微电网和主动配电网

第一章 分布式发电和微电网的概念

1. 微电网是一个小规模的热电联产低压供电网络，为一个小的社区供应电力或热负荷。微电网本质上是一个主动配电网，因为他是DG系统和不同负荷在配电网电压水平上的联合体。微电网必须配备电力电子接口和控制装置来提供所需要的灵活性，确保微电网作为一个单一集合系统运行，并维持规定的电能质量和能量输出。
2. 微电网和传统电网相比，关键区别如下：
   • 和传统发电厂的大型机组相比，微电网规模较小；
   • 以配电电压发出的电力可以直接馈送到主电网的配电网络；
   • 微电源通常安装在靠近用户住所地方，这样可以为用户高效地提供电/热负荷，并且频率和电压波形合格，线损微不足道；
   • 微电网技术适合为一些边远地区供电；
3. 微电网由电力电子接口来实现在独立和联网发电运行模式下的控制、计量和保护功能。这些特性还有助于微电网从一种模式无缝过渡到另一种模式。
4. 微电源控制器主要功能是独立控制微电源的潮流和负荷端的电压波形，以响应任何扰动和负荷的变化。和中央控制器没有任何通信。微电源控制器还通过储能设备参与发电经济调度、符合跟踪/管理和需求侧管理的控制。微电源控制器最大特点是能对与附近微电源控制器数据无关的本地监控电压和电流做出迅速响应。该特性使微电网可作为即插即用设备。并有利于在微电网中任意位置增加新的微电源而不影响现有单元的控制和保护。微电源控制器不会和微电网中其他的微电源控制器单独交互动作。
5. 中央控制器通过微电源控制器对微电网进行总的运行控制和保护。其目标是（1）通过功率-频率（P-f）和电压的控制维持负荷端的电压和频率；（2）确保微电网的能量优化。中央控制器还具有保护协调，提供电力调度和电压整定点。中央控制器一般自动运行，需要时可以手动控制。其中有两个主要功能模块：（1）能量管理模块（EMM） （2）保护协调模块（PCM）
6. 能量管理模块（EMM）为每个微电源控制器的有功和无功功率的输出、电压和频率提供整定点。此功能通过最先进的通信和人工智能技术协调实现。
7. 保护协调模块（PCM）以某种方式响应微电网和主电网的故障及脱网，以确保微电网正确的保护协调。PCM、微电源控制器和上级主电网控制器要有适当的通信。
   
8. 可以通过微电网互联技术为一个超大的负荷供电，每个微电网的中央控制器密切协调，因此，互联的微电网支持分布式控制结构。

第二章 分布式能源

1. 应用于分布式发电（DG）系统或微电网中的可再生或非常规发电机被称为分布式能源（DER）或微电源。
2. 热电联产系统（CHP：combined heat and power）是目前最有前景的DER，优点是利用余热节能发电。主要用于发电，中温气体用于给就近用户供暖，低温气体用于制冷。冷、热、电联产的被称为冷热电三联供或多联供系统。能源利用率超过80%，常规电厂效率为35%。CHP适用于较远距离输电，近距离供热。供热是副产品。供热主要用于大城镇、医院、监狱、炼油厂、造纸厂和工业工厂的区域供热系统。
3. 微型热电联产系统主要产品为供热，供电是副产品。无论哪种CHP，都要求离热负荷近。因为供热不方便远距离传输。 
4. 微燃机作为分布式发电（DG）系统的发电机组和热电联产（CHP）系统的发电机得到广泛普及。目前常用于作为微电网的微电源。分为单轴式和分轴式微燃机。单轴式是一个带压缩机并与涡轮机安装在同一轴上的高速同步电机。分轴式通过一个速度倍增齿轮箱与常规发电机连接。涡轮机与传统备用发电机不同，它能满足长时间运行并只需少量维护。
5. 风能转换系统主要部件为风机。风力发电机通过桨叶捕获风的动能，然后通过齿轮箱把能量传递到感应发电机侧，风力发电机驱动发电机轴产生电力。齿轮箱的作用是将风力发电机较慢的转速转换成感应发电机侧较高的转速。风力发电系统分为恒速风力发电系统和变速风力发电系统。
6. 恒速风力发电系统优点：1）有简单、坚固的结构和较高的用电效率；2）部件较少、非常可靠；3）因为没有频率变换，所以不会产生谐波；4）成本低； 缺点：1）利用风的效率较低；2）容易遭到机械硬力，噪声较大；
7. 变速风力发电系统优点：1）具有较高的能量捕集能力，承受的机械硬力少；2）较高的空气动力学效率；3）电力系统提供了有效阻尼，不需要机械阻尼系统；4）由于刚性的电气控制，不会遇到同步问题或电压暂降问题。 缺点：1）电效率低；2）成本高；
8. 光伏（PV）缺点是安装成本高，能源利用率低。输出的为直流，需要用逆变器进行直交转换。

