融合配电自动化技术的海岛微电网控制策略研究及实现

孙景钌，杨建华，李 琦，项烨鋆，赵 碚

（国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江 温州 325000）

融合配电自动化技术的海岛微电网控制策略研究及实现

孙景钌，杨建华，李 琦，项烨鋆，赵 碚

（国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江 温州 325000）

微电网供电模式在海岛得到了快速发展，配电自动化技术可实现对配电线路的可观可控，将配电自动化与微电网控制策略进行融合具有天然的技术优势。为丰富海岛微电网的控制手段，分别针对配电自动化技术与微电网的运行模式切换和黑启动控制进行了融合研究，并分析了在海岛应用的技术实现方案。2种技术的结合，可以进一步确保海岛微电网系统更加稳定、可靠运行，为海岛微电网供电模式的推广应用开拓新的思路。

海岛；微电网；控制；配电自动化

0 引言

我国拥有数量众多的海岛，其中500 m2以上的海岛超过6 500个，总面积达6 600 km2[1]。长期以来，由于受限于电力等能源的供应，海岛的发展严重滞后。海岛的供电模式目前基本上分为2种，一种是依靠岛上的柴油发电机构成独立电网为岛上用户供电；另一种是通过建设长距离的海底电缆与大电网并联，由大电网提供电力。前者容易对海岛的自然环境产生影响，此外岛上用油的运输和储存也额外增加了整体投资成本[2]；而后者不仅经济性不强，而且供电可靠性不高，一旦长距离的海缆出现故障或被损坏，很难保证海岛用户的可靠供电。

海岛一般具有丰富的风能和太阳能资源，在海岛供电系统中充分利用风、光等清洁能源，通过分布式发电技术来解决海岛能源的供应问题是一种切实可行的方法。而微电网作为由分布式电源、储能和负荷组成的独立可控系统，是发挥分布式发电技术效能的最有效形式[3-6]。在海岛上建设微电网系统，可以用较少的环境代价，换取较高的整体投资效益和能源转换效率。通过微电网内部多种分布式电源的协调控制，可以为海岛用户提供可靠的绿色电力。目前，我国已有多个已经投运或正在建设的海岛微电网工程，在浙江温州也已经建成投运了南麂岛和鹿西岛2座微电网示范工程，这一新的海岛供电模式得到了快速的发展。海岛微电网在制定控制策略时，需要综合采集分布式电源、储能、负荷等信息，并能够对上述单元实现调节控制。

配电自动化技术可以做到对配电线路的遥测、遥信和遥控，即实现对配电线路负荷的可观可控[7]。它的这一特点与微电网控制策略之间在技术上具备天然的融合优势，因此如果能够在建设海岛微电网系统的同时对海岛电网进行配电自动化改造，将配电自动化技术与海岛微电网控制策略进行融合，将可以极大地丰富海岛微电网的控制手段，进一步保证海岛微电网更加稳定、可靠地运行。

目前，针对配电自动化技术和海岛微电网控制策略的融合研究还基本没有。以下将分别针对配电自动化技术与微电网的运行模式切换控制和黑启动控制的结合进行分析，并探讨其在海岛应用的适应性和技术实现方案，为微电网供电模式在海岛的推广应用做好进一步的技术储备。

1 与运行模式切换控制结合

海岛微电网根据是否与大陆电网互联分为并网型和离网型。对于并网型海岛微电网，正常方式下一般并网运行，但是在并网联络线检修或上级电网故障情况下，需要采用主动或被动的方式切换到离网运行模式，待检修工作结束或故障消除后又需要恢复到并网运行模式，因此存在并网和离网运行模式之间的切换。对于离网型海岛微电网，为了增强微电网系统的供电可靠性和稳定性，一般需要配置柴油发电机，即采用类似于风、光、柴、储的电源组合形式，因此也存在微电网主电源或为柴油发电机或为储能系统2种不同运行模式之间的切换。此外，在有些海岛微电网系统中，为了提高系统运行的灵活性，会将整个微电网分成若干个子微网，因此还存在小微网与大微网或者是联合运行微网之间的运行切换。

海岛微电网在运行模式切换时，微电网中央控制器需要综合微电网各组成部分的信息，包括各分布式电源、储能系统、负荷等单元。以并网型海岛微电网的主动离网模式切换为例，微电网中央控制器在接收到上级调度的离网切换命令后，为了确保切换过程尽可能平滑，在切换之前需要将并网联络线功率控制在一定范围以下，以满足切换后储能系统作为主电源的稳定裕度。如果不结合配电自动化技术，微电网中央控制器能做的调整手段主要是对分布式电源出力以及储能系统充放电进行控制，调整的效果有限。而如果在建设微电网的同时，对微电网所处的海岛配电网进行配电自动化改造，则可以将配电自动化技术融合到微电网的模式切换控制策略中，从而可以丰富微电网的控制手段，达到最优的控制效果。

