智能电网配电技术及其设备需要具备的条件

智能电网配电技术及其设备需要具备的条件一、智能电网及建设原动力简述随着经济的发展、社会的进步、科技和信息化水平的提高以及全球资源和环境问题的日益突出，电网发展面临新课题和新挑战。智能电网承载保障能源安全、促进能源清洁高效利用和提振经济发展等重要使命，已经成为当今世界电网发展的新趋势、新方向。发展智能电网，适应未来可持续发展的要求，已成为国际电力工业积极应对未来挑战的共同选择。不同国家的国情不同、电网发展阶段、资源分布、原动力不同，发展智能电网的方向和重点也不同。2002年，美国电科院开始致力于智能电网整体的信息通信架构开发，配电侧的业务创新和技术研发。2003—2005年间，美国智能电网研究开始蓬勃发展，美国能源部先后发布了“Grid2030”、“国家输电技术路线图”，描绘美国未来电网远景和技术战略。2003年美国加利福尼亚的大停电事件引起了各国高度重视。随后几年，美国电力企业开始在智能电网领域开展一系列实践。美国在智能电网方面，将成倍增加可再生能源的开发能力，建设一个可实现在东西海岸（距离4000公里以上）传输的新的更坚强、更智能的智能电网。奥巴马将智能电网同上个世纪初美国建设高速公路网相比，称其为美国建设新能源经济的重大举措。美国在全国范围内存在多个交流输电网，人员年龄老化，投入不足，技术陈旧，事故较为频繁，需要防止大停电。在智能电网建设中更加关注电力网络基础架构的升级更新，以提高电网运行水平和供电可靠性，有效接入可再生能源，同时最大限度地利用信息技术，实现系统智能对人工的替代。抢占产业制高点，创造新的经济增长点仅大规模部署应用分布式发电和储能技术就有望在2022年之前为美国带来每年100亿美元的经济增长。2005年，欧洲委员会首次在欧洲提出“智能电网”概念，成立“智能电网(SmartGrid)欧洲技术论坛”，目标是把电网转换成用户和运营者互动的服务网，提高欧洲输配电系统的效率、安全性及可靠性，并为分布式和可再生能源发电的大规模整合扫除障碍。2006年，论坛提出了《欧洲未来电网的远景和策略》，制定了《战略研究议程(SRA)》，《欧洲未来电网发展策略》，指导欧盟及其各国开展相关项目，促成智能电网的实现。欧盟在《能源技术发展战略》中阐述了运用高科技来应对气候变化，进而使得欧洲企业争得全球低碳经济转型先机的设想;欧盟要争当全球绿色科技竞赛中的领跑者，数十亿欧元被投入到能源技术领域的研发。欧洲各国电网运行模式不同，电力需求趋于饱和，其能源政策强调对环境的保护和可再生能源发电的发展。低碳经济是欧洲智能电网的主要发展动因。关注：在迅速增长的能源成本压力下，欧洲智能电网建设更加关注可再生能源和分布式电源的接入，并带动整个行业发展模式的转变。2022年，国网公司加强对世界电网智能化发展趋势的关注和跟踪。2022年，国网公司在国内提出建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制等技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网的战略发展目标。坚强智能电网将主要围绕发电、输电、变电、配电、用电、调度等六大环节及通信信息平台进行建设，全面覆盖传统电力系统的所有领域。2022年3月，国务院总理温家宝在政府工作报告中指出“大力开发低碳技术，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网建设”。智能电网的特点是电力和信息的双向流动性，以便建立一个高度自动化的和广泛分布的能量交换网络。为了实时地交换信息和达到设备层次上近乎瞬时的供需平衡，把分布式计算和通信的优势引入电网。智能电网的五个原动力：提高安全性和防止大面积联锁停电;能源供给与能源消费结构的不平衡;高级市场化和需求侧管理;分布式电源和储能装置并网;提高供电可靠性和电能质量、节能降损和环保。