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新型智慧臺區-智能運維+儲能一體化應用解決方案（一）
發(fā)布時(shí)間： 2023-02-17 點(diǎn)擊次數： 1523次一、應用背景
低壓配電臺區供電電能質(zhì)量和供電可靠性對居民正常生產(chǎn)和生活產(chǎn)生直接影響，是當前用電投訴的重點(diǎn)。繼電力發(fā)展“十三五”規劃之后，《電力發(fā)展“十四五”規劃（2021-2025年）》繼續強調要進(jìn)一步升級改造配電網(wǎng)，推進(jìn)智能電網(wǎng)建設，滿(mǎn)足用電需求，提高供電質(zhì)量，著(zhù)力解決配電網(wǎng)薄弱問(wèn)題，同時(shí)充分發(fā)揮儲能靈活調節優(yōu)勢，更進(jìn)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現狀，配電網(wǎng)臺區運行面臨眾多問(wèn)題，主要體現在以下幾個(gè)方面： 臺區供電安全性問(wèn)題
（1）臺變已面臨重載或處于重載運行中(部分用戶(hù)負荷已采取錯峰用電措施，否則臺變重過(guò)載，影響電網(wǎng)運行安全)；
（1）生產(chǎn)用電負荷啟停對臺區有較強沖擊性，造成眾多低電壓投訴； （2）臺區饋線(xiàn)實(shí)際三相電壓不平衡超過(guò)基準值，諧波超標，引起電能質(zhì)量問(wèn)題； 落后的運維管理模式
（1）傳統的低壓配電網(wǎng)管理模式缺乏智能化的運維管理手段，無(wú)法實(shí)時(shí)掌握臺區設備和負荷運行狀況，需要耗費大量人力成本，給電網(wǎng)現代化、智能化發(fā)展造成阻礙。 增容投資受限
（1）臺區計劃新增臺變進(jìn)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的應用需求 解決臺區目前存在問(wèn)題的關(guān)鍵在于：（1）解決臺區電能質(zhì)量問(wèn)題；（2）加強臺區智能化建設，提升運維管理水平。 2.1 儲能應用需求
儲能應用于臺區主要解決電能質(zhì)量問(wèn)題，提升臺區供應能力，同時(shí)還能根據電網(wǎng)調峰計劃響應電網(wǎng)調峰要求，起到削峰填谷的作用。和傳統無(wú)功補償方式對比，臺區儲能具備明顯的優(yōu)勢。二者對比如下表： 表1 儲能和無(wú)功補償在臺區綜合對比
是否實(shí)時(shí)調節
是否能補償有功缺額
能否延緩臺變擴容
額外效益
臺區儲能
實(shí)時(shí)連續調節
能
能
參與電網(wǎng)調峰，削峰填谷
無(wú)功補償
調節級差大
不能
不能
無(wú)
低壓配電臺區儲能同時(shí)滿(mǎn)足臺區有功和無(wú)功的響應需求，主要包括改善電能質(zhì)量、提升供電可靠性、參與配網(wǎng)調峰三個(gè)方面。 （1）改善電能質(zhì)量。儲能系統變流器具備四象限運行能力，能夠實(shí)現有功和無(wú)功的解耦控制，可以根據臺區負荷變化，快速調節儲能系統出力，從而達到優(yōu)化潮流分布、改善臺區電能質(zhì)量的目的，相比傳統方式，儲能單元結合電力電子技術(shù)，可以同時(shí)滿(mǎn)足電壓越限控制、三相不平衡治理、功率因數調節等多種應用需求，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臺區供電電能質(zhì)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(shí)段的負載率，降低配變安全運行風(fēng)險，同時(shí)，儲能系統還可以發(fā)揮備用電源作用，減少臺區停電時(shí)間，提升臺區用電可靠性和供電服務(wù)能力。 （3）配電網(wǎng)局域調峰。多點(diǎn)分散的臺區儲能裝置，可以在高峰或尖峰負荷時(shí)段緩解負荷供入阻塞問(wèn)題，延緩配網(wǎng)擴容升級，提升電網(wǎng)投資經(jīng)濟性。 2.2 臺區智能運維應用需求
配電臺區設備點(diǎn)多面廣,運維以人為主,設備缺陷難以及時(shí)發(fā)現,原因在于現有臺區監控技術(shù)未對運維起到支撐。體現在:（1）臺變和低壓線(xiàn)路缺乏有效監測,運行狀態(tài)不可知;（2）接入臺區的各類(lèi)監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,亟需構建臺區智能運維平臺，對配電臺區進(jìn)行智能化升級，通過(guò)智能配變臺區的建設，實(shí)現配電臺區的信息化、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，提升運行管理水平和服務(wù)能力。 2.3 儲能、運維一體化建設的必要性
臺區的儲能系統不是獨立運行的，需要結合臺區負荷的特性進(jìn)行統一調控，才能起到電能質(zhì)量治理的作用，掌握整個(gè)臺區負荷回路的運行狀況，對儲能系統在臺區的電能質(zhì)量治理方面起到至關(guān)重要的作用。同時(shí)，儲能系統作為臺區穩定運行的關(guān)鍵部分，應納入整個(gè)臺區的智能運維體系，響應電網(wǎng)對臺區綜合治理及智能化升級的要求，為電網(wǎng)安全穩定運行服務(wù)。 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控系統為核心，其作為整個(gè)方案的中樞，對下完成對臺區運行運行監測，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、智能運維監控系統、并網(wǎng)采集單元、各支路通信單元及現場(chǎng)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(kāi)關(guān)柜、消防、溫控、照明等）。 系統建設原則：一是經(jīng)濟性，綜合效益明顯，系統設備建設成本要遠低于投運后產(chǎn)生的效益（直接的及間接的）；二是實(shí)用性，系統建設安裝簡(jiǎn)便，管理操作界面友好，切實(shí)解決電網(wǎng)運行、管理、設備問(wèn)題，明顯提升臺區電能質(zhì)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(wǎng)經(jīng)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(wǎng)絡(luò )安全和電網(wǎng)運行安全，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(zhù)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(guò)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(dòng)態(tài)計算實(shí)際電池容量及SOC計算功能。 （4）智能被動(dòng)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(cháng)電池的使用壽命，具備故障提示燈。 （7）監控單元控制功能，可通監控單元方便地對過(guò)充、過(guò)放、充放電過(guò)流、過(guò)溫、欠溫等保護參數，容量、休眠、均衡、存儲等參數進(jìn)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(guò)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(wǎng)和離網(wǎng)兩種工作模式。并網(wǎng)模式，實(shí)現蓄電池組和電網(wǎng)之間的雙向能量轉換。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，根據電網(wǎng)調度或本地控制的要求，PCS 在電網(wǎng)負荷低谷期，把電網(wǎng)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(wǎng)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(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)功補償等。離網(wǎng)模式，又稱(chēng)孤網(wǎng)運行，即能量轉換系統(PCS)可以根據實(shí)際需要，在滿(mǎn)足設定要求的情況下，與主電網(wǎng)脫開(kāi)，給本地的部分負荷提供滿(mǎn)足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的交流電能。 3、儲能能量管理系統（EMS）
實(shí)現對整個(gè)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(gè)子系統運行，詳細功能見(jiàn)本方案第五部分介紹。 4.2 配電臺區儲能容量配置
低壓配電臺區儲能宜選用小型電化學(xué)儲能系統。低壓配電臺區公變容量在50～1000 kV?A 不等，其中500 kV?A 以下的公變多用于農網(wǎng)等負荷相對小的地區，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。低壓配電臺區儲能系統因受場(chǎng)地和經(jīng)濟性限制，不宜過(guò)大。根據典型配變容量測算，儲能系統功率區間宜為50～200 kW，容量區間宜為100~400 kW?h。 4.3 儲能設備選型
依據以上臺區儲能典型配置原則，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(hù)選型需要，功率可按50kW的整倍數、容量可選0.5C與1C進(jìn)行配置，設備出廠(chǎng)前完成各項檢驗與測試，到達現場(chǎng)后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的接線(xiàn)與聯(lián)調后即可投入使用。 提供兩種典型臺區儲能柜設計參數如下：
（1）100kW/215kWh儲能系統
4.4 儲能并網(wǎng)接入方案
低壓配電臺區儲能系統接入點(diǎn)不同，會(huì )對臺區潮流分布產(chǎn)生不同影響。儲能系統接入點(diǎn)應綜合考慮臺區饋線(xiàn)長(cháng)度、負荷分布特點(diǎn)、臺區已有供電問(wèn)題、場(chǎng)地等綜合因素。為了低壓臺區儲能在配網(wǎng)局域調峰、改善供電電能質(zhì)量、提高供電可靠性等方面的作用，一般應將儲能接入選擇在公變低壓側，并綜合考慮臺區接線(xiàn)方式，對儲能系統接入方案進(jìn)行設計。如圖1所示為低壓配電臺區儲能接入典型方案，儲能系統并網(wǎng)點(diǎn)選擇在臺區計量表箱后端，儲能系統運行控制中采集公變低壓側各相電壓、電流，實(shí)時(shí)監測臺區負荷變化和供電電能質(zhì)量，并網(wǎng)點(diǎn)應配明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，以便進(jìn)行運維檢修，同時(shí)應裝電能表，對儲能放電電量和充電電量進(jìn)行精確計量，以便對儲能系統運行指標進(jìn)行評價(jià)。 4.5 變流器分相調控拓撲
考慮配網(wǎng)中低壓配變臺區運行特性，針對儲能雙向變流器提出如圖3所示拓撲結構，控制實(shí)現儲能系統對交流輸出側各相有功、無(wú)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(gè)獨立單相全橋電路結構，通過(guò)三個(gè)單相隔離變壓器接入電網(wǎng)。 4.6 儲能運行控制策略
智能運維監控系統實(shí)時(shí)監測臺變負載率，當負載率超過(guò)所設定的閾值時(shí)，控制儲能系統發(fā)出有功/無(wú)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(wǎng)局域調峰。同時(shí)，系統監測負荷數據，分析各支路有功、無(wú)功、功率因數、電壓偏差、三相不平衡等電能質(zhì)量數據，實(shí)時(shí)按需主動(dòng)進(jìn)行有功/ 無(wú)功補償，達到電能質(zhì)量綜合治理效果。 （1）優(yōu)先級1：實(shí)時(shí)響應模式
實(shí)時(shí)監測儲能系統內部各組成部分的狀態(tài)和并網(wǎng)點(diǎn)負載饋線(xiàn)的電壓、電流值。根據監測的負載饋線(xiàn)的電氣量，基于設置的運行控制參數閾值，通過(guò)零線(xiàn)電流、相電流分析線(xiàn)路是否有三相不平衡、功率因數偏低、電壓越限等電能質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)計算達到電能質(zhì)量要求時(shí)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(wú)功值，直至臺變負載率在合理空間、電能質(zhì)量問(wèn)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(shí)段內，若在該時(shí)段內，則監控系統下達執行指令，PCS 按照指令執行出力計劃。 （3）優(yōu)先級3：待機模式
不滿(mǎn)足上述2種模式運行條件下，儲能系統進(jìn)入待機模式。
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