基于低压配电物联网的分布式光伏接入研究

樊国旗，刘海南，李鹏，何毅帆，潘伟东

（1.国网金华供电公司，浙江 金华 321001；2.国网石嘴山供电公司 宁夏 石嘴山 753000；3.国网浙江省电力有限公司科学技术研究院，浙江 杭州 310007）

0 引 言

浙江、福建和青海是国家电网区域新型电力系统省级示范区样板[1-2]，风电和光伏得到快速发展，其中低压分布式光伏是重要组成部分[3-4]，但是低压电网存在自动化程度相对较低和感知能力不足的问题[5]，因此，需要建设低压配电物联网提高“可观-可测-可调-可控”能力，并结合浙江地区电力发展状况，因地制宜发展新能源消纳项目。

文献[6]、[7]通过台区户-相-变拓扑识别方法，助力台区运行问题的分析和处理，提升配电监测和故障研判能力。文献[8]通过低压配电网拓扑自适应方法，制定低压配网主动抢修策略，进一步改善低压配电网供电可靠性。文献[9]构建基于台区智能融合终端的电动汽车有序充放电系统，提升设备状态检测能力和负荷侧资源调控能力。文献[10]通过开关重构改变配电网拓扑结构和需求侧响应相结合的方法，改善配电网潮流和电压分布，减少配电网运行成本。文献[11]通过“云-边”协同技术构建台区用能管控系统框架，结合用户舒适度、分时电价和分布式储能充放电策略建立台区可调控资源调度策略，提升台区对可调控资源的管控能力，有效降低用户用能成本。本文在上述文献的基础上，结合低压电网分布式光伏特点，提出低压配电物联网建设方案，实现低压拓扑自动识别功能，满足“可观-可测-可调-可控”的需要。此外，建立电压控制策略，解决台区电压抬升问题，并通过源网荷储协调运行平台提升台区运行能力，增加对主网的支撑能力。

1 分布式光伏接入及影响

1.1 分布式光伏接入

分布式光伏接入有两种：中压接入式光伏和低压接入式光伏，其接入示意图如图1所示。

图1 分布式光伏接入方式

中压接入式光伏一般通过10kV及以上电压等级并入电网，可通过交换机直接接入调度通信网，可以上传光伏电压、电流、开关状态、发电量、有功功率和无功功率等信息，具备遥测、遥信、遥控和遥调等功能，通过直采直控或群调群控的方式参与电网调节。

低压接入分布式光伏一般通过380/220V电压等级并入电网，380V为三相电压接入，220V为单相电压接入，多为屋顶光伏，对开关状态、有功功率和无功功率等信息处于不可控状态，“可观-可测-可调-可控”能力较弱。

可观：在电网业务系统中可以直观显示光伏电源接入位置和状态信息。

可测：光伏电源相关状态信息能够实时上传至配网运行管理系统或者智能融合终端。

可调：能够就地自主和远程系统调节光伏逆变器功率。

可控：配网运行系统或智能融合终端可以对光伏开关状态进行控制。

由于低压配电网自动化程度较弱，对网络拓扑结构自动识别能力较差，故障研判能力不足。此外，根据拓扑识别技术对分段线损进行比较，提供反窃电分析。

1.2 分布式光伏接入影响

分布式光伏接入会改变原有电网潮流单向流动的特性，可能导致返供电流过大，超过低压分路开关额定电流；此外，原有距离保护需要改变定值，或需配置光纤差动保护，避免保护定值整定困难的问题。

光伏的随机性和波动性特性增加电力平衡难度，同时造成台区重载问题，还会导致电压抬升问题。由于低压电网缺乏电容器、电感器等电压调节设备，频繁使用变压器分接头调压方式，会导致故障率上升；电压抬升问题如图2所示，V为母线电压，VA为节点A电压，XA为母线到节点A的阻抗，I为母线流向A点电流，IA为节点A流向母线电流。

图2 电压抬升示意图

A点电压为：

当分布式光伏并网容量较少，电压相对无分布式光伏并网A点会有略有抬升；当分布式光伏并网容量较大时，抬升较多，特别当(I＜IA)时，即功率从分布式光伏流向母线的反向潮流时，A点电压会高于母线电压。

2 低压配电物联网构建

为提升分布式光伏电压控制能力和分布式光伏消纳能力，解决因低压电网网络拓扑复杂和自动化程度低导致的拓扑结构不能自动识别问题，需要构建低压配电物联网平台，建立无功电压控制策略和源网储协调运行策略。

2.1 低压配电物联网系统构架

低压配电物联网系统架构如图3所示，由云层、管层、边层和端层组成。

图3 低压配电物联网平台系统构架

端层由物联台区设备组成，如LTU（Line Terminal Unit），安装在分支线位置，用于电流、电压、温度和故障等信息监测。

边层由智能融合终端组成，安装在配变变压器位置，可以结合LTU对线路监测信息实现电能感知功能，并能够实现故障位置判断和电网拓扑结构自动识别等分析决策功能。

管层由系统通信组成，用于电能质量等数据传输和控制指令下发，可以分为光纤通信和5G通信，以及专网和公网通信。

云层由低压配电物联网平台组成，具有数据挖掘和数据共享的功能，数据共享可以为其他平台业务提供支持，数据挖掘可以为电力交易和优化运行提供支持。

2.2 低压配电物联网构建

低压配电物联网构建如图4所示，加装台区智能融合终端和LTU，台区智能融合终端一般安装在配电变压器末端，可以对变压器状态进行监测，同时可以与上级平台通信传递信息和控制指令，此外，与LTU通信实现对低压配网的自动监测功能。LTU一般安装在配电箱内部、分支线和总表箱上。

