从智能微网到智能配电网的分析

1 前言
目前,智能电网刚刚起步,未来智能电网的核心是智能配电网,而智能微网将是智能配电网的重要组成部分。由于微网技术的先进性,在现有微网技术基础上进一步扩展建设具有智能电网特征的“智能微网”,无疑是最节省投资、最容易实现的智能电网项目。智能电网研究的四大目标包括:
*现电网安全稳定运行;
*使分布式电源得到有效的利用;
*提高电网资产的利用率;
*提高用户用电的效率、可靠性和电能质量。
上述目标的实现需要通过高级量测体系(AMI)、高级配电运行(ADO)、高级输电运行(ATO)和高级资产管理(AAM)之间的密切配合。
国家电网公司公布的智能电网发展目标为:建设以坚强网架为基础,以通信信息平台为支撑,以智能控制为手段,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,是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。
2智能电网的核心
从长远来看,智能配电网都将是未来智能电网的核心,电力行业的定位决定了未来配电网的地位:在电力行业各个环节中,配电系统无疑是与用户联系最紧密的。智能配电系统的建设将为电力用户带来以下好处:
1)目前用户停电95%以上是由配电系统原因引起的,智能配电系统所具有的“自愈”功能将使事故发生时用户遭受停电的风险降至最低。
2)智能配电系统的双向性(双路通信、双向表计)将促进电网公司和客户之间的互动沟通,有利于推进电力需求侧管理,使客户享受更多的电价优惠,从而进一步提升电力服务水平。
3)用户对于包括计算机在内的大量电子设备的应用,将对供电电能质量提出更高要求。对于谐波、无功电压的治理有赖于新型电力电子装置的使用,智能配电系统的建设将为用户带来更加“优质”的电力供应。
4)随着世界各国不断加大对新能源产业的扶持,包括屋顶光伏发电、小型风电机组等微型并网项目的建设将迅速推进。此外,作为未来发展方向的智能化楼宇、智能化居民小区,以燃气轮机等自备电源为主的分布式电源同样具有并网运行的需求。对于这些新能源和分布式电源项目的并网,都有赖于新型智能配电网络的建设。
5)未来社会将是一个全面“电气化”的社会,作为城市电网的终端,各种新型电气设备将对配电系统提出更高的要求。
3从智能微网到智能配电网
3.1 微网是分布式发电发展的必然结果
微网的概念是随着分布式发电的发展而提出的。随着新能源产业的发展和用户自备电源的增加,包括光伏发电、微型燃气轮机发电、燃料电池发电和风力发电等分布式电源有了较大增长。如果大量分布式电源直接并入配电网,将给电网调度运行带来一系列新的问题:
*分布式电源在电网发生故障时将立即退出运行;
*分布式电源将间歇性地影响周边用户;
*使得配电网电压调整复杂化;
*容易产生大量谐波,影响该区域的电能质量;
*给继电保护整定带来困难。

为了解决上述问题,通过把分布式电源和负荷一起组合为配电子系统——微网,可以有效降低分布式发电带来的不利影响,同时发挥其积极作用。微网结构见图l。

图1 典型微网结构图
3.2微网是智能配电网的示范平台微网技术的发展从一开始就与先进的电力电子技术、计算机控制技术、通信技术紧密相关,其整体技术水平远远高于传统输电网和配电网。
智能微网示范项目具有以下组成部分:
*集控中心:可实现整个系统的智能化、可视化管理,具有系统运行及平台展示双重功能;木多种分布式电源,光伏发电,微型风力发电机组,自备发电机组,等等;
*多个智能化用户:均具有交互式智能电表、一体化通讯网络以及可扩展的智能化电气接口,可支持双向通信、智能读表、用户能源管理(需求侧管理DSM)、家庭自动化;
*具有自愈(故障重构)能力的电力网络:由新型开关设备、测量设备和通讯设备组成,在集控中心调度管理下可自动实现故障隔离、恢复2供电和故障定位诊断;
*定制电力/DFACTS:新型电力电子设备的实验性应用,包括动态无功补偿SVG、有源滤波器APF、固态断路器SSCB等,改善电能质量,适应分布式新能源接入。
*在各个主要部分均预留可扩展接口,建设开放式的智能电网示范研究平台,为今后进行新的试验研究和新产品挂网测试做好准备。
3.3 智能微网是智能配电网的重要组成部分
智能微网不仅具有智能配电网的研究和示范作用,而且将成为未来智能配电网的重要组成部分,这是因为智能微网具有如下优点:
*智能微网具有智能电网的几乎所有特点:双向交互性、网络自愈功能、灵活性,等等;
*可以提高分布式电源的有效运行时间;.
