智能化让配电网主动起来

智能化让配电网主动起来智能化让配电网主动起来 徐丙垠 张新慧 山东理工大学智能电网研究中心 山东淄博张周路 12 号 PC 255049 e mail xuby 摘要摘要 介绍了主动配电网的定义 技术内容 发展历程 分析了主动配电网与有源配电网以 及智能配电网概念之间联系与区别 指出配电网的 智能化 与 主动化 是分不开的 智能化 使配电网 主动 起来 提出主动配电网的特征包括分布式电源与负荷的主动 调节与控制 具有完善的运行监控与信息化管理手段 具有可信容量 针对分布式电源与 负荷的随机性特点进行规划设计等方面 是解决分布式电源大量接入 优化配电网运行的 必由之路 关键词 关键词 智能配电网 主动配电网 有源配电网 分布式电源 1 1 引言引言 分布式电源的发展以及现代社会对供电质量与电网运行经济性要求的提高 使配电技 术面临新的机遇与挑战 智能配电网 主动配电网 应运而生 引起了电力业界以 及社会的广泛关注 成为电力技术研究的热点 随着对智能电网技术研究与推广应用的深 入 人们对智能配电网有了较全面的理解并取得了基本的共识 而主动配电网则是一个相 对较新的概念 那么 什么是主动配电网 主动配电网有哪些主要的特征 主动配电网与 有源配电网 智能配电网有什么区别与联系 是目前业界比较关心的问题 本文根据学习 研究智能配电网与主动配电网技术的心得 就此谈几点看法 2 2 主动配电网的由来主动配电网的由来 我们知道 传统的中低压配电网向用户单方向分配电力 不包含分布式电源 分布式 发电与储能装置 除无功补偿电容器外 不使用其他的有功 无功调节以及电压控制设 备 没有远程运行监视与控制手段 因此 传统的配电网是一个 被动 地从主网接收功 率的电力网络 其潮流根据负荷的需求自然分布 不能够根据主网以及负荷的变化自动地 调整运行方式与潮流 无法对异常运行状态与故障进行有效地控制 难以保证供电质量 实现最优经济运行 由于在调节 控制措施上的 被动 限制了传统配电网接纳分布式电源的能力 为 了不影响配电网的安全运行与供电质量 早期的分布式电源接入技术条件 对分布式电源 的渗透率及其运行方式做出了严格的规定 如美国供电企业曾规定配电线路接入的分布式 电源容量不得大于线路最大负荷的 10 美国国际电气电子工程师协会 IEEE 2003 年发布的分布式电源并网技术导则 IEEE 1543 规定 分布式电源要运行在功率接近于 1 的状态 不允许其主动地参与配电网电压无功的调整 这种做法 不利于分布式电源的 大量接入 也无法充分发挥其优化配电网运行方面的作用 分布式电源并网的实践使人们认识到 要提高配电网接纳分布式电源的能力 充分发 挥其作用 必须转变传统的配电网规划设计 保护 控制与管理方式 要让它 主动 起 来 进入新世纪 针对分布式电源大量接入 高度渗透带来的问题 英国 意大利等国的 学者开始探讨配电网的主动控制与调节技术 2006 年 国际大电网会议 CIGRE 成立 C6 11 工作组 专题研究主动配电网问题 中国电科院的范明天教授作为中国代表参加了 该工作组的活动 2008 年该工作组发布了 主动配电网运行与发展 的研究报告 1 正 式提出了主动配电网 active distribution networks 的概念 CIGRE 工作组的成立 标志着国际电力业界已在主动配电网问题上取得了一定的共识 极大地推动了国际上对主 动配电网的研究工作 主动配电网技术 也受到了中国电力科研工作者的广泛关注 一些学者通过学术会议 报告 发布论文向国内业界介绍主动配电网技术及其发展情况 2 3 中国 十二五 能 源领域国家科技 863 计划 重点智能电网重点专项于 2012 安排了 主动配电网的间歇 式能源消纳及优化技术研究与应用 课题 2013 年又立项了 多源协同的主动配电网运 行关键技术研究及示范 课题 标志着中国已展开对主动配电网技术的深入研究 目前 国际业界对主动配电网的内含 特征与技术内容等 还没有取得完全一致的意 见 CIGRE C6 11 工作组报告对主动配电网的定义是 主动配电网具有对包括发电机 负载和储能装置在内的分布式资源组合进行控制的系统 配电运行人员能够应用灵活的网 络拓扑 调整潮流的分布 分布式资源可以根据适当的监管政策以及用户接入协议 向系 统提供一定程度的辅助服务支撑 英文原文 