图4 低压配电物联网平台

该低压配电物联网平台可以实现台区拓扑功能自动识别功能，通过确定拓扑识别“特征电流频率、特征码、占空比”等物理特征及 “拓扑识别时间、识别相位、特征码值”等数据交互信息，实现拓扑识别功能标准化。

台区智能融合终端向智能电表211发送信号，智能电表211产生电流调制脉冲，则在LTU21和LTU2中可以测量到特征电流信号，以检测到电流记为1，未检测到电流记为0，依次对其他电表发送信号，得到图中拓扑结构矩阵如式(2)所示，矩阵 上2、21和23表示对应的LTU。

由矩阵1可知6条支路拓扑结构为： D2-D21-211, D2-D21-212, D2-D21-213, D2-D23-231,D2-D23-232, D2-D23-233；然后与原有拓扑结构对比，是否有变化，若有变化，则以新拓扑结构替代原有拓扑结构。

2.3 台区光伏无功电压控制

(1)台区光伏无功电压控制方法

台区光伏无功电压控制主要包括如图5所示的三种控制方法，采用光伏逆变器无功电压调节方案，并根据需要结合有载配电变压器调节方案，不采用光伏逆变器有功功率削减方案。

图5 台区光伏无功电压控制

光伏逆变器无功电压调节方案为：光伏逆变器在自身容量调节范围内从电网吸收或输出无功功率时，对并网点有功功率几乎无影响；目前光伏逆变器均具备该技术能力，国外已有实践应用，并且有相关标准要求。

逆变器无功电压调节原理如图6所示,当光伏发电有功为P1时，其无功功率的调节范围为-Q1max～Q1max，无功和有功满足公式(3)，φ为功率因数角，需要大于0.95。

图6 逆变器无功电压调节原理

有载调压配电变压器调节方案为：通过转换变压器分接头达到改变电压的目的；以台区主流的400kVA配变为例，平均单台区设备增加投资约1.5万元，费用增加比例约为20%；真空型分接开关寿命约5万次，以每天调节6个档位，开关寿命约为25年。

光伏逆变器有功功率削减方案为：当光伏功率较大导致台区电压抬升较高时，逆变器无功调节能力已经达到上限，将有功功率削减至电压合格的范围内；该方法会减少清洁能源发电，因此未采取削减有功的方法控制电压。

(2)光伏群控APP

群控APP可以实现对光伏逆变器运行监视、数据存储、报警推送等功能；采取远程定值调整+智能逆变器就地策略的混合模式，其定值通过台区智能融合终端判断加权平均电压计算，然后实现全体逆变器的无功控制模式切换。光伏逆变器电压区域划分如图7所示。

图7 电压区域划分

安全区采取策略为：群控逆变器进入功率因数参数设定模式(无功就地平衡)。

越限区采取策略为：且持续一定时间(5min)，群控逆变器进入下垂控制，且根据逆变器距离母线距离远近，分为近、中、远三个U3定值。

风险区采取策略为：群控逆变器停机(电压正常时逆变器可以自主恢复并网)。

2.4 台区源网荷储协调运行平台

当分布式光伏并网容量较大时，会导致光伏消纳困难，需要通过“源荷储互动”提升光伏消纳能力；即通过储能、电动汽车充电和智能楼宇负荷通过温控策略增大功率，降低分布式光伏对台区电压的抬升。此外，为支撑高弹性电网需要，可以参与电网调节，即负荷高峰时，储能、电动汽车放电，智能楼宇负荷降低负荷大小，实现削峰；负荷低谷时，储能、电动汽车充电、智能楼宇负荷增大负荷，实现填谷。

上述策略借助基于配电物联网基础的台区协调运行平台实现，台区源网荷储协调运行平台如图8所示。

图8 台区源网荷储协调运行平台

台区协调运行平台能够参与电力市场交易，即通过光伏功率预测制定日前能量交易计划，并通过辅助交易弥补功率预测误差；根据分布式光伏发电功率，参与绿电交易，提升分布式光伏发电效益。根据光伏、楼宇负荷电动汽车充电需求和储能约束，制定经济成本最优、碳排放最小和对电网响应能力最强的运行策略方案。

3 结论

本文通过构建低压配电物联网平台，解决低压电压电网自动化程度低和感知能力弱问题，实现拓扑结构自动识别功能，提高“可观-可测-可调-可控”能力，为低压分布式光伏消纳提供信息化环境支持。通过基于云-管-边-端的系统框架低压配电物联网平台，完成拓扑自动识别；结合分布式光伏特点建立电压调节策略；结合台区源网荷储资源特性，实现多目标下的台区经济运行。