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利用IEC61850对分布式能源建模的实例分析  

2016-11-07 10:48:46|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 当前大量分布式能源(DER)连接到电网,给电网的可靠性和鲁棒性带来了负面影响,使配电系统运营商(DSO)或平衡责任方(BRP)对电网的管理更加复杂。监管部门为了加速对可再生能源技术的投资,通过长期合约制定了上网电价补贴政策,保证了大部分可再生能源可由此获益。将来如果这些上网电价补贴政策不存在了,需要研究新的场景。能源服务开放系统(OS4ES)是一个欧洲的研究项目,该项目调查基于IEC61850的新场景所需要的技术。文章介绍的欧洲OS4ES项目提出了一种使DER系统通过注册到集中器来实现提供电能服务的策略,项目开发出的模型可为正在制订中的IEC61850-90-15提供参考。

分布式能源

  0?引言

  当前大量分布式能源(DER)连接到电网,给电网的可靠性和鲁棒性带来了负面影响,使配电系统运营商(DSO)或平衡责任方(BRP)对电网的管理更加复杂。在很多电网中,光伏或风电的间歇性发电量可达装机总量的25%及以上。监管部门为了加速对可再生能源技术的投资,通过长期合约制定了上网电价补贴政策,保证了大部分可再生能源可由此获益。这一方面给DSO带来了很多问题,另一方面也对能源市场造成了干扰。

  将来如果这些上网电价补贴政策不存在了,DER业主想将电送入电网,可能需要通过电力市场以获得财政补贴。但这对于诸如屋顶光伏等小型DER系统是不现实的,因此需要研究新的场景。

  能源服务开放系统(OS4ES)项目的主要目标是调查支持新情形所需要的技术。该项目由欧盟支持,隶属FP7计划。项目参与方包括来自德国、荷兰、瑞士、西班牙、克罗地亚和希腊的工业和研究组织、通信服务提供商和配电系统运营商。

  该项目采用IEC61850国际标准作为技术基础。在2005年发布时,IEC61850是为变电站自动化系统服务的,但很快就发现该标准所定义的概念可用于电力系统自动化其他领域,可作为智能电网的关键技术使用。作为向DER的第一个扩展,IEC61850-7-420《基本通信架构-分布式能源逻辑节点》于2009年发布,主要关注从一个DER单位内部角度进行建模。IEC61850-90-7《分布式能源系统中电力换流器对象模型》于2013年发布,主要关注电力换流器与电力公司、能源服务提供商或其他实体为电压、无功、有功控制和管理而进行信息交换的功能信息模型。

  尽管IEC61850-90-7解决了与电网互联有关的建模问题,但还是有必要对DER系统与公共电网间接口给出通用模型。于是IECTC57WG17开始起草技术报告IEC61850-90-15《采用IEC61850的分布式能源集成》。该报告的目标是为DER和电网运行者间的相互作用提供通用信息模型。

  就范围而言,OS4ES项目对于正在起草中的技术报告IEC61850-90-15是有贡献的。在该报告中,会对DER系统的通用特性、电网互联约束和DER系统在所谓公共连接点(PCC)处执行的电能功能进行建模。DER系统在公共连接点处与公共电网互联。DER系统可以是小型的屋顶光伏设备,也可以是包含就地发电与负荷并且可以向公共电网提供电能的大型设备网络接口。

  1?OS4ES采用的策略

  OS4ES对用于DER电网集成新场景下的技术进行了调查,做了DER不直接参与市场而通过集中器提供服务的基本假设。分布式注册作为一个平台用于DER向集中器提供服务,这些服务可以基于DER与集中器间的长期关系,也可以是动态的短期关系,基本策略见图1。

图1DER系统、注册机和集中器间的相互作用

  DER系统将相关信息进行注册,包括在何处联网以及提供哪些功能等。DER系统会不断更新注册机中电能功能的实际数据。通过注册机,授权的集中器可以搜索到匹配的电能功能,能够与之签约或预订并最后执行。当一个电能功能或其一部分被一个特定集中器预订时,注册机会通知DER其被预订。集中器能与DER系统直接相互作用,作为相互作用的部分结果,DER将实际数据的更新及预测值发给集中器。

