Acrel-1000系列分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)

在湖北荊門(mén)晨旭智能等

屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目中應(yīng)用

摘 要：隨著新能源的大規(guī)模推廣，分布式光伏在配電網(wǎng)中的占比持續(xù)攀升。作為電力供應(yīng)的末端環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)在接入高比例光伏電源時(shí)，由于光伏發(fā)電具有分散性、波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn)，易引發(fā)電壓超標(biāo)、潮流逆向傳輸?shù)冗\(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。分布式光伏在降低化石能源消費(fèi)、促進(jìn)節(jié)能減排的同時(shí)，也對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)。在配電網(wǎng)運(yùn)行中，各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)負(fù)荷與分布式電源出力共同決定了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。因此，在進(jìn)行分布式光伏規(guī)劃時(shí)，需要對(duì)該區(qū)域的負(fù)荷特性和光伏出力特性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并對(duì)光伏接入可能帶來(lái)的電壓風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，從而制定出選址布局和容量配置方案。

關(guān)鍵詞：新能源；分布式光伏；電壓風(fēng)險(xiǎn)

1.                      概述

湖北荊門(mén)晨旭智能屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本項(xiàng)目"）是響應(yīng)國(guó)家“優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提供更加清潔、可靠的能源"的號(hào)召，投資建設(shè)的分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范項(xiàng)目。

本項(xiàng)目位于湖北荊門(mén)，利用現(xiàn)有廠房屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，總建設(shè)規(guī)模約為8080kW。通過(guò)用戶配電站接入公共電網(wǎng)，屬于荊門(mén)市供電公司管理范圍。

本文聚焦于光伏電站接入系統(tǒng)的方案論證，深入探討與之相關(guān)的繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置、通信及調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)方案并且制定對(duì)電壓波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的額技術(shù)措施。

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)

2.                      現(xiàn)有電網(wǎng)情況

本項(xiàng)目涉及的公用變電站和線路為220kV變電站和用戶自建專(zhuān)線，在既有的10kV用戶變電站內(nèi)，近期新增了7臺(tái)10kV配電變壓器，其額定容量依次為2000kVA、1600kVA、250kVA、2000kVA、630kVA、1250kVA和1000kVA。光伏發(fā)電單元所輸出的直流電能，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電后，通過(guò)上述新增變壓器升壓至10kV電壓等級(jí)，并借助10kV電纜以T接方式并入220kV變電站的相應(yīng)線路。截至目前，該變電站已接入及處于接入過(guò)程中的分布式電源總?cè)萘?/span>為127.1MW，而該變電站剩余的可接入容量為52.71MW，因此本期分布式電源的接入需求可得到充分滿足。

現(xiàn)有供電示意圖如下：

用戶配電站現(xiàn)供電示意

3.                      技術(shù)方案

本項(xiàng)目通過(guò)2個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)上網(wǎng)，2個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)的裝機(jī)容量分別為5.99MW、2.535MW（交流側(cè)）由7個(gè)光伏發(fā)電單元構(gòu)成。該項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)模式為全額上網(wǎng)。利用廠房屋頂建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)鍵設(shè)備光伏組件、逆變器、變壓器等采用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。本項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)所輸出的直流電經(jīng)組串式逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后，就地升壓至10KV，經(jīng)開(kāi)關(guān)柜通過(guò)1回出線接入至廠區(qū)10KV進(jìn)線母線的用戶側(cè)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。變電站近三年負(fù)荷平均-0.15MW，考慮主變 N-1 情況下，另一主變負(fù)載不超過(guò)80%，則該變電站可接入的分布式光伏容量為179.81MW，目前該變電站已接入及在途分布式光伏容量共 127.1W，因此剩余可接入容量 52.71MW。滿足本期接入需求。針對(duì)于光伏發(fā)電并網(wǎng)引起電壓偏差電能質(zhì)量問(wèn)題的機(jī)理采用A類(lèi)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)光伏發(fā)電可能引起諧波、直流分量、電壓波動(dòng)和閃變、三相不平衡度、注入電網(wǎng)直流分量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

