李學永

(國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院， 福州 350007)

0 引 言

電能的精確計量是能效測評和電網(wǎng)管理的數(shù)據(jù)來源，也是用戶結(jié)算電費的直接依據(jù)。隨著當今環(huán)保清潔的新能源越來越受到重視，分布式發(fā)電取得了飛速發(fā)展。傳統(tǒng)電網(wǎng)只存在電網(wǎng)向用戶供電的單向計量問題，而在含分布式電源并網(wǎng)的小型微電網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶不僅可以從電網(wǎng)購電，也能通過分布式電源發(fā)電向電網(wǎng)售電，因此出現(xiàn)了電網(wǎng)和用戶之間電能互動的情形。這就需要采用包含雙向計量等功能的智能電能表來實現(xiàn)用戶和電網(wǎng)之間的電能計量，同時還需要制定出專門針對分布式電源并網(wǎng)的電能計量模式。

隨著分布式電源的應用越來越廣，國家和地方政府以及國家電網(wǎng)公司為了鼓勵和促進分布式發(fā)電尤其是新能源發(fā)電的發(fā)展，出臺了多項鼓勵措施和財政補貼政策。2013年7月18日，國家發(fā)改委《分布式發(fā)電管理暫行辦法》二十一條規(guī)定分布式發(fā)電以自發(fā)自用為主，多余電量上網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)劑余缺，電網(wǎng)企業(yè)應保證分布式發(fā)電多余電量的優(yōu)先上網(wǎng)和全額收購。2013年2月27日國家電網(wǎng)公司關于印發(fā)《分布式電源相關意見和規(guī)范的通知》第三條第6點指出：建于用戶內(nèi)部場所的分布式電源項目，上、下網(wǎng)電量分開結(jié)算，電價執(zhí)行國家相關政策。以某市為例：上網(wǎng)電價在國家補助0.42元/kWh、浙江省補助0.1元/kWh的基礎上，依據(jù)項目建成后的實習發(fā)電效果，再給予0.1元/kWh的補助，補助期限暫定為2014年～2015年。

實行分布式發(fā)電的補貼政策后，原本的電能計量問題變成了更為復雜的補貼計量問題，即需要計量上下網(wǎng)電能的差值，當分布式電源發(fā)電不足用戶需從電網(wǎng)購電時，采用這一差值與電網(wǎng)單位電價的乘積作為電費，當發(fā)電富裕時用戶向電網(wǎng)售電，以這一差值與補貼電價的乘積作為補貼發(fā)放給用戶?，F(xiàn)行的含分布式電源并網(wǎng)的電網(wǎng)系統(tǒng)中，大多采用僅在電網(wǎng)母線的進戶端裝設一個雙向智能電能表的計量方案，只需計量用戶和電網(wǎng)的電能代數(shù)和即可為用戶和電網(wǎng)的電費結(jié)算提供依據(jù)[1]。但是在未來智能電網(wǎng)情況下， 不僅需要計量用戶和電網(wǎng)交互的電能代數(shù)和，還需要獨立地計量雙向的電能，為分布式發(fā)電的統(tǒng)計、監(jiān)控以及負荷的精確預測提供基礎。所以，為了更好地監(jiān)測負荷的用電情況以實現(xiàn)對用戶的用電行為分析，探尋小型微電網(wǎng)發(fā)電和用電的規(guī)律，現(xiàn)有的計量模式已不能滿足做進一步研究的需求，需要一種適合小型微電網(wǎng)的電能計量新模式。

提出了一種適用于含有儲能系統(tǒng)的新型電能計量模式，在考慮了負荷用電特性的基礎上，對含風光儲的分布式電源進行獨立的雙向計量。這一新型計量模式解決了傳統(tǒng)計量方式下可能造成的計量異常，可以更加準確的計量分布式電源發(fā)電量和用戶用電量，實現(xiàn)更準確的計量補助方案，有利于政府分布式發(fā)電補貼政策的實施及對微電網(wǎng)系統(tǒng)的進一步研究。

1 評估方法的選擇

1.1 電能計量原理

微電網(wǎng)的電能計量采用“本地采樣、遠程計算”的方式，即各計量點采集的用電數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到微電網(wǎng)的前置計量終端進行計算，計算的時間尺度可以是確定的月、日、時、分或任意時段，還可以是不同的電價區(qū)間等。

電能計算的公式為:

(1)

