主动配电网系统

主动配电网系统（精选11篇）

主动配电网系统 篇1

在电力需求持续增长的今天, 传统的能源紧缺的形势变得越来越严重, 再加上日益突出的环境问题, 现在人们普遍关注分布式电源特别是可再生能源发电技术的应用和发展。但是由于布式电源具有发电间歇性、不稳定性以及分散性的特点, 因此电网容易在其并网之后出现运行稳定性变差、电能质量降低以及负荷峰谷差增加的情况。在这种情况下, 主动配电网系统负荷控制与电能质量监测就得到了广泛的应用。作为一种与分布式电源接入相适应, 并且能够实施主动管理和控制的新型配电系统, 主动配电网系统可以对系统的可中断负荷特性进行分析。本文对主动配电网系统负荷控制与电能质量监测技术进行了分析和介绍, 希望能够对相关人士具有一定的借鉴作用。

1 主动配电网系统中存在的可中断负荷分析

由于我国的电网系统中具有越来越大的可再生能源发电、光电以及风电的比例, 因此主动配电网系统就需要将一种新的运行控制思路寻找出来, 也就是通过对可控的负荷的利用从而对不可控的出力进行平衡, 使风电、光电能够联合应用可中断负荷, 这样就能够保证资源优化配置的实现。在某种特定时段下进行有条件的停电, 同时要将一定的特殊负荷补偿过来就是所谓的可中断负荷。通常来讲, 这些负荷都具有较低的供电可靠性要求, 所以小规律的停电事故在一定的经济补偿下是可以实现的。在研究中断负荷的传统方法中主要是对阻塞管理以及系统调峰备用进行研究, 在新技术的不断研发的背景下, 可中断负荷的研究概念得到了有效的补充和外延, 比如移动负荷以及温度负荷等, 可以在主动配电网系统中应用的中断负荷具有以下的几个特点[1]。

1) 具有分析的实时性以及响应的快速性:可中断负荷可以进行实时自检, 同时还可以将运行的参数上传, 其能量管理系统能够对ADS各部分运行状态进行在线监测, 同时也能够以系统的要求为根据, 从而将最佳的控制策略获得, 接受控制命令之后的可中断负荷可以快速的做出响应。

2) 具有较强的鲁棒性和稳定的频率:现在就算对先进的量测技术进行利用仍然会出现偏离其标称值的实际值, 而微小的偏差就能够在异常和危险的情况下导致误动的情况出现在精准动态系统中, 而可中断负荷的鲁棒性比较强, 就算遭遇到一定的参数摄动, 也可以使自身的特性得以维持。

3) 将分布式电源大规模的接入到主动配电网中需要具备不同负荷特性以及多类型的可中断负荷在响应中共同的参与进来, 比如电动汽车电池、空调负荷、各类储能元件等, 只有保证多样性的负荷, 才能够使中断方案多选择性的要求得到充分的满足[2]。

以上三点可以看出分析的实时性以及响应的快速性, 较强的鲁棒性和稳定的频率和将分布式电源大规模的接入到主动配电网中需要具备不同负荷特性以及多类型的可中断负荷在响应中共同的参与进来都可以使主动配电网系统存在中断负荷!

2 主动配电网系统负荷控制技术分析

作为系统试点平衡的主动方, 主动配电网系统中负荷的用户负荷需求、可中断负荷调度以及负荷特性特性等都会对系统的安全稳定运行产生较大的影响。将现有的有序用电作为基础, 就可以对利用使负荷的电压特性、频率特性以及时间特性等得以改善的方式对负荷进行柔性的控制。通过对储能装置以及可控负荷联合利用的方式能够对风电以及光电的处理变化进行有效的追踪;通过在主动配电网系统中使电动汽车等移动储能设备参与进来的方式进行紧急调峰, 这样就能够使系统将频率稳定和电压稳定快速的恢复。

3 负荷控制终端的电能质量监测技术分析

电网会由于分布式电源的并网运行而出现一系列的电能质量问题, 其中包括谐波、三相不平衡、电压波动、电压偏差以及电压暂降等。分布式电源的高渗透率会在主动配电网系统中使得上述的这些问题变得更加的突出, 电力系统的供电安全会由于电能质量问题而受到严重的影响。所以, 要想好保证主动配电网系统能够实现高质量、经济以及安全的运行, 就必须要选择与电网发展趋势相符合的准确以及高效的电能质量在线监测技术。

