Acrel-1000系列分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)

在湖北荊門晨旭智能等

屋頂光伏發(fā)電項目中應(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，由于光伏發(fā)電具有分散性、波動性和間歇性等特點，易引發(fā)電壓超標(biāo)、潮流逆向傳輸?shù)冗\行風(fēng)險。分布式光伏在降低化石能源消費、促進(jìn)節(jié)能減排的同時，也對配電網(wǎng)的安全運行提出了新的挑戰(zhàn)。在配電網(wǎng)運行中，各節(jié)點的實時負(fù)荷與分布式電源出力共同決定了系統(tǒng)的運行狀態(tài)。因此，在進(jìn)行分布式光伏規(guī)劃時，需要對該區(qū)域的負(fù)荷特性和光伏出力特性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，并對光伏接入可能帶來的電壓風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)評估，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

1.                      概述

湖北荊門晨旭智能屋頂光伏發(fā)電項目（以下簡稱“本項目"）是響應(yīng)國家“優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提供更加清潔、可靠的能源"的號召，投資建設(shè)的分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范項目。

本項目位于湖北荊門，利用現(xiàn)有廠房屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電項目，總建設(shè)規(guī)模約為8080kW。通過用戶配電站接入公共電網(wǎng)，屬于荊門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)、安全自動裝置、通信及調(diào)度自動化技術(shù)方案并且制定對電壓波動風(fēng)險的額技術(shù)措施。

項目現(xiàn)場

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

本項目涉及的公用變電站和線路為220kV變電站和用戶自建專線，在既有的10kV用戶變電站內(nèi)，近期新增了7臺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，通過上述新增變壓器升壓至10kV電壓等級，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

本項目通過2個并網(wǎng)點上網(wǎng)，2個并網(wǎng)點的裝機(jī)容量分別為5.99MW、2.535MW（交流側(cè)）由7個光伏發(fā)電單元構(gòu)成。該項目運營模式為全額上網(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、變壓器等采用國內(nèi)產(chǎn)品。本項目光伏發(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)開關(guān)柜通過1回出線接入至廠區(qū)10KV進(jìn)線母線的用戶側(cè)，實現(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。針對于光伏發(fā)電并網(wǎng)引起電壓偏差電能質(zhì)量問題的機(jī)理采用A類電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，對光伏發(fā)電可能引起諧波、直流分量、電壓波動和閃變、三相不平衡度、注入電網(wǎng)直流分量進(jìn)行在線監(jiān)測。

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

本項目配備7臺三相交流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，能效等級滿足國家規(guī)范要求。

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

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)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》（GB14285－2006）配置。

1）線路保護(hù)

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

路發(fā)生故障時快速切除，避免事故范圍擴(kuò)大。

2）       頻率電壓異常緊急控制裝置

本項目光伏并網(wǎng)點斷路器要求具備失壓跳閘功能，不設(shè)重合閘，可通過逆變器內(nèi)低壓保護(hù)與頻率保護(hù)實現(xiàn)解列，不配置獨立的安全自動裝置。裝置通過檢測系統(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，自動切除負(fù)荷。為保證裝置可靠動作，系統(tǒng)正常時對低頻減載功能進(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，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，同時零序電壓3U0低于8V，或PT斷線時，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，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，閉鎖低頻減載出口。裝置通過檢測系統(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，自動切除負(fù)荷。

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

表1 光伏電站在電網(wǎng)電壓異常時的響應(yīng)要求

表2 光伏電站在電網(wǎng)頻率異常時的響應(yīng)

頻率電壓緊急控制裝置

3）       防孤島檢測及安全自動裝置

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

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，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對用電設(shè)備帶來破壞。

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)供電時會產(chǎn)生浪涌電流，可能會引起再次跳閘或?qū)Ψ植际桨l(fā)電系統(tǒng)、負(fù)載和供電系統(tǒng)帶來損壞。