1提高安全性和防止大面积联锁停电一般地观点是：提高系统的可视化程度和预警能力;使用较好的、灵巧的和快速的控制和灵活的网络拓扑，是增强电网的安全性和避免系统崩溃的未来的电网将拥有自治的和自适应的基础设施，能够对恐怖袭击、军事威胁、元件故障、自然灾害等扰动作出自愈的响应。在紧急状态下能分片实现“自适应孤岛运行”，并且其后能够快速恢复供电。2能源供给与能源消费结构的不平衡我国能源结构以煤炭资源为主，煤炭资源保有储量的76%分布在山西、内蒙古、陕西、新疆等北部和西部地区。我国能源消费需求主要集中在经济较为发达的中东部地区，随着中国能源开发西移和北移的速度加快，大型煤炭能源基地与能源消费地之间的输送距离越来越远，能源输送的规模越来越大。要满足未来持续增长的电力需求，从根本上解决煤电运力紧张的问题，需要发展智能电网，实施电力的大规模、远距离、高效率输送。3高级市场化和需求侧管理大电网为了可持续发展，电网需要高级市场化：社会对能源的需求日益增加，需要降低全球能源的消耗;社会对物质的需求日益增加，需要提高电网的使用率。我国配电资产利用率较低：2022我国某配电设施利用率较高城市的10kV线路和变压器载荷率的年持续曲线（年平均负载率仅30%,而美国为43%）最大负荷时刻，10个城市10kV线路平均负载率全部在50%以下，其中有5个在40%以下，2个低于30%（东京为75%-85%）;10kV配变的平均负载率10个城市中有9个在40%以下，有3个在30%以下由于负荷峰谷差比较大，致使现实电网的利用系数很低（据美国统计，约55%），一年内只有少数时间资产是被完全使用的。解决办法是缩小负荷曲线峰谷差。我国城市中居民用电在年典型峰荷日的峰荷时大多占到峰荷的12%~20%，如果消减6%~8%的峰荷，所节约的电力（发、输、配）资产额十分巨大。没有集成的通信基础设施和相应的电能价格信号，处理混合电动汽车会非常困难，不仅效率低下，甚至会加剧峰荷问题。因此，需要开发智能充电器，其将根据电力市场信息，帮助管理好接于电网上的这类设备，同时避免电力基础设施出现意外损坏。电力市场的开发需要可进行双向交易的更高级的用户界面：能够很好地反映价格，使配电公司可增加配电消费的透明度;使配电运行调度可在实时运行中实现削峰填谷和优化调度，并使用户可根据价格、可靠性等来进行实时交易，从而使参与的用户获得最大的经济效益;这将使配电网的运行更加复杂化、更难于预计。4分布式电源和储能装置并网能源的压力与生态文明意识，驱使人类注意使用太阳能、风能等可再生能源将是21世纪能源出路之一。分布式电源的特性：它们天然是分布式的;为了补偿其不确定性和间歇性而强化了对储能技术的需求;需求侧管理（虚拟的电源）。风电由于价格下降，其推广应用的前景已被认知;技术上的新进展大幅降低了太阳能发电的成本，已展示了太阳能发电的良好前景。如何处理数以万计的广泛分布的分布式电源和应对可再生的风能和太阳能发电的不确定性和间歇性，同时确保电网的安全性、可靠性与人身和设备安全，并激励市场未来配电系统的运行将由于配电网采用新的分布式电源设备而要求新的灵活的可重构的网络拓扑、新的保护方案、新的电压控制和新的仪表。5提高供电可靠性和电能质量、节能降损和环保电网发展应面向未来数字化社会对供电可靠性和电能质量的严格要求。我国城市用户停电时间过长，且10kV以下电网对用户供电可靠性的影响在70-80%以上，而10kV电网的高裕度并未带来高可靠性。效益方面，停电间隔和停电频率的大幅度降低;少得多的电能质量扰动;有效地消除区域性大停电;大大地减轻对恐怖主义和自然灾害的脆弱性;改善公众和工人的人身安全;降低或缓解电价;为市场参与者提供新的选择;更有效地运行和以很低的成本改善资产管理;降低网损;更广泛地开发环境友好的资源;与各种配电管理相关的效益。要求采用：灵活的、可重构的配电网络拓扑和可靠地双向数字通信系统;高级配电运行;更高的可靠性要求使用分布式电源。二、农网智能化概述（一）农网特点及需求我国农网特点为分布广泛、负荷分散;电压等级多、运行环境复杂、发展不平衡管理体制多元化。发展需求为新农村建设和城乡社会经济一体化发展需求分散式新型可再生能源/微网的接入需求电源/用户供用电信息互动化需求。