浅谈基于 DCS的能源管理研究

黄悦

大唐宝昌燃气发电有限公司    广东深圳 518109

摘要：由于政策鼓励，连接到配电系统的分布式能源数量呈上升趋势，特别是光伏发电系统的技术愈来愈成熟，价格已相当有竞争性。为了持续满足分布式能源容量的提高，全球电力行业致力于建立共同的智能变流器功能和通讯协议等标准，以便使现有电网（发电、输电和配电）能吸纳绿色能源的并网，实现绿色能源的全部价值，并确保用户用电的电力质量和可靠度。本文介绍基于DCS的能源管理的关键要素，以及其相关技术发展和电网运转趋势，并对研究通过DCS整合各种绿色能源，从而实现对对分布式能源的监控和管理。

关键词：分布式能源、光伏发电系统、智能变流器、通讯协议

1. 前言

光伏发电系统正快速的在全球装机部署，PV技术的进步使装机成本更经济，不像风力发电，光伏发电系统常并网于配电系统上，且普及率高，而现有配电网络并非设计来适应分布式能源(DER)的高渗透率，使得电力公司在电力质量和保护系统上受到挑战。DCS系统可以将绿色能源良好的整合于传统电网中可提升并网的容量，帮助并电用户实现稳定的能源供给，还可以降低电力成本、支撑配电电压、配电运转最优、递延系统容量的升级、可靠及环保等。变流器是连接光伏发电系统到城市电网的电力电子组件。目前变流器的计算和通讯能力相对先进，因此能够执行许多功能，帮助电网稳定运行。全球电力行业目前积极定义智能变流器的常用功能和标准通讯协议，有些标准需要智能变流器具有通讯功能，以便实现远程监测与管理。智能变流器和相关的电网规范引发基于DCS的能源管理的研究。如果现场的设备要进行监视和管理，则此系统必须开发所需要的服务。有效和最优的DCS的系统需要整合电力公司的其他系统，如配电管理系统（DMS），需求反馈系统（DR），先进读表系统（AMI），以及地理信息系统（GIS）。

2. 基于DCS的能源管理系统

目前先进的变流器具高度智能化，可提供广泛的电网支持服务。现在就是住宅用的变流器也具有微处理器，可支持广泛的功能和架构，还可以支持多种通讯接口。以前由于缺乏相应的标准，各制造商只能以专有的方式支持电网，并使用专有的通讯协议，电力公司没有确实可行的办法，以利用不同变流器制造商的不同功能。由于重新设计符合标准的产品则需要时间和精力，目前一些变流器厂商正在进行这方面的努力，而其他厂商则对并网规范是否改变加以观望。

在基于DCS的能源管理系统的架构有单一的中央控制中心。在这种布置中，系统范围内的其他应用软件组件，通过统一的网络模块和DCS连接。在一些电力公司的架构中，配电管理系统在变电所中处理，而其管理规模常被限制为单一的馈线。

3. DCS系统的接口需求

3.1 现场通讯接口

在现场，DCS必须提供下游的通讯接口到绿色能源提供模块。如果绿色能源提供模块可以直接连接到DCS，这样就更加方便，否则就需要在这个之间增加自动读表系统。目前DCS和绿色能源提供模块之间支持的标准通讯协议有DNP3、IEC 61850等。

3.2 IEC61850-7-420信息模型

欧盟国家的电力公司所使用的通讯协议主要为IEC 61850。技术上IEC 61850有使用面向对象建模技术、分散与分层体系、使用抽象通讯服务接口、特殊通讯服务技术、使用MMS (Manufacturing Message Specification)技术和具有互通性等特性。

处于下游的变流器通讯模块，无论是直接或通过API的其他软件，应基于公共信息模型。为了实现通信模块的一体化，行业协会推荐国际电工委员会（IEC）的标准61850-7-420协议。IEC每隔几年修订本标准，下一次改版IEC技术报告（TR）61850-90-7已经建立完成，用来捕捉智能变流器的信息模型，并映射到适合各种场景的通讯协议。

3.3 企业整合接口

不管它是如何包装，DCS系统必须有企业的接口，允许与其他应用程序整合。企业接口应采用IEC通用信息模型（CIM）标准。全球电力行业一直在努力开发标准的企业级功能和消息相关的电力管理和监控软件。这些企业级的功能包括以下功能：分布式能源在系统模型中的表示、分布式能源群组创建与定义、分布式能源群组的管理（添加与删除）、状态监测、功能监测、调度（用于有效功率和无效功率），以及分布式能源群组发电的预测能力。

通过企业整合接口实现的DCS系统由分布在各区处的基准站以及数据库服务器和网站服务器所组成，可用来监控比对大PV发电厂的发电情形，借由比对发电量与日射量，便可得知各个太阳光电站发电效能及异常信息，借以强化我国民间光伏发电系统的发电成效。

