智能配电网技术框架研究

引言

随着全球资源环境压力的不断增大，社会对环境保护、节能减排和可持续发展的要求日益提高，同时，电力市场化进程的不断推进以及用户对供电可靠性和电能质量的要求不断提升：未来的电网数据量和信息量更大，需要能支持潮流和信息流的双向流动;必须能够提供更加安全、可靠、清洁、优质的电力供应;能够适应多种能源发电方式的协调运行;能够适应客户自主选择的需要，并能进一步提高电网资产的利用效率和社会经济效益，等等，因此，电力企业面临着严峻的挑战[1]。以美国和欧盟为代表的不同国家和组织不约而同地提出建设智能电网，将智能电网视为未来电网的发展方向[2-10]，各国根据自己的国情，给智能电网赋予了不同的含义，但其目的都是节能减排、提高电网的能效和可靠性。

智能电网涉及电力系统发、输、变、配、用、调度各个环节[11-12]，其中，配电网处于电力系统的末端，直接与用户相连，由于电力系统对用户的供电能力和供电质量需通过配电网来实现和保障，因此，建设智能配电网是智能电网的重要环节。

1 智能配电网的内涵与特征

1.1 智能配电网的内涵

智能配电网涵盖了配网自动化的全部内容，几乎涉及了配电系统一次与二次的所有技术领域，且支持分布式电源的大量接入和深度渗透，可实现与用户的互动。智能配电网涵盖面很广，但迄今为止却没有一个被大家公认的统一而完整的定义。文献[13]给出了智能配电网的核心构件和智能配电网应具备的系统和设备;文献[14]强调智能配电网的目的是延长设备寿命，确定更换资产的优先顺序，降低配电网改造费用和防止配电网故障等;文献[15]指出智能配电网是配电网高级自动化的延伸，与传统配电网的主要区别在于允许可再生能源和分布式发电单元的大量接入和微网运行，鼓励各类不同电力用户积极参与电网互动。目前，各国在结合本国国情建设智能配电网的过程中已形成了很多共识，其内涵主要包括3个方面：①以物理实体电网为基础，包括各种配电基础设施、开关、配电终端、传感器等;②融合了各种现代先进技术，如：传感测量技术、自动化技术、通信技术、信息技术、计算机技术、控制技术等;③与传统配电网相比，智能配电网支持各种能源形式的分布式电源和电力用户自备电源、储能装置、电动汽车的接入和使用，其运行方式更加灵活可调，供电安全性、可靠性和电能质量显著提升，提高了能源利用的社会经济效益。

1.2 智能配电网的特征

与传统配电网相比，智能配电网在供电安全性、电能质量和电网资产利用率等方面都比传统配电网有显著提升。智能配电网具有以下基本特征：

(1)信息化。信息化是实现智能配电网的基础，指具备对配电网实时和非实时信息的高度集成、多方共享和深度挖掘利用的能力。电力信息化分为电力生产控制信息化和电力企业管理信息化两大类。

(2)自动化。自动化是智能配电网发展水平的直观体现，包括依靠高效的信息采集传输和集成应用，实现配电网控制策略的自动优选、运行状态的自动监控和故障状态的自动恢复等。

(3)互动化。互动化是智能配电网的内在要求，指通过信息实时沟通分析，实现电源、电网和用户资源的良性互动与高效协调，促进电能的安全、高效、清洁应用。智能配电网的互动化有2层含义：①指智能配电网支持分布式电源的大量接入;②指电网与用户之间的互动，包括支持用户根据实时电价选择用电时间，允许和鼓励用户自有分布式电源上网等。

1.3 我国智能配电网的发展目标

发电、输电、变电、配电、用电、调度是坚强智能电网的六大应用环节，其中，智能配电的发展目标是：建成高效、灵活、合理的配电网架结构，提升配电网的灵活重构、潮流优化能力和可再生能源的接纳能力;实现分布式储能装置及分布式电源的兼容接入与统一控制;提高用户用电的可靠性和电能质量，提升配电网在紧急状况时对主网的支撑能力。

2 智能配电网技术框架

智能配电网是集传感测量、计算机、通信、信息、自动控制等领域新技术在配电系统中应用的总和，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配电技术进行有机的融合，使配电网的结构以及保护与运行控制方式发生革命性的变化，因此，智能配电网的发展需要从智能配电网的基础领域切入，构建符合我国发展需求的智能配电网技术框架。智能配电网的技术框架可分为如图1所示的3个层次。

2.1 完善配电网基础设施的设备层

结构合理、网架坚强的配电网实体和安全经济、灵活可靠的智能配电装备是智能配电网的基础。但我国传统配电网基础比较薄弱，自动化程度较低，距智能配电网的要求存在较大的差距，所以在智能配电网框架最底层的设备层，需要实施和完善以下功能：①建设坚强的实体配电网。智能配电网应改变我国配电网发展长期滞后、基础薄弱的现状，加强和完善配电网的基础设施建设，建成具有坚强网架结构的配电网;未来的配电网应能灵活应对自然灾害等突发性事件。②实现配电装备的智能化。由于传统的开关、保护控制设备和配电终端不适应智能配电网的需求，且分布式电源的大量接入对智能配电设备也提出了新的需求，所以智能配电网应实现配电装备的智能化。

为了发展配电网的智能应用，实现上述功能，应加强以下技术支撑点的研究：①应在规划流程、数学模型和规划方法等方面有所突破，以适应大量分布式电源的并网运行;②智能配电装备既要涵盖传统二次系统的测控、保护、安全稳定控制等装置的功能，还要包括传统一次系统的静止补偿装置、固态开关、分布式储能等装置的功能。

