進(jìn)行折算成容量。因?yàn)楣夥饩W(wǎng)后功率為0,光伏控增并知道光伏可調(diào)節(jié)最大出力情況,所以需要折算成光伏容量來控增。

式中:N為需要控合的分布式光伏容量。

3 實(shí)例分析

3.1 下令背景

某日因光伏大發(fā),電力平衡出現(xiàn)緊張,水電、火電、集中式光伏電站可調(diào)節(jié)手段已經(jīng)用盡,當(dāng)日上午11:00省調(diào)下令,需要Z 市地調(diào)降低分布式光伏出力10 MW,14:00控增5 MW。Z 市分布式光伏資源情況見表1。

表1 Z市分布式光伏出力情況 MW

3.2 下令模型

案例中下令類型為按功率下令,下令模式為下降/恢復(fù)功率,地調(diào)分配模式為按各縣光伏出力分配,分配時(shí)按A 縣和B縣發(fā)電功率比例分配的降出力指標(biāo)分別為6 MW 和24 MW。控制時(shí)按照優(yōu)先級(jí)策略來進(jìn)行控分,見圖4。

圖4 分布式光伏控制策略下令模型案例

3.3 棄限電量計(jì)算

計(jì)算A 縣的棄限電量步驟為:該縣11:00—14:00(共3 h)參與調(diào)峰,期間共調(diào)控2 MW 功率的光伏,查詢光伏臺(tái)賬后得知此次調(diào)峰共涉及200戶用戶,光伏容量總和為5 MW。然后查詢?cè)摽h的樣板光伏統(tǒng)計(jì)表格,為便于展示,直接用電量進(jìn)行表示,見表2,也可先算出估算功率,再對(duì)其積分得到電量。

表2 A縣棄限電量樣板裝機(jī)數(shù)據(jù)

調(diào)峰期間棄限電量為:樣板發(fā)電量總和/樣板裝機(jī)容量總和×調(diào)峰控制光伏容量=780 k Wh/500 k W×5 MW=7 800 k Wh。

3.4 光伏控增計(jì)算

14:00地調(diào)接到省調(diào)命令需要控增5 MW 分布式光伏,查詢樣板光伏的發(fā)電情況,然后折算成容量進(jìn)行控增。分布式光伏控增樣板數(shù)據(jù)見表3。

表3 Z市14:00分布式光伏控增樣板數(shù)據(jù)

需要并網(wǎng)的光伏容量為:下令調(diào)節(jié)量/(樣板發(fā)電功率總和/樣板裝機(jī)容量總和)=5 MW/(250 k W/500 k W)=10 MW。計(jì)算得到需要并網(wǎng)的容量為10 MW,然后再根據(jù)A、B縣容量比例進(jìn)行分配,A 控增2.5 MW 容量光伏,B控增7.5 MW 容量光伏。

4 結(jié)論

本文建立了基于HPLC智能電能表改造的低壓分布式光伏調(diào)峰控制流程。以重要性、有效性和公平性為指導(dǎo)原則的前提下,提出了結(jié)合滾動(dòng)輪巡控制的低壓分布式光伏控制優(yōu)先級(jí)策略。利用樣板光伏的發(fā)電效率代表總體發(fā)電效率來計(jì)算棄限電量和增發(fā)光伏量。可以在盡量避免分布式光伏用戶經(jīng)濟(jì)損失情況下充分調(diào)用低壓分布式調(diào)峰資源,為將來低壓分布式光伏的發(fā)展和管理提供思路。文中所提方法是在光伏大發(fā)時(shí)利用電能表來進(jìn)行并離網(wǎng)控制,一是解網(wǎng)后有損客戶利益,二是對(duì)電能表有一定損傷,將來可在用戶端裝設(shè)專門的柔性控制裝備和光伏控制開關(guān)來解決問題。