3.1.                      升壓變壓器及高低壓配電設(shè)備

本項(xiàng)目配備7臺(tái)三相交流2000KVA的干式變壓器。額定電壓10.5±2×2.5%/0.38kV，接線組別為Dy11。交流頻率為50Hz,可以戶外使用，能效等級(jí)滿足國(guó)家規(guī)范要求。

3.2.                      繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置

本光伏電站內(nèi)主要電氣設(shè)備采用微機(jī)保護(hù)，以滿足信息上送。元件保護(hù)按照《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》（GB14285－2006）配置。

1）線路保護(hù)

本項(xiàng)目為10kV并網(wǎng)，建議光伏開(kāi)關(guān)站總出線開(kāi)關(guān)建議光伏開(kāi)關(guān)站總出線開(kāi)關(guān)配置線路方向過(guò)流等保等護(hù)，包括三段可經(jīng)復(fù)壓和方向閉鎖的過(guò)流保護(hù)，三段零序過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷并具備低周減載功能，以便線

路發(fā)生故障時(shí)快速切除，避免事故范圍擴(kuò)大。

2）       頻率電壓異常緊急控制裝置

本項(xiàng)目光伏并網(wǎng)點(diǎn)斷路器要求具備失壓跳閘功能，不設(shè)重合閘，可通過(guò)逆變器內(nèi)低壓保護(hù)與頻率保護(hù)實(shí)現(xiàn)解列，不配置獨(dú)立的安全自動(dòng)裝置。裝置通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)頻率，根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化按用戶設(shè)定的頻率定值，當(dāng)系統(tǒng)頻率低于 定值時(shí)，自動(dòng)切除負(fù)荷。為保證裝置可靠動(dòng)作，系統(tǒng)正常時(shí)對(duì)低頻減載功能進(jìn)行閉鎖，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降到一定程度時(shí)才解除閉鎖。為防止系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷反饋引起裝置誤動(dòng)，采用了低電壓、欠電流和滑差閉鎖。

低電壓閉鎖判據(jù)為:Ua低于低電壓閉鎖定值，同時(shí)零序電壓3U0低于8V，或PT斷線時(shí)，閉鎖低頻減載出口。滑差閉鎖判據(jù)為:df/dt大于滑差閉鎖定值時(shí)，閉鎖低頻減載出口。欠流閉鎖判據(jù)為：三相電流Ia、Ib、Ic均低于欠流閉鎖定值時(shí)，閉鎖低頻減載出口。裝置通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)頻率，根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化按用戶設(shè)定的頻率定值，當(dāng)系統(tǒng)頻率高于定值時(shí)，自動(dòng)切除負(fù)荷。

對(duì)于光伏電站，公共連接點(diǎn)的電壓偏差、電壓波動(dòng)應(yīng)滿足GB/T 12325-2008和GB/T12326-2008的規(guī)定。當(dāng)電壓異常時(shí)，按照表1中要求的時(shí)間停止向電網(wǎng)線路送電，此處要求適用于三相系統(tǒng)中任何一項(xiàng)。其中UN為光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)電壓，分閘是指異常狀態(tài)發(fā)生到逆變器停止向電網(wǎng)送電的時(shí)間。當(dāng)頻率異常時(shí)，按照表2所表示的電網(wǎng)頻率偏離下運(yùn)行。

表1 光伏電站在電網(wǎng)電壓異常時(shí)的響應(yīng)要求

表2 光伏電站在電網(wǎng)頻率異常時(shí)的響應(yīng)

頻率電壓緊急控制裝置

3）       防孤島檢測(cè)及安全自動(dòng)裝置

        隨著分布式光伏發(fā)電的快速發(fā)展，越來(lái)越多的光伏電站接入電網(wǎng)運(yùn)行。然而，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)因停電檢修而斷開(kāi)時(shí)，若并網(wǎng)逆變器未能及時(shí)檢測(cè)到電網(wǎng)斷電而繼續(xù)向本地負(fù)荷供電，就會(huì)形成孤島效應(yīng)（Islanding）。這種情況可能帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、當(dāng)電網(wǎng)側(cè)當(dāng)電網(wǎng)側(cè)停電檢修，若并網(wǎng)光伏電站的逆變器仍在繼續(xù)供電，維修人員不一定意識(shí)到分布式系統(tǒng)的存在，從而可能危及維修人員的安全。

