作者：Jeff Shepard

　　如太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱電聯(lián)產(chǎn) (CHP) 、電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) ，甚至傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)等分布式能源資源 (DER) ，都能極大地促進(jìn)商業(yè)和工業(yè)設(shè)施的可持續(xù)性和恢復(fù)能力，而且將這些能源資源組合成一個(gè)微電網(wǎng)，通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)以智能方式協(xié)調(diào)、管理能源的產(chǎn)生、流動(dòng)、存儲(chǔ)和消耗時(shí)，效果尤其明顯。

　　為了最大限度地提高微電網(wǎng)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，控制器必須能夠?qū)崟r(shí)平衡 DER 的運(yùn)行和集成，并能夠管理諸如照明、供暖通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電和信息技術(shù)裝置等智能負(fù)載，利用歷史需求信息預(yù)測(cè)未來(lái)的負(fù)載狀況，提供與公用電網(wǎng)之間的安全、高效的連接，以及利用實(shí)時(shí)能源價(jià)格數(shù)據(jù)來(lái)支持需求響應(yīng)功能。

　　本文將回顧微電網(wǎng)的組成要素，介紹微電網(wǎng)架構(gòu)，概述 IEEE 1547(該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 DER 互連的要求)和 IEEE 2030(該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了描述微電網(wǎng)控制器功能的全面技術(shù)流程)，然后探討微電網(wǎng)控制器如何增強(qiáng)可持續(xù)性、恢復(fù)力和經(jīng)濟(jì)效益，最后簡(jiǎn)要介紹微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。

　　微電網(wǎng)需要什么?

　　微電網(wǎng)有許多實(shí)施方式和組成部分。要討論微電網(wǎng)和 DER 如何最大限度地提高可持續(xù)性和恢復(fù)力，最好從了解微電網(wǎng)組件和架構(gòu)的定義和一些示例開(kāi)始。美國(guó)能源部 (DOE) 將微電網(wǎng)定義為“在明確界定的電力邊界內(nèi)，一組相互連接的負(fù)載和分布式能源資源，相對(duì)于電網(wǎng)而言，它們是單一的可控實(shí)體。微電網(wǎng)可以與電網(wǎng)連接和斷開(kāi)，使其能夠以并網(wǎng)或孤島模式運(yùn)行”。1

　　雖然微電網(wǎng)的定義簡(jiǎn)單明了，但在建設(shè)微電網(wǎng)時(shí)，需要在一系列微電網(wǎng)類(lèi)別、運(yùn)行模式和可能的子系統(tǒng)中進(jìn)行選擇;要實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的最大可持續(xù)性和恢復(fù)力，需要在建筑和運(yùn)行方面做出許多選擇。自動(dòng)化是一個(gè)重要的考慮因素。自動(dòng)化子系統(tǒng)的示例包括(圖 1)：

　　微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電，包括各種不同的 DER 和 CHP

　　配電網(wǎng)絡(luò)

　　貝斯

　　如 HVAC 系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)施中的機(jī)器和電機(jī)等負(fù)載

　　管理電動(dòng)汽車(chē)充電和車(chē)聯(lián)網(wǎng) (V2G) 連接

　　微電網(wǎng)控制器和開(kāi)關(guān)柜

　　與公用電網(wǎng)的互聯(lián)，用于并網(wǎng)裝置

　　圖 1：微電網(wǎng)可包括各種不同的 DER、CHP 和負(fù)載。(圖片來(lái)源：Schneider Electric)

　　微電網(wǎng)的分類(lèi)

　　微電網(wǎng)可按離網(wǎng)或并網(wǎng)進(jìn)行分類(lèi)：

　　離網(wǎng)設(shè)施主導(dǎo)型是最常見(jiàn)的微電網(wǎng)類(lèi)型。使用案例包括無(wú)商業(yè)公用電網(wǎng)服務(wù)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，如礦山、工業(yè)場(chǎng)所、山區(qū)住宅和軍事基地。

　　偏遠(yuǎn)地區(qū)也有離網(wǎng)社區(qū)主導(dǎo)型。使用案例包括偏遠(yuǎn)村莊、島嶼和社區(qū)。雖然設(shè)施主導(dǎo)型微電網(wǎng)由單一實(shí)體控制，但社區(qū)主導(dǎo)型微電網(wǎng)必須滿(mǎn)足一群用戶(hù)的需求。這類(lèi)微電網(wǎng)可能需要更復(fù)雜的指揮和控制系統(tǒng)。

　　并網(wǎng)設(shè)施只有一個(gè)所有者，且在主電網(wǎng)不可靠而又需要供電的地區(qū)，或在微電網(wǎng)所有者提供的可甩負(fù)荷和其他服務(wù)有經(jīng)濟(jì)激勵(lì)的情況下，并網(wǎng)設(shè)施用于提高可靠性。使用案例包括醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、連續(xù)加工制造廠(chǎng)和其他高利用率建筑。

