智能配電網(wǎng)技術(shù)框架研究

引言

隨著全球資源環(huán)境壓力的不斷增大，社會對環(huán)境保護、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的要求日益提高，同時，電力市場化進程的不斷推進以及用戶對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求不斷提升：未來的電網(wǎng)數(shù)據(jù)量和信息量更大，需要能支持潮流和信息流的雙向流動;必須能夠提供更加安全、可靠、清潔、優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng);能夠適應(yīng)多種能源發(fā)電方式的協(xié)調(diào)運行;能夠適應(yīng)客戶自主選擇的需要，并能進一步提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用效率和社會經(jīng)濟效益，等等，因此，電力企業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)[1]。以美國和歐盟為代表的不同國家和組織不約而同地提出建設(shè)智能電網(wǎng)，將智能電網(wǎng)視為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向[2-10]，各國根據(jù)自己的國情，給智能電網(wǎng)賦予了不同的含義，但其目的都是節(jié)能減排、提高電網(wǎng)的能效和可靠性。

智能電網(wǎng)涉及電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度各個環(huán)節(jié)[11-12]，其中，配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的末端，直接與用戶相連，由于電力系統(tǒng)對用戶的供電能力和供電質(zhì)量需通過配電網(wǎng)來實現(xiàn)和保障，因此，建設(shè)智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。

1 智能配電網(wǎng)的內(nèi)涵與特征

1.1 智能配電網(wǎng)的內(nèi)涵

智能配電網(wǎng)涵蓋了配網(wǎng)自動化的全部內(nèi)容，幾乎涉及了配電系統(tǒng)一次與二次的所有技術(shù)領(lǐng)域，且支持分布式電源的大量接入和深度滲透，可實現(xiàn)與用戶的互動。智能配電網(wǎng)涵蓋面很廣，但迄今為止卻沒有一個被大家公認的統(tǒng)一而完整的定義。文獻[13]給出了智能配電網(wǎng)的核心構(gòu)件和智能配電網(wǎng)應(yīng)具備的系統(tǒng)和設(shè)備;文獻[14]強調(diào)智能配電網(wǎng)的目的是延長設(shè)備壽命，確定更換資產(chǎn)的優(yōu)先順序，降低配電網(wǎng)改造費用和防止配電網(wǎng)故障等;文獻[15]指出智能配電網(wǎng)是配電網(wǎng)高級自動化的延伸，與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的主要區(qū)別在于允許可再生能源和分布式發(fā)電單元的大量接入和微網(wǎng)運行，鼓勵各類不同電力用戶積極參與電網(wǎng)互動。目前，各國在結(jié)合本國國情建設(shè)智能配電網(wǎng)的過程中已形成了很多共識，其內(nèi)涵主要包括3個方面：①以物理實體電網(wǎng)為基礎(chǔ)，包括各種配電基礎(chǔ)設(shè)施、開關(guān)、配電終端、傳感器等;②融合了各種現(xiàn)代先進技術(shù)，如：傳感測量技術(shù)、自動化技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)等;③與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，智能配電網(wǎng)支持各種能源形式的分布式電源和電力用戶自備電源、儲能裝置、電動汽車的接入和使用，其運行方式更加靈活可調(diào)，供電安全性、可靠性和電能質(zhì)量顯著提升，提高了能源利用的社會經(jīng)濟效益。

1.2 智能配電網(wǎng)的特征

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，智能配電網(wǎng)在供電安全性、電能質(zhì)量和電網(wǎng)資產(chǎn)利用率等方面都比傳統(tǒng)配電網(wǎng)有顯著提升。智能配電網(wǎng)具有以下基本特征：

(1)信息化。信息化是實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)，指具備對配電網(wǎng)實時和非實時信息的高度集成、多方共享和深度挖掘利用的能力。電力信息化分為電力生產(chǎn)控制信息化和電力企業(yè)管理信息化兩大類。

