基于能源互聯(lián)網(wǎng)的配電終端研究

摘 要：能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，電力用戶參與電力響應(yīng)的積極性高，配電自動(dòng)化系統(tǒng)日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)配電終端難以適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展趨勢。本文從國內(nèi)外配電終端技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，研究基于能源互聯(lián)網(wǎng)的配電終端，為技術(shù)人員拓展研發(fā)思路提供必要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);配電終端;配電自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）17-0122-03

Research on Power Distribution Terminal Based on Energy Internet

NIE Guanghui

（Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng Henan 475004）

Abstract： In the era of energy Internet， power users are highly motivated to participate in power response， and the distribution automation system is becoming more and more complex， and traditional power distribution terminals are difficult to adapt to the development trend of the power grid. Starting from the current status of power distribution terminal technology at home and abroad， this paper studies power distribution terminals based on the energy Internet， and provides the necessary basis for technicians to expand their research and development ideas.

Keywords： energy internet;power distribution terminal;power distribution automation

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和可再生能源地位的上升，為解決可再生能源高效利用問題，必須建立以先進(jìn)電力電子技術(shù)、信息技術(shù)等為基礎(chǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)。2014年，我國開始以電力系統(tǒng)為核心，主導(dǎo)全球能源互聯(lián)網(wǎng)布局，并在國內(nèi)進(jìn)行建設(shè)實(shí)踐。同時(shí)，能源互聯(lián)網(wǎng)是我國“新基建”具體實(shí)踐的有機(jī)組成部分，大容量、遠(yuǎn)距離特高壓技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了“西電東送”國家能源戰(zhàn)略的落實(shí)，助力國家構(gòu)建“碳達(dá)峰、碳中和”新型能源消費(fèi)體系。在能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐中，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向智慧型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，能源消費(fèi)者對(duì)新型能源綜合服務(wù)的需求增加，在爭取消費(fèi)話語權(quán)、參與節(jié)能減排等方面存在內(nèi)在需求，但未得到有效滿足。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)配電終端更多服務(wù)電網(wǎng)企業(yè)，忽略了電力用戶的消費(fèi)體驗(yàn)和選擇權(quán)。能源互聯(lián)網(wǎng)下的配電終端應(yīng)重視電力用戶參與電力響應(yīng)的現(xiàn)實(shí)需求，基于日趨復(fù)雜的配電自動(dòng)化系統(tǒng)，在技術(shù)研發(fā)上強(qiáng)調(diào)靈活性和開放性，關(guān)注數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值及增值服務(wù)，挖掘電力用戶對(duì)高效能源管理的潛在需求，這對(duì)配電終端研發(fā)設(shè)計(jì)提出了新要求。

1 國內(nèi)外配電終端技術(shù)現(xiàn)狀

能源互聯(lián)網(wǎng)給予配網(wǎng)自動(dòng)化新的內(nèi)涵，配電自動(dòng)化是建設(shè)智能電網(wǎng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1]。在配電自動(dòng)化領(lǐng)域，美國依然處于世界領(lǐng)先地位，日本基于能源危機(jī)意識(shí)，更關(guān)注供電可靠性。從國外來看，部分國家配網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀如表1所示。

我國電力建設(shè)及配電自動(dòng)化實(shí)踐較晚，導(dǎo)致在配電終端研發(fā)設(shè)計(jì)上落后于發(fā)達(dá)國家，但經(jīng)過幾十年實(shí)踐和技術(shù)研發(fā)提升，國內(nèi)外配電終端的技術(shù)差距變小，配電終端也從最初類似于一種時(shí)限順序送電裝置，能自動(dòng)隔離故障區(qū)或粗略查找故障點(diǎn)，發(fā)展成為一類可完成數(shù)據(jù)采集、控制、通信等功能且具備遠(yuǎn)方監(jiān)測和控制能力的配電自動(dòng)化裝置，能基本完成傳統(tǒng)配電網(wǎng)的“三遙”“四遙”等技術(shù)要求。在配電自動(dòng)化發(fā)展過程中，逐漸形成的智能配電終端是分布于智能配電網(wǎng)的各個(gè)測量點(diǎn)的智能底層設(shè)備，可完成電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、故障檢測、故障定位與診斷、故障區(qū)域隔離及非故障區(qū)域恢復(fù)供電、與高級(jí)配電自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行信息交互等功能，是智能配電網(wǎng)的重要組成部分[2]。

