多能源融合微电网群 的组网方案分析与应用

多能源融合微电网群 的组网方案分析与应用

刘胜利，彭博，曾文珺，张延

中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007

摘 要：简述了多能源融合工程的建设情况，通过对总线 形 网络、树形网络、星形网络、环形网络、网状网络 的组网方案进行了 分析，提出了最适合于多能源融合工程微电网群的组网应用方案 。 关键词：多能源融合 ；组网方案 ；单环网 中图分类号： TM73

0 引言 随着能源需求的大幅增长、传统能源的日渐枯竭以及生态环境的日益恶化，能源危机和能源污染问题日益突出，新能源的开发利用已逐渐成为事关国家安全和人民生活的重要问题。同时，随着双碳的国家发展战略提出， 新能源电力及分布式电源作为一种新型的配电结构已经得到越来越广泛的应用；而多能源融合的 微电网群 凭借风险分散、能源利用率高、节省输配电资源和运行费用等优点获得了广泛关注 [1]。多能源融合的微电网的研究越来越多，中科院电工所、中国电科院、天津大学与合肥工业大学等科研单位和高校建设了试点工程进行研究 [2 ]。各实施工程中微电网规模也越来越大，应用场景越来越多，特别是在不同场景、不同类型源网荷储组合的应用，需要有合理的组网方案设计保证能源数据的稳定可靠和实时有效传输。 1 项目建设情况 本研究结合某地区多能源融合微电网群项目展开分析与应用，该项目有光伏、风机、柴发、燃机、变电站、各直流微电网、各交流微电网、各交直混联微电网、锂电池储能、飞轮储能、钒液流储能、铅炭储能、氢燃料电池、超级电容、充电桩、移动储能车、站用电负荷、模拟负荷等元素。全站设备数量多至上千个，微电网集群数十个。 目前，国内对于传统火电站、水电站等组网方案较为成熟；各电压等级变电站组网方案基本固定，采用星形网络结构进行组网 [3 ][4 ]。为满足多能源融合工程的微电网运行需求 ，需对能源类型进行分析，组网方案进行讨论研究，提出最适合各类型工程的设计方案。 2 典型组网方案分析 目前典型的组网方式有总线形网络、树形网络、星形网络、环形网络、网状网络 。 其中总线型网络提出的时间较早，其中 CAN 总线和现场总线以前 在电力能源行业得到广泛应用 [5 ][6 ]。星型网络是目前使用较多的网络方式，尤其对传输独立性和链路负荷不能过中的变电站应用较多 [7 ]。 2 .1 总线形网络方案 图 1 总线形网络示意图 Fig.1 Schematic diagram of bus network 总线形网络 采用单根传输线作为总线，所有工作站都共用一条总线，即 所有设备连接到一条连接介质上。这种结构优点在于网络结构简单，易于网络扩展，安装和使用方便，可靠性高，易于布线和维护。缺点在于传输距离有限，故障诊断和和隔离比较困难，易发生数据碰撞，实时性不强。 该网络方案对户用风光储柴多能源的小型微电网场景下，接入设备较少、投资造价较低的情况可适用。 2.2 树形网络方案 图 2 树形网络示意图 Fig.2 Schematic diagram of tree network 树形拓扑结构从总线拓扑演变而来，也叫多星级型网络。形状像一棵倒置的树 , 顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支，树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送到全网。这种结构优点在于易于扩展，故障诊断和隔离比较容易。缺点在于对根部的可靠性依赖高。

