构建坚强智能电网：储能与智能配电网自动化设备的应用——北美案例介绍

文/施恩禧电气（中国）有限公司 郝 晨/

文/施恩禧电气（中国）有限公司 郝 晨/

尽管自动化以及分布式智能已经在业内推进了近20年的时间，但当人们谈论建设智能电网时，大多数人还是会仅仅想到为家庭以及商业用户安装智能电表。

在这20年的推进中，其中一个重要的创新就是“可自愈的配电网”，它指的是在配网中各智能开关和保护设备之间实时的通信，自行判断并隔离故障，而不需要通过控制中心统一调度。若在自愈系统中加入储能装置，那么，可以在电源完全消失后，由储能装置来供电，形成孤岛。

由美国能源部（U.S.Department of Energy，DOE）牵头，联合桑迪亚国家实验室（Sandia National Labs）,施恩禧电气（S&C Electric Company）以及美国电力公司（American Electric Power，AEP）在北美已经实施了多个高质量的储能项目以解决多样的配电网难题，储能示范项目的意义在于：

(1) 完成DOE将储能作为智能电网重要部分的目标；

(2) 量化将大规模兆瓦级的储能作为配电站以及配电线路的调节手段的可行性；

(3) 延缓配电站升级，起到削峰填谷的作用；

(4) 验证储能在微网中的作用，在配电网上游出现永久故障时，利用分布式储能为整个“孤岛”供电。

本文着重阐述安装在配电站或者其附近的大规模储能设备配合分布式智能系统可以大幅改善配电网的服务可靠性。

孤岛提高可靠性

孤岛是一种在断电时使用就地电源对被隔离的配电网供电的方案，这个电源可能是化石电源，也可能是利用先进技术的燃料电池或者其他储能系统。对于市电缺失，波动或者故障的配电网络来说，具备孤岛能力可以提高系统可靠性，将突发事件对系统的影响降到最低。

孤岛效应对于电力公司有着重要意义，尤其是那些频繁停电的区域。从孤岛效应中获益的区域包括：

(1) 配电线路较老较旧的负荷中心；

(2) 植被茂盛的区域（茂盛的植物接触到配电线，容易引起线路停电）；

(3) 频发极端灾害天气的区域（飓风，暴雨等）。

孤岛的经济价值

当故障发生后，智能孤岛将为配电网带来诸多的好处。

(1) 增强可靠性指数：可靠性指数包含“客户平均中断持续时间（CAIDI）”和“系统平均中断时间（SAIDI）”，它们是衡量电力系统可靠性的通用指标。孤岛可以大幅的改进这个指数，意味着更少的客户受断电影响以及缩短服务中断持续时间。

(2) 资源优化：孤岛效应可以优化重构过程，使得有限的人力以及资源可以专注于优先恢复非孤岛区域。

(3) 延缓投资：孤岛可以快速及时的解决线路的问题，从而使得为电力公司传统建设方法（新建配电站或者扩建，传输线延展，强化配电线路）赢得了时间。

孤岛的实现方法

上面介绍了孤岛带来的益处，那么随之而来的问题就是“如何切实可行的实现孤岛呢？”美国电力公司（AEP）经过分析大量数据，认为以下两种方法是实现分布式电源孤岛的可行办法：1）自适应动态孤岛(ADI，Adaptive Dynamic Islanding )；2)离散动态孤岛(DDI，Discrete Dynamic Islanding)。

自适应动态孤岛（ADI，Adaptive Dynamic Islanding）

自适应动态孤岛（ADI）依赖电力公司通过远程控制智能电表系统（AMI：Advanced Metering Infrastructure）来“接入”或者“切除”独立用户。一旦智能电表系统覆盖足够大的区域，自适应的动态孤岛的实施和控制将合理而可行。（如图1和图2）

图1 自适应动态孤岛（ADI）

图2 不同负荷状态下的自适应动态孤岛

自适应动态孤岛的理念是，当智能电表系统（AMI）得到足够的发展以及安装，电力公司可以将每一个客户的负载视为“岛”，且可以远程控制。因此，在遇到停电的情况时，可以给某些重要负载如医院，警察局以及消防队等优先恢复供电，使其免受或者少受电力问题的侵扰。

图1示意了通过电池管理系统在断电的情况下为了保证重要负载尽可能不受侵扰，对部分负荷断电或者间歇供电。

图2示意了如何通过智能管理系统来远程连接和断开独立负荷，使得储能系统利用最优化。

图3 离散动态孤岛（DDI）

在自适应动态孤岛方案（ADI）中，根据储能系统的容量情况，来调整用户数量是很容易实现的。在负荷较低时，储能系统足以支撑整个孤岛中的负荷运转。若储能系统不足以支撑整个孤岛的负荷3运转，那么可以如图2所示来选择为部分负荷供电。

因为在美国电力公司（AEP）准备实施孤岛项目的备选区域中，智能电表系统（AMI）的普及率都不足以实现自适应动态孤岛（ADI），所以美国电力公司（AEP）寻找另外一种可行的替代方案来实现对负载控制的需求。