在我國配電終端市場，配電自動(dòng)化的市場主體受制于國家電網(wǎng)有限公司、中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司等準(zhǔn)入限制，涉及的主要產(chǎn)品類型有饋線終端、站所終端、變壓器配電終端。在生產(chǎn)企業(yè)方面，北京時(shí)代集團(tuán)、南瑞集團(tuán)有限公司、許繼集團(tuán)有限公司等在配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域均有較強(qiáng)競爭力的產(chǎn)品推向市場。配電終端產(chǎn)品已不再是單一硬件產(chǎn)品，而是發(fā)展成為硬軟件結(jié)合的配電自動(dòng)化管理系統(tǒng)有機(jī)組成部分，配電終端功能設(shè)計(jì)也從過去單一故障檢測和識(shí)別等發(fā)展到故障檢測和識(shí)別多樣化，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測量、狀態(tài)監(jiān)控、運(yùn)行保護(hù)、故障錄波與故障數(shù)據(jù)傳送等功能。電力市場配電終端產(chǎn)品具有差異化特征，配電終端產(chǎn)品研制相對(duì)不均衡，按照其具備的功能，配電終端分為簡易型、標(biāo)準(zhǔn)型和智能型。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐的進(jìn)一步推進(jìn)，智能型成為配電終端發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)配電自動(dòng)化復(fù)雜程度，配電終端的功能研制要求發(fā)生變化，從單一適用于基于就地檢測和控制技術(shù)的單輻射配網(wǎng)線路，發(fā)展到要適用于雙輻射配網(wǎng)線路的微電網(wǎng)、分布式電源、儲(chǔ)能裝置等設(shè)備接入場景，且在實(shí)現(xiàn)故障后自愈、協(xié)同調(diào)度、能量管理分析等功能上需要進(jìn)一步提升，而電力用戶對(duì)信息交互的潛在需求也被逐步激活，技術(shù)人員需要基于這些變化，重新矯正配電終端角色和研發(fā)路徑。

2 配電終端研發(fā)過程的重要技術(shù)路線

能源互聯(lián)網(wǎng)要營造綜合能源服務(wù)和諧共贏的生態(tài)圈，本身已具有的互聯(lián)網(wǎng)扁平化特征對(duì)電力供需關(guān)系中用戶層級(jí)概念存在弱化作用，使所有電力用戶都能得到有效關(guān)注和相對(duì)平等對(duì)待，配電終端作為連接電力用戶和電網(wǎng)的橋梁，其作用至關(guān)重要。傳統(tǒng)配電終端更專注硬件操作功能，受日本等國家配電終端產(chǎn)品影響，常規(guī)配電終端更傾向于保障電力系統(tǒng)供電可靠性功能開發(fā)，忽略了電力用戶參與體驗(yàn)，這與新一輪電力體制改革要實(shí)現(xiàn)電力用戶的用電需求從“用上電”向“用好電”轉(zhuǎn)變及滿足個(gè)性化需求的目標(biāo)存在現(xiàn)實(shí)矛盾。要解決這一問題，基于傳統(tǒng)配電網(wǎng)向主動(dòng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變的前提，配電終端既要關(guān)注硬件可靠性要求，也不可忽略軟件及通信技術(shù)。

隨著5G通信技術(shù)的成熟，配電終端作為能源互聯(lián)網(wǎng)背景下實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化的重要突破口，在研發(fā)設(shè)計(jì)中可考慮基于通信技術(shù)的軟硬件協(xié)同技術(shù)路線。軟硬件協(xié)同思想已經(jīng)滲透到通信技術(shù)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)配電終端研發(fā)設(shè)計(jì)中存在的重硬件、輕軟件現(xiàn)狀，要基于系統(tǒng)、整體、信息交互的配合與協(xié)調(diào)，重新對(duì)配電終端進(jìn)行設(shè)計(jì)。5G通信技術(shù)能有效解決無線通信速率和通信時(shí)延問題，通信數(shù)據(jù)量級(jí)變化對(duì)配電終端“三遙”“四遙”等可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性技術(shù)將產(chǎn)生重大影響。目前，5G通信技術(shù)在配電自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用尚未“井噴”，但融合5G技術(shù)是配電終端產(chǎn)品面向未來市場的必然選擇。需要注意的是，在軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，配電終端硬件部分依然不能弱化電力系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求，在現(xiàn)有電力體制下，可采取冗余設(shè)計(jì)思路保留舊的通信模式，其弊端在于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本有所增加，其優(yōu)勢在于適應(yīng)性更強(qiáng)的新產(chǎn)品能快速占領(lǐng)新增配電終端市場。

