含微电网的配电网系统结构及功能研究

蔡渊

（海南电力技术研究院，海南海口 570203）

近年来，随着世界范围内能源价格的不断提升，利用风能、太阳能、燃料电池等清洁能源发电技术的价格不断下降，使得多种形式的清洁能源得到越来越广泛的认识和应用。除了少数地区具备得天独厚的优势，可以建立大型风电站和太阳能电站以外，大部分清洁能源都以零星分布的状态存在，因此，将零星分布的清洁能源转化为电能的分布式发电技术和将分布于各方的电能收集整合的微电网技术被众多专家学者认为是降低耗能，提高供电可靠性和灵活性的主要技术手段。

微电网是小规模的发供电系统，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能等设备与用户的用电设备整合在一起。由于大多数分布式电源类型具有不连续发电的特性，为了保证用户的供电可靠性，微电网必须要与配电网相连接，配网和微网中的发电设备，相互补充为用户提供可靠的电力。对于配电网来说，微电网可被视为电网中的一个可控单元。随着电力信息技术的发展，微网和配网之间不仅存在能量的交换，而且二者之间的信息交换也越来越紧密[1-3]。本文将配合具体的微网模型讨论微网融入配网后，配网、微网和用户三者之间结构性关系。

1 微网、配网与用户的新型结构关系

1.1 微网定义

目前，国际上对微网的定义没有统一的标准。美国电气可靠性技术措施解决方案联合会（Consortium for Electric Reliability Technology Solution，CERTS）对微网的定义如下：微网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热能；微网内部的电源主要是由电力电子装置负责能量转换，并提供必须的控制；微网相对外部大电网表现为单一的可控单元，同时满足用户对电能质量和供电可靠性、安全性的要求。欧盟微网项目对微网的定义为利用一次能源。使用微型分布式发电系统，分为不可控、部分可控和完全可控3种类型，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子设备进行能量转换和控制[4]。

在我国，微网还没有完整的定义，但是从上述2个组织的定义可提炼出微电网的共同特征：含有电源、负荷和储能装置；一次能源可以转换为多种形式的二次能源（如热和电等）；控制和转换设备尽可能采用电力电子装置；其中设备可内部控制并对外表现为统一可控。目前，网中除了电能可以与外界交换外，其他形式的二次能源还在独立的小网络中处于自给自足的状态。

1.2 用户接口

根据我国配网用户的种类[5-6]，本文将可能建设微网的种类分为：企业型微网和社区型微网。企业型的微网划分针对大型用户，如学校、医院、中小型企业、商业中心等，在这些用户中，存在自己投资建设微网的可能，而公共电网与此类用户的接口在于配网和微网的接口。社区型微网的划分针对居民用户，在政策允许、用电价格有利的条件下，居民便会有强烈的愿望建设小型的发电设备，为了对众多的小型发电设备进行管理，微网技术提供了一个很好的技术手段。这时微网由电力运行商建设，公共电网与用户的接口在于到户的开关和智能表计。

1.3 3层结构体系

为了对微网内部设备和用户进行管理，对能源进行调配，接收公共电网的统一调度和关系，在微网中需要建设一套自动化系统。对外表现为一个可控单元，其控制系统必须保留接口与公共配电网中的控制系统相连，进行信息的交换，并接受配网系统的控制；对内表现为一个调度管理的集控中心，高效、节能、环保地运行内部设备。为此，本文提出配电网——微网——智能表计3层体系结构，建设清洁、高效的智能配电网。

2 3层结构的功能分析

提出的3层结构体系功能模型如图1所示。此模型将配网、微网和用户的功能分层分区实现，各层之间的功能不会穿插混淆。

配电自动化系统负责馈线、配变等公共配网主设备的监控、保护和管理功能。不论由谁来建设，微网建设时有统一的准入原则，运行时接受配网的监视、控制和管理，而微网中的用户只与微网系统交互，不直接与配网系统发生联系。对配网来说，微网是一个可控单元，相当于一个能控制分布式电源的配网自动化子站，配网自动化可将一些功能如接口开关的控制、接口处保护策略、需求侧管理等下放其中。如图2所示，微网A负责控制微网A与公共配网的接口开关A1和A3；微网B负责控制微网B与公共配网的接口开关A2和A3。

