智能配电网关键技术研究.doc

智能配电网关键技术研究王宪安04111978电气10班智能配电网关键技术研究1、该领域对“坚强智能电网”的重要支撑作用我国的智能电网是以坚强网架为基础、以信息平台为支撑，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，构建贯穿发电、线路、变电、配电、用户和调度各环节的现代电网。提高重要负荷的供电可靠性，满足用户定制的多种电能质量需求，降低成本，实现智能化将是智能配电网的发展重点。智能配网将在未来10-20年内完成，其目标是实现自愈功能（包括通过继保再整定（RPR）实现电力系统保护及更新；故障定位和隔离；网络重构；电压与无功控制）；优化功能，以使资源和设备得到最好的应用；预测功能，而不只是对紧急情况作出反应；跨地理边界和组织边界的分布式；合并监视、控制、保护、维护、EMS、DMS和市场管理功能；对攻击更安全。 本项目所列四个研究方向分别研究了： 含分布式电源的自愈配电网保护、控制技术的理论研究与应用；该项研究契合并支撑了研究目标的“自愈功能”。 基于分布式发电的微电网系统集成技术；该研究项目契合了研究目标的优化功能，并为微网技术的实用奠定了理论基础。 智能配电网运行的信息支撑关键技术：该项目为配电网研究目标的“合并监视、控制、保护、维护、EMS、DMS和市场管理功能”提供了信息系统关键技术的支撑。 基于GIS的智能配电网规划平台的研究：研究了智能配电网规划和建设中遇到的新课题，并研究集信息技术、优化技术为一体的电网规划平台，为电网建设的科学化奠定理论和实践基础。2、研究内容1) 基于GIS的智能配电网规划平台的研究基于GIS的集数据管理、网络分析与评价、网络优化规划、配电通信网规划、规划系统评价与经济型分析为一体的规划平台是配电网科学规划的基础，对配电网科学化管理和经济运行有着非常重要的意义。含分布式电源的配网是智能电网的重要组成部分，涵盖分布式电源的配电网规划是配电网发展的必然需求。(1) 配电网规划平台的理论研究：该部分包含： 基于GIS和多种不确定信息的空间分布负荷预测理论的研究，以小区为单位研究分布负荷的分类、影响因素、发展模式和基于不确定信息的模糊预测方法，开展基于需求侧管理下的电力负荷预测； 研究基于多种环境信息的智能变电站选址的数学模型，分析不同电压等级变电站选址的目标限定和约束因素，以多种环境信息为载体，采用基于GIS的信息处理技术量化、简化约束因素，建立基于GIS约束的多目标变电站选址数学模型； 含分布式电源的配电网络供电能力评价理论与方法的研究，研究分布式电源的引入对配电网各类指标的影响，建立考虑负荷转移的中压配电网最大供电能力评价的数学模型，研究配电网综合供电能力评价的指标体系和层次化评价方法，同时开展基于GIS的面向区域（重点区块）或大用户的供电能力及最佳抢修路径的分析与评价； 含分布式电源的能源消耗结构评价模型的研究，研究基于图形界面的不同电压等级、不同区域的网络损耗的一体化分析模型和评价体系； 含分布式电源的配电网络可靠性评估模型与算法的研究，研究分布式电源不同运行方式下的可靠性评价模型和复杂配电网可靠性评价的通用算法，开展涵盖二次系统的智能配电网可靠性的综合评价模型的研究； 配电网网架结构评价理论和指标体系的研究，分析网架结构对配网供电能力、可靠性和经济性的影响，建立网架结构的评价指标体系（如联络率、负荷转移率），并针对复杂电网研究其评价方法； 自愈配电网络网架结构和接线模式的研究，进行不同接线模型的多指标分析，研究接线模型对自愈配电网的适应性； 基于GIS含分布式电源的配电网网架智能规划模型与算法的研究，包括含分布式电源的配电网规划和扩展规划的优化模型，并研究基于GIS的配电网自动布线技术； 含分布式电源的智能配电网络无功规划模型与算法的研究； 研究城市电网电网路径（电缆沟道和架空走廊）的优化规划和分析； 中压配电网开关优化配置模型与算法的研究； 研究配电规划网络经济评价模型和智能评价方法。以上的研究内容部分已经有研究成果，国外一些基于GIS的配电网管理软件中含有一部分类似的功能。该平台的研究内容都是实际电力规划中需要的，只有这样一个功能完善的智能平台才能真正提高配电网规划的科学性。这样庞大的系统要实现可持续发展，必须借助成熟的平台和组件技术，规范信息结构和各组件的接口。