100%可再生能源电网的广域监控

2022-01-17 15:32 [能源要闻] 来源于：输配电世界作者：输配电世界

导读：冰岛位于北大西洋和北冰洋的交汇处，介于欧洲大陆与北美洲大陆格陵兰岛之间，孤悬于北大西洋中部。图片来源：iStock/Getty Images Plus Landsnet 是冰岛的输电系统运营商，由于独特的地理特点，冰岛电网是一个独立电网，与大陆之间没有互连。冰岛的孤网输电

冰岛位于北大西洋和北冰洋的交汇处，介于欧洲大陆与北美洲大陆格陵兰岛之间，孤悬于北大西洋中部。

图片来源：iStock/Getty Images Plus

Landsnet 是冰岛的输电系统运营商，由于独特的地理特点，冰岛电网是一个独立电网，与大陆之间没有互连。冰岛的孤网输电系统由 3270 公里（2032 英里）的架空线路和 243 公里（186 英里）的地下电缆组成，总计 75 个变电站。其中 220kV 系统的三段电缆线路位于三个发电和负荷集中区域。连接这三个地理区域的是 132 kV 输电系统，在岛屿周边形成一个环。该系统特征为连接距离长、系统电气连接较弱。

图1. 冰岛输电系统运营商 Landsnet 的 220-kV、132-kV、66-kV 和 33-kV 输电系统。

冰岛目前的发电资源是 100% 可再生能源，主要为水力发电，辅以大约 25% 的地热发电。输电网高峰负荷需求约为 2400 兆瓦，其中 80% 的发电量用于商业和工业客户。在过去的二十年里，冰岛电网的装机容量增加了一倍多。然而， Landsnet 并未强化三个负荷中心之间的电气连接，主要是考虑架空输电线路对视觉景观的影响等环境问题。

为防止潜在的可靠性问题，该公用事业公司于 2006 年开始研究并试点广域监测系统 (WAMS) 。试点项目与冰岛东部 220 kV 架空线路的建设同时进行，东部电网项目是冰岛最大的水力发电厂（690 兆瓦的 Kárahnjúkavirkjun 发电厂）和最大的电解铝工程配套项目——每年可生产电解铝 346,000 吨的美铝 Alcoa Fjarðarál 工厂，其负荷占全网负荷的四分之一。通过部署 WAMS 系统，该公用事业公司在系统的稳定性和阻尼方面得到了显着改善。因此，下一步 WAMS 应用将得到继续扩展。

系统性能

Landsnet 的输电系统经常受到极端频率波动的影响。主要源于大功率负载的跳闸（如前面提到的电解铝），或输电系统中大的发电厂事故以及架空线路上的故障等。这些事故可能会使 132 kV 环网过载，通常会导致系统分列和孤岛运行，从而增加公用事业发生发展性故障和大停电的风险。

功率振荡——即：由于弱耦合连接导致的有功功率在长输电线路上来回摆动的现象——如图2，东部电网和西部之间发生的振荡，偶尔会使输电系统失去稳定，从而导致系统解列事件。近年来，发电运营商也强烈要求 Landsnet 提供更大的区域间负荷转移能力，以优化水资源的利用。这种需求使得输电系统运营商 (TSO) 在已经接近热稳定和暂态稳定边界运行的状态下，更难保持系统的可靠性，系统稳定更容易受到干扰。

图2. Landsnet 的三个 220 kV 输电系统和环形连接的 132 kV 输电系统。

试点项目

这些潜在问题促使 Landsnet 在 2006 年开始研究 WAMS 应用。在此期间，该公用事业公司遭遇了一些无法解释的运行问题，系统中的功率和电压不稳定，用传统的监控和数据采集 (SCADA) 系统无法确定真正的故障原因，因为 SCADA 系统的采样频率仅为每 3 秒到 5 秒获取一组样本。