2、當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)，負(fù)荷大于或者小于光伏發(fā)電功率，電網(wǎng)不能控制供電孤島的電壓和頻率，電壓幅值和頻率的漂移會(huì)對(duì)用電設(shè)備帶來(lái)破壞。

3、如果逆變器仍然在發(fā)電，由于并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓和電網(wǎng)電壓之間產(chǎn)生相位差，當(dāng)電網(wǎng)重新恢復(fù)供電時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，可能會(huì)引起再次跳閘或?qū)Ψ植际桨l(fā)電系統(tǒng)、負(fù)載和供電系統(tǒng)帶來(lái)?yè)p壞。

防孤島保護(hù)裝置是用于電力系統(tǒng)的一種保護(hù)裝置，主要用于發(fā)電系統(tǒng)中檢測(cè)和防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生。孤島現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)由于故障而失去電壓時(shí)，電站仍然處于發(fā)電狀態(tài)，繼續(xù)向電網(wǎng)側(cè)送電。采用具備防孤島能力的逆變器，逆變器需要具備快速監(jiān)測(cè)孤島且監(jiān)測(cè)到孤島后立即斷開(kāi)與電網(wǎng)連接的能力，其防孤島保護(hù)方案應(yīng)與繼電保護(hù)配置、頻率電壓異常緊急控制裝置配置和低電壓穿越相配合。防孤島保護(hù)裝置主要適用于35kV、10kV及低壓380V光伏發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電等新能源并網(wǎng)供電系統(tǒng)。

具有：頻率保護(hù)（低頻減載/高頻保護(hù)）、頻率突變跳閘、有壓自動(dòng)合閘、三段式過(guò)流保護(hù)（可經(jīng)低電壓閉鎖、可帶方向閉鎖）、反時(shí)限過(guò)流保護(hù)等保護(hù)功能。

防孤島裝置

3.3.                      電能質(zhì)量裝置

電能質(zhì)量不僅關(guān)系到電網(wǎng)企業(yè)電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也影響到用戶側(cè)的安全運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，換流器、整流器、逆變器、新能源充電樁等電子化電氣設(shè)備不斷接入電網(wǎng)，在為電網(wǎng)帶來(lái)清潔低碳的能源的同時(shí)，其引發(fā)的電能質(zhì)量問(wèn)題也在威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。在用戶側(cè)，日益突出的電壓暫降、電壓短時(shí)中斷、電壓瞬變、閃變、諧波等問(wèn)題，可直接影響用電設(shè)備的安全、可靠、連續(xù)運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量下降、成本增加、計(jì)劃阻礙，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。故對(duì)于用電情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警、故障分析尤為重要。

根據(jù)《GB/T 19826-2016電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備通用要求》，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備可對(duì)電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動(dòng)和閃變、三相電壓不平衡度、諧波、間諧波、閃變、電壓暫降/暫升/短時(shí)中斷等參數(shù)進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，為電氣事件處理（包括事前預(yù)警、事中處理、事后分析）和合理的電能質(zhì)量治理提供數(shù)據(jù)支撐并且 裝置具有通訊接口，具備遠(yuǎn)傳電能質(zhì)量數(shù)據(jù)功能，電能質(zhì)量數(shù)據(jù)通過(guò)綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至電能質(zhì)量檢測(cè)主站。

電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置

3.4.                      系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化

本項(xiàng)目采用10kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，需配備專(zhuān)用的信息傳輸設(shè)備，將光伏電站的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、逆變器運(yùn)行數(shù)據(jù)、電量統(tǒng)計(jì)、開(kāi)關(guān)及刀閘狀態(tài)、功率調(diào)節(jié)指令以及功率預(yù)測(cè)等信息實(shí)時(shí)傳輸至電網(wǎng)調(diào)度端。場(chǎng)站需要配置自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率控制指令的接收與自動(dòng)執(zhí)行功能；同時(shí)，需具備一次調(diào)頻能力。此外，10kV發(fā)電系統(tǒng)還需向調(diào)度端報(bào)送中期、短期及超短期功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.                      系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目光伏電站配置一套綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，采用安科瑞電氣股份有限公司所提供的Acre-l000分布式光伏電力監(jiān)控系統(tǒng)具有保護(hù)、控制、通信、測(cè)量等功能，可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)站的全功能綜合自動(dòng)化管理。本項(xiàng)目逆變器、高低壓設(shè)備等狀態(tài)信號(hào)都要接入本監(jiān)控系統(tǒng)。

