Acrel-1000系列分布式光伏監控系統

在湖北荊門晨旭智能等

屋頂光伏發電項目中應用

摘 要：隨著新能源的大規模推廣，分布式光伏在配電網中的占比持續攀升。作為電力供應的末端環節，配電網在接入高比例光伏電源時，由于光伏發電具有分散性、波動性和間歇性等特點，易引發電壓超標、潮流逆向傳輸等運行風險。分布式光伏在降低化石能源消費、促進節能減排的同時，也對配電網的安全運行提出了新的挑戰。在配電網運行中，各節點的實時負荷與分布式電源出力共同決定了系統的運行狀態。因此，在進行分布式光伏規劃時，需要對該區域的負荷特性和光伏出力特性進行準確預測，并對光伏接入可能帶來的電壓風險進行科學評估，從而制定出選址布局和容量配置方案。

關鍵詞：新能源；分布式光伏；電壓風險

1.                      概述

湖北荊門晨旭智能屋頂光伏發電項目（以下簡稱“本項目"）是響應國家“優化能源結構，提供更加清潔、可靠的能源"的號召，投資建設的分布式光伏發電應用示范項目。

本項目位于湖北荊門，利用現有廠房屋頂建設分布式光伏發電項目，總建設規模約為8080kW。通過用戶配電站接入公共電網，屬于荊門市供電公司管理范圍。

本文聚焦于光伏電站接入系統的方案論證，深入探討與之相關的繼電保護、安全自動裝置、通信及調度自動化技術方案并且制定對電壓波動風險的額技術措施。

項目現場

2.                      現有電網情況

本項目涉及的公用變電站和線路為220kV變電站和用戶自建專線，在既有的10kV用戶變電站內，近期新增了7臺10kV配電變壓器，其額定容量依次為2000kVA、1600kVA、250kVA、2000kVA、630kVA、1250kVA和1000kVA。光伏發電單元所輸出的直流電能，經逆變器轉換為交流電后，通過上述新增變壓器升壓至10kV電壓等級，并借助10kV電纜以T接方式并入220kV變電站的相應線路。截至目前，該變電站已接入及處于接入過程中的分布式電源總容量為127.1MW，而該變電站剩余的可接入容量為52.71MW，因此本期分布式電源的接入需求可得到充分滿足。

現有供電示意圖如下：

用戶配電站現供電示意

3.                      技術方案

本項目通過2個并網點上網，2個并網點的裝機容量分別為5.99MW、2.535MW（交流側）由7個光伏發電單元構成。該項目運營模式為全額上網。利用廠房屋頂建設光伏發電系統，關鍵設備光伏組件、逆變器、變壓器等采用國內產品。本項目光伏發電系統所輸出的直流電經組串式逆變器轉換成交流電后，就地升壓至10KV，經開關柜通過1回出線接入至廠區10KV進線母線的用戶側，實現并網。變電站近三年負荷平均-0.15MW，考慮主變 N-1 情況下，另一主變負載不超過80%，則該變電站可接入的分布式光伏容量為179.81MW，目前該變電站已接入及在途分布式光伏容量共 127.1W，因此剩余可接入容量 52.71MW。滿足本期接入需求。針對于光伏發電并網引起電壓偏差電能質量問題的機理采用A類電能質量在線監測裝置，對光伏發電可能引起諧波、直流分量、電壓波動和閃變、三相不平衡度、注入電網直流分量進行在線監測。

3.1.                      升壓變壓器及高低壓配電設備

本項目配備7臺三相交流2000KVA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，能效等級滿足國家規范要求。

3.2.                      繼電保護及安全自動裝置

本光伏電站內主要電氣設備采用微機保護，以滿足信息上送。元件保護按照《繼電保護和安全自動裝置技術規程》（GB14285－2006）配置。

1）線路保護

本項目為10kV并網，建議光伏開關站總出線開關建議光伏開關站總出線開關配置線路方向過流等保等護，包括三段可經復壓和方向閉鎖的過流保護，三段零序過流保護、過負荷并具備低周減載功能，以便線

路發生故障時快速切除，避免事故范圍擴大。

2）       頻率電壓異常緊急控制裝置

本項目光伏并網點斷路器要求具備失壓跳閘功能，不設重合閘，可通過逆變器內低壓保護與頻率保護實現解列，不配置獨立的安全自動裝置。裝置通過檢測系統頻率，根據系統頻率的變化按用戶設定的頻率定值，當系統頻率低于 定值時，自動切除負荷。為保證裝置可靠動作，系統正常時對低頻減載功能進行閉鎖，當系統頻率下降到一定程度時才解除閉鎖。為防止系統發生負荷反饋引起裝置誤動，采用了低電壓、欠電流和滑差閉鎖。