（二） 农网与智能电网目标差距（三） 农网智能化建设目标农网智能化建设目标紧密围绕坚强智能电网发展总体目标，一新型农网建设为载体;加快建设坚强农网，不断完善信息化、自动化、互动化功能，提高智能化水平;增强电网与用户、与各类新型能源的互动功能。（四） 农网智能化建设路线农网智能化建设路线分为三阶段。第一阶段为智能配电台区;配电自动化;用电信息采集系统；农网数据统一采集与监控;试点工程，典型模式。第二阶段为智能化变电站;农网用电互动化;农村分布式清洁能源接入;智能用电服务体系;综合示范工程。第三阶段为农网智能经济调度;运用需求侧响应技术引导用户有序用电;建设坚强智能新型农网。（五） 农网智能化主要建设内容1用电信息采集建设内容为涵盖公变、专变采集;单、三相居民用户采集;提供多种缴费方式。建设目标位实现用电信息采集的自动化和互动化，实现用电信息实时监测、预警及多种自助缴费方式。建设模式为采集终端通过光纤、微功率无线、载波等方式将采集信息传送到台区智能配电终端（集中器），在通过光纤、载波、无线公网、无线专网等方式传送到农网同意数据采集与集中监控平台。2智能台区台区装设智能配电箱或只能配变终端，将用户用电信息采集信息和台区信息通过光纤、无线公网、无线公网、无线专网等通信方式上传到统一数据采集与集中监控平台。实现配电台区设备（变压器、开关）状态参数监测、无功补偿本地/远程控制投切、漏电保护监测管理、谐波监测、三相不平衡监测、用电信息采集、远程通信、互动等功能与一体;实现农村配电网的电能质量问题（包括无功补偿、谐波治理和三相不平衡治理等）综合治理，降低电网损耗;实现智能配电区建设模式的规范化。3配电自动化实现配电网的运行监视和控制的自动化系统，具备配电SCADA、馈线自动化、电网分析应用及与相关应用系统互连等功能，主要由配电主站、终端、配电子站和通信通道等部分组成。有简易、实用、标准、集成、智能型之分。配电SCADA指通过人机交互，实现配电网的运行监视和远方控制，为配电网运行和调度提供服务。配电主站指配电主站是配电自动化系统的核心部分，主要实现配电网数据采集与监控等基本功能和电网分析应用等扩展功能。配电终端指安装于中压配电网现场的各种远方监测、控制单元的总称，主要包括配电开关监控终端即FTU、配电变压器监测终端TTU、开关站和公用及用户配电所的监控终端DTU等。馈线自动化指利用自动化装置或系统，监视配电线路的运行状况，及时发现配电线路故障，迅速诊断出故障区间并将故障区间隔离，快速恢复对非故障区间的供电。分为全自动、半自动、智能分布、重合器四种方式。建设内容在环网柜、开闭站、柱上开关装设DTU、FTU配电自动化终端，将开关状态信息和故障信息通过光纤、无线专网等通信方式上传到主站系统。通过建立不同电网模式下的智能控制通信网络和配网自动化建设模式，建设故障线路在线检测数据网，实现配电线路故障隔离、网络重构、自愈控制等功能，达到快速恢复供电、提高供电可靠性的目的。4农网营配调一体化管理模式优化三、智能电网配电关键设备研制规划（一） 《研制规划》简介制工作的行动纲领，可作为科研、制造企业的设备研制指南，同时也可作为制定相关产业化发展规划的指导依据。（二） 智能配电环节简述智能配电环节其特点是设备数量多、分布范围广、网架结构复杂。存在网架薄弱、供电能力不足、线路设备功能分散且可靠性较差、配电节能降损潜力巨大、通信难以覆盖等问题。其发展是可能大量接入分布式电源、微网、电动汽车、储能装置等，应满足自愈、互动、兼容、即插即用等系统运行需求。采取的措施是研制新型、高效、环保的智能化设备，提高供电可靠性、运行效率和设备利用率，提高供电能力和改善供电质量，提升配电网安全预警及应急供电能力。智能配电分为智能配电设备、配电自动化与配网规划、分布式电源接入与微网运行控制等环节。（三） 智能配电环节发展趋势1智能配电设备发展趋势开关及成套设备的趋势是向高可靠性、模块化、智能化、操作方便、与环境协调、低成本、少维护的方向发展。需要研究满足环保要求的绝缘技术;研究一次开关与二次终端集成技术。