文/施恩禧電氣（中國(guó)）有限公司 郝 晨/

文/施恩禧電氣（中國(guó)）有限公司 郝 晨/

盡管自動(dòng)化以及分布式智能已經(jīng)在業(yè)內(nèi)推進(jìn)了近20年的時(shí)間，但當(dāng)人們談?wù)摻ㄔO(shè)智能電網(wǎng)時(shí)，大多數(shù)人還是會(huì)僅僅想到為家庭以及商業(yè)用戶安裝智能電表。

在這20年的推進(jìn)中，其中一個(gè)重要的創(chuàng)新就是“可自愈的配電網(wǎng)”，它指的是在配網(wǎng)中各智能開(kāi)關(guān)和保護(hù)設(shè)備之間實(shí)時(shí)的通信，自行判斷并隔離故障，而不需要通過(guò)控制中心統(tǒng)一調(diào)度。若在自愈系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能裝置，那么，可以在電源完全消失后，由儲(chǔ)能裝置來(lái)供電，形成孤島。

由美國(guó)能源部（U.S.Department of Energy，DOE）牽頭，聯(lián)合桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Labs）,施恩禧電氣（S&C Electric Company）以及美國(guó)電力公司（American Electric Power，AEP）在北美已經(jīng)實(shí)施了多個(gè)高質(zhì)量的儲(chǔ)能項(xiàng)目以解決多樣的配電網(wǎng)難題，儲(chǔ)能示范項(xiàng)目的意義在于：

(1) 完成DOE將儲(chǔ)能作為智能電網(wǎng)重要部分的目標(biāo)；

(2) 量化將大規(guī)模兆瓦級(jí)的儲(chǔ)能作為配電站以及配電線路的調(diào)節(jié)手段的可行性；

(3) 延緩配電站升級(jí)，起到削峰填谷的作用；

(4) 驗(yàn)證儲(chǔ)能在微網(wǎng)中的作用，在配電網(wǎng)上游出現(xiàn)永久故障時(shí)，利用分布式儲(chǔ)能為整個(gè)“孤島”供電。

本文著重闡述安裝在配電站或者其附近的大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備配合分布式智能系統(tǒng)可以大幅改善配電網(wǎng)的服務(wù)可靠性。

孤島提高可靠性

孤島是一種在斷電時(shí)使用就地電源對(duì)被隔離的配電網(wǎng)供電的方案，這個(gè)電源可能是化石電源，也可能是利用先進(jìn)技術(shù)的燃料電池或者其他儲(chǔ)能系統(tǒng)。對(duì)于市電缺失，波動(dòng)或者故障的配電網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，具備孤島能力可以提高系統(tǒng)可靠性，將突發(fā)事件對(duì)系統(tǒng)的影響降到最低。

孤島效應(yīng)對(duì)于電力公司有著重要意義，尤其是那些頻繁停電的區(qū)域。從孤島效應(yīng)中獲益的區(qū)域包括：

(1) 配電線路較老較舊的負(fù)荷中心；

(2) 植被茂盛的區(qū)域（茂盛的植物接觸到配電線，容易引起線路停電）；

(3) 頻發(fā)極端災(zāi)害天氣的區(qū)域（颶風(fēng)，暴雨等）。

孤島的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

當(dāng)故障發(fā)生后，智能孤島將為配電網(wǎng)帶來(lái)諸多的好處。

(1) 增強(qiáng)可靠性指數(shù)：可靠性指數(shù)包含“客戶平均中斷持續(xù)時(shí)間（CAIDI）”和“系統(tǒng)平均中斷時(shí)間（SAIDI）”，它們是衡量電力系統(tǒng)可靠性的通用指標(biāo)。孤島可以大幅的改進(jìn)這個(gè)指數(shù)，意味著更少的客戶受斷電影響以及縮短服務(wù)中斷持續(xù)時(shí)間。

