交直流混合微网检测技术综述

李胜文，常 潇，刘翼肇

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

0 引言

由于微电网直接面向用户且是一个带分布式电源的单元，所以其电能质量的标准会直接影响用户，关系着是否能被用户接受与采纳。微网属于配网的一部分，容量较小，其稳定运行容易受到来自大电网和微电网内部各设备运行状况的影响，因此，对微电网的电能检测至关重要。针对不同类型并网设备以及同类型设备处于微电网不同位置时，其运行性能、所起作用各有不同，输出侧接入配电网，对配电网的电能质量及安全运行均有很大的影响，所以有必要针对并网设备，确定指标参数进行实时检测；同时，微电网关键设备检测系统能够对并网设备的指标参数进行整合处理计算，对设备进行运行性能评估和技术评价。

1 微电网电能质量检测及并网设备性能检测装置分类

1.1 便携离线式电能质量检测装置

如Fluke公司的Fluke 345手持式谐波功率钳表、Fluke 110真有效值数字万用表均为离线式。该种仪器功能简单，便于携带，但缺点是无法联网，需要分配人力实地测量，常用于对监测重要程度不是很高、不需要采集实时数据监测点的巡回检测。

1.2 可联网式电能监测装置

典型的如现在配电网智能电表的使用，取代了人工抄表的方式，这得益于电子制造技术、通信技术及计算机技术的发展。配电网智能电表集成电路的硬件部分包括互感器模块、电源供电模块、电能计量模块、通信模块等，以此获取监测点基本信息，通过电力载波或者RS485专用线路接口通信[1-3]。

1.3 无线通信检测设备

此类设备最大的特点在于无线通信，避免了有线通信接线上的复杂问题，节约资源。无线通信方式根据传输距离可以分为本地通信和远程通信，本地通信包括Zigbee、蓝牙、WiFi等，传输距离短，传输容量小；远程通信包括LoRa、电力载波、4G、5G技术等，传输距离长，传输容量大。无线检测设备使得检测平台更加智能化，节约资源，采集数据更为方便快捷，促进了电力物联网的发展进程[4]。

2 国内外并网设备检测规范和标准

微电网检测技术研究包括对并网设备性能的实时检测。不同类型设备以及同类型设备处于微电网不同位置时，其运行性能、所起作用各有不同。所以，有必要针对并网设备，确定指标参数进行实时检测。参照国家标准、行业标准，针对光伏并网逆变器、储能变换器、交直流母线接口变换器等并网设备，设定运行指标，对其运行性能、转换效果进行测试评估。随着光伏、风力发电大规模接入传统电网及微电网，配电网的潮流控制、谐波问题、继电保护、电压调整以及各种随之而来的电能质量问题都威胁着电网的稳定运行和用户设备的安全。对于光伏逆变器，国家已制定了相关标准[5-6]来规范光伏逆变器装置的标准，国外如德国相关机构也发布了光伏电源并网技术要求[7-8]，美国也发布了检测方法[9]；2017年之前储能变换器技术标准均参考光伏逆变器技术要求，2017年之后，国内制定了适应储能变换器技术规范[10-11]；随着新能源汽车的普及，汽车充电桩大规模接入供电网，前沿的充电桩还具有双向功率流动的特点，因此对其转换功率的能力需要严格要求，文献[12]和文献[13]给出了电动汽车充电桩的技术规范。

3 微电网并网设备监测指标和分析方法

微电网中互联接口变换器是单元的核心，是连接交直流2个子网的接口，并通过调节2个子网功率互相流动使单元稳定运行。当该系统并网运行，互联接口变换器控制直流母线电压稳定，当孤岛运行时，维持交、直流母线电压稳定，因此，对互联接口变换器的可靠性、输出电能质量和效率等有着极高的要求。储能变换器的主要用途是使电能在交流电网和储能单元间互相传递、双向变流并提供无功功率来提高电网的效益和电能质量。因此，储能变换器转换效率、充放电精度、输出侧电能质量对微电网高效稳定运行至关重要。重要分布式能源光伏发电系统，接入微电网需要连接光伏逆变器，输出侧接入配电网，对电网的电能质量及安全运行有着很大影响。

微电网中各设备的运行状态、运行模式对电网的电能质量和稳定运行有很大影响，因此，对其相关性能指标的技术检测十分重要。例如光伏系统，通过光伏组件产生的直流电输入至光伏逆变器，光伏逆变器将其转换为交流电接入电网，并通过控制输出电流电压的振幅、频率、波形等实现电站的高效安全、绿色环保运行等多重目标。为此，文献[14]提出了24项性能测试项目。针对检测指标，以主要指标转换效率、谐波、功率因数为例说明。

3.1 逆变器转换效率测试技术

转换效率是检测并网设备效率的重要指标，转换效率的高低决定了该并网设备的运行效率。转换效率检测原理如式（1）所示。

其中，Pac为逆变器输出功率，Pdc为逆变器直流侧输入功率。

检测仪表一端连接输出的三相交流电压和电流，另一端连接输入的直流电压和电流。目前，应用于变换器设备的效率检测仪器较少，Fluke公司的Fluke Norma 6000系列可以完成此项工作。

