微电网技术国际标准化现状与展望

于 辉，栾文鹏，熊 雄

(1.国网上海能源互联网研究院有限公司，上海自由贸易试验区李冰路251号 201203；2.天津大学，天津市南开区卫津路92号 300072；3.中国电力科学研究院有限公司，北京市海淀区清河小营东路15号 100192)

2009年以来，支撑国防安全、商业运营和偏远地区供电的微电网工程已取得重大进展。随着微电网技术的不断突破及其在工程试点和商业项目中的验证，以及即插即用元器件的快速增加，其在促进可再生能源利用、降低碳排放、解决偏远地区安全经济供电、提高用户供电可靠性和特殊用户供电质量、参与需求侧响应、提高能源综合利用效率，以及用于灾备等方面，将扮演越来越重要的角色[1-3]。政府激励、常规能源日益紧张，以及可再生能源发电成本下降和技术进步等因素，都不同程度推动了微电网技术的发展及应用。Navigant咨询公司2018年的《Q4微电网部署跟踪》报告显示，截止2018年第四季度，全球申请、规划及正在建设或运营中的微电网项目总装机容量已由2013年年底的4 148 MW增加到19 575 MW。尽管微电网技术前景广阔，由于相关行业标准和规范的缺失，严重滞绊了这一产业的快速健康发展。

微电网内部电源以可再生能源发电为主，风能、太阳能发电的不可预测性和出力的随机性，增加了微电网功率控制的难度。同时，小型电源大多通过电力电子装置接入微电网，微电网不再有大电网的“惯性”或“鲁棒性”，多个微源的协调控制是大电网中没有而微电网需重点解决的问题。此外，微电网并/离网模式转换、多变流器并列运行等需求，使得微电网的运行控制方法也与传统电网不同。因此，有必要从确保微电网和大电网安全可靠运行，以及充分发挥分布式电源、微电网和大电网效能和价值的角度，开展微电网标准化需求分析及研究，推进相关标准的制订，以引导行业健康发展。

文中在分析微电网与传统电网以及智能电网区别的基础上，阐析了微电网应用和发展的关键技术及标准化需求；结合国际标准化组织IEC和IEEE已开展相关工作，提出了今后一段时间内微电网领域国际标准化工作建议和展望。

1 微电网技术应用现状

1.1 微电网及相关技术

分布式发电作为就地利用可再生能源发电的一种形式，在世界范围内得到快速发展。但分布式电源数量众多且分散，电源的不同归属也无法保证调度指令能够被快速、有效地执行，在配电系统中直接调度和管理大量分布式电源困难很大。因此，需要一种新的控制和管理形式，以减小分布式电源直接并网给电网运行和管理带来的问题。一个可行的方法是将分布式电源和就地负荷组成一个系统，如图1所示，作为一个相对于公共电网而言可控的电源或负荷，即微电网。

图1 微电网示意图

微电网通常由分布式发电(如微型燃气轮机，燃料电池，分布式光伏等)、储能装置(如超级电容、电池、飞轮储能等)、负荷、控制和保护设备等组成，如图1所示，可向用户提供电能和热能，并满足用户对电能质量和供电安全的要求。

按供电制式分类，微电网可分为交流微电网、直流微电网以及交直流混合微电网。按与公共电网的连接关系分类，微电网可分为并网型微电网和独立型微电网。并网型微电网既可并网运行，也可与公共电网断开连接而独立运行；独立型微电网与公共电网没有电气连接，只有离网运行模式。

根据应用情况，目前微电网主要有五种应用模式，其中最具活力的是校园微电网、军事微电网和偏远微电网。校园微电网主要特点是含有就地发电设施，系统内存在多个负荷中心，并配有主控系统，系统规模一般从4 MW至40 MW不等。军事微电网最大特点是安全性高，美国国防部已将军事微电网技术应用到了阿富汗和伊拉克的前沿阵地。偏远微电网主要特点是和主网隔离，仅以离网模式运行，该类微电网多通过集成太阳能光伏发电、分布式风电及水力发电，以减少对柴油燃料的消耗。偏远微电网的应用主体是乡村，尽管乡村电力系统一般容量较小，但数量庞大。社区/公共事业微电网在欧洲占领导地位，尤其是丹麦有很高的普及率，在其所有的微电网市场中社区/公共事业微电网大约占了80%。商业/工业微电网正在快速成熟，特别是在北美地区，但由于缺少公共标准及综合管理政策，短期内限制了商业微电网项目在全球的发展和应用。