图1 3层结构功能分层Fig.1 Function layers of the three levels structure

图2 3层结构与具体配置方案模型Fig.2 Three levels structure and practice configuration model

微网对内主要功能为控制网内设备，维护系统能量平衡以及对用户管理等。如图2微网A负责控制微网A中的燃机和多个智能表计、微网B中的储能装置和多个智能表计。智能表计不仅具有双向计费的功能，还具备了负荷控制，微电源控制和通讯的功能，允许单户安装微电源的系统接入。

2.1 微网内的控制

文献[7-11]研究了各种分布式电源在微网中的控制方式。本文提出微网内分布式电源遵从主从控制和对等控制策略并存原则。例如微网A中燃机为其主控电源，由微网自动化系统直接控制，当微网A转入孤网运行时，燃机可建立起整个微网的电压。

用户智能表计下风能或光能发电设备为从电源，它们不被微网自动化系统直接控制，而被智能表计管理。这类微电源具有一定的自动控制能力，当感知到配电箱母线失压时便脱离微网，当感知到配电箱母线电压正常时并网，实现功率共享。微网对此类电源采用“群控”技术管理，即微网自动化系统将整体策略和目标分解，发送至智能表计，由智能表计对其下的微电源进行控制，而达到群控目的。这样可以保证微网中的从电源平等发挥作用，不受微电源规模和数量的影响，实现微电源的“即插即用”功能，因而此类电源的控制策略也被称为“对等控制策略”。但此类微电源无法单独在微网中工作，如微网A孤网时燃机失效，无法建立微网电压，从电源则无法并网发电。在微网B中，储能设备为主控电源。

由于微网中用户既存在用电负荷，也存在发电设备，二者均接受智能表计管理，因此用户对于微网来说也成为一个可控单元。此单元对于微网可以表现为用电也可以表现为发电，微网控制器不需要监视单个从电源的发电过程，但是可以通过对所有的智能表计的监控管理，实时制定相应的本地策略，调整主电源和公共接口的运行状态，从而达到合理使用分布式电源的目的。例如，当社区型微网中众多的风、光发电已满足负荷需求，微网本地策略可以调动储能设备进行充电，减少主电源的发电功率，或与配网自动化系统联系，请求上送功率等。

2.2 微网的运行模式及配网对其管理

该微网有4种运行状态：并网运行状态、孤网运行状态、并网转孤网过渡状态和孤网转并网过渡状态。

2.2.1 并网运行状态

微网A、B内的燃机与风光发电供给网内的负荷使用，储能设备处于充电状态。微网内发电不能满足负荷需求时，配网可提供备用电能，微网内发电富余且配网允许的情况下，可向配网上送多余电力。此时的微网为一个可控单元，配网对其实时监控，跟踪负荷曲线，根据配网的整体控制策略为各微网分配目标，并向微网发送具体的控制指令。

2.2.2 孤网运行状态

微网A、B既可以独立运行，也可以整合成一个微网运行。整合后，主从电源带微网A、B的负荷运行，燃机的功率将根据网内实际负荷自动调节，储能设备处于备用状态，当运行方式特殊，如主从电源满发都无法满足微网内负荷时，微网控制器将启动储能设备逆变，仍不能满足负荷需求时，微网控制器将启动切负荷策略。

此时的微网是配网中的能量孤岛，但信息的联系没有中断，当并网条件满足时，微网发出并网请求，配网结合实际情况接受或拒接请求。

2.2.3 过渡状态

1）并网转孤网过渡状态。当系统故障失压，燃机和风光发电的低压保护动作，跳开网内的发电设备。控制系统断开微网与配网的连接点（A1与A2），此时网内的主储能设备短时内逆变，建立起微网内的电压，控制好负荷与逆变的容量配比，待系统稳定之后，燃气轮机重新合上出口接触器，切换至孤网运行状态并带微网内负荷，投入并网前断开的负荷，储能设备转入备用状态，风光发电设备逐渐转入运行。

2）孤网转并网过渡状态。控制系统通过调整主电源来调整微网内的参数，使微网内参数与系统参数达到同期区间，同期合上微网与配网的连接点（A1或A2），微网逐步转为并网运行方式。

在过渡状态中，配网自动化系统最主要的任务是控制好微、配网之间的保护配合和自动化策略配合。另外，微网将过渡过程记录下来，上送配网自动化系统，以便配网自动化系统对该微网过渡过程的跟踪分析。当过渡过程结束后，配网的拓扑结构发生了改变，配网自动化也应及时作出相应的调整。