本項(xiàng)目光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)包括兩部分：站控層和就地層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為開(kāi)放式分層、分布式結(jié)構(gòu)。

監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與就地層相連,就地層按照不同的功能、系統(tǒng)劃分，以相對(duì)獨(dú)立的方式分散在逆變器區(qū)域或箱變中，在站控層及網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，就地層仍能獨(dú)立完成就地各電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)。

站控層由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的服務(wù)器、操作員站、遠(yuǎn)動(dòng)站等組成，提供站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)管理控制就地層設(shè)備等功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并具備與遠(yuǎn)方控制中心通信的接口。

就地層設(shè)備由智能測(cè)控單元、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊單元、逆變器數(shù)據(jù)采集單元、多功能電能表等構(gòu)成，主要電氣設(shè)備包括微機(jī)保護(hù)、防孤島保護(hù)、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置、故障解列裝置、多功能儀表、逆變器、箱變測(cè)控等設(shè)備。它直接采集處理現(xiàn)場(chǎng)的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給站控層監(jiān)控主站，同時(shí)接收站控層發(fā)來(lái)的控制操作命令，經(jīng)過(guò)有效性判斷、閉鎖檢測(cè)、同步檢測(cè)等，最后對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作控制。

每個(gè)光伏發(fā)電單元配帶無(wú)線發(fā)射功能的數(shù)據(jù)采集裝置，采集每組光伏組件數(shù)據(jù)，逆變器參數(shù)，測(cè)控裝置、智能計(jì)量表計(jì)的數(shù)據(jù)，打包后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視。

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目配置設(shè)備清單如下表所示：

表 方案設(shè)備列表

5.                      系統(tǒng)功能

5.1.                      電能質(zhì)量管理監(jiān)測(cè)

在電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶能夠?qū)崟r(shí)查看關(guān)鍵的電能質(zhì)量參數(shù)，包括電流和電壓的總有效值（RMS）、電壓波動(dòng)范圍、電壓總諧波畸變率（THD）、正向與反向有功電能、有功功率以及無(wú)功功率等。這些參數(shù)為準(zhǔn)確評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)電能質(zhì)量提供了數(shù)據(jù)支持，能夠幫助技術(shù)人員快速識(shí)別電能質(zhì)量問(wèn)題的根源，如電壓偏差、諧波污染或功率因數(shù)異常等。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些指標(biāo)，運(yùn)維人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的電能質(zhì)量問(wèn)題，并依據(jù)具體數(shù)據(jù)制定針對(duì)性的應(yīng)對(duì)策略，例如調(diào)整無(wú)功補(bǔ)償裝置、優(yōu)化諧波濾波措施或重新配置負(fù)載，從而確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，保障設(shè)備的安全運(yùn)行和電力供應(yīng)。

電能質(zhì)量監(jiān)視

諧波監(jiān)測(cè)

5.2.                      直流屏界面

該界面具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流屏電參量、通信狀態(tài)及開(kāi)關(guān)量狀態(tài)的功能。其核心作用在于對(duì)直流屏的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，以便及時(shí)捕捉異常情況并觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，確保直流屏的穩(wěn)定運(yùn)行。

        直流屏一次圖

        直流屏監(jiān)測(cè)

6.                      結(jié)語(yǔ)

分布式光伏發(fā)電作為一種新型的可再生能源發(fā)電技術(shù)，兼具環(huán)保效益與經(jīng)濟(jì)發(fā)展雙重優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的推廣應(yīng)用不僅能推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，還能有效降低傳統(tǒng)能源對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。隨著技術(shù)進(jìn)步和政策支持，分布式光伏發(fā)電有望成為未來(lái)電力系統(tǒng)的重要組成部分。為確保其與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，需要深入研究其對(duì)供電電壓質(zhì)量的影響機(jī)制。基于研究成果，需科學(xué)規(guī)劃光伏發(fā)電的并網(wǎng)方案，并建立完善的管理體系，從而保障配電網(wǎng)在接納分布式光伏時(shí)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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