現(xiàn)代配電網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)應(yīng)用方向探討

李 可，唐傳能，唐道偉，李興建

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

配電網(wǎng)管理系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代電子通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將配電網(wǎng)實(shí)時(shí)及離線信息、用戶信息、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、地理信息進(jìn)行安全集成，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制和管理。該系統(tǒng)能夠提升配電網(wǎng)供電可靠性，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行故障識(shí)別、隔離及恢復(fù)，縮短停電時(shí)間、減少停電面積；當(dāng)配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)視運(yùn)行工況，優(yōu)化運(yùn)行方式，改善供電質(zhì)量，合理控制用電負(fù)荷，提升設(shè)備利用率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的［1］。

近年來(lái)，隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、配電網(wǎng)中大量電力電子負(fù)荷的應(yīng)用、分布式發(fā)電及新能源的接入等，配電網(wǎng)管理系統(tǒng)面臨許多新的應(yīng)用需求變化，現(xiàn)代配電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)管理系統(tǒng)提出了新的應(yīng)用需求。結(jié)合CIRED 等國(guó)際會(huì)議討論熱點(diǎn)及一些工程實(shí)施案例，分析現(xiàn)代配電網(wǎng)系統(tǒng)中配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求及技術(shù)實(shí)施等方面的變化，為探討配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用方向提供一些參考。

1 現(xiàn)代配電系統(tǒng)應(yīng)用需求概述

配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)景目標(biāo)是在保持系統(tǒng)高安全性和供電質(zhì)量的同時(shí)，提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保節(jié)能性，并使之具備大規(guī)模分布式、可再生能源的接入能力。從應(yīng)用需求層面來(lái)看，匯總并對(duì)比傳統(tǒng)的配電網(wǎng)應(yīng)用功能與現(xiàn)代配電網(wǎng)需求，如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)／現(xiàn)代配電網(wǎng)需求差異

為應(yīng)對(duì)上述應(yīng)用需求，現(xiàn)代配電網(wǎng)系統(tǒng)面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在： 電網(wǎng)的可靠性和糾錯(cuò)能力，傳感器、采集技術(shù)，分布式電源的集成，靈活性管控，分布式發(fā)電及微網(wǎng)技術(shù)，分散控制需求，大規(guī)模電力電子設(shè)備應(yīng)用，分布式電壓和無(wú)功控制，用戶集成與接入，信息與通信技術(shù)。

這些技術(shù)和配電網(wǎng)管理系統(tǒng)自身發(fā)展互為促進(jìn)。新一代的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)如圖1 所示［2］。

圖1 新一代配電網(wǎng)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)用方向

配電系統(tǒng)技術(shù)向設(shè)備小型化、系統(tǒng)集成化、引入直流、智能化的方向發(fā)展。IEC 輸配電工作咨詢委員會(huì)組（Advisory Committee on Electricity Transmission and Distribution Task Force，ACTAD） 總結(jié)當(dāng)前在配電網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和新技術(shù)中提到： 鼓勵(lì)低碳社會(huì)的國(guó)際/國(guó)內(nèi)政策、信息和通信技術(shù)、資產(chǎn)管理（尤其是對(duì)那些電網(wǎng)老化設(shè)備的投資策略）、符合電力系統(tǒng)要求的市場(chǎng)設(shè)計(jì)、管理機(jī)制以及廣域運(yùn)行方式等［3］。

ACTAD 認(rèn)為，在未來(lái)15～20 年內(nèi)，配電網(wǎng)的發(fā)展特點(diǎn)將是更加“主動(dòng)”和“智能”，兩者的重要性和實(shí)現(xiàn)程度取決于不同國(guó)家和地區(qū)的管理方式和政策?？稍偕茉?、分布式發(fā)電的接入越來(lái)越多，高壓直流工程的實(shí)施為配電網(wǎng)直流技術(shù)的探討提供了廣闊背景空間；為了減小由新能源引起的電壓、頻率波動(dòng)，需要在配電網(wǎng)中增加靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備（Static Var Compensator，SVC）和大規(guī)模儲(chǔ)能裝置；而由于分布式發(fā)電輸送反向潮流需要電網(wǎng)具備相應(yīng)的電壓控制和解列措施，所以原來(lái)作為“被動(dòng)”負(fù)荷的配電網(wǎng)現(xiàn)在對(duì)于整個(gè)輸配電系統(tǒng)而言變?yōu)椤爸鲃?dòng)”。