*有助于在电网灾变时保障对重要负荷的持续供电;
*可以在智能微网范围内有效解决电压、谐波问题,避免间歇式电源对周围用户电能质量的直接影响;
*可以尽量就地平衡分布式发电电能,有助于可再生能源优化利用和电网节能降损。
4 结论
未来智能电网的核心是智能配电网,而智能微网将是智能配电网的重要组成部分。由于微网技术的先进性,在现有微网技术基础上进一步扩展建设具有智能电网特征的“智能微网”,无疑是最节省投资、最容易实现的智能电网项目。在目前智能电网刚刚起步阶段,智能微网的建设具有极大的研究、示范价值和最低的风险性。

微网(MG)作为智能电网重要组成部分,目前在控制方面还存在一些问题,特别是微网的解列和并网控制。针对并网过程对微网和主电网电能质量的影响,通过研究电网中的频率和功率特性关系,对微网并网过程中的功率流动进行了详细的分析。最后使用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC对并网过程进行了仿真,通过比较最佳并网时刻前后的不同并网过程,分析了其频率和功率变化的不同。研究结果表明,微网和主电网电压相对相位的不同对并网过程的电能质量有很大的影响。
0 引 言
随着我国对智能电网研究和规划的正式启动, 作为智能电网基础部分的分布式电源(Distributed Generation, DG)越来越受到人们的关注。DG 主要包括微汽轮机、风能、太阳能、燃料电池、生物质能等。其一般和负载一起组成微网, 作为一个可控单元接入主电网。在并网运行时, 微网通过公共连接点和主电网连接, 当主电网发生故障或者电能质量问题时, 微网迅速与主电网断开, 独立向内部负载供电 , 当故障解除、主电网恢复正常后, 微网可以再次和主电网并网运行。为了保证在并网过程中微网和主电网的电压和频率等电能质量指标符合国家标准, 并网过程一定要采取合理有效的控制策略, 保证并网过程的顺利安全进行。
本研究中只考虑并网后电网向微网注入功率, 而微网向电网注入功率的控制在以后的研究中进一步深入探讨。通过PSCAD /EMTDC仿真, 重点研究并网过程的电压和频率波动, 提出安全有效的并网控制方法。
1 典型微网结构
典型微网结构如图1所示, 主要由分布式电源、储能系统、负载和保护装置组成一个低压电网( low voltage, LV), 通过变压器和主电网的中压电网(medium voltage, MV)连接 , 当主电网中发生重大电能质量问题时, 微网控制中心(MicroGrid Control Center,MGCC)控制微网进入孤岛模式运行, 保护微网内部敏感和重要设备。微网的并网是一个复杂的控制过程,在闭合之前需要对一些电能质量指标进行检查, 只有这些指标满足同步并网要求, 才能合上开关接入主电网。

2 并网后的功率流动
在电力系统中,当功率出现不平衡或者频率发生变化时,频率和功率的调整是由负荷和电源两者的调节效应来完成。系统中的频率和有功功率间的关系为:
$f = - Ks$P = - Ks(P0-P1) (1)
式中Ks系统的频率调节特性;$P系统有功功率的变化;P0、P1不同频率下对应的功率;$f系统频率的变化。
在孤岛模式下,DG提供了微网内部负载所需的所有功率。并网后DG产生功率的多少由微网控制中心的指令决定,微网所需功率的缺额部分再由电网注入。

图2 孤岛系统的频率-功率特性图
两个孤岛系统的频率-功率特性图如图2所示。在连接之前,DG(A)、DG(B)分别以不同频率独立向各自负载供电,DG(A)的频率为 fa,DG(B)的频率为fb,连接后成为含有两个DG的孤岛。在分开运行时A比B的频率要高,当它们并网连接后只能在同一个频率f0下运行。从图2可以看出,此时A由于频率下降增加了$Pa的功率输出,B由于频率上升减少了$Pb的功率输出,而整个网络的负载没有变化,所以$Pa等于$Pb,并网后功率从A流向了B。同样,如果并网前DG(A)的频率低于DG(B),连接以后功率从B流向了A。这说明并网后功率会从并网前频率高的流向频率低的,所以要使并网以后功率从电网流向微网,必须保证并网前电网频率要稍高于微网频率。
上面这种情况在实际应用中也是很有可能遇到的,当发生重大事故后,所有DG都将和微网分离,在微网重新启动时,DG将依次接入微网。
3 同步并网控制策略
一般来说,并网前两个独立运行的系统,其运行频率很难调整到完全相同。并网前电网电压和微网电压分别为U#g和U#m,电压幅值Ug=Um,频率fgXfm。假设并网后功率从电网注入微网,根据并网后功率流动的分析,fm要稍低于fg,可得开关两侧的电压差Us为:
Us=Ugsin(Xgt+Ug)-Umsin(Xmt+Um) (2)
其中,Xg=2Pfg,Xm=2Pfm。
式(2)可变换为:

式中D)滑差角频率,D=Xg-Xm;B)初相位差,B=Ug-Um。
微网仿真模型图如图3所示,微网含有一个DG和负载,以直流电源通过逆变器产生交流电来模拟DG,微网通过并网开关和主电网连接。假设并网前电网电压为 E#g,微网电压为E#m,根据上面功率流动的分析,要使并网后功率从电网流向微网,并网前电网频率要稍高于微网频率,即E#g的频率稍高于E#m的频率。同时根据上面对电压差的分析得出式(5),可知并网开关两侧的电压差是脉动电压,仿真结果如图4(a)所示。在5.0s时刻的局部放大图如图4(b) 所示,从图中可以看出,5.0s是最合适的闭合开关时刻(这样的时刻是周期性出现的),开关两侧的电压差最小,闭合过程产生的瞬间电流也很小,安全性能比较高。
电压E#g和E#m的对比图如图5所示(点划线是电网电压E#g,实线是微网电压E#m)。综合图4和图5可以发现在5.0s是并网的最佳时刻,但是在实际应用中恰好在5.0s这个时刻闭合开关的可能性很小,往往都是这点的前后合上开关。仔细观察图5可以发现在5.0s前后是两种不同的情况,5.0s之前是E#m超前于E#g,即E#m的相位超前E#g,5.0s之后则是相反的情况,E#g超前于E#m。下面重点分析这一不同点对并网过程的影响。

微网的总负载是2.0pu,在孤岛模式下由DG提供了全部的功率,而并网后要求DG的输出功率是1.0pu。首先在5.0s之前闭合开关,在这个时间段E#m超前于E#g,就是说频率低的电压相位超前于频率高的电压,同时保证开关两侧的电压差尽量小。在并网过程中DG的输出功率和频率的变化如图6所示。
从图6(a)可以看到,在并网过程中有一段向上的功率输出波动,然后又迅速回到正常水平。因为在并网前后整个系统的总负载没有变化,对微网来说,那些额外产生的功率流向了并网后的主电网。从图6(b)中可见,并网过程中有一段频率突然下降,短时间内产生了激烈的波动。

5.0s之后闭合开关的情况如图7所示,电压差比较小的时候并网,频率高的E#g超前于频率低的E#m,从图7(a)可以明显地发现功率从2.0pu变化到1.0pu,没有较大的波动,过渡比较平稳。在图7(b)中,频率的过渡同样也是比较平滑。因此如图7所示的情况才是最佳的并网过程,频率和功率波动都比较小,而且由于是在电压差比较小的时刻闭合并网开关,开关中产生的瞬时电流也比较小,整个过程中电能质量得到了有效的保证。
4 结束语
本研究通过对含有一个DG的微网并网过程仿真,研究了并网过程中频率和电压波动变化,着重分析了在并网前开关两侧电压相对相位超前和落后的两种不同情况,提出了微网并网的最佳控制策略:
(1)并网时开关两侧的电压差必须很小,理想状态为零;
(2)电网频率必须稍高于微网频率;
(3)并网时刻电网电压必须超前于微网电压。
并网后微网向主电网注入功率的情况在以后进一步进行研究。

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(Dist ributed Energy Resources ,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。
1 分布式电源的概念
分布式电源指小型(容量一般小于50 MW) 、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(Dist ributed Generation ,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(Dist ributed Energy Storage ,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。
2 分布式电源的发展
2. 1 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。
2. 2 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450 kW 的超级电容器储能装置,用以减轻950 kW 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 分布式电源并网对配电网的影响
3. 1 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. 2 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 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。
2) DER 的接入,给配电网的施工与检修维护带来了影响。由于难以对众多的DER 进行控制,停电检修计划安排的难度增加,配电网施工安全风险加大。