系统中最先安装的相量测量单元 (PMU)，每秒可提供 50 个采样值。这些采样值通过通信网络被传输到雷克雅未克 Landsnet 总部的 WAMS 系统，采样值带有全球定位系统 (GPS) 提供的统一时标。这些新数据揭示了系统的动态特性，这是该公用事业公司以前从未获得过的数据。起初，来自 PMU 的信息用于离线分析和调整环网中发电厂的电力系统稳定器 (PSS)。该公用事业公司发现系统的稳定性和阻尼有显著改善，WAMS 的测量数据提供了确切的证据。

图3. 安装了 PMU 的变电站的位置。

由于 Landsnet 发现了这项技术的巨大潜力，因此，它在其输电系统中扩大了 PMU 的部署范围。同时，还将 WAMS 应用于实时调度系统，这让电网的实时监控和运行能力得到显著提升。通过对调度员的培训，提高了他们对系统振荡和其他运行问题的认识。对系统更深入的理解提升了调度员工作效率并改善了风险应对策略。

WAMS 还增强了公用事业的故障后分析能力。WAMS 数据提供了发生系统扰动期间的详细事件时间序列，这对于过去电网调度运行系统获取的主要是来自继电器的告警和事件记录是有效的补充。同时，电网中所有新设备的接入和调试都得到了加强，避免了很多不正确的操作。

WAMS 数据一直是模型验证的重要信息来源，例如用于与电网动态仿真模型进行比较。此外，最近的一篇硕士论文研究了基于 WAMS 数据的系统自动故障报告生成工具，使用机器学习进行事件分析和分类，也实现了成功的应用。

广域监视

最初，Landsnet 安装了一套独立的 GE Digital / e-terra PhasorPoint WAMS 系统。由于 WAMS 系统的重要性不断增长，它需要更新其基础架构。现在通过与 GE 的 SCADA 能量管理系统 (EMS) 平台集成，使 WAMS 成为冗余、安全和可靠的软件架构的一部分。

目前，Landsnet 选择了多家供应商为其提供 PMU、网络设备和其他现场控制设备。所有新建和改造的变电站都必须具备独立的 PMU 或集成在智能电子设备 (IED) 中 PMU 功能，例如使用间隔控制单元（BCU）或继电保护装置。

图4. WAMS 的功能及其与 WACS 的关系示意图。

WAMS 数据还为实时自动化和控制应用提供了极大的可能性。Landsnet 一直是使用广域技术的先驱之一。2016 年，它成立了一个智能电网开发小组，专注于实施广域控制方案 (WAC)，即系统完整性保护方案（System Integrity Protection Schemes）。

广域控制方案

广域控制系统利用来自 PMU 的同步相量信号作为控制单元的输入，在系统发生扰动的情况下，这些控制单元（Landsnet 使用 GE 的 PhasorController）运行逻辑和控制算法以确定是否触发快速可控资源。Landsnet 可操控的资源如下：

» 基于晶闸管控制的电解铝负荷

» 水力和地热发电厂的发电爬坡资源

» 负荷减载

» 可受控转孤岛运行的微电网

广域控制系统的主要目标是提高系统安全性，减少频率偏差，并最大限度地减少输电系统中发生扰动的概率和影响。

最初的控制方案相对简单，主要使用区域频率和潮流测量，同时调整触发上述测量值响应的阈值。Landsnet 与 GE 公司合作，在欧盟 Horizon 2020 MIGRATE 项目上开发下一代广域控制系统，以向其他输电系统运营商证明该技术，这些公用事业公司同样面临可再生能源渗透率增加和系统惯性降低的挑战。新一代广域控制系统通过区域惯性水平——相应区域具有可测量或可估计的惯性，即：当功率不平衡（发电与负载）发生变化时，对应的频率变化的速度——频率变化率 (RoCoF)，以及故障定位和区域功率不平衡等测量来提供缓解系统扰动的最佳控制响应。