3.1 经验模态分解技术

所谓的经验模态分解技术, 其主要是通过对经验模态分解方法的利用从而将固有模态函数从原信号中提取出来, 这样就能够凸显原信号的局部特征信息。这种方法具有以下的几个特点:0或1属于其极值点和过零点的数目之差;对其局部极小值和局部极大值进行连接的2条包络线在任何一点都的均值都是零[3]。

3.2 电能质量监测仿真技术

为了能够对该监测方法的可行性和正确性进行验证, 在保证220V幅值有效值以及50Hz的工频的条件下, 对其分别实施频率、多谐波的定位及幅值、电压暂升谐波以及电压暂降谐波的检测的仿真验证。经过验证我们发现, HHT变换能够将谐波干扰、突变以及电能信号异常比较准确的检测出来, 这样就能够将异常信号的幅值、频率以及引入时间等信息获得, 而且经过多次的试验之后发现其具有很小的平均误差, 因此能够使在线监测负荷终端电能质量的要求得到充分的满足。

4 结语

大力的推广和应用主动配电网系统能够使电力建设的投资得以有效地延缓转, 同时还可以使再生能源的兼容性得以极大提升, 因此在未来的配电网智能化发展中必然会得到广泛的应用。笔者选择储能设备的可控性以及多种柔性负荷从而对不可控分布电源的波动性出力进行了平衡, 对可中断负荷应具有的特点进行了分析, 并且将负荷控制控制策略提了出来, 该策略经过检验具有较高的优越性。本文对主动配电网系统负荷控制与电能质量监测技术进行的分析和介绍希望对广大读者有所帮助!

参考文献

[1]唐捷, 肖园园, 李欣然, 张元胜.分布式风力发电对综合负荷特性的影响[J].电力科学与技术学报, 2012.

[2]向月, 刘俊勇, 魏震波, 刘友波.可再生能源接入下新型可中断负荷发展研究[J].电力系统保护与控制, 2012.

[3]尤毅, 刘东, 于文鹏, 陈飞, 潘飞.主动配电网技术及其进展[J].电力系统自动化, 2012.

主动配电网系统 篇2

关键词 分段器;配电网;环网;辐射网

分段器是配电网中用来隔离故障线路区段的自动开关设备，它一般与重合器、断路器或熔断器相配合，串联于重合器与断路器的负荷侧，在无电压或无电流情况下自动分闸。

分段器按识别故障的原理不同，可分为“过流脉冲计数型”(电流-时间型)和“电压-时间型”两大类。

电流-时间型分段器通常与前级开关设备(重合器或断路器)配合使用，它不能开断短路电流，但具有“记忆”前级开关设备开断故障电流动作次数的能力。

电压-时间型重合式分段器是凭借加压或失压的时间长短来控制其动作，失压后分闸，加压后合闸或闭锁。

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主动配电系统可行技术研究 篇3

关键词：主动配电系统；可行技术；平衡配电

中图分类号：TM71 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0010-02

传统的配电系统比较简单和常见，是在复杂的网络和庞大的数据之间进行交互，来应对不确定的配电负荷，以保证电力系统的稳定运行。但是，在科学发展的今天，技术爆发和发展势头迅猛，城市的电力需求也相应大，而电能损耗也增加。

而现代技术的进步，配电系统中的分布式能源的渗透率更多的决定和控制着电力负荷，在复杂的配电系统中规划整体的经济利益，影响着电网的分配模式，而配电系统也是整个电力系统的最后一环，直接关系到客户的使用，因此对主动配电系统的管理方式有待改进和革新。

1 主动配电系统的概念和原理

配电系统是由不同的电子配件和相关设施所组成，用来交换电压以及直接向用户分配电能的电力配比系统。而主动配电系统是充分利用配电网络进行管理，进而能够主动对部分分布式能源进行控制和管理的配电系统。

分布式能源在监管环境允许的范围内，按照接入协议的规定，实现系统的全面操控，分布式能源是由分布式储能、分布式发电和可控负荷所组成，其中的可控负荷同时拥有发电作用又具有消耗能力。传统配电系统极少存在用户端的电源，电能主要是由电网系统的电力局分配，电力配电系统的单位进行配送电能和收费。