(2) 基于GIS的配电网智能规划平台的信息技术：该部分包含两通信和信息两个方面的问题： 通信部分：包括正常和故障情况下配电通信网多种业务信息量的预测；基于GIS的配电网通信子站智能选址模型和算法的研究；配电通信网多种通信体制综合评价模型的研究；研究基于图形界面和配电网规划网的配电通信系统的图形建模、智能设计和系统分析方法，为整个配网的综合可靠性分析和经济评价奠定基础。 信息部分：基于GIS、电网与信息网集成的配电网智能规划平台信息模型的研究，即基于IEC61970研究配电网智能规划平台的CIM公共信息模型和GIS信息的标准文件和数据类型；基于GIS的配电网智能规划平台数据交换模型的研究，即该平台与其他系统（包括地理信息系统）的信息共享、交换的信息结构；配电网智能规划组件接口信息模型标准的研究，为软件的维护和实用化奠定基础。2) 自愈配电网保护、控制技术的理论研究与应用“自愈”指的是把电网中有问题的元件从系统中隔离出来并且在很少或不用人为干预的情况下可以使系统迅速恢复到正常运行状态，从而几乎不中断对用户的供电服务。从本质上讲，自愈就是智能电网的“免疫系统”。分布式能源发电机组可以组成不联网的自治小电网、联网的非自治小电网或是在自治和非自治之间进行切换。联网的分散发电、特别是那些时断时合的分散发电将对电网运行产生若干影响。一是接线改变的影响（诸如短路电流、继电保护、重合闸、同期）；二是断开时可能引发的铁磁谐振(变压器电抗与电缆电容谐振)；三是电能质量问题(频繁启停导致电压波动、加大电压调整难度)。所以，接入分布式电源后的配电网，其用户端不仅仅是一个需求端，而是一个即可以做需求端又可以做供应端，双相运行的。传统配电网保护装置中单向的仪表满足不了需求，需要新式的仪表取代。对于分布式电源接入后的配电网，对原有传统的保护装置需要进行改进设计，除了能够满足本地保护的基本要求，还需要考虑保护间的协调配合，使得停电范围最小，停电经济损失最小，尽可能提高供电的可靠性。这就要求必须对分布式发电系统的自身的保护装置与原有配电网的保护装置之间进行重新整定、协调配合。同时由于分布式电源的接入，使得电力系统运行方式更为复杂，对于不同的运行方式应该对应不同的继保方式，为了适应智能电网的发展，就需要有智能的继保产品，传统的继保产品都是在运行之初就设置好了，智能电网的发展要求这些继保产品能够自适应改变保护整定值。这里可采用“紧急控制、恢复控制、校正控制、预防控制”四步自愈控制法，并将其嵌入调度系统，形成自愈控制策略；开发可编程逻辑的配电网保护装置。逻辑编程达到保护的元件级，支持在线动态修改定值，能满足配电网运行方式调整和分布式电源投、退的需要；同时利用基于无线网络传感器的电气设备在线监测，构建城市配电网自愈控制系统的构架。传统的监视控制方式，有相当集中的EMS、区域EMS、DMS以及大量分布式的继电保护、稳定补救、现场控制器、就地无功补偿、其他智能控制等共同组成而各司其职。这些诸多应用系统和装置，不仅相互协调不够，而且还存在一些诸如隐藏故障、脆弱性和适应性等问题。特别是在分秒必争的紧急状态下，基于离线研究“事先整定、实时动作”的分布执行装置，往往不适应系统的变化，更不用说高风险时主动解列灵活分区情况下所面临的分布控制了。电网的自愈功能建立于电网连续不断的自我评估能力，能够预测电网可能出现的问题，发现已经存在的或正在发展的问题，并立即采取措施加以控制或纠正。自愈电网确保了电网的可靠性、安全性、电能质量和效率。自愈电网将尽量减少供电服务中断，充分应用数据获取技术，执行决策支持算法，避免或限制电力供应的中断，迅速恢复供电服务。基于实时测量的概率风险评估将确定最有可能失败的设备、发电设备和线路；实时应急分析将确定电网整体的健康水平，触发可能导致电网故障发展的早期预警，确定是否需要立即进行检查或采取相应的措施；本地和远程设备的通信将帮助分析故障、电压降低、电能质量差、过载和其他不希望的系统状态，基于这些分析，采取适当的控制行动。当应用于连接多个电源的网络设计方式，出现故障或发生其他的问题时，在电网设备中的先进的传感器确定故障并和附近的设备进行通信，切除故障元件或将用户迅速地切换到另外的可靠的电源上，同时传感器还有检测故障前兆的能力，在故障实际发生前，将设备状况告知系统，系统就会及时地提出预警信息。采取分布式协调/自适应控制面向Agent(OA)3层Multi-Agent结构，可以解决灵活分区导致的继电保护、稳定补救和无功补偿装指定值的自适应修改，以及实现解列后包括微网和变电站的分布式智能控制。