式中u(t)和i(t)為電壓、電流瞬時值;T為電能計量時段。工程上，采用式(1)的離散形式，即：

(2)

式中 Δt為電壓和電流的數(shù)據(jù)采樣間隔，為了保證計量精度達到電網(wǎng)的計量要求，要求盡可能縮短采樣間隔，因此每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將非常大，所以在工程計量中為方便電能的計量與統(tǒng)計，選取一個電能計算的最小時間間隔ΔT并由此來計算各時刻的電能值，可得電能計量的計算單元:

(3)

利用式(3)即可在各種時間間隔上進行電能計算[2]。

1.2 現(xiàn)行電能計量模式

依據(jù)國家發(fā)改委及國網(wǎng)公司對分布式發(fā)電管理方法和要求，現(xiàn)行傳統(tǒng)微電網(wǎng)電能計量模式如圖1所示[1]，雙向智能電表用以上下網(wǎng)的電能計量。這里，智能電表在應在雙向潮流、計量準確、滿足動態(tài)寬負荷的情況下，實現(xiàn)分時電量結(jié)算，發(fā)電、上下網(wǎng)電量分開單獨結(jié)算等要求，即應具備正反向計量、分時計量和整點電量凍結(jié)等功能[3]。

圖1 傳統(tǒng)微電網(wǎng)電能計量模式

根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率、分布式電源發(fā)電功率和負荷功率的代數(shù)值，可得三者之間的關系式：

PG=PD+PL

(4)

對等式兩邊的功率分別做時間的積分，即可得電能關系式：

WG=WD+WL

(5)

可知，電能與功率具有相同的關系式，圖1中均以功率說明各部分電能流動關系。當分布式電源功率PD恰好等于負荷功率PL時，兩者代數(shù)和為零，此時用戶與電網(wǎng)系統(tǒng)無計費關系；當PD大于PL時，分布式發(fā)電的多余電量將輸送給電網(wǎng)，這部分電量按該地區(qū)規(guī)定的補貼電價來結(jié)算用戶分布式發(fā)電的補貼；當PD小于PL時，分布式電源出力不足，此時用戶應按普通電價從電網(wǎng)購電。

針對不同類型的分布式電源，依據(jù)它們各自的原理及特點，相應的電能計量模式應有所區(qū)別。由于潮汐發(fā)電可用常規(guī)的水力發(fā)電機模型進行模擬[4]，地熱發(fā)電[5]和生物質(zhì)能發(fā)電可用常規(guī)的火力發(fā)電機模型進行模擬[6]，因此傳統(tǒng)的電能計量模式在這幾種類型的分布式發(fā)電中是適用的。

而對于風光儲一體化的分布式發(fā)電，這一計量方案則存在一定的缺陷。首先，只在電網(wǎng)母線入戶處安裝一個雙向智能電表，無法正確計量含有儲能系統(tǒng)的分布式電源發(fā)電量。以光伏發(fā)電為例，夜間發(fā)電不足且儲能系統(tǒng)中電能也全部用完時，用戶會從電網(wǎng)購電以供應負荷用電，與此同時還要給儲能系統(tǒng)充電，而日出后光伏發(fā)電量出現(xiàn)富裕而又會向電網(wǎng)送電，此時電網(wǎng)在夜間向儲能系統(tǒng)的充電電量就會被算在光伏發(fā)電之內(nèi)，導致出現(xiàn)錯誤計量。由此可見，在類似上述的含有儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)的計量問題較為復雜，傳統(tǒng)的電能計量模式不再適用。第二，由于分布式發(fā)電不僅是單純的計量問題，還涉及到補貼計量，而現(xiàn)有計量模式中沒有合理設定分布式電源發(fā)電量的上限，這樣若向儲能系統(tǒng)接入通過整流的公共電網(wǎng)電壓就可以向其充電，如圖2所示，這部分“竊取”的電能就會被當作分布式電源所發(fā)電能套取補貼。目前對于這種電能計量異常的情況只能采取現(xiàn)場用電檢查等辦法，還沒有一種科學高效的應對措施。最后，傳統(tǒng)模式無法直接計量分布式電源發(fā)電量和用戶用電量，不利于對微電網(wǎng)系統(tǒng)的進一步研究。

