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新型智慧臺(tái)區(qū)-智能運(yùn)維+儲(chǔ)能一體化應(yīng)用解決方案（一）
發(fā)布時(shí)間： 2023-02-17 點(diǎn)擊次數(shù)： 1886次一、應(yīng)用背景
低壓配電臺(tái)區(qū)供電電能質(zhì)量和供電可靠性對(duì)居民正常生產(chǎn)和生活產(chǎn)生直接影響，是當(dāng)前用電投訴的重點(diǎn)。繼電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃之后，《電力發(fā)展“十四五”規(guī)劃（2021-2025年）》繼續(xù)強(qiáng)調(diào)要進(jìn)一步升級(jí)改造配電網(wǎng)，推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，滿(mǎn)足用電需求，提高供電質(zhì)量，著力解決配電網(wǎng)薄弱問(wèn)題，同時(shí)充分發(fā)揮儲(chǔ)能靈活調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)，更進(jìn)一步優(yōu)化供電結(jié)構(gòu)，保障電力安全供應(yīng)。 結(jié)合國(guó)內(nèi)典型配電臺(tái)區(qū)現(xiàn)狀，配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)運(yùn)行面臨眾多問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 臺(tái)區(qū)供電安全性問(wèn)題
（1）臺(tái)變已面臨重載或處于重載運(yùn)行中(部分用戶(hù)負(fù)荷已采取錯(cuò)峰用電措施，否則臺(tái)變重過(guò)載，影響電網(wǎng)運(yùn)行安全)；
（1）生產(chǎn)用電負(fù)荷啟停對(duì)臺(tái)區(qū)有較強(qiáng)沖擊性，造成眾多低電壓投訴； （2）臺(tái)區(qū)饋線(xiàn)實(shí)際三相電壓不平衡超過(guò)基準(zhǔn)值，諧波超標(biāo)，引起電能質(zhì)量問(wèn)題； 落后的運(yùn)維管理模式
（1）傳統(tǒng)的低壓配電網(wǎng)管理模式缺乏智能化的運(yùn)維管理手段，無(wú)法實(shí)時(shí)掌握臺(tái)區(qū)設(shè)備和負(fù)荷運(yùn)行狀況，需要耗費(fèi)大量人力成本，給電網(wǎng)現(xiàn)代化、智能化發(fā)展造成阻礙。 增容投資受限
（1）臺(tái)區(qū)計(jì)劃新增臺(tái)變進(jìn)行負(fù)荷拆分，但投資受限。 二、智能運(yùn)維+儲(chǔ)能調(diào)控一體化在低壓配電臺(tái)區(qū)的應(yīng)用需求 解決臺(tái)區(qū)目前存在問(wèn)題的關(guān)鍵在于：（1）解決臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量問(wèn)題；（2）加強(qiáng)臺(tái)區(qū)智能化建設(shè)，提升運(yùn)維管理水平。 2.1 儲(chǔ)能應(yīng)用需求
儲(chǔ)能應(yīng)用于臺(tái)區(qū)主要解決電能質(zhì)量問(wèn)題，提升臺(tái)區(qū)供應(yīng)能力，同時(shí)還能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)峰計(jì)劃響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰要求，起到削峰填谷的作用。和傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)比，臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能具備明顯的優(yōu)勢(shì)。二者對(duì)比如下表： 表1 儲(chǔ)能和無(wú)功補(bǔ)償在臺(tái)區(qū)綜合對(duì)比
是否實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)
是否能補(bǔ)償有功缺額
能否延緩臺(tái)變擴(kuò)容
額外效益
臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能
實(shí)時(shí)連續(xù)調(diào)節(jié)
能
能
參與電網(wǎng)調(diào)峰，削峰填谷
無(wú)功補(bǔ)償
調(diào)節(jié)級(jí)差大
不能
不能
無(wú)
低壓配電臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能同時(shí)滿(mǎn)足臺(tái)區(qū)有功和無(wú)功的響應(yīng)需求，主要包括改善電能質(zhì)量、提升供電可靠性、參與配網(wǎng)調(diào)峰三個(gè)方面。 （1）改善電能質(zhì)量。儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器具備四象限運(yùn)行能力，能夠?qū)崿F(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制，可以根據(jù)臺(tái)區(qū)負(fù)荷變化，快速調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)出力，從而達(dá)到優(yōu)化潮流分布、改善臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量的目的，相比傳統(tǒng)方式，儲(chǔ)能單元結(jié)合電力電子技術(shù)，可以同時(shí)滿(mǎn)足電壓越限控制、三相不平衡治理、功率因數(shù)調(diào)節(jié)等多種應(yīng)用需求，同時(shí)還可以平滑分布式新能源發(fā)電功率波動(dòng)，減少分布式新能源接入對(duì)臺(tái)區(qū)供電電能質(zhì)量的影響。 （2）提升供電可靠性。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以發(fā)揮削峰填谷作用，降低配變?cè)诟叻鍟r(shí)段的負(fù)載率，降低配變安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以發(fā)揮備用電源作用，減少臺(tái)區(qū)停電時(shí)間，提升臺(tái)區(qū)用電可靠性和供電服務(wù)能力。 （3）配電網(wǎng)局域調(diào)峰。多點(diǎn)分散的臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能裝置，可以在高峰或尖峰負(fù)荷時(shí)段緩解負(fù)荷供入阻塞問(wèn)題，延緩配網(wǎng)擴(kuò)容升級(jí)，提升電網(wǎng)投資經(jīng)濟(jì)性。 2.2 臺(tái)區(qū)智能運(yùn)維應(yīng)用需求
