微电网和DER如何最大限度地提高工业、商业设施的可持续性和恢复力

作者：Jeff Shepard

如太阳能、风能、热电联产 (CHP)、电池储能系统 (BESS)，甚至传统发电机等分布式能源资源 (DER)，都能极大地促进商业和工业设施的可持续性和恢复能力，而且将这些能源资源组合成一个微电网，通过自动化控制系统以智能方式协调、管理能源的产生、流动、存储和消耗时，效果尤其明显。

为了最大限度地提高微电网的环境和经济效益，控制器必须能够实时平衡 DER 的运行和集成，并能够管理诸如照明、供暖通风和空调 (HVAC) 系统、电动汽车 (EV) 充电和信息技术装置等智能负载，利用历史需求信息预测未来的负载状况，提供与公用电网之间的安全、高效的连接，以及利用实时能源价格数据来支持需求响应功能。

本文将回顾微电网的组成要素，介绍微电网架构，概述 IEEE 1547（该标准规定了 DER 互连的要求）和 IEEE 2030（该标准规定了描述微电网控制器功能的全面技术流程），然后探讨微电网控制器如何增强可持续性、恢复力和经济效益，最后简要介绍微电网的网络安全问题。

微电网需要什么？

微电网有许多实施方式和组成部分。要讨论微电网和 DER 如何最大限度地提高可持续性和恢复力，最好从了解微电网组件和架构的定义和一些示例开始。美国能源部 (DOE) 将微电网定义为“在明确界定的电力边界内，一组相互连接的负载和分布式能源资源，相对于电网而言，它们是单一的可控实体。微电网可以与电网连接和断开，使其能够以并网或孤岛模式运行”。

虽然微电网的定义简单明了，但在建设微电网时，需要在一系列微电网类别、运行模式和可能的子系统中进行选择；要实现微电网的最大可持续性和恢复力，需要在建筑和运行方面做出许多选择。自动化是一个重要的考虑因素。自动化子系统的示例包括（图 1）：

· 微电网内发电，包括各种不同的 DER 和 CHP
· 配电网络
· BESS
· 如 HVAC 系统、工业设施中的机器和电机等负载
· 管理电动汽车充电和车联网 (V2G) 连接
· 微电网控制器和开关柜
· 与公用电网的互联，用于并网装置

图 1：微电网可包括各种不同的 DER、CHP 和负载。（图片来源：Schneider Electric）

微电网的分类

微电网可按离网或并网进行分类：

离网设施主导型是最常见的微电网类型。使用案例包括无商业公用电网服务的偏远地区，如矿山、工业场所、山区住宅和军事基地。

偏远地区也有离网社区主导型。使用案例包括偏远村庄、岛屿和社区。虽然设施主导型微电网由单一实体控制，但社区主导型微电网必须满足一群用户的需求。这类微电网可能需要更复杂的指挥和控制系统。

并网设施只有一个所有者，且在主电网不可靠而又需要供电的地区，或在微电网所有者提供的可甩负荷和其他服务有经济激励的情况下，并网设施用于提高可靠性。使用案例包括医院、数据中心、连续加工制造厂和其他高利用率建筑。

并网社区有多个能源用户和生产商与主电网相连，并作为一个单一实体进行管理。使用案例包括企业或大学校园、村庄和小城市。这些地方可能有各种各样的能源用户、生产商和储存设施，其控制也最为复杂。

微电网有时是一座孤岛

除了讨论微电网的组成部分之外，DOE 的定义还提到了微电网在“并网模式和孤岛模式”下的运行。这些模式的定义简单明了，但实施起来却比较复杂，一些 IEEE 标准对此做了相应的规定。

IEEE 1547-2018 分布式资源与电力系统的互连标准详细介绍了 DER 与电网互连互通的技术要求。IEEE 1547 是一个不断进化的标准。IEEE 1547 的早期版本是为低 DER 渗透率水平而制定的，并未考虑 DER 对大容量电力系统潜在的区域累积影响。IEEE 1547-2018 增加了有关电压和频率调节以及穿越能力的更严格要求，以提高输电系统的可靠性。最近，又增加了 1547a-2020 修正版，以适应异常运行情况。

