含多个微电网的配电网特征分析与运维策略

吴 英，廖鹏毅，黄迪洁

(1.国网临汾供电公司，山西 临汾 041000； 2.武汉大学电气工程学院，湖北 武汉430072；3.南京工业大学电气工程与控制科学学院， 江苏 南京 211816)

0 引言

随着化石燃料等传统能源资源的枯竭，人们越来越重视可再生能源的利用开发。可再生能源发电电源与用电负荷、储能装置、监控、保护和自动化装置等组合，可构成一个微电网，简称微网[1-2]。与传统大电网相比，微电网具有灵活、智能、高效等特点[3]。我国对于微电网的研究目前仍处于起步阶段，微电网作为智能电网的一个重要组成部分，是重要研究方向之一。

为了优化微电网接入配电网之后的运行，国内外学者对此进行了大量研究。文献[4-5]对微电网接入主动配电网后的网架结构、规划设计、控制方案、运行模式、综合效益等问题进行了阐述，分析了应用微电网技术为主动配电网带来的优势，但没有分析微电网接入后，对配电网带来的挑战。文献[6-7]提出，利用广泛和动态的资源集和控制点来管理大量分布式电源，管理这种系统的最佳方法是将配电系统分解成小集群或微电网，用分布式优化控制协调多个微电网，但没有分析含有多个微电网的配电网的运维。文献[8]在比较微网与智能配电系统特征，并分析多微网发展态势给传统配电系统带来挑战和机遇的基础上，提出了智能配电系统与多微网之间逐步培育和构建开放、友好型协同自律式运控关系的构想，从而促进配电网主动性和智能性的良性发展。以往对微电网的研究，主要针对微电网接入配电网后的优化控制方面，而涉及含多个微电网的配电网运行维护方式的研究还欠缺，缺少分析和现场测试。本文对含多个光伏微电网的配电网的运维特征进行研究，结合华中某市配网项目的实际情况，设计正常运行情况与多种故障情况下的运行方案。

1 含多个微电网的配电网特征分析

微电网的产生主要是为了实现分布式电源的灵活、高效应用，随着化石能源储量不足等问题的出现，分布式新能源发电成为了越来越有效的电能开发模式。微电网概念的提出能够充分促进分布式电源的大规模接入，实现多种能源的高可靠性供给[9]。微电网主要存在于电力系统配电网层级，在对分布式电源的主控、管理以及可靠性方面，含多个微电网的配电网系统有效提高了系统的整体性能[10]。经研究发现，含多个微电网的配电网有如下特点：

1) 在正常时，微电网可以并网运行；也可以在配电网故障时，脱离配电网，孤网运行，减小故障影响区域，保障最大区域的供电可靠性。

2) 配电网的电能质量问题。由于风力、光伏等新能源出力不稳定，可能会造成含多个微电网的配电网的电压波动、闪变等；另一方面，由于多个微电网接入配电网，大量电力电子器件的使用，同样会给配电网带来大量谐波，影响配电网的电能质量。

3) 配电网的保护。由于微电网的潮流具有不确定性，多个微电网的接入，可能会引起保护勿动、拒动等问题，这给配电网的保护带来新的挑战。

4) 配电网的可靠性。当配电网发生故障时，运维人员前往配电网检修，若微电网仍并网运行，向配电网送点，会威胁检修人员的生命安全[11-14]。

从上述分析可以看出，随着越来越多微电网接入配电网，传统配电网的运行维护方式，将不能满足配电网安全稳定运行的需要。需结合含多个微电网的配电网的特征，对含多个微电网的配电网的运行和维护，进行进一步的研究。

2 华中某市含多个微电网的配电网情况

本文依据华中某市含多个光伏微电网的配电网运行实际情况，选取该地区一个含光伏微网的35 kV配电网系统，进行运维策略研究。具体为针对光伏微电网并入35 kV配电网运行时，当配电网发生故障，整个系统在故障时的运行情况，特别是微电网接入配电网的公共联接点电气量变化情况。通过测试结果对可能产生的故障情况进行整理分析，并提出合适的解决方案，对系统的运行与维护提出建议。

