文/施恩禧電氣（中國）有限公司 郝 晨/

文/施恩禧電氣（中國）有限公司 郝 晨/

盡管自動化以及分布式智能已經(jīng)在業(yè)內(nèi)推進了近20年的時間，但當人們談論建設智能電網(wǎng)時，大多數(shù)人還是會僅僅想到為家庭以及商業(yè)用戶安裝智能電表。

在這20年的推進中，其中一個重要的創(chuàng)新就是“可自愈的配電網(wǎng)”，它指的是在配網(wǎng)中各智能開關和保護設備之間實時的通信，自行判斷并隔離故障，而不需要通過控制中心統(tǒng)一調(diào)度。若在自愈系統(tǒng)中加入儲能裝置，那么，可以在電源完全消失后，由儲能裝置來供電，形成孤島。

由美國能源部（U.S.Department of Energy，DOE）牽頭，聯(lián)合桑迪亞國家實驗室（Sandia National Labs）,施恩禧電氣（S&C Electric Company）以及美國電力公司（American Electric Power，AEP）在北美已經(jīng)實施了多個高質(zhì)量的儲能項目以解決多樣的配電網(wǎng)難題，儲能示范項目的意義在于：

(1) 完成DOE將儲能作為智能電網(wǎng)重要部分的目標；

(2) 量化將大規(guī)模兆瓦級的儲能作為配電站以及配電線路的調(diào)節(jié)手段的可行性；

(3) 延緩配電站升級，起到削峰填谷的作用；

(4) 驗證儲能在微網(wǎng)中的作用，在配電網(wǎng)上游出現(xiàn)永久故障時，利用分布式儲能為整個“孤島”供電。

本文著重闡述安裝在配電站或者其附近的大規(guī)模儲能設備配合分布式智能系統(tǒng)可以大幅改善配電網(wǎng)的服務可靠性。

孤島提高可靠性

孤島是一種在斷電時使用就地電源對被隔離的配電網(wǎng)供電的方案，這個電源可能是化石電源，也可能是利用先進技術的燃料電池或者其他儲能系統(tǒng)。對于市電缺失，波動或者故障的配電網(wǎng)絡來說，具備孤島能力可以提高系統(tǒng)可靠性，將突發(fā)事件對系統(tǒng)的影響降到最低。

孤島效應對于電力公司有著重要意義，尤其是那些頻繁停電的區(qū)域。從孤島效應中獲益的區(qū)域包括：

(1) 配電線路較老較舊的負荷中心；

(2) 植被茂盛的區(qū)域（茂盛的植物接觸到配電線，容易引起線路停電）；

(3) 頻發(fā)極端災害天氣的區(qū)域（颶風，暴雨等）。

孤島的經(jīng)濟價值

當故障發(fā)生后，智能孤島將為配電網(wǎng)帶來諸多的好處。

(1) 增強可靠性指數(shù)：可靠性指數(shù)包含“客戶平均中斷持續(xù)時間（CAIDI）”和“系統(tǒng)平均中斷時間（SAIDI）”，它們是衡量電力系統(tǒng)可靠性的通用指標。孤島可以大幅的改進這個指數(shù)，意味著更少的客戶受斷電影響以及縮短服務中斷持續(xù)時間。

(2) 資源優(yōu)化：孤島效應可以優(yōu)化重構過程，使得有限的人力以及資源可以專注于優(yōu)先恢復非孤島區(qū)域。

(3) 延緩投資：孤島可以快速及時的解決線路的問題，從而使得為電力公司傳統(tǒng)建設方法（新建配電站或者擴建，傳輸線延展，強化配電線路）贏得了時間。

孤島的實現(xiàn)方法

上面介紹了孤島帶來的益處，那么隨之而來的問題就是“如何切實可行的實現(xiàn)孤島呢？”美國電力公司（AEP）經(jīng)過分析大量數(shù)據(jù)，認為以下兩種方法是實現(xiàn)分布式電源孤島的可行辦法：1）自適應動態(tài)孤島(ADI，Adaptive Dynamic Islanding )；2)離散動態(tài)孤島(DDI，Discrete Dynamic Islanding)。

