智能电网环境下配电运行与控制的新问题

智能电网环境下配电运行与控制的新问题

沈绍博 SX1303167 自动化学院

摘要：随着社会经济的快速发展以及人民生活水平的逐步提高，对电网安全稳定运行、电能质量及供电优质服务工作的要求越来越高。智能电网已成为近年来国内外有关未来电网发展趋势的热门话题。作为完成电力输送和分配的最后一个步骤，配电网的自动化水平越高，电能质量、供电可靠性以及电网运行的效率也就越高。我国从上世纪九十年代后期开展了配电自动化工作以来,多数早期建设的配电自动化系统没有发挥应有的作用。本文介绍了近年来智能电网环境下配电自动化过程中出现的新问题。

关键词：智能电网，智能配电，配电自动化

一、绪论

近年来，与我们生活息息相关的电力系统正面临着越来越多的挑战，其中包括全球暖化、能源压力和生态文明意识的提升，以及数字化社会对供电可靠性和电能质量的严格要求。为此，在北美和欧洲已经形成了强大的研究群体，开展“智能电网”的研究和实践。“智能电网”指的是现代化的电力供应系统，它能够监控、保护和自动优化其内部互联元件的运行。这些“互联元件”包括，从集中的和分布式的发电机，通过输、配电系统，到工业用户和楼宇自动化系统、储能装置、终端用户及其温控装置、电动汽车及电器设施等。

智能电网拥有双向流动的电力潮流和数字信息流，是高度自动化的和分布广泛的电能供应网络。它利用遍及系统的双向通信、高级传感器、电力电子装置、自动化设备和分布式计算以实时优化系统的运行和资源运用。

目前智能电网的相关研究主要体现在 4 个方面，包括高级量测体系(AMI)、高级配电运行(ADO)、高级输电运行(ATO)和高级资产管理(AAM)。其中：AMI 的主要功能是授权用户，使系统同负荷建立起联系，使用户能够支持电网的运行；ADO 可以使电网实现自愈功能；ATO 强调阻塞管理，并降低大规模停运的风险；AAM 与 AMI、ADO 和 ATO 的集成将大大改进电网的运行和资产使用效率。

我国也出于未来全面建设和谐社会、小康社会的考虑以及数字化时代对电力供应的更高要求，结合我国电网建设的实际情况和一次能源、可再生能源的分布状况，提出建设有别于美国和欧洲的、概念和体系更加完整的“ 坚强智能电网” ，并正在进行一些初步的研究和规划工作，以解决电网的安全稳定运行、配电网可靠供电、可再生能源的充分利用、电力企业资产和运营管理、电网抗攻击能力、电力市场化等领域内的一系列问题。

由于历史上电力工业发展的各种原因，我国配电网的发展明显滞后于发电、输电。目前用户停电95％以上是由配电系统原因引起的，电网有一半的损耗发生在配电网，我国配电网的自动化、智能化程度以及自愈和优化运行能力远低于输电网，配电网急需解决以下新的问题：

a．配电网优化运行和自愈控制问题； b．分布式发电对配电网的影响问题；

c．支持可再生能源发电的政策和市场运行问题； d．配电阻塞问题；

e．负荷模式的转变问题。

二、智能配电技术概述

智能配电网就是以配电网高级自动化技术为基础，通过应用和融合先进的测量和传感技 术、控制技术、计算机和网络技术、信息与通信等技术，利用智能化的开关设备、配电终端设备，在坚强电网架构和双向通信网络的物理支持以及各种集成高级应用功能的可视化软件支持下，允许可再生能源和分布式发电单元的大量接入和微网运行，鼓励各类不同电力用户积极参与电网互动，以实现配电网在正常运行状态下完善的监测、保护、控制、优化和非正常运行状态下的自愈控制，最终为电力用户提供安全、可靠、优质、经济、环保的电力供应和其它附加服务。

与传统的配电网相比较，智能配电网具有如下特征： ①更高的供电可靠性：具有抵御自然灾害和人为破坏的能力，能够进行故障的智能处理，最大程度地减少配电网故障对用户的影响；在主网停电时，应用分布式发电、可再生能源组成的微网系统保障重要用户的供电，实现真正意义上的自愈。

②更优质的电能质量：利用先进的电力电子技术、电能质量在线监测和补偿技术，实现电压、无功的优化控制，保证电压合格；实现对电能质量敏感设备的不间断、高质量、连续性供电。

③更好的兼容性：支持在配电网接人大量的分布式发电单元、储能装置、可再生能源，与配电网实现无缝隙连接，实现“ 即插即用” ，支持微网运行，有效地增加配电网运行的灵活性和对负荷供电的可靠性。

④更强的互动能力：通过智能表计和用户通信网络，支持用户需求响应，积极创造条件让拥有分布式发电单元的用户在用电高峰时向电网送电，为用户提供更多的附加服务，服务理念实现从以电力企业为中心向以用户为中心的转变。