(2)自動化。自動化是智能配電網(wǎng)發(fā)展水平的直觀體現(xiàn)，包括依靠高效的信息采集傳輸和集成應(yīng)用，實現(xiàn)配電網(wǎng)控制策略的自動優(yōu)選、運行狀態(tài)的自動監(jiān)控和故障狀態(tài)的自動恢復(fù)等。

(3)互動化?；踊侵悄芘潆娋W(wǎng)的內(nèi)在要求，指通過信息實時溝通分析，實現(xiàn)電源、電網(wǎng)和用戶資源的良性互動與高效協(xié)調(diào)，促進電能的安全、高效、清潔應(yīng)用。智能配電網(wǎng)的互動化有2層含義：①指智能配電網(wǎng)支持分布式電源的大量接入;②指電網(wǎng)與用戶之間的互動，包括支持用戶根據(jù)實時電價選擇用電時間，允許和鼓勵用戶自有分布式電源上網(wǎng)等。

1.3 我國智能配電網(wǎng)的發(fā)展目標

發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度是堅強智能電網(wǎng)的六大應(yīng)用環(huán)節(jié)，其中，智能配電的發(fā)展目標是：建成高效、靈活、合理的配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提升配電網(wǎng)的靈活重構(gòu)、潮流優(yōu)化能力和可再生能源的接納能力;實現(xiàn)分布式儲能裝置及分布式電源的兼容接入與統(tǒng)一控制;提高用戶用電的可靠性和電能質(zhì)量，提升配電網(wǎng)在緊急狀況時對主網(wǎng)的支撐能力。

2 智能配電網(wǎng)技術(shù)框架

智能配電網(wǎng)是集傳感測量、計算機、通信、信息、自動控制等領(lǐng)域新技術(shù)在配電系統(tǒng)中應(yīng)用的總和，是從提高電網(wǎng)整體性能、節(jié)省總體成本出發(fā)，將各種新技術(shù)與傳統(tǒng)的配電技術(shù)進行有機的融合，使配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及保護與運行控制方式發(fā)生革命性的變化，因此，智能配電網(wǎng)的發(fā)展需要從智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)領(lǐng)域切入，構(gòu)建符合我國發(fā)展需求的智能配電網(wǎng)技術(shù)框架。智能配電網(wǎng)的技術(shù)框架可分為如圖1所示的3個層次。

2.1 完善配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備層

結(jié)構(gòu)合理、網(wǎng)架堅強的配電網(wǎng)實體和安全經(jīng)濟、靈活可靠的智能配電裝備是智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)。但我國傳統(tǒng)配電網(wǎng)基礎(chǔ)比較薄弱，自動化程度較低，距智能配電網(wǎng)的要求存在較大的差距，所以在智能配電網(wǎng)框架最底層的設(shè)備層，需要實施和完善以下功能：①建設(shè)堅強的實體配電網(wǎng)。智能配電網(wǎng)應(yīng)改變我國配電網(wǎng)發(fā)展長期滯后、基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)狀，加強和完善配電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建成具有堅強網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng);未來的配電網(wǎng)應(yīng)能靈活應(yīng)對自然災(zāi)害等突發(fā)性事件。②實現(xiàn)配電裝備的智能化。由于傳統(tǒng)的開關(guān)、保護控制設(shè)備和配電終端不適應(yīng)智能配電網(wǎng)的需求，且分布式電源的大量接入對智能配電設(shè)備也提出了新的需求，所以智能配電網(wǎng)應(yīng)實現(xiàn)配電裝備的智能化。

為了發(fā)展配電網(wǎng)的智能應(yīng)用，實現(xiàn)上述功能，應(yīng)加強以下技術(shù)支撐點的研究：①應(yīng)在規(guī)劃流程、數(shù)學(xué)模型和規(guī)劃方法等方面有所突破，以適應(yīng)大量分布式電源的并網(wǎng)運行;②智能配電裝備既要涵蓋傳統(tǒng)二次系統(tǒng)的測控、保護、安全穩(wěn)定控制等裝置的功能，還要包括傳統(tǒng)一次系統(tǒng)的靜止補償裝置、固態(tài)開關(guān)、分布式儲能等裝置的功能。