自適應動態(tài)孤島（ADI，Adaptive Dynamic Islanding）

自適應動態(tài)孤島（ADI）依賴電力公司通過遠程控制智能電表系統(tǒng)（AMI：Advanced Metering Infrastructure）來“接入”或者“切除”獨立用戶。一旦智能電表系統(tǒng)覆蓋足夠大的區(qū)域，自適應的動態(tài)孤島的實施和控制將合理而可行。（如圖1和圖2）

圖1 自適應動態(tài)孤島（ADI）

圖2 不同負荷狀態(tài)下的自適應動態(tài)孤島

自適應動態(tài)孤島的理念是，當智能電表系統(tǒng)（AMI）得到足夠的發(fā)展以及安裝，電力公司可以將每一個客戶的負載視為“島”，且可以遠程控制。因此，在遇到停電的情況時，可以給某些重要負載如醫(yī)院，警察局以及消防隊等優(yōu)先恢復供電，使其免受或者少受電力問題的侵擾。

圖1示意了通過電池管理系統(tǒng)在斷電的情況下為了保證重要負載盡可能不受侵擾，對部分負荷斷電或者間歇供電。

圖2示意了如何通過智能管理系統(tǒng)來遠程連接和斷開獨立負荷，使得儲能系統(tǒng)利用最優(yōu)化。

圖3 離散動態(tài)孤島（DDI）

在自適應動態(tài)孤島方案（ADI）中，根據(jù)儲能系統(tǒng)的容量情況，來調(diào)整用戶數(shù)量是很容易實現(xiàn)的。在負荷較低時，儲能系統(tǒng)足以支撐整個孤島中的負荷運轉(zhuǎn)。若儲能系統(tǒng)不足以支撐整個孤島的負荷3運轉(zhuǎn)，那么可以如圖2所示來選擇為部分負荷供電。

因為在美國電力公司（AEP）準備實施孤島項目的備選區(qū)域中，智能電表系統(tǒng)（AMI）的普及率都不足以實現(xiàn)自適應動態(tài)孤島（ADI），所以美國電力公司（AEP）尋找另外一種可行的替代方案來實現(xiàn)對負載控制的需求。

離散動態(tài)孤島（DDI，Discrete Dynamic Islanding）

離散動態(tài)孤島（DDI）以遠程控制部分電網(wǎng)（饋線）區(qū)域來替代自適應孤島（ADI）中的獨立用戶控制。這種形式的孤島使得利用現(xiàn)有的通信以及控制系統(tǒng)配合分布式智能來控制分段開關以及保護設備來隔離故障以及重構更加易于實現(xiàn)。美國電力公司（AEP）決定利用這種方案來評估孤島技術的可行性。值得注意的是，在智能電表系統(tǒng)（AMI）存在的區(qū)域內(nèi)，離散動態(tài)孤島（DDI）作為自適應動態(tài)孤島（ADI）的補充而存在。當上游發(fā)生故障時，這兩種方法都能有效的實現(xiàn)孤島。

美國電力公司（AEP）實施了3個項目來驗證孤島的可行性。本文將著重討論Balls Gap這一案例。

孤島項目概覽

美國電力公司（AEP）選擇鈉硫電池（NaS）作為儲能電池，并采用施恩禧電氣（S&C Electric）的PureWave SMS來進行系統(tǒng)管理。經(jīng)過慎重考慮，選擇其位于西維吉尼亞（West Virginia）的Balls Gap變電站，奧黑爾的（Ohio）的Bluffton變電站和印第安納的（Indiana）的East Busco變電站作為項目實施地。這些線路均為輻射性線路，沒有備用電源，儲能系統(tǒng)可以緩解區(qū)域的供電壓力。每一套儲能系統(tǒng)的容量為2MW/7.2MWh，可以為2MW的負荷提供約7個小時的備用電力，配合智能開關，每一處的孤島容量可以達到2MW。

納入到孤島方案的配電設備包含智能分段開關以及兩臺智能重合器（IED，Intelligent Electronic Device）。配網(wǎng)自動化（DA,Distributed Automation）方案已經(jīng)非常成熟了，結(jié)合孤島應用，可以對其進行必要的改進，使其適應新的應用。此項目將深入研究孤島結(jié)合NaS電池儲能技術的相關問題，進行配合分析，加載和歷史數(shù)據(jù)分析等。

