智能配电网讲座.docx

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智能配电网讲座智能配电网讲座智能配电网讲座徐丙垠13李天友25薛永端3金文龙4（1.山东理工大学山东淄博255031；2.福建省电力公司福建福州350003；3.山东科汇电力自动化公司山东济南250100；4.中国电机工程学会北京100044；5.华北电力大学北京102206）1.前言前言近年来智能电网已成为电力业界的热门话题被认为是改变未来电力系统面貌的电网发展模式。

特别是在纽约时报报导了美国政府将建设智能电网列为其经济振兴计划的主要内容后更是在全世界范围内掀起了研究智能电网的热潮。

我国对建设智能电网也高度重视。

2007年底华东电网启动了智能电网项目的可行性研究；2009年3月国家电网公司提出要“建设坚强的智能化电网”。

目前智能电网的影响受到了国内外政治、经济、金融投资界的高度关注。

智能电网包括智能输电网和智能配电网两个方面的内容其中智能配电网具有新技术内容多、与传统配电技术区别大的特点在智能电网中具有举足轻重的作用。

智能电网内容广泛且在不断地发展变化之中。

为促进我国配电工程技术人员了解、交流、学习智能配电网技术共同致力于我国智能配电网技术的发展应供用电编辑部之邀笔者撰写了本讲座。

本讲座拟分4讲是依据现阶段对智能配电网的认识和研究成果介绍以下智能配电网技术的主要内容:

智能配电网概述；分布式电源并网技术；高级配电自动化；高级量测体系。

2.第一讲第一讲智能配电网概述智能配电网概述2.1.智能电网及其发展智能电网及其发展2.1.1.智能电网的定义智能电网的定义“智能电网”（SmartGrid）最早出自美国“未来能源联盟智能电网工作组”在2003年6月份发表的报告。

报告将智能电网定义为“集成了传统的现代电力工程技术、高级传感和监视技术、信息与通信技术的输配电系统具有更加完善的性能并且能够为用户提供一系列增值服务。

”在此之后陆续有一些文章、研究报告提出智能电网的定义；此外还有类似的“IntelliGrid”、“ModernGrid（现代电网）”的称谓。

尽管这些定义、称谓在具体的说法上有所不同但其基本含义与以上给出的定义是一致的。

“智能”二字很容易使人认为智能电网是一个属于二次系统自动化范畴的概念。

事实上智能电网是未来先进电网的代名词我们可从技术组成和功能特征两方面来理解它的含义。

1）从技术组成方面讲，智能电网是集计算机、通信、信号传感、自动控制、电力电子、超导材料等领域新技术在输配电系统中应用的总和。

这些新技术的应用不是孤立的、单方面的不是对传统输配电系统进行简单地改进、提高而是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进行有机地融合使电网的结构以及保护与运行控制方式发生革命性的变化。

2）从功能特征上讲，智能电网在系统安全性、供电可靠性、电能质量、运行效率、资产管理等方面较传统电网有着实质性的提高；支持各种分布式发电与储能设备的即插即用；支持与用户之间的互动。

2.1.2.智能电网的发展智能电网的发展尽管智能电网的概念是在2003年提出的但智能电网技术的发展最早可追溯到20世纪60年代计算机在电力系统的应用。

20世纪80年代发展起来的柔性交流输电（FACTS）与诞生于20世纪90年代的广域相量测量（WAMS）技术也都属于智能电网技术的范畴。

进入21世纪分布式电源（DistributedElectricResourceDER包括分布式发电与储能）迅猛发展。

人们对DER并网带来的技术与经济问题的关注在一定程度上催生了智能电网。

近年来国际上对智能电网的研究可谓方兴末艾。

2002年美国电科院创立了“IntelliGrid”联盟（原名称为GEIDS）开展现代智能电网的研究已提出了用于电网数据与设备集成的Intelli-Grid通信体系；2003年7月美国能源部发表“Grid2030”报告提出了美国电网发展的远景设想之后美国能源部先后资助了GridWise、Grid-Works、MGI（现代电网）等智能电网研究计划。