第七章 SCADA 和 主动配电网

1. SCADA系统通常是指一个中央控制系统，它监视和控制一个完整的区段或长距离分布的系统。其主要的控制操作是由RTU和/或PLC（可编程控制器）自动执行。SCADA系统从RTU和/或PLC处获取必要的反馈信号，通过闭环控制来实现监测和控制的功能。数据采集始于RTU或PLC级的通信信号，在每次仪表读数和设备状态需要时使用。然后这些数据经过编译、处理并通过HMI提供给控制室运行人员。运行人员最终使用这些数据做出必要的监控决策来调整或取代常规的RTU和/或PLC控制，也可以将数据收集起来建立数据库管理系统（DBMS）用于趋势预测和其他的分析工作。
2. SCADA系统主要功能包括数据采集、数据存储、数据处理、远程监控、报警处理、历史数据、图形化人工界面（HMI）、紧急控制开关、需求侧管理的符合规划工具。
3. 人机界面（HMI）是一种将处理后的数据提供给操作人员进行监控操作的装置。HMI也通过DBMS系统连接到一个数据库来获取诊断数据、定期维护程序、物流信息、特定传感器或机器的详细原理图以及故障诊断专家系统指南。
4. SCADA系统由不同的DCS（分布式操作系统）组成，即智能RTU和PLC，他们在无需主机介入的情况下能够执行简单的自主逻辑流程。SCADA系统的主要组成部分：1）远方终端（RTU）；2）PLC；3）主站和HMI计算机；4）SCADA通信基础设施。
5. 远方终端RTU：RTU是一种装置，用于连接DCS或SCADA系统的实际受控对象，通过传输遥测数据到系统和/或根据从SCADA系统或DCS接收到的控制信息改变/控制对象。典型的RTU由一个可能是串口、以太网、专用的或任意组合的通信接口、一个简单的处理器、一些环境传感器、一些超控开关、与设备和/或接口板通信的设备总线或现场总线组成。接口板通常通过线路连接到物理被控对象。RTU将这些输入的数据转换成适当的标准信号，送入HMI，RTU根据SCADA或DCS系统的信号使用DO（Digit Output）板来执行任何控制开合的操作。现代RTU可以在没有DCS或SCADA系统主机介入下自主地执行简单的程序，从而为安全提供了必要的冗余度。这也意味着RTU可以在不接受中控室发来的信号情况下自主的控制当地对象。
6. 可编程控制器PLC：PLC是一种用于工业流程的电子设备，例如工厂装配线上机器的控制。PLC是一种由软件操作的数字继电器的集合。该软件存储在DRAM（动态随机存储器）或EPROM（可擦除只读存储器）。它在一个时间范围内实时产生与输入情况相对应的输出结果，来减轻进程控制中的任何故障。PLC具有专用的I/O排线连接PLC与传感器和执行器，用以读取限位开关、模拟过程变量等数据。PLC的功能包含顺序继电器控制、运动控制、流程控制、DCS、网络等。它在数据处理、存储、计算机处理能力、通信能力方面具有很好的相当于台式计算机的能力。
7. 主站和人机界面计算（HMI）：微电网SCADA主站由负责与现场设备（RTU、PLC等）通信的服务器和HMI工作站组成。对于较大的SCADA系统，主站可能包括多个服务器、分布式应用软件以及事故恢复站点。在SCADA系统中收集到的数据以模型图（线形图和原理图符号）的形式保存，通过必经的HMI计算机接口图形化显示在主站，由操作人员来获得必要的信息并进行手动控制。SCADA系统的HMI软件包通常提供一个绘图程序用于操作者或者系统维护人员在接口中对系统的图形化显示进行最优化的修正。

SCADA系统操作流程图：

RTU 和 PLC区别：（转载）

1、起源不同

   PLC起源于生产线自动化。主要应用于机械设备生产线。主要以顺序逻辑控制为主，主要的IO为DI和DO。

   RTU起源于石油天然气生产。由于石油天然气生产设备比较分布、且数量众多、环境恶劣。

2、功能不同

   PLC主要用于室内的生产线，或站控制系。

   RTU主要用于室外生产控制设备。

3、通讯能力不同

   PLC一般是单机使用，或和本系列的产品使用。和其它产品之间的通讯比较麻烦。一般只支持本公司的通讯协议。

   RTU一般做为SCADA系统的一个部分，随着系统的增大系统中可能会有不同厂家的RTU。因此要求RTU具有通用的通讯协议。同于RTU大多以无线方式与中控室通讯，因此RTU能很好的支持无线通讯设备（电台、无线以太网、GPRS、CDMA等）