⑤更高的电网资产利用率：实时、在线监测主要设备状态，实施状态检修，延长设备使用寿命；支持配电网快速仿真和模拟，合理控制潮流，降低损耗，充分利用系统容量；减少投资、减少设备折旧，使用户获得更廉价的电力。

⑥集成的可视化管理平台：实时采集配电网及其设备运行数据，实时运行数据与离线管理数据高度融合、深度集成，实现设备管理、检修管理、停电管理以及用电管理的信息化，为运行人员提供高级分析和辅助决策的图形界面。 三、配电网关键技术 3.1配电网自愈控制

智能配电网的自愈控制通过应用先进的数学和控制理论，建立起配电网在异常脆弱区、故障扰动区、检修维护区、正常运行区下的自动判别算法，在稳定评价指标、电能质量评价指标、经济评价指标、兼容评价指标、用户服务评价指标体系下，对配电网运行状态进行实时评估和隐患预测，并执行相应区域的控制方案，以实现配电网优化运行和自愈控制的目的，达到安全可靠、经济高效、清洁环保、灵活互动和友好开放的供电要求。

要实现智能配电网的自愈和优化控制，需要满足以下几个条件。①具备各种智能化的开关设备和智能化的配电终端设备。②配电网系统中拥有多电源，具有灵活可靠的拓扑结构。 ③可靠的通信网络。

3.2分布式发电与智能微网技术

微网技术是新型电力电子技术和分布式发电、可再生能源发电技术和储能技术的综合，集成多个分布式发电单元和负荷作为一个单独的系统，为用户提供电能和热能。在合理的控制方式下，微网可以并网运行也可以脱离主电网孤立运行，并可实现两种运行模式的无缝转换。DG 是微网系统形成的物理基础，大量的DG 并入电网以后，会给电网带来积极影响，符合智能配电网要求，包括：a．提高电网供电可靠性；b．增加电网发电的灵活性；c．提

高电网的防灾害水平；d．启停方便，调峰性能好，有利于平衡负荷；e．投资小、见效快；f．可以满足特殊场合的用电需求；g．可向附件负荷供电，减少输电损耗。

但大量的DG 并入电网以后，改变了传统配电网潮流单向流动的现状，给配电网带来了很多新的技术问题，需要进一步研究：

a．电压调整问题；b．继电保护问题；c．对短路电流水平的影响；d．对配电网电能质量的影响。

智能微网即微网的智能化，通过采用先进的电力技术、通信技术、计算机技术和控制技术在实现微网现有功能的基础上，能够有效地解决以上技术问题，满足电网对未来电力、能源、环境和经济的更高发展需求。智能微网是一个微型的、智能化信息系统，其信息交互关系如图1所示。

图1 能微网信息交互关系

智能微网具备以下特点：①实现真正的自治；②提供高可靠性电能；③满足用户多样化的需求；④更有效利用分布式能源，尤其是可再生能源；⑤实现经济效益最大化；⑥实现环境效益最大化。

无论从结构、技术上来讲，还是从需求、效益上来讲，智能微网与智能配电网都密不可分，智能化的微网能够充分利用自身特色帮助推动配电网智能化的实现，它是未来智能配电网新的组织形式。未来，在我国推广基于DG 的智能微网系统还存在政策、应用、产业技术等诸多方面的问题，有缺乏完整的激励政策、产业与应用矛盾突出、小容量分布式发电并网困难等问题。但是，智能微网作为一项新技术，融合了DG和可再生能源，可以有效地应对未来的能源短缺、环境污染和气候变化。 3.3 AMI技术

级量测系统( Advanced Metering Infrastructure，AMI) 是自动抄表技术 (Automatic Meter Reading，AMR)的高级发展，除涵盖了AMR的所有功能以外，还拥有很多高级应用，具有以下特征：

①能实现带时标的测量数据双向通信，具有停电报告、经用户许可的通信和服务连接／切断、在线读取和其他功能；

②能实现测量点在AM I网络上的自登记或注测；

③出现网络通信问题后，AM I网络能自动重构，以恢复正常通信能力；

④AM I系统能和电力公司的清算系统、停电管理系统和其他高级应用实现内部互联。 典型的AM I系统如图2所示，由智能表计、数据收集单元、回程传输单元、通信网络、量测数据管理系统组成。AM I和配电管理系统( Distribution Management System ，DMS) 是实现智能电网蓝图的重要一步。将两者有机地结合起来，可以提高电网运行效率和实现资源的优化配置，可实现如下目标：