3. 4 分布式电源对配电网规划建设与经营的影响
DER 的大量应用,给配电网的规划建设与经营带来了新挑战。
1) 对配电网规划设计、负荷预测的影响。由于大量的用户安装DER 为其提供电能,使得配电网规划人员难以准确地进行负荷预测,进而影响配电网规划的合理性。
2) 分布式发电并网的经济问题。由于DER的接入,特别是对于自备DER 的用户,为保证其自备DER 停运时仍能正常用电,供电企业需要为其提供一定的备用容量,这就增加了供电企业的设备投资与运行成本,这些费用理应有一部分由DER 业主来分担。因此,需要完善电价政策,合理地调整供电企业与DER 业主的利益。
4 分布式电源并网技术
4. 1 分布式电源并网基本技术要求
为确保配电网的安全运行和供电质量,DER并网要满足以下基本要求。
1) 保证配电网电压合格,所引起的电压偏移不超过允许的范围。
2) 配电设备正常运行电流不超过额定值,动热稳定电流不超过允许值。
3) 短路容量不超过开关、电缆等配电设备的允许值。
4) 电能质量合格,所引起的电压骤升、骤降、闪变、谐波不超过规定值。
4. 2 分布式电源接入方案的选择
DER 并网对配电网的影响与DER 的容量以及接入配电网的规模、电压等级有关。一般情况下,DER 容量在250 kVA 以内的接入380 V/ 400V 低压电网; DER 容量在1 ~ 8 MVA 的接入10 kV等级中压电网;DER 容量更大一些的则接入更高电压等级的配电网。具体接入方式一般是大容量的DER 通过联络线接到附近变电所的母线上,如图2 (a) 所示。对于小型的DER ,为减少并网投资,就近并在配电线路上,如图2 (b) 所示。

图2 DER 接入配电网的方式
美国电气电子工程师协会( IEEE) 的第21 标准化工作组起草的DER 并网系列标准中,定义了以下两个参数来衡量DER 并网对配电网的影响。
1) 刚度系数,指配电网中DER 接入点的设计短路电流与DER 额定电流的比值。
2) 短路电流贡献比,指配电网在DER 接入点发生短路时,来自DER 的短路电流与来自配电网的短路电流的比值。
刚度系数越大,短路电流贡献比越小,则配电网运行电压与短路电流受DER 并网的影响越小。一般认为,如果刚度系数大于20 ,则DER 并网不会对配电网运行带来实质性影响。
在我国,热电联产发电与小水力发电有着很广泛的应用,它们一般是并到配电变电所的母线上。这些DER (小电源) 的并网以及保护控制技术已比较成熟,有大量的技术标准、规程可供参考。近年来,太阳能光伏发电、微型燃气轮机发电等容量在数百千瓦及以下的小型分布式电源有了很大发展,为降低成本,它们一般是就近接到配电线路上,这些小型DER 的并网及其保护控制技术还需进一步探讨。
为减少投资、简化工作程序与运行管理,一些国家的供电企业对于小型DER 并网采取“即接即忘(Connect and Forget ) ”的原则,即忽略其对配电网安全性、供电质量与保护控制方式的影响。为达到这一目的,需要对DER 的接入容量做出严格限制。例如, 美国对于小型( 容量小于200kVA) DER 的并网, 供电企业要求接入线路的DER 总容量小于线路最小负荷的10 %。
4. 3 分布式电源并网保护
分布式电源并网保护除分布式电源机组的保护外,主要是配备孤岛运行保护,简称孤岛保护。
“孤岛”是指配电线路或部分配电网与主网的连接断开后,由分布式电源独立供电形成的配电网络。如图2 (a) 中,变压器低压侧断路器QF1 跳开后,分布式电源和母线上其他线路形成的独立网络就是一个孤岛。这种意外的孤岛运行状态是不允许的,因为其供电电压与频率的稳定性得不到保障,并且线路继续带电会影响故障电弧的熄灭、重合闸的动作,危害事故处理人员的人身安全。对于中性点有效接地系统的电网来说,一部分配电网与主网脱离后,可能会失去接地的中性点,成为非有效接地系统,这时孤岛运行就可能引起过电压,危害设备与人身安全。
在DER 与配电网的连接点上,需要配备自动解列装置,即孤岛保护。在检测出现孤岛运行状态后,迅速跳开DER 与配电网之间的联络开关。一般来说,在孤岛运行状态下,DER 发电量与所带的负荷相比,有明显的缺额或过剩,从而导致电压与频率的明显变化,据此可以构成孤岛运行保护。孤岛保护的工作原理主要有以下3 种。
1) 反应电压下降或上升的欠压/ 过压保护。
2) 反应频率下降或上升的频率变化率保护。
3) 反应前后两个周波电压相量变化的相量偏移保护。
反映频率变化率的孤岛保护在电力系统功率出现缺额导致频率下降时也可能动作,这导致在电力系统最需要功率支持的时候切除DER ,使电网情况更为恶化。因此,实际应用中不宜将低频解列保护整定得过于灵敏,以避免这种不利局面的发生。