  图2给出了一个虚拟电厂的典型例子,集中器与多种DER系统保持长期合约。DER系统考虑了自身资源的使用、运行维护以及天气等因素,提供第二天的负荷预测。基于这些信息,集中器创建其作为虚拟电厂的第二天计划,并将计划发给各DER系统。在这个实例中,注册机主要作为一个平台用于建立集中器与DER系统间的初始关系。

图2虚拟电厂例子

  从电网紧急情况下也可导出其他用例。集中器或DSO可以通过搜索注册机来查找近期或特定区域的可用资源。在这种情况下,注册机充当了提供灵活性的平台的角色。集中器与DER之间的合约可以是有限时间的。

2?DER系统

  基于IECTC57WG17目前的讨论,将DER集成到电网的关键因素是DER系统。一个DER系统由1—n个DER单元(如PV单元、电池、热电联供)或DER单元和系统的任意组合组成。一个DER单元是一个单独应用或一组同类型DER,例如PV阵列可被看作一个DER单元。DER单元可实际生产或消耗能源,也能被DER系统访问。

  与DER单元不同,DER系统的接口是标准且通用的。为了将DER集成到电网,公共连接点(PCC)处的接口将被作为一个DER系统建模,该系统描述了PCC处的能力。DER系统和与公共电网的接口概念见图3。

分布式能源

图3DER系统概念

  在最简单的例子中,DER系统连接到公共电网可能就是当地的一个DER单元,例如一个PV单元。但它也可能是一个系统,该系统包括与PV单元配套的为了优化就地消费的电池。在这个例子中,只对DER系统在PCC所能向电网提供的或从电网所消费的信息进行建模。在最通用的例子中,可能会有作为微电网的企业电力系统(EPS),该系统包括就地发电、负荷及储能等。再次强调,DER系统是对企业电力系统与公共电网间接口特性的建模。

  3?DER系统提供的电能功能

  3.1?基本概念

  在OS4ES项目中,电能功能(在OS4ES中被称为能源服务)被理解为DER系统在PCC处可以提供的功能,例如有功、无功。一个DER系统根据其能力,可同时提供多个电能功能,所提供功能的实际值根据使用情况和预测情况而随时间改变。集中器可预订部分或全部功能,被集中器预订的功能不必马上激活:预订和合约功能能够作为控制预订。

  按照上述定义,电能功能是一个能够被集中器合约、预订和激活的消耗性资源。为了实现这些场景,需要开发DER系统和注册机的语义数据模型,需要将单个DER的复杂性隐藏起来,可能是发电机、负荷或储能设备而提供通用的和汇集的数据。此外,数据模型能够让匹配算法运行在定义清楚的数据对象上,对于给定的电网问题能够找到正确的能源功能集中方案,例如执行频率控制或电压调节。数据模型的关键元素是DER系统所提供的能源功能和相关参数。与这些功能相关的是额定参数(静态)和实际值(动态)。这些信息在注册机中保留。此外,位置和访问等通用信息也被存储。模型也包括了用于控制DER系统、维护能量预订功能的对象,以使得DER系统的部分预订和其他不必要的详细特性可以存储在注册机中。DER系统可以根据自用资源及不同功能间的相关性,基于实际状态及预测情况更新其可用功能及动态参数值。

  3.2?OS4ES的电能功能

  在图4中以UML方式展示了电能功能,可分为与有功和无功相关的功能。有功相关的功能又包括频率控制(用于一次控制)和提供灵活性的各种模型;无功相关的功能是电压自动调节(用于电压/无功控制)。

图4OS4ES的电能功能

  电能功能是从DER系统角度定义的,因此没有必要区分有功提供能力是被集中器用于发出有功还是用于提供二次控制。但是,为了提供一次控制,DER系统需要测量系统频率并自动提供相应的有功,这就是将控制能源功能作为有功控制服务辅助功能建模的原因。在无功及自动电压控制功能方面也存在同样的情况。

