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新型智慧臺區(qū)-智能運維+儲能一體化應用解決方案（一）
發(fā)布時間： 2023-02-17 點擊次數： 1822次一、應用背景
低壓配電臺區(qū)供電電能質量和供電可靠性對居民正常生產和生活產生直接影響，是當前用電投訴的重點。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)強調要進一步升級改造配電網，推進智能電網建設，滿足用電需求，提高供電質量，著力解決配電網薄弱問題，同時充分發(fā)揮儲能靈活調節(jié)優(yōu)勢，更進一步優(yōu)化供電結構，保障電力安全供應。 結合國內典型配電臺區(qū)現狀，配電網臺區(qū)運行面臨眾多問題，主要體現在以下幾個方面： 臺區(qū)供電安全性問題
（1）臺變已面臨重載或處于重載運行中(部分用戶負荷已采取錯峰用電措施，否則臺變重過載，影響電網運行安全)；
（1）生產用電負荷啟停對臺區(qū)有較強沖擊性，造成眾多低電壓投訴； （2）臺區(qū)饋線實際三相電壓不平衡超過基準值，諧波超標，引起電能質量問題； 落后的運維管理模式
（1）傳統的低壓配電網管理模式缺乏智能化的運維管理手段，無法實時掌握臺區(qū)設備和負荷運行狀況，需要耗費大量人力成本，給電網現代化、智能化發(fā)展造成阻礙。 增容投資受限
（1）臺區(qū)計劃新增臺變進行負荷拆分，但投資受限。 二、智能運維+儲能調控一體化在低壓配電臺區(qū)的應用需求 解決臺區(qū)目前存在問題的關鍵在于：（1）解決臺區(qū)電能質量問題；（2）加強臺區(qū)智能化建設，提升運維管理水平。 2.1 儲能應用需求
儲能應用于臺區(qū)主要解決電能質量問題，提升臺區(qū)供應能力，同時還能根據電網調峰計劃響應電網調峰要求，起到削峰填谷的作用。和傳統無功補償方式對比，臺區(qū)儲能具備明顯的優(yōu)勢。二者對比如下表： 表1 儲能和無功補償在臺區(qū)綜合對比
是否實時調節(jié)
是否能補償有功缺額
能否延緩臺變擴容
額外效益
臺區(qū)儲能
實時連續(xù)調節(jié)
能
能
參與電網調峰，削峰填谷
無功補償
調節(jié)級差大
不能
不能
無
低壓配電臺區(qū)儲能同時滿足臺區(qū)有功和無功的響應需求，主要包括改善電能質量、提升供電可靠性、參與配網調峰三個方面。 （1）改善電能質量。儲能系統變流器具備四象限運行能力，能夠實現有功和無功的解耦控制，可以根據臺區(qū)負荷變化，快速調節(jié)儲能系統出力，從而達到優(yōu)化潮流分布、改善臺區(qū)電能質量的目的，相比傳統方式，儲能單元結合電力電子技術，可以同時滿足電壓越限控制、三相不平衡治理、功率因數調節(jié)等多種應用需求，同時還可以平滑分布式新能源發(fā)電功率波動，減少分布式新能源接入對臺區(qū)供電電能質量的影響。 （2）提升供電可靠性。儲能系統可以發(fā)揮削峰填谷作用，降低配變在高峰時段的負載率，降低配變安全運行風險，同時，儲能系統還可以發(fā)揮備用電源作用，減少臺區(qū)停電時間，提升臺區(qū)用電可靠性和供電服務能力。 （3）配電網局域調峰。多點分散的臺區(qū)儲能裝置，可以在高峰或尖峰負荷時段緩解負荷供入阻塞問題，延緩配網擴容升級，提升電網投資經濟性。 2.2 臺區(qū)智能運維應用需求
配電臺區(qū)設備點多面廣,運維以人為主,設備缺陷難以及時發(fā)現,原因在于現有臺區(qū)監(jiān)控技術未對運維起到支撐。體現在:（1）臺變和低壓線路缺乏有效監(jiān)測,運行狀態(tài)不可知;（2）接入臺區(qū)的各類監(jiān)測設備缺乏統一接口,難以統一管理；（3）缺乏故障及異常精準感知和定位措施，導致檢修困難。 為此,亟需構建臺區(qū)智能運維平臺，對配電臺區(qū)進行智能化升級，通過智能配變臺區(qū)的建設，實現配電臺區(qū)的信息化、自動化、互動化，滿足智能電網發(fā)展需要和客戶對供電能力、供電質量和供電服務的新要求，提高供電能力和供電可靠性，提升運行管理水平和服務能力。 2.3 儲能、運維一體化建設的必要性