在线路故障切除后,重合闸时间需要与孤岛运行保护配合,其等待时间要确保DER 解列并留有足够的故障点熄弧时间。
4. 4 DER并网技术标准
一些工业发达国家已对DER 并网的技术标准进行制定。英国电力协会( Elect ricity Associa2tion) 早在1991 年就发布了《G59/ 1 嵌入式发电并入地区配电网的推荐技术标准》;国际电气电子工程师协会( IEEE) 于2003 年6 月发布了“DER并网技术标准IEEE Std. 1547”,2003 年10 月该标准被批准为国家标准。在我国,上海市电力公司和上海燃气集团公司联合制定了《分布式供能系统工程技术规程》,上海市政府于2005 年8 月发文要求在全市范围内贯彻实施这一规程。但总体来说,我国在这方面的工作还比较滞后。特别是接入配电线路的DER 的并网问题,没有可供参考的技术标准、规范,急需启动有关标准的制定工作。
5 分布式电源并网技术的发展
以上介绍的DER 并网技术是“有限接入”,即对于接入容量等做出严格限制。为了充分利用可再生能源,必须实现DER 并网的“宽限接入”和大量接入,这也是智能电网概念提出的根本原因之一,智能电网技术的发展,将使这问题能得到较好地解决。随着DER 的大量接入,配电网就由传统的无源网络将发展成为有源网络,当前,涉及这方面的技术研究主要有微电网技术与虚拟发电厂技术。
5. 1 有源网络的基本概念
有源网络(Active Network) 指的是分布式电源高度渗透、功率双向流动的配电网络。所谓“高度渗透”是指接入的DER 对配电网的潮流、短路电流产生了实质性的影响,使得传统配电网的规划设计、保护控制、运行管理方法不再有效。有源网络的概念是针对并网技术对DER 接入容量做出严格限制的配电网而提出的。
有源网络不再单纯地为了不影响现有配电网而严格限制DER 的接入,而是让DER 尽可能地多发电(特别是对可再生能源) 、充分地发挥其对配电网的积极作用以及节省电力系统的整体投资。DER 的容量客观上是可以替代一部分配电容量的,从而减少对发、输、配电系统的投资。因此,考虑DER 对配电容量的替代作用,也是有源网络的一个重要的特征。
有源网络给配电网的保护控制、运行管理提出了新挑战,它包括电压控制、继电保护、短路电流限制、故障定位与隔离、DER 调度管理等方面的问题。
5. 2 微电网技术
微电网(Micro Grid) 简称微网,是指由DG、DES 装置和监控、保护装置汇集而成的并为相应区域供电的小型发配电系统,能够不依赖大电网而正常运行,实现区域内部供需平衡。一般来说,微网是一个用户侧的电网,它通过一个公共连接点(Point of Common Connection ,PCC) 与大电网连接。图3 是美国电力可靠性技术解决方案协会(CERTS) 提出的微电网基本结构。

图3 CERTS 提出的微电网结构
按照常规的做法,DER 必须配备孤岛保护,在大电网停电时自动与主网断开。而微网可以在与大电网脱离后独立运行,由DER 维持区域内所有或部分重要负荷的供电,能够发挥出DER 在提高供电可靠性方面的作用。
微网仅在PCC 点与大电网连接,避免了多个DER 与大电网直接连接。通过合理地设计,可使微网中DER 主要用于区域内部负荷的供电,做到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“即接即忘”的并网方法。这样,就较好地解决了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。
就微网本身来说,它是一个“有源网络”,需要解决功率平衡、稳定控制、电压调整、继电保护等一系列问题。微网技术还在研究发展之中,是智能配电网的重要研究内容。
5. 3 虚拟发电厂技术
虚拟发电厂(Virt ual Power Plant ,VPP) 技术是将配电网中分散安装的DER 通过技术支撑平台实现统一调度并将其等效为一个发电区,实现分布式电源大量并网,达到DER 的优化利用、降低电网峰值负荷、提高供电可靠性的目的。
VPP 的调度对象主要是可随时启动并且功率可调节的DER ,如热电联产微型燃气轮机、应急供电柴油发电机组以及各种DES 等。对于风能、太阳能发电等可再生能源发电来说,其输出具有不确定性,且一般需要在具备条件时让其足额发电,因此不能对其进行有效地调度。
实施VPP 要有配网自动化系统(DAS) 作为技术支撑平台。VPP 是DAS 的一个高级应用功能。DAS 需要采集、处理分布式电源的实时运行数据,并能够对其进行调节、控制。
除技术问题外,实施VPP 还涉及电价、政策法规等一系列问题,目前处于研究探讨阶段,还缺少成熟的经验。
致谢
本讲座写作过程中承蒙山东大学马士聪博士的帮助,表示感谢!