2.2 構(gòu)建信息通信支撐的數(shù)據(jù)層

智能配電網(wǎng)需要采集大量的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和各類表計計量數(shù)據(jù)[16-17]，對于這些量大、采集點多且分散、對實時性要求高的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的信息通信體系已不能滿足要求，需應(yīng)用先進的傳感測量技術(shù)，建立統(tǒng)一的通信和信息平臺作為支撐。智能配電網(wǎng)對數(shù)據(jù)信息的管理和維護都在數(shù)據(jù)層完成，數(shù)據(jù)層是智能配電網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)庫，為配電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的電網(wǎng)業(yè)務(wù)提供更多的數(shù)據(jù)支持，所以在數(shù)據(jù)層需要對以下技術(shù)支撐點開展研究：

(1)先進的傳感測量技術(shù)。傳感測量技術(shù)可給電力系統(tǒng)運行和規(guī)劃人員提供數(shù)據(jù)支持，如功率因數(shù)、相位關(guān)系、變壓器和線路負荷、關(guān)鍵元件的溫度、停電確認、電能消費和預(yù)測數(shù)據(jù)等，應(yīng)用先進的傳感測量技術(shù)可以準確地感知電網(wǎng)的運行狀態(tài)，監(jiān)控設(shè)備的健康狀況，評估電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性等。

(2)開放的通信平臺?，F(xiàn)有配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)信息大多為從設(shè)備到調(diào)度中心單向流動，僅有少量的控制信息是從調(diào)度中心到設(shè)備，不能滿足智能電網(wǎng)雙向通信的需求，為此，建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)。構(gòu)建開放的通信平臺需要重點研究的內(nèi)容為：①開放的通信架構(gòu)，以形成一個“即插即用”的環(huán)境，使電網(wǎng)元件之間能夠進行網(wǎng)絡(luò)化的通信;②統(tǒng)一的技術(shù)標準，以使所有的傳感器、智能設(shè)備以及應(yīng)用系統(tǒng)之間無縫通信，實現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備之間、設(shè)備和系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的互操作功能。

(3)統(tǒng)一的信息平臺?，F(xiàn)有的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)模型維護不及時、彼此之間無法協(xié)調(diào)和溝通，需要建立一個信息來源更廣泛、信息量更大、支持信息雙向流動和數(shù)據(jù)共享機制的統(tǒng)一的信息平臺。

2.3 提升新技術(shù)應(yīng)用的應(yīng)用層

智能配電網(wǎng)將通過各種分析計算與仿真模擬，針對配電網(wǎng)的優(yōu)化運行、智能調(diào)度、智能控制等提供決策支持，實現(xiàn)配電網(wǎng)的優(yōu)化運行與智能控制，實現(xiàn)分布式電源/微網(wǎng)/儲能裝置的合理接入以及與用戶的良好互動，保證配電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟、環(huán)保運行。智能配電網(wǎng)最終的智能化目標是有效整合并綜合利用電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)運行信息，實現(xiàn)電力系統(tǒng)正常運行的在線監(jiān)測、優(yōu)化、預(yù)警、動態(tài)安全分析以及緊急狀態(tài)下的故障診斷隔離、協(xié)調(diào)控制、自我恢復(fù)等功能。智能配電網(wǎng)的這些功能最終將通過應(yīng)用層實現(xiàn)，所以為了滿足智能應(yīng)用的需求，還應(yīng)對以下關(guān)鍵技術(shù)開展多層次的應(yīng)用：

(1)優(yōu)化運行。優(yōu)化運行可解決含分布式電源的配電網(wǎng)安全運行與經(jīng)濟運行，可實現(xiàn)：①正常運行方式下網(wǎng)損最小化，并提高配電設(shè)備使用效率;②檢修方式下網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化;③故障方式下的快速轉(zhuǎn)供。

