考虑风光储一体化的电能计量模式研究与验证*

李学永

(国网福建省电力有限公司电力科学研究院， 福州 350007)

0 引 言

电能的精确计量是能效测评和电网管理的数据来源，也是用户结算电费的直接依据。随着当今环保清洁的新能源越来越受到重视，分布式发电取得了飞速发展。传统电网只存在电网向用户供电的单向计量问题，而在含分布式电源并网的小型微电网系统中，用户不仅可以从电网购电，也能通过分布式电源发电向电网售电，因此出现了电网和用户之间电能互动的情形。这就需要采用包含双向计量等功能的智能电能表来实现用户和电网之间的电能计量，同时还需要制定出专门针对分布式电源并网的电能计量模式。

随着分布式电源的应用越来越广，国家和地方政府以及国家电网公司为了鼓励和促进分布式发电尤其是新能源发电的发展，出台了多项鼓励措施和财政补贴政策。2013年7月18日，国家发改委《分布式发电管理暂行办法》二十一条规定分布式发电以自发自用为主，多余电量上网，电网调剂余缺，电网企业应保证分布式发电多余电量的优先上网和全额收购。2013年2月27日国家电网公司关于印发《分布式电源相关意见和规范的通知》第三条第6点指出：建于用户内部场所的分布式电源项目，上、下网电量分开结算，电价执行国家相关政策。以某市为例：上网电价在国家补助0.42元/kWh、浙江省补助0.1元/kWh的基础上，依据项目建成后的实习发电效果，再给予0.1元/kWh的补助，补助期限暂定为2014年～2015年。

实行分布式发电的补贴政策后，原本的电能计量问题变成了更为复杂的补贴计量问题，即需要计量上下网电能的差值，当分布式电源发电不足用户需从电网购电时，采用这一差值与电网单位电价的乘积作为电费，当发电富裕时用户向电网售电，以这一差值与补贴电价的乘积作为补贴发放给用户。现行的含分布式电源并网的电网系统中，大多采用仅在电网母线的进户端装设一个双向智能电能表的计量方案，只需计量用户和电网的电能代数和即可为用户和电网的电费结算提供依据[1]。但是在未来智能电网情况下， 不仅需要计量用户和电网交互的电能代数和，还需要独立地计量双向的电能，为分布式发电的统计、监控以及负荷的精确预测提供基础。所以，为了更好地监测负荷的用电情况以实现对用户的用电行为分析，探寻小型微电网发电和用电的规律，现有的计量模式已不能满足做进一步研究的需求，需要一种适合小型微电网的电能计量新模式。

提出了一种适用于含有储能系统的新型电能计量模式，在考虑了负荷用电特性的基础上，对含风光储的分布式电源进行独立的双向计量。这一新型计量模式解决了传统计量方式下可能造成的计量异常，可以更加准确的计量分布式电源发电量和用户用电量，实现更准确的计量补助方案，有利于政府分布式发电补贴政策的实施及对微电网系统的进一步研究。

1 评估方法的选择

1.1 电能计量原理

微电网的电能计量采用“本地采样、远程计算”的方式，即各计量点采集的用电数据统一发送到微电网的前置计量终端进行计算，计算的时间尺度可以是确定的月、日、时、分或任意时段，还可以是不同的电价区间等。

电能计算的公式为:

(1)

式中u(t)和i(t)为电压、电流瞬时值;T为电能计量时段。工程上，采用式(1)的离散形式，即：

(2)

式中 Δt为电压和电流的数据采样间隔，为了保证计量精度达到电网的计量要求，要求尽可能缩短采样间隔，因此每秒产生的数据量将非常大，所以在工程计量中为方便电能的计量与统计，选取一个电能计算的最小时间间隔ΔT并由此来计算各时刻的电能值，可得电能计量的计算单元:

(3)

利用式(3)即可在各种时间间隔上进行电能计算[2]。

1.2 现行电能计量模式

依据国家发改委及国网公司对分布式发电管理方法和要求，现行传统微电网电能计量模式如图1所示[1]，双向智能电表用以上下网的电能计量。这里，智能电表在应在双向潮流、计量准确、满足动态宽负荷的情况下，实现分时电量结算，发电、上下网电量分开单独结算等要求，即应具备正反向计量、分时计量和整点电量冻结等功能[3]。

