基于分布式能源接入的新一代智能变电站广域分布式架构设计

秦秀敬，张华强，窦仁辉，姚志强（．哈尔滨工业大学（威海）电气工程系，山东　威海　6409；．中国电力科学院（南京），江苏　南京　0003）

基于分布式能源接入的新一代智能变电站广域分布式架构设计

秦秀敬1，张华强1，窦仁辉2，姚志强2
（1．哈尔滨工业大学（威海）电气工程系，山东威海264209；2．中国电力科学院（南京），江苏南京210003）

摘要：为提高变电站支撑主站新业务应用能力，研究微网核心算法，建立基于分布式能源接入的面向广域分布式架构的新一代智能变电站应用体系，提出变电站应用功能的分布式和集中式配置策略，重新规划和补充站内数据需求及存储、实时性等技术要求，促进智能电网新业务快速地融入变电站，全面提升新一代智能变电站“即插即用”的技术水平。

关键词：分布式能源接入；微网；即插即用；新一代智能变电站

本文引用格式：秦秀敬，张华强，窦仁辉，等．基于分布式能源接入的新一代智能变电站广域分布式架构设计[J]．新型工业化，2015，5（7）：34-40

Citation:QINXiu-jing,ZHANGHua-qiang,DOURen-hui,etal.WideAreaDistributedArchitectureDesignfor aNewGenerationIntelligentSubstationBasedonDistributedEnergyAccess[J].TheJournalofNewIndustrialization, 2015,5（7）:34-40.

0　引言

智能电网已成为新一代智能变电站的发展方向，我国正处于国家电网2020计划的全面建设阶段[1-2]，到2015年底，基本建成坚强智能电网，具备接纳和优化配置大型火电、水电、风电、核电和其他可再生能源电力的能力，完成重要区域枢纽变电站的智能化建设和改造任务[3-5]。分布式能源具有便捷和本地部署方便等特点，易将其直接融入到智能变电站运行中。智能变电站在站内设备、层间通信与运维管理等方面取得较大进展，但厂站对主站的支撑能力仍有待提升，尤其是在电网新业务融合等方面还需要进一步改进。

为提高变电站支撑主站新业务应用能力，本文以分布式能源接入为研究对象，建立面向广域分布式架构的智能变电站应用体系，依托微网核心算法将分布式能源接入业务下放至变电站，通过业务融合与平台解耦，提高站级业务平台的开放性和扩展性，满足不同专业对数据深度分析和利用的需求，促进智能电网新业务高效、可靠地融入变电站，提升新一代智能变电站“即插即用”技术水平[6]。

1　分布式能源概述

分布式能源（DistributedEnergyResource，DER）以气体燃料为主，可再生能源为辅，可就地实现热、电、冷三联供电。利用小型化设备向用户提供梯级能源的新能源利用方式，实现能源的最大化利用[7]。与传统集中式能源相比，DER多靠近负荷中心，可简化能源输送环节，降低线路损耗，减少输配电建设成本。DER还可实现发电、供热、供冷等多种服务功能，能够有效地实现能源综合梯级利用[8]。

目前，国内外有多种DER应用方式，包括独立运行、组成微网与公网连接、直接接入用户内部网络或直接接入电网等4种方式[9]，本文以DER通过微网接入电网方式来研究新一代智能变电站构建基于分布式架构的DER配置策略。

我国规定200kW及以下分布式电源接入380V电压等级电网；200kW以上分布式电源接入10kV （6kV）及以上电压等级电网[10]。因此，分布式能源接入主要集中在配网领域。对变电站和调度主站而言，分布式能源通过10kV（6kV）-35kV电压等级的分布式能源站来接入电网。

2　新一代智能变电站的分布式架构及功能流程

2.1数据要求

分布式能源的接入，改变了传统变电站的数据流向及监测模式。在新一代智能变电站的分布式能源接入中增加动态数据处理模块，通过数据同步、数据辨识、数据分析和数据实时贮存等环节，实现对站内数据动态监测与分析评估以及对分布式能源接入的实时跟踪[11]。变电站数据处理流程如图1所示。