Active distribution networks ADNs have systems in place to control a combination of distributed energy resources DERs defined as generators loads and storage Distribution system operators DSOs have the possibility of managing the electricity flows using a flexible network topology DERs take some degree of responsibility for system support which will depend on a suitable regulatory environment and connection agreement CIGRE C6 11 的这个定义 应该是目 前对主动配电网内含比较权威的描述 值得注意的是 在 2012 的 CIGRE 会议上 C6 11 工作组将 主动配电网 改称为 主动配电系统 active distribution systems 以更好地反映其对负荷进行控制的 特征 3 3 主动配电网与有源配电网主动配电网与有源配电网 在2004年IEEE年会上 英国曼切斯特大学的学者发表了名为 Active Management and Protection of Distribution Networks with Distributed Generation 的论文 4 是世界上最早公 开发表的研究主动配电网技术的论文 其中 active 意为 主动 积极 论文题目的中 文翻译为 含分布式电源配电网的主动管理与保护 在2005年的18届国际供电会议 CIRED 上 该校学者又发表了 Control of active networks 的论文 5 根据论文的内容 其中 active networks 意为 有源网络 用来表示含分布式电源的配电网 2008年CIGRE C6 11工作组发布的研究报告使用了 active distribution networks ADN 的术语 国内 有学者根据报告的内容 将其翻译为 主动配电网 目前 围绕着ADN是称为 主动配电网 还是 有源配电网 中国学术界还存在不同 的意见 不少人对于到底使用哪一个术语更好 还感到很纠结 究其原因 一是因为 active 一词本身就有 主动 有源 的含义 而且传统上用来描述带有电源的电路系 统 如有源滤波器等 再就是从已发表的有关文献来看 既有用它表示配电网能够进行主 动地调节与控制的 也有用它描述配电网接有分布式电源这一物理特征的 事实上 这两 个概念既有联系又有区别 首先 它们反映了现代或未来配电网的两个基本特征 一是 有源 功率与故障电流双向流动 再就是 主动 即采用积极 主动的控制 管理方 法 主动配电网强调配电网具有主动的调节与控制能力的属性 而有源配电网则是反映了 配电网接有分布式电源的物理特征 有源配电网只有采取 主动 的控制与管理手段 才 能有效地集成分布式电源 提高供电质量 实现优化运行 而主动配电网只有 有源 才 才能充分发挥出自身的优势 因此 实际工作中 应该根据所描述的具体问题 决定是使 用 主动配电网 还是 有源配电网 随着分布式电源大量的接入 配电网的潮流与故障电流特征出现了本质上的变化 其 规划 保护控制以及调度管理方法都与传统配电网有着很大的区别 这就需要一个新的名 词或术语来描述这种新型的配电网 如果使用 含分布式电源的配电网 或 接入分布式 电源的配电网 显得比较冗长 绕口 而将其称为 有源配电网 则比较恰当 一方面是 比较简捷 读起来上口 例如 我们讲 含分布式电源的配电网的继电保护技术 显然不 如 有源配电网继电保护 来得方便 再就是很好地反映了配电网接入了分布式电源的物 理特征 主动配电网 一词 强调的是配电网具有主动调节与控制能力 显然 即使不含 分布式电源的配电网 也可以 主动 起来 因此 把它来描述含分布式电源的配电网是 不准确的 4 4 主动配电网与智能配电网主动配电网与智能配电网 智能配电网是在智能电网技术发展的大背景下提出的 智能配电网是智能电网的重要 