在实际应用方面德克萨斯州的CenterPoint能源公司、圣狄戈水电公司（SDG&E）等都在着手智能电网项目的实施或制定发展规划；作为美国盖尔文电力行动计划（GEI）的一部分伊利诺斯工学院（IIT）正在实施“理想电力（PerfectPower）”项目。

欧洲国家也在积极推动智能电网技术研发与应用工作。

欧盟于2005年成立了“智能电网技术论坛”；以欧洲国家为基础的国际供电会议组织（CIRED）于2008年6月召开了“智能电网”专题研讨会。

在智能电网建设方面意大利电力公司（ENEL）在2002年2005年投资了21亿欧元实施智能读表项目使高峰负荷降低约5%据报道每年可节省投资近5亿欧元；法国电力公司（EDF）以智能电网作为设计方针改造其配电自动化系统。

我国对智能电网的研究与讨论起步相对较晚但在具体的智能电网技术研发与应用方面基本与世界先进水平同步。

我国地区级以上电网都实现了调度自动化35kV以上变电站基本都实现了变电站综合自动化有200多个地级城市建设了配电自动化。

广域相量测量系统（WMAS）、FACTS等技术的研发与应用都有突破性进展。

最近国家电网公司提出“建设坚强的智能化电网”极大地推动了我国智能电网研究的开展。

2.2.智能配电网的功能特征智能配电网的功能特征智能配电网（SmartDistributionGridSDG）指智能电网中配电网部分的内容。

与传统的配电网相比SDG具有以下功能特征。

2.2.1.自愈能力自愈能力自愈是指SDG能够及时检测出已发生或正在发生的故障并进行相应的纠正性操作使其不影响对用户的正常供电或将其影响降至最小。

自愈主要是解决“供电不间断”的问题是对供电可靠性概念的发展其内涵要大于供电可靠性。

例如目前的供电可靠性管理不计及一些持续时间较短的断电但这些供电短时中断往往都会使一些敏感的高科技设备损坏或长时间停运。

2.2.2.具有更高的安全性具有更高的安全性SDG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；能够将外部破坏限制在一定范围内保障重要用户的正常供电。

2.2.3.提供更高的电能质量提供更高的电能质量SDG实时监测并控制电能质量使电压有效值和波形符合用户的要求，即能够保证用户设备的正常运行并且不影响其使用寿命。

2.2.4.支持支持DER的大量接入的大量接入这是SDG区别于传统配电网的重要特征。

在SDG里不再像传统电网那样被动地硬性限制DER接入点与容量而是从有利于可再生能源足额上网、节省整体投资出发积极地接入DER并发挥其作用。

通过保护控制的自适应以及系统接口的标准化支持DER的“即插即用”。

通过DER的优化调度实现对各种能源的优化利用。

2.2.5.支持与用户互动支持与用户互动与用户互动也是SDG区别于传统配电网的重要特征之一。

主要体现在两个方面:

一是应用智能电表实行分时电价、动态实时电价让用户自行选择用电时段在节省电费的同时为降低电网高峰负荷作贡献；二是允许并积极创造条件让拥有DER（包括电动车）的用户在用电高峰时向电网送电。

2.2.6.对配电网及其设备进行可视化管理对配电网及其设备进行可视化管理SDG全面采集配电网及其设备的实时运行数据以及电能质量扰动、故障停电等数据为运行人员提供高级的图形界面使其能够全面掌握电网及其设备的运行状态克服目前配电网因“盲管”造成的反应速度慢、效率低下问题。

对电网运行状态进行在线诊断与风险分析为运行人员进行调度决策提供技术支持。

2.2.7.更高的资产利用率更高的资产利用率SDG实时监测电网设备温度、绝缘水平、安全裕度等在保证安全的前提下增加传输功率提高系统容量利用率；通过对潮流分布的优化减少线损进一步提高运行效率；在线监测并诊断设计的运行状态实施状态检修以延长设备使用寿命。

2.2.8.配电管理与用电管理的信息化配电管理与用电管理的信息化SDG将配电网实时运行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。