参考文献
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1 智能电网及其发展
1. 1 智能电网的定义
“智能电网”(Smart Grid) ,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“Intelli Grid”、“Modern Grid(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。
1. 2 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(Dist ributed Elect ric Resource ,DER ,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“Intelli Grid”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Intelli2Grid 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 、Grid2Works、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( Perfect Pow2er) ”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,35 kV 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 智能配电网的功能特征
智能配电网(Smart Dist ribution Grid ,SDG)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。
1) 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) 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。
3) 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。
4) 支持DER 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。
5) 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。
6) 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。
7) 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。
8) 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。
3 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。
1) 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) 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。
3) 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。
4) 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(Advanced Dist ri2bution Automation ,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。
5 ) 高级量测体系( Advanced MeteringArchitecture ,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。
6) DER 并网技术,包括DER 在配电网的“即插即用”以及微网(Micro Grid) 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。
7) 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( STA TCOM) 、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。
8) 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。
4 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。
1) 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) 提供优质可靠电能,保障现代社会经济的发展。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。
3) 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。
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徐丙垠山东理工大学教授,科汇电力自动化公司董事长
李天友高级工程师,福建省电力公司副总工
薛永端教授级高工,科汇电力自动化公司总工
金文龙教授级高工,国家电网公司原发输电部处长
摘要:本文对智能低压电器的概念进行了探讨,对我国智能化低压电器发展历程进行了简要的回顾,介绍了低压电器智能化发展涉及的相关新技术,最后指出了智能电网对低压电器智能化提出的要求及发展机遇。
一、什么是智能低压电器
到目前为止,国内外低压电器标准上还没有对低压电器智能化进行定义。但是,智能化低压电器这一说法已经被低压电器研发人员、设计人员、制造商及工程设计人员以及使用部门所接受。低压智能化电器应具有四个功能上的基本特征:保护功能非常齐全、测量现实电流参数、故障记录与显示、内部故障自诊断等。