图1 传统微电网电能计量模式

根据电网系统输出功率、分布式电源发电功率和负荷功率的代数值，可得三者之间的关系式：

PG=PD+PL

(4)

对等式两边的功率分别做时间的积分，即可得电能关系式：

WG=WD+WL

(5)

可知，电能与功率具有相同的关系式，图1中均以功率说明各部分电能流动关系。当分布式电源功率PD恰好等于负荷功率PL时，两者代数和为零，此时用户与电网系统无计费关系；当PD大于PL时，分布式发电的多余电量将输送给电网，这部分电量按该地区规定的补贴电价来结算用户分布式发电的补贴；当PD小于PL时，分布式电源出力不足，此时用户应按普通电价从电网购电。

针对不同类型的分布式电源，依据它们各自的原理及特点，相应的电能计量模式应有所区别。由于潮汐发电可用常规的水力发电机模型进行模拟[4]，地热发电[5]和生物质能发电可用常规的火力发电机模型进行模拟[6]，因此传统的电能计量模式在这几种类型的分布式发电中是适用的。

而对于风光储一体化的分布式发电，这一计量方案则存在一定的缺陷。首先，只在电网母线入户处安装一个双向智能电表，无法正确计量含有储能系统的分布式电源发电量。以光伏发电为例，夜间发电不足且储能系统中电能也全部用完时，用户会从电网购电以供应负荷用电，与此同时还要给储能系统充电，而日出后光伏发电量出现富裕而又会向电网送电，此时电网在夜间向储能系统的充电电量就会被算在光伏发电之内，导致出现错误计量。由此可见，在类似上述的含有储能系统的微电网的计量问题较为复杂，传统的电能计量模式不再适用。第二，由于分布式发电不仅是单纯的计量问题，还涉及到补贴计量，而现有计量模式中没有合理设定分布式电源发电量的上限，这样若向储能系统接入通过整流的公共电网电压就可以向其充电，如图2所示，这部分“窃取”的电能就会被当作分布式电源所发电能套取补贴。目前对于这种电能计量异常的情况只能采取现场用电检查等办法，还没有一种科学高效的应对措施。最后，传统模式无法直接计量分布式电源发电量和用户用电量，不利于对微电网系统的进一步研究。

图2 传统微电网电能计量模式的计量异常方式

综上所述，为了更加精密地监测分布式电源的发电量及其与用户、电网间电能的实时互动情况，实现对民用小型微电网的准确计费，同时防止计量异常的发生，不单需要计算用户和电网交互的电能代数和，还需要对含风光储的分布式电源进行独立的双向计量，同时还要计量负荷的用电特性，为分布式发电的统计、监控以及负荷的精确预测提供基础。文中根据以上几点问题对现有计量模式做出了改进，提出了一种适用于小型微电网的新型电能计量方案。

2 新型电能计量模式

根据含风光储一体化分布式电源的小型微电网系统的特点，可以大致总结出5种用电场景：

(1)风光发电的总和恰好可以供给负荷用电时，各部分电能间的关系如式(6)所示。这种场景下，分布式电源的出力PD与负荷PL在数值上相等，储能系统无放电和充电，此时电网的输出功率PG=0，可知用户和电网之间不存在电费结算的问题，用户内部发电和用电可以自给自足。

(6)

(2)风光发电的总和超过负荷所需电量时，将多出的电能全部储存在储能系统中，此时PG=0，同样不存在用户与电网间的电费结算问题，关系式如下：

(7)

(3)风光发电的总和超过负荷所需电量，同时储能系统也充满电时，此时PD在数值上大于负荷PL，如式(8)所示，两者代数和PG是一个负值，这部分多发的电能将输送到电网由供电公司按照补贴电价购买，即存在电能上网的问题。

(8)

(4)风光发电的出力不足时，需要储能系统放电共同供给负荷用电的情况下，分布式电源和用户之间可以自给自足，仍不存在电能上下网问题。

(9)