配電臺(tái)區(qū)設(shè)備點(diǎn)多面廣,運(yùn)維以人為主,設(shè)備缺陷難以及時(shí)發(fā)現(xiàn),原因在于現(xiàn)有臺(tái)區(qū)監(jiān)控技術(shù)未對(duì)運(yùn)維起到支撐。體現(xiàn)在:（1）臺(tái)變和低壓線(xiàn)路缺乏有效監(jiān)測(cè),運(yùn)行狀態(tài)不可知;（2）接入臺(tái)區(qū)的各類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備缺乏統(tǒng)一接口,難以統(tǒng)一管理；（3）缺乏故障及異常精準(zhǔn)感知和定位措施，導(dǎo)致檢修困難。 為此,亟需構(gòu)建臺(tái)區(qū)智能運(yùn)維平臺(tái)，對(duì)配電臺(tái)區(qū)進(jìn)行智能化升級(jí)，通過(guò)智能配變臺(tái)區(qū)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)的信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化，滿(mǎn)足智能電網(wǎng)發(fā)展需要和客戶(hù)對(duì)供電能力、供電質(zhì)量和供電服務(wù)的新要求，提高供電能力和供電可靠性，提升運(yùn)行管理水平和服務(wù)能力。 2.3 儲(chǔ)能、運(yùn)維一體化建設(shè)的必要性
臺(tái)區(qū)的儲(chǔ)能系統(tǒng)不是獨(dú)立運(yùn)行的，需要結(jié)合臺(tái)區(qū)負(fù)荷的特性進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控，才能起到電能質(zhì)量治理的作用，掌握整個(gè)臺(tái)區(qū)負(fù)荷回路的運(yùn)行狀況，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在臺(tái)區(qū)的電能質(zhì)量治理方面起到至關(guān)重要的作用。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為臺(tái)區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部分，應(yīng)納入整個(gè)臺(tái)區(qū)的智能運(yùn)維體系，響應(yīng)電網(wǎng)對(duì)臺(tái)區(qū)綜合治理及智能化升級(jí)的要求，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行服務(wù)。 三、系統(tǒng)架構(gòu)
智能運(yùn)維+儲(chǔ)能一體化應(yīng)用解決方案以智能運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)為核心，其作為整個(gè)方案的中樞，對(duì)下完成對(duì)臺(tái)區(qū)運(yùn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)，控制系統(tǒng)能量管理策略和運(yùn)行模式判斷與切換，構(gòu)建智能化運(yùn)維體系，對(duì)上響應(yīng)上級(jí)能源管理云平臺(tái)的運(yùn)行信息上送及調(diào)峰等控制指令。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1。 
系統(tǒng)包含儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)、并網(wǎng)采集單元、各支路通信單元及現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備（電表、智能斷路器等）。儲(chǔ)能系統(tǒng)包含儲(chǔ)能電池組、儲(chǔ)能變流器PCS、儲(chǔ)能電池管理BMS及其他輔助設(shè)備（配電開(kāi)關(guān)柜、消防、溫控、照明等）。 系統(tǒng)建設(shè)原則：一是經(jīng)濟(jì)性，綜合效益明顯，系統(tǒng)設(shè)備建設(shè)成本要遠(yuǎn)低于投運(yùn)后產(chǎn)生的效益（直接的及間接的）；二是實(shí)用性，系統(tǒng)建設(shè)安裝簡(jiǎn)便，管理操作界面友好，切實(shí)解決電網(wǎng)運(yùn)行、管理、設(shè)備問(wèn)題，明顯提升臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量及削峰填谷能力，加強(qiáng)故障分析預(yù)判及處理能力，明顯提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)智能化運(yùn)行水平，明顯優(yōu)化設(shè)備使用效率及全壽命管理；三是安全性，包括網(wǎng)絡(luò)安全和電網(wǎng)運(yùn)行安全，能有效控制故障停電范圍和時(shí)間，供電質(zhì)量和可靠性顯著提高。 四、儲(chǔ)能子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
4.1 儲(chǔ)能子系統(tǒng)架構(gòu)及各部件功能
儲(chǔ)能子系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如下圖2。
其主要部件功能如下：
1、電池管理系統(tǒng)（BMS）