结合配电自动化技术，微电网中央控制器可以通过分布在配电线路上的配电自动化终端采集到线路的实时负荷信息。在进行主动离网切换时，如果微电网的功率缺额，即并网联络线上的功率不能满足储能系统的稳定裕度要求，比如微电网的电源出力与系统负荷相差比较大，负荷过多，此时就需要根据采集到的负荷信息向运行模式切换控制器发送触发指令，并通过配电自动化技术由模式切换控制器向特定的配电自动化终端发送切负荷命令，保证一定量的负荷切除之后，系统功率缺额能够满足稳定裕度要求。海岛微电网融合配电自动化技术的主动离网控制策略流程如图1所示。微电网在进行上述其它运行模式切换时，如果能够结合配电自动化技术，同样能够极大地优化切换控制策略。

图1融合配电自动化技术的主动离网控制策略流程

2 与黑启动控制结合

海岛微电网在进行运行模式切换，尤其是并网运行切换到离网运行的过程中，存在切换失败的可能，此时就有可能导致微电网系统崩溃，因此需要进行黑启动控制，以尽快恢复对岛上重要用户的短时供电。

在黑启动控制前，微电网中央控制器需要根据系统崩溃前各个配电自动化终端采集到的负荷数据，对其中的重要负荷容量进行预估。当采用储能系统作为黑启动的主电源时，需确保所带的负荷容量不超过储能系统的带载能力，因此在黑启动前需根据微电网的实际情况，利用配电自动化系统向相关的配电自动化终端发送切负荷命令。在黑启动过程中，逐步并入分布式电源以及与之相匹配的配电终端处负荷；同时，需要密切监测配电自动化终端上的不同节点处的电压水平，避免在负荷恢复过程中由于电压问题导致黑启动失败。此外，需要指出的是：在制定黑启动控制策略时，需对每个配电自动化终端节点处所带的变压器容量进行评估，当变压器容量超过一定范围时，在黑启动过程中禁止通过配电自动化系统向对应的终端发送并网命令，否则极有可能由于变压器励磁涌流过大导致系统再次崩溃。只有在微电网黑启动成功且重新并入大电网之后，才考虑将这些大容量变压器并网运行。

将海岛微电网黑启动控制与配电自动化技术结合，可以实现对所带负荷的可观可控，避免操作的盲目性，从而有效提高黑启动的成功率。

3 技术方案实现

在海岛微电网中实现配电自动化技术的融合，需要根据微电网的技术要求对海岛电网进行配电自动化改造。

3.1 配电终端布点

配电自动化系统在进行配电自动化终端布点设计时，需充分考虑微电网的实际情况，结合储能系统、分布式电源配置以及分段线路负荷水平等具体情况。微电网在制定运行模式切换、黑启动等控制策略时，对需要控制的负荷量会有不同的要求，因此在配电自动化终端数量有限的前提下，需要根据分段线路负荷的实际水平对配电终端进行优化布点，同时不能影响到配电自动化系统故障定位功能的实现。

此外，配电终端在进行布点时，除了要考虑所在节点处负荷量的因素外，还需要考虑负荷的重要性，可以根据负荷的重要程度对负荷进行分级，并按照负荷的不同级别分别参与到微电网的运行模式切换或黑启动控制策略中。对于微电网的运行模式切换控制，在切负荷时优先切除重要性级别最低的负荷，当该类负荷切除后仍然不能满足切换控制的要求，再考虑切除级别再高一级的负荷，依次类推。而在进行黑启动控制时，则优先考虑将涉及海岛居民用电、通信设施、党政机关、码头及安保等重要负荷并入微电网。

3.2 断路器改造

海岛电网配电设备一般比较老旧，运行年限比较久远，线路上的开关也都不具备电动操作等功能。如上所述，海岛微电网在制定控制策略时，需要通过配电终端对开关进行遥控操作，同时也需要能够接收开关处的电压、功率等信息，因此在完成配电自动化终端的布点之后，还需要对终端所在处的开关进行改造。

改造后的开关需具备高性能、高可靠性、免维护等特点，采用电动操作方式，并提供与配电自动化终端的接口，具有遥信、遥测、遥控等功能。同时在开关的两侧配套安装电压互感器，电压互感器的二次回路除接入配电终端进行电压采集外，还经过充电模块（含双电源切换功能）将交流电转换为直流，向配电终端、通信设备等装置供电或向蓄电池充电，市电失电后，由蓄电池向装置供电。此外，为了适应海岛户外的工作环境，开关除了在技术指标上要满足上述在微电网中应用需具备的基本功能外，还需要充分考虑海岛不同于大陆的特殊气候和自然环境条件，对其提出特殊的要求。海岛的高温、高湿、高盐雾环境会对配电设备产生较大的腐蚀作用，必要时可考虑在设备的外壳喷涂耐高温、耐湿、耐腐蚀的特殊防护材料，增强设备的环境适应性。设备在出厂前应进行严格的盐雾试验，确保设备在实际应用中具备良好的电气和机械性能。