(5))风光发电的出力不足，但是储能系统中存储的电量也不足以供给负荷时，即PD在数值上小于PL，则二者代数和PG为正，如式(10)所示，用户需要从电网购电该部分不足的电能。

(10)

综上所述，只有(3)和(5)两种用电场景中才存在供电公司与用户的电费结算问题，因此这两种情况应作为电能计量研究的重点。

针对几种用电场景的特点，提出一种适用于含风光储一体化分布式发电的更为精确的微电网电能计量模式，来解决传统计量模式测量不准和计量异常造成的补偿不公平的问题，计量方案如图3所示。

图3 风光储一体化的电能计量新模式

方案总体采用三块智能电能表，在电网系统侧和分布式电源侧分别装设一块双向智能电能表，在用户负荷侧装设一块单向智能电能表。电能表1用以计量风光发电不足时电网系统向用户的发电量和风光发电富裕时其向电网输送的电能；电能表2的测量点在逆变器之后，可以计量分布式发电转换为交流后总的发电量，还可以记录风光发电不足时电网向储能系统的充电电能；电能表3用于计量用户消耗的总电能。其中拟装设的智能电能表应不仅能够测量及显示电流、电压、功率、功率因数，还需具有双向计量、实时或短时间隔计量和整点电量冻结功能。

新型计量模式针对含储能的微电网电能计量问题进行了方案优化，解决了传统模式无法计量储能系统的双向功率和计量异常造成的补贴不公问题。仍然以光伏发电为例，夜间发电不足且储能系统中电能也全部用完时，用户从电网购电供给负荷并向储能充电，由电能表2计量这一充电电能SA′，日出后光伏发电因出力大幅增加而向电网传输的电能SG′由电能表1计量，计算发电补贴所用的电量SG即可由这两个计量值的计算得到：

SG=SG′-SA′

(11)

对比传统模式中只能用不正确的SG′来计算发电补贴，新方案对分布式电源上网电量的计量更加准确，同时解决了部分不良用户利用传统模式的缺陷套取补贴的问题。但是，仅通过上述三个计量点所测得的电能值无法判别是否存在如图2中的计量异常问题，因为无论用户是否从母线的其他端口向自家的上网计量点引入电能，所测得的电能代数和都满足式(3)。所以，方案增设了微电网的计量环境监测系统，用以对某地区的环境因素进行分析处理，帮助判别分布式电源的发电量是否在合理地范围内，从而判别有无计量异常的情况。微电网的计量环境监测是应对电能计量异常的一个全新的方法。

改进后的电能计量模式在电能计量方面较传统模式更为精确可靠，可以对微电网各部分发电量和用电量进行计量，直观反映出各自测量点的电能流动情况，同时还可以分时段记录分布式发电和负荷情况，通过分析这些数据得出当地电能生产和消耗的规律，有利于对该地区的发电和用电情况进行预测；同时还解决了含储能的微电网电能的双向计量问题和计量异常问题。下面就新型计量模式进行仿真分析来说明其可行性。

3 基于PSCAD的仿真分析

为了验证所提出的电能计量模式的准确性，并说明其较传统模式的优势，对一个典型的含风光储的分布式发电系统进行了PSCAD仿真，模型如图4所示。其中风机和光伏电池的容量都采用10 kW，蓄电池放电功率7.6 kW，负荷用电取平均功率15.2 kW，微网侧电压380 V，主网电压10 kV。将存在电能上下网的两种运行场景作为仿真的运行条件，通过读取两种模式下各计量点功率表的数据，计算用户消耗和发出的电能量，进而结算电费，算例中，分布式发电的上网补贴电价按依照文件《杭政函〔2014〕29号》规定的0.52元/kWh计费，用户从电网购电的电费取0.538元/kWh。

图4 含风光储的典型分布式微电网仿真模型

仿真的运行过程，先模拟风光发电不足的情况下，持续1小时，此时用户从电网购电同时向储能系统充电，这一过程结束之后，再让系统运行在风光发电充足的情况下，持续1小时，这时用户给电网送电。结算电费时，应取两种情况下产生电费的差值。