广域控制系统可以在事件发生后 300 毫秒左右触发响应，而 100 毫秒是当前网络基础设施中的固有的通信延迟。通过事后分析，不可否认，新的广域控制系统对系统运行起到了显著的改善作用。然而，在较长时间尺度内的总体系统扰动统计数据却很难量化其优势。

通过比较广域控制系统实施前后几乎相同的扰动事件，最大频偏降低了 16%。据估计，在所有记录的系统扰动中，如果没有安装广域控制系统，则 132 kV 环形输电系统会增加 30% 到 40% 的过载或孤岛事件。

电网数字化

Landsnet 现在还专注于电网数字化，它做出了一项雄心勃勃的决定，即所有新建和改造的变电站都要采用 IEC 61850 实现完全数字化。该公用事业公司已经实施了基于 IEC61850 通用面向对象变电站事件 (GOOSE) 的继电保护和 WACS GOOSE 控制。它向数字变电站的过渡将进一步提高对变电站间通信的要求。因此，充分利用 IEC 61850 控制和保护功能将扩展智能电网开发的可能性，提高输电系统和客户的灵活性。

图5. 2015-2020 年 Landsnet 智能电网项目。

Landsnet 将继续从事数字化开发，并寻求部署智能电网解决方案的方法，因为与其他投资相比（例如电池储能和同步调相机），它们已被证明在输电系统运营和成本方面是有效的。该公用事业公司的目标是在最新的控制和通信技术的帮助下，利用已经连接到输电系统的资源，最大限度地利用资产。

针对这一目标，在项目实施时，已经考虑到了运营支持，而没有考虑市场补偿机制。Landsnet 现在正致力于为此类快速频率响应提供商开发一种新的辅助服务和结算格式，以增加可用响应量并进一步提高输电系统的整体稳定性和可靠性。这项服务将适用于发电和负荷双方。

未来广域控制系统的版图上还有更多的想法。例如，随着冰岛数据中心数量的增加，正在研究新的负荷控制理念。广域振荡和不稳定性检测也是正在探索的主题之一，因为它对于缓解 132 kV 环形电网连接的几个惯性中心稳定性问题具有重要价值。Landsnet 和其他参与这一数字化转型的公用事业公司的未来是绿色的、电气化的，充满了机遇。

系统可见性

WAMS 的引入让 Landsnet 大开眼界，WAMS 使公用事业公司第一次可以动态查看有关系统稳定性问题的详细信息。WAMS 迅速成为监控和运行输电系统的基本工具。它还使 Landsnet 能够改进流程并确定缓解系统扰动风险的措施，以提高系统的稳定性和安全性。WAMS 的成功部署让公用事业公司不仅将广域技术用于监测，使用该技术还可以被用来设计和实施广域控制系统，以实现自动响应，以减轻系统扰动的影响。当 Landsnet 的系统运行人员在被问及使用 WAMS 之前是什么感觉时，他们将其描述为“在没有前灯的黑暗中驾驶汽车”。

图6. Landsnet 的两年至五年计划中，数字变电站项目的位置。

致谢

作者首先向 Landsnet 的 Ragnar Gu?mannsson 和 GE Digital 的 Douglas Wilson 在准备本文时提供的技术支持和建议表示感谢。此外，Landsnet 和作者希望对大型电力客户 Nor?urál铝业、力拓 Rio Tinto ISAL、美铝 Alcoa Fjar?arál 和 Landsvirkjun 发电公司愿意参与广域电网控制系统试验表示感谢。

Birkir Heimisson (birkirh@landsnet.is) 2011 年获得冰岛大学电气工程学士学位，2014 年获得查尔姆斯大学电力工程硕士学位。他于 2014 年加入 Landsnet，担任电网调度员。在系统运行方面，他领导智能电网开发，重点关注广域测量和控制。此外，Heimisson 还是 Landsnet 在欧盟 Horizon 2020 MIGRATE 项目中的工作组负责人。2019 年，他转入研发领域，专注于数字变电站实施和智能电网开发。

（编辑：东北亚）

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