考虑采用基于PMU的DMS来连接和管理DG的方案理念的设计

郑 真 马晔晖

（上海电力学院 电气工程学院，中国 上海 200090）

0 前言

为了达到世界对再生能源的立法标准，需要相当大比例的新能源系统连接到配网中。例如在中国，据预测，为了满足2020年的目标，配电网络将有望连接50GW以上分布式发电（DG），而欧洲国家的英国预计为10GW[1]。

一直以来，分布式发电的连接没有积极的管理，可连接的发电容量也有限，它可以不受所网络运行情况的约束而工作，本文把这种较为独立的状况称为“适应与淘汰”机制。这种限制情况（包括强风和电网低负荷同时发生）决定了DG并网的容量。因此，“适应与淘汰”机制并没有有效地利用网络，而经费和延误导致了许多配网不愿投资该类项目，致使目标无法实现。另一种方法可称之为“连接与管理”模式，在这种模式下只有在当它被削减时才需要考虑网络的限制。根据这一理念，配电网络具备了可以容纳更多分布式发电容量的水平，并且可以适度进行缩减。这种模式如果想要被广泛采用，还需要新的实践和检测。但是“集中和分散”控制相结合的原则是需要坚持的，一个配电管理系统的关键是集中监督控制，而分散控制涉及到DMS对自治区的测量和独立运作的控制，这对于通知电网监控人员监测具体的网络行为和状态是非常有用的。本文探讨了如何在“集中和分散”原则的指导下充分利用PMU在DMS中“连接和管理”分布式发电（DG），最终目标是使得基于PMU的先进DMS能够使DG在保持供电质量和供电安全的同时，亦可大幅提高适应分布式发电的能力。

1 PMU技术在方案中的应用

同步相量测量（PMU）技术运用GPS技术，能够准确地从电压和电流的正弦信号中提取幅度和相位。由于时间同步，在电网中不同线路的相量可以被同时比较。与传统的连续SCADA数据采集系统相比的优点是PMU能够获取SCADA不能获取的相位信息，且速度更快[2]。

PMU已经被广泛应用于输电网系统中。这个概念最初是发达国家在20世纪80年代提出来，但是在2005年修订IEEE标准后才普遍得到应用。在同步相监控系统中，子站获取数据，然后传输到数据中心，在那里将进行分析数据和存储。相量数据以及其他派生的可视化信息将被控制或被转发到其他系统，其中包括配电管理系统（DMS）。本文涉及的方案重点就在于将PMU测得的相量数据输入到DMS，然后得到配电系统、负荷和发电侧的详细信息，主要利用相角差等关键信息进行可再生能源的连接与管理[3]。

2 利用PMU进行DG并网整合方案的设计

针对DG整合，本文提出了一种三层次结构分析方案，该方案以逐步递进的方式展示了如何充分利用PMU和DMS，进而最大限度地使DG在保持供电质量和供电安全的同时，也能大幅增加配电网络适应和连接DG的能力[4]。

2.1 一层整合——PMU信息的获取

首先要解决的问题是提供实时的DG能源的可观察性。新的DG能源通常要求能够提供实时的自动测量记录，典型的是通过DNP 3.0（国际电子电工协会IEC的TC57协议基础上制定的通信规约）使用DMS系统的SCADA功能。而对于现有的DG能源，并不能够进行自动测量记录。要准确估计DG引入电网情况，正确认识电网状态是问题的关键。但是即使在95%的风力发电是连接到配电网（20千伏）的法国[8]，这其中也只有75%的产品是可以自动测量记录的，其余25%是根据规则和配备了遥测装置的DG估计的。为了解决这个问题，可以开发出一个应用软件平台，可接收来自PMU的实时测量相量数据，进而实现实时风力引入的可观察性，也可有效地对不同粒度如对风力发电机组、风力发电场、变压器、风束或配电控制区的的监测和警示。