2.3.智能配电网的主要技术内容智能配电网的主要技术内容SDG集现代电力新技术于一体具体内容主要有以下几个方面。

2.3.1.配电数据通信网络配电数据通信网络这是一个覆盖配电网中所有节点（控制中心、变电站、分段开关、用户端口等）的IP通信网采用光纤、无线与载波等组网技术支持各种配电终端与系统“上网”。

它将彻底解决配电网的通信瓶颈问题给配电网保护、监控与自动化技术带来革命性的变化并影响一次系统技术的发展。

2.3.2.先进的传感测量技术先进的传感测量技术如光学或电子互感器、架空线路与电缆温度测量、电力设备状态在线监测、电能质量测量等技术。

2.3.3.先进的保护控制技术先进的保护控制技术包括广域保护、自适应保护、配电系统快速模拟仿真、网络重构等技术。

2.3.4.高级配电自动化高级配电自动化目前的配电自动化技术包括配电运行自动化（安全监控和数据采集、变电所综合自动化、馈线自动化）、配电管理自动化（配电地理信息系统、设备管理、检修管理等）以及用户自动化这3个方面的内容。

这些内容都属于SDG技术的范畴。

为与目前大家熟知的配电自动化区分美国电科院提出了高级配电自动化（AdvancedDistributionAutomation，ADA）的概念。

ADA是传统配电自动化（DA）的发展也可认为是SDG中的配电自动化。

ADA的新内容主要支持DER的“即插即用”它采用IP技术强调系统接口、数据模型与通信服务的标准化与开放性。

为使SDG技术概念更有针对性笔者建议ADA仅包括配电运行自动化与配电管理自动化将用户自动化内容列入下面介绍的高级量测体系。

2.3.5.高级量测体系高级量测体系（AdvancedMeteringArchitecture，AMA）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。

AMA是支持用户互动的关键技术是传统AMR技术的新发展属于用户自动化的内容。

2.3.6.分布式电源分布式电源（DER）并网技术并网技术包括DER在配电网的“即插即用”以及微网（MicroGrid）两部分技术内容。

DER的“即插即用”包括DER高度渗透的配电网的规划建设、DER并网保护控制与调度管理、系统与设备接口的标准化等。

微网是指接有分布式电源的配电子系统它可在主网停电时孤立运行。

DER并网研究内容还包括有源网络（ActiveNetwork）技术。

有源网络指分布式电源大量应用、深度渗透潮流双向流动的网络。

2.3.7.柔性配电技术柔性配电技术（DFACTS）DFACTS是柔性交流输电（FACTS）技术在配电网的延伸包括电能质量与动态潮流控制两部分内容。

DFACTS设备包括静止无功发生器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）、有源电力滤波器（APF）、动态不停电电源（UPS）、动态电压恢复器（DVR）与固态断路器（SSCB）、统一潮流控制器（UPFC）等。

2.3.8.故障电流限制技术故障电流限制技术指利用电力电子、高温超导技术限制短路电流的技术。

综上所述SDG技术包含一次系统与二次系统两方面的内容。

一个具体的SDG功能的实现往往涉及多项技术的综合应用。

以自愈功能为例首先一次网架的设计应该更加灵活、合理并应用快速断路器、故障电流限制器等新设备；在二次系统中应用广域保护、就地快速故障隔离等新技术以及时检测出故障并进行快速自愈操作。

2.4.建设智能配电网的作用与意义建设智能配电网的作用与意义电力系统已诞生一百多年了尽管其电压等级与规模与当年相比已有天壤之别但系统的结构与运行原理并没有很大的变化。

进入21世纪面对当今社会与经济发展对电力系统提出的新要求和计算机、电力电子等新技术的广泛应用有必要重新审视过去电网建设的模式探讨未来电网的发展新方向而智能电网正是人们对这一问题思考、研究的结果。