以往有关本课题的研究论文，多为仿真研究，缺失实地测试。且在模型设置上较为简略，在研究时对微电网进行简化，将微电网简单地同等于分布式电源，直接将分布式发电电源视为微网进行研究。本文在研究时，结合华中某地区光伏微电网的实际情况，在含光伏微电网的配电网现场进行测试与检验。在研究故障时系统运行情况时，将分布式电源及其周边负荷视为整体研究，更加符合微电网的实际定义与特点，使得研究结果更加贴合实际。

本研究所选取的华中某地区含光伏微电网的配电网简图如图1所示，线路模型主要由主网侧供给电源、配网线路、配网负荷三大块构成。主网侧电压输出基准为35 kV，额定容量为20 MW。

首先在正常情况下，对含多个微电网的配电网进行运行检测。运行结果整理见表1，从表中可以看出，正常运行时配电网各节点满足运行要求，系统运行安全、可靠。

3 含多个微电网的配电网故障设置及解决方案研究

3.1 故障设置

本文所研究对象为含多个光伏微网的35 kV配电网。研究当配网故障时，其系统的运行情况。所以测试方案的设计思路为，在配电网上，于不同位置设置故障，其中故障类型设置为系统最常见单相短路故障与最严重的三相短路故障两种类型[15-16]。在故障时记录下各节点的电流幅值、电压有效值，并用故障时节点数据与系统正常运行时的数据进行对比，按照国家标准GB 12325—90《供电电压允许偏差》与国家电网公司企业标准 Q/GDW 651—2011《电能质量评估技术导则》的技术要求，判断系统运行是否可靠。

图1 配电网简图Fig.1 Distribution network diagram

节点编号最大相电流峰值/kA线电压有效值/kV电压畸变率/%电流畸变率/%NODE0050.14835.13 0.37140NODE0090.12934.82-0.51420NODE1010.05134.56-1.25710NODE1040.05234.41-1.68570NODE8010.05433.66-3.82850

在研究过程中，将光伏阵列与微网内部所带负荷视为一个整体进行考虑，关注光伏微网与配网公共联接点的电气量变化情况。据此分析在配网故障时，光伏微网并网是否可靠，是否需要脱网运行，同时给出系统运行与维护的建议。

为了较为全面的研究本课题，在配电网故障的选择上尽量覆盖多种情况，于是选取了以下节点作为故障设置位置：

在配网主干路上，选择节点NODE005作为故障设置位置。

在配网支路上，选择节点NODE009作为故障设置位置。

在故障类型的设置上，选择系统最常见单相短路故障与最严重的三相短路故障两种类型。在现场进行故障数据采集时，考虑到结果的可靠性与全面性，在主要挑选以下关键节点的实时电气量进行分析，节点选择较为分散且具有代表性。

数据记录节点为：NODE005、NODE009、NODE101、NODE104与NODE801。

3.2 配网主干路节点故障及解决方案

在配网主干路上，选择节点NODE005作为故障发生位置。其中故障类型设置为系统最常见单相短路故障与最严重的三相短路故障两种类型。下面将进行现场故障实验，并记录故障时系统部分节点的实时数据，同时提出解决故障的方案。

在配网主干支路节点NODE005处设置单相短路故障时，部分节点电压、电流数据整理如表2所示。

表2 配网主干路节点单相短路故障数据Table 2 Data of single-phase grounding short circuit fault in distribution network primary road

在配电网主干支路节点NODE005处设置三相短路故障时，部分节点电压、电流数据整理如表3所示。

表3 配网主干路节点三相短路故障数据Table 3 Data of three-phase grounding short circuit fault in distribution network primary road

通过现场试验数据可以看出，配网主干支路NODE005节点处不论是发生单相短路故障还是三相短路故障，系统各节点的电压电流最大偏移值都超出了限定标准。其中三相短路故障的偏移程度远远大于单相短路故障，可以判断当NODE005节点发生短路故障时，需要采取措施切除故障，保证系统的安全。