（1）總壓、單體電壓、總電流、溫度等采集功能。常溫下靜態(tài)電壓采樣精度可達(dá)≤20mV。 （2）充電繼電器、放電繼電器、預(yù)充電繼電器等控制功能。具有充、放電電流檢測(cè)，充、放電過(guò)流告警及保護(hù)功能。充電電流顯示為正，放電電流顯示為負(fù)，常溫下電流采樣精度≤0.5%。具有電芯、環(huán)境、MOS溫度檢測(cè)，電芯高、低溫告警及保護(hù)功能，MOS高溫告警及保護(hù)功能，環(huán)境高、低溫告警功能。常溫下溫度采樣精度可達(dá)≤2℃ 短路保護(hù)功能。 （3）動(dòng)態(tài)計(jì)算實(shí)際電池容量及SOC計(jì)算功能。 （4）智能被動(dòng)均衡，最小均衡電流50mA。 （5）外部CAN、內(nèi)部CAN、485多種通信功能，可傳輸采集信息、報(bào)警信息等。 （6）能量管理系統(tǒng)有完善的保護(hù)功能，能夠延長(zhǎng)電池的使用壽命，具備故障提示燈。 （7）監(jiān)控單元控制功能，可通監(jiān)控單元方便地對(duì)過(guò)充、過(guò)放、充放電過(guò)流、過(guò)溫、欠溫等保護(hù)參數(shù)，容量、休眠、均衡、存儲(chǔ)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 （8）具有多種休眠及喚醒方式。 （9）電池封置90天后，其荷電保持能力不低于85%。10、電池需具有較強(qiáng)的耐過(guò)充能力。蓄電池自放電率每月不大于4%。 2、儲(chǔ)能變流器（PCS）
組成結(jié)構(gòu)：
儲(chǔ)能變流器（PCS）由功率、控制、保護(hù)、監(jiān)控等軟硬件電組成。分為單相機(jī)和三相機(jī)，單相PCS通常由雙向DC-DC升降壓裝置和DC/AC 交直流變換裝置組成，直流端通常是48Vdc，交流端220Vac。三相機(jī)分為兩種，小功率三相PCS由雙向DC-DC升降壓裝置和DC/AC 交直流變換兩級(jí)裝置組成，大功率三相PCS 由DC/AC 交直流變換一級(jí)裝置組成。儲(chǔ)能變流器分為高頻隔離、工頻隔離和不隔離三種，單相和小功率20kW以下三相PCS一般采用高頻隔離的方式，50kW到250kW的，一般采用工頻隔離的方式，500kW以上一般采用不隔離的方式。 工作模式：
儲(chǔ)能變流器主要有并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工作模式。并網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)蓄電池組和電網(wǎng)之間的雙向能量轉(zhuǎn)換。具有并網(wǎng)逆變器的特性，如防孤島、自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電壓相位和頻率，低電壓穿越等等，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度或本地控制的要求，PCS 在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期，把電網(wǎng)的交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，給蓄電池組充電，具有蓄電池充放電管理功能；在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，它又把蓄電池組的直流電逆變成交流電，回饋至公共電網(wǎng)中去；在電能質(zhì)量不好時(shí)，向電網(wǎng)饋送或吸收有功，提供無(wú)功補(bǔ)償?shù)?。離網(wǎng)模式，又稱(chēng)孤網(wǎng)運(yùn)行，即能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)可以根據(jù)實(shí)際需要，在滿(mǎn)足設(shè)定要求的情況下，與主電網(wǎng)脫開(kāi)，給本地的部分負(fù)荷提供滿(mǎn)足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的交流電能。 3、儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)（EMS）
實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理及運(yùn)行模式切換。本系統(tǒng)既可以作為單獨(dú)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，也可集成于本方案智能運(yùn)維調(diào)控系統(tǒng)作為一個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行，詳細(xì)功能見(jiàn)本方案第五部分介紹。 4.2 配電臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能容量配置
低壓配電臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能宜選用小型電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。低壓配電臺(tái)區(qū)公變?nèi)萘吭?0～1000 kV?A 不等，其中500 kV?A 以下的公變多用于農(nóng)網(wǎng)等負(fù)荷相對(duì)小的地區(qū)，且多采用臺(tái)架變的安裝形式。630 kV?A 公變多采用箱變房的形式安裝。低壓配電臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)因受場(chǎng)地和經(jīng)濟(jì)性限制，不宜過(guò)大。根據(jù)典型配變?nèi)萘繙y(cè)算，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率區(qū)間宜為50～200 kW，容量區(qū)間宜為100~400 kW?h。 4.3 儲(chǔ)能設(shè)備選型