配电网测控保护的趋势是向广域信息、自适应、可逻辑重组、支持动态在线整定的方向发展，各种保护、控制技术将进一步与配电一次设备相互渗透、融合，发展为一体化智能设备。电能质量综合治理的趋势是不仅要保证了敏感负荷免受电能质量影响，且要消除治理本身造成的新的电能质量问题。2配电自动化与配网规划发展趋势配电自动化的趋势是向全面满足智能配电网的要求发展，即以坚强配电网架为基础，全面遵循IEC61970/61968，覆盖全部配网设备，涵盖整个配网调度和生产指挥的全部业务流程;在完整图模管理基础上，实现配电监测控制和馈线自动化功能，实现配电网信息的集成整合与共享，满足智能配电调控一体化的要求;具备扩展支持新能源接入、配电网自愈、可视化调度操作、与用户互动等功能。配网规划的趋势是计算机辅助决策支持系统向在线规划、多约束条件优化等方向发展，将进一步满足实际配电网规划需要，规划结果更具实用性。3分布式电源接入、微网控制及保护发展趋势国内分布式发电技术多应用在城市光伏发电系统、光伏-建筑一体化技术和储能系统上，分布式电源的即插即用技术研究还处于起步阶段，有待进一步深化。对分布式电源接入系统的稳定性分析、安全与自动保护措施、独立运行机制、多电源运行机制等方面还需要系统性的研究。分布式储能技术还在发展中，有待实现大规模产业化。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，技术成熟后可用于城市电网和可再生能源发电补偿;超级电容容量大、寿命长、环保，目前已有市场化应用；飞轮储能效率高、寿命长，尚在研制中。超导储能效率高、响应快，目前已在风力发电系统中应用。4配电环节研究内容在智能化少维护金属封闭开关设备方面，现处于研制和完善阶段，应选用最新的传感和通信技术，实现一次设备及关键元器件的实时状态监测，在绝缘技术、设备体积、智能控制等技术方面，开展产品的标准化、通用化设计，提高设备安全性及模块化程度，降低设备维护量。在智能化环保型环网柜方面，近两年来少SF6气体、混合气体的环网柜的变化不是很大，但固体绝缘环网柜的发展非常快。研制采用具有全固封或全封闭、安全可视的隔离断口的新型绝缘介质（气体和固体绝缘介质）的环网柜，同时具备小型化和环保的特征。在智能化环保型柱上开关方面，目前处于研究新型绝缘介质和灭弧介质的研究阶段，主要是新型SF6混合气体及固体绝缘等新型环保型绝缘介质的研究、配永磁操动机构、具备智能化控制装置及集成化关键技术的研究。在高效节能配电变压器方面，跟踪分析单级有载调容配电变压器运行情况，研制大容量、多级有载、可靠切换的调容开关;研制智能控制器;研制看远程调控的主站及通信系统。在集成式智能配电站方面，整合当前电能质量调节技术，研制动态电能质量调节装置，研制具有计量、保护、通信、无功补偿、电能质量调节等功能的各种智能模块及智能型集成装置;统一各智能模块硬件、软件的支撑平台。在智能配电网保护测控一体化终端方面，分布能源发电设备的保护与监控方法;可采集配电网及设备运行状态的装置;电能质量的稳态、暂态检测方法;分布式能源接入时配电网的保护配置;基于广域同步采样技术的配电网解合环电流计算;配电终端的就地FA功能;利用IEEE1588网络时钟协议实现各配网设备的同步采样技术;基于IP通信方式的信息交换与共享技术。满足配电网的自愈控制对配电网保护测控一体化装置的技术要求。在智能配变监测终端方面现处于软硬件总体方案和概要设计阶段，研制集保护告警、测量、控制、计量、通信等功能为一体、支持智能配电台区无功补偿及谐波治理、支持光纤环网、EPON、无线公网、无线专网等多种通讯方式的智能配变监测终端。在电能质量控制器方面，统一电能质量控制器现处于动模实验的研究阶段。综合分析电能质量扰动特征，研制电能质量扰动发生装置和统一电能质量控制器;研究谐波和无功功率的快速检测算法;研究电压波动与闪变、电压暂降、电压暂升、电压中断的快速可靠检测算法；研究电能质量协调、优化控制目标;提出电能质量协调控制策略。在配电自动化系统方面，研究配电网络模型动态变化处理机制;研究多业务系统间的信息定制规范;研制故障处理、负荷转供、解合环潮流计算、状态估计等具有实用价值的多种配网应用软件;研究配电网停电管理；逐步开展分布式电源/微电网/储能装置接入、配电网自愈等智能化功能研究。