图1　变电站数据处理流程Fig.1　Data　processing　of　substation

站内测量装置采用高速采样技术，将电网运行数据的模拟量转换为数字量，存储到嵌入式控制单元并传送至数据处理中心。数据处理中心对数据进行分析、挖掘，计算出电网运行参数：电流、电压、频率、相位、功率因数等。信息采集装置同时采集变电站环境参量，如温度、湿度等，汇集到站内监控系统或调度主站，通过网页实时显示电网及环境运行工况和电参量动态波形。

分布式能源兼具间歇性和波动性特点，在对智能变电站的数据规划上，应该约定数据属性，如调控（调度）数据、在线监测数据、同步相量数据、电能量数据、辅助监控数据和生产管理数据等的存储方式、实时性以及数据精度，以满足新一代智能变电站后台监控系统对数据的实时性和准确性要求，数据属性约定如表1所示。

2.2微网核心算法

微电网是以分布式发电技术为基础，以分散型资源或小型电站为主，结合终端用户电能质量管理，采用能源梯级利用技术而形成的小型化、分散式电源和负荷一体化功能网络[12-15]。微网运行时，可通过公共耦合点接入电网；当电网发生故障或检修时，公共耦合点与公共电网切断，自动切换到孤岛运行模式，借助微网的灵活特点实现DER的无缝接入。

微网基本结构如图2所示，电力系统被假定为几条馈线和负载的径向集合系统。径向系统通过分离装置（通常是静态开关，称为公共耦合点）连接到分配系统，每条馈线都包括断路器和潮流控制器，用于监视和控制负载。

分布式能源间歇性、波动性和难准确预测等问题可以通过并网与保护技术、储能与通信技术等微网核心算法来解决。

（1）并网与保护技术

可再生能源受地域和气候影响较大，属于随动能源，若直接并入电网势必影响电力系统的电能品质，导致电网波动、谐波污染等问题。若将DER与微网组合再与公网连接，可以大大削弱其对公网的冲击。在DER借助微网并入电网前，要求公共耦合点电压、频率和相角与公网近似相同，实现柔性并网、减小瞬态冲击。微网可向电网提供保护电网系统的参数配置，提供公共耦合点连接状态、无功、相角和频率等实时数据，时刻监控DER并网状态，动态评估DER通过微网并入电网的运行趋势。微网自身的稳定性和可靠性都要优于分布式能源，提高微网渗透率可以减少电力系统的平均停电次数和停电时间，保证系统可靠运行。

图2　微网基本结构Fig.2　Basic　structure　of　micro-grid

为确保微网稳定运行，完善新一代智能变电站的监测机制，提高数据采集和处理精度，实现电网故障智能预警、微网保护及故障迅速定位、隔离和恢复等。将静态开关置于公共耦合点，在公网发生故障或电网检修时，静态开关会自动将微网切换到孤岛模式，根据状态监测信息判断自动恢复与公网的连接指令。

表1　新一代智能变电站数据属性约定表Tab.1　Data　attribute　convention　of　new　generation　intelligent　substation

（2）储能与通信技术

通过增加储能装置可以解决可再生能源的间歇性、随动性问题。储能装置备用容量的选择和使用方式是解决该技术问题的关键。当微网运行在孤岛模式时，需要考虑储能装置能否在合理时间内维持发电量和用电量的平衡。因此需对可再生能源发电进行精确预测、对运行工况可靠建模，科学评估储能装置的容量以及正确模拟储能装置的运行方式和运行时间，才能合理调控可再生能源发电品质。

AC/DC混合微网结构如图3所示，微网中储能装置可以实现DER的分类储能，减少储能系统中复杂的变流环节，可同时为交、直流负载供电，并网结构简单，控制灵活、可靠，降低成本、实用性强。

图3　AC/DC混合微网结构Fig.3　AC/DC　Mixed　micro-grid　structure

借助微网储能技术可提高DER发电及并网性能，平滑负荷，减少电能损耗，提高电能利用率，如削峰填谷、降低电磁干扰；利用微网的电力电子装置进行无功补偿，保证电能质量和供电可靠性，优化电网配置，提高经济性。

采用先进的传感技术、通信技术采集系统的并网和储能信息，在微网设备间建立高速、实时的通信链路，实现微网运行信息的交互，提高系统信息处理能力。

2.3主站-厂站分布式架构设计

综上所述，将分布式能源直接接入电网会对电网产生冲击，如果通过微网技术将DER接入电网，并在并网前完成电能质量评估和谐波抑制等工作，可对变电站内电能质量和电能量的影响降至最低。