  电能功能建模只关心PCC处提供的信息,不考虑DER系统就地使用情况(自我消费),这意味着相关数值表示的是PCC处的净值。

  电能功能间往往是相互依赖的,如一些功能的决定完全取决于另外一些功能。只有当一定量的有功被调度计划安排后,才能提供某些电能功能(如无功、频率控制),它们都必须依赖调度、计划和有功计划的可信度。在当前电网中,这些电能功能由必须运行的电厂所提供,一般是有功。在OS4ES项目中,由于DER系统也能提供所需的功能(如通过现代换流器技术),因此可降低对必须运行电厂的要求。

  3.3?电能功能的预订

  电能功能的预订是需要的。从通用模型的角度看,DER系统所提供功能的使用者如果认为可用,可以在特定时刻保留特定量的功能。一旦电能功能被预订或部分被预订,DER系统对于预订部分就不能进行更新了。电能功能的部分预订可由OS4ES的数据模型和概念支持,但部分预订的具体含义取决于具体的电能功能。部分预订功能的实现需要DER系统每个预订部分能够独立设置。

  功能的预订能够基于计划实现。也就是说,功能使用者可以制定一个计划,说明它想从DER系统所提供的特定功能中预订什么功能。

  3.4?额定值可用性及负荷预测

  DER系统在注册机中注册时,会提供DER系统的通用信息,包括其额定参数。

  DER系统注册一个电能功能时,会提供与该功能相关的额定参数值。该功能能够在从起始时间到一个可选择的结束时间内发挥作用。如果没有设定结束时间,则该功能一直可用直到有进一步通知。如果起始时间是过去某一时刻,则意味着该功能立即可用。功能的可用性进一步受到可用性计划的限制,这些计划考虑了DER单元自身应用情况。

  当一个功能能够提供后,DER系统就能连续地更新该功能的实际参数。根据情况,一个非确定的DER系统也能像计划一样提供预测功能。

4?语义数据模型

  首先建立DER系统的语义数据模型,该模型映射到IEC61850逻辑节点。

  4.1?语义数据模型概述

  DER系统嵌在电网中的顶层视图见图5。PCC与企业电网的一个区域相关联,区域是物理系统的逻辑表示,例如当地配电网。DER系统通过PCC与企业电网连接,如果多个DER单元连接到同一个PCC,则这些DER单元可以被视作一个DER系统或多个DER系统。

图5DER系统嵌入电网结构

  DER系统的信息包括了该系统及所支持的能源功能的信息。DER系统的细节见图6,模型由DER系统特征、该系统所提供的电能服务、该系统的额定特性、实际值、负荷预测、可用性计划、要求的设点以及预订信息构成。

图6DER模型概述

  4.2?DER系统特性

  DER系统包括如下特性:①在PCC处的连接特性,如公共连接点的标识、电压水平、三相或单相连接等;②与发电、负荷及储能相关的额定值;③其他技术特性,如时间限制、通用控制与测量;④技术能力;⑤管理信息。

  技术能力是在电能功能环境下的实用性,描述了:

  1)DER系统类型:发电机、负荷、可预订的储能或混合模式。

  2)DER系统是否是确定的:典型的光伏和风电都是不确定的,这种情况下负荷预测就很重要。①DER系统能否提供自己的负荷预测;②DER系统能够接收计划;③DER系统能够接收考虑了自身消费和维护的可用性计划,该计划作为负荷预测使用。

  4.3?电能功能描述

  4.3.1?有功生产

  描述了DER系统的主要目的,即提供有功:①该功能的关键额定参数是在最差条件下所能提供的最大功率,但根据发电设备的类型,也可能包括开机后所能提供的最小功率;②该功能的实际参数值是最大功率以及在当前条件下所能提供的最小功率;③该服务可通过设点或有功计划来完成。