低電壓閉鎖判據為:Ua低于低電壓閉鎖定值，同時零序電壓3U0低于8V，或PT斷線時，閉鎖低頻減載出口。滑差閉鎖判據為:df/dt大于滑差閉鎖定值時，閉鎖低頻減載出口。欠流閉鎖判據為：三相電流Ia、Ib、Ic均低于欠流閉鎖定值時，閉鎖低頻減載出口。裝置通過檢測系統頻率，根據系統頻率的變化按用戶設定的頻率定值，當系統頻率高于定值時，自動切除負荷。

對于光伏電站，公共連接點的電壓偏差、電壓波動應滿足GB/T 12325-2008和GB/T12326-2008的規定。當電壓異常時，按照表1中要求的時間停止向電網線路送電，此處要求適用于三相系統中任何一項。其中UN為光伏電站并網點的電網標稱電壓，分閘是指異常狀態發生到逆變器停止向電網送電的時間。當頻率異常時，按照表2所表示的電網頻率偏離下運行。

表1 光伏電站在電網電壓異常時的響應要求

表2 光伏電站在電網頻率異常時的響應

頻率電壓緊急控制裝置

3）       防孤島檢測及安全自動裝置

        隨著分布式光伏發電的快速發展，越來越多的光伏電站接入電網運行。然而，當電網側因停電檢修而斷開時，若并網逆變器未能及時檢測到電網斷電而繼續向本地負荷供電，就會形成孤島效應（Islanding）。這種情況可能帶來嚴重的安全隱患和設備風險，主要表現在以下幾個方面：

1、當電網側當電網側停電檢修，若并網光伏電站的逆變器仍在繼續供電，維修人員不一定意識到分布式系統的存在，從而可能危及維修人員的安全。

2、當孤島效應發生時，負荷大于或者小于光伏發電功率，電網不能控制供電孤島的電壓和頻率，電壓幅值和頻率的漂移會對用電設備帶來破壞。

3、如果逆變器仍然在發電，由于并網系統輸出電壓和電網電壓之間產生相位差，當電網重新恢復供電時會產生浪涌電流，可能會引起再次跳閘或對分布式發電系統、負載和供電系統帶來損壞。

防孤島保護裝置是用于電力系統的一種保護裝置，主要用于發電系統中檢測和防止孤島現象的發生。孤島現象是指當電網由于故障而失去電壓時，電站仍然處于發電狀態，繼續向電網側送電。采用具備防孤島能力的逆變器，逆變器需要具備快速監測孤島且監測到孤島后立即斷開與電網連接的能力，其防孤島保護方案應與繼電保護配置、頻率電壓異常緊急控制裝置配置和低電壓穿越相配合。防孤島保護裝置主要適用于35kV、10kV及低壓380V光伏發電、燃氣發電等新能源并網供電系統。

具有：頻率保護（低頻減載/高頻保護）、頻率突變跳閘、有壓自動合閘、三段式過流保護（可經低電壓閉鎖、可帶方向閉鎖）、反時限過流保護等保護功能。

防孤島裝置

3.3.                      電能質量裝置

電能質量不僅關系到電網企業電力系統的安全經濟運行，也影響到用戶側的安全運行和產品質量。在以新能源為主體的新型電力系統建設過程中，換流器、整流器、逆變器、新能源充電樁等電子化電氣設備不斷接入電網，在為電網帶來清潔低碳的能源的同時，其引發的電能質量問題也在威脅電網的穩定安全運行。在用戶側，日益突出的電壓暫降、電壓短時中斷、電壓瞬變、閃變、諧波等問題，可直接影響用電設備的安全、可靠、連續運行，嚴重時會導致企業生產效率和產品質量下降、成本增加、計劃阻礙，造成嚴重的經濟損失。故對于用電情況的實時監測、故障預警、故障分析尤為重要。

根據《GB/T 19826-2016電能質量監測設備通用要求》，電能質量監測設備可對電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡度、諧波、間諧波、閃變、電壓暫降/暫升/短時中斷等參數進行連續跟蹤監測，為電氣事件處理（包括事前預警、事中處理、事后分析）和合理的電能質量治理提供數據支撐并且 裝置具有通訊接口，具備遠傳電能質量數據功能，電能質量數據通過綜合業務數據網上傳至電能質量檢測主站。