利用站内过程层的智能终端和合并单元完成DER电能量原始数据的采集工作，将原始数据储存在静态数据库中，静态数据库中还包括电网监视、设备运行、环境监测等公共信息，经过变电站分布式状态估计及谐波处理等技术对原始数据进行“提纯”，结果传至实时数据库，在数据处理中心进行数据辨识，获得“高精度、低冗余度”数据，供调度主站进行统一分类和调度。变电站---调度主站应用功能分布式架构如图4所示。

基于DER接入的广域分布式应用架构，利用微电网的反孤岛和低频保护技术，对可再生能源发电过程和电能品质（质量和容量）进行建模，确定储能装置容量以及储能装置运行方式和运行时间，减轻DER并网对电网的冲击，降低并网电能的波动。采用ATT7022E三相电能计量芯片，利用FFT算法、同步采样、ADC采样等技术对分布式发电过程进行跟踪和监测，引入谐波动态补偿技术，提高发电和并网质量。

广域分布式应用架构可将DER接入业务下放至变电站，通过业务应用与平台的解耦，提高站级业务平台的开放性和扩展性，促进智能电站新业务的融合。

图4　变电站应用功能分布式架构Fig.4　Distributed　architecture　for　substation　applications

3　新一代智能变电站应用功能集中式配置策略

3.1站内设备更新与集成

DER的接入对智能变电站中智能电子设备（IntelligentElectronicDevice，IED）的精度和抗干扰性提出了严格要求，为满足新一代智能变电站“即插即用”功能，在智能变电站内引入智能变压器、智能隔离断路器、集成式电容器等智能一次设备，结合外置一个或多个智能综合组件实现站内电能的控制、保护、计量、监测等相关功能。集成二次设备可以避免站内过程层和间隔层设备的功能重叠，造成资源浪费现象。

（1）智能变压器

将传统变压器与传感器、智能电子装置等设备进行融合，组成符合智能变电站一体化设计、一体化制造、一体化试验要求的智能变压器。

智能变压器对智能组件进行信息融合，配置高精度传感器，实现对变压器本体监测、控制和保护功能，保证采集端数据源的一致性和可靠性，减少重复采样次数。内置状态估计和运维的信息维度，对数据进行全方位分析评估，缓解数据处理中心的压力。

（2）多合一装置

传统的35KV及以下电压等级的变电站，其间隔层内部的测量、控制、保护和计量等装置以及智能终端和合并单元等过程层设备大多数采用独立安装方式，这种布局导致站内各功能IED装置接线和维护复杂，不利于多业务数据的融合和统一。为提高装置集成度，将间隔层和过程层装置功能进行集成，采用多业务数据的同步采样，以保证数据的精度和准确度，降低全站设计的复杂度。功能多元化和设备状态监测常态化，为分布式能源接入的新一代智能变电站广域分布式架构应用模型提供可靠的数据支撑。

（3）集中式保护装置

集中式保护是将传统孤立的多间隔保护、测控、计量设备映射到同一装置的逻辑设备中，每个逻辑设备功能上保持相对独立，通过统一通信接口与其它设备进行信息交互，完成保护功能。将多个间隔纵联通道同时接入优化过的通信接口，保证多个厂站之间的电气信息数据完全同步，增加了站内继电保护的可靠性。

在站内后台保护系统中设置保护动作表决机制，如图5所示，在某一路出现故障或检修时，系统可凭借另一路的保护动作信号来控制断路器的开关状态，提高集中式保护防误动性和灵活性。实现单间隔故障或检修时设备可被安全隔离，其它间隔设备正常工作，解决集中式保护检修难的问题。

图5　集中式保护动作表决机制Fig.5　Action　voting　mechanism　of　centralized　protection

3.2广域分布式架构及数据流向

基于分布式能源接入的变电站应用功能分布式架构，在完成站内设备更新与集成的前提下，对新一代智能变电站内部的设备部署以及数据流向做出合理规划，如图6所示。新一代智能变电站的过程层加入智能变压器和智能无功设备，依靠ECT/EVT实现对电能的同步采集；间隔层采用35KV多合一装置完成测控、保护和计量等功能，大大减少设备的占地空间和增加了数据的共享功能。