圖2 傳統(tǒng)微電網(wǎng)電能計量模式的計量異常方式

綜上所述，為了更加精密地監(jiān)測分布式電源的發(fā)電量及其與用戶、電網(wǎng)間電能的實時互動情況，實現(xiàn)對民用小型微電網(wǎng)的準確計費，同時防止計量異常的發(fā)生，不單需要計算用戶和電網(wǎng)交互的電能代數(shù)和，還需要對含風光儲的分布式電源進行獨立的雙向計量，同時還要計量負荷的用電特性，為分布式發(fā)電的統(tǒng)計、監(jiān)控以及負荷的精確預測提供基礎。文中根據(jù)以上幾點問題對現(xiàn)有計量模式做出了改進，提出了一種適用于小型微電網(wǎng)的新型電能計量方案。

2 新型電能計量模式

根據(jù)含風光儲一體化分布式電源的小型微電網(wǎng)系統(tǒng)的特點，可以大致總結(jié)出5種用電場景：

(1)風光發(fā)電的總和恰好可以供給負荷用電時，各部分電能間的關系如式(6)所示。這種場景下，分布式電源的出力PD與負荷PL在數(shù)值上相等，儲能系統(tǒng)無放電和充電，此時電網(wǎng)的輸出功率PG=0，可知用戶和電網(wǎng)之間不存在電費結(jié)算的問題，用戶內(nèi)部發(fā)電和用電可以自給自足。

(6)

(2)風光發(fā)電的總和超過負荷所需電量時，將多出的電能全部儲存在儲能系統(tǒng)中，此時PG=0，同樣不存在用戶與電網(wǎng)間的電費結(jié)算問題，關系式如下：

(7)

(3)風光發(fā)電的總和超過負荷所需電量，同時儲能系統(tǒng)也充滿電時，此時PD在數(shù)值上大于負荷PL，如式(8)所示，兩者代數(shù)和PG是一個負值，這部分多發(fā)的電能將輸送到電網(wǎng)由供電公司按照補貼電價購買，即存在電能上網(wǎng)的問題。

(8)

(4)風光發(fā)電的出力不足時，需要儲能系統(tǒng)放電共同供給負荷用電的情況下，分布式電源和用戶之間可以自給自足，仍不存在電能上下網(wǎng)問題。

(9)

(5))風光發(fā)電的出力不足，但是儲能系統(tǒng)中存儲的電量也不足以供給負荷時，即PD在數(shù)值上小于PL，則二者代數(shù)和PG為正，如式(10)所示，用戶需要從電網(wǎng)購電該部分不足的電能。

(10)

綜上所述，只有(3)和(5)兩種用電場景中才存在供電公司與用戶的電費結(jié)算問題，因此這兩種情況應作為電能計量研究的重點。

針對幾種用電場景的特點，提出一種適用于含風光儲一體化分布式發(fā)電的更為精確的微電網(wǎng)電能計量模式，來解決傳統(tǒng)計量模式測量不準和計量異常造成的補償不公平的問題，計量方案如圖3所示。

圖3 風光儲一體化的電能計量新模式

方案總體采用三塊智能電能表，在電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)和分布式電源側(cè)分別裝設一塊雙向智能電能表，在用戶負荷側(cè)裝設一塊單向智能電能表。電能表1用以計量風光發(fā)電不足時電網(wǎng)系統(tǒng)向用戶的發(fā)電量和風光發(fā)電富裕時其向電網(wǎng)輸送的電能；電能表2的測量點在逆變器之后，可以計量分布式發(fā)電轉(zhuǎn)換為交流后總的發(fā)電量，還可以記錄風光發(fā)電不足時電網(wǎng)向儲能系統(tǒng)的充電電能；電能表3用于計量用戶消耗的總電能。其中擬裝設的智能電能表應不僅能夠測量及顯示電流、電壓、功率、功率因數(shù)，還需具有雙向計量、實時或短時間隔計量和整點電量凍結(jié)功能。

新型計量模式針對含儲能的微電網(wǎng)電能計量問題進行了方案優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)模式無法計量儲能系統(tǒng)的雙向功率和計量異常造成的補貼不公問題。仍然以光伏發(fā)電為例，夜間發(fā)電不足且儲能系統(tǒng)中電能也全部用完時，用戶從電網(wǎng)購電供給負荷并向儲能充電，由電能表2計量這一充電電能SA′，日出后光伏發(fā)電因出力大幅增加而向電網(wǎng)傳輸?shù)碾娔躍G′由電能表1計量，計算發(fā)電補貼所用的電量SG即可由這兩個計量值的計算得到：