(2)快速仿真與模擬。配電網(wǎng)快速仿真與模擬是實現(xiàn)配電網(wǎng)自愈的重要工具，”其目的是通過配電網(wǎng)狀態(tài)估計、潮流計算、負荷預(yù)測、動態(tài)安全評估、預(yù)想事故分析等為系統(tǒng)自適應(yīng)保護、故障定位和隔離、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等及時提供決策支持，主要有2類計算：①靜態(tài)模型和動態(tài)特性相結(jié)合的分析計算;②基于信號分析的實時直接測量推算，包括實時狀態(tài)估計、潮流計算、聚合分析、短期負荷預(yù)測、預(yù)想事故分析、動態(tài)安全分析等。

(3)智能調(diào)度。智能電網(wǎng)若要支持分布式電源的大量接入及能量的雙向流動，將使得電網(wǎng)調(diào)度更為復(fù)雜，所以智能調(diào)度是未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。智能調(diào)度需要實現(xiàn)真正意義上的全電網(wǎng)狀態(tài)實時精確估計，對智能電網(wǎng)進行更為精確的調(diào)控，并加強需求側(cè)管理。

(4)智能控制。分布式電源的大量接入，使得用戶側(cè)也不再是單純的用電環(huán)節(jié)，用戶與電網(wǎng)之間的深度互動使得配電網(wǎng)的智能控制不再是一個單一目標的控制問題，智能配電網(wǎng)在保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟和優(yōu)質(zhì)運行的前提下，還要考慮節(jié)能減排、提高能源轉(zhuǎn)化效率等目標，即智能配電網(wǎng)的控制目標較傳統(tǒng)電網(wǎng)更為復(fù)雜和多樣，所以無論從控制目標、控制手段還是控制要求來講，都需在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上有所突破，以發(fā)揮智能配電網(wǎng)的優(yōu)勢。

(5)分布式電源/微網(wǎng)接入。由于配電網(wǎng)中的分布式電源靠近負荷中心，可降低電網(wǎng)輸送的容量，提高供電可靠性，因此得到廣泛采用。然而，大量的分布式電源并入中、低壓配電網(wǎng)運行，將徹底改變傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)單向潮流的特點，所以要求系統(tǒng)使用新的保護方案、電壓控制和儀表等來滿足雙向潮流的需要[17];由于分布式電源具有波動性和間歇性的特點，并入電網(wǎng)后，如果控制不當，容易對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，所以需要對分布式電源及風電功率的并網(wǎng)運行進行研究，并大力發(fā)展儲能技術(shù)。

(6)建立、完善各類標準體系[18]。在智能配電網(wǎng)建設(shè)過程中，通過完善統(tǒng)一的標準可以實現(xiàn)各類電力設(shè)施及各種新技術(shù)應(yīng)用之間的互聯(lián)互通，因此應(yīng)積極參與國際標準的研究和制定，爭取在國際標準體系中的話語權(quán)，并結(jié)合國內(nèi)電網(wǎng)現(xiàn)狀，建立一套適用性強、兼容性好的開放標準體系。

3 結(jié)語

智能配電網(wǎng)是建設(shè)智能電網(wǎng)的重點環(huán)節(jié)，建設(shè)堅強智能配電網(wǎng)需要在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、設(shè)備水平、通信技術(shù)等方面開展深入的技術(shù)研究，并結(jié)合國內(nèi)電網(wǎng)現(xiàn)狀，建立一套適用性強、兼容性好的開放標準體系。政府應(yīng)充分發(fā)揮引領(lǐng)作用，出臺積極的智能配電網(wǎng)發(fā)展政策，使智能配電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略與國家發(fā)展戰(zhàn)略及能源戰(zhàn)略相銜接，在智能配電網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)中給予產(chǎn)業(yè)政策扶持、資金扶持等，為智能配電網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造良好的外部環(huán)境。

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