2.1 主動(dòng)配電網(wǎng)管理

主動(dòng)配電網(wǎng)管理（Active Network Management，ANM） 近年來(lái)為業(yè)內(nèi)廣泛討論，是提高配電網(wǎng)接納、集成分布式電源 （Distributed Energy Resource,DER）能力的新技術(shù)，其主要功能有潮流管理、電壓管理、功率平衡控制、發(fā)電與調(diào)度計(jì)劃、動(dòng)態(tài)容量等［4］。從實(shí)際工程來(lái)看，英國(guó)Smarter Grid Solutions 公司曾在“低碳倫敦”等項(xiàng)目上實(shí)施應(yīng)用并取得良好收益。其所提出的ANM 是介于變電站層設(shè)備（保護(hù)和控制系統(tǒng)） 與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)OMS／DMS 之間的一層，對(duì)系統(tǒng)控制目標(biāo)的響應(yīng)時(shí)間也介于二者之間，為秒級(jí)。ANM 典型功能是通過(guò)對(duì)多個(gè)分布式電源點(diǎn)及關(guān)聯(lián)線路負(fù)荷的監(jiān)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息采集及功率流動(dòng)控制、電壓控制、負(fù)荷平衡控制等，從而提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力。

可以看出，ANM 可以使分布式電源可視、可控，其應(yīng)用可以最大限度地接入分布式電源點(diǎn)、提高資產(chǎn)利用率、快速經(jīng)濟(jì)性接入、延緩電網(wǎng)升級(jí)、提升電網(wǎng)運(yùn)行性能。

ANM 面臨的挑戰(zhàn)包括：商務(wù)運(yùn)營(yíng)模式，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商資源，標(biāo)準(zhǔn)化（ANM 解決方案、供電質(zhì)量等），通信，可中斷供電合同，滿足客戶需求的規(guī)劃工具，成本效益分析，方案與技術(shù)驗(yàn)證的缺乏。

Smarter Grid Solutions 公司已經(jīng)成功地將此產(chǎn)品實(shí)施于幾個(gè)項(xiàng)目，其中Okney 項(xiàng)目通過(guò)實(shí)施ANM向已有系統(tǒng)新增20 MW 發(fā)電容量?！暗吞紓惗亍表?xiàng)目如圖2 所示。

從產(chǎn)品商業(yè)化角度來(lái)看，目前ANM 還做不到作為常規(guī)商業(yè)業(yè)務(wù)單元出現(xiàn)在市場(chǎng)上。

圖2 “低碳倫敦”項(xiàng)目實(shí)施

2.2 電壓無(wú)功控制和優(yōu)化

配電網(wǎng)系統(tǒng)電壓無(wú)功控制和優(yōu)化主要是通過(guò)調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器或者變壓器檔位來(lái)調(diào)節(jié)電壓，通過(guò)電容器組調(diào)節(jié)無(wú)功。國(guó)內(nèi)外概念并無(wú)大不同。國(guó)外配電網(wǎng)管理中強(qiáng)調(diào)的節(jié)能降壓是指在可接受范圍內(nèi)，通過(guò)使配電饋線運(yùn)行于較低的末端電壓，達(dá)到能量和需求節(jié)約效果。而與此同時(shí)，隨著大量電力電子設(shè)備（穩(wěn)定電源）的應(yīng)用、電動(dòng)機(jī)效率的提升，節(jié)能降壓技術(shù)在未來(lái)配電網(wǎng)中的作用可能會(huì)變?nèi)酰?］。