离散动态孤岛（DDI，Discrete Dynamic Islanding）

离散动态孤岛（DDI）以远程控制部分电网（馈线）区域来替代自适应孤岛（ADI）中的独立用户控制。这种形式的孤岛使得利用现有的通信以及控制系统配合分布式智能来控制分段开关以及保护设备来隔离故障以及重构更加易于实现。美国电力公司（AEP）决定利用这种方案来评估孤岛技术的可行性。值得注意的是，在智能电表系统（AMI）存在的区域内，离散动态孤岛（DDI）作为自适应动态孤岛（ADI）的补充而存在。当上游发生故障时，这两种方法都能有效的实现孤岛。

美国电力公司（AEP）实施了3个项目来验证孤岛的可行性。本文将着重讨论Balls Gap这一案例。

孤岛项目概览

美国电力公司（AEP）选择钠硫电池（NaS）作为储能电池，并采用施恩禧电气（S&C Electric）的PureWave SMS来进行系统管理。经过慎重考虑，选择其位于西维吉尼亚（West Virginia）的Balls Gap变电站，奥黑尔的（Ohio）的Bluffton变电站和印第安纳的（Indiana）的East Busco变电站作为项目实施地。这些线路均为辐射性线路，没有备用电源，储能系统可以缓解区域的供电压力。每一套储能系统的容量为2MW/7.2MWh，可以为2MW的负荷提供约7个小时的备用电力，配合智能开关，每一处的孤岛容量可以达到2MW。

纳入到孤岛方案的配电设备包含智能分段开关以及两台智能重合器（IED，Intelligent Electronic Device）。配网自动化（DA,Distributed Automation）方案已经非常成熟了，结合孤岛应用，可以对其进行必要的改进，使其适应新的应用。此项目将深入研究孤岛结合NaS电池储能技术的相关问题，进行配合分析，加载和历史数据分析等。

Balls Gap 孤岛项目

在2009年美国电力公司（AEP）实施的三个孤岛项目中，Balls Gap是最复杂的一个，Balls Gap的辐射型线路大约有60km，电压等级为34.5kV，它穿过位于西维吉尼亚米尔顿（Milton，West Virginia）的阿帕拉挈山脉（Appalachian Mountain）东北部，所以项目的实施面临着技术以及环境的双重挑战。

因为Ball Gap 的辐射型线路，没有可用的备用电源，所以一旦发生故障，常常要停电几个小时。美国电力公司（AEP）对负荷以及历史数据的分析之后，发现大部分的停电事故都发生在图4所示的第一台重合器的下游，且负荷大概在2MVA左右，这正好与美国电力公司（AEP）计划实施的储能系统容量接近，因此Balls Gap进入了美国电力公司（AEP）的项目备选地列表，开始着手进行成本评估以及孤岛方案制定中。

尽管在Milton配电站附近没有可用的三相馈线电源可用，但是有小容量的单相电源在附近的Grassy Creek 配电站。美国电力公司（AEP）的长期目标是增加整个区域的服务可靠性，配合这一目的的一系列计划包含：1）建设新的配电站；2）升级单相馈线为三相并将Balls Gap配电站以及Grassy Creek配电站连接起来；3）从阿帕拉挈山脉架设一条138kV的13km长的的配电线。但是选址，审批以及施工通常至少要耗费4-5年的时间，而在这段时间里Balls Gap辖区的居民仍将忍受由于永久故障导致的长时间的停电。

在准备阶段，对Balls Gap的馈线系统进行的详细的分析，以确定在上游永久故障发生时，储能系统将要接纳的用户数量以及容量。图5为系统单线图。6台馈线设备（2台重合器以及4台分段开关）安装在重要的位置，用来粗略的划分储能系统的负荷。

图4 Balls Gap/Grassy Fork 线路图

图5 单线图

当第一个自动馈线设备（Sw-3）上游发生故障时，所有的下游开关将会断开失去电源，并且向其他的设备发出报告。当获知所有的开关都分闸后，PureWave SMS电能存储管理系统将会闭合连接在SW-7上的SW-1。当获知所有的设备都失去电源后，配网自动化系统（DA, Distributed Automation）将只会计量每一个开关下的负荷，以确保不超过储能系统的额定容量。

图6 a)S&C Scada-Mate Switch智能负荷开关系统b) 智能重合器系统c）智能重合器系统d）S&C PureWave SMS电能存储管理系统

当故障发生在孤岛之内时，只要故障不是发生在储能系统以及主干线之间（Sw-1；Sw-4；Sw-5），配网自动化系统（DA,Distributed Automation）判断故障位置并将其隔离，随后恢复储能系统或者Milton配电站的供电。在这种逻辑下，可以使得Milton配电站为尽可能多的负荷供电，而这是在离散式孤岛（DDI）与配网自动化系统（DA, Distributed Automation）配合下实现的，这样的应用形式增强了离散动态孤岛（DDI）的能力，更加契合用户的需求。

在美国电力公司（AEP）用了多种智能电子设备（IED，Intelligent Electronic Device）配合开放架构的分布式自动化系统（DA, Distributed Automation），见图6。包括用于NaS电池管理的PureWave SMS电能存储管理系统。

项目测试时，人为的将各个馈线开关断开来模拟断电，用以来测试储能系统以及孤岛运行能力，最终达到得了设计目标。

图7 Balls Gap储能系统（2MW/7.2MWh）

结论

在实际线路故障发生时，成功的完成了孤岛运行。在接下来的几年中美国电力公司（AEP）陆续开展了更多的项目，在孤岛（微电网）以及储能方面积累了丰富的经验。