　　并網(wǎng)社區(qū)有多個(gè)能源用戶(hù)和生產(chǎn)商與主電網(wǎng)相連，并作為一個(gè)單一實(shí)體進(jìn)行管理。使用案例包括企業(yè)或大學(xué)校園、村莊和小城市。這些地方可能有各種各樣的能源用戶(hù)、生產(chǎn)商和儲(chǔ)存設(shè)施，其控制也最為復(fù)雜。

　　微電網(wǎng)有時(shí)是一座孤島

　　除了討論微電網(wǎng)的組成部分之外，DOE 的定義還提到了微電網(wǎng)在“并網(wǎng)模式和孤島模式”下的運(yùn)行。這些模式的定義簡(jiǎn)單明了，但實(shí)施起來(lái)卻比較復(fù)雜，一些 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此做了相應(yīng)的規(guī)定。

　　IEEE 1547-2018 分布式資源與電力系統(tǒng)的互連標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)介紹了 DER 與電網(wǎng)互連互通的技術(shù)要求。IEEE 1547 是一個(gè)不斷進(jìn)化的標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 1547 的早期版本是為低 DER 滲透率水平而制定的，并未考慮 DER 對(duì)大容量電力系統(tǒng)潛在的區(qū)域累積影響。IEEE 1547-2018 增加了有關(guān)電壓和頻率調(diào)節(jié)以及穿越能力的更嚴(yán)格要求，以提高輸電系統(tǒng)的可靠性。最近，又增加了 1547a-2020 修正版，以適應(yīng)異常運(yùn)行情況。

　　IEEE 2030.74 用兩種穩(wěn)態(tài) (SS) 運(yùn)行模式和四種轉(zhuǎn)換 (T) 類(lèi)型描述了微電網(wǎng)控制器的功能(圖 2)：

　　SS1 即穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)模式，將微電網(wǎng)與公用電網(wǎng)相連。控制器可利用微電網(wǎng)中的組件為電網(wǎng)提供諸如削峰、頻率調(diào)節(jié)、無(wú)功功率支持和斜坡管理等服務(wù)。

　　SS2 即穩(wěn)定島模式，也稱(chēng)為“孤島”模式，是指微電網(wǎng)與公用電網(wǎng)斷開(kāi)并隔離運(yùn)行?？刂破餍枰胶庳?fù)載、微電網(wǎng)發(fā)電和儲(chǔ)能服務(wù)，以維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　T1 是指按計(jì)劃從并網(wǎng)模式過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)孤島模式。即使在公用電網(wǎng)可用的情況下，也可能會(huì)存在經(jīng)濟(jì)或運(yùn)行方面的激勵(lì)因素促使人們轉(zhuǎn)而采用孤島模式。此外，這種模式還可支持微電網(wǎng)運(yùn)行測(cè)試。

　　T2 是指從并網(wǎng)模式到穩(wěn)態(tài)孤島模式的非計(jì)劃過(guò)渡。這類(lèi)似于數(shù)據(jù)中心的不間斷電源的運(yùn)行，通常在主電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)投入使用。微電網(wǎng)可無(wú)縫斷開(kāi)，作為獨(dú)立的電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。

　　T3 指的是孤島與公用電網(wǎng)的重新穩(wěn)態(tài)連接。這是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)過(guò)程，微電網(wǎng)上的“電網(wǎng)形成”發(fā)電機(jī)會(huì)感知電網(wǎng)電源的頻率和相位角，并在重新連接之前將微電網(wǎng)與主電網(wǎng)精確匹配。

　　T4 是進(jìn)入穩(wěn)態(tài)孤島模式的黑啟動(dòng)。在這種情況下，微電網(wǎng)發(fā)生故障，且必須與公用電網(wǎng)隔離，然后以孤島模式重新啟動(dòng)。之所以出現(xiàn)這種情況，可能是因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)控制器無(wú)法通過(guò) T2 穩(wěn)定過(guò)渡來(lái)應(yīng)對(duì)意外停電，也可能是孤島無(wú)法發(fā)出足夠的電能或蓄能不足以繼續(xù)向所有負(fù)載供電，且必須在發(fā)電機(jī)投入前切斷所有非必要負(fù)載。此外，微電網(wǎng)上的任何 BESS 在重新連接之前都必須至少進(jìn)行部分充電。

　　圖 2：IEEE 2030.74 要求微電網(wǎng)控制器能夠適應(yīng)兩種穩(wěn)態(tài)條件和四種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。(圖片來(lái)源：National Rural Electric Cooperative Association2)

　　實(shí)施微電網(wǎng)

　　DER 和負(fù)載的組合幾乎與微電網(wǎng)一樣多，但自動(dòng)控制器和開(kāi)關(guān)設(shè)備是其共同元素。在大型微電網(wǎng)(如上圖 1 所示)中，微電網(wǎng)通常分為中央控制室、用于 DER 和負(fù)載的分布式開(kāi)關(guān)設(shè)備，以及用于并網(wǎng)設(shè)計(jì)的變電站(作為微電網(wǎng)與公用電網(wǎng)之間的開(kāi)關(guān)設(shè)備)。