2 传统配电系统的现状

现如今世界上许多国家的电力公司大多数都已经使用主动配电系统，但相关的机制和体系并不完善，并没有成为主流电力管理系统，其中受到监管和传统配电方式的影响和制约。我国的电力企业长期以来过于注重发电的效率和产量，对电的使用比较轻视，造成了不小的矛盾。国家把大量的金钱和人力、物力集中在大型电力企业和发电设备机组中，对电网中电力的质量和稳定性缺乏关心力度，导致现有的许多配电设施设备不能得到更新和改进，输出的电力可靠性、稳定性和安全性都存在隐患，特别是一些偏远地区，仍然不能够享受到正常的用电生活，与发达国家相比，更是有着很大的差距。

传统的配电系统中，客户端在接受电能和管理服务没有自主性，不能进行选择，电力公司方面在面对系统往往只是采取处理被动反馈以及对设备的维护和故障排除，并一味的追求改建和扩张来满足市场对电力的需求量。

因此，传统配电系统的进展缓慢，任重而道远，这个问题不仅是技术上的手段能解决的，也需要需求方客户的配合与管理，社会和政府再提供一些必要的扶持和政策支持，才能让电力智能化发展成为可能。

3 主动配电系统的技术要求

随着我国电能的消耗量逐年增加，而国内的发电方式主要是火力发电，对环境破坏的影响巨大，节约和合理分配电能被提上了可持续发展的重点项目。传统的配电系统只是电能的搬运工，只起到一个分配和传送的任务，电力系统一直是被动的运行工作。其技术难度较低，操作简单，电力系统网络覆盖面广，辐射状发散于各个方向，多使用自动化电力设备，只能保障故障自动排除和修复，保证供电正常，传统配电对网络系统中的电量配送和管理是没有作用的，这使得许多电能在传输和配送中有重复和浪费。

而要做到可以主动分配和管理就必须使用分布式能源的接入，这种高渗透率的接入方式能在较小的模式下改变局部范围的配电工作，而多个这样的接入点就能形成规模控制，对整个辐射范围电力公司就能整体把控，不仅可以做到传统配电系统所做的被动工作，更能迅速解决电流短路、设备情况和非正常运行状态等问题的解决和反应。

3.1 配电系统的网络规划

按照传统的被动式配电系统所运用的规划，其更注重固定模式，按照网络中的负荷预估最大值的方式，以得出配电系统的最小配电额度，并对可能出现的情况加以分析和规则设计，只要确保正常运行，传统配电系统的设计和运行模式简单。

而主动配电系统技术更加细腻和周详，虽然系统设计要比传统模式复杂和繁琐，但它考虑的因素更加全面，具有整体性和完整性的特点。在分布式能源的主动管理模式接入中，加入侧响应和分布式电源。

3.2 接入分布式能源后需要注意的相关问题

电力配电设备都有额定功率，在正常的电压水平下才能够运行正常，电压的稳定和功率直接关系到其与无功电压控制的模式，在传统的被动式配电系统中无功电压控制模式比较容易实现。而在主动配电系统接入分布式能源后，无功电压控制模式变得更加复杂和波动，这是因为分布式能源的属性存在带有随机性、非线性、间歇性的特征。

从而分布式能源造成有功逆流、无功电流不稳定等问题，引起暂态电压变化，由风电机组导致电压保护误导、畸变和闪变等情况的发生，因此电压质量也可能会出现影响。

3.3 短路电流和应对设备的选择问题

电路出现短路是很正常的现象，在任何电力系统中都可能会发生，所以在解决分布式电源安全接入方面，确保熔断电量不会超压，就要更换电源开关，甚至要更新全套电力设备，运行成本就会增加。

而对于变电所来说，分布式电源的接入同一个配点时可以采用多点式接入法，而不只从一个点入手，当某个点出现短路问题时，也需要更换设备，如果接入点过多就会导致所在区域的供电饱和，无法再接入新的分布式电源接口。

4 主动配电系统的可行性

分布式电源都以直接的方式接入配电网络和设备，也可以采用配合储能组成微电网间接接入。微电网是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等组合而成的小型配电系统，该系统集合了发电、配送、使用等运行方式，是一个能够自住控制，以保障和管理电能的智能系统，其有助于合理分配系统中分布的大规模可再生能源的有效接入。