智能电网技术的发展正在给电力系统带来一场深刻的变革。

配电网直接面向用户是保证供电质量、提高电网运行效率、创新用户服务的关键环节。

在我国由于历史的原因配电网投资相对不足自动化程度比较低在供电质量方面与国际先进水平还有一定的差距。

目前电力用户遭受的停电时间95%以上是由于配电系统原因造成的（扣除发电不足的原因）；配电网是造成电能质量恶化的主要因素；电力系统的损耗有近一半产生在配电网；分布式电源接入对电网的影响主要是对配电网的影响；与用户互动、进行需求侧管理的着眼点也在配电网。

因此建设智能电网必须给予配电网足够的关注。

结合我国配电网实际积极研发应用SDG技术对于推动我国配电网的技术革命具有十分重要的意义。

SDG将使配电网从传统的供方主导、单向供电、基本依赖人工管理的运营模式向用户参与、潮流双向流动、高度自动化的方向转变。

随着我国SDG建设的进展将产生越来越明显的经济效益与社会效益主要以下3个方面。

2.4.1.实现配电网的最优运行达到经济高效实现配电网的最优运行达到经济高效SDG应用先进的监控技术对运行状况进行实时监控并优化管理降低系统容载比并提高其负荷率使系统容量能够获得充分利用从而可以延缓或减少电网一次设备的投资产生显著的经济效益和社会效益。

2.4.2.提供优质可靠电能保障现代社提供优质可靠电能保障现代社会经济的发展会经济的发展SDG在保证供电可靠性的同时还能够为用户提供满足其特定需求的电能质量；不仅可以克服以往故障重合闸、倒闸操作引起的短暂供电中断而且可以消除电压聚降、谐波、不平衡的影响为各种高科技设备的正常运行、为现代社会与经济的发展提供可靠优质的电力保障。

2.4.3.推动新能源革命促进环保与可持续发展推动新能源革命促进环保与可持续发展传统的配电网的规划设计、保护控制与运行管理方式基本上不考虑SER的接入而且为不影响配电网的正常运行现有的标准或运行导则对接入的DER的容量及其并网点的选择都做出了严格的限制制约了分布式发电的推广应用。

SDG具有很好地适应性能够大量地接入DER并减少并网成本极大地推动可再生能源发电的发展大大降低化石燃料使用和碳排放量在促进环保的同时实现电力生产方式与能源结构的转变。

2.5.参考文献参考文献1帅军庆.瞄准世界前沿建设智能电网J.国家电网2008

（2）.2SmartGridWorkingGroup.ChallengeandOppor2tunity:

ChartingaNewEnergyFutureAppendixA:

WorkingGroupReportsR.EnergyFutureCo2alition.USA2003（6）.3余贻鑫.面向21世纪的智能配电网J.国家电网2008（5）.4丁民丞.方兴未艾的智能电网J.国家电网2008（5）.5李天友金文龙徐丙垠.配电技术M.北京:

中国电力出版社2008.3.第二讲第二讲分布式电源并网技术分布式电源并网技术智能电网区别于传统电网的一个根本特征是支持分布式电源（DistributedEnergyResources，DER）的大量接入。

满足DER并网的需要，是智能电网提出并获得迅速发展的根本原因。

本讲介绍分布式电源的基本概念及其并网技术，作为读者学习、了解智能电网技术的基础知识。

3.1.分布式电源的概念分布式电源的概念分布式电源指小型（容量一般小于50MW）、向当地负荷供电、可直接连到配电网上的电源装置。

它包括分布式发电装置与分布式储能装置。

分布式发电（DistributedGeneration，DG）装置根据使用技术的不同，可分为热电冷联产发电、内燃机组发电、燃气轮机发电、小型水力发电、风力发电、太阳能光伏发电、燃料电池等；根据所使用的能源类型，DG可分为化石能源（煤炭、石油、天然气）发电与可再生能源（风力、太阳能、潮汐、生物质、小水电等）发电两种形式。

分布式储能（DistributedEnergyStorage，DES）装置是指模块化、可快速组装、接在配电网上的能量存储与转换装置。

根据储能形式的不同，DES可分为电化学储能（如蓄电池储能装置）、电磁储能（如超导储能和超级电容器储能等）、机械储能装置（如飞轮储能和压缩空气储能等），热能储能装置等。