2.3 微网内同期点设置

由于智能表计以下从电源感知到系统电压后才并网发电，因此从电源应配有相应的跟踪系统电压功能。但如果智能表计下还配有相应的储能设备，当微网失去电压时，智能表计下设备还可正常运行，则在智能表计接口处需配有同期和解列功能。主电源和公共接口处均应配有同期和解列设备，并受微网控制器控制。

2.4 微网本地策略和配网远方策略

2.4.1 微网自动切负荷策略

当微网在过渡过程中或微网在孤网运行状态中，微网内的电源不足以为所有负荷提供电能，此时则需要本地的切负荷策略。例如微网B进入孤网状态后，通过微网B控制器与智能表计进行信息交换，本地切负荷控制策略将通过智能表计将DL8开关和储能站母线以下的一般负荷切除，保证储能设备与重要负荷的稳定运行。

微网的切负荷策略也可以和配网的负控功能结合，接受配网的负控指令来对网内负荷进行控制。

2.4.2 备自投策略

为了保证微网的供电可靠性，备自投策略是其重要技术手段。传统的A1、A2开关互为进线备投和A3开关作为分段备投，保证了配网成为微网的可靠电源。

由于微网中有相应的电源，当系统失压时，微网A、B互为备投也成为可能。系统失压时，A1、A2、A3开关均跳开，微网A由于失去系统电压，除储能外所有的分布式电源均因低电压保护跳开，等待燃机启动建立微网电压需要较长的时间。而微网B在失去系统电压后，切负荷策略和储能的逆变装置能迅速启动，保证重要负荷的供电。此时微网A、B通过配网自动化系统沟通信息，实现微网B成为微网A的备投电源，备投合上A3，为微网A重要负荷提供电源，然后再启动燃机。由于微网A、B通过A3相联，暂时整合成一个微网，解决了微网B中储能设备不能长期运行和微网A中燃机启动时间长的问题。

2.4.3 智能表计对负荷的控制策略

为了保证微网内重要负荷的供电可靠性，本文将微网内的负荷分为重要负荷、次重要负荷和一般负荷3种。重要负荷要求必须持续供电（如重要的数据服务器），次重要负荷可以短时间断供电（如会议室供电），一般负荷完全服从微网方式的安排（如制冷）。

当微网从并网到孤网时，是所有智能表计最繁忙的时候。控制一般负荷的智能表计当感知电压下降或收到微网控制器发出的孤网指令时，即刻与微网断开联系；控制次重要负荷的智能表计则设置更低的开断电压，并接受微网控制器开断指令才与微网断开连接；控制重要负荷的智能表计功能最强大，无论微网处于任何状态都要保证重要负荷的持续供电，因此此类表计下面应配备一定容量的储能，当接收到孤网指令时，智能表计要根据电压和频率来评估重要负荷是否要独立运行，当电压和频率的波动不能满足重要负荷的要求时，及时与微网脱离，并按既定策略调整表计下的储能与负荷的匹配。

2.4.4 峰谷调节

当配网需要进行峰谷调节时，也可以通过配网自动化群控微网、微网控制主电源和群控智能表计的方式，对电网友好型电器和从电源进行控制，以达到峰谷调节的目的。

2.4.5 微网保护和配网保护的配合

传统配网自动化的保护隔离功能是建立在相邻的终端设备之间相互通信交换数据的基础上的。当故障发生后，检测到故障的终端会主动与其左右相邻的终端装置进行对等通信，询问故障信息状态，当通信主动方终端收到前侧（电源侧）相邻终端的故障上报信息，而未收到后侧相邻终端故障上报信息时，其认为故障点在其后侧，启动隔离处理过程。

上述的保护隔离策略是基于单侧电源供电的基础上生成的。在拥有微网的配网中，配网发展为多电源供电网络，发生故障时，短路电流与传统配网发生了较大区别[12-15]。以下故障分析无特殊说明时，均默认故障前处于并网运行方式。

当F1发生短路故障时，1001与1005可能会同时感受到故障电流，但电流的方向正好相差180°，因此，微网外部的配网故障应加入故障电流方向判据，并且同时切除故障点两侧开关1001及1005。

