安科瑞 劉秋霞

摘 要：隨著“雙碳"目標(biāo)的提出,開發(fā)利用可再生能源已成為必然趨勢。新能源發(fā)電作為能源利用的一種重要形式,已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。相對于大容量、高電壓、遠(yuǎn)距離輸送的集中發(fā)電方式,分布式光伏具有容量小、電壓低、就地消納等*的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用,近年來呈現(xiàn)跨越式發(fā)展趨勢,研究分布式光伏接入對配電網(wǎng)的影響,對于提升電網(wǎng)及人身安全具有重要意義。本文以分布式光伏為研究對象,結(jié)合工程實(shí)例,研究了分布式光伏接入配電網(wǎng)的電氣二次配置以及通信管理。

關(guān)鍵詞：新能源發(fā)電；分布式光伏；電氣二次配置；通信管理

概述

上海寶鋼阿賽洛激光拼焊有限公司屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目（二期）（以下簡稱“本項(xiàng)目"）是響應(yīng)“優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提供更加清潔、可靠的能源"的號召，投資建設(shè)的分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范項(xiàng)目。

本項(xiàng)目位于上海寶鋼阿賽洛激光拼焊有限公司廠區(qū)內(nèi)，利用現(xiàn)有廠房屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，總建設(shè)規(guī)模約為712.8kWp。本項(xiàng)目投資方為上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，光伏發(fā)電組件位于上海市嘉定區(qū)安亭鎮(zhèn)百安公路1369號，通過用戶配電站接入公共電網(wǎng)，屬于上海市電力公司嘉定供電公司管理范圍。

本文介紹光伏電站接入系統(tǒng)方案的論證，系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置、系統(tǒng)通信、系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化方案研究等。現(xiàn)有電網(wǎng)情況

現(xiàn)有用戶配電站為10kV用戶變，站內(nèi)3臺10kV變壓器，變壓器容量為1250+1250+1600kVA。用戶變壓器通過10kV“31本4阿賽洛"線接入10kV本特開關(guān)站二段母線，再接入110kV百安10kV四段母線。現(xiàn)已投運(yùn)光伏1200kWp。

現(xiàn)有供電示意圖如下：

圖4 用戶配電站現(xiàn)供電示意圖

新增分布式光伏設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目光伏組件、支架及相關(guān)設(shè)備等安裝在一二期屋面的低跨區(qū)域，鄰接已安裝一期光伏設(shè)備的高跨屋面。一二期產(chǎn)線屋面（低跨）為彩鋼瓦結(jié)構(gòu)，屋面板為角馳Ⅲ型結(jié)構(gòu)。整個(gè)屋面跨度為55米，長189米，總面積約10000平方米。除去采光帶及排氣通風(fēng)等設(shè)施，屋面可利用率約75%，而光伏設(shè)備的占用面積約5000平方米。

寶鋼阿賽洛一二期廠房屋面原設(shè)計(jì)恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.3kN/m2，在本光伏項(xiàng)目中，安裝光伏組件和光伏支架增加恒荷載0.13 kN/m2，經(jīng)計(jì)算，屋面檁條及剛架梁柱的部分區(qū)域不滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求，需要對屋面檁條以及剛架梁柱的局部區(qū)域進(jìn)行加固處理。對于屋面檁條，可通過在下方增加隅撐的方式進(jìn)行加固；對于梁和柱，在不滿足的區(qū)域進(jìn)行兩側(cè)貼鋼板加固。

圖5 光伏組件示意圖

在廠房東側(cè)鄰接的電氣室的外側(cè)綠化帶內(nèi)，將安裝本項(xiàng)目的升壓變壓器及并網(wǎng)設(shè)備，采用箱式變電站的形式。箱式變電站占用面積約40平方米。逆變器輸出的交流電升壓至10kV后接入高壓開關(guān)柜，再通過1回出線接入位于1期電氣室的廠區(qū)進(jìn)線10KV母排，在母排處拼裝高壓并網(wǎng)進(jìn)線柜，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。設(shè)備位置見以下示意圖，終布置以詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后出具的施工圖紙為準(zhǔn)。

另外在此區(qū)域內(nèi)已安裝有一期光伏電站的組件沖洗水箱，因此將共用沖洗水站，二期將在屋面上擴(kuò)展安裝沖洗管網(wǎng)。

圖6 平面關(guān)系示意圖

技術(shù)方案

本項(xiàng)目規(guī)模約為712.8kWp，利用廠房屋頂建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)鍵設(shè)備光伏組件、逆變器、變壓器等采用國內(nèi)產(chǎn)品。分布式光伏系統(tǒng)所發(fā)電量采用就地消納，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。本項(xiàng)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(guān)柜通過1回出線接入至廠區(qū)10KV進(jìn)線母線的用戶側(cè)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，供廠區(qū)負(fù)荷使用。結(jié)合用戶的總廠用變壓器容量（4100KVA）及一期已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行的光伏系統(tǒng)總量（1200kW）分析，光伏并網(wǎng)容量不超過廠變?nèi)萘康?0%，再根據(jù)屋面的勘查情況考慮，確定本光伏項(xiàng)目的建造容量為712.8kWp為宜。