(2) 資源優(yōu)化：孤島效應(yīng)可以優(yōu)化重構(gòu)過(guò)程，使得有限的人力以及資源可以專注于優(yōu)先恢復(fù)非孤島區(qū)域。

(3) 延緩?fù)顿Y：孤島可以快速及時(shí)的解決線路的問(wèn)題，從而使得為電力公司傳統(tǒng)建設(shè)方法（新建配電站或者擴(kuò)建，傳輸線延展，強(qiáng)化配電線路）贏得了時(shí)間。

孤島的實(shí)現(xiàn)方法

上面介紹了孤島帶來(lái)的益處，那么隨之而來(lái)的問(wèn)題就是“如何切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)孤島呢？”美國(guó)電力公司（AEP）經(jīng)過(guò)分析大量數(shù)據(jù)，認(rèn)為以下兩種方法是實(shí)現(xiàn)分布式電源孤島的可行辦法：1）自適應(yīng)動(dòng)態(tài)孤島(ADI，Adaptive Dynamic Islanding )；2)離散動(dòng)態(tài)孤島(DDI，Discrete Dynamic Islanding)。

自適應(yīng)動(dòng)態(tài)孤島（ADI，Adaptive Dynamic Islanding）

自適應(yīng)動(dòng)態(tài)孤島（ADI）依賴電力公司通過(guò)遠(yuǎn)程控制智能電表系統(tǒng)（AMI：Advanced Metering Infrastructure）來(lái)“接入”或者“切除”獨(dú)立用戶。一旦智能電表系統(tǒng)覆蓋足夠大的區(qū)域，自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)孤島的實(shí)施和控制將合理而可行。（如圖1和圖2）

圖1 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)孤島（ADI）

圖2 不同負(fù)荷狀態(tài)下的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)孤島

自適應(yīng)動(dòng)態(tài)孤島的理念是，當(dāng)智能電表系統(tǒng)（AMI）得到足夠的發(fā)展以及安裝，電力公司可以將每一個(gè)客戶的負(fù)載視為“島”，且可以遠(yuǎn)程控制。因此，在遇到停電的情況時(shí)，可以給某些重要負(fù)載如醫(yī)院，警察局以及消防隊(duì)等優(yōu)先恢復(fù)供電，使其免受或者少受電力問(wèn)題的侵?jǐn)_。

圖1示意了通過(guò)電池管理系統(tǒng)在斷電的情況下為了保證重要負(fù)載盡可能不受侵?jǐn)_，對(duì)部分負(fù)荷斷電或者間歇供電。

圖2示意了如何通過(guò)智能管理系統(tǒng)來(lái)遠(yuǎn)程連接和斷開(kāi)獨(dú)立負(fù)荷，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)利用最優(yōu)化。

圖3 離散動(dòng)態(tài)孤島（DDI）

在自適應(yīng)動(dòng)態(tài)孤島方案（ADI）中，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量情況，來(lái)調(diào)整用戶數(shù)量是很容易實(shí)現(xiàn)的。在負(fù)荷較低時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)足以支撐整個(gè)孤島中的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。若儲(chǔ)能系統(tǒng)不足以支撐整個(gè)孤島的負(fù)荷3運(yùn)轉(zhuǎn)，那么可以如圖2所示來(lái)選擇為部分負(fù)荷供電。

因?yàn)樵诿绹?guó)電力公司（AEP）準(zhǔn)備實(shí)施孤島項(xiàng)目的備選區(qū)域中，智能電表系統(tǒng)（AMI）的普及率都不足以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)孤島（ADI），所以美國(guó)電力公司（AEP）尋找另外一種可行的替代方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載控制的需求。

