基于智能变电站技术的集中式微电网能量管理和稳定控制系统

2014-05-23黄曼青蒋成杰

电气技术 2014年1期

黄曼青李峰蒋成杰

（南京磐能电力科技股份有限公司，南京 210032）

目前，微电网已成为解决电力系统众多问题的一个重要手段。各国都依据本国电力系统实际问题提出了各自的微电网概念和发展目标。世界各国的能源发展动因不同，对微电网的研究侧重点各异。在中国，发展微电网的最大动力是充分利用可再生能源满足未来能源多元需求，最大化接纳可再生分布式能源，从而促进绿色能源的高效利用，提高能效。

智能微网系统是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型智能的发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。本文介绍的DMP7600微电网能量管理和稳定控制系统（以下简称系统）遵循“清洁、高效、自治、安全”的思想和总体技术标准，全面覆盖微电网的监控、保护、运行控制等技术领域，旨在根据用户的需求，提供全方位的微电网技术服务。该系统既可以用于智能微电网领域，实现微电网内能量的管理与调度，也适用于分布式发电的能源管理平台，提高了分布式风能、光伏发电的稳定性及运行效率，实现了高效、稳定运用新能源的设计理念，该系统已经在海岛投入运行。

1 系统架构

系统基于IEC61850 架构，对微电网系统模型、二次功能模型进行描述，对应用与通信技术进行分层处理，由过程层、间隔层、站控层3 个层次构成。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

1.1 过程层

系统过程层设备即合并单元（合并单元和智能单元一体设备）按系统内一次设备配置，就地加装在主变、断路器、分布式发电设备、储能设备等处，采集现场数字通过点对点光纤光纤网上送交换服务器，单台交换服务器满足接入45 台合并单元的数据处理要求，交换服务器集成全站数据信息后通过工业以太网，实现分布式采集数据到间隔层装置---微电网中央控制器的通讯传输，同时合并单元接收中央控制器控制命令实现对风机、光伏、储能等设备的监测和控制。

为了提高过程层通信的可靠性，过程层设备合并单元通过光纤A、B 双网和交换服务器A、B 进行数据交换，交换服务器A、B 则由完全独立的工业以太网络和间隔层设备通信，光纤网络A 和B 发送的间隔信息完全相同，避免一套系统故障导致的全系统失去保护和控制功能。

DMP7600 微电网能量管理系统配置一个全局同步装置---GPS时钟服务器，GPS时钟服务器按照12800 次/s 要求等间隔地产生同步信号，并传递给一个或多个交换服务器，交换服务器根据链路长度产生新的同步信号启动合并单元的数据采集。正常运行时，交换服务器A 和B分别接收来自GPS时钟服务器的同步信号，保证与GPS 信号的同步；当GPS 同步信号故障时，交换服务器之间通过同步光纤控制，保证交换服务器A 和交换服务器B 的同步，因此，连接在光纤双网的所有合并单元实现了高精度数据同步采样（同步误差小于200ns）。

1.2 间隔层

间隔层具有测量、控制元件和继电保护元件。测量、控制元件负责该间隔的测量、监视、断路器的操作控制和电气联锁，以及时间顺序记录等，保护元件负责该间隔线路、变压器等设备的保护、故障记录等。

间隔层设备与过程层设备之间、间隔层设备之间取消常规变电站硬接点信号交互的方式，变为基于IEC61850 标准的对等通信模式，也就是，A、B间隔层微电网中央控制器通过各自的以太网络从过程层获取模拟量、开关量和其他设备的实时数据信息，经逻辑判断和相关电气联锁判断后，发出各自的控制命令。中央控制器A 接收光纤A 网的实时数据，中央控制器B 则接收光纤B 网的实时数据，过程层设备按“或”逻辑实现两台中央控制器的控制；任一台中央控制器故障时，及时告警，退出运行，不影响整个系统。

间隔层同时可选配：

（1）集成电度计量装置，利用过程层传输的实时数据，采用插值法（1024 点）进行时域积分，实现全站各间隔的电能计量，其精度达到0.5 级。

（2）全系统故障录波器，根据多种起动条件，记录全系统实时数据，波形文件为标准COMTRADE 格式。

1.3 站控层

站控层采用工业以太网通信，完成系统内间隔层设备、一次设备的控制及与远方控制中心、工程师站、操作员站及人机界面通信的功能，也可经过协议转换设备与第三方装置进行数据交换。

站控层设备跨硬件平台（HP、IBM、SUN、X86等）、跨操作系统平台（HP-UNIX，AIX-UNIX，Solaris-UNIX，Linux，Windows 等），支持异构操作系统混合配置，具有良好的开放性和可扩展性，方便进行功能扩展以及功能升级。

图2 主控室内A、B 控制屏和综合屏

2 系统功能

间隔层设备通过交换服务器获取到了全系统精确同步采样的全景数据，并且能实时控制接入到系统内的各装置、设备。在间隔层设备上，根据对象的类型性质配置所需的保护、测量、控制、故障录波等模块，实现微电网全系统所需的功能。