按照电力系统运行经验，当NODE005节点处发生故障时，应立即切除故障，避免电力系统遭到损坏[17-19]。但NODE005节点处于主干支路上，若切断NODE005节点，光伏微电网还处于正常发电状态，向配电网侧送电，这时就会给电网侧检修人员带来严峻的安全威胁。综上所述，当NODE005节点发生短路故障时，应切除NODE005节点，同时光伏微电网应从NODE104节点脱网运行，减小负荷断电影响范围，保证光伏微电网内部负荷供电的安全可靠。

图2 配网主干路节点故障时线电压有效值Fig.2 Line voltage RMS during node failure in distribution network primary road

确定保护方案后，按照预定故障解决方案再次进行现场测试，检验故障解决方案是否可行。考虑最严峻的情况，列出三相短路故障时的图像。采用上文故障解决方案后，现场测试结果如图2所示。从图2可以看出，NODE005上游节点在故障切除后恢复稳定供电，光伏微网进入孤岛运行状态，保证其内部负荷恢复稳定供电，故障解决方案有效。

3.3 配网支路节点故障及解决方案

在配网支路上，选择节点NODE009作为故障发生位置。其中故障类型设置为系统最常见单相短路故障与最严重的三相短路故障两种类型。在现场进行故障试验，并记录故障时系统部分节点数据。

在配网支路节点NODE009处设置单相短路故障时，部分节点电压、电流数据整理如表4所示。

在配网支路节点NODE009处设置三相短路故障时，部分节点电压、电流数据整理如表5所示。

表4 配网支节点单相接短路故障数据Table 4 Data of single-phase grounding short circuit fault in distribution network branch

表5 配网主支节点三相短路故障数据Table 5 Data of three-phase grounding short circuit fault in distribution network branch

现场试验结果显示此时电力系统需切除故障保障安全，按照系统运行准则，此时需切除NODE009节点处故障，以保障系统安全运行。

确定保护方案后，按照预定故障解决方案再次进行现场试验，检验故障解决方案是否可行。考虑最严峻的情况，列出三相短路故障时的图像。采用上文故障解决方案后，测试结果如图3所示。

图3 配网支节点故障时线电压有效值Fig.3 Line voltage RMS during node failure in distribution network branch

从图3可以看出，当系统采取预定方案切除故障后，系统将恢复稳定运行状态。

综上分析，对于含有多个微电网的配电网，本文设置了不同故障地点与不同故障类型的配网故障情况，且给出了一般系统运行经验下，故障问题的解决方案。但对于系统而言，需考虑以上故障处理方案先后动作问题[20-21]。可设置各故障处断路器动作的优先级，即设定不同的断路器动作延时。首先，保证整个系统的安全可靠，断路器第一动作优先级应为光伏阵列内部与主网供电电源内部断路器，当三相电源或者光伏阵列内部发生故障时，优先切除电源，避免造成大规模电力系统事故。断路器第二动作优先级为离故障处最近的两端断路器，可由距离保护与功率方向元件组合完成，保证故障近点断路器合理动作。断路器第三动作优先级为光伏微电网并网端口处三相断路器。发生故障时，系统按预定方案断开故障，如果微电网端口处电气量指标仍然不满足并网运行要求，而光伏微网自身运行状态良好，此时跳开公共连接点处断路器，微电网进入孤网运行状态，可保证微电网内部负荷供电的安全、可靠。

4 结论

本文首先研究含多个光伏微电网的配电网的运维特征，然后结合华中某市配网项目的实际情况，设计了正常运行情况与多种故障情况下的运行方案，对故障问题提出了相应的解决措施，并将相关措施在当地进行了现场测试。现场测试结果证明了解决方案的有效性，测试结果对含多个光伏微电网的主动配电网的运行维护有一定的指导意义。通过一系列的仿真研究与结果分析，本文得出了以下结论：

在配电网主干支路发生故障时，通过故障处断路器动作切除故障可保证故障影响范围最小，同时不影响配电网其他负荷供电稳定性。此时，光伏微电网应拖网运行，进入孤网运行状态，减小负荷断电影响范围，保证微电网内部负荷供电安全、可靠。

在配电网支路发生故障时，将对应支路切除，使切除故障范围最小，保障系统最大区供电安全，剩余部分仍可以正常运行。