①使用AM I与现场设备通信；

②使用AM I数据改善在线潮流的计算效果；

③使用AM I数据实现配网状态估计； ④使用AM I优化无功／电压的控制策略； ⑤使用AM I提高停电管理系统的效率；

⑥使用AM I增强电网与用户之间的互动能力。

图2 AMI典型系统图

3.4 配电网快速仿真与模拟技术

配电网快速仿真与模拟技术是实现配电网自愈的重要工具，它能够实现的主要功能包括自适应保护、故障自动定位和排除、网络重构、自动电压和无功控制等，仿真工具包括配电网状态评估、电网潮流优化、电网动态安全评估、负荷预测等，建模工具包括网络拓扑分析、设备模型、负荷模型和发电模型，其技术框架如图3所示。

图3 DFSM 的技术框架图

DFSM 在实时软件平台基础上，应用数学分析工具和先进的预测技术，根据配电网物理结构、电网运行状态，实现配电网的精确状态估计和实时优化运行，预测配电网潜在事件，并为系统运行人员提供辅助决策建议和最优决策服务，从而实现配电网自愈。 四、配电自动化技术

4.1 配电自动化与智能配电网的关系

智能配电网要求高层次的配电系统自动化系统与之相适应，需要对现有的配电自动化系统进行发展和延伸，以适应分布式电源接入、供电可靠性提高的要求。配电自动化（DA）的技术内容完全包含在智能配电网内, 且是其基础的内容。从中国配电网实际需求、技术成熟程度来看, 建设智能配电网, 应优先开展配电自动化应用工作。

配电自动化系统中需充分考虑分布式电源、储能系统、电动汽车充放电设施、用户定制电力技术、智能需求侧管理等方面的影响。同时，其功能需要延伸至用户室内网，在保证用

户用电可靠性要求的前提下，有效增加电力设备的利用率。 还可根据AMI提供的大量实时数据，对配网的工况进行状态估计、快速仿真与模拟，实现运行方式的优化等等，以保证配网运行在高水平状态。

智能配电网概念下的DA, 称为高级配电自动化（ADA),是传统 DA 的继承和发展。ADA 要适应分布式电源和柔性配电设备的大量接入, 满足功率双向流动配电网的监控需要；采用分布式智能控制, 现场终端装置能够通过局域网交换信息, 实现广域电压无功调节、 快速故障隔离等控制功能; 应具有良好的开放性和可扩展性, 支持监控设备和应用软件的即插即用。

4.2 几个关键技术问题 （1)通信技术

目前, 通信仍然是制约 DA 应用的瓶颈。光纤通信稳定可靠, 但成本相对较高, 敷设工作量大。近年来, 随着光纤设备价格的不断下降, 光纤通信已成为 DA 应用的首选。为避免某一站点因失去电源影响同一环路上其他站点的通信, 宜采用以太网无源光网络( EPON) 。对于因敷设困难等原因, 光纤达不到的站点, 可采用电缆屏蔽层载波、 通用分组无线电业务( GPRS) 等通信方式。GPRS 安装维护方便,不像光纤那样容易受外力破坏, 尽管偶尔有延时长和掉线的现象, 但能够满足 DA 应用要求, 是一种比较适宜的通信方式。不过, 根据电监会 5 号令5电力二次系统安全防护规定6, 作为公网的 GPRS 不能用于遥控场合。5 号令主要是针对变电站监控制定的, 至于中压配电网控制是否有必要这样要求, 还有待于探讨。事实上, 国际上很多 DA 工程都使用公共电话交换网或移动通信网, 在采取适当的防护措施后, 其安全性是有保证的。以往 DA 多采用点对点串行通信方式, 需通过配电子站转发终端数据, 通信速率低, 且配置和管理维护工作量大。下一步应采用网络通信方式, 实现 终端与主站之间透明传输; 同时实现终端之间对等数据交换, 以支持分布式智能控制功能。 (2) 馈线终端电源

馈线终端(FTU)一般采取蓄电池储电, 寿命在3a-5a, 电池维护更换工作量大。近年来, 超级电容技术发展迅速, 像常规蓄电池这么大的体积, 容量可以做到十几法, 能够维持终端工作0.5h, 采取一些特殊的技术措施, 能够满足 DA 应用要求。 (3)互感器

柱上开关、环网柜使用常规电压、 电流互感器,体积大, 安装很不方便; 而数字化变电站应用的电子式互感器成本过高, 不宜直接用于 DA。因此, 有必要针对 DA 应用的特点, 开发新型传感装置。国外已研制出中压配电网电压、电流传感器并获得一定范围的应用,值得借鉴。

（4）小电流接地故障定位

中性点非有效接地系统单相接地故障电流小,检测十分困难。馈线故障中绝大多数是单相接地故障, 已有的 DA 系统均不具备单相小电流接地故障定位功能, 其应用效果大打折扣。目前, 已开发出基于故障暂态或注入信号的小电流接地故障选线定位技术,成功率在 90%以上,值得推广应用。 （5）解决自动化孤岛问题