Balls Gap 孤島項目

在2009年美國電力公司（AEP）實施的三個孤島項目中，Balls Gap是最復雜的一個，Balls Gap的輻射型線路大約有60km，電壓等級為34.5kV，它穿過位于西維吉尼亞米爾頓（Milton，West Virginia）的阿帕拉挈山脈（Appalachian Mountain）東北部，所以項目的實施面臨著技術以及環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)。

因為Ball Gap 的輻射型線路，沒有可用的備用電源，所以一旦發(fā)生故障，常常要停電幾個小時。美國電力公司（AEP）對負荷以及歷史數(shù)據(jù)的分析之后，發(fā)現(xiàn)大部分的停電事故都發(fā)生在圖4所示的第一臺重合器的下游，且負荷大概在2MVA左右，這正好與美國電力公司（AEP）計劃實施的儲能系統(tǒng)容量接近，因此Balls Gap進入了美國電力公司（AEP）的項目備選地列表，開始著手進行成本評估以及孤島方案制定中。

盡管在Milton配電站附近沒有可用的三相饋線電源可用，但是有小容量的單相電源在附近的Grassy Creek 配電站。美國電力公司（AEP）的長期目標是增加整個區(qū)域的服務可靠性，配合這一目的的一系列計劃包含：1）建設新的配電站；2）升級單相饋線為三相并將Balls Gap配電站以及Grassy Creek配電站連接起來；3）從阿帕拉挈山脈架設一條138kV的13km長的的配電線。但是選址，審批以及施工通常至少要耗費4-5年的時間，而在這段時間里Balls Gap轄區(qū)的居民仍將忍受由于永久故障導致的長時間的停電。

在準備階段，對Balls Gap的饋線系統(tǒng)進行的詳細的分析，以確定在上游永久故障發(fā)生時，儲能系統(tǒng)將要接納的用戶數(shù)量以及容量。圖5為系統(tǒng)單線圖。6臺饋線設備（2臺重合器以及4臺分段開關）安裝在重要的位置，用來粗略的劃分儲能系統(tǒng)的負荷。

圖4 Balls Gap/Grassy Fork 線路圖

圖5 單線圖

當?shù)谝粋€自動饋線設備（Sw-3）上游發(fā)生故障時，所有的下游開關將會斷開失去電源，并且向其他的設備發(fā)出報告。當獲知所有的開關都分閘后，PureWave SMS電能存儲管理系統(tǒng)將會閉合連接在SW-7上的SW-1。當獲知所有的設備都失去電源后，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)（DA, Distributed Automation）將只會計量每一個開關下的負荷，以確保不超過儲能系統(tǒng)的額定容量。

圖6 a)S&C Scada-Mate Switch智能負荷開關系統(tǒng)b) 智能重合器系統(tǒng)c）智能重合器系統(tǒng)d）S&C PureWave SMS電能存儲管理系統(tǒng)

當故障發(fā)生在孤島之內(nèi)時，只要故障不是發(fā)生在儲能系統(tǒng)以及主干線之間（Sw-1；Sw-4；Sw-5），配網(wǎng)自動化系統(tǒng)（DA,Distributed Automation）判斷故障位置并將其隔離，隨后恢復儲能系統(tǒng)或者Milton配電站的供電。在這種邏輯下，可以使得Milton配電站為盡可能多的負荷供電，而這是在離散式孤島（DDI）與配網(wǎng)自動化系統(tǒng)（DA, Distributed Automation）配合下實現(xiàn)的，這樣的應用形式增強了離散動態(tài)孤島（DDI）的能力，更加契合用戶的需求。

在美國電力公司（AEP）用了多種智能電子設備（IED，Intelligent Electronic Device）配合開放架構的分布式自動化系統(tǒng)（DA, Distributed Automation），見圖6。包括用于NaS電池管理的PureWave SMS電能存儲管理系統(tǒng)。

項目測試時，人為的將各個饋線開關斷開來模擬斷電，用以來測試儲能系統(tǒng)以及孤島運行能力，最終達到得了設計目標。

圖7 Balls Gap儲能系統(tǒng)（2MW/7.2MWh）

結(jié)論

在實際線路故障發(fā)生時，成功的完成了孤島運行。在接下來的幾年中美國電力公司（AEP）陸續(xù)開展了更多的項目，在孤島（微電網(wǎng)）以及儲能方面積累了豐富的經(jīng)驗。