臺區(qū)的儲能系統不是獨立運行的，需要結合臺區(qū)負荷的特性進行統一調控，才能起到電能質量治理的作用，掌握整個臺區(qū)負荷回路的運行狀況，對儲能系統在臺區(qū)的電能質量治理方面起到至關重要的作用。同時，儲能系統作為臺區(qū)穩(wěn)定運行的關鍵部分，應納入整個臺區(qū)的智能運維體系，響應電網對臺區(qū)綜合治理及智能化升級的要求，為電網安全穩(wěn)定運行服務。 三、系統架構
智能運維+儲能一體化應用解決方案以智能運維監(jiān)控系統為核心，其作為整個方案的中樞，對下完成對臺區(qū)運行運行監(jiān)測，控制系統能量管理策略和運行模式判斷與切換，構建智能化運維體系，對上響應上級能源管理云平臺的運行信息上送及調峰等控制指令。系統整體架構圖如圖1。 
系統包含儲能系統、智能運維監(jiān)控系統、并網采集單元、各支路通信單元及現場智能設備（電表、智能斷路器等）。儲能系統包含儲能電池組、儲能變流器PCS、儲能電池管理BMS及其他輔助設備（配電開關柜、消防、溫控、照明等）。 系統建設原則：一是經濟性，綜合效益明顯，系統設備建設成本要遠低于投運后產生的效益（直接的及間接的）；二是實用性，系統建設安裝簡便，管理操作界面友好，切實解決電網運行、管理、設備問題，明顯提升臺區(qū)電能質量及削峰填谷能力，加強故障分析預判及處理能力，明顯提高電網經濟智能化運行水平，明顯優(yōu)化設備使用效率及全壽命管理；三是安全性，包括網絡安全和電網運行安全，能有效控制故障停電范圍和時間，供電質量和可靠性顯著提高。 四、儲能子系統方案設計
4.1 儲能子系統架構及各部件功能
儲能子系統整體架構圖如下圖2。
其主要部件功能如下：
1、電池管理系統（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≤20mV。 （2）充電繼電器、放電繼電器、預充電繼電器等控制功能。具有充、放電電流檢測，充、放電過流告警及保護功能。充電電流顯示為正，放電電流顯示為負，常溫下電流采樣精度≤0.5%。具有電芯、環(huán)境、MOS溫度檢測，電芯高、低溫告警及保護功能，MOS高溫告警及保護功能，環(huán)境高、低溫告警功能。常溫下溫度采樣精度可達≤2℃ 短路保護功能。 （3）動態(tài)計算實際電池容量及SOC計算功能。 （4）智能被動均衡，最小均衡電流50mA。 （5）外部CAN、內部CAN、485多種通信功能，可傳輸采集信息、報警信息等。 （6）能量管理系統有完善的保護功能，能夠延長電池的使用壽命，具備故障提示燈。 （7）監(jiān)控單元控制功能，可通監(jiān)控單元方便地對過充、過放、充放電過流、過溫、欠溫等保護參數，容量、休眠、均衡、存儲等參數進行設置。 （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、電池需具有較強的耐過充能力。蓄電池自放電率每月不大于4%。 2、儲能變流器（PCS）
組成結構：
儲能變流器（PCS）由功率、控制、保護、監(jiān)控等軟硬件電組成。分為單相機和三相機，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 交直流變換兩級裝置組成，大功率三相PCS 由DC/AC 交直流變換一級裝置組成。儲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：
儲能變流器主要有并網和離網兩種工作模式。并網模式，實現蓄電池組和電網之間的雙向能量轉換。具有并網逆變器的特性，如防孤島、自動跟蹤電網電壓相位和頻率，低電壓穿越等等，根據電網調度或本地控制的要求，PCS 在電網負荷低谷期，把電網的交流電能轉換成直流電能，給蓄電池組充電，具有蓄電池充放電管理功能；在電網負荷高峰期，它又把蓄電池組的直流電逆變成交流電，回饋至公共電網中去；在電能質量不好時，向電網饋送或吸收有功，提供無功補償等。離網模式，又稱孤網運行，即能量轉換系統(PCS)可以根據實際需要，在滿足設定要求的情況下，與主電網脫開，給本地的部分負荷提供滿足電網電能質量要求的交流電能。 3、儲能能量管理系統（EMS）