首先，对所提出的风光储一体化的电能计量模式进行仿真分析，PACAD模型如图5所示。

图5 风光储一体化的电能计量新模式仿真图

表1 新模式中各功率表读数

在电网侧、分布式电源侧和用户负荷侧的三个计量点各设置一块功率表用，仿真的测量结果记录于表1。

依照新型电能计量模式的仿真结果，发电不充足时从电网购电的情况取时长t=1 h，风光发电充足时向电网输送电能取时长t′=5 h以计算电量，风光发电不足时电网向用户输送的电能：

SG(down)h=P1(down)×t=22.282 kW·h

用户从电网购电的费用：

A1=0.538SG(down)h=11.99元

风光发电不足时电网向储能系统充电电能：

SA′=P2×t′=35.41 kW·h

风光发电充足时向电网系统的上网电能：

SG(up)′=P1(up)·t′=62.18 kW·h

计算得分布式电源实际向电网输送的电能：

SG(up)=SG(up)′-SA′=26.77 kW·h

新能源发电所得电费补贴：

A2=0.52SG(up)=13.92元。

综上，用户最终结算电费所得实际补贴为：

A2-A1=1.93元。

此外，由测量数据还可以计算分布式电源发电量及用户总的耗电量，分布式电源发电量：

SDG=S1-S1′=P1t-P2t=102.77 kW·h

用户耗电量：

SL=S3+S3′=P3t+P3′t=91.2 kW·h

将以上所得数据加以统计和分析，可以得出一般用户的用电情况及分布式发电的规律等信息，为电网的稳定运行和风险预测提供依据。

为对比突出所提出计量模式的优势，对传统计量模式也进行仿真分析，PSCAD模型如图6所示，只在电网和用户接口处设置了一块功率表。将仿真结果记录于表2中。

表2 传统模式中各功率表读数

图6 传统微电网电能计量模式仿真图

传统计量模式在电网与用户接口处设置一块电能表，这时计算发电补贴时只能用该表计量的总上网电能为依据，同样，发电不充足时从电网购电的情况取时长t=1 h，风光发电充足时向电网输送电能取时长t′=5 h，则：

风光发电不足时电网向用户输送的电能：

SG(down)h=P1(down)×t=22.282 kW·h

用户从电网购电的费用：

A1=0.538SG(down)h=11.99元。

风光发电充足时向电网系统的上网电能：

SG(up)=P1(up)t′=62.18 kW·h；

新能源发电所得电费补贴：

A2=0.52SG(up)=32.33元

综上，用户最终结算电费所得实际补贴为：

A2-A1=20.34元。

比较两种计量模式下的计算结果，采用新型计量模式用户所得补贴电费1.93元，而若采用传统计量模式算得补贴电费20.34元。发现两种模式下的电费相差巨大，原因就是传统计量模式忽略了在分布式电源发电不足时，电网向储能系统充电的这部分电量。显然，所提出的计量模式完全适用于风光储一体化的小型微电网的电能计量，不仅能准确计量分布式电源实际上网电量及其发电量和用户用电情况，同时还可以防止不良用户利用传统计量模式无法计量电网向储能系统的充电电能这一漏洞骗取补贴的问题。

4 结束语

随着微电网及分布式发电的迅速发展，国家对分布式电源的补贴政策相继出台，电能计量的要求越来越高，而传统计量模式不能很好的满足含风光储一体化分布式电源的小型微电网的计量需求，无法实现含储能系统的双向电能计量问题并且存在计量异常可能造成的补贴不公的问题。

提出的针对小型微电网的计量方案，可以更加精密地计量分布式发电的上网电量，以及分布式电源与用户、电网间电能的实时互动情况，解决了含储能系统的分布式电源的电能双向计量问题，实现对民用小型微电网的准确计费。同时，针对国内目前还没有可以解决计量异常的科学有效措施的问题，方案中还拟建设了微电网计量环境监测为微电网的分布式电源发电量限定合理的上限，有助于及时发现计量异常的现象，为解决计量异常问题提供了可靠可行的方法。最后，通过对几种不同用电场景进行仿真分析，为这一新型小型微电网的电能计量模式提供了可行的依据，通过不断的研究和实验，该计量模式将会有广阔的应用前景。