该网络方案适用于多个相互弱联系的微电网集群场景，各微电网相互较为独立通讯。 2 .3 星形网络方案 图 3 星形网络示意图 Fig.3 Schematic diagram of star network 星型网络是一个中心，多个分节点，即网络中所有的计算机均连接至同一交换机或集线器。这种结构优点在于结构简单，连接方便，管理和维护都相对容易，而且扩展性强。网络延迟时间较小，传输速率高。缺点在于对中心依赖性高，同时共享能力较低，通信线路较多利用率不高。 星型网络是目前使用最多的网络结构，该网络方案对传输速率不低于 100Mb/s ，各链路独立性高和易于接入的变电站，较为适用。 2 .4 环形网络方案 图 4 环形网络示意图 Fig.4 Schematic diagram of ring network 环形网络是使用一个连续的环将每台设备连接在一起形成一个闭合环。这种结构优点在于传输速度快，网络结构简单。缺点在于维护困难，扩展性较差，故障诊断性较差。 该网络方案适用于能源设备类型相对单一、数量较多的微电网场景。 2 .5 网状网络方案 图 5 网状网络示意图 Fig.5 Schematic diagram of mesh network 网形网络这种网络可以保持每个节点间的连线完整，当网络拓扑中有某节点失效或无法服务时，这种架构允许使用“跳跃”的方式形成新的路由后将讯息送达传输目的地。这种结构的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响，冗余度高，容错性和灵活性非常高，故障诊断方便。但缺点是结构太复杂，成本较高，网络控制方案也复杂。 该网络方案适用于元素较多的且稳定性要求高、具有实验验证性质的大型多能源微电网集群场景。 3 组网方案分析与应用 目前典型的多能源融合微电网的元素基本为风、光、柴、热、网、储、蓄、荷，场景根据规模大小可分为以下几类： 小型微电网：户用、 办公楼、科研院所和高校 实验室搭建的 试验性 微电网，电压等级一般包含 380V,375V ， 220V 等 ； 中型微电网：企业园区、国网和南网公司搭建的示范性微电网，电压等级一般包含 10kV ， 750V ， 380V ， 375V ； 大型微电网：国家大型示范工程，容量为百兆、千兆瓦级，电压等级一般包含 220kV ， 110kV ， 35kV ， 1500V ， 750V ， 380V ， 375V 。 对于小型微电网，接入的光伏 / 风机 逆变器、热能管网控制器、电气开关保测单元、静态开关、 PCS 、 BMS 和负荷终端等数量不多。户用的应用场景约为 5 ~ 20 个设备，可采用总线 网络方式，结构简单，易于扩展，安装和使用方便，易于布线和维护； 其他应用场景约为 10 ~ 80 个设备，可采用星形网络方式，结构简单，连接方便，管理和维护都相对容易，而且对于试验性场景扩展性强，延时低，相互独立性强。 对于中型微电网，接入的设备有数百个。对于设备类型较少，且控制响应速度较快的应用场景，可采用单环形网络方式；对于设备类型多，具有多个相互联系子微电网的应用场景，可采用树状网络方式 。 对于大型微电网，接入的设备有上千个，切运行稳定性要求高。对于设备类型较少，且控制响应速度较快的应用场景，可采用双环形网络方式；对于设备类型多，具有多个相互联系子微电网的应用场景，可采用网状网络方式 。 4 结语 本研究以总线形网络、树形网络、星形网络、环形网络和网状网络 5 种典型的组网方式进行了讨论分析，并结合典型的多能源融合微电网场景，总结出适用于小 / 中 / 大型微电网的组网方案，为在多能源微电网领域的组网研究提供了一定的借鉴。 参考文献 《 关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》国家能源局 [2015]265 号 尚德华， 基于不同典型场景的智能微电网系统集成与应用 [D] 北京：华北电力大学， 2018 IEC61850 工程应用深化研究技术报告 [R ].北京：国家电网公司 ,2010 [4 ]樊陈 .智能变电站过程层组网方案分析 [J].电力系统自动化 ,2011 ,35 (18 ):67 -71 . [5 ]沈杰 .基于现场总线技术的变电站自动化系统 [J ]. 电力系统自动化 ,2000 ,24 (17 ):57 -59 . [6 ]季侃 .CAN 总线在变电站自动化系统中的应用 [J ]. 电力系统自动化 ,2002 ,26 (10 ):48 -49 . [7 ]DL/T 5149-2020 变电站监控系统设计规程 [S ]. 国家能源局， 2020 .

作者简介:刘胜利(1989—),硕士,从事继电保护、调度自动化及能源站设计工作;彭博(1989—),硕士,从事能源站设计工作；曾文珺（1994—），硕士，继电保护、调度自动化及能源站设计工作；张延(1970-)，学士，教授级高级工程师,从事系统继电保护、调度自动化及能源站研究与设计工作。