组成部分 智能配电网主要目标是提高供电质量与运行效率 解决分布式电源的大量接入 问题 其特征是自动化 信息化 互动化 具有良好的自愈能力 其主要的支撑技术有计 算机测量与控制技术 通信技术 电力电子技术等 从实现的目标 特征以及主要技术内容来看 智能配电网与主动配电网基本一致的 智能 与 主动 是分不开的 只有 智能化 才能使配电网 主动 起来 有人认 为 智能配电网是美国学者提出的概念 而主动配电网则是欧洲的说法 也有专家讲 智 能配电网是个比较空泛的概念 不是很严谨 但易于被社会各界所接受 而主动配电网是 一个具有明确技术含义的术语 比较专业 适合在学术交流活动中使用 事实上 智能配 电网与主动配电网并没有本质上的不同 很大程度上是从不同的角度描述分布式电源大量 接入的先进配电网 前者强调的是利用现代计算机 通信与电力电子技术 让配电网智能 灵活起来 而后者则是强调配电网具有主动的调节与控制能力 作为未来配电网的发展愿 景 智能配电网的内含更为丰富 广泛些 而主动配电网的内容则较为具体 主要落脚在 主动 这一特征上 需要指出 与主动配电网类似 智能配电网也不是仅限于分布式电源接入的配电网 就 智能配电网 主动配电网 与 有源配电网 这三个术语来说 智能配电网 与 主动配电网 的含义比较接近 一些情况下甚至说是可以互相替代的 而 有源配电网 用于描述配电网包含分布式电源的物理特征 具有独特的含义 不能与前二个术语等同使 用 5 5 主动配电网的主要特征主动配电网的主要特征 顾名思义 主动配电网的关键是 主动 那么主动配电网到底在哪些方面要 主动 起来呢 首先 分布式电源要进行主动地调节与控制 在传统配电网规划设计中 分布式电源 采用 即接即忘 的并网原则 即不把分布式电源作为一个常规的电源对待 而是把它看 成一个被动的 负的 负荷 或者像有人所说的 是一个只提供 能量 而不输出 功率 的设备 因此 可以忽略其对配电网运行状态的影响 为此 要求分布式电源工作在功率 因数接近于1的状态 不允许其主动地参与系统调频与电压无功控制 不向系统提供辅助服 务 显然 这种被动的做法无法充分发挥分布式电源的作用 例如 分布式电源不输出或 吸收无功 通过安装其他无功补偿或调压设备实现电压控制 难以达到最佳的投资效果 在系统频率变化时 分布式电源不能够自动调整其功率输出 加大了电力系统调频的困难 而主动配电网利用先进的计算机控制与通信技术手段 使分布式电源与配电网有效地集成 积极 主动地参与系统调频与电压无功控制 实现配电网乃至整个电力系统的优化运行 提高电力系统运行的安全性与供电可靠性 降低整体投资 第二 要让负荷主动起来 电力系统的一部分负荷 如电动车 电热水器 洗衣机 照明设备等 是功率可调或用电时间可平移的负荷 称为可调负荷 从系统运行角度讲 这些可调负荷是重要的功率平衡资源 鉴于此 国际上往往把分布式发电 储能装置以及 可调负荷统称为分布式资源 Distributed Resource DR 传统的配电网中 由于在规划设 计时很少考虑如何发挥可调负荷的作用以及缺少技术手段的缘故 负荷只是根据自身需要 被动的从电网中吸收功率 使 可调负荷 这一资源被无谓的浪费掉了 而主动配电网具 有完善的需求侧响应技术措施与机制 能够充分发挥可调负荷在系统功率平衡控制以及平 滑电力系统负荷曲线的作用 第三 要具备主动的条件 通俗地理解 要有 主动 的本钱 主要体现在两方面 一个是拥有可调资源 除了上面提到的分布式电源与可调负荷外 还有安装一些有功与电 压无功调节设备 如静止无功补偿装置 SVC 静止同步发生器 STATCOM 统一潮流 控制器 UPFC 等 再就是具备完善的调节 控制手段 即建有基于现代计算机与通信技 术的测量 控制与保护系统 第四 能够不依赖主网主动地给全部或部分负荷供电 具有可信容量 所谓可信容量 是配电网能够利用接入的分布式发电与储能装置供电 并且满足供电可靠性要求的可用容 量 按照常规的配电网规划设计方法 尽管其中接入了分布式电源 但仍然主要依赖主网 提供备用容量 保证电压的稳定 主动配电网具有丰富的可调资源与完善的调节 控制手 段 为获得可信容量 使其成为一个真正意义上的微电网创造了条件 有了可信容量 就 可以减少配电网对主网的容量需求 这对于提高电力系统设备的利用率 降低系统的整体 投资具有十分重要的意义 