升壓變壓器及高低壓配電設(shè)備

本項(xiàng)目配備1臺三相交流800KVA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，能效等級滿足規(guī)范要求。

變壓器一次側(cè)接入自交流匯流柜或低壓接入柜輸出的線路，交流匯流柜負(fù)荷開關(guān)兼具通斷保護(hù)功能，變壓器二次側(cè)輸出接至10KV進(jìn)回線，配備開關(guān)柜、PT柜及計(jì)量柜，采用預(yù)制艙設(shè)計(jì)安裝。開關(guān)柜輸出后經(jīng)1回10KV高壓交流電纜直接接至光伏并網(wǎng)進(jìn)線柜，進(jìn)線柜與廠區(qū)10KV進(jìn)線母線拼接，利用母排連接，具體接入方式以實(shí)際設(shè)計(jì)為準(zhǔn)。

繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置

本光伏電站內(nèi)主要電氣設(shè)備采用微機(jī)保護(hù)，以滿足信息上送。元件保護(hù)按照《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》（GB14285－2006）配置。

1）并網(wǎng)線路繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置

分布式光伏項(xiàng)目線路發(fā)生短路故障時(shí)，線路保護(hù)應(yīng)快速動(dòng)作，瞬時(shí)跳開相應(yīng)并網(wǎng)點(diǎn)斷路器，滿足全線故障快速可靠切除故障的要求。安裝光伏發(fā)電項(xiàng)目的用戶變電站10kV母線應(yīng)配置故障解列裝置，實(shí)現(xiàn)頻率電壓異常緊急控制功能，跳開相應(yīng)斷路器（開關(guān)）。

2）防孤島檢測

分布式光伏項(xiàng)目逆變器具備快速檢測孤島且監(jiān)測到孤島后立即斷開與電網(wǎng)連接的能力，其防孤島方案應(yīng)與繼電保護(hù)配置、安全自動(dòng)裝置和低電壓檢測裝置等相配合，時(shí)間上相匹配。該逆變器防孤島檢測策略應(yīng)符合電網(wǎng)的相應(yīng)規(guī)定

逆變器具備極性反接保護(hù)、短路保護(hù)、低電壓穿越、孤島效應(yīng)保護(hù)、過熱保護(hù)、過載保護(hù)、接地保護(hù)等。高壓開關(guān)柜上裝設(shè)測控保護(hù)裝置，設(shè)置過電流保護(hù)、零序過電流保護(hù)。測控保護(hù)裝置以通訊方式將所有信息上傳至光伏本地監(jiān)控系統(tǒng)。

本項(xiàng)目光伏電站在故障或異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)能夠迅速斷開與系統(tǒng)的并網(wǎng)連接,停止向電網(wǎng)送電，不會(huì)對現(xiàn)有系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

圖 7新建光伏一次圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目光伏電站配置一套綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，采用安科瑞電氣股份有限公司所提供的Acrel-Cloud1200分布式光伏電力監(jiān)控系統(tǒng)具有保護(hù)、控制、通信、測量等功能，可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)、開關(guān)站的全功能綜合自動(dòng)化管理。本項(xiàng)目逆變器、高低壓設(shè)備等狀態(tài)信號都要接入本監(jiān)控系統(tǒng)。

本項(xiàng)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(luò)結(jié)構(gòu)為開放式分層、分布式結(jié)構(gòu)。

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(dú)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(luò)失效的情況下，就地層仍能獨(dú)立完成就地各電氣設(shè)備的監(jiān)測。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過遠(yuǎn)動(dòng)工作站GPRS公網(wǎng)與上海市電力公司實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

站控層由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的服務(wù)器、操作員站、遠(yuǎn)動(dòng)站等組成，提供站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)管理控制就地層設(shè)備等功能，形成全站監(jiān)控、管理，并具備與遠(yuǎn)方控制通信的接口。

就地層設(shè)備由智能測控單元、網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成，主要電氣設(shè)備包括微機(jī)保護(hù)、防孤島保護(hù)、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(shè)備。它直接采集處理現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給站控層監(jiān)控主站，同時(shí)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，對設(shè)備進(jìn)行操作控制。