新一代智能变电站内数据流向分为两路。其中，经过程层采集到的电气量数据通过MMS报文传至间隔层，经过间隔层内部数据辨识处理后经GOOSE统一传送至Ⅰ区数据通信网关；将来自间隔层交、直流电源、安防、消防、环境监测、绿色照明和视频等辅助设备的数据信息统一传送至Ⅱ区数据通信网关，数据分类明确，确保站内系统正常稳定运行。

智能终端和合并单元对过程层一次设备的开关量和状态量进行采集，根据GOOSE/SV协议，将采集结果由过程层网络传至35KV多合一装置、继电保护装置和动态记录装置等间隔层设备，实现保护、测控、记录等功能，同时将分析结果传送至监控主机和I区数据通信网关。变电站间隔层同时完成环境监测、消防/安防、视频监控等辅助功能，将数据传送至II区数据通信网关，最终上传到调度中心，完成整个变电站的数据和信息采集、分析、上传和调度操作。

基于分布式能源接入的新一代智能变电站广域分布式架构，可以实现对全站的准确监视、分析和控制，在广域范围内实现对底层数据采集、分布式存储、分布式状态估计和数据辨识等功能。依托微网核心技术提高站内电能质量，通过业务应用与平台解耦，提高站级业务平台的开放性和扩展性，满足不同专业对数据深度分析和利用的需求，促进智能电网新业务高效、快速地融入变电站。当变电站主站迁移或改建时，调度中心可快速构建该变电站的架构模型，完成变电站的架构配置，方便实现新一代智能变电站“即插即用”的功能。

图6　基于分布式能源接入的新一代智能变电站广域分布式数据流向Fig.6　Wide　area　distributed　data　direction　for　a　new　generation　intelligent　substation　based　on　distributed　energy　access

4　总结

智能变电站采用基于分布式架构的分布式能源接入系统和动态无功补偿装置，在极端天气或故障下具有更好地鲁棒性，缩短了主站与厂站间的调度时间，并打破了传统电网单向传输的特性，使潮流双向流动。当供电量超过负荷量时，发电机能够将电能回馈到电网。采用一体化监控系统，使主站的支撑能力得到大幅提升，业务融合趋势逐步凸显，变电站与主站间的信息交互、功能服务成为主子站技术发展方向。

我国能源和负荷分布不均衡，电力需长距离传输、大范围配置，电力能源结构仍以火电为主，分布式能源应用较少。随着电力需求的不断扩大，发展分布式能源并网，研究基于分布式能源接入的新一代智能变电站广域分布式架构和应用技术，对提高电网稳定性、降低电能传输损耗以及实时数据交互和共享具有重要意义。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.006

基金项目：＊山东省科技发展基金（2011GGH20411）；中国电力科学院（DZN51201403957）。

作者简介：秦秀敬（1992-），男，硕士研究生，研究方向为智能电网技术、电力电子技术及应用；张华强（1967-），男，博士，教授，研究方向为智能电网技术、电力电子技术及应用；窦仁晖（1976-），男，高级工程师，研究方向为电力系统自动化；姚志强（1983-），男，工程师，研究方向为电力系统自动化。

Wide Area Distributed Architecture Design for a New Generation Intelligent Substation Based on Distributed Energy Access

QINXiu-jing1,ZHANGHua-qiang1,DOURen-hui2,YAOZhi-qiang2
(1. Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai Shandong 264209; 2. China Electric Power Research Institute (Nanjing), Nanjing Jiangsu 210003)

Abstract:Thispaperproposesthedistributedandcentralizedconfigurationstrategyandre-planingandsupplyingthe stationdataanditsstorage,real-time.Thenewgenerationintelligentsubstationapplicationssystemforwideareadistributed architectureisbuiltwiththestudyonmicro-gridcorealgorithmonthebasisofthedistributedenergyaccesstoimprovethe applicationabilityofthesubstationforsupportingthenewbusinessinmasterstation.Allresearcheshavebeendonetopromote theintegrationofthesmartgridnewbusinessintothesubstationquickly,improvingtheentireleverofplugandplaytechnology inthenewgenerationintelligentsubstation.

Keywords:Accessofdistributedenergy;Micro-grid;Plugandplay;Newgenerationintelligentsubstation