4. DCS系统变流器功能要求架构

4.1 IEC标准功能

DCS必须能够连接和管理广泛的绿色能源类型，为了达到这个目的，绿色能源模块中的特定功能必须是已知的并且能够被由DCS理解。现有的IEC 61850-7-420协议目前可以获取设备型号，并将在下一版本中加入智能变流器内容，包括每个功能的详细描述。有关DCS变流器功能要求架构，如下所示：

架构1：固定或自我管理的变流器功能

此种变流器支持电网功能的固化，也就是设备制造商在设计时即提供这些功能，并于变流器整个服务周期是以预先的方式设置。这些功能是固定的，开箱即用不能改变。在通讯系统中的复杂性和成本方面，该选项是最低的，电力行业不需要部署通讯系统或通讯协议的规范，设备的部署和调试非常简单，在安装点不需变流器的架构设置。固定开箱即用的功能并不局限于简单的或者静态的行为，如选择电压-虚功控制或基于已知变流器的参数功能（例如，温度、电压、频率）等。动态函数也可以被固定，如动态虚功电流注入和基于时间变化率（例如，dv/dt或df/dt）的其他功能。德国是广泛使用这种方法的一个例子，无论是中压和低压系统，德国电网法规要求各种各样的变流器，需要具有设置智能变流器的功能。固定功能方法的条件为：

1. 并网规范订定的强制性，以要求制造商制造所需的功能。

2. 以建模和模拟所需的前提，广泛理解馈线类型的多样性。

3. 预先选择响应时间和暂态行为功能规范，以确保稳定性。

4. 变流器所提供支撑电网的功能，在整个生命周期是固定的，具不可重置与关掉该功能。

架构2：现场重配置和监控

此方案涉及变流器内置且通常不使用的通讯接口，但在本地可以存取。通过这些接口，变流器的各种功能可被接通/关闭和重新配置。变流器的状态和条件，也可以通过这些接口进行监测。此情况是假设任何连接到变流器的通讯不是常态的，该变流器可提供对电网的辅助功能范围也仅限于那些自主性功能。然而现在智能变流器对通用的标准功能的要求都放在需要有效的自主功能。“自主”是指变流器没有通讯连接下，或有通讯连接，但带宽有限、等待时间长，或可靠性差，因此不能依赖变流器的远程管理。

现场可重新配置的情况，与“固定功能”情况的区别是，前者可在现场将变流器的功能通过软件方式来修改，如利用软件重置工具或生产者内置的重编程序接口来修改。此种方法的实用性和经济性，主要取决于需要重新配置的单元数量，以及重新配置所需要的频率。对于稀少的重新配置，如根据使用的需要来解决意想不到的问题，则可能比较有用。

架构3：松散耦合远程控制设备

此方案涉及变流器的部署与通讯网络，它允许电力行业进行变流器远程监控和管理，此时通讯系统的利用是不频繁的，如每天、每周、季节性，或在特殊条件下，如电网处于紧急情况下才使用。

这种安排的理由有两种目的，首先，通讯系统受性能（数据传输量）的限制，使得其不可能与系统中的所有变流器频繁地进行通讯。其次，通讯系统的可靠性问题，使其无法完全被信赖。换言之，该通讯系统可以被看作是一个优化的因素，但是系统必须在没有通讯下也能良好执行。

架构4：紧密耦合远程控制设备

此方案涉及部署智能变流器连同通讯网络，其能够支撑变流器的即时管理。这意味着，数据吞吐量、时间延迟、以及所述通讯网络的可靠性，允许电力行业从一个更集中的位置，或控制实体，能经常管理变流器的设置值。“即时”的确切含义可能会从电力公司到电力公司，以及个别情况有所不同。然而，在一般情况下，即时并不意味着时间短至几周期或几秒。快速变流器可反应线路的瞬变，电压或频率的偏移，或其他快速条件，此均须由当地的变流器进行管理。此外，可取的做法是静态的曲线函数，如电压-虚功曲线和实功-频率曲线，均由本地变流器管理。

4.2 基于绿色能源规模的不同方法

电力公司对绿色能源并网规范可能会根据绿色能源的大小有所不同。较大的绿色能源管理系统可能比更小的绿色能源管理系统需要更多的要求，因较大系统的数量少，通讯系统的投资更具可行性，大系统的经济规模和每瓦成本较低，有直接存取运转数据的价值。

除前面各节中所描述的体系结构外，另有许多可能的结构，其中第三方将作为电力系统和终端设备之间的中介，目前设备制造商、监控公司和其他业者，应对这方面有广泛的兴趣。虽然这种第三方的安排具方便性和可用性，但电力公司必须了解第三方的事情情况。由于第三方可能对电力行业的监控设备有更多的经验，但其一般并不了解电网。他们的参与也可能有推动其他商业用途，例如代表资产所有者进行系统维护和诊断。电力行业的主通讯接口可能最初是提供给第三方，因此其可直接连接到终端的设备，但必须保留使用开放标准，因此需有一个开放的标准协议和功能，例如基于云端的服务，但若涉及下游专有协议和技术的系统与设备，则不推荐使用，且不应该被允许。应注意事项包括：