3 配電終端的數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值及增值服務(wù)

我國能源消費(fèi)體系長期存在供不應(yīng)求的局面，具體到電力領(lǐng)域，就是長期存在尖峰電力缺口問題。近年來，隨著我國能源供給側(cè)改革及電力建設(shè)投入持續(xù)加大，尖峰電力缺口問題得到部分解決。2019年，我國電力裝機(jī)總量達(dá)20.1億kW，其中，火電機(jī)組為11.9億kW，各省最大用電負(fù)荷總和為11.06億kW。從數(shù)據(jù)上看，電力裝機(jī)與用電負(fù)荷間的數(shù)量差異縮小，但我國全年富電量、短時(shí)缺電的結(jié)構(gòu)性矛盾局面并未完全改觀，最根本的問題在于電力供需雙側(cè)缺乏高效關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)，導(dǎo)致電力結(jié)構(gòu)性矛盾得不到有效解決，而電價(jià)改革作為扭轉(zhuǎn)我國電力結(jié)構(gòu)性矛盾的重要抓手，在電價(jià)要素設(shè)計(jì)過程中，要充分體現(xiàn)電網(wǎng)和電力用戶數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，有效發(fā)揮電價(jià)要素的作用。

在電力大數(shù)據(jù)獲取過程中，智能電表在挖掘電力用戶消費(fèi)潛力及消費(fèi)畫像時(shí)忽略了電力用戶對(duì)電網(wǎng)信息的反饋?zhàn)饔?，而配電終端憑借自身的中間地位，能便捷地對(duì)電網(wǎng)供應(yīng)過程進(jìn)行畫像，從而打通電網(wǎng)和用戶溝通的橋梁，建立強(qiáng)關(guān)聯(lián)。電網(wǎng)在現(xiàn)有電力體制下缺乏向電力用戶反饋數(shù)據(jù)的主動(dòng)性，而基于配電終端業(yè)務(wù)的企業(yè)則能依托“互聯(lián)網(wǎng)+配電終端”方式構(gòu)建配電終端云服務(wù)市場。數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值及增值服務(wù)短期內(nèi)難以成為配電終端攪動(dòng)配電市場的關(guān)鍵要素，但伴隨電力用戶與日俱增的個(gè)性化消費(fèi)需求及對(duì)電價(jià)關(guān)注度的提高，基于數(shù)據(jù)增值服務(wù)的高效能源管理潛在市場需求就會(huì)被激活。

4 配電終端的功能模塊化設(shè)計(jì)理念

為片面追求電力可靠性，傳統(tǒng)配電終端在硬件上缺乏功能模塊化設(shè)計(jì)思維。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐的日趨成熟，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)不再適應(yīng)未來能源供給體系，在電力可靠性問題得到有效解決的前提下，模塊化設(shè)計(jì)思路更符合配電終端靈活、開放、智能與便捷等要求。施耐德電氣（中國）有限公司、深圳市中電電力技術(shù)股份有限公司等企業(yè)相繼研發(fā)出智能型漏電保護(hù)斷路器、無線電能測量模塊等，可視為配電終端功能模塊化發(fā)展的縮影。除單一功能模塊研制，也可形成多功能集合模塊。在智能電網(wǎng)建設(shè)中，配電自動(dòng)化為基礎(chǔ)要求，技術(shù)人員可綜合利用各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，集成配網(wǎng)建設(shè)的饋線、設(shè)備、終端等模塊[3]。這意味著傳統(tǒng)片面強(qiáng)調(diào)可靠性的配電終端的功能設(shè)計(jì)理念不再適應(yīng)主動(dòng)配電網(wǎng)的發(fā)展需求。

從功能模塊化設(shè)計(jì)理念出發(fā)，配電終端發(fā)展可以分為三個(gè)階段。第一階段，在配電自動(dòng)化發(fā)展過程中，通過不同元器件疊加組合，滿足配電系統(tǒng)對(duì)基本自動(dòng)化功能的需求;第二階段，由第一階段不同元器件疊加組合發(fā)展為組合式一體化功能元器件，由配電系統(tǒng)功能化需求催生新型組合電器研發(fā)、生產(chǎn)與制造;第三階段，能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、5G通信技術(shù)等的發(fā)展，配電終端模塊化設(shè)計(jì)融入電力用戶的信息交互需求。配電終端模塊化設(shè)計(jì)不僅能更好地發(fā)揮研發(fā)人員的協(xié)同作用，還有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多樣化，以適應(yīng)市場需求。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)方案可以減少后期服務(wù)工作量，使得運(yùn)維更加方便。