目前, 供电企业普遍存在自动化孤岛现象, 导致重复投资、 数据来源不一致、 管理维护工作量大等问题。由于各个自动化系统之间信息不能共享, 限制了许多 DA 功能的应用, 如调度人员仍然不得不通过电话了解用户停电投诉信息, 人工分析来自SCADA 系统的运行与故障检测信息、AMR 系统的停电检测信息, 确定故障位置、停电范围并制定负荷转供方案。因此, 有必要应用基于IEC 61968标准的企业信息集成总线技术, 打通各个自动化系统之间的联络, 充分发挥配电管理信息化的作用。 五、总结与展望

能源压力和生态文明意识的提升，以及未来的数字化社会对供电可靠性和电能质量的严格要求使得智能电网成为历史发展的必然。尽管国际上智能电网研究侧重点不同，重点关注都是与配电相关的问题。本文介绍了智能电网环境下配电问题的一些关键问题与技术，主要包括智能配电网与配电自动化两个方面。

配电自动化的推广应用, 对于改进配电网技术装备水平、提高供电质量与配电网管理水平具有十分重要的意义目前,DA工作的重点应放在确保系统的实用化上。另一方面,要树立长远观点,做好与建设智能配电网的衔接工作。在拥有特别重要的用户、对供电可靠性要求特别高的区域,可应用基于分布式智能的快速故障自愈技术。此外,在具备条件的情况下,可进行一些分布式电源并网监控、电动车充电站监控等试点工作。

智能电网的优势是明显的，但也存在巨大的挑战。智能电网的建设是一个浩大的系统性工程，从技术的角度涉及能源、信息、电子、材料等多个学科领域。许多技术还处于开发的初级阶段。过渡到智能电网将是一个漫长的过程，需要逐步过渡和多种技术长期共存，必须加以规划，从而防止在电网可靠性和安全性、以及通信网络的安全性等方面不必要的损失。

参考文献

[1]余贻鑫. 智能电网述评[J]. 中国电机工程学报,2009,29(34）；1-8. [2]王成山. 我国智能配电技术展望[J]. 南方电网技术,2010,4(1);18-22.

[3]范明天. 配电自动化规划的基本思路和步骤[J]. 中国电力,2004,37(3)；65-67. [4]徐丙垠. 配电自动化若干问题的探讨[J]. 电力系统自动化,2010,34(9)；81-86. [5]马其燕. 智能配电网关键技术[J]. 现代电力,2010,27(2)；39-44.

[6]刘东. 配电自动化实用化关键技术及其进展[J]. 电力系统自动化,2004,28(7)；16-19. [7]邵旭明. 浅谈智能电网中的物联网应用[J]. 科技向导,2011,32,36-36

能源压力和生态文明意识的提升，以及未来的数字化社会对供电可靠性和电能质量的严格要求使得智能电网成为历史发展的必然。尽管国际上智能电网研究侧重点不同，重点关注都是与配电相关的问题。本文介绍了智能电网环境下配电问题的一些关键问题与技术，主要包括智能配电网与配电自动化两个方面。

配电自动化的推广应用, 对于改进配电网技术装备水平、提高供电质量与配电网管理水平具有十分重要的意义目前,DA工作的重点应放在确保系统的实用化上。另一方面,要树立长远观点,做好与建设智能配电网的衔接工作。在拥有特别重要的用户、对供电可靠性要求特别高的区域,可应用基于分布式智能的快速故障自愈技术。此外,在具备条件的情况下,可进行一些分布式电源并网监控、电动车充电站监控等试点工作。

智能电网的优势是明显的，但也存在巨大的挑战。智能电网的建设是一个浩大的系统性工程，从技术的角度涉及能源、信息、电子、材料等多个学科领域。许多技术还处于开发的初级阶段。过渡到智能电网将是一个漫长的过程，需要逐步过渡和多种技术长期共存，必须加以规划，从而防止在电网可靠性和安全性、以及通信网络的安全性等方面不必要的损失。

参考文献

[1]余贻鑫. 智能电网述评[J]. 中国电机工程学报,2009,29(34）；1-8. [2]王成山. 我国智能配电技术展望[J]. 南方电网技术,2010,4(1);18-22.

[3]范明天. 配电自动化规划的基本思路和步骤[J]. 中国电力,2004,37(3)；65-67. [4]徐丙垠. 配电自动化若干问题的探讨[J]. 电力系统自动化,2010,34(9)；81-86. [5]马其燕. 智能配电网关键技术[J]. 现代电力,2010,27(2)；39-44.

[6]刘东. 配电自动化实用化关键技术及其进展[J]. 电力系统自动化,2004,28(7)；16-19. [7]邵旭明. 浅谈智能电网中的物联网应用[J]. 科技向导,2011,32,36-36

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uk9t.html