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、潮流逆向傳輸?shù)冗\行風險。分布式光伏在降低化石能源消費、促進節(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，在進行分布式光伏規(guī)劃時，需要對該區(qū)域的負荷特性和光伏出力特性進行準確預測，并對光伏接入可能帶來的電壓風險進行科學評估，從而制定出選址布局和容量配置方案。

關鍵詞：新能源；分布式光伏；電壓風險

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"）是響應國家“優(yōu)化能源結構，提供更加清潔、可靠的能源"的號召，投資建設的分布式光伏發(fā)電應用示范項目。

本項目位于湖北荊門，利用現(xiàn)有廠房屋頂建設分布式光伏發(fā)電項目，總建設規(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，深入探討與之相關的繼電保護、安全自動裝置、通信及調(diào)度自動化技術方案并且制定對電壓波動風險的額技術措施。

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)點的裝機容量分別為5.99MW、2.535MW（交流側(cè)）由7個光伏發(fā)電單元構成。該項目運營模式為全額上網(wǎng)。利用廠房屋頂建設光伏發(fā)電系統(tǒng)，關鍵設備光伏組件、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)開關柜通過1回出線接入至廠區(qū)10KV進線母線的用戶側(cè)，實現(xiàn)并網(wǎng)。變電站近三年負荷平均-0.15MW，考慮主變 N-1 情況下，另一主變負載不超過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)直流分量進行在線監(jiān)測。

3.1.                      升壓變壓器及高低壓配電設備

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.                      繼電保護及安全自動裝置

本光伏電站內(nèi)主要電氣設備采用微機保護，以滿足信息上送。元件保護按照《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》（GB14285－2006）配置。

1）線路保護

本項目為10kV并網(wǎng)，建議光伏開關站總出線開關建議光伏開關站總出線開關配置線路方向過流等保等護，包括三段可經(jīng)復壓和方向閉鎖的過流保護，三段零序過流保護、過負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，不設重合閘，可通過逆變器內(nèi)低壓保護與頻率保護實現(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定的頻率定值，當系統(tǒng)頻率低于 定值時，自動切除負荷。為保證裝置可靠動作，系統(tǒng)正常時對低頻減載功能進行閉鎖，當系統(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定的頻率定值，當系統(tǒng)頻率高于定值時，自動切除負荷。

對于光伏電站，公共連接點的電壓偏差、電壓波動應滿足GB/T 12325-2008和GB/T12326-2008的規(guī)定。當電壓異常時，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)電壓異常時的響應要求

表2 光伏電站在電網(wǎng)頻率異常時的響應

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)向本地負荷供電，就會形成孤島效應（Islanding）。這種情況可能帶來嚴重的安全隱患和設備風險，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、當電網(wǎng)側(cè)當電網(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、當孤島效應發(fā)生時，負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，當電網(wǎng)重新恢復供電時會產(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)、負載和供電系統(tǒng)帶來損壞。

防孤島保護裝置是用于電力系統(tǒng)的一種保護裝置，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，其防孤島保護方案應與繼電保護配置、頻率電壓異常緊急控制裝置配置和低電壓穿越相配合。防孤島保護裝置主要適用于35kV、10kV及低壓380V光伏發(fā)電、燃氣發(fā)電等新能源并網(wǎng)供電系統(tǒng)。

具有：頻率保護（低頻減載/高頻保護）、頻率突變跳閘、有壓自動合閘、三段式過流保護（可經(jīng)低電壓閉鎖、可帶方向閉鎖）、反時限過流保護等保護功能。

防孤島裝置

3.3.                      電能質(zhì)量裝置

電能質(zhì)量不僅關系到電網(wǎng)企業(yè)電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，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，可直接影響用電設備的安全、可靠、連續(xù)運行，嚴重時會導致企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量下降、成本增加、計劃阻礙，造成嚴重的經(jīng)濟損失。故對于用電情況的實時監(jiān)測、故障預警、故障分析尤為重要。

根據(jù)《GB/T 19826-2016電能質(zhì)量監(jiān)測設備通用要求》，電能質(zhì)量監(jiān)測設備可對電壓偏差、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)進行連續(xù)跟蹤監(jiān)測，為電氣事件處理（包括事前預警、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、開關及刀閘狀態(tài)、功率調(diào)節(jié)指令以及功率預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測數(shù)據(jù)。

4.                      系統(tǒng)結構

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、控制、通信、測量等功能，可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)、開關站的全功能綜合自動化管理。本項目逆變器、高低壓設備等狀態(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)絡結構為開放式分層、分布式結構。

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)絡失效的情況下，就地層仍能獨立完成就地各電氣設備的監(jiān)測。

站控層由計算機網(wǎng)絡連接的服務器、操作員站、遠動站等組成，提供站內(nèi)運行的人機界面，實現(xiàn)管理控制就地層設備等功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并具備與遠方控制中心通信的接口。

就地層設備由智能測控單元、網(wǎng)絡系統(tǒng)通訊單元、逆變器數(shù)據(jù)采集單元、多功能電能表等構成，主要電氣設備包括微機保護、防孤島保護、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、箱變測控等設備。它直接采集處理現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡傳送給站控層監(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，最后對設備進行操作控制。

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)絡傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)視。

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

項目配置設備清單如下表所示：

表 方案設備列表

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，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)制定針對性的應對策略，例如調(diào)整無功補償裝置、優(yōu)化諧波濾波措施或重新配置負載，從而確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，保障設備的安全運行和電力供應。

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，兼具環(huán)保效益與經(jīng)濟發(fā)展雙重優(yōu)勢。該技術的推廣應用不僅能推動社會經(jīng)濟的可持續(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。隨著技術進步和政策支持，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)量的影響機制。基于研究成果，需科學規(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。

參考文獻

[1] 許正梅.分布式光伏電源接入配電網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響及對策[D]. 華北電力大學, 2012.

[2] 張異殊.分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓影響研究[D]. 沈陽工程學院, 2019.

[3] 武立民.高滲透率分布式光伏系統(tǒng)同步穩(wěn)定性分析與控制方法研究[D]. 沈陽工業(yè)大學, 2024.

[4] 胡善華.含高滲透率分布式光伏的有源配電網(wǎng)動態(tài)等值研究及應用[D]. 中國電力科學研究院, 2024.