西北勘测设计院田莉莎：微电网能量管理系统设计及继电保护配置

中国化学与物理电源行业协会储能应用分会产业政策研究中心统计数据显示，截止到2017年底，全球光热及风光发电并网储能项目共计246个，装机总规模达10.3GW。新能源发电侧建大型储能电站对促进可再生能源消纳，缓解日益突出的弃风、弃光问题，提高电网安全稳定运行水平意义重大，备受行业关注。

9月19日-20日，2018首届全国发电侧储能技术与应用高层研讨会在西安召开，就进一步推进储能在发电侧上的项目规划、安全施工、系统集成技术应用、运营模式、电网接入、标准体系、风光储电站考核机制、调度模式、储能项目备案、审批流程和体制机制等方面展开深入讨论。

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司新能源工程云项目设计总工程师田莉莎出席会议并发表主题演讲《微电网能量管理系统设计及继电保护配置》。

以下为发言实录：

田莉莎：

大家下午好！我给大家介绍一下微电网能量管理系统设计及机电保护配置方面的思路和经验。我分享的这个题目是两个方面，一是微电网能量管理系统设计，主要是功能设计和控制结构以及我们的一个典型工程应用案例，二是微电网的继电保护配置。实际在微电网中机电保护是有特殊性的，往往大家在设计的时候把它忽略了，我们首先是它的难点和关键技术上提出，另外我们是根据我们目前正在执行的微电网项目，它实际的一个解决方案，供大家探讨。

在正式汇报之前，允许我简单介绍一下我院，我院全称中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，成立于1950年，现隶属于中国电力建设集团有限公司，面向国内与市场，为综合能源利用、能源建设开发提供全方位综合性的方案规划服务。西北院在水电与新能源、基础设施领域大力开展EPC总承包、工程投资运营、业务范围涵盖水电、风电、光电、交通、市政等多个行业领域。

微电网涵盖的内容是比较丰富的，大的要素就是我们常说的源网荷储，包括可再生能源和小型燃气机，储能系统也是包括从储能的介质可以分为电化学储能、机械储能、电气储能以及热储能等，面对如此众多的电源形式、储能类型和负荷种类，需要它高效稳定的联合运行，所以我们需要配置一套能量管理系统，对它进行优化控制和调度管理。微电网的能量管理系统就是一种计算机监控系统，在保证微电网安全稳定运行的基础上，以经济优化运行为目标，对微电网系统的发电、配电以及用电进行管理和分析的系统。

能量管理系统主要的管理对象，就是我们主要的电源储能和负荷类型，这块的种类比较众多，首先是我们能量管理系统中微电网中的分布式电源，包括风电、光伏以及储能系统，还有电网参数，还有负荷的一些情况，它的运行数据都可以通过数据通信网上传到我们能量管理系统，我们设计一个统一的支撑平台可以完成数据采集以及数据处理，还有系统管理运行、报表管理、发布等等管理。

风光柴储互补功率预测，通过对风功率、光功率和微网内化石能源机组，储能系统发电能力预测形成风光柴储综合发电功率预测曲线。负荷预测，根据用户消费的历史数据和其他影响用户能量消费的一些因素、提炼、挖掘出用户未来一个时间周期内的负荷量，形成用户的用电负荷预测。为了保证整个微电系统的稳定运行，它的一些约束条件主要有微电网内的功率平衡、约束还有电能质量约束以及储能的一个充放电约束。

其他的高级应用还包括黑启动，黑启动功能大家都比较熟悉，主要指我们微电网是在整个全部停电后或者初次启动的时候，通过微网内的动力电源或者是外来电源启动系统内的发电机组，然后形成额定电网的电压和频率，再逐步的对微电网进行一个电网供电和用户供电。

另外AGC功能主要是利用我们无功控制设备和分布式电源的无功调节能力，通过无功协调控制实现微电网电压自动调整，解决微电网电压稳定问题，AGC软件能够根据微电网内风力发电系统、光伏发电系统、储能系统的实际运行状况及约束条件和负荷实时情况，形成优化合理的控制策略，并下达给可调控的机组。