在配电网调控一体技术支持系统方面，研制系统构架和数据模型;研制可以对超量实时数据进行准确可靠处理的前置处理软件;通过构建电力流、信息流、业务流完整统一的配电网模型，将配电网所涉及到的多种信息资源进行一体化的整合、分析、优化、展现;开发实现智能配电网多系统互操作控制权限安全转移支撑平台;开发智能配电网安全预警分析的子系统，提供一个集地理信息与可视化功能于一体的综合性支撑平台。在智能配电网规划计算机辅助决策系统方面，研制智能配电网规划平台框架、需求分析及系统设计方案，考虑分布式电源接入的智能配电网优化规划模型和规划数据挖掘模型，开发智能配电网规划计算机辅助决策系统，包括：CIM公共信息模型、基于GIS的配电网智能规划平台数据交换模型、配电网智能规划组件接口信息模型、正常和故障情况下配电通信网多种业务信息量的预测模型、电网与信息网集成的配电网智能规划平台信息模型。分布式电源和微网控制、保护及接入：研制分布式电源大功率并网换流器、“即插即用”的分布式电源电能控制装置。掌握高压并网换流器产业化关键性软硬件技术，制定设计规范，确定标准化单相、三相换流装置的关键性能指标。在分布式电源及微电网电能质量治理装置方面，研制用于解决分布式电源及微电网电能质量问题的典型设备，如静止无功补偿器(STATCOM)、有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)等，提高分布式电源的供电可靠性，实现安全稳定运行。在分布式电源及微电网保护测控一体化装置方面，研究含分布式电源及微电网配电自动化系统的有功功率控制和电压/无功调节;研制分布式电源及微电网接入配电网的新型测控保护一体化装置。在大容量、高可靠快速切换固态开关方面，现尚处于其数学模型的研发及其设计参数的确定阶段。对比分析各种智能化固态开关技术方案，提出适合微网的智能化固态开关电路拓扑结构，解决大容量、高可靠快速切换固态开关稳态及暂态特性的控制策略问题，提高固态开关动作的可靠性。在高温超导储能装置方面完成高温超导储能和输出、低温高压、电磁兼容等相关特性的研究;研究和设计超导储能监控系统，完成高温超导储能装置磁体、辅机、监控系统的综合集成。在超级电容器储能装置方面，现处于10kW/1kWh级超级电容器储能装置的研发阶段。研发超级电容器核心部件;相应串并联设计方案的研究;研发超级电容器储能模块，实现超级电容器本体、变流器及监控保护系统的综合集成。在飞轮储能装置方面，核心部件和关键生产设备的研发;建立大容量飞轮储能系统构造设计和振动分析的研究平台；建立飞轮储能系统的机电、电磁和力学耦合系统的数学模型;研究飞轮能量转换的内在机理和动态特性。在分布式电源/微电网接入控制系统方面，研究分布式电源/微电网接入后对配网的影响;研究分布式电源/微电网的接入控制策略;逐步开展对分布式电源/微电网的智能优化调度、馈线自动化、容量与位置优化的技术研究;开发分布式电源/微电网接入控制系统。在微电网能量管理系统方面，研究微电网监控体系;研究各种运行模式下微电网的多元能量优化管理技术;研究融合能量管理和需求侧管理的微电网控制策略;研究微电网与配网的联合调度技术;开发微电网能量管理系统。在微电网自动控制装置方面，研究微电网的无缝切换控制策略、自动发电/频率控制、自动电压控制、黑启动;研制微电网自动控制装置。四、农网发展重点应用技术（一） 《支撑框架》简介2022年国网公司农电部组织编制完成了《农网科技进步支撑框架》。其中《农网发展重点应用技术》（2022年版），共8个专题介绍了42项适用于农网发展和科技进步建设的重点技术《；农网科技进步应用成果汇编》（2022年版），共7个专题收录了64项应用成果，这些成果是由公司系统各单位推荐，经公司组织专家审查遴选，在农网建设和发展中取得了较好应用效果。2022年6月国家电网公司农电部组织修编了《农网科技进步支撑框架》。修改后的《农网发展重点应用技术》（2022年版），共8个专题介绍