当变压器T1和T2分列运行时，T1发生故障F2，则应同时切除T1两侧开关1003及A1。若故障前系统与微网的功率无交换，故障切除后微网的功率还保持平衡，转入孤网后微网A无过多的策略调整。若故障前功率由微网A流向系统，故障切除后，微网A的电压与频率将上升，此时的微网A将进入孤网策略，调整燃机，恢复微网A正常的运行状态。若故障前功率由系统流向微网A，故障切除后，微网A的电压与频率将下降，此时的微网A的孤网策略不仅需要调整主电源，还需要启动切负荷，保证微网A的孤网运行状态。当微网A运行稳定下来后，启动同期备自投，同期投入开关A3，微网A与微网B组成大微网，通过开关A2与系统并网。

当变压器T1和T2分列运行时，T2发生故障F5，此时切除T2两侧开关1004及A2。此时微网B与微网A的保护过程有所不同，孤网检测启动储能设备的逆变。若故障前系统与微网的功率无交换、功率由微网B流向系统、功率由系统流向微网B这3种情况下，故障切除后转入孤网的微网B策略调整与上节分析微网A策略类似。当微网B运行稳定后，也需要启动同期备自投，利用开关A3，微网A与微网B组成大微网，通过开关A1与系统并网。

由于配网的接口，微网的主电源和A、B微网的连接均在母线LM1上，因此母线LM1是微网A中极其重要的元件，本方案为其配备了母差保护，当LM1母线出现短路故障F3时，应可靠跳开母线上所有开关A1、A2、DL1、DL2。母差动作后必须闭锁备自投动作，此时的所有配电箱母线失压，无法建立电压。燃机失压解列后重新启动，只能带燃机站母线，微网A进入小孤网模式，只能维持主电源和少部分负荷运行。微网B中的LM2故障时，保护动作过程与微网A类似。

当微网A并网运行时，发生F4故障，仅需要跳开DL2和DL6开关，燃机带燃机站母线进入孤网模式，其他负荷及分布式电源正常运行。当微网B并网运行，发生F7故障时，保护动作过程与微网A类似。

当微网A孤网运行时，发生F4故障，保护动作跳开DL2和DL6开关，LM1母线失压，微网A损失大部分负荷和分布式电源，仅有燃机带少部分负荷进入小孤网状态。当微网B孤网运行时，在F7发生故障后，保护动作过程与微网A类似。

2.5 高级功能的实现

随着配网自动化系统的发展，配网自动化的功能分层分布实现。主流的配网自动化系统一般分为主站、子站和设备终端。按照本文提出3层结构，微网完全可以发展成配网自动化的一个子站，起到一个承上启下的关键层的作用。既是配网自动化的子站，也是微网内分布式电源的众多负荷的数据集控中心。

2.5.1 微网的能量管理与配网的能量管理

配网侧的能量管理，关键在于制定合理的电价，刺激用户使用清洁能源或节电，获取最大的社会效益；微网控制系统接受配网特殊情况下的调度，如调频调压控制等。

对于微网的能量管理系统，关注点在于：

1）稳态运行情况下，根据不同的策略，如以冷定电、以电定冷、经济最优、联络线功率控制等，自动确定各个DG的发电计划。

2）综合考虑下网电价、燃机价格、环境温度、上网电价等，自动控制微网内的能源生产，以达到运行费用最低、实现一次能源利用率最高的目的。

3）根据电网峰谷价差进行用电计划安排，最大程度利用电力市场的价差获利；对储能元件进行控制，“低吸高抛”，实现局部范围内购电最少。

4）响应电网调度的要求。

2.5.2 微网的负荷管理和配网的需求侧管理

目前的配电自动化系统的需方管理（Demand Side Management，简称DSM）实际上是通过一系列经济政策和技术措施，由供需双方共同参与的供用电管理。电力的供需双方共同对用电市场进行管理，以达到提高供电可靠性，减少能源消耗及供需双方费用支出的目的。其内容包括负荷监控与管理、远方抄表与计费自动化两方面。这两方面功能均可通过微网系统对智能表计的管理来实现。

3 结语

用户侧的分布式电源使得配网的电能不再单向从电网侧流向用户侧。微网技术、智能电表技术的发展，以及配网、微网和负荷系统结构关系的完善为人们使用清洁能源和节能提供了一系列技术条件。但还需要增强系统的安全可靠性，并提高其经济性和易用性，才能通过新的技术和模式来大量使用清洁能源。

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