離散動(dòng)態(tài)孤島（DDI，Discrete Dynamic Islanding）

離散動(dòng)態(tài)孤島（DDI）以遠(yuǎn)程控制部分電網(wǎng)（饋線）區(qū)域來(lái)替代自適應(yīng)孤島（ADI）中的獨(dú)立用戶控制。這種形式的孤島使得利用現(xiàn)有的通信以及控制系統(tǒng)配合分布式智能來(lái)控制分段開(kāi)關(guān)以及保護(hù)設(shè)備來(lái)隔離故障以及重構(gòu)更加易于實(shí)現(xiàn)。美國(guó)電力公司（AEP）決定利用這種方案來(lái)評(píng)估孤島技術(shù)的可行性。值得注意的是，在智能電表系統(tǒng)（AMI）存在的區(qū)域內(nèi)，離散動(dòng)態(tài)孤島（DDI）作為自適應(yīng)動(dòng)態(tài)孤島（ADI）的補(bǔ)充而存在。當(dāng)上游發(fā)生故障時(shí)，這兩種方法都能有效的實(shí)現(xiàn)孤島。

美國(guó)電力公司（AEP）實(shí)施了3個(gè)項(xiàng)目來(lái)驗(yàn)證孤島的可行性。本文將著重討論Balls Gap這一案例。

孤島項(xiàng)目概覽

美國(guó)電力公司（AEP）選擇鈉硫電池（NaS）作為儲(chǔ)能電池，并采用施恩禧電氣（S&C Electric）的PureWave SMS來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)管理。經(jīng)過(guò)慎重考慮，選擇其位于西維吉尼亞（West Virginia）的Balls Gap變電站，奧黑爾的（Ohio）的Bluffton變電站和印第安納的（Indiana）的East Busco變電站作為項(xiàng)目實(shí)施地。這些線路均為輻射性線路，沒(méi)有備用電源，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以緩解區(qū)域的供電壓力。每一套儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量為2MW/7.2MWh，可以為2MW的負(fù)荷提供約7個(gè)小時(shí)的備用電力，配合智能開(kāi)關(guān)，每一處的孤島容量可以達(dá)到2MW。

納入到孤島方案的配電設(shè)備包含智能分段開(kāi)關(guān)以及兩臺(tái)智能重合器（IED，Intelligent Electronic Device）。配網(wǎng)自動(dòng)化（DA,Distributed Automation）方案已經(jīng)非常成熟了，結(jié)合孤島應(yīng)用，可以對(duì)其進(jìn)行必要的改進(jìn)，使其適應(yīng)新的應(yīng)用。此項(xiàng)目將深入研究孤島結(jié)合NaS電池儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)問(wèn)題，進(jìn)行配合分析，加載和歷史數(shù)據(jù)分析等。

Balls Gap 孤島項(xiàng)目

在2009年美國(guó)電力公司（AEP）實(shí)施的三個(gè)孤島項(xiàng)目中，Balls Gap是最復(fù)雜的一個(gè)，Balls Gap的輻射型線路大約有60km，電壓等級(jí)為34.5kV，它穿過(guò)位于西維吉尼亞米爾頓（Milton，West Virginia）的阿帕拉挈山脈（Appalachian Mountain）東北部，所以項(xiàng)目的實(shí)施面臨著技術(shù)以及環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)。

因?yàn)锽all Gap 的輻射型線路，沒(méi)有可用的備用電源，所以一旦發(fā)生故障，常常要停電幾個(gè)小時(shí)。美國(guó)電力公司（AEP）對(duì)負(fù)荷以及歷史數(shù)據(jù)的分析之后，發(fā)現(xiàn)大部分的停電事故都發(fā)生在圖4所示的第一臺(tái)重合器的下游，且負(fù)荷大概在2MVA左右，這正好與美國(guó)電力公司（AEP）計(jì)劃實(shí)施的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量接近，因此Balls Gap進(jìn)入了美國(guó)電力公司（AEP）的項(xiàng)目備選地列表，開(kāi)始著手進(jìn)行成本評(píng)估以及孤島方案制定中。