3.2 设备并网电流谐波测试技术

设备在运行时，输出至配网的电能质量至关重要。如谐波电流会影响相关设备运行，使电能质量偏离标准，影响整个配网系统的可靠性。在进行并网设备谐波监测时，测量位置应位于设备输出侧与电网相连的线路上。文献[15]得到国内各次谐波电流含有率限值。

谐波测试技术已非常成熟，各厂家型号的检测仪器精度越来越高，其中，Fluke公司的Fluke 1742、1746和1748电能质量检测仪表可检测电压电流谐波单次达到50次，可进行谐波和间谐波检测即谐波畸变率测试。

3.3 电能质量检测技术

电能质量通常包括功率因数、三相电压电流不平衡度、电压波动、电压闪变、电压偏差、频率波动等。

施耐德电气在电能质量检测仪表方面具有成熟的经验，其应用案例众多，系统管理应用在酒店及商业建筑、医院、制造业工厂、地铁及轨道交通等领域。其中，ION9000集电力参数测量（带数据记录）、电能质量分析、波形记录、报警和I/O于一身，广泛应用于工业和各个关键电力应用场合，常用于检测配网进线10 kV电能质量，具有记录数据和事件、监视波形变化的功能，实现断路器状态遥信和遥控，从而实现电力参数全面监视；PM8000是施耐德电气新一代检测仪表，能够实现低一级进线母线的监视，具有记录数据和事件、监视波形变化的功能，实现断路器状态遥信和遥控，从而实现电力参数全面监视；PM5000系列电力参数测量仪表对一级负荷、二级负荷的电力参数和谐波含量监视，实现断路器状态监测。

4 检测平台的研究现状与展望

4.1 平台总体结构概述

检测平台通常由一次系统、二次系统和检测平台3部分组成。以光伏逆变器测试平台为例，其一次系统、二次系统如图1所示。

图1 光伏并网逆变器测试系统

4.2 检测平台硬件与软件的组成与设计

硬件电路与数据采集、数据处理技术结合来实现对设备指标以及电能质量的分析与监测，可以实现现场数据采集、数据查询、数据处理、数据自动报警等功能。硬件电路板将配电网信息实时采集，通过内部数据处理，之后传输至检测平台。

多种接口的计算系统常用于工程中实现微电网电能质量及设备的监测，其主要接口有USB接口、（串）并行接口、以太网接口等。数据采集时，可通过RS485将检测仪表的数据传回至监控平台，同时部分设备也可以执行监控平台下达的控制命令。

软件部分的设计也极为关键，软件部分的主要作用是对数据进行处理与分析。上层系统中数据采集与监视控制系统通常包括监控运营管理系统、综合指挥调度系统、智能配电和能效管理系统及运维管理系统等，具有强大的数据分析能力，其功能特点在于：一是具有报警功能，二是方便进行实时信息的对比和分析，三是支持图形实时打印，四是拿来即用，无需编程开发等。软件总体原理结构如图2所示。

图2 系统软件总体结构

5 结束语

微电网监测系统的建设和智能化程度的提升是电力系统发展的必然趋势。万物互联提升了设备之间信息的高效互通，实现了信息的高速传递。随着电力电子技术、无线通信技术、传感技术的高速发展，未来微电网检测平台将愈来愈智能化。

微电网中并网设备的运行效果对于微电网、配电网影响重大。通过微电网关键设备智能监测系统，能够实时监测并网设备运行效率、电能质量、设备温度；能够监测出微电网并网设备的故障，一旦发生异常和出现故障时，可以立即准确无误地发出警报，通知配电工作人员故障点的具体位置，使工作人员在第一时间做出对故障的处理方案，提升配网供电可靠性；针对不同类型设备以及同类型设备处于微电网不同位置时，其运行性能、所起作用各有不同，输出侧接入配电网，对配电网的电能质量及安全运行均有着很大影响。文章对交直流混联微网检测技术主要进行了以下分析。

a）在现有的技术条件下，对微电网电能质量检测及并网设备性能检测装置进行分类，分析了其优缺点以及适用范围，指出可联网式和无线式检测装置更适应发展潮流，具有更广阔的应用前景。

b）总结归纳了关于微电网并网设备的国内外检测技术及规范，确定了设备运行检测指标，为微电网监测提供理论基础。

c）介绍了微电网并网设备监测指标的测试方法，分析了各指标技术特点及现阶段成熟的检测仪表厂家型号。

d）总结了现有检测平台的基本结构、硬件以及软件的开发与组成及软件总体原理结构，指出微电网检测平台未来的发展趋势，底层设备与底层设备，底层设备与中间层、上层的联系将更加紧密、双向化，检测平台将向智能化的方向不断发展。