1. 存取成本－如果将来该直接存取选项通过使用专有的语言或技术而被阻挡，那么就没有替代第三方/云端接口的服务。即使这些服务最初是免费提供，未来成本上升的风险可能导致需要绕过第三方，直接整合到电力行业或其他第三方系统的终端设备。

2. 实用性－当只有一个供应商的云端服务或其他第三方系统参与，因容易设置和安装，是具有吸引力，但当供应商和第三方的数量和多样性上升时，则有可能变成不切实际。由于绿色能源往往是用户拥有，若连至电力系统的绿色能源品牌多样时，电力行业的控制权将会受限。如果每个存取均须通过供应商或第三方系统，也可能变得难以管理。

3. 验证－在某些绿色能源整合情况，电力行业可能需要验证从绿色能源收到的服务。计量系统，如果独立于绿色能源，可提供所需的一些验证服务，如Watt或Var数据，但是如果只有绿色能源系统（例如，变流器）可提供的其他服务，例如动态虚功电流的支撑、闪烁降低、低电压骤降穿越，或向上/向下电压调整。在这种情况下，可能需要直接进入绿色能源系统以验证该实际提供的服务，以及它们被需要的位置。

4. 长期可用性－绿色能源系统可能有很长的使用寿命，并在系统的整个生命周期有通讯接入电力公司。在整个产品的使用寿命中，供应商或通讯/聚合服务的第三方供应商可能无法执行或感兴趣于此项有风险的业务。若使用专用的通讯协议来连接现场的绿色能源系统时，则当该业务下线，电力公司就可能失去所有设备的存取。

5. 可靠性/本地使用－一些使用例，在本质上要求本地可直接存取终端设备。例如，如果本地设备或园区能源管理系统，为弹性的缘故，需要在电网断电期间能管理绿色能源系统作为独立运转的一个单元，因为本地存取可能需要。远程的云端服务通讯路径可能在事故期间无法使用。

5. 结论

通过DCS系统将绿色能源与既有电网合适的整合可获得新及有价值的益处，包括：满足区域能源自给自足目标、扩大经营的选择性和灵活性、使所有可用能源资源获得最佳利用、共享辅助服务、满足燃料供应和环保等。当绿色能源量少时可以随时并网而不需要具支撑电网功能，但当绿色能源数量增加时，绿色能源可帮助支持与稳定电网，将使绿色能源变得更有效益。在一些情况下，支持与稳定电网是自主的，从变流器初始安装时功能就设置了，其不需要任何通讯系统，但在其他情况下，则要求定期地，如季节性、每天，甚至是连续的调整参数的设置，以获得最优电网运转，此时DCS就显得是必需的。不论DCS是作为一个独立的应用或包括于其他软件来应用，均将是电力公司在运转上越来越重要的系统。绿色能源的管理可以在配电馈线层级或更广泛的全系统层面进行，或两者兼而有之。大多数与电网相连的绿色能源系统，在刚开始出现在电力系统时就需要建立基于标准架构开开发，使绿色能源今后在处理上更加实用。

绿色能源的并网整合在德国有相当的经验，风能和光伏发电的高占比导致配电系统电压质量的不断恶化，停电风险提高，以及无法充分利用风能和光伏发电资源，现在正修改并网规则、扩展电网基础设施、通过连接和运转整合分布式能源到配电系统，以实现其价值。在美国夏威夷也发生光伏发电占比过高问题，进而影响电力系统的质量与可靠度，因此各管辖区的电力政策制定者，思考开发一个整合性电网，以符合高占比绿色能源的需求，所需的相关配套措施、技术与法规政策。我国目前再生能源占比虽低，但仍应未雨绸缪，修订相关并网标准与智能变流器规范，以提升再生能源的价值。

参考文献

[1]高扬.论DCS在电厂热工控制系统中的应用与管理维护[J].中外企业家,2016,(3).99.

[2]皮博源.浅谈DCS在电厂热工控制系统中的应用与管理维护[J].科技创新与应用,2015,(19).105-107.

[3]刘波.关于电厂热工控制系统中DCS的应用研究[J].科技资讯,2014,(29).5-7.

[4]薛文栋.电厂热工控制系统中DCS的应用探析[J].科技创新与应用,2012,(34).19.

[5]陈怀波.在电厂热工控制系统中DCS的应用与管理维护[J].科技风,2019,(15).182.

[6]徐克忠,江润.核电厂DCS设备供货延误对调试活动的影响及应对策略分析[J].科技风,2013,(8).

作者简介：黄悦

性别：女  出生年月：1992-10   籍贯：广东省深圳市

职称：初级工程师    学历：本科

研究方向：集散控制系统（DCS）