4、使用场合不同

   PLC主要用于：生产线、流水线、部分厂站、配电系统、机床控制等。

   RTU主要用于：石油天然气生产、管道、城市天然气管网、供水管网、环境监测等。

第八章 分布式发电并网对电能质量和可靠性的影响

简介：

1. 配单系统与主电网之间的相互作用导致供给用户的电力的特性发生短暂的变化，这些变化通常以非常短的形式出现，或是表现为电压异常或频率方面特征。这些变化决定了供电的质量，而供电可靠性取决于中断和停电的频次。
2. 分布式发电只需要在高峰期运行，便可减少当地电力公司的“需求”收费，这种应用称为“调峰”，可通过较少高峰需求而降低用户总的能量成本。
3. 分布式发电机通过其精密的电力电子接口，可以提供电压和频率方面的高质量的优质电能。因此分布式发电适合为特别敏感的负荷供电，用户端不再需要独立的不间断电源（UPS）系统。分布式发电系统可用于提高现有配电系统中的电能质量和服务可靠性。

电能质量扰动：

1. 当电力波形的幅值和频率超过规定范围时会产生电能质量扰动，对用户造成影响。电能质量扰动分为：1）暂态；2）电压暂升和暂降；3）过电压和欠电压；4）停电；5）谐波畸变；6）电压缺口；7）闪边；8）电器噪声；
2. 几乎一半的扰动是电压突降/突升，而另一个最常见的问题是谐波畸变，接下来是设备的线路/接地问题。大多数电能质量问题并不是因为电力系统方面的原因引起的，而是由于用户自己的用电设备或者相邻用户的用电引起的。

现有电能质量改善技术：

1. 备用电源技术和功率调节技术。备用电源技术包括1）手动转换开关；2）自动转换开关；3）有源静态转换开关；功率调节技术包括1）暂态电压抑制器；2）无功补偿；3）动态电压恢复装置；4）隔离变压器；5）同步电动机-发电机组；6）不间断电源（UPS）
2. 备用电源技术：
   • 手动转换开关：需要足够的人员手动地将电源从一条馈电线路转换到另一条馈电线路。手动转换需要几分钟，避免了长时间停电。
   • 自动转换开关：当检测到主馈电线路发生故障时，就会自动切换到备用馈电线路。一次成功转换也会引起短暂的电力中断。如果从馈电是发电机，那么根据设备启动能力不同，可能需要耗费更多时间来完成转换。例如，柴油发电机启动时间为10s左右。
   • 有源静态转换开关：约4ms的超高速开关。此快速切换需要从电源准备随时带负荷。对于没有任何UPS备用的有源静态转换开关的应用来说，备用发电机是没有用的。这种情况下，主电网的备用馈电会提供所有配电层的主电网故障保护，但无法在持续的输电系统故障情况下保护用户。
3. 功率调节技术：
   • 暂态电压抑制器（TVVS）：用于防止雷击和其他电压冲击。
   • 无功补偿（VAR)：如果电网没有无功功率，会引起电网的不平衡，例如电压的突降或突升，这将引起电流过大和用户设备过热导致损坏。电压波动也会影响设备的寿命。VAR可用于恢复和保持电压稳定：
     • 同步调相机。
     • 配置在大型感性负荷附近的固定电容器组。
     • 晶闸管开关电容器（TSC）。
     • 晶闸管开关电抗器（TCR）。
     • 静止无功补偿装置（SVC）。
     • 静止同步补偿装置（STATCOM）。
     • 有缘无功补偿装置。
   • 动态电压恢复装置（Dynamic Voltage Restorer,DVR）：DVR串联在电网和受保护的负荷之间，为系统提供了足够的缓冲已度过暂时的扰动，如下降、突降及突升的电压暂态。
   • 隔离变压器：隔离变压器用于屏蔽对电磁干扰（EMI）敏感的负荷。
   • 同步电动机-发电机组：是一个线路调节器，可稳定电压并抑制噪声。
   • 不间断电源（UPS）：在双变换或优质UPS系统中，输入的交流整流成直流供给UPS内部的直流母线，输出逆变器将直流电转换为交流电对优先级的符合供电。在正常运行（电网电源可用）时，连接在直流母线上的电池浮动充电，当电网停电时，电池给直流母线供电，支持逆变器及优先级的负荷。
     • 整流器/充电器：将交流电转换成直流给电池充电，并不给低纹波直流电源逆变提供直流输入，以防止在电源中出现谐波电流畸变。
     • 逆变器：将直流电转成所需的精确的交流电，给敏感的优先级负荷供电。它通过滤波将直流转换成PWM（Pulse-Width-Modulated）波形。
     • 静态旁路开关：当系统上严重过负荷或UPS内有故障时，固态旁路开关能快速地将负荷从由电源逆变器供电转换到由旁路交流电源供电。静态旁路开关动作时不需要中断对负荷的供电。
     • 电池储能系统：当交流电源电压超出规定范围时，电池储能系统替代其用作逆变器供电的直流电源。电池为逆变器供电到主电网供电恢复或备用电源可用，如果交流电源未恢复或备用电源无法使用，电池可为负荷的有序断开提供足够的电力。