電壓無(wú)功的控制方法包括： 獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量采集，進(jìn)行獨(dú)立的電壓無(wú)功控制；數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）控制，基于配電網(wǎng)系統(tǒng)采集量通過(guò)SCADA 控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制［6］；“智能型” 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制，通過(guò)實(shí)時(shí)及存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行控制；“配電網(wǎng)模型驅(qū)動(dòng)”控制，也可理解為基于配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的電壓無(wú)功優(yōu)化控制。

基于配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的電壓無(wú)功控制，可以減少電力需求、減少能源損耗、增加收入、提高功率因數(shù)、減少系統(tǒng)控制頻率。主要流程為：“可操作配電網(wǎng)系統(tǒng)模型”模塊集合通過(guò)SCADA 獲取遠(yuǎn)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）傳送過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)信息、GIS 信息、控制室人工設(shè)置信息，經(jīng)實(shí)時(shí)潮流模塊運(yùn)算，進(jìn)行電壓無(wú)功優(yōu)化分析形成控制計(jì)劃，之后送過(guò)SCADA 模塊進(jìn)而控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。基于配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的電壓無(wú)功優(yōu)化控制如圖3 所示。

收集網(wǎng)絡(luò)中電力設(shè)備狀態(tài)，分析電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行基于全局優(yōu)化的算法識(shí)別，提出最優(yōu)潮流控制方案在保障可靠性的同時(shí)提升經(jīng)濟(jì)性，是配電網(wǎng)自動(dòng)化的技術(shù)研究方向［7］。可以看出，基于配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的電壓無(wú)功控制，是全局協(xié)調(diào)的方案，可控制不同目標(biāo)，可應(yīng)用于饋線重構(gòu)，并可應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)分布式發(fā)電、潮流控制等，符合新一代配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的發(fā)展方向。其缺點(diǎn)是實(shí)施復(fù)雜成本高，缺乏充分的經(jīng)濟(jì)驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)。

圖3 基于配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的電壓無(wú)功優(yōu)化控制

2.3 配電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)集成

儲(chǔ)能裝置管理是現(xiàn)代配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的應(yīng)用之一。大量可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能的應(yīng)用很大程度地改變了傳統(tǒng)電網(wǎng)模式，配電網(wǎng)無(wú)功電壓控制的需求也不斷提升，這些都給配電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)帶來(lái)了極大的發(fā)展空間［5］。儲(chǔ)能單元的操作由儲(chǔ)能控制完成，配電網(wǎng)管理系統(tǒng) （Distribution Management System，DMS）是一個(gè)功能模塊，如圖4 所示。其作用為：就地作為備用電源，電壓校正，有效集成可再生能源，進(jìn)行電網(wǎng)負(fù)荷平整、功率因素校正等。

以國(guó)外某商業(yè)項(xiàng)目為例，項(xiàng)目?jī)?chǔ)能單元容量為25 kW，充放電限制為12.5 kW，在79 處布置總?cè)萘繛? 050 kW 的儲(chǔ)能設(shè)備，主要采用負(fù)荷轉(zhuǎn)移、備用電源兩種控制方式。研究在調(diào)峰運(yùn)行、負(fù)荷跟蹤運(yùn)行、計(jì)劃運(yùn)行等狀態(tài)下系統(tǒng)需求與損耗情況；提供了儲(chǔ)能對(duì)二次電壓影響、饋線潮流控制、發(fā)電平滑、智能逆變器、可再生能源集成等方面的影響。儲(chǔ)能是有限的，在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候放電會(huì)使儲(chǔ)能單元快速衰竭；配電網(wǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)能控制，可以很好地管理放電問(wèn)題；另外還可以配合太陽(yáng)能充電避免系統(tǒng)需求峰值。

圖4 基于配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的儲(chǔ)能控制

2.4 交直流混合配電網(wǎng)