3.3 通信系统建设

海岛微电网在执行运行模式切换、黑启动等控制策略时，对时间要求很高，所有的调节手段需要在极短的时间内完成操作，否则极有可能导致模式切换或黑启动失败。因此，在将配电自动化技术与微电网控制策略进行融合时，对通信系统提出了较高的要求。

通信系统采用Epon（无源光网络）技术，在微电网控制中心设置2台OLT设备，一主一备，在每个户外配电自动化终端处安装ONU终端，通过光缆和分光器将站内的OLT与户外的ONU组成光纤手拉手环网通信结构。根据不同的数据属性采用不同的协议进行传输，对于电压、功率等模拟量及开关量信息，由于其对实时性要求不高，采用MMS网传输；而对于跳闸命令信息，则采用快速的GOOSE网进行传输。因此，配电自动化终端需要不同的网口，以实现不同的业务功能。一般ONU终端采用双PON口（主备），配电自动化终端的网口A（实现MMS业务）与网口B（实现GOOSE业务）接入ONU，并通过VLAN将MMS与GOOSE的业务进行划分及隔离。数据通过光纤网传到微电网控制中心后，再由OLT的不同网口与站内MMS网和GOOSE网相通，保证配电自动化的单网数据能与站内的微电网中央控制器及运行模式切换控制器等进行通信。按照此通信架构，可以将基于61850的快速通信机制与配电自动化的EPON技术进行有效融合，满足微电网控制的快速性要求。该通信架构如图2所示。

图2 基于61850的通信架构示意

此外，当有新的ONU终端接入网络并上电后，将自动在相应的PON口下进行配置，对MMS与GOOSE业务进行VLAN划分，实现MMS和GOOSE业务自动通过不同的网口进行传输，当然，新接入的ONU终端需要关闭自身的组播方式。因此，此种通信模式的架构也极大地方便了在海岛微电网内部进行配电自动化终端的扩展。

4 结论

我国拥有数量众多的海岛，作为解决海岛供电问题的一种有效模式，海岛微电网以其特有的优势得到了快速发展，并有多个工程应用实例。配电自动化技术可以实现对配电线路的可观可控，如果在建设海岛微电网的同时，对海岛配电网进行自动化改造，将配电自动化技术与微电网的控制策略进行融合，可以发挥二者的天然优势，丰富微电网的调节控制手段，优化控制效果。对配电自动化技术与微电网的运行模式切换和黑启动控制进行了融合研究，并分析了相应的技术实现方案，相关的研究成果已经在浙江省温州市的南麂岛离网型微电网示范工程和鹿西岛并网型微电网示范工程中分别得到了实际应用，运行效果良好。本研究成果可以确保海岛微电网更加稳定、可靠地运行，并为微电网供电模式在海岛的进一步推广应用提供新的思路。

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[2]赵深，孙景钌，林世溪，等.海岛微电网供电模式下户用风光互补发电系统的应用研究[J].浙江电力，2014，33（5）∶22-26.

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[6]杨琦，马世英，李胜，等．微型电网运行及控制设计[J]．电工技术学报，2011，26（S1）∶267-273．

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[8]郭天勇，赵庚申，赵耀，等．基于风光互补的微网系统建模与仿真[J]．电力系统保护与控制，2010，38（21）∶104-108．

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[11]黄莉，孙淑莲.基于电压偏移量的直流微电网分层控制策略仿真研究[J].浙江电力，2016，35（5）∶7-12.

[12]林功平．配电网馈线自动化技术及其应用[J]．电力系统自动化，1998，22（4）∶64-68．

[13]黄佳佳，夏陈喆，郑圣，等.配电网自动化系统与PMS开关量推送的研究与探索[J].浙江电力，2016，35（5）∶60-62.

2017-05-27

孙景钌（1983），男，高级工程师，研究方向为分布式发电及微电网技术。

（本文编辑：徐 晗）

Research and Realization of Island Microgrid Control Strategy Integrated with Distribution Automation Technology

SUN Jingliao， YANGJianhua， LI Qi， XIANGYejun， ZHAO Bei
（State Grid Wenzhou Power Supply Company， Wenzhou Zhejiang 325000， China）

Microgrid power supply expands rapidly in island，and distribution automation technology makes distribution lines observable and controllable.Integration of distribution automation with microgrid control strategy is technically advantageous.To increase control means of island microgrid，integration of distribution automation technology and control of operation mode switching and black start is studied in this paper，and the technical scheme of application in islands is discussed.The integration of the two technologies further ensures steady and reliable operation of island microgrid,and opened up new thoughts for the popularization and application of island microgrid power supply.

island； microgrid； control； distribution automation

10.19585/j.zjdl.201710014

1007-1881（2017）10-0068-04

TM734

B