實現對整個儲能系統的能量管理及運行模式切換。本系統既可以作為單獨系統獨立運行，也可集成于本方案智能運維調控系統作為一個子系統運行，詳細功能見本方案第五部分介紹。 4.2 配電臺區(qū)儲能容量配置
低壓配電臺區(qū)儲能宜選用小型電化學儲能系統。低壓配電臺區(qū)公變容量在50～1000 kV?A 不等，其中500 kV?A 以下的公變多用于農網等負荷相對小的地區(qū)，且多采用臺架變的安裝形式。630 kV?A 公變多采用箱變房的形式安裝。低壓配電臺區(qū)儲能系統因受場地和經濟性限制，不宜過大。根據典型配變容量測算，儲能系統功率區(qū)間宜為50～200 kW，容量區(qū)間宜為100~400 kW?h。 4.3 儲能設備選型
依據以上臺區(qū)儲能典型配置原則，提供一體化儲能系統：采用一體化柜的方式，將電池、逆變器、電池管理系統、表計、對外接口等集合在一起的完整系統，根據設計及用戶選型需要，功率可按50kW的整倍數、容量可選0.5C與1C進行配置，設備出廠前完成各項檢驗與測試，到達現場后經過簡單的接線與聯調后即可投入使用。 提供兩種典型臺區(qū)儲能柜設計參數如下：
（1）100kW/215kWh儲能系統
4.4 儲能并網接入方案
低壓配電臺區(qū)儲能系統接入點不同，會對臺區(qū)潮流分布產生不同影響。儲能系統接入點應綜合考慮臺區(qū)饋線長度、負荷分布特點、臺區(qū)已有供電問題、場地等綜合因素。為了低壓臺區(qū)儲能在配網局域調峰、改善供電電能質量、提高供電可靠性等方面的作用，一般應將儲能接入選擇在公變低壓側，并綜合考慮臺區(qū)接線方式，對儲能系統接入方案進行設計。如圖1所示為低壓配電臺區(qū)儲能接入典型方案，儲能系統并網點選擇在臺區(qū)計量表箱后端，儲能系統運行控制中采集公變低壓側各相電壓、電流，實時監(jiān)測臺區(qū)負荷變化和供電電能質量，并網點應配明顯的斷開點，以便進行運維檢修，同時應裝電能表，對儲能放電電量和充電電量進行精確計量，以便對儲能系統運行指標進行評價。 4.5 變流器分相調控拓撲
考慮配網中低壓配變臺區(qū)運行特性，針對儲能雙向變流器提出如圖3所示拓撲結構，控制實現儲能系統對交流輸出側各相有功、無功的分相調控。 
儲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 變換器采用三個獨立單相全橋電路結構，通過三個單相隔離變壓器接入電網。 4.6 儲能運行控制策略
智能運維監(jiān)控系統實時監(jiān)測臺變負載率，當負載率超過所設定的閾值時，控制儲能系統發(fā)出有功/無功功率，降低臺變負載率，提高其運行安全性，在該模式下系統還可以響應上級調度，參與配電網局域調峰。同時，系統監(jiān)測負荷數據，分析各支路有功、無功、功率因數、電壓偏差、三相不平衡等電能質量數據，實時按需主動進行有功/ 無功補償，達到電能質量綜合治理效果。 （1）優(yōu)先級1：實時響應模式
實時監(jiān)測儲能系統內部各組成部分的狀態(tài)和并網點負載饋線的電壓、電流值。根據監(jiān)測的負載饋線的電氣量，基于設置的運行控制參數閾值，通過零線電流、相電流分析線路是否有三相不平衡、功率因數偏低、電壓越限等電能質量問題，同時計算達到電能質量要求時各相所需轉換的電流值，將信號發(fā)送給儲能系統逆變器，PCS根據指令改變運行工作模式，調整各相輸出的有功、無功值，直至臺變負載率在合理空間、電能質量問題得以治理。 （2）優(yōu)先級2：削峰填谷模式
判斷當前是否在日前削峰填谷運行計劃時段內，若在該時段內，則監(jiān)控系統下達執(zhí)行指令，PCS 按照指令執(zhí)行出力計劃。 （3）優(yōu)先級3：待機模式
不滿足上述2種模式運行條件下，儲能系統進入待機模式。