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連接到配網中。例如在中國，據預測，為了滿足2020年的目標，配電網絡將有望連接50GW以上分布式發電（DG），而歐洲國家的英國預計為10GW[1]。

一直以來，分布式發電的連接沒有積極的管理，可連接的發電容量也有限，它可以不受所網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（包括強風和電網低負荷同時發生）決定了DG并網的容量。因此，“適應與淘汰”機制并沒有有效地利用網絡，而經費和延誤導致了許多配網不愿投資該類項目，致使目標無法實現。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絡的限制。根據這一理念，配電網絡具備了可以容納更多分布式發電容量的水平，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，一個配電管理系統的關鍵是集中監督控制，而分散控制涉及到DMS對自治區的測量和獨立運作的控制，這對于通知電網監控人員監測具體的網絡行為和狀態是非常有用的。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在保持供電質量和供電安全的同時，亦可大幅提高適應分布式發電的能力。

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，在電網中不同線路的相量可以被同時比較。與傳統的連續SCADA數據采集系統相比的優點是PMU能夠獲取SCADA不能獲取的相位信息，且速度更快[2]。

PMU已經被廣泛應用于輸電網系統中。這個概念最初是發達國家在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。在同步相監控系統中，子站獲取數據，然后傳輸到數據中心，在那里將進行分析數據和存儲。相量數據以及其他派生的可視化信息將被控制或被轉發到其他系統，其中包括配電管理系統（DMS）。本文涉及的方案重點就在于將PMU測得的相量數據輸入到DMS，然后得到配電系統、負荷和發電側的詳細信息，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在保持供電質量和供電安全的同時，也能大幅增加配電網絡適應和連接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（國際電子電工協會IEC的TC57協議基礎上制定的通信規約）使用DMS系統的SCADA功能。而對于現有的DG能源，并不能夠進行自動測量記錄。要準確估計DG引入電網情況，正確認識電網狀態是問題的關鍵。但是即使在95%的風力發電是連接到配電網（20千伏）的法國[8]，這其中也只有75%的產品是可以自動測量記錄的，其余25%是根據規則和配備了遙測裝置的DG估計的。為了解決這個問題，可以開發出一個應用軟件平臺，可接收來自PMU的實時測量相量數據，進而實現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電機組、風力發電場、變壓器、風束或配電控制區的的監測和警示。

同步相量測量對于提高配電系統的可觀察性，主要體現在以下幾個方面中：

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

2）先進的配網狀態估計和網絡負荷的觀察。電網容納DG的能力取決于負荷和發電的實際狀態。在配電系統中，負荷的實時數據變化無常，但同步相量測量可實時提供簡明的信息，以觀察監控節點和相鄰節點。

3）可得到詳細的分析信息。例如，評估網絡的短路容量[2]。

其次，得到配電系統負荷的詳細信息也是有價值的，因為這對于確定現狀網絡狀態和確定網絡的規劃目標都十分重要。高時間分辨率的同步相量詳細數據若與其他數據源集成，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，也可以重新配置網絡的拓撲結構和進行后續的中斷恢復。

2）考慮位于DG的發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?？紤]該應用軟件的功能需包含了一個電壓無功控制VCC提供對配電網絡中無功功率的控制，以優化饋線損失(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）考慮必須要能實現間歇發電的縮減功能。例如，由于得到了負荷與發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絡安全原因或阻塞管理導致的部分風力生產?？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模式或孤島模式下運行微電網的能力。一個微網由幾種荷載(可控或不可控)、DG能源和配電饋線構成，可以平衡微網操作單位。目前大多數政策不允許獨立操作微網，需要快速斷開DG故障以保證電能質量安全問題。

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

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控，以確保電網在電能質量和電壓/無功調節限制內運行，并且運營標準取決于監管法。

2）考慮短路分析。用于監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/發電情況下網絡狀態的研究與模擬，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據的現實場景的網絡研究。

5）考慮配套服務。為發展短期策略，需開發一個隨機最優模型，以減輕因風力發電間歇性而引起的不確定性。提出應對平衡風力發電變化的最佳策略，以保證能夠對大風和低負荷等情況作出響應。

3 結論

具有挑戰性的DG連接目標需要用管理網絡的創新技術解決方案來實現。PMU的出現，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的監測應用程序，完成的協調控制功能對執行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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