此外，近年来发展很快的电动汽车亦可在配电网需要时向其送电，因此也是一种DES。

3.2.分布式电源的发展分布式电源的发展3.2.1.分布式发电技术的发展分布式发电技术的发展长期以来，电力系统向大机组、大电网、高电压的方向发展。

进入20世纪80年代，各种分散布置的、小容量的发电技术又开始引起人们的关注，经过20多年的发展，分布式发电已成为一股影响电力工业未来面貌的重要力量。

引起这一变化的原因主要有以下几个方面。

1）应对全球能源危机的需要。

随着国际油价的不断飙升，能源安全问题日益突出，为了实现可持续发展，人们的目光转向了可再生能源，因此，风力发电、太阳能发电等备受关注，快速发展并开始规模化商业应用，而这些可再生能源的发电大都是小型的、星罗棋布的。

2）保护环境的需要。

CO2排放引起的全球气候变暖问题，已引起各国政府的高度重视，并成为当今世界政治的核心议题之一。

为保护环境，世界上工业发达国家纷纷立法，扶持可再生能源发电以及其他清洁发电技术（如热电联产微型燃气轮机），有利地推动了DG的发展。

3）天然气发电技术的发展。

对于天然气发电来说，机组容量并不明显影响机组的效率，并且天然气输送成本远远低于电力的传输，因此比较适合采用有小容量特点的DG。

4）避免投资风险。

由于难以准确地预测远期的电力需求增长情况，为规避风险，电力公司往往不愿意投资大型的发电厂以及长距离超高压输电线路。

此外，高压线路走廊的选择也比较困难。

这都促使电力公司选择一些投资小、见效快的DG项目来就地解决供电问题。

在国际上，DG的发展方兴未艾。

在美国，1978年修改了公共事业法，以法律的形式要求各电力公司接受用户的小型能源系统，特别是热电机组并网；2000年，热电联产装机容量已占总装机容量的7%，预计到2010年将占其总装机容量的14%；2008年，风力发电装机容量达2500万kW；太阳能装机容量达87万kW。

欧洲在世界上最早开始应用DG。

目前，丹麦、芬兰、挪威等国的DG容量均已接近或超过其总发电装机容量的50%；欧洲DG应用规模最大的德国，2008年末风电装机容量达到2300万kW，太阳能发电装机容量达540万kW。

我国应用的DG原来主要以小水电为主，风电、光伏发电等起步相对较晚。

2003年以来，国家强力推进节能减排，颁布了可再生能源法并制定了一系列促进可再生能源利用与提高能效技术发展的政策。

到2008年底，我国风力发电装机容量达到1200万kW，跃居世界第三位；光伏发电装机容量达到14万kW。

近年来，各国政府对能源安全与环境问题高度重视。

美国、欧盟都提出2020年应用可再生能源占总能源消费的比例超过20%；我国也制定了2020年应用可再生能源占消费总能源的比例达15%的目标。

目前，各国可再生能源发电容量在总发电装机容量中的比例远低于这些目标，可见DG的发展空间巨大。

目前，风力发电等可再生能源发电的成本还远高于常规燃煤发电，只有国家实行优惠的税收政策并给予一定的财政补贴，才能调动投资者发展DG的积极性。

其次，DG并网技术也是制约DG发展的重要因素，因此，智能电网的提出，从技术上为解决这一问题创造了条件。

3.2.2.分布式储能技术的发展分布式储能技术的发展能量储存是电力系统调峰的有效手段，作为一种成熟的储能技术，抽水蓄能电站获得了大量应用。

近年来，作为补偿DG输出间歇性、波动性的有效手段，分布式储能技术受到了人们的重视。

蓄电池是一种传统储能技术。

钠硫电池具有大容量、高效率、结构紧凑、易扩展、对环境影响小等优点，技术进一步成熟后可用于城市电网和可再生能源发电补偿。

超级电容器容量大、使用寿命长、环保，目前已有市场化应用。

2005年，美国加利福尼亚州建造了一台450kW的超级电容器储能装置，用以减轻950kW风力发电机组向电网输送功率的波动。

飞轮储能效率高、寿命长，德国、美国等都在投资研制用于电网调峰的飞轮储能装置。

超导磁能储能具有效率高、响应快等优点，目前已在风力发电系统中得到了应用。

总体来说，分布式储能技术还在发展之中，还没有实现大规模产业化，需要国家在政策上给于引导和扶持。

3.3.分布式电源并网对配电网的影响分布式电源并网对配电网的影响3.3.1.分布式电源并网的作用分布式电源并网的作用分布式发电装置并网后会给配电网带来一系列积极的影响。