今后配电系统的发展方向必须包括这些分布式电源的能量收集和分配，组成完整的新型电力交互，主动配电系统就是应这种需求而诞生的产品。

4.1 通信技术的可行性

配电系统的运行和管理中，需要使用信息和通信技术，在设备中利用ICT保障配电系统的可靠性和平衡性，大幅度提升电网系统的输送和分配效率，稳定系统的频率，并对电压和电流进行适当的调控，这种信息和通信技术是配电系统的核心部分，ICT技术就是主动配电系统的关键，它可以采用集中、组合以及单一控制进行随意控制。

4.2 主动配电系统的态势感知和预警

主动配电系统的所包含多种复杂和系统的技术，其中有以下几个关键技术：

①主动配电系统的不确定性建模技与分析技术；

②主动配电系统的大数据分析技术；

③主动配电系统的云计算技术与云平台构建；

④主动配电系统的自适应分层分布式智能控制技术；

⑤主动配电系统的互动化服务技术：多微网协同调度技术、用户互动技术、满足用户差异化需求的主动调度技术。

这些技术都保障了主动配电系统的正常和合理运行，在这里就不一一展开阐述，只有实现这些技术的运用和构建，才能使得主动配电系统的建立达到可行。面对不同的用户和地方，就要有相应的应对措施和技术，才能有效的实现电能的配送和使用。

5 结 语

综上所述，在未来的城市用电系统的发展中，主动配电系统的应用范围更加明确和广泛，其所涵盖的层次和内容丰富，主动配电系统更适应时代的发展和智能技术的要求，在秉承服务用户和节约能源的理念下，进一步深化可持续发展的改革。

而主动配电系统也面临着许多的考验，如在信息系统的防护和用户的隐私等实际问题。因此，在国家提供相关的政策、技术和资金的支持上，供需双方共同参与和管理好用电设施，比如对负荷管理、用电能力、发电管控等等，让社会的电力发展在供需双方的努力下不只停留在买卖关系上，更建立起一对双方互惠互利和互相考虑的合作伙伴，营造合理的电力市场环境。

在今后的研究工作中，在重点执行好分布式能源的接入问题，考虑周全并且发挥其作用，为了使配电网系统的安全与稳定，必须要依靠先进技术改进，引进设备，加强对主动配电系统的研发，这也符合目前配电网工程改造的趋势，还要抓住时机突破，促使我国电力系统的高效、合理发展。

参考文献：

[1] 范明天，张祖平，苏傲雪.主动配电系统可行性研究[J].中国电机工程学 报，2013，33（22）：12-18.

[2] 徐丙垠，李天友，薛永端.主动配电网还是有源配电网[J].供用电，2014

主动配电网系统 篇4

由于电力需求持续增长、传统能源日益短缺以及电力 市场逐渐 开放等因 素,分布式电 源 ( distributed generator,DG) 尤其是可再生能源大量接入配电网,对配电网造成广泛的影响[1,2,3],传统被动单向潮流的配电网逐步演变为双向供电的主动配电网[4],潮流方向可能随时发生变化。分布式电源具有间歇性投切和波动出力的特性,随着其接入系统容量增加,使得配电网不可控性增强。另一方面, 配电网本身还受到大量非线性负荷的冲击,分布式电源与恶性负荷耦合并网将加剧电能质量恶化,严重影响配电网的供电质量和可靠性,造成设备损坏、 经济效益损失等后果。因此,有必要对主动配电网的电能质量状况进行实时监测,以便及时采取有效措施,减少损失。

目前电能质量监测系统正朝着网络化、信息化、 标准化的方向发展[5,6],国内已经有很多成功的电能质量监测系统设计案例,各有侧重点和局限性。文献[7-8]设计的电能质量监测系统未采用统一的标准数据格式规范,使用的是自定义的通信协议,只能在其自身设备和监测系统中使用,与其他厂商设备兼容性差,无法做到数据共享。文献[9-12]提出将电能质 量数据转 换格式 ( power quality data interchange format,PQDIF) 作为电能质量监测的标准文件格式,解决了不同电能质量文件格式之间的数据转换存储问题,但是PQDIF文件在处理实时数据、暂态事件数据方面有较大局限性[13],很难做到实时监测。文献[14]基于IEC 61850设计了开放式电能质量监测系统,实现了不同厂家设备接入和数据共享,但是其仅采用图表形式展示电能质量数据, 表现形式单一,不能给用户更加直观的体验,也很难同时对整个电网的电能质量情况作全局观测。

