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徐丙垠 山东理工大学电气电子工程学院 科汇电力自动化公司 2013-05-10 智能配电网技术 徐丙垠 山东理工大学电气电子工程学院 科汇电力自动化公司 2013-05-10
内容 智能配电网概述 智能配电网关键技术
智能配电网概述
什么是智能电网？ 一个集成了通信、计算机、电子新技术，满足未来能源需求的电力输配系统。 2004年，美国电科院“IntelliGird”报告 应用数字技术，提高从大型发电厂，经过输配环节，再到电力用户与不断增长的分布式发电和储能装置的整个电力系统的可靠性、安全性和效率。 2008年，美国能源部“智能电网入门”
坚强智能电网 坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网。 2009年5月，中国国家电网“坚强智能电网建设发展战略框架”
“十二五”规划对“智能电网”的解释 将现代信息、通信和控制技术等深度集成应用于电网各个领域，涵盖发电、输电、变电、配电、用电、储能和调动环节，各参与主体之间信息共享、全面互动、智能响应，能够实现电力系统安全高效运行和效率最大化的现代电网。 2011年3月，中国“十二五”规划。
智能电网的含义 代表现代电网发展模式、一种电网建设理念，是人们对未来电网的愿景。 不是具体的技术，是对因特网（IP）通信、信号传感、自动控制、计算机、电力电子、超导材料等领域新技术在输配电系统中应用的一种总称。 这些新技术的应用不是孤立的、单方面的，不仅仅是对传统输配电系统进行简单地改进、提高。 从提高电网整体性能、节省总体成本出发，将各种新技术与传统的输配电技术有机结合。 满足当今社会经济发展对电力系统的新要求
智能电网是已有新技术应用的综合与升华 智能电网是个筐？ 1+1>2 智 能 电 网 传统输配电网 现代电力技术 现代测控技术 计算机技术 通信技术 电力电子技术 1+1>2
新能源：解决可再生能源、分布式电源大量接入问题 智能电网新内容 新能源：解决可再生能源、分布式电源大量接入问题 新负荷：满足电动车充电需求 新要求：提高供电可靠性、提高资产利用、率、降低线损
新能源发电并网问题 新能源发电带来的问题 新能源发电指还没有大规模开发利用的新型能演形式，包括风电、太阳能、生物质、大水电等。 风电、太阳能发电的间歇性、随机性特点给电力系统功率平衡、电压无功控制带来了困难 可再生能源发电、分布式发电大量接入配电网使其成为功率双向流动的有源网络，传统的保护控制、运行管理方式需要做出根本性地改变。
新能源发电并网问题 大量的分布式电源（风电、光伏发电、储能设备、热电联产等）将接入配电网，带来一系列新问题。
电动车负荷问题 据报道2020年电动车比例将达10% 电动汽车百公里耗电约15度 2015年，电动车充电负荷将达300亿度。 假如汽车全部电动化后，充电负荷将占总用电负荷的5%左右。 电动车对充电时间要求不严格，属于可平移负荷，是宝贵的功率平衡调度资源。 电动车可在电网需要时向其送电
对供电质量提出了新要求 高科技数字设备的广泛应用对供电可靠性提出了更高的要求 重合闸、倒闸操作、拉路选线引起的短时停电会导致停工停产，引起严重后果。 停电给社会带来的经济损失十分可观 据报道，美国每年的停电损失超过1500亿美元。 我国电科院专家对某沿海城市研究结果表明：停电每少供一度电带来的经济损失近50元。 粗略估计，我国每年的停电损失在2000亿元以上。
供电可靠性监管与DA 一些国家（地区）采取与停电时间、停电次数挂钩的奖罚措施 国家（地区） 停电时间（mins) 停电次数 年度 目标 盲区 区间 英国伦敦 46.1 ± 30% 0.362 ± 25% 2008/09 美国加州PG&E 161 ± 10 ± 25.8 1.33 ±0.1 ± 0.25 2006
对供电质量提出了新要求 我国城市用户年平均停电时间与国际水平的对比，2005年。
需进一步提高资产利用效率 世界发达国家的线损率在4%~6% 2008年中国电网线损率为6.79%. 2002年美国的供电设备平均载荷率不足50%，载荷率在90%以上时段不足5%。 中国供电设备的平均利用率不足35% 我国东南某省年负荷分布曲线
新挑战、新技术、新电网 新能源 新电网 （智能电网） 新负荷 新要求 新技术
建设智能电网，配电网是重点/1 直接面向用户，作用举足轻重。 对供电质量有着决定性的影响 损耗、投资（合理情况下）、运营成本远大于输电网 （美国） 损耗 投资比例 （发达国家) 停电时间