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，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)測孤島且監(jiān)測到孤島后立即斷開與電網(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、有壓自動合閘、三段式過流保護(hù)（可經(jīng)低電壓閉鎖、可帶方向閉鎖）、反時限過流保護(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)運行，也影響到用戶側(cè)的安全運行和產(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)帶來清潔低碳的能源的同時，其引發(fā)的電能質(zhì)量問題也在威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運行。在用戶側(cè)，日益突出的電壓暫降、電壓短時中斷、電壓瞬變、閃變、諧波等問題，可直接影響用電設(shè)備的安全、可靠、連續(xù)運行，嚴(yán)重時會導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量下降、成本增加、計劃阻礙，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。故對于用電情況的實時監(jiān)測、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)測設(shè)備通用要求》，電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備可對電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡度、諧波、間諧波、閃變、電壓暫降/暫升/短時中斷等參數(shù)進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測，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)通過綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至電能質(zhì)量檢測主站。

電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置

3.4.                      系統(tǒng)調(diào)度自動化

本項目采用10kV電壓等級接入電網(wǎng)，需配備專用的信息傳輸設(shè)備，將光伏電站的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、逆變器運行數(shù)據(jù)、電量統(tǒng)計、開關(guān)及刀閘狀態(tài)、功率調(diào)節(jié)指令以及功率預(yù)測等信息實時傳輸至電網(wǎng)調(diào)度端。場站需要配置自動發(fā)電控制（AGC）裝置，以實現(xiàn)對有功功率控制指令的接收與自動執(zhí)行功能；同時，需具備一次調(diào)頻能力。此外，10kV發(fā)電系統(tǒng)還需向調(diào)度端報送中期、短期及超短期功率預(yù)測數(shù)據(jù)。

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

本項目光伏電站配置一套綜合自動化系統(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、測量等功能，可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)、開關(guān)站的全功能綜合自動化管理。本項目逆變器、高低壓設(shè)備等狀態(tài)信號都要接入本監(jiān)控系統(tǒng)。

本項目光伏電站監(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)為開放式分層、分布式結(jié)構(gòu)。

監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與就地層相連,就地層按照不同的功能、系統(tǒng)劃分，以相對獨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，就地層仍能獨立完成就地各電氣設(shè)備的監(jiān)測。

站控層由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的服務(wù)器、操作員站、遠(yuǎn)動站等組成，提供站內(nèi)運行的人機(jī)界面，實現(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)測裝置、故障解列裝置、多功能儀表、逆變器、箱變測控等設(shè)備。它直接采集處理現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給站控層監(jiān)控主站，同時接收站控層發(fā)來的控制操作命令，經(jīng)過有效性判斷、閉鎖檢測、同步檢測等，最后對設(shè)備進(jìn)行操作控制。

每個光伏發(fā)電單元配帶無線發(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)，測控裝置、智能計量表計的數(shù)據(jù)，打包后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)視。

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

項目配置設(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

在電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶能夠?qū)崟r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、有功功率以及無功功率等。這些參數(shù)為準(zhǔn)確評估現(xiàn)場電能質(zhì)量提供了數(shù)據(jù)支持，能夠幫助技術(shù)人員快速識別電能質(zhì)量問題的根源，如電壓偏差、諧波污染或功率因數(shù)異常等。通過實時監(jiān)測這些指標(biāo)，運維人員可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的電能質(zhì)量問題，并依據(jù)具體數(shù)據(jù)制定針對性的應(yīng)對策略，例如調(diào)整無功補(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)備的安全運行和電力供應(yīng)。

電能質(zhì)量監(jiān)視

諧波監(jiān)測

5.2.                      直流屏界面

該界面具備實時監(jiān)測直流屏電參量、通信狀態(tài)及開關(guān)量狀態(tài)的功能。其核心作用在于對直流屏的運行狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，以便及時捕捉異常情況并觸發(fā)報警信號，確保直流屏的穩(wěn)定運行。

        直流屏一次圖

        直流屏監(jiān)測

6.                      結(jié)語

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。該技術(shù)的推廣應(yīng)用不僅能推動社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，還能有效降低傳統(tǒng)能源對生態(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)運行，需要深入研究其對供電電壓質(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的安全穩(wěn)定運行。

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