随着建筑电气的发展和智能电网的建设,拥有智能化功能的低压电器越来越受住宅配电系统供应商重视。10月28日,在南京举办的第二届中国国际电工电器装备博览会上,就有很多智能化的低压电器产品亮相。法泰电器(江苏)有限公司展出的FTB1带选择性保护小型断路器,就是智能低压电器的典型代表。FTB1 由法泰电器、上海电器科学研究所等联合开发,具有完全自主知识产权[1]。该产品属于第四代低压电器,填补了我国低压终端配电系统在选择性保护领域的空白,不仅分断能力高、产品体积小,而且具有选择性保护、智能化通信功能,能满足智能楼宇和智能终端配电回路系统的使用需求。同样具有智能化功能的还有百利特精电气股份有限公司研制的VW60新一代智能低压框架断路器。VW60万能式低压断路器产品具有体积小、短路性能强、操作机构新颖和现场总线技术水平高等特点。该产品的成功开发,可促进智能化低压配电与电控成套开关设备的发展,从而推动配网智能化的进程。
智能化低压电器与普通电器相比具有以下优点:
1)普通配电电器会使配电系统产生高次谐波,而智能配电电器能够消除输入信号中的高次谐波,从而避免高次谐波造成的误操作。
2)智能过载电器可以保护具有多种起动条件的电动机,具有很高的动作可靠性,例如,电动机过载与断相保护、接地保护、三相不平衡保护以及反相或低电流保护等。
3)智能保护继电器具有监控、保护和通讯功能。
4)智能电器可以实现中央计算机集中控制,提高了配电系统的自动化程度,使配电、控制系统的调度和维护达到新的水平。
5)智能电器采用数字化的新型监控元件,使配电系统和控制中心提供的信息最大幅度增加,且接线简单、便于安装,提高了工作的可靠性。
6)智能电器可以实现数据共享,可以减少信息重复和信息通道。
二、我国智能化低压电器发展回顾
我国低压电器行业经过50多年的发展,从无到有、从小到大,取得了骄人的成绩。目前已经形成比较完整的体系,就低压电器品种、规格、性能、生产能力来看,基本上满足了我国国民经济发展的需要。
从20世纪90年代初开始,我国就着手研制具有智能化、可通信功能的第3代低压电器,到上世纪末本世纪初基本实现了低压配电网的智能控制和网络控制,以此满足配网自动化的需求。1990年联合上海人民电器厂、遵义长征九厂向原机械工业部申报国家重点企业技术开发项目,于1991年正式立项。该产品于 1995年通过鉴定,1997年开始投入小批量生产,型号为DW45系列,有3个框架等级2000A、3200A及6300A。其中6300A主回路为2 台3200A并联组合而成。DW45智能化投放市场后由于其高性能和高可靠深受用户欢迎,其产量不断攀升。DW45系列断路器目前年产量已超过20万台,是我国低压电器发展史上推广最成功的产品。由于DW45大量推广,使ME和DW17系列断路器产量逐步下降。目前DW45系列万能式断路器在配电系统中运行的产品已超过100万台。
但由于智能变电站、配电自动化、调度自动化等系统的研发与应用也在同期刚刚起步,因此,存在着需求分散、各成系统等问题,即系统平台不统一,各系统间很难实现互联和信息共享,造成不同地区、不同厂家生产的智能化低压电器等电器设备或高、低压电网间信息不通,数据上传不通,下达不畅,无法从根本上实现电力自动化目标。因此,我国具有智能化、可通信功能的第3代低压电器的推广应用并不十分理想,但从目前智能电网对电器设备的要求来看,已打下了一定的技术基础。
低压智能化控制系统在国外已广泛使用,这些系统往往省略了马达控制中心(MCC),电动机起动器一般安装在电动机旁边,它们通过现场总线与中央控制室上位机连接。既能集中控制,又能现场操作。为了尽快跟上世界新技术发展潮流,上海电器科学研究所从2000年开始,专门成立现场总线研发中心,重点研究可通信低压电器以及低压智能配电网络系统及相关配套产品。苏州万龙电气集团和常熟开关制造有限公司参与该项技术及相关产品的研发工作。经过近十年研发,我们已经在第三代主要低压电器产品上实现可通信,包括可通信万能式断路器、可通信塑壳式断路器、可通信双电源自动转换开关、可通信交流接触器、可通信电动机保护器、可通信软起动器、可通信控制与保护开关电器等产品[2]。
通过以上一系列产品开发,使我国智能电器、可通信电器以及智能配电与控制系统相关技术跟上世界发展潮流。由于我国电工行业分割,各自为政,使该项技术及相关产品的推广带来困难。至今,我国智能化可通信低压电器及其系统推广并不理想。2009年美国提出了在美国发展与建设智能电网的设想,引起了全世界对智能电网发展的重视。当然也引起了我国高层领导的重视。我国已将智能电网发展与建设明确由国家电网公司统一规划、统一标准、统一实施。可以相信,随着智能电网建设与发展,我国智能化可通信低压电器及其系统必将带来新的发展机遇。
三、低压电器智能化发展涉及的相关新技术
智能化低压电器须满足性能优良、工作可靠、产品体积小、组合化设计、可通信、节能环保等要求,要具有保护、监测、通信、自诊断、显示等功能,这是实现电网智能化所必需的。
1、低压电器基本智能化技术
目前,智能化低压电器基本含义主要包括以下功能:保护与控制功能齐全,兼有电参数测量,外部故障检测、报警和开关内部故障自诊断与报警,系统运行状态监控,电能使用管理等功能(或其中一部分功能)。为此,需要对下列技术进行深入研究。
1)各类低压电器根据其低压配电、控制系统中地位与作用应具有哪些智能化功能?如何实现这些功能?
2)智能化低压电器标准研究与制定;智能化功能测试设备、测试方法研究。
3)智能化低压电器集成技术研究;多种智能化电器集成时,对不同低压电器智能化功能舍取;多种功能重叠时相互协调与配合研究。
4)智能化低压电器可靠性(包括EMC技术)研究。
2、智能电器可通信技术研究
智能化低压电器强大功能充分发挥,必须依赖于低压配电与控制系统网络化。为此,对低压电器提出了可通信要求。为了满足网络化要求,又将涉及一系列技术的研究。
(1)网络化电器与系统标准化研究。
(2)高、中、低压配电系统无缝连接技术研究。
(3)智能网络系统配套附件研究与开发。
(4)智能网络系统典型方案与整体解决方案研究。
(5)可通信电器试验方法研究及相关检测设备研制并建立相应试验基地。
3、智能配电系统过电流保护新技术
当配电系统发生非正常过电流时,低压电器应及时断开。为了使故障停电限制在最小范围,低压电器应有选择性断开。即故障级保护电器迅速切除故障电路,上级保护电器不跳闸,这对智能电网尤为重要。
智能电网配电系统过电流保护应达到什么样目标?