  4.3.2?有功负荷

  该功能是指能够通过远方不带任何限制就能控制的负荷。在实际中这种系统很少,对于这一服务,需要讨论与发电部分相同的问题。

 4.3.3?灵活性—能量通道

  如图7所示,该功能用于对带有储能能力的DER系统所提供的灵活性进行建模。

分布式能源

图7灵活性——能量通道

  在这个发电例子中,发电机带有储能,如热电联产(CHP)带有热储能。DER系统要求平均功率和储能能力(图中的ΔE)。设备按需要进行投切,发出功率在设备最大额定功率和最小额定功率之间选择,使功率保持在储能、平均功率需求和充电初始状态(发电起始点)所形成的边界内。与之类似的例子是可控负荷(如冷库)。

  带有可逆储能(如电池)的DER系统可以与带有平均能量稍低于0的DER系统(对应于储能系统损耗的部分)以同样的方式进行建模。此处的能量可以是在最小发电功率与最大发电功率之间,也可以是在最小负荷与最大负荷之间,或者将DER系统切除。

  该功能的额定值包括有功负荷的值和/或有功发电功能的值,此外还有储能能力的额定值,也包括反向储能能力的参数;实际值包括所发有功的数值和/或负荷的数值,此外也包括上文所解释的描述能量通道的数值。

  如果所提供的功能由未被集中器所预订的能量通道负荷或生产,DER系统可能需要以自身的成本进行生产/消费,并按照其能力更新启动时间和功能参数。

  对于有功生产和负荷功能,有可能是不可调度的。在这种情况下只能将其投入或切除,这需要在储能限制条件内执行。

  4.3.4?灵活性—时间可移动模式

  该能量功能描述了一个固定模式的需要被执行的负荷(也可能是发电机),如对电动汽车或洗碗机充电。额定参数描述了这种模式。在模式被中断时也可被描述,在缺省情况下其一旦启动可以一直持续到结束,中间不会被中断。

  该功能可以按最早启动时间、最晚启动时间以及最佳启动时间提供。如果该功能可被中断,那么该中断可在功能结束时间之前完成。

  该功能只能作为整体备用。如果该功能不预订,DER系统需要基于自身费用决定何时启动该模式以及去除该功能。

  4.3.5?自动频率控制

  该功能用于提供一次控制功率。DER系统可以测量频率,并根据频率偏差增加或减少功率,包括功率的上限和下限及斜率特性。该服务只由确定的DER系统提供,或者至少该服务本身是确定的。

  4.3.6?无功

  该功能用于提供无功。额定参数包括正负无功(容性或感性)的最大值、最小值。

  4.3.7?自动电压控制

  该功能提供了电压控制。系统对电压进行测量,如果电压偏移设定值,则提供无功。预测值已将DER系统的备用考虑在内。

 4.4?有功生产功能模型

  电能功能“有功生产”的完整模型概述见图8。

图8有功生产语义模型

  5?支持功能

  集中器使用DER系统与DER系统控制器交互。DER系统控制器除了控制DER系统执行所请求的功能外,还可以执行额外的支持功能。这些功能包括:①对不确定DER系统提供负荷预测;②对预订的处理;③考虑自用及可能的预订后,能源功能可用性计划。

  5.1?预测

  DER系统可以为非确定性DER功能提供负荷预测,只用于有功和无功,以电能功能相应额定值的百分比表示。

  5.2?可用性计划

  如果DER系统就地使用,电能功能在PCC处的实际值可能随时间变化。如果DER系统能够提前计划,它就能够提供可用性计划。

  6?模型的IEC61850实现

  前文描述的语义模型可以用各种IEC61850逻辑节点实现,例如:DER系统特性使用逻辑节点DDER建模;电能功能“有功生产”使用逻辑节点DSPG描述额定和实际值以及设点;有功负荷预测使用逻辑节点DFAP描述。需要注意的是这些逻辑节点的名称和细节在正式标准中可能会有所变化。图9给出了逻辑节点DSPG的定义。

  7?结语

  作为OS4ES项目的一部分,通过对DER电网集成的用例分析用以定义满足DER系统需求的语义数据模型。数据模型和算法在实验室及现场需要经过专门测试,如有必要还要进行修改。

  本文所描述的OS4ES项目所开发的语义模型及其IEC61850逻辑节点的实现可为正在制订的IEC61850-90-15提供参考。

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