0引言

出于對能源緊缺和環(huán)境保護的重視，能耗低、無污染、噪聲低的電動汽車受到愈來愈多的鼓勵和支持，但是續(xù)航里程和充電便捷性構成了純電動汽車發(fā)展的兩大瓶頸。充換電站、充電樁等充換電設施是電動汽車發(fā)展中不能缺少的基礎設施，其重要性日漸突出。城市大型充換電站高昂的前期建設成本也是阻礙電動汽車普及和發(fā)展的一個因素。與變電站相結合的建設，可以合理降低建設運營成本，為推動電動汽車的發(fā)展貢獻一份力量。光伏發(fā)電作為一種重要的綠色清潔分布式能源也逐漸由獨立系統朝大規(guī)模并網系統方向發(fā)展。同時，分布式發(fā)電具有占地小、投資少、建設周期短等特點，近些年得到了大規(guī)模的發(fā)展。本文利用變電站舊站改造的機會，在變電站中加入分布式光伏發(fā)電系統、充換電站，踐行了綠色、環(huán)保、節(jié)能的發(fā)展理念，取得了可復制推廣的建設經驗，前景十分廣闊。

1主要建設原則

我分布式光伏發(fā)電建設思路：可以根據太陽光照條件因地制宜地充分利用太陽能，當地使用、當地并網，有效解決了光伏發(fā)電的并網問題，以及長距離輸電的損耗問題。

主要電氣設備一般包括光伏電池組件、逆變器、匯流箱、交流配電柜等。通過合理布置光伏板，使光伏電池組件更好地接收太陽光照射，將太陽能轉化為直流電能。根據逆變器輸入回路MPPT及電壓、電流限制，合理對光伏電池組件組串，接入逆變器。由逆變器將直流輸入電源逆變成交流電源。逆變器輸出電源通過匯流箱、交流配電柜、變壓器等，根據分布式光伏發(fā)電量的大小，合理選擇并網電壓等級，按照就近使用的原則接入電網。充換電站建設：需要根據充電站規(guī)模合理布置充電樁車位，并設置換電池車位，更好地滿足快速充電的需求。

充換電站在建設時可綜合考慮屋面光伏的布置，在建設時增設光伏組件固定所需的基礎埋件，并滿足安裝組件設備等荷載要求，為后期組件的安裝提供便利的條件。充換電站一般選用非車載快充，需要配套建設1臺箱式配電站，10kV外接電源接至箱式配電站內10kV母線。箱式配電站內設備包括10kV進線柜、出線柜、變壓器，0.4kV進線計量柜、低壓出線柜。低壓出線柜出線至戶外落地式配電柜，由配電柜分配充電樁及其他負荷用電。因充電樁采用高頻開關整流模式，可實現有源功率因數校正功能，因此，可不單獨設置濾波裝置及無功補償。充電站內設置系統監(jiān)控、視頻監(jiān)控、火災報警等，充電機內配置交、直流電能表等計量計費裝置。

2工程概況

本文以廣州某110kV變電站改造工程為依托，在該變電站改造之際，征得相關單位同意后，合理增設充換電站并配套建設分布式光伏發(fā)電。

分布式光伏發(fā)電具體設計過程如下：

①經過現場勘測及查看首期結構資料，確定屋面荷載是否滿足本期加裝光伏板結構要求，得知充換電站及部分配電裝置樓屋面可利用面積約900m2。

②光伏組件選擇方面。通過對比幾種常用的太陽能電池，定于選用轉換效率高、性能穩(wěn)定、使用壽命長、故障率低且性價比高的容量為295Wp的單晶硅組件。

③光伏組件布置方面。光伏組件在混凝土屋面沿南北向布置，并考慮屋面建筑物光照遮擋的因素，按當地光照條件佳傾角15°安裝，以大限度地利用太陽能。屋面可安裝360塊光伏組件，實現裝機容量為106.2kW。

④逆變器的選擇方面。選用的逆變器需具有一定的環(huán)境適應能力、抗干擾能力、過載能力、功率因素調整及各種保護功能。同時，需要實現畸變小、頻率波動小、交流輸出電壓穩(wěn)定、輸出效率高；低電壓穿越能力、孤島保護、低電壓穿越、短路保護等功能，內部輸入側直流以及輸出側交流均需加裝防雷保護。外殼防護等級IP56、同時需要具備良好的環(huán)境溫度特性，即耐熱、耐雨、防老化以及高溫下較高的輸出效率。本工程選用2臺50kW逆變器，輸出380V交流電壓。

⑤配電箱的選擇方面。配電箱內部斷路器根據額定電壓、電流進行選擇，并經過短路校驗。為了保護設備在遭受雷電或其他瞬時過電壓時免于損害，內部需設置SPD防浪涌保護。同時由于避免瞬時故障導致斷路器跳閘，需設置自動重合閘電源保護器，可減少線路停電時間、次數、糾正誤跳閘，提高供電的可靠性。同時為計量光伏上網電量，需在配電箱內配置三相計量表。由于本項目裝機容量小于1MW，選擇0.4kV電壓就近接入電網系統。配電箱接至充換電站箱式配電站內0.4kV側，可實現光伏發(fā)電并網。

⑥電纜的選擇及敷設。根據線路載流量大小合理選擇電纜截面，逆變器至配電箱之間電纜選用ZR-YJV22-0.6/1kV-4×35+1×16。配電箱至光伏并網柜之間電纜選用ZR-YJV22-0.6/1kV-4×70+1×35；光伏直流電纜選用光伏線纜PV1-F-1×4mm2。組件下方的線纜，直接用扎絲綁扎在支架上，無組件的地方槽盒內敷設。在電纜槽盒內敷設的線纜在進入和引出槽盒時，需金屬管保護。槽盒內電纜有高差處，應防止電纜的拉斷，每隔1.5～2m用1～2mm厚的銅帶或鋁帶電纜卡固定1次，同時槽盒轉彎處需滿足電纜轉彎半徑的要求，并注意避免刮傷電纜防護外套，以保證電纜的安全穩(wěn)定運行。