主动配电网中的电能质量状况与分布式电源的接入方式和运行情况密切相关,潮流方向的变化会对电能质量水平产生较大影响。所以对于主动配电网的电能质量监测与一般配电网不同,在监测电能质量实时状况的同时,还需要监测分布式电源的消纳过程和潮流方向,以便制定合理的协调控制策略, 在不影响负荷用电的情况下缓和电能质量状况。传统配电网电能质量监测系统并不能满足主动配电网这方面的要求,因此需要设计一套针对主动配电网的电能质量监测系统。目前还没有相关文献在这方面进行研究。

对于上述现状,本文设计并实现了一套针对主动配电网的电能质量实时监测系统。该系统遵循IEC 61850标准,建立标准化电能质量数据模型,提供开放 式数据交 换接口,通过制造 报文规范 ( manufacturing message specification,MMS) 将电能质量实时数据上传到主站; 利用Silverlight技术对主动配电网主接线进行建模和绘制,通过Windows通信基础( Windows communication foundation,WCF) 服务获取实时数据,用户能在客户端主接线图中观测到同步于分布式电源消纳过程的电能质量实时状况, 以及潮流方向发生变化后对电能质量水平的影响。 同时系统提供电能质量实时告警功能,当有监测点电能质量超标时,会发出警示信息以提醒观测者。 主动配电网电能质量实时监测对于控制策略制定及电能质量问题分析治理具有重要意义,是保证主动配电网安全、经济、高效运行必不可少的措施之一。 目前系统在广东某地区的主动配电网示范工程中正常运行使用,并多次及时提供电能质量信息,辅助制定协调控制策略,证明了系统的稳定性、可靠性以及实用性。

1主动配电网简介

1.1主动配电网电能质量问题

主动配电网是指可以综合控制分布式能源( 分布式电源、储能装置、柔性负荷) 的配电网,通过使用灵活的网络技术实现潮流的有效管理,使分布式能源在其合理的监管环境和接入准则基础上承担对系统一定的支撑作用[2,15]。

与传统配电网相比,主动配电网电能质量状况更加复杂,分析主要有以下几点原因。

1) 分布式电源集成到配电网,形成多电源及双向供电格局。传统配电网潮流方向发生变化,分布式电源会向系统反送潮流,导致末端节点电压可能高于电网侧电压。

2) 分布式电源包含大量电力电子装置。绝大部分分布式电源采用电力电子变流器与电网连接, 一般电力电子装置采用脉宽调制( PWM) 控制,开关过程势必会给配电网带来谐波问题。

3) 分布式电源的间歇性特征[16]。光伏阵列输出功率主要受辐照强度和温度影响,天气的变化将改变光伏发电装置的出力情况; 风电机组出力与风速、气流强度和方向、桨距角等有着复杂的关系,阵风天气下风电机组输出功率难以预测。因此,光伏和风电将会给电网造成不可预计的电压波动。

4) 电网侧因素。电网本身运行环境恶化,如非线性负荷、冲击性负荷的接入,输电线路故障等,在主动配电网中引发分布式发电装置的异常运行或连锁反应,导致电能质量问题。

1.2主动配电网消纳模式

主动配电网按多级分层方式消纳分布式电源, 通过灵活的协调控制实现分布式电源的完整消纳。 相对于微电网而言,主动配电网接入的分布式电源半径更广、接入容量更大[2]。按照消纳范围,主动配电网对分布式电源的消纳可分为点消纳、线消纳和面消纳3种基本模式,如图1所示。

在不同消纳模式下,配电网电能质量状况会不同。

1) 点消纳模式。如图1( a) 所示,点消纳模式表示在中压配电网各节点以下对分布式电源进行就地吸收消纳,节点无潮流反向。从馈线上看,各节点仍然吸收功率。从变电站层面上看,各馈线潮流仍由电网侧流向负荷。