1.2 微电网典型工程

在世界范围内，高校、国家实验室、公司为验证微电网关键技术和设备建设了微电网试验和示范工程。到目前为止，微电网项目主要集中于验证微电网在安全可持续运行、提供可接受的电能质量、并离网无缝切换以及即插即用运行方面的能力。文中选择一些项目作为典型案例，包括：希腊的Kythnos海岛微电网[4]、美国的Hawaii Park微电网、中国的蒙东村庄微电网、挪威的Utsira海岛微电网，以及日本仙台NTT Facilities’ Tohoku Fukushi校园微电网。

表1 微电网工程

续表

如表1所示，在运微电网大多能够不依赖公共电网而独立运行，且至少包括一种可再生能源发电设备。光伏和风力发电是微电网中最常见的可再生能源发电形式，同时，为提高微电网的安全可靠供电能力，柴油发电机和燃料电池通常被用作微电网内部的可控发电设备。此外，由于可再生能源发电出力的间歇性和不可控性，微电网通常利用储能设备来补偿可再生能源发电的波动性，如蓄电池、飞轮、储氢罐等储能设备。

2 微电网标准化需求分析

微电网内部包括电源和负荷，可将其看作是一个小型发用电系统，但微电网不是传统电网的简单缩微。微电网有别于传统配电网的关键特征包括：

(1)内部电源以分布式电源为主，发电具有间歇性和随机性特点，包括可再生能源发电和冷热电三联供；

(2)终端用户的主动互联；

(3)动态负荷控制系统的引入；

(4)电力电子元件的高密度使用，如多逆变器；

(5)多种运行模式，如并网、孤岛、并网/孤岛切换；

(6)与公共电网有唯一的电气连接点(对于并网型微电网)。

上述一个或多个特征也许单独存在于传统电力系统而没有导致问题，但是当上述所有特征同时出现在微电网中时，产生了一系列新的问题，对微电网的规划、设计、供需平衡、电压和频率控制、保护配置和整定、信息和通信等提出了更高的要求。

鉴于微电网独有的特性，微电网不能直接应用传统电力系统的标准，需要专门针对微电网相关技术和方面制定标准，以满足运行于不同场景、不同模式下的不同类型微电网的标准化需求。这些方面包括：

-术语

-建模和仿真

-微网与主网互联要求

-微电网内的电源或用户接入微电网要求

-调试验收及一致性测试(微电网作为一个整体)

-规划和设计

-保护

-监测和控制

-微电网的系统性能，包括可靠性、电能质量等

-运行

-微电网黑启动

-与主电网的协调运行

-多个微电网之间的协调运行

-参与辅助服务

-安全要求

-微电网的管理，包括维护、能源的优化管理和协调运行控制、多元复合储能优化控制、经济运行、内部需求侧管理

-信息和通信

-测试和评估

-偏远或发展中地区供电典型方案

3 微电网领域国际标准化现状

为应对前述的标准化需求和挑战，国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)和美国电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)等国际标准化组织已在微电网领域开展了一些活动，并组织编制了一些相关标准。

IEC在微电网领域已发布2项国际标准，包括IEC TS 62898-1:2017《微电网 第1部分：微电网工程规划设计导则》(NB/T 10148-2019)、IEC TS 62898-2:2018《微电网 第2部分：微电网运行导则》(NB/T 10149-2019)；同时有3项国际标准在编，包括IEC TS 62898-3-1《微电网 第3-1部分：技术要求-保护和动态控制》、IEC TS 62898-3-1(《微电网 第3-2部分：技术要求-能量管理系统》)和IEC TS 62898-3-3(《微电网 第3-3部分：技术要求-可调度负荷的自调节》)，见表2。