依據(jù)以上臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能典型配置原則，提供一體化儲(chǔ)能系統(tǒng)：采用一體化柜的方式，將電池、逆變器、電池管理系統(tǒng)、表計(jì)、對(duì)外接口等集合在一起的完整系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)及用戶(hù)選型需要，功率可按50kW的整倍數(shù)、容量可選0.5C與1C進(jìn)行配置，設(shè)備出廠(chǎng)前完成各項(xiàng)檢驗(yàn)與測(cè)試，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的接線(xiàn)與聯(lián)調(diào)后即可投入使用。 提供兩種典型臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能柜設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
（1）100kW/215kWh儲(chǔ)能系統(tǒng)
4.4 儲(chǔ)能并網(wǎng)接入方案
低壓配電臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入點(diǎn)不同，會(huì)對(duì)臺(tái)區(qū)潮流分布產(chǎn)生不同影響。儲(chǔ)能系統(tǒng)接入點(diǎn)應(yīng)綜合考慮臺(tái)區(qū)饋線(xiàn)長(zhǎng)度、負(fù)荷分布特點(diǎn)、臺(tái)區(qū)已有供電問(wèn)題、場(chǎng)地等綜合因素。為了低壓臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能在配網(wǎng)局域調(diào)峰、改善供電電能質(zhì)量、提高供電可靠性等方面的作用，一般應(yīng)將儲(chǔ)能接入選擇在公變低壓側(cè)，并綜合考慮臺(tái)區(qū)接線(xiàn)方式，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1所示為低壓配電臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能接入典型方案，儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)選擇在臺(tái)區(qū)計(jì)量表箱后端，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制中采集公變低壓側(cè)各相電壓、電流，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)區(qū)負(fù)荷變化和供電電能質(zhì)量，并網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)配明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，以便進(jìn)行運(yùn)維檢修，同時(shí)應(yīng)裝電能表，對(duì)儲(chǔ)能放電電量和充電電量進(jìn)行精確計(jì)量，以便對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。 4.5 變流器分相調(diào)控拓?fù)?
考慮配網(wǎng)中低壓配變臺(tái)區(qū)運(yùn)行特性，針對(duì)儲(chǔ)能雙向變流器提出如圖3所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)交流輸出側(cè)各相有功、無(wú)功的分相調(diào)控。 
儲(chǔ)能雙向變流器主要包括DC/AC 變換器和單相隔離變壓器等。其中，DC/AC 變換器采用三個(gè)獨(dú)立單相全橋電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)三個(gè)單相隔離變壓器接入電網(wǎng)。 4.6 儲(chǔ)能運(yùn)行控制策略
智能運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)變負(fù)載率，當(dāng)負(fù)載率超過(guò)所設(shè)定的閾值時(shí)，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出有功/無(wú)功功率，降低臺(tái)變負(fù)載率，提高其運(yùn)行安全性，在該模式下系統(tǒng)還可以響應(yīng)上級(jí)調(diào)度，參與配電網(wǎng)局域調(diào)峰。同時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)，分析各支路有功、無(wú)功、功率因數(shù)、電壓偏差、三相不平衡等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)按需主動(dòng)進(jìn)行有功/ 無(wú)功補(bǔ)償，達(dá)到電能質(zhì)量綜合治理效果。 （1）優(yōu)先級(jí)1：實(shí)時(shí)響應(yīng)模式
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分的狀態(tài)和并網(wǎng)點(diǎn)負(fù)載饋線(xiàn)的電壓、電流值。根據(jù)監(jiān)測(cè)的負(fù)載饋線(xiàn)的電氣量，基于設(shè)置的運(yùn)行控制參數(shù)閾值，通過(guò)零線(xiàn)電流、相電流分析線(xiàn)路是否有三相不平衡、功率因數(shù)偏低、電壓越限等電能質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)計(jì)算達(dá)到電能質(zhì)量要求時(shí)各相所需轉(zhuǎn)換的電流值，將信號(hào)發(fā)送給儲(chǔ)能系統(tǒng)逆變器，PCS根據(jù)指令改變運(yùn)行工作模式，調(diào)整各相輸出的有功、無(wú)功值，直至臺(tái)變負(fù)載率在合理空間、電能質(zhì)量問(wèn)題得以治理。 （2）優(yōu)先級(jí)2：削峰填谷模式
判斷當(dāng)前是否在日前削峰填谷運(yùn)行計(jì)劃時(shí)段內(nèi)，若在該時(shí)段內(nèi)，則監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)執(zhí)行指令，PCS 按照指令執(zhí)行出力計(jì)劃。 （3）優(yōu)先級(jí)3：待機(jī)模式
不滿(mǎn)足上述2種模式運(yùn)行條件下，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式。