SG=SG′-SA′

(11)

對比傳統(tǒng)模式中只能用不正確的SG′來計算發(fā)電補貼，新方案對分布式電源上網(wǎng)電量的計量更加準確，同時解決了部分不良用戶利用傳統(tǒng)模式的缺陷套取補貼的問題。但是，僅通過上述三個計量點所測得的電能值無法判別是否存在如圖2中的計量異常問題，因為無論用戶是否從母線的其他端口向自家的上網(wǎng)計量點引入電能，所測得的電能代數(shù)和都滿足式(3)。所以，方案增設了微電網(wǎng)的計量環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用以對某地區(qū)的環(huán)境因素進行分析處理，幫助判別分布式電源的發(fā)電量是否在合理地范圍內(nèi)，從而判別有無計量異常的情況。微電網(wǎng)的計量環(huán)境監(jiān)測是應對電能計量異常的一個全新的方法。

改進后的電能計量模式在電能計量方面較傳統(tǒng)模式更為精確可靠，可以對微電網(wǎng)各部分發(fā)電量和用電量進行計量，直觀反映出各自測量點的電能流動情況，同時還可以分時段記錄分布式發(fā)電和負荷情況，通過分析這些數(shù)據(jù)得出當?shù)仉娔苌a(chǎn)和消耗的規(guī)律，有利于對該地區(qū)的發(fā)電和用電情況進行預測；同時還解決了含儲能的微電網(wǎng)電能的雙向計量問題和計量異常問題。下面就新型計量模式進行仿真分析來說明其可行性。

3 基于PSCAD的仿真分析

為了驗證所提出的電能計量模式的準確性，并說明其較傳統(tǒng)模式的優(yōu)勢，對一個典型的含風光儲的分布式發(fā)電系統(tǒng)進行了PSCAD仿真，模型如圖4所示。其中風機和光伏電池的容量都采用10 kW，蓄電池放電功率7.6 kW，負荷用電取平均功率15.2 kW，微網(wǎng)側(cè)電壓380 V，主網(wǎng)電壓10 kV。將存在電能上下網(wǎng)的兩種運行場景作為仿真的運行條件，通過讀取兩種模式下各計量點功率表的數(shù)據(jù)，計算用戶消耗和發(fā)出的電能量，進而結(jié)算電費，算例中，分布式發(fā)電的上網(wǎng)補貼電價按依照文件《杭政函〔2014〕29號》規(guī)定的0.52元/kWh計費，用戶從電網(wǎng)購電的電費取0.538元/kWh。

圖4 含風光儲的典型分布式微電網(wǎng)仿真模型

仿真的運行過程，先模擬風光發(fā)電不足的情況下，持續(xù)1小時，此時用戶從電網(wǎng)購電同時向儲能系統(tǒng)充電，這一過程結(jié)束之后，再讓系統(tǒng)運行在風光發(fā)電充足的情況下，持續(xù)1小時，這時用戶給電網(wǎng)送電。結(jié)算電費時，應取兩種情況下產(chǎn)生電費的差值。

首先，對所提出的風光儲一體化的電能計量模式進行仿真分析，PACAD模型如圖5所示。

圖5 風光儲一體化的電能計量新模式仿真圖

表1 新模式中各功率表讀數(shù)

在電網(wǎng)側(cè)、分布式電源側(cè)和用戶負荷側(cè)的三個計量點各設置一塊功率表用，仿真的測量結(jié)果記錄于表1。

依照新型電能計量模式的仿真結(jié)果，發(fā)電不充足時從電網(wǎng)購電的情況取時長t=1 h，風光發(fā)電充足時向電網(wǎng)輸送電能取時長t′=5 h以計算電量，風光發(fā)電不足時電網(wǎng)向用戶輸送的電能：