2) 线消纳模式。如图1( b) 所示,线消纳模式表示在中压配电网馈线范围内对分布式电源进行吸收消纳。节点潮流可能出现反向的情况,如节点A3, B3,B4。从变电站层面上看,各馈线潮流仍由电网侧流向负荷。

3) 面消纳模式。如图1( c) 所示,面消纳模式表示在中压配电网变电站范围内对分布式电源进行吸收消纳,是主动配电网消纳分布式电源的最大范围。 不仅节点潮流可能出现反向的情况,馈线范围内也无法完全消纳本地接入的分布式发电能量,因此出现馈线潮流反向的情况。此时能量经变电站电压母线流入其他馈线,由其他馈线上的负荷吸收,图中潮流吸纳路线为馈线B至馈线A。

2监测系统架构与实现关键技术

2.1系统总体架构设计

本文监测系统采用基于. NET的浏览器/服务器( B /S) 架构,包括电能质量监测设备层、数据库服务层、Web服务层、客户端4个部分。系统结构及工作示意图如图2所示,其中IED表示智能电子设备, TA表示电流互感器,TV表示电压互感器。

电能质量监测设备层: 负责整个监测系统的数据采集及预处理工作。合并单元将来自互感器的多路电压电流信号合并转换为数字化接口,并通过IEC 61850-9-2将电压电流采样值数据传送至电能质量监测设备[17]。电能质量监测设备获得实时电压电流数据后,进行电能质量指标计算,将计算结果集通过特定通信服务映射 ( specific communication service mapping,SCSM) 映射到MMS协议,并上传到监测主站服务器。

数据库服务层: 负责收集并整理各电能质量监测设备上传的实时数据,进行解析和存储,以及响应Web服务层的数据检索请求。包含实时数据库、历史数据库和配电网模型库。

Web服务层: 提供各种Web服务以及 为Silverlight程序提供WCF服务,响应客户端浏览器发送的请求。根据用户请求,从数据库中检索相应数据,通过HTTP协议将数据发送到客户端浏览器。

客户端: 负责人机 交互。客户端界 面采用Silverlight技术开发,为用户提供丰富的交互手段和图形数据表示方式。

2.2电能质量监测设备实时数据模型

电能质量实时数据包括稳态数据和告警事件数据[12,18],涉及频率、电压有效值、电流有效值、谐波电压、谐波电流、电压不平衡、电流不平衡、闪变、功率和功率因数等多项指标。

针对电能质量实时监测数据需求,根据IEC 61850标准,相关电能质量监测设备逻辑节点模型[12,19]如图3所示。

图3中TVTR和TCTR分别为电压互感器逻辑节点和电流互感器逻辑节点,用于电压、电流信号采集。电能质量测量功能对象用于记录稳态数据,电能质量事件监测对象用于记录暂态事件数据。模型中逻辑节点的具体功能如表1所示。

在实际监 测过程中,实时数据 以数据集 ( Data Set) 的方式集中上传。实时稳态数据被封装进数据集dsReal Data,告警事件数据被封装进数据集ds Warning Data Transient,数据集的 具体内容 在IED性能描述( ICD) 文件中定义。由于监测设备中实时稳态数据的上传周期为3 s,为保证数据传输的快速性,采用非缓存报告( URCB) 机制,产生后立即上传至 监测主站,并且支持 完整性周 期上送 ( Intg Pd) 和总召唤( GI) 。告警事件数据通过缓存报告( BRCB) 机制上送,以保证事件顺序以及可靠性。 监测主站服务器上运行有IEC 61850服务程序,用于和现场监测设备建立连接,解析上传的监测数据并存入实时数据库。

详细电能质量实时稳态与告警事件数据对象信息见附录A表A1和表A2。

2.3基于Silverlight和WCF技术的实时监测功能实现

2.3.1与传统监测系统数据展示方式比较

传统的电能质量监测系统通常以柱状图、曲线图或数据表格等方式对单个监测点的电能质量数据进行展示[14],用户需要通过选择监测点的名称或编号进行切换,这种方式不仅表现形式较为单一,而且不能给用户提供配电网结构的直观感受,无法对整个配电网的电能质量情况作全局观测。本文采用Silverlight技术绘制配电网主接线图,通过WCF服务从服务器端获取实时监测数据并结合主接线图进行展示,相较于传统电能质量监测系统,用户能以更为直观的方式观测整个主动配电网的电能质量实时状况以及分布式电源的消纳过程。