同步相量测量对于提高配电系统的可观察性，主要体现在以下几个方面中：

1）更快的测量速度，提供更详细的网络操作。例如在快速变化时，引起瞬时的或周期的电能质量问题无法在传统的SCADA/RTU测量中观察到。

2）先进的配网状态估计和网络负荷的观察。电网容纳DG的能力取决于负荷和发电的实际状态。在配电系统中，负荷的实时数据变化无常，但同步相量测量可实时提供简明的信息，以观察监控节点和相邻节点。

3）可得到详细的分析信息。例如，评估网络的短路容量[2]。

其次，得到配电系统负荷的详细信息也是有价值的，因为这对于确定现状网络状态和确定网络的规划目标都十分重要。高时间分辨率的同步相量详细数据若与其他数据源集成，可以更加显著提高可用信息的准确性。

2.2 二层整合——考虑DMS对PMU信息的反映与功能设定

DG能源的二层整合需要对PMU信息进行反映，并实现利用其信息的功能设定。

1）考虑必须整合“智能”设备（如自动重合闸设备或可远程控制切换设备）并帮助维持电网安全供电的功能。这样的设备建立并整合一层整合里陈述的应用程序和用户界面，针对目前状况的新设备，也可以重新配置网络的拓扑结构和进行后续的中断恢复。

2）考虑位于DG的发电机控制器需要有能被连接到DG能源的辅助服务能力，如电压支持。有源电压控制减缓电压上升问题，进而有效地限制了DG可连接的程度。考虑该应用软件的功能需包含了一个电压无功控制VCC提供对配电网络中无功功率的控制，以优化馈线损失(例如，最小损耗或电压曲线跟随)。VCC功能可以考虑到所有有源和无源VAR支持设备，包括DG能源。

3）考虑必须要能实现间歇发电的缩减功能。例如，由于得到了负荷与发电的准确实时有用信息。一些高风力与低负荷情况下需要减少由于网络安全原因或阻塞管理导致的部分风力生产。缩减指令被保存在审计记录中，以支持解决条件。

4）考虑DG的整合应该要包含在并网模式或孤岛模式下运行微电网的能力。一个微网由几种荷载(可控或不可控)、DG能源和配电馈线构成，可以平衡微网操作单位。目前大多数政策不允许独立操作微网，需要快速断开DG故障以保证电能质量安全问题。

5）预计在不久的将来，负载在网络管理中的作用将显著增加。这将提供新的机会协调发电和负荷管理，该功能的整合需要实现既能更为高效地连接，也能稳定独立运营微网。

2.3 三层整合——考虑由DG输出引起的潜在问题的评估

三层整合一方面要确定由DG输出引起的潜在问题，另一方面要提供应对这些威胁的信息。本文考虑到如下几个方面。

1）考虑安全分析。这包括了三相负荷潮流计算以及安全限制监控，以确保电网在电能质量和电压/无功调节限制内运行，并且运营标准取决于监管法。

2）考虑短路分析。用于监测故障电流等级并检查设备校正的兼容性，包括DG的故障贡献。

3）考虑故障隔离与恢复。用于支持停电恢复与馈线重新配置部署，考虑到DG以及人员安全的运营切换计划的管理。

4）考虑仿真模拟。不同负荷/发电情况下网络状态的研究与模拟，有一个DG预测引擎的无缝接口和强大的模拟器。这帮助操作人员的培训以及基于预测数据的现实场景的网络研究。

5）考虑配套服务。为发展短期策略，需开发一个随机最优模型，以减轻因风力发电间歇性而引起的不确定性。提出应对平衡风力发电变化的最佳策略，以保证能够对大风和低负荷等情况作出响应。

3 结论

具有挑战性的DG连接目标需要用管理网络的创新技术解决方案来实现。PMU的出现，为管理整合与运作DG连接方面的重大变化带来新思路。同步相量测量信息结合开发的监测应用程序，完成的协调控制功能对执行DMS对DG连接来说是新的思路和方法，补充了DMS的不足之处。

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