2.1 保护、自动装置功能（见表1）

2.2 测控功能（见表2）

2.3 微网能量管理和稳定控制功能（见表3）

2.4 全系统故障录波功能

表1

表2

表3

间隔层设备提供两种故障录波的实现方式：

1）微电网中央控制器：当系统运行异常或故障时启动全系统故障录波。

2）故障录波器（选配）：同时采集两台交换服务器的数据，当系统运行异常或故障、开关变位、量值突变、能量管理系统下发控制调节指令等时，长时间记录系统运行的数据。

以上两种方式均生成标准的 COMTRADE 格式，并提供波形分析软件。

2.5 电度计量功能（选配）

间隔层设备集成电度计量装置上通过配置电度计量模块，可实现全系统四象限峰、平、谷的电度计量，并可通过串口输出DL645 规约格式的报文，精度为0.5 级。

2.6 当地监控功能（站控层）

基本功能：数据采集与处理、控制功能、通用计算、强人机界面功能、操作管理、报警及事件处理、数据查询服务工具、挂牌操作、集控功能、可视化显示、图形编辑功能、数据库编辑软件、事件及事故报警处理、历史断面回显及事故追忆(PDR)、安全子系统、设备管理、监视功能、报表功能、数据的备份功能、可视化数据库模式编辑、馈线自动化、WEB 数据整合和安全发布、配电工作管理、智能操作票系统等。

3 系统特点

3.1 全系统数据共享

微电网能量管理系统采用分布式采集、集中式处理的系统解决方案，所有模拟量的采集和一次设备的操作都是就地实现，数据在交换服务器汇总并在网络上实时发布，实现全系统数据共享及全网故障录波。

3.2 可靠性

过程层与间隔层的通信网络全部采用光纤介质，无电磁兼容性问题。站控层的通信采用双以太网，能自动平衡网络负载，实现功能及网络的冗余，保证任何单一故障不引起重要功能的损失。所有装置无需外加抗干扰措施，其电磁兼容性均可达到IEC61000-4 标准规定的最高等级。过程层与间隔层装置的工作温度范围为-40℃～85℃，满足户外工作的要求。

3.3 安全性

1）信息安全性

过程层与间隔层、协调控制与间隔层和站控层三层之间及三层内部的信息交换采用严格的CRC校验措施，防止由于数据传输错误导致的装置误动作。交换服务器对来自间隔层的网络控制报文进行分析，过滤任何未经授权的网络访问，硬件实现的网络防火墙既保证安全又不影响系统实时性。

2）设备安全性

协调控制与间隔层设备采用虚拟存储管理和严格的存储隔离技术，应用程序和配置文件分类存放、互不影响。协调控制与间隔层设备为各种保护、测控功能的配置、定值、变量和程序等存储空间配备了完善的自检措施，当内存出错时做出相应的保护处理。过程层与间隔层合并单元实时监测模拟量、开入量、开出量和状态信息，一旦发生电源失电、通信中断等故障立刻报警。

3.4 实时性

满足微电网全网数据同步采样的要求，同步精度达到纳秒级。独创的链路补偿技术，保证数据同步传输不受距离的影响，可满足2～2000m 的数据交换和对时的要求。中央控制器采用抢先式硬实时多任务操作系统，对高优先级突发任务的响应时间达到微秒级；应用软件具备完善的异步事件触发响应机制，保证了上行运行信息和下行控制命令都能在2 个采样间隔内完成，因此，就地合并单元和中央控制器之间的数据交换就能在在320μs 之内实现。

4 系统的现场运行

长岛分布式发电及微电网接入控制示范工程位于长岛县砣矶岛内。目前，砣矶岛内电源为大唐联凯 12MW 风电场、柴油发电机，岛内平均负荷500kW，主要依靠长岛电网供电。

在本期工程中能量管理系统主要包括储能电池（电容）、并网变流装置、并网接入装置、以及相关监测系统，该系统将与柴油发电机系统、风电、光伏、配电网自动化系统以及微电网能量管理系统协调配合，在砣矶岛内建立完整的微电网运行、监控系统，为整个砣矶岛提供满足国家相关标准的电力需求，实现砣矶岛微电网在并网及孤岛状态下的安全稳定运行，保障岛内工业、居民、海产养殖以及军事设施的持续性供电。集装箱式混合储能电站主要用于砣矶岛电网在并网/孤岛两种运行状态下的平滑切换，平滑风光功率输出；此外，还将具备暂态有功出力紧急响应、暂态电压紧急支撑功能。

本项目通过进行混合储能系统、柴油发电机、风电机组改造等分布式电源建设，同时进行低压配网智能负荷控制，并通过微电网的保护和控制、能量优化管理、后台运行监控等实现砣矶岛供电系统持续稳定、经济的供电；建设微电网系统的数据采集、运行监控、稳定运行控制、能量管理、远程监控等内容，支撑整个砣矶岛供电系统的安全、稳定、优化运行。