为了保证我们整个微电网的一个安全稳定运行，能量管理系统它的一个控制模式也是至关重要的，通常分为两种类型，一是集中控制，二是分散控制，对于集中控制主要分为三层结构，主要是就地控制层还有协调控制层，也就是我们所说的中央控制层，还有系统控制层，就地控制层通常指的是微网内的光伏发电、风电，还有储能以及它的开关站负荷它的综合测控装置，实现对各个发电单元以及符合它的数据采集以及控制，通过我们这个快速通信网络上传给能量管理系统，而中央控制层我们通常设一个微网协调控制器，对微网内的分布式电源，包括风电、光电进行参数设置，从而保证微电网的安全稳定运行，包括微电网的电压和频率在它的允许范围内。

我们系统控制层主要实现的功能就是数据的采集和处理，还有优化调度功能，以及保证电网整体的电力和电量平衡。而分散式控制指的是在微电网中我们各个就地控制性是独立运行的，不需要接受中央控制器的控制指令，我们这个中央控制器在分散模式下主要起到的作用是传递系统的负荷以及电价信息的作用，包括在紧急状况下从系统层面操作就地控制器的功能，这两种控制模式是均有它的一些优缺点。

集中控制方面的优点是各个控制器分工比较明确，技术比较成熟，它的缺点也是比较明确，随着我们微电网规模的继续扩大，微网中的分布式电源种类持续增加，这就要求中央控制器具有较强的计算能力，同时对它的通信有比较高的要求，如果我们这个中央控制单元一旦出现故障，整个系统就面临瘫痪的风险，而且这个分布式电源在这种集中控制模式下是不能够即插即用的模式。

分散式控制的优点是各个控制器是可以独立操作的，即使中央控制器有故障，有分布式电源即插即用的规模，这个适合我们大规模分布式电源比较多比较复杂的微电网系统，当然它具有一些缺点，它的缺点就是它具有较大的自主权，它存在安全的隐患，比较难及时的检修和维护。另外就地控制器之间还是需要一定的通信交流的，而且目前的成功应用的案例也是比较少的。

以上这两种控制模式在我院设计的微电网项目中是均有实际工程应用的，我们西藏双湖县可再生能源局域网工程，这个项目是2016年5月1日开工，然后到9月已经投产发电，目前已经运行了接近两年时间，总的运行下来是比较良好的，它的电网的电压和频率也比较稳定，为这个双湖县5600人口解决了供电的问题。这个就是我们西藏双湖局域网项目采用的一个能量管理系统结构框架图，采用的就是集中式控制分三层控制，就地控制层主要是我们光伏的离变器以及储能系统，还有它的一些馈线回路，我们中央控制器是作为它的协调控制层，还有在我们系统层配置了微网的一个服务器，还有综合管理的一个服务器，以及运行分析的一个服务器，是作为它的系统控制层。

另外我们正在进行的一个新疆的风光柴储的配电网项目，它的电源装机容量有20兆瓦的集中式光伏，还有6兆瓦的风电，包括16、28兆瓦的储能系统，还有两台一兆瓦的柴油发电机，并且是为当地进行一个9.5兆瓦的电采暖的供应，还有我们整个10千伏配电网的建设，我们采用分散式控制模式，在我们微电网中的光伏离变器还有风电变流器还有储能PCS设了就地控制器，由就地控制器独立控制各个离变器和变流器，保证这个系统的一个稳定运行，维持这个系统的电压电网频率，这个项目预计今年年底投产发电。

下面我们就介绍我们另外一个方面，就是我们在微电网继电保护配置中需要注意的问题，首先我们来分析它在微电网保护配置中遇到的一些难点，微电网在并网与孤岛模式下短路电流的差异是比较明显的，在并网时短路电流是由大电网提供的，而在孤岛的时候是由微电网来提供，我们很多时候微电网是需要在两种工作模式下运行，所以我们就需要设置这个机电保护具有一定的适应性，能够满足两种工况先它的运行情况。第二个就是分布式电源短路电流差异比较大，我们微网的分布式电流主要分为两种类型，像逆变器的分布式电源它在短路的时候，它的短路电流只有额定电流的1.2到2倍左右，这些短路电流在短路过程中，短路电流的贡献水平差异比较大，这样使得我们的保护原理会失效。

另外需要我们更短的故障切除时间，与大电网相比，微电网的容量和共性比较小，网内更加快速的切除故障才能避免失稳，对于我们微电网故障不能及时切除，可能就导致在你的分布式电源的低电压穿越以后，还没有切除故障的话，就会导致整个微电网系统分布式电源脱网，整个微电网崩溃。另外微电网的整个拓扑结构会发生变化，微电网的储能单元还有它的负载模式是分为离网和并网运行，这样就造成微电网的拓扑结构在不同的运行结构下发生变化，这对我们在它在故障状态下电路电流计算带来很大的困难。