　　微電網(wǎng)控制器需要信息，且為了最大限度地增強(qiáng)恢復(fù)力、可持續(xù)性，還需能夠快速反應(yīng)?？刂破骼脗鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控 DER 和負(fù)載的運(yùn)行情況。對(duì)于并網(wǎng)型微電網(wǎng)，控制器還能監(jiān)控本地公用電網(wǎng)的狀態(tài)。一旦出現(xiàn)異常，控制器會(huì)在幾毫秒內(nèi)做出反應(yīng)，并向相關(guān)的 DER、負(fù)載或開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)送指令。

　　開(kāi)關(guān)設(shè)備的功率從幾千瓦到幾兆瓦不等，需要在幾毫秒內(nèi)響應(yīng)控制器的要求，否則可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的故障。有些開(kāi)關(guān)設(shè)備具有智能斷路器，可自動(dòng)運(yùn)行，提供額外保護(hù)。

　　對(duì)于較小的裝置，控制器和開(kāi)關(guān)設(shè)備可合并為一個(gè)設(shè)備，有時(shí)稱(chēng)為能源控制中心 (ECC)。ECC 可在工廠(chǎng)進(jìn)行預(yù)接線(xiàn)、組裝和測(cè)試。ECC 簡(jiǎn)化并加快了微電網(wǎng)的安裝，可管理多種能源，包括電網(wǎng)電力和具有優(yōu)先負(fù)載的 DER。例如，Schneider Electric 為樓宇級(jí)微電網(wǎng)提供了 ECC 1600 / 2500 系列 ECC(圖 3)。ECC 1600/2500 系列的部分功能包括：

　　可根據(jù)訂單進(jìn)行配置，額定功率從 100 kW 到 750 kW 不等，并可針對(duì)現(xiàn)有建筑或新建筑進(jìn)行優(yōu)化

　　可與光伏、BESS、風(fēng)能、燃?xì)夂筒裼桶l(fā)電機(jī)等多種 DER 配合使用

　　控制器可實(shí)現(xiàn)停電期間的恢復(fù)能力，包括將光伏發(fā)電與備用發(fā)電機(jī)或 BESS 等資源一起使用

　　自動(dòng)智能計(jì)量可提供有關(guān)電能質(zhì)量、能源使用和 DER 生產(chǎn)的信息

　　配電母線(xiàn)為 1,600 A 至 2,500 A 的開(kāi)關(guān)設(shè)備

　　基于云的分析，最大限度地提高 DER 的恢復(fù)能力和投資收益

　　圖 3：ECC 將微電網(wǎng)控制器(左)和開(kāi)關(guān)設(shè)備(右)合二為一。(圖片來(lái)源：Schneider Electric)

　　安全可靠的能源

　　網(wǎng)絡(luò)安全是能源安全和恢復(fù)力的一個(gè)重要方面。國(guó)際能源機(jī)構(gòu) (IEA) 將能源安全定義為“以可承受的價(jià)格不間斷地提供能源”3。微電網(wǎng)可以極大地促進(jìn)確保低成本、安全和有彈性的能源供應(yīng)。

　　通信是微電網(wǎng)的基本要素。這意味著要與云進(jìn)行通信，可能還需要與本地公用電網(wǎng)進(jìn)行通信，以?xún)?yōu)化性能。此外，構(gòu)成典型微電網(wǎng)的各種 DER 和負(fù)載來(lái)自不同的制造商，且采用不同的通信協(xié)議和技術(shù)?；ヂ?lián)網(wǎng)連接和無(wú)線(xiàn)技術(shù)(如 Wi-Fi)幾乎在所有微電網(wǎng)中都能看到，它們對(duì)實(shí)現(xiàn)最大效益至關(guān)重要。它們還支持輔助功能，如收集天氣預(yù)報(bào)信息以及燃料和能源的實(shí)時(shí)價(jià)格。

　　確保網(wǎng)絡(luò)安全是非常復(fù)雜的任務(wù)。除安全硬件外，還需要相應(yīng)的政策、程序和人員來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)漏洞問(wèn)題，這些漏洞可使攻擊者訪(fǎng)問(wèn)敏感的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)，甚至篡改控制軟件，損壞微電網(wǎng)運(yùn)行?？植婪肿又皇且环矫?還要考慮競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手或不擇手段的員工。操作人員可能會(huì)出錯(cuò)，網(wǎng)絡(luò)可能因軟件過(guò)時(shí)而存在未知漏洞等(圖 4)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，不能事后諸葛亮。必須從一開(kāi)始就將其設(shè)計(jì)到微電網(wǎng)硬件、軟件和流程的各個(gè)方面，這樣才能做到有效。

　　圖 4：人員、流程和物理安全漏洞形成的缺陷都可能成為微電網(wǎng)的攻擊向量。(圖片來(lái)源：Schneider Electric)

　　結(jié)束語(yǔ)

　　微電網(wǎng)將眾多 DER 和負(fù)載整合到同一個(gè)系統(tǒng)中，以最大限度地提高電源的可持續(xù)性和恢復(fù)力。有多種微電網(wǎng)架構(gòu)可用來(lái)支持具體的能源和連接需求。微電網(wǎng)數(shù)量的不斷增加和 DER 的日益普及，推動(dòng)了 IEEE 1547 互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的演變，并使得微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全日益受到關(guān)注。