IEEE 2030.74 用两种稳态 (SS) 运行模式和四种转换 (T) 类型描述了微电网控制器的功能（图 2）：

· SS1 即稳态并网模式，将微电网与公用电网相连。控制器可利用微电网中的组件为电网提供诸如削峰、频率调节、无功功率支持和斜坡管理等服务。
· SS2 即稳定岛模式，也称为“孤岛”模式，是指微电网与公用电网断开并隔离运行。控制器需要平衡负载、微电网发电和储能服务，以维持微电网的稳定运行。
· T1 是指按计划从并网模式过渡到稳态孤岛模式。即使在公用电网可用的情况下，也可能会存在经济或运行方面的激励因素促使人们转而采用孤岛模式。此外，这种模式还可支持微电网运行测试。
· T2 是指从并网模式到稳态孤岛模式的非计划过渡。这类似于数据中心的不间断电源的运行，通常在主电网发生故障时投入使用。微电网可无缝断开，作为独立的电力网络运行。
· T3 指的是孤岛与公用电网的重新稳态连接。这是一个复杂的技术过程，微电网上的“电网形成”发电机会感知电网电源的频率和相位角，并在重新连接之前将微电网与主电网精确匹配。
· T4 是进入稳态孤岛模式的黑启动。在这种情况下，微电网发生故障，且必须与公用电网隔离，然后以孤岛模式重新启动。之所以出现这种情况，可能是因为微电网控制器无法通过 T2 稳定过渡来应对意外停电，也可能是孤岛无法发出足够的电能或蓄能不足以继续向所有负载供电，且必须在发电机投入前切断所有非必要负载。此外，微电网上的任何 BESS 在重新连接之前都必须至少进行部分充电。

图 2：IEEE 2030.74 要求微电网控制器能够适应两种稳态条件和四种状态之间的转换。（图片来源：National Rural Electric Cooperative Association）

实施微电网

DER 和负载的组合几乎与微电网一样多，但自动控制器和开关设备是其共同元素。在大型微电网（如上图 1 所示）中，微电网通常分为中央控制室、用于 DER 和负载的分布式开关设备，以及用于并网设计的变电站（作为微电网与公用电网之间的开关设备）。

微电网控制器需要信息，且为了最大限度地增强恢复力、可持续性，还需能够快速反应。控制器利用传感器网络实时监控 DER 和负载的运行情况。对于并网型微电网，控制器还能监控本地公用电网的状态。一旦出现异常，控制器会在几毫秒内做出反应，并向相关的 DER、负载或开关设备发送指令。

开关设备的功率从几千瓦到几兆瓦不等，需要在几毫秒内响应控制器的要求，否则可能会出现严重的故障。有些开关设备具有智能断路器，可自动运行，提供额外保护。

对于较小的装置，控制器和开关设备可合并为一个设备，有时称为能源控制中心 (ECC)。ECC 可在工厂进行预接线、组装和测试。ECC 简化并加快了微电网的安装，可管理多种能源，包括电网电力和具有优先负载的 DER。例如，Schneider Electric 为楼宇级微电网提供了 ECC 1600 / 2500 系列 ECC（图 3）。ECC 1600/2500 系列的部分功能包括：

· 可根据订单进行配置，额定功率从 100 kW 到 750 kW 不等，并可针对现有建筑或新建筑进行优化
· 可与光伏、BESS、风能、燃气和柴油发电机等多种 DER 配合使用
· 控制器可实现停电期间的恢复能力，包括将光伏发电与备用发电机或 BESS 等资源一起使用
· 自动智能计量可提供有关电能质量、能源使用和 DER 生产的信息
· 配电母线为 1,600 A 至 2,500 A 的开关设备
· 基于云的分析，最大限度地提高 DER 的恢复能力和投资收益

图 3：ECC 将微电网控制器（左）和开关设备（右）合二为一。（图片来源：Schneider Electric）

安全可靠的能源

网络安全是能源安全和恢复力的一个重要方面。国际能源机构 (IEA) 将能源安全定义为“以可承受的价格不间断地提供能源”。微电网可以极大地促进确保低成本、安全和有弹性的能源供应。

通信是微电网的基本要素。这意味着要与云进行通信，可能还需要与本地公用电网进行通信，以优化性能。此外，构成典型微电网的各种 DER 和负载来自不同的制造商，且采用不同的通信协议和技术。互联网连接和无线技术（如 Wi-Fi）几乎在所有微电网中都能看到，它们对实现最大效益至关重要。它们还支持辅助功能，如收集天气预报信息以及燃料和能源的实时价格。

确保网络安全是非常复杂的任务。除安全硬件外，还需要相应的政策、程序和人员来解决网络漏洞问题，这些漏洞可使攻击者访问敏感的网络和数据，甚至篡改控制软件，损坏微电网运行。恐怖分子只是一方面；还要考虑竞争对手或不择手段的员工。操作人员可能会出错，网络可能因软件过时而存在未知漏洞等（图 4）。对于网络安全问题，不能事后诸葛亮。必须从一开始就将其设计到微电网硬件、软件和流程的各个方面，这样才能做到有效。

图 4：人员、流程和物理安全漏洞形成的缺陷都可能成为微电网的攻击向量。（图片来源：Schneider Electric）

结语

微电网将众多 DER 和负载整合到同一个系统中，以最大限度地提高电源的可持续性和恢复力。有多种微电网架构可用来支持具体的能源和连接需求。微电网数量的不断增加和 DER 的日益普及，推动了 IEEE 1547 互联标准的演变，并使得微电网网络安全日益受到关注。