SG(down)h=P1(down)×t=22.282 kW·h

用戶從電網(wǎng)購電的費用：

A1=0.538SG(down)h=11.99元

風光發(fā)電不足時電網(wǎng)向儲能系統(tǒng)充電電能：

SA′=P2×t′=35.41 kW·h

風光發(fā)電充足時向電網(wǎng)系統(tǒng)的上網(wǎng)電能：

SG(up)′=P1(up)·t′=62.18 kW·h

計算得分布式電源實際向電網(wǎng)輸送的電能：

SG(up)=SG(up)′-SA′=26.77 kW·h

新能源發(fā)電所得電費補貼：

A2=0.52SG(up)=13.92元。

綜上，用戶最終結(jié)算電費所得實際補貼為：

A2-A1=1.93元。

此外，由測量數(shù)據(jù)還可以計算分布式電源發(fā)電量及用戶總的耗電量，分布式電源發(fā)電量：

SDG=S1-S1′=P1t-P2t=102.77 kW·h

用戶耗電量：

SL=S3+S3′=P3t+P3′t=91.2 kW·h

將以上所得數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計和分析，可以得出一般用戶的用電情況及分布式發(fā)電的規(guī)律等信息，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和風險預測提供依據(jù)。

為對比突出所提出計量模式的優(yōu)勢，對傳統(tǒng)計量模式也進行仿真分析，PSCAD模型如圖6所示，只在電網(wǎng)和用戶接口處設置了一塊功率表。將仿真結(jié)果記錄于表2中。

表2 傳統(tǒng)模式中各功率表讀數(shù)

圖6 傳統(tǒng)微電網(wǎng)電能計量模式仿真圖

傳統(tǒng)計量模式在電網(wǎng)與用戶接口處設置一塊電能表，這時計算發(fā)電補貼時只能用該表計量的總上網(wǎng)電能為依據(jù)，同樣，發(fā)電不充足時從電網(wǎng)購電的情況取時長t=1 h，風光發(fā)電充足時向電網(wǎng)輸送電能取時長t′=5 h，則：

風光發(fā)電不足時電網(wǎng)向用戶輸送的電能：

SG(down)h=P1(down)×t=22.282 kW·h

用戶從電網(wǎng)購電的費用：

A1=0.538SG(down)h=11.99元。

風光發(fā)電充足時向電網(wǎng)系統(tǒng)的上網(wǎng)電能：

SG(up)=P1(up)t′=62.18 kW·h；

新能源發(fā)電所得電費補貼：

A2=0.52SG(up)=32.33元

綜上，用戶最終結(jié)算電費所得實際補貼為：

A2-A1=20.34元。

比較兩種計量模式下的計算結(jié)果，采用新型計量模式用戶所得補貼電費1.93元，而若采用傳統(tǒng)計量模式算得補貼電費20.34元。發(fā)現(xiàn)兩種模式下的電費相差巨大，原因就是傳統(tǒng)計量模式忽略了在分布式電源發(fā)電不足時，電網(wǎng)向儲能系統(tǒng)充電的這部分電量。顯然，所提出的計量模式完全適用于風光儲一體化的小型微電網(wǎng)的電能計量，不僅能準確計量分布式電源實際上網(wǎng)電量及其發(fā)電量和用戶用電情況，同時還可以防止不良用戶利用傳統(tǒng)計量模式無法計量電網(wǎng)向儲能系統(tǒng)的充電電能這一漏洞騙取補貼的問題。

4 結(jié)束語

隨著微電網(wǎng)及分布式發(fā)電的迅速發(fā)展，國家對分布式電源的補貼政策相繼出臺，電能計量的要求越來越高，而傳統(tǒng)計量模式不能很好的滿足含風光儲一體化分布式電源的小型微電網(wǎng)的計量需求，無法實現(xiàn)含儲能系統(tǒng)的雙向電能計量問題并且存在計量異?？赡茉斐傻难a貼不公的問題。

提出的針對小型微電網(wǎng)的計量方案，可以更加精密地計量分布式發(fā)電的上網(wǎng)電量，以及分布式電源與用戶、電網(wǎng)間電能的實時互動情況，解決了含儲能系統(tǒng)的分布式電源的電能雙向計量問題，實現(xiàn)對民用小型微電網(wǎng)的準確計費。同時，針對國內(nèi)目前還沒有可以解決計量異常的科學有效措施的問題，方案中還擬建設了微電網(wǎng)計量環(huán)境監(jiān)測為微電網(wǎng)的分布式電源發(fā)電量限定合理的上限，有助于及時發(fā)現(xiàn)計量異常的現(xiàn)象，為解決計量異常問題提供了可靠可行的方法。最后，通過對幾種不同用電場景進行仿真分析，為這一新型小型微電網(wǎng)的電能計量模式提供了可行的依據(jù)，通過不斷的研究和實驗，該計量模式將會有廣闊的應用前景。