建设智能电网，配电网是重点 我国配电网投资相对不足，自动化、智能化程度远低于输电网，已成为制约电力系统发展的瓶颈。 国际上发电、输电、配电投资比例一般在1：0.45：0.7左右，中国在2000年前的投资比例是1：0.21：0.12。 智能电网的“新意”主要体现在配电网上 可再生能源发电（分布式电源)主要在配电网接入。 支持需求侧响应，实现与用户互动，创新用户服务的着眼点在配电网。
智能配电网特征 安全 可靠 能够很好地抵御战争攻击、恐怖袭击与自然灾害的破坏，避免出现大面积停电。 供电可靠率达到4个9，重点区域6个9。 最大可能地减少短时供电中断
智能配电网特征 优质 高效 供电电压合格率超过99% 谐波含量低于国家标准 最大程度地减少电压骤降 提高供电设备平均载荷率，不低于50%。 减低线损率，不超过4%。
智能配电网特征 兼容 互动 解决新能源发电并网问题、支持分布式电源大量接入 允许的可再生能源发电、分布式电源渗透率大于50% 能量互动 用电信息互动
分布式电源在丹麦 丹麦1980年代的集中发电系统 丹麦今天的分布式发电系统 分布式发电比例超过60%
德国配电网分布式电源已高度渗透 2000年颁布《可再生能源法》 2012年5月25日中午德国光伏发电功率22GW，提供了40%的负荷功率。 可再生能源发电强制、立即并网并优先全额收购 给予可再生能源发电固定上网电价 补贴费用由所有电力用户分摊可再生能源发电 2012年5月25日中午德国光伏发电功率22GW，提供了40%的负荷功率。 个别配电网光伏装机超过其平均负荷的三倍 配电网已出现阻塞现象 系统扰动时，分布式电源反孤岛保护动作，已带来稳定问题。 配电网功率双向流动，有源配电网已成为现实。
德国坎斯坦茨屋顶光伏照片
意大利、奥地利屋顶光伏照片
德国光伏装机容量分布
德国光伏上网电价与零售电价
智能配电网关键技术
配电自动化 配电网自愈 有源配电网 微电网 柔性交流配电（DFACTS） 高级量测体系（AMI） 用户互动技术
美国阿拉巴马电力公司配电调度图板（2007年前） 为什么要搞配电自动化？ 传统的管理方式依赖人工看图、巡视、电话调度 这种“盲管”方式已不能适应现代配电网控制管理的需要 美国阿拉巴马电力公司配电调度图板（2007年前）
配电自动化(DA)的内容 指中压配电网的自动化与信息化，包括： 配电网实时运行监控自动化，一般称配网自动化。 配电网生产管理的自动化、信息化 馈线自动化 用户自动化 WAN 变电所自动化 AMR 配电GIS/DPMS 供电企业信息集成 DSCADA/FA 调度自动化/EMS CIS TCM
配网自动化系统的构成 S D H TTU FTU DTU Data server work station 100M switch E1/10M switch cable S D H cable E1/10M switch 配电子站 1 配电子站 3 配电子站 2 optical DTU TTU FTU
配电自动化的作用 提高供电可靠性 提高容量利用率 提高电压质量 降低损耗 提高管理效率 DA供电可靠率达到4个9的重要技术手段 及时发现并消除故障隐患 故障定位、隔离与自动恢复供电 提高容量利用率 减少或延缓扩容投资，经济效益显著 提高电压质量 降低损耗 提高管理效率
国内外配电自动化应用情况 中国香港、新加坡电网公司、东京电力公司等全面实现了配电自动化 法国DEF、意大利ENEL基本实现了全覆盖 中国配电自动化发展情况 研究与应用始于上世纪90年代 大城市、中心城市基本都建设了配电网自动化系统 实用化程度有待提高
即插即用通信技术 目前DA通信规约存在的问题 只解决了数据传输问题，实现互联互通还需要“数据规约”说明数据“是什么”。 数据按模拟量、状态量、控制量等类型打包传输，数据含义（来源）不明，无法直接对号入座。 终端与主站之间需要人工通过书面文件的交流说明数据的具体来源、含义 终端设备没有自描述功能，不能用标准的文件格式描述自身包含的数据与服务。
即插即用通信技术 解决问题的途径：应用IEC61850标准 数据模型、通信服务接口标准化 IEC TC57 成立了WG17工作组负责制定IEC61850在分布式电源与配电自动化中应用的标准 IEC61850逻辑节点覆盖了绝大部分配电自动化应用 个别应用，如故障指示等需要重新定义逻辑节点 通信协议采用WebService 需要增加注册/发现功能
基于IEC61850的DA通信体系结构 主站与终端通信 采用IP网络通信 通信规约可选用 MMS IEC 60870-5-104 WebService
配电网自愈基本概念 自愈含义 自愈的衡量标准 故障预防：在线监视与诊断电网运行状态，及时发现并消除事故隐患。 故障恢复：故障发生后，快速切除并隔离故障，避免影响电网的安全运行与供电质量，或将故障的影响降至最小。 自愈的衡量标准 不影响配电网安全运行，避免或减少用户的故障损失。