1)过电流选择性保护应覆盖整个低压配电系统,包括终端配电系统。
2)实现全电流范围内选择性保护,当下级故障电流达到上级瞬动电流时也能实现选择性保护。
3)在极短时间内实现选择性保护(控制在200ms以内)。
4)从根本上消除系统短路时越级跳闸或上、下级断路器同时跳闸的状况。确保故障停电限制在最小范围。
为了实现全范围、全电流选择性保护需要解决以下技术关键:
(1)全范围、全电流选择性保护总体解决方案研究
(2)区域联锁选择性保护技术研究
(3)万能式断路器全电流选择性保护技术研究
(4)塑壳断路器限流选择性保护技术研究
4.智能电网过电压保护技术由于智能电网中大量采用网络化、信息化技术及相关设备,这些设备中含有大量电子器件,相当一部分设备本身就是电子化的。它们容易受雷电和系统中其他开关设备操作过电压伤害。另外,智能电网中必然包括分布式新能源系统,这些系统无论是发电设备还是控制设备同样易受过电压伤害,因此智能电网过电压保护尤为重要,它涉及的关键技术主要有以下几个方面。
1)智能电网SPD配置技术(整体解决方案)。
2)智能电网用SPD产品结构与性能研究。
3)智能电网用SPD使用安全性研究。
4)智能电网用SPD组合技术研究。
四、智能电网对低压电器智能化提出的要求及发展机遇
智能电网是一个完整的体系,它要涵盖发电、输电、配电、调度、变电和用电等各个环节。据不完全统计,电力系统80%以上的电能是通过用户端配电网络传输到用户,并在终端用电设备上消耗的。用户端涵盖了从电力变压器到用电设备之间对电能进行传输、分配、控制、保护和能源管理的所有设备及系统,主要包括智能低压电器、智能电表和智能楼宇系统。作为用户端中起到控制与保护作用的核心电器设备——低压电器,其特点是量大面广,处于电网能量链的最底层,是构建坚强智能电网的重要组成部分。因此,要打造智能电网首先必须要实现作为电网基石的用户端低压电器的智能化,由此构建的用户端智能配电网络是构成智能电网的重要基础,网络化、综合智能化、可通讯的低压电器将是未来的主流发展方向。
1、智能电网采用统一平台与标准,便于新一代智能低压电器的开发与应用。
智能电网要求用户端采用统一、标准化的产品,使目前各种自动化系统、监控系统、管理系统和在线监测装置中的测量、保护、控制等功能能在新的、统一的、标准的技术支持系统中逐步集成、整合,并最终实现各种技术的高度融合,从而为提高智能电网系统可靠性、缩短安装和维护时间等带来利益。这将为新一代智能低压电器的开发与应用带来极大的便利。
2、智能电网坚强、自愈、互动、优化等要求将极大地促进具有早期预警与快速安全恢复和自愈等功能的新一代智能低压电器的开发与应用。
根据智能电网坚强、自愈、互动、优化等要求,将智能电器构成系统采用网络信息技术、现代通信技术和测量技术实现系统的寿命管理、故障快速定位、双向通信、电能质量监控等功能。应用智能配电网中的低压电器信号采集系统实现数字化,既能确保足够的采样速率和良好的准确度,又便于对事件进行早期*估和通过对实时数据的分析进行故障早期预警;通过网络监测器快速定位故障点;通过网络重新架构、优化网络运行以及配网故障时的故障隔离和非故障区域的自动恢复供电,实现配电网的快速安全恢复和自愈,从而全面满足智能配电网的保护与控制要求。因此随着智能电网的建设,新一代智能低压电器的应用将越来越广泛[3]。
3、智能电网在可再生能源发电、提高电能效率和质量等方面对低压电器提出新的要求。
一方面为了实现可再生能源发电的利用和电能的削峰平谷以提高电能效率而开发的可再生能源发电系统,以及电动汽车等用电设备的快速充电装置等,需要开发适用于这些系统的具有特定功能和性能要求的低压电器;另一方面,这些设备(如变流设备、并网设备、能源的间歇接入设备、充电装置等)的应用将严重影响电能的质量,因此随着谐波抑制、无功补偿、瞬变过电压抑制和可再生能源发电系统过电压抑制与保护、自适应的动态抑制设备、#即插即用?分布式电动汽车充电站设备等大量需求的诞生,对低压电器也提出了更多更高的要求,传统低压电器将面临延伸和拓展,这又将是低压电器新的发展机遇。
4、智能电网建设大力推动可再生能源的利用和电能供求的管理,这也将促进低压电器向网络化方向发展。
可再生能源发电系统的应用,打破了传统的生产、消费模式,形成了生产者与消费者的双向互动服务体系。多种输入数据,包括定价信号、分时计费、电网负荷情况,通过先进的管理软件,根据用户需求采用灵活配置的方式,促进用户参与电网运行和管理,平衡用户电力需求,满足其需求与供电能力之间的供求关系,起到减少或转移高峰电能需求、减少热备发电站、进一步提高电网节能效果并提高电网供电可靠性的作用,从而最大限度地节约资源和保护环境。这既需要开拓全新的运营管理模式,又需要具有双向通信、双向计量、能源管理等网络化的低压电器产品及系统的支撑,因此这些需求也将促进低压电器向网络化方向快速发展。
参考文献:
[1]刘俊勇,沈晓东,田立峰,陈金海,黄媛,李成鑫.智能电网下可视化技术的展望[J].电力自动化设备,2010,(01):34-35.
[2]张保会,郝治国.智能电网继电保护研究的进展——故障甄别新原理[J].电力自动化设备,2010,(01):67-68.
[3]张宏艳,汪祥兵.智能电网在我国发展之展望[J].武汉电力职业技术学院学报,2009,(04):56-57.


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