每個(gè)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(jì)量表計(jì)的數(shù)據(jù)，打包后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視。

圖 8監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

項(xiàng)目配置設(shè)備清單如下表所示：

表 方案設(shè)備列表

系統(tǒng)功能

光伏發(fā)電效率監(jiān)測

通過現(xiàn)場測控單元、數(shù)據(jù)采集器采集有關(guān)信息，進(jìn)行包括對數(shù)據(jù)合理性校驗(yàn)在內(nèi)的各種預(yù)處理，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫，其范圍包括模擬量，數(shù)字量和脈沖量等。

（1）模擬量

模擬量包括電流、電壓、有功、無功、頻率、功率因數(shù)等電量數(shù)據(jù)和日照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓等非電量數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)字量

數(shù)字量采集含逆變器運(yùn)行狀態(tài)、故障信號，開關(guān)、隔離開關(guān)以及接地刀閘的位置信號，保護(hù)動(dòng)作信號、運(yùn)行監(jiān)視信號等。

圖9 實(shí)時(shí)監(jiān)測主界面圖

分布式光伏電站運(yùn)維管理

Acrel-Cloud1200分布式光伏電力監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警處理分事故報(bào)警和預(yù)告報(bào)警。前者包括非操作引起的斷路器跳閘和保護(hù)裝置動(dòng)作信號，后者包括一般設(shè)備變位、狀態(tài)異常信息、模擬量越限/復(fù)限、計(jì)算機(jī)站控系統(tǒng)的各個(gè)部件、就地單元的狀態(tài)異常等等。

（1）事故報(bào)警

事故報(bào)警發(fā)生時(shí)，公用事故報(bào)警器將立即發(fā)出音響報(bào)警，監(jiān)控畫面上用顏色改變和閃爍表示該設(shè)備變位，同時(shí)顯示紅色報(bào)警條文，打印機(jī)打印報(bào)警條文，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置向遠(yuǎn)方控制發(fā)送報(bào)警信息。事故報(bào)警通過手動(dòng)或自動(dòng)方式確認(rèn)。

（2）預(yù)告報(bào)警

預(yù)告報(bào)警發(fā)生時(shí)，其處理方式除與事故報(bào)警處理相同外，音響和提供信息顏色可區(qū)別于事故報(bào)警。能有選擇地向遠(yuǎn)方發(fā)送信息。

圖10 報(bào)警界面圖

人機(jī)界面

能通過顯示器對主要電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，畫面支持雙屏顯示，畫面操作支持無級縮放，可以平滑漫游，具有導(dǎo)游圖功能。具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龉δ?，能對設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)著色，確定帶電設(shè)備的顏色。主要顯示畫面包括：

（1）運(yùn)行監(jiān)視圖，包括顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、各主要電氣量(電流、電壓、頻率、有功、無功)、環(huán)境數(shù)據(jù)(氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、日照強(qiáng)度等)等的實(shí)時(shí)值；

（2）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視圖，用圖形方式及顏色變化顯示出計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備配置、連接狀態(tài)；

（3）發(fā)電量實(shí)時(shí)監(jiān)視圖，通過柱狀圖及數(shù)據(jù)表直觀的查看和對比每臺逆變器實(shí)時(shí)發(fā)電量信息，同時(shí)可以通過鏈接查看和對比發(fā)電量曲線；

（4）發(fā)電單元監(jiān)控圖，顯示每個(gè)發(fā)電單元詳細(xì)信息，允許手動(dòng)控制、和調(diào)節(jié)每個(gè)發(fā)電單元運(yùn)行工況；

（5）各種保護(hù)信息及報(bào)表

（6）二次保護(hù)配置圖，反映各套保護(hù)投切情況、整定值等

（7）控制操作過程記錄及報(bào)表

（8）事故追憶記錄報(bào)告或曲線、事故順序記錄報(bào)表

（9）趨勢曲線圖、棒狀圖

（10）各種統(tǒng)計(jì)及功能報(bào)表等。

圖11 人機(jī)界面一次圖

結(jié)語

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)依靠清潔、可再生的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用，但發(fā)電量呈顯著的非穩(wěn)定特性，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益構(gòu)成了調(diào)成，因此分布式光伏項(xiàng)目并網(wǎng)時(shí)需要接受調(diào)度主站系統(tǒng)的調(diào)控，助力用戶、電網(wǎng)分布式光伏高比例有序并網(wǎng)，強(qiáng)化分布式光伏的統(tǒng)一管控，推動(dòng)分布式光伏和大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，搭建數(shù)據(jù)透明、調(diào)控便捷、能源互動(dòng)的新型分布式新能源調(diào)度管理體系。

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