2.2 构建信息通信支撑的数据层

智能配电网需要采集大量的设备状态数据和各类表计计量数据[16-17]，对于这些量大、采集点多且分散、对实时性要求高的数据，传统的信息通信体系已不能满足要求，需应用先进的传感测量技术，建立统一的通信和信息平台作为支撑。智能配电网对数据信息的管理和维护都在数据层完成，数据层是智能配电网的海量数据库，为配电网各个环节的电网业务提供更多的数据支持，所以在数据层需要对以下技术支撑点开展研究：

(1)先进的传感测量技术。传感测量技术可给电力系统运行和规划人员提供数据支持，如功率因数、相位关系、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电能消费和预测数据等，应用先进的传感测量技术可以准确地感知电网的运行状态，监控设备的健康状况，评估电网的安全性和稳定性等。

(2)开放的通信平台。现有配电网通信网络信息大多为从设备到调度中心单向流动，仅有少量的控制信息是从调度中心到设备，不能满足智能电网双向通信的需求，为此，建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能配电网的基础。构建开放的通信平台需要重点研究的内容为：①开放的通信架构，以形成一个“即插即用”的环境，使电网元件之间能够进行网络化的通信;②统一的技术标准，以使所有的传感器、智能设备以及应用系统之间无缝通信，实现设备和设备之间、设备和系统之间、系统和系统之间的互操作功能。

(3)统一的信息平台。现有的信息系统数据来源不统一、数据模型维护不及时、彼此之间无法协调和沟通，需要建立一个信息来源更广泛、信息量更大、支持信息双向流动和数据共享机制的统一的信息平台。

2.3 提升新技术应用的应用层

智能配电网将通过各种分析计算与仿真模拟，针对配电网的优化运行、智能调度、智能控制等提供决策支持，实现配电网的优化运行与智能控制，实现分布式电源/微网/储能装置的合理接入以及与用户的良好互动，保证配电网安全、可靠、稳定、经济、环保运行。智能配电网最终的智能化目标是有效整合并综合利用电力系统的稳态、动态、暂态运行信息，实现电力系统正常运行的在线监测、优化、预警、动态安全分析以及紧急状态下的故障诊断隔离、协调控制、自我恢复等功能。智能配电网的这些功能最终将通过应用层实现，所以为了满足智能应用的需求，还应对以下关键技术开展多层次的应用：

(1)优化运行。优化运行可解决含分布式电源的配电网安全运行与经济运行，可实现：①正常运行方式下网损最小化，并提高配电设备使用效率;②检修方式下网络优化;③故障方式下的快速转供。

(2)快速仿真与模拟。配电网快速仿真与模拟是实现配电网自愈的重要工具，”其目的是通过配电网状态估计、潮流计算、负荷预测、动态安全评估、预想事故分析等为系统自适应保护、故障定位和隔离、网络重构等及时提供决策支持，主要有2类计算：①静态模型和动态特性相结合的分析计算;②基于信号分析的实时直接测量推算，包括实时状态估计、潮流计算、聚合分析、短期负荷预测、预想事故分析、动态安全分析等。

(3)智能调度。智能电网若要支持分布式电源的大量接入及能量的双向流动，将使得电网调度更为复杂，所以智能调度是未来电网发展的必然趋势。智能调度需要实现真正意义上的全电网状态实时精确估计，对智能电网进行更为精确的调控，并加强需求侧管理。

(4)智能控制。分布式电源的大量接入，使得用户侧也不再是单纯的用电环节，用户与电网之间的深度互动使得配电网的智能控制不再是一个单一目标的控制问题，智能配电网在保证电网安全、经济和优质运行的前提下，还要考虑节能减排、提高能源转化效率等目标，即智能配电网的控制目标较传统电网更为复杂和多样，所以无论从控制目标、控制手段还是控制要求来讲，都需在现有的基础上有所突破，以发挥智能配电网的优势。

(5)分布式电源/微网接入。由于配电网中的分布式电源靠近负荷中心，可降低电网输送的容量，提高供电可靠性，因此得到广泛采用。然而，大量的分布式电源并入中、低压配电网运行，将彻底改变传统的配电系统单向潮流的特点，所以要求系统使用新的保护方案、电压控制和仪表等来满足双向潮流的需要[17];由于分布式电源具有波动性和间歇性的特点，并入电网后，如果控制不当，容易对电网产生冲击，所以需要对分布式电源及风电功率的并网运行进行研究，并大力发展储能技术。

(6)建立、完善各类标准体系[18]。在智能配电网建设过程中，通过完善统一的标准可以实现各类电力设施及各种新技术应用之间的互联互通，因此应积极参与国际标准的研究和制定，争取在国际标准体系中的话语权，并结合国内电网现状，建立一套适用性强、兼容性好的开放标准体系。

3 结语

智能配电网是建设智能电网的重点环节，建设坚强智能配电网需要在网架结构、设备水平、通信技术等方面开展深入的技术研究，并结合国内电网现状，建立一套适用性强、兼容性好的开放标准体系。政府应充分发挥引领作用，出台积极的智能配电网发展政策，使智能配电网发展战略与国家发展战略及能源战略相衔接，在智能配电网规划与建设中给予产业政策扶持、资金扶持等，为智能配电网的发展创造良好的外部环境。

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