⑦防火封堵設置。直流線纜與交流電纜分別設置獨立槽盒，同一槽盒里放置多層電纜，需用防火隔板隔開。電纜進出防火槽盒需刷防火涂料，槽盒接頭處及中間段做防火封堵。電纜進出配電柜設備底部及電纜溝、穿墻開孔處均需做好防火封堵。

⑧接地設置。屋面光伏組件支架及屋面電纜槽盒、屋面逆變器、配電箱等金屬外殼需采用50×5鍍鋅扁鋼可靠焊接，形成等電位接地網。并沿建筑物墻面向下每隔20m明敷接地引下線，引下線敷設至地面以下與建筑物水平接地網連接，并在連接處設置L=2.5m垂直接地極；使接地電阻值滿足小于4Ω。如果不能滿足，則需要增加降阻劑或將接地網引至電阻率較低的地方。

充換電站具體設計過程如下：

①根據充換電站建筑規(guī)模，共設置5個充電車位，1個換電車位；電池充電可在電荷低谷期進行，避開負荷高峰期合理降低電力成本。

②充電樁的選擇方面。為了滿足更多電動車用戶的需求，本項目選擇可以快充的落地式直流充電樁。充電樁外殼防護等級為IP54、耐熱、防潮、耐低溫、耐老化、耐撞擊，良好的絕緣特性，外殼及電纜都要具有阻燃性能。本項目選用配置5臺60kW非車載一體式充電機，充電機主要技術參數為額定功率60kW、輸出電壓350～700V、輸出電流2～120A、功率因素≥0.98、效率≥0.93.同時，充電機內配備直流電能表，電度計量表準確等級不低于1.0級同時應具備分時計費功能。

③箱式配電站的選型及布置。依據充換電站用電負荷以及光伏發(fā)電量，本工程選用1臺400kVA的干式變壓器，10kV側選用負荷開關柜配置1臺10kV進線柜、1臺出線柜，形成單母線接線。0.4kV側配置1臺進線計量柜、2臺低壓出線柜，采用固定式低壓柜單母線接線。1臺出線柜接至充電站內充電機配電柜、1臺低壓出線柜作為光伏并網柜。箱式配電站內配套設置直流屏以及DTU等二次保護及自動化設備。箱式配電站設置在充換電站旁，周圍設置護欄，外殼防護等級為IP54。 

④戶外落地式配電柜的選擇。額定輸入電壓Un=AC380V，額定輸入電流In=630A，防護等級為IP54。柜內開關設置為1進9出，根據配電設備選型原則選定各路開關大小。配電柜設置在箱式配電站旁，聯絡低壓出線柜與充電樁，為充電樁提供電源。

⑤電纜的選擇。低壓出線柜至配電柜采用2根ZR-YJV22-4×120+1×70截面電纜埋管敷設；配電柜至各充電樁電纜選用ZR-YJV22-4×35+1×16截面電纜沿電纜溝敷設；其他站用電回路電纜截面根據電流大小配置。

⑥其他配套建設內容。照明、通風、空調、充電監(jiān)控、視頻監(jiān)控、火災報警、通信等功能需同時配套建設。充換電站、分布式光伏發(fā)電接入系統配電接線圖如圖1所示。

3Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

3.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監(jiān)控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業(yè)微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發(fā)電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

3.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統監(jiān)控和能量管理需求。

4充電站微電網能量管理系統解決方案

4.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監(jiān)控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

4.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

4.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態(tài)界面

本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

4.1.3風電界面

圖12風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

4.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

4.1.5視頻監(jiān)控界面

圖14微電網視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

4.1.6發(fā)電預測

系統應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統新能源發(fā)電的集中管控。

圖15光伏預測界面

4.1.7策略配置

系統應可以根據發(fā)電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態(tài)擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

4.1.8運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

4.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

4.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

4.1.11電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發(fā)現和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

4.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

4.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

4.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的發(fā)電、用電、充放電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

4.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監(jiān)視接入系統的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

4.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖25通信管理

4.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

4.1.18故障錄波

應可以在系統發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

4.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故前面10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監(jiān)視的數據點可由用戶隨意修改。

4.2硬件及其配套產品

5結束語

本次在廣州某110kV變電站改造工程中配套建設充換電站及分布式光伏發(fā)電系統，響應了發(fā)展清潔能源政策的號召，積極發(fā)展新能源，充分利用現有變電站屋頂、充換電站車棚屋頂建設分布式光伏發(fā)電系統。分布式光伏發(fā)電可就近補償充換電站內用電，降低了光伏發(fā)電在變壓器升壓及長距離輸送中的損耗；同時，減少火力發(fā)電煤炭消耗量和二氧化碳排放量，實現能源“綠色發(fā)展"。充換電站的建設，由于充電樁選用直流快充技術，可以為電動汽車提供方便快捷的充電服務，合理緩解充電難、充電慢的問題。“變電站+分布式光伏發(fā)電+充換電站"的建設模式探索，為未來深入地研究新能源綜合建設模式提供了一個思路，建設經驗值得推廣。但在建設時，需合理評估其對電網及變電站帶來的影響，在保證電網安全穩(wěn)定的前提下，合理展開綠色建設模式的探索與實踐。

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