1）提高供电可靠性。

DER可以弥补大电网在安全稳定性上的不足。

含DER的微电网可以在大电网停电时维持全部或部分重要用户的供电，避免大面积停电带来的严重后果。

2）提高电网的防灾害水平。

灾害期间，DER可维持部分重要负荷的供电，减少灾害损失。

3）DER启停方便，调峰性能好，有利于平衡负荷。

4）DER投资小、见效快。

发展DG可以减少、延缓对大型常规发电厂与输配电系统的投资，降低投资风险。

5）可以满足特殊场合的用电需求。

如用于大电网不易达到的偏远地区的供电；在重要集会或庆典上，DER处于热备用状态可作为移动应急发电。

6）减少传输损耗。

DER就近向用电设备供电，避免输电网长距离送电的电能传输损耗。

分布式储能装置并网后，可在负荷低谷时从电网上获取电能，而在负荷高峰时向电网送电，起到对负荷削峰填谷的作用，提高电网运行效率。

其另一个重要作用，是与风能、太阳能等可再生能源发电装置配合使用，可就地补偿可再生能源发电装置功率输出的间歇性。

3.3.2.分布式电源并网带来的技术问题分布式电源并网带来的技术问题DER的大量接入改变了传统配电网功率单向流动的状况，这给配电网带来一系列新的技术问题。

1）电压调整问题。

配电线路中接入DER，将引起电压分布的变化。

由于配电网调度人员难以掌握DER的投入、退出时间以及发出的有功功率与无功功率的变化，使配电线路的电压调整控制十分困难。

2）继电保护问题。

DER的并网会改变配电网原来故障时短路电流水平并影响电压与短路电流的分布，对继电保护系统带来影响:

（1）引起保护拒动。

DER对保护动作的影响如图1所示。

如果一个DER接在线路的M处，当线路末端k处发生短路故障时，它向故障点送出短路电流并抬高M处的电压，因此使母线处保护R检测到的短路电流减少，从而降低保护动作的灵敏度，严重时会引起保护拒动。

（2）引起配电网保护误动。

在相邻线路发生短路故障时，DER提供的反向短路电流可能使保护误动作。

（3）影响重合闸的成功率。

在线路发生故障时，如果在主系统侧断路器跳开时DER继续给线路供电，会影响故障电弧的熄灭，造成重合闸不成功。

如果在重合闸时，DER仍然没有解列，则会造成非同期合闸，由此引起的冲击电流使重合闸失败，并给分布式发电设备带来危害。

（4）影响备用电源自投。

如果在主系统供电中断时，DER继续给失去系统供电的母线供电，则由于母线电压继续存在，会影响备用电源自投装置的正确动作。

3）对短路电流水平的影响。

直接并网的发电机都会增加配电网的短路电流水平，因此提高了对配电网断路器遮断容量的要求。

4）对配电网供电质量的影响。

风力发电、太阳能光伏发电输出的电能具有间歇性特点，会引起电压波动。

通过逆变器并网的DER，不可避免地会向电网注入谐波电流，导致电压波形出现畸变。

3.3.3.分布式电源并网对配电网运行管理的影响分布式电源并网对配电网运行管理的影响1）DER的接入，会增加配电网调度与运行管理的复杂性。

风力发电、太阳能光伏发电等输出的电能具有很大的随机性，而用户自备DER一般是根据用户自身需要安排机组的投切；这一切给合理地安排配电网运行方式、确定最优网络运行结构带来困难。