5 分布式能源高滲透率給配電終端帶來的挑戰(zhàn)

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)不同，在含高滲透率分布式能源的主動(dòng)配電網(wǎng)中，大規(guī)模接入的分布式能源、各類需求側(cè)響應(yīng)資源以及儲(chǔ)能的接入使得配電網(wǎng)在“源—儲(chǔ)—荷”方面的靈活性都發(fā)生深刻的變化[4]。能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，能量雙向流通，高滲透率接入分布式電源系統(tǒng)是不可避免的。鑒于分布式能源固有的間歇性與波動(dòng)性，分布式可再生能源接入配電網(wǎng)對(duì)原有電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制帶來一系列挑戰(zhàn)[5]。俠義能源互聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展和延續(xù)，但在能源消費(fèi)體系構(gòu)建過程中又超越智能電網(wǎng)概念范疇。高滲透率分布式能源系統(tǒng)不僅囊括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等，還可能接入其他形式能源，這給配電終端研發(fā)帶來極大的不確定性。電力用戶可能同時(shí)具備電力消費(fèi)者和生產(chǎn)者雙重身份，傳統(tǒng)配電終端基于電力用戶“消費(fèi)者”單一角色進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，屬于單輻射電網(wǎng)配電自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用，無法滿足雙輻射或多輻射電網(wǎng)的一些特殊電力用戶需求。單輻射電網(wǎng)和雙輻射電網(wǎng)中，配電終端的功能差異如表2所示。

在能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐中，許多電力用戶會(huì)成為電力生產(chǎn)者，配電終端不再是單一管控用戶的裝置或系統(tǒng)，也可成為電力用戶向電網(wǎng)輸送電能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。波動(dòng)性較大的電力消費(fèi)終端給配電終端也帶來挑戰(zhàn)，比如，未來即便是單輻射電網(wǎng)，也需要考慮電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)帶來的波動(dòng)性對(duì)配電終端產(chǎn)生的影響，這種情況在分布式能源高滲透率雙輻射電網(wǎng)中更值得技術(shù)研發(fā)人員關(guān)注。

6 配電終端市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)問題

從傳統(tǒng)電力網(wǎng)技術(shù)角度出發(fā)，配電終端誕生背景是非線性電氣設(shè)備在應(yīng)用過程中產(chǎn)生大量諧波和無功功率，而配電終端能通過數(shù)據(jù)監(jiān)測及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障，從而確保電能質(zhì)量及電網(wǎng)安全運(yùn)行。能源互聯(lián)網(wǎng)下的傳統(tǒng)電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，單輻射變雙輻射，配電終端不再是單維度信息流監(jiān)測與控制，而是變成雙向多端信息流監(jiān)測與控制，這是配電終端研發(fā)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景?，F(xiàn)有饋線終端、站所終端、配變終端等配電終端從市場需求出發(fā)，沿用的是國家電網(wǎng)有限公司制定的通用技術(shù)規(guī)范，但標(biāo)準(zhǔn)是雙刃劍，可以對(duì)終端產(chǎn)品加以規(guī)范，以增加通用性，同時(shí)又制約了終端設(shè)備的研發(fā)創(chuàng)新。能源互聯(lián)網(wǎng)下的配電終端設(shè)計(jì)要從傳統(tǒng)能源體系中走出來，面向“碳達(dá)峰、碳中和”新型能源體系，緊密跟隨配電終端應(yīng)用場景改變，既要滿足當(dāng)前市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)要求，又要以前瞻性眼光看待未來市場。

7 結(jié)語

能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，配電終端成為配電自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)向主動(dòng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變。考慮基于5G通信技術(shù)的軟硬件協(xié)同技術(shù)路線，要采用模塊化設(shè)計(jì)理念，重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值及增值服務(wù)領(lǐng)域，同時(shí)重視高滲透率分布式能源帶來的不確實(shí)性以及市場對(duì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的約束機(jī)制，區(qū)別對(duì)待配電終端產(chǎn)品的當(dāng)前及未來市場需求。同時(shí)，要加強(qiáng)高滲透率分布式能源管理，提高能源管理效率，建立和完善“碳達(dá)峰、碳中和”新型能源體系。

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