電能質量在線監測裝置

3.4.                      系統調度自動化

本項目采用10kV電壓等級接入電網，需配備專用的信息傳輸設備，將光伏電站的有功功率、無功功率、功率因數、逆變器運行數據、電量統計、開關及刀閘狀態、功率調節指令以及功率預測等信息實時傳輸至電網調度端。場站需要配置自動發電控制（AGC）裝置，以實現對有功功率控制指令的接收與自動執行功能；同時，需具備一次調頻能力。此外，10kV發電系統還需向調度端報送中期、短期及超短期功率預測數據。

4.                      系統結構

本項目光伏電站配置一套綜合自動化系統，采用安科瑞電氣股份有限公司所提供的Acre-l000分布式光伏電力監控系統具有保護、控制、通信、測量等功能，可實現光伏發電系統、開關站的全功能綜合自動化管理。本項目逆變器、高低壓設備等狀態信號都要接入本監控系統。

本項目光伏電站監控系統包括兩部分：站控層和就地層，網絡結構為開放式分層、分布式結構。

監控系統通過以太網與就地層相連,就地層按照不同的功能、系統劃分，以相對獨立的方式分散在逆變器區域或箱變中，在站控層及網絡失效的情況下，就地層仍能獨立完成就地各電氣設備的監測。

站控層由計算機網絡連接的服務器、操作員站、遠動站等組成，提供站內運行的人機界面，實現管理控制就地層設備等功能，形成全站監控、管理中心，并具備與遠方控制中心通信的接口。

就地層設備由智能測控單元、網絡系統通訊單元、逆變器數據采集單元、多功能電能表等構成，主要電氣設備包括微機保護、防孤島保護、電能質量在線監測裝置、故障解列裝置、多功能儀表、逆變器、箱變測控等設備。它直接采集處理現場的原始數據，通過網絡傳送給站控層監控主站，同時接收站控層發來的控制操作命令，經過有效性判斷、閉鎖檢測、同步檢測等，最后對設備進行操作控制。

每個光伏發電單元配帶無線發射功能的數據采集裝置，采集每組光伏組件數據，逆變器參數，測控裝置、智能計量表計的數據，打包后通過無線網絡傳輸給監控系統實現監視。

監控系統網絡結構

項目配置設備清單如下表所示：

表 方案設備列表

5.                      系統功能

5.1.                      電能質量管理監測

在電能質量監控系統中，用戶能夠實時查看關鍵的電能質量參數，包括電流和電壓的總有效值（RMS）、電壓波動范圍、電壓總諧波畸變率（THD）、正向與反向有功電能、有功功率以及無功功率等。這些參數為準確評估現場電能質量提供了數據支持，能夠幫助技術人員快速識別電能質量問題的根源，如電壓偏差、諧波污染或功率因數異常等。通過實時監測這些指標，運維人員可以及時發現潛在的電能質量問題，并依據具體數據制定針對性的應對策略，例如調整無功補償裝置、優化諧波濾波措施或重新配置負載，從而確保供電系統的穩定性和可靠性，保障設備的安全運行和電力供應。

電能質量監視

諧波監測

5.2.                      直流屏界面

該界面具備實時監測直流屏電參量、通信狀態及開關量狀態的功能。其核心作用在于對直流屏的運行狀態進行持續監控，以便及時捕捉異常情況并觸發報警信號，確保直流屏的穩定運行。

        直流屏一次圖

        直流屏監測

6.                      結語

分布式光伏發電作為一種新型的可再生能源發電技術，兼具環保效益與經濟發展雙重優勢。該技術的推廣應用不僅能推動社會經濟的可持續發展，還能有效降低傳統能源對生態環境的影響。隨著技術進步和政策支持，分布式光伏發電有望成為未來電力系統的重要組成部分。為確保其與配電網的協調運行，需要深入研究其對供電電壓質量的影響機制。基于研究成果，需科學規劃光伏發電的并網方案，并建立完善的管理體系，從而保障配電網在接納分布式光伏時的安全穩定運行。

參考文獻

[1] 許正梅.分布式光伏電源接入配電網對電能質量的影響及對策[D]. 華北電力大學, 2012.

[2] 張異殊.分布式光伏并網對配電網電壓影響研究[D]. 沈陽工程學院, 2019.

[3] 武立民.高滲透率分布式光伏系統同步穩定性分析與控制方法研究[D]. 沈陽工業大學, 2024.

[4] 胡善華.含高滲透率分布式光伏的有源配電網動態等值研究及應用[D]. 中國電力科學研究院, 2024.