近年來(lái)電力電子技術(shù)的發(fā)展、高壓直流工程的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了直流配電網(wǎng)的發(fā)展。配電網(wǎng)直流在提升配電網(wǎng)穩(wěn)定性、改善潮流控制、遠(yuǎn)距離孤島互聯(lián)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。和交流配電技術(shù)類似，直流配電技術(shù)主要涵蓋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備、控制運(yùn)行、保護(hù)等方面。直流配電網(wǎng)的接線方式可分為輻射狀、環(huán)狀和兩端配電，關(guān)鍵設(shè)備包括AC／DC 換流器、DC／DC 換流器、直流斷路器等［8］。

從2004 年開始，世界各國(guó)相繼開展了直流配電網(wǎng)的研究，在供電方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、連接方式以及控制和保護(hù)技術(shù)等方面取得了一定的研究成果。目前國(guó)內(nèi)外已有幾個(gè)國(guó)家開展直流配電網(wǎng)線路試驗(yàn)運(yùn)行，2015 年英國(guó)OFGEM 立項(xiàng)資助ANGLE—DC 直流項(xiàng)目，把現(xiàn)有的33 kV 交流線路改造為直流互聯(lián)，該項(xiàng)目是在歐洲的首個(gè)配電網(wǎng)直流工程［9］。該項(xiàng)目在2017 年由GE 交付，除了關(guān)鍵的電力電子拓?fù)涞入姎怆娐吠?，該?xiàng)目配置了資產(chǎn)管理工具軟件，提供控制中心的遠(yuǎn)程連接，以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息收集、存儲(chǔ)、分析，從而為客戶進(jìn)一步優(yōu)化其直流系統(tǒng)的控制算法提供依據(jù)。

雖然未來(lái)配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃需要考慮直流配電網(wǎng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性的影響以及選址配置等因素，建設(shè)直流配電網(wǎng)仍將是現(xiàn)代配電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要探索方向。隨之而來(lái)的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)，需要考慮直流配電網(wǎng)或者交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)，包括監(jiān)視及主站算法優(yōu)化控制等技術(shù)集成。

上述應(yīng)用需求的變化均對(duì)配電網(wǎng)管理系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用和實(shí)施提出新的要求，通信及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)一步促使配電網(wǎng)管理系統(tǒng)升級(jí)。相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用模塊包括資產(chǎn)管理、負(fù)荷預(yù)測(cè)、系統(tǒng)規(guī)劃、線路平衡、故障定位、隔離與恢復(fù)、線路重構(gòu)、電壓無(wú)功控制、靜態(tài)安全分析、系統(tǒng)維護(hù)、分布式發(fā)電集成、用戶需求反饋等。因此，須進(jìn)一步優(yōu)化配電網(wǎng)模型管理、傳感技術(shù)，優(yōu)化用戶建模、實(shí)時(shí)操作入口，研究配電網(wǎng)規(guī)劃方面的仿真方法。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合國(guó)際討論及項(xiàng)目實(shí)施中的關(guān)注熱點(diǎn)，對(duì)比國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)自動(dòng)化及配電網(wǎng)管理系統(tǒng)，無(wú)論是內(nèi)涵還是外延，都有一定的差異?；谙到y(tǒng)電壓和無(wú)功優(yōu)化控制的能源使用效率的提升以及在一些特定邊界條件下系統(tǒng)供電可靠性的提升，仍然是現(xiàn)代配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的首要目標(biāo)任務(wù)；而分布式能源接入、分布式儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展以及用電需求響應(yīng)等需求不斷增加、直流配電網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用，都對(duì)配電網(wǎng)管理系統(tǒng)提出了更高的挑戰(zhàn)。詳細(xì)了解現(xiàn)代配電網(wǎng)中應(yīng)用需求的變化以及國(guó)外配電網(wǎng)領(lǐng)域研究?jī)?nèi)容及技術(shù)發(fā)展方向，對(duì)探討我國(guó)的配電網(wǎng)發(fā)展方向、實(shí)施適用于現(xiàn)代配電網(wǎng)的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)有著較大意義。