基于我们在微电网机电保护中遇到的难点，我们需要突破以下一些关键技术，首先就是微电网中各分布式电源的故障特征，就是我们需要掌握这个微电网以及分布式电源在故障中电流和电压的特性，建立一个故障模型，应该是具有高度适应性的故障识别处理办法。而且第三个就是智能控制终端与传统的一次设备进行集成，第四个我们是要拥有一个足够的传输速率可靠性的通信网络，在微电网中我们就会需要配置一些需要依靠通信的保护策略，这个就需要微电网中中央保护单元和分布式电源，以及各个节点上的智能控制终端，与中央控制器之间有大量的数据交换。

目前我国对微电网中机电保护配置还属于探索和研究的阶段，还没有一套比较成熟的配置方案，所以我们本次汇报中，我们是根据我们目前正在做的一个孤岛性微电网的项目，对它系统中的故障状态的故障特性进行分析，然后提出一种解决方案，我们孤岛性微电网每一条线分为两个回路，还有储能回路，储能回路我们分了4个两兆瓦的单元。

由于我们这个项目是一个孤岛型的微电网，它在短路过程中它的短路电流就是由分布式电源提供了，而这个分布式电源运行状况就可能会有多种运行方式，我们分析了两种极端的情况，一个是它在实线和母线实环运行，这样就由储能系统提供，另外一个就是我只能有一个储能回路在工作，我们可以分析它各个支路在额定工况和两种运行方式下电流变化是比较大的，在最小运行方式下，它的电流小于它的额定电流，这样就使得我们传统的过流保护产生一个巨动，在这个项目中我们就分析各种分布式电源在故障前后的故障特性，根据这种故障特性我们配置一套我们适合孤岛型微电网的机电保护方案。

首先分析一下风机进线故障电流特征，在故障状态下的时候，它的短路电流整个是由其他的分布式电源和储能给它提供，大部分的短路电流是流向风机回路，小部分流向负荷侧，我们可以发现电流的大小已经无法来判断了的时候，它的方向是有一个变化的，就是从母线侧流向风机侧，我们采用以方向判断为主的机电保护方案，这里我们就配置一个低电压启动的小电流闭锁的方向保护。另外就是光伏回路跟风机回路的基本一样，都是依靠方向就要判断。

储能进线回路，它在发生故障的时候，储能的回路它的电流方向已经不能作为它的判断依据了，因为它本身是具有充放电功能的，这个短路电流的大小能够启动它的保护，也是不能确定的，我们在储能回路需要配置一套保护，由变压器的策动装置进行一个测算。另外就是我们的站用电回路，在故障的时候，短路电流大部分是流向了站用电，它的电流变化是比较大的，所以保护是可以动作的。

我们再分析一下在负荷线路故障的时候，它的方向是没有发生变化的，而且短路电流也是由整个电源侧的分布式电源和储能来提供，但是电流的变化也不明显，因为前面也说了分布式电源提供的短路电流是1.2到2倍左右，不同的离变器会有一些差别，在这里我们要配置一套微电网的区域保护，用这个区域保护来判断它电流的变化。这个就是我们所说的微电网的一个区域保护，它主要是解决常规的一个过滤保护它的灵敏度比较低、速度性比较差的问题，主要是采用智能变电站IEC61850的过程层技术，采用SV和组网的模式。

这个就是我们目前这个项目整体的一个保护配置方案，在电源侧和负荷侧的实线和母线上进行保护，刚刚提到的风电和光伏回路配置的是一个方向的过滤保护，在负荷侧我们配置一个微网的保护。另外在孤岛型微电网我们对变流器必须一个最低要求，就是除了峰值电源的低电压穿越能力之外，还必须具备零电压穿越，主要功能是除了为这个系统提供一定的短路电流之外，能够使得这个不要快速的脱网，另外还要求我们刚刚提到的这个机电保护配置的保护动作时间应该要快于分布式电源的脱网时间，以确保我们整个电网系统的稳定运行，就是快速的脱离故障。

以上就是我对于这个能量管理系统设计和继电保护配置方面的一些心得体会，感谢大家的聆听。谢谢！

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