其中，IEC TS 62898-1:2017(《微电网 第1部分：微电网工程规划设计导则》)适用于中低压电压等级的交流微电网，主要内容包括：一般性要求、微电网的应用和分类、资源分析和发电预测、负荷预测、分布式能源规划、微电网电气系统规划、分布式能源接入微电网技术要求、微电网接入配电网技术要求，微电网控制、保护和通讯系统技术要求、微电网项目评价。规范中将微电网划分为并网型微电网和独立型微电网，并网型微电网与外部电网具有电气连接点，可以并网运行，也可以离网运行，从外部电网看，是一个独立的可控单元；独立型微电网与外部电网没有物理连接。

IEC TS 62898-2:2018(《微电网 第二部分：运行导则》)适用于中低压电压等级的交流微电网，主要内容包括运行模式和模式转换、微电网的能量管理和控制、通讯和监视、电力储能以及保护、调试、维护和测试在运行过程中应满足的技术要求。

表2 微电网领域IEC标准(已发布和在编)

IEEE在微电网领域截止2019年年底已发布2项国际标准，包括IEEE 2030.9:2019(《微电网规划设计推荐性实践》)和IEEE 1547.4:2011(《分布式孤岛电力系统的设计、操作和集成指南草案》)。

其中，IEEE 2030.9:2019(《微电网规划设计推荐性实践》)适用于交流并网型微电网和独立型微电网，主要内容包括微电网规划设计流程、微电网规划、安全、微电网一次系统设计、微电网保护配置、监控与能量管理、电能质量监测与控制、电能计量、通信、方案评估和典型案例分析等。该标准重点关注于微电网规划和设计应考虑的因素，提供了发电功率预测、负荷预测、系统架构、接地、保护、能量管理和信息交换等方面的设计方法和推荐性做法，依据此推荐性实践方法，结合边远山区并网型微电网给出了典型案例分析。

IEEE 1547.4:2011(《分布式孤岛电力系统的设计、操作和集成指南草案》)适用于交流并网型微电网，将分布式电源与就地负荷组成的孤岛电力系统视为微电网，主要内容包括设计、操作和集成分布式孤岛电力系统的方法和实际做法，涉及微电网的离网和重新并网应考虑的因素。

4 微电网国际标准化建议与展望

随着微电网相关技术的进步和新商业模型的出现，国际标准必将成为微电网在全球范围内广泛应用的关键。目前已开展的微电网领域国际标准化活动主要集中在并网型交流微电网的规划设计、运行、保护、能量管理以及内部负荷调度。行业调研报告显示，用于解决偏远地区供电问题的独立型微电网在全球范围内呈现出快速增长势头，同时直流微电网的应用也在不断增多。

因此，在可预见的三到五年内，独立型微电网相关技术要求和系统/设备功能检测要求将是重点方向，包括：

(1)独立型微电网标准。该标准系列主要规定独立型微电网在供电电能质量、频率控制、电压调节、继电保护配置、防雷与接地、信息通信、黑启动等方面应满足的技术要求，为微电网投资方、运营方以及第三方监管机构提供评判具体工程是否是独立型微电网的依据；

(2)系统/设备功能检测标准。该标准系列主要规定微电网内部的关键设备或系统(如信息通信系统、并网一体化装置)等应具备的功能和性能指标的检测方法等进行规定，为相关设备制造商以及试验检测机构进行产品设计和功能验证提供依据；

(3)运行特性评价标准。该标准系列主要规定微电网的运行特性评价在评价项目、评价流程、评价内容和评价方法方面应满足的技术要求，为评价已投入运行的微电网项目的功能和性能提供依据；

(4)经济性评价标准。该标准系列主要规定微电网全寿命周期经济性评价内容、评价流程、评价指标和评价方法方面应满足的技术要求，为计算微电网项目的投资回报以及不同项目的横向比对提供依据。

5 结语

行业发展，标准先行。随着分布式电源技术的不断进步，微电网相关技术将在全球得以普及应用和实施，国际标准是引领微电网技术发展应用的关键。我国在IEC和IEEE相关国际标准制订中，一直担任着领跑者的角色，为行业发展贡献良多，也为中国技术的国际推广提供有效的保障。本文介绍了微电网技术和应用现状，分析了这一领域的标准化需求、制订现状和未来工作展望，希望抛砖引玉，吸引更多专家参与这一领域的工作。