盡管在Milton配電站附近沒(méi)有可用的三相饋線電源可用，但是有小容量的單相電源在附近的Grassy Creek 配電站。美國(guó)電力公司（AEP）的長(zhǎng)期目標(biāo)是增加整個(gè)區(qū)域的服務(wù)可靠性，配合這一目的的一系列計(jì)劃包含：1）建設(shè)新的配電站；2）升級(jí)單相饋線為三相并將Balls Gap配電站以及Grassy Creek配電站連接起來(lái)；3）從阿帕拉挈山脈架設(shè)一條138kV的13km長(zhǎng)的的配電線。但是選址，審批以及施工通常至少要耗費(fèi)4-5年的時(shí)間，而在這段時(shí)間里Balls Gap轄區(qū)的居民仍將忍受由于永久故障導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間的停電。

在準(zhǔn)備階段，對(duì)Balls Gap的饋線系統(tǒng)進(jìn)行的詳細(xì)的分析，以確定在上游永久故障發(fā)生時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)將要接納的用戶數(shù)量以及容量。圖5為系統(tǒng)單線圖。6臺(tái)饋線設(shè)備（2臺(tái)重合器以及4臺(tái)分段開(kāi)關(guān)）安裝在重要的位置，用來(lái)粗略的劃分儲(chǔ)能系統(tǒng)的負(fù)荷。

圖4 Balls Gap/Grassy Fork 線路圖

圖5 單線圖

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)自動(dòng)饋線設(shè)備（Sw-3）上游發(fā)生故障時(shí)，所有的下游開(kāi)關(guān)將會(huì)斷開(kāi)失去電源，并且向其他的設(shè)備發(fā)出報(bào)告。當(dāng)獲知所有的開(kāi)關(guān)都分閘后，PureWave SMS電能存儲(chǔ)管理系統(tǒng)將會(huì)閉合連接在SW-7上的SW-1。當(dāng)獲知所有的設(shè)備都失去電源后，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)（DA, Distributed Automation）將只會(huì)計(jì)量每一個(gè)開(kāi)關(guān)下的負(fù)荷，以確保不超過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量。

圖6 a)S&C Scada-Mate Switch智能負(fù)荷開(kāi)關(guān)系統(tǒng)b) 智能重合器系統(tǒng)c）智能重合器系統(tǒng)d）S&C PureWave SMS電能存儲(chǔ)管理系統(tǒng)

當(dāng)故障發(fā)生在孤島之內(nèi)時(shí)，只要故障不是發(fā)生在儲(chǔ)能系統(tǒng)以及主干線之間（Sw-1；Sw-4；Sw-5），配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)（DA,Distributed Automation）判斷故障位置并將其隔離，隨后恢復(fù)儲(chǔ)能系統(tǒng)或者M(jìn)ilton配電站的供電。在這種邏輯下，可以使得Milton配電站為盡可能多的負(fù)荷供電，而這是在離散式孤島（DDI）與配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)（DA, Distributed Automation）配合下實(shí)現(xiàn)的，這樣的應(yīng)用形式增強(qiáng)了離散動(dòng)態(tài)孤島（DDI）的能力，更加契合用戶的需求。

在美國(guó)電力公司（AEP）用了多種智能電子設(shè)備（IED，Intelligent Electronic Device）配合開(kāi)放架構(gòu)的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)（DA, Distributed Automation），見(jiàn)圖6。包括用于NaS電池管理的PureWave SMS電能存儲(chǔ)管理系統(tǒng)。

項(xiàng)目測(cè)試時(shí)，人為的將各個(gè)饋線開(kāi)關(guān)斷開(kāi)來(lái)模擬斷電，用以來(lái)測(cè)試儲(chǔ)能系統(tǒng)以及孤島運(yùn)行能力，最終達(dá)到得了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖7 Balls Gap儲(chǔ)能系統(tǒng)（2MW/7.2MWh）

結(jié)論

在實(shí)際線路故障發(fā)生時(shí)，成功的完成了孤島運(yùn)行。在接下來(lái)的幾年中美國(guó)電力公司（AEP）陸續(xù)開(kāi)展了更多的項(xiàng)目，在孤島（微電網(wǎng)）以及儲(chǔ)能方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。