第四 针对主动的特点 进行配电网的规划设计 根据国际大电网会议工作组的问卷 调查结果 90 的供电企业仍然是采用传统的配电网规划设计方法 不考虑或很少考虑分 布式电源和可调负荷的集成 配电网容量针对最大的负荷需求设计 并不计及运行中主动 地功率调节控制作用 这种做法对于以前的无源 被动配电网是比较经济有效的 而对于 有源配电网来说 则无法充分地发挥分布式资源的作用 达不到最优的技术经济效果 主 动配电网的规划 不再仅仅考虑一个简单的配电网运行状态断面 Snapshot 而是要 全面地考虑分布式电源与负荷的时变特征 识别出功率变化的 日模式 采用随机分析 方法 解决配电网规划中的不确定问题 制定最佳解决方案 6 6 主动配电网技术展望主动配电网技术展望 近年来 分布式电源正在世界范围内迅速发展 正在电力技术带来一场深刻的变革 例如在德国 到 2012 年 8 月底仅光伏装机容量就超过了 30GW 基本上都是从中低压配 电网接入的 部分配电网光伏装机容量超过了其平均负荷的 3 倍 2012 年 5 月 25 日中 午 德国全国光伏发电功率达到 21GW 约占当时全国发电总功率的 40 中国国家能 源发展 十二五 规划提出要大力发展分布式能源 2012 年 11 月 国家电网发布了支 持分布式光伏并网的一系列措施 中国将迎来一个分布式电源大发展的时期 分布式电源 的大量接入 高度渗透 使配电网成为一个电力分配与交换网络 给其规划设计 保护控 制与运行管理带来一系列挑战 实现智能化 让配电网主动起来 是解决分布式电源与配 电网的集成问题 提高配电网供电质量与运行效率的必由之路 目前 主动配电网技术还在理论探讨 技术研发与应用试点阶段 相信随着时间的推 移 业界对主动配电网定义 技术特征及其主要技术内容 将取得广泛的共识 在虚拟发 电厂 VPP 需求侧响应 柔性配电等主动配电网的关键技术上将取得实质性突破 形 成完整的技术体系 随着主动配电网技术的发展 未来的配电网将广泛应用现代计算机控制与通信技术 具有很高智能化程度 可以灵活地拓扑结构 对电网运行状态进行主动地调节与控制 能 够有效地集成分布式电源 支撑高达 100 分布式电源渗透率 充分发挥分布式电源与可 调负荷的作用 最大程度的减少对主网的容量需求 并可为电力系统提供调频与电压无功 控制服务 具有良好的自愈能力 供电质量显著提高 能够为特殊用户提供不间断地优质 电力 线损显著地降低 设备利用率大幅地提高 具有很高的经济性 参考文献参考文献 1 CIGRE Task Force C6 11 Development and operation of active distribution networks 2008 2 范明天 张祖平 苏傲雪 苏剑 主动配电系统可行性研究 中国电建工程学报 Vol 33 No 22 2013 年 8 月 3 尤毅 刘东 于文鹏 陈飞 潘飞 主动配电网技术及其进展 电力系统自动化 Vol 36 No 18 2012 年 9 月 4 Ahmed Shafiu Thomas Bopp Ian Chilvers Goran Strbac Nick Jenkins Haiyu Li Management and protection of distribution networks with distributed generation 2004 IEEE PES General meeting 5 Ahmed SHAFIU Vincent THORNLEY Nick JENKINS Goran STRBAC Adam MALOYD Control of active networks 18th International Conference on Electricity Distribution Turin June 2005 Smartization Makes Distribution Networks Active XU Bingyin Zhang Xinhui The Smart Grids Research center of Shandong University of Technology 12 Zhangzhou Road Zibo Shandong PC 255049 e mail xuby Abstrac