由认知层、协作层和反应层构成的Multi-Agent中，完全进入知识领域的认知式Agent，具有很高的智能水平，在精确解难于实现自主性的情况下，不失为研发自适应控制的一个新途径。Multi-Agent的分布协调理念，同样可应用于各级EMS、DMS、厂站自动化系统之间的分布协调控制。3) 智能配电网运行的信息支撑关键技术（1）IEC 61850体系下的配电自动化系统配电自动化系统是保障智能配电网运行的关键环节，该系统有着容量大、故障记录信息、定值远传、远方抄表等特点，传统的通信规约不能够很好的满足使用要求。IEC 61850标准作为实现数字化变电站的一个关键规约，由于其自身面向对象的开放性技术特点，也将逐步应用到配电自动化领域。针对IEC 61850体系下的配电自动化系统，主要从以下三个方面展开研究： 满足配电自动化系统要求的信息模型和信息交换模型针对数量庞大、种类繁多的配电网数据和信息，建立统一完善的信息模型。一方面，要面向配电自动化设备的需要，覆盖应用中所涉及的数据类型；另一方面，要考虑到配电自动化系统与SCADA数据库之间的数据交换，保证与IEC 61970的模型协调一致。结合配电自动化的功能执行特点，设计能平衡数据传输量与实时性的信息交换模型。针对远方抄表等功能，主要特点是定期执行、数据量大，应设计能提高数据传输效率、降低占用带宽的信息交换方式；针对故障信息采集与故障恢复等实时性要求较高的功能，应采用事件触发，并以最短时间为目标的信息交换模型。 配电网信息模型到各类典型通信协议的映射IEC 61850作为一种应用层协议，它完全支持OSI标准7层通信协议模型，并且通过特定通信服务映射（SCSM）与底层通信协议绑定，使抽象通信服务接口（ACSI）与底层的具体技术和实现方法相互独立。在研究时，要考虑与配电网原有通信规约的映射方式，如IEC 60870-5-101、IEC 60870- 5-104等；同时，根据配电网通信范围大，接入点多的特点，需要考虑与先进的移动通信技术的关联，研究信息模型到移动通信协议的映射方式。 基于IEC 61850的配电自动化终端装置IEC 61850统一的模型体系和统一的服务接口使得不同厂家设备之间的数据交互和功能联合成为可能。以馈线保护设备为例，如果各个保护设备之间遵循IEC 61850标准实现互操作，则故障信息就会在网络上得到共享，使非故障点处的保护迅速自动闭锁，这样既减少了配电主站故障处理的工作量，又提高了通信速度和系统的可靠性。（2）含分布式能源的配电网信息集成 研究面向分布式发电系统的CIM扩展IEC 61970标准能量管理系统应用程序接口( EMS-API)，实现了能量管理系统中应用软件的无缝集成，但是IEC 61970没有分布式发电系统的公共信息模型(CIM)。需要对原有IEC 61970中的CIM进行扩展，建立了光伏发电系统、风力发电系统、燃料电池发电系统、储能系统的CIM，实现了包含分布式发电系统的完整的电网信息模型，并应用于微网能量管理系统的设计。在原有CIM 的基础上，采用面向对象的设计方法，按统一建模语言(UML)对各类分布式发电系统建立完整的电网信息模型，目的是为了满足含分布式发电系统的各种应用需求，包括机组的经济组合和经济调度、自动发电控制、电网拓扑分析、仿真培训等。 含分布式能源的通信系统根据分布式能源的信息交换需求，研究通信系统的信息模型和信息交换模型。研究的对象包括燃气轮机、光伏发电、风力发电和燃料电池发电等分布式发电系统和相关的储能设备。采用开放的通信系统模型，包括建模语言、语法、服务、协议和架构等，需要兼容于IEC 61850及其扩展、IEC 61970及其扩展、IEC 60870-5和IEC 60870-6等。4) 基于分布式发电的微电网系统集成技术（1）提高微电网灵活运行能力的关键技术. 电力电子技术。电力电子技术在分布式电源的电能变换、传递、存储中具有关键作用，可以提高微电网控制的灵活性。电力电子技术的应用，使各种类型的直流、交流微电源均可接入微电网，因此整流器、逆变器的控制理论成为其中的关键技术；. 储能技术。储能技术一方面使风电、光伏发电等间歇性能源发电接入微电网成为现实，另一方面能够调节电压、频率偏差，为微电网孤网运行时的功率平衡提供了条件。研发价格低、储存能量大、响应迅速的储能元件，以及对储能的快速、稳定的控制是其中的关键技术；. 