配电网故障自愈的作用 提高供电质量 90%以上的用户停电时间是由配电网原因引起的，其中相当一部分是由故障引起的。 减少停电次数（包括短时停电次数) 减少停电时间 减少电压骤降影响 90%以上的用户停电时间是由配电网原因引起的，其中相当一部分是由故障引起的。 中国城市故障停电比例（2010） 发达国家故障停电比例 不同电压等级停电比例
配电网故障自愈控制研究内容 在线监测 小电流接地故障自愈控制 短路故障自愈控制 故障预警 接地电流自动补偿 故障选线与定位 继电保护：切除故障元件 馈线自动化：故障定位、故障隔离与自动恢复供电 计划孤岛/微网供电
什么是有源配电网? 分布式电源高速渗透的配电网 功率与故障电流双向流动 给配电网的规划设计、保护控制与运行管理提成了新的课题 是一个电能交换与分配网络 是配电网的发展方向，在丹麦、德国等国家已经成为现实。
分布式电源并网三个发展阶段 即接即忘阶段 Fix and Forget 或Connect and Forget 用于分布式电源发展早期 将分布式电源看作“负功率”负荷而忽略其影响 不需要对现有配电网进行调整和改造。 严格限制分布式电源的接入容量 美国电网企业曾要求一条馈线上接入的分布式电源的容量不大于其最小负荷功率的10%。
分布式电源并网三个发展阶段 宽限接入阶段 不再对接入容量进行硬性限制 保证配电网安全与电能质量合格的前提下，允许最大程度地接入分布式电源。 对配电网进行适当的技术改造，提高接纳能力。
分布式电源并网三个发展阶段 主动网络管理阶段 允许分布式电源主动参与有功功率和无功功率调整 具备低电压穿越能力 对配电网、分布式电源以及负荷进行协调控制与调度管理 充分发挥配电网与分布式电梯潜力，实现有源配电网的优化运行。 是分布式电源并网技术的发展方向
有源配电网关键技术 有源配电网规划 潮流与故障分析 分布式电网并网 继电保护 电压无功控制 分布式电源调度管理 虚拟发电厂（Virtual Power Plant）
分布式电源并网标准对渗透率的规定 国家电网：小于25% 意大利：小于60% 西班牙：小于50% 美国、德国：没有硬性限制，在保证不过载、短路电流不超标、电能质量合格、保护控制有效的前提下，允许最大程度地进入。
什么微电网 微网（Micro Grid）：指接有分布式电源的配电子系统 微网是一个预先设计好的孤岛，能够在主网脱离后正常运行。 独立型 并网型：即可并网运行亦可独立运行 微网是一个预先设计好的孤岛，能够在主网脱离后正常运行。
典型微电网结构 微网示例 主网侧
微电网作用 微网较好地解决了DER大量接入与不改变配电网现有保护控制方式之间的矛盾。 微网的作用 仅在PCC点与大电网连接，避免了多个DER与大电网直接连接。 微网中DER主要用于区域内部负荷的供电，不向外输送或输送很小的功率，使得大电网可以不考虑其功率输出的影响，继续采用“既接既忘”的并网方法。 微网的作用 提高供电可靠性 更好地发挥分布式电源（分布式发电与储能装置）的作用 更好地进行需求侧管理
柔性交流配电技术 简称DFACTS，是电力电子装置在配电网中应用的技术。 DFACTS设备 静态无功补偿装置（TSC/TSR)：连续调节电感、电容值 静态同步无功发生器(SVG/STATECOM) 动态不间断电源(DUPS) 固态开关(SSCB) 动态电压恢复器(DVR) 快速负荷转移开关
应用DFACTS设备实现不间断供电 STATCOM在系统供电中断时将储能装置储存的能量转化为交流电，维持一段时间的正常供电。
高级量测体系（AMI） 是一个使用智能电表通过多种通信介质，按需或以设定的方式测量、收集并分析用户用电数据的系统。 使用户由被动的电力消费者变为配电网运行控制的积极参与者 根据电价变化选择用电时间 用户利用其分布式发电与储能装置参与削峰填谷 是传统AMR技术的新发展，属于用户自动化的内容。 国外许多供电企业把实施AMI作为建设智能电网的第一步
集成分布式发电/储能系统
智能电表/1 摘自：美国南加州爱迪生电力公司报告
智能电表/2 是用户自动化智能终端 功能 数据采集 开放式双向通信 停电检测 窃电检测 家电控制 与家庭用电自动化系统接口 远程维护、升级
通信系统 由非标专有通信系统向开放式的IP网络发展 混合广域通信系统（WAN） 通信介质 支持多种应用 支持规模化应用，降低造价。 电力通信网+公共通信设施 通信介质 光纤复合低压电缆 无线：无线宽带局域网WiFi，局域低速无线网络ZigBee。 配电线路载波DLC
用户互动技术 互动内容 互动作用 用电信息互动：用电信息双向即时交换 需求侧响应（Demand Response)：利用市场价格机制调整用户用电方式 互动作用 改善服务，提高用户满意度。 削峰填谷，提高资产利用率，减少固定资产投资。 适应可再生能源发电、电动车的发展要求
谢谢!