静态开关。静态开关是微电网实现并网运行和孤网运行灵活转换的关键，在接口处实现灵活可控地接受或输送电能。晶闸管以关断时间短、通过电流大和价格低的优点，往往成为开关器件的首选，但晶闸管不具备自关断能力，因此需要研发性能优越、价格低的静态开关；微电网控制技术。基于多代理技术的微电网控制技术，将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。代理的自治性、响应能力、自发行为等特点正好满足微电网分散控制的需要，提供了一个能够嵌入各种控制且无需管理者经常参与的系统。(2) 输电网-配电网-微电网三级电网规划平台技术将来的电力系统不可避免出现输电网、配电网和微电网三级电网共存的局面。鉴于微电网具有很强的分布式特性，同时将来在配电网必然会出现越来越多的微电网，发-输-配-用的传统电力系统形式将发生改变，且越来越复杂。因此如何对三级电网进行规划或者协调是维护电力系统稳定、高效运行的关键问题之一。代理（agent）技术具有自治性、可通信性、反应性、面向目标性和针对环境性等特点，由多个agent组成的多代理系统（MAS）能将控制权分散到各个微电网（或者微电网元件）、配电网，由它们根据实际情况改变运行状态，实现灵活、有效的调度。基于MAS的三级电网规划/协调中各agent应该具有如下的功能：. 微电网作为独立的agent运行，管理微电网的底层元件如电源、负荷等，为其提供相应的控制策略。. 配电网agent和微电网agent之间通过通信协调解决各agent的任务划分和共享资源的分配。. 配电网agent及上级的输电网agent负责电力市场以及各agent间的协调调度，并综合网络信息做出重大决策。(3) 集成化的微电源与储能装置组合供电技术微电源与储能装置组合供电，通过储能装置进行能量缓冲，使微电源成为可控电源。. 微电源所发的电或者是比工频大的多，或者直接产生直流电，由于普通的负荷都是工频电负荷，所以给负荷供电时，必须经过DC-AC或者是AC-DC-AC转换设备，对电力电子技术的要求比较高；. 微电源大部分是可再生能源，如风力发电、光伏发电、潮汐发电等，受自然条件的影响，其功率输出由一次能源的最优运行条件决定，即电源可能是一个扰动源，这对微网的控制和管理提出更高的要求；. 与传统的系统电源相比，微电源是一个小惯性的电源，当负荷需求发生变化时，微电源的反应时间比较长（大约10-200s），不能实时的跟踪负荷变化，需要和储能装置配套使用。. 储能设备的潮流流动是双向的，对储能设备的控制也是一项技术难题。(4) 微电网电能质量控制技术在微电网及微电网并网运行中，电能质量问题是其中一个重要的问题。其关键的技术和研究方向有：. 微电网的无功优化。充足的无功电源不仅是保证稳态电压的基础，而且非线性和非对称负荷对电能质量的影响将被削弱。按照无功功率就地平衡原则合理配置无功功率电源是保证电能质量的重要前提，特别是在大功率非线性和非对称负荷附近。. 建立全网的电能质量监测、分析和协调系统。合理配置电能质量监测点，利用现有的电能质量控制设备，合理进行调整，并适当增加系统级的电能质量调整手段，保证整个微电网的电能质量。. 应用满足不同用户电能质量需求的用户电力技术（Custom Power Technology）。满足不同用户对电能质量的不同需求是微电网电能质量控制的发展方向。. 研究和应用大功率电力电子电能质量控制装置、研究电力电子装置与其他电能质量控制装置的协调配合问题是电能质量控制的主要手段。(5) 微电网分散灵活控制和自适应保护技术微电网的保护与传统保护方式有着根本上的不同： 潮流的双向流通； 微电网在并网和孤网运行两种情况下，由于馈线分布着多个分布式发电系统，短路电流大小有很大不同。其关键的技术和研究方向有：. 如何在并网运行、孤网运行两种状态下，对微电网内部故障做出响应以及在并网情况下快速响应主网的故障，同时保证保护的选择性、快速型、可靠性与灵敏性，这是微电网保护技术的关键和难点。. 在孤网情况下，微电网内分布式电源所能提供的故障电流大小仅为正常电流的两倍或更小，传统的电流保护装置已不能做出正常响应或是需要几十秒才能做出反应，这已经无法满足微电网保护的要，因此需要采用更为先进的故障诊断方式。. 发电机和负荷类型容量对于保护的影响、各种类型分布式发电系统（传统小型发电机与基