2.3.2配电网主接线图绘制

Silverlight技术基于. NET架构,可以跨浏览器、 跨平台,是一种用于实现下一代富互联网应用的浏览器插件技术[20],能给用户带来内容丰富和视觉效果绚丽的交互式体验。

系统利用Silverlight提供的开发框架对配电网主接线图形进行建模,图4所示为用统一建模语言 ( unified modeling language,UML) 类图表示的主接线模型总体结构,描述了各个类、方法及属性之间的关系。通过将配电网中的变压器、断路器、母线和监测点( 在需要监测的线路上) 等需要绘制的电气设备及逻辑实体抽 象为Silverlight中的类,每种类由Silverlight提供的Ellipse和Path等基本图形元素组成,以实例化、模块化的方式进行绘制。在绘制如图5所示的分布式电源示意图时,不需要对该设备再进行逐笔勾画,而是由封装好的方法将其作为一个模块整体载入画布中。

首次绘制主接线图时,需要手动搭建组合各电气设备和逻辑实体图元并输入相关信息,绘制完成后各电气设备和逻辑实体实例的基本信息和属性信息将存入配电网模型库,同时建立监测点图元实例和实时数据库中相应监测点数据之间的映射关系 ( 实时监测必 需) 。当客户端 加载主接 线图时, Silverlight程序根据配电网模型库中记录的信息,自动依次实例化绘制。

2.3.3数据图形一体化展示的实时监测功能实现

系统在主接线图中实现实时监测功能,需要定时从服务器端实时数据库中读取监测数据。由于Silverlight程序运行在客户端,因此需要通过WCF服务与服务器端通信,获取实时数据。

WCF是一种面向服务的编程模型,允许应用程序将功能以服务的方式提供给客户端服务请求者, 在完成业务逻辑封装的同时实现服务代码与客户端所用技术及平台的解耦[20]。系统在WCF服务程序中定义 了具有Service Contract属性的接 口IReal Time Data以及具有Data Contract属性作为返回数据类型的类和结构体。在IReal Time Data接口中定义若干具有Operation Contract属性的方法,用于获取实 时数据,通过Real Time Data类继承IReal Time Data接口,实现这些方法。WCF服务的结构如图6所示。

在监测过程中,Silverlight程序通过WCF服务实时判断分布式电源输出功率流经的设备和线路, 在主接线图中将其颜色变为白色并指出功率方向; 实时更新监测点趋势图中的电能质量数据,并标明每个数据的潮流方向。系统将实时监测数据与配电网主接线图无缝融合,实现数据图形一体化展示的主动配电网电能质量全局监测功能。

3系统运行效果

3.1系统开发及运行环境

系统基于微软. NET架构,采用Visual Studio 2010作为开发平台,Visual C#作为开发语言。服务器操作系统为Windows Server 2008,数据库管理系统软件为SQL Server 2008,Web服务器软件为IIS6. 0。

3.2分布式电源消纳过程的电能质量实时监测

电能质量监测设备基于IEC 61850标准建立电能质量信息模型,通过MMS协议将电能质量实时监测数据上传到主站进行解析并存入实时数据库。客户端Silverlight程序通过WCF服务获取实时监测数据,在主接线图中实现一体化展示。

分布式电源消纳过程实时跟踪画面见附录A图A1,该图反映出分布式电源输出功率的实际潮流情况。图中白色区域表示分布式电源功率流经区域,红色箭头指出了潮流方向,并且都会随着实时情况动态变化。

主动配电网电能质量实时监测画面见附录A图A2。图中右上角的下拉框提供基本指标及电能质量指标类型选择,如电压、电流、谐波、闪变等。线路上的圆点代表监测点,说明该条线路处于实时监测状态。点击圆点,会弹出包含该监测点所选择指标类型当天零点零分到当前时刻所有数据的趋势图 ( 可以同时打开多个监测点趋势图) 。图中所示的趋势图为某条380 V母线电压总谐波畸变率的情况,浅色的锚点表示该监测点潮流方向为正时的电压总谐波畸变率值,深色的锚点表示潮流方向为负时的电压总谐波畸变率值,可以看出当潮流方向发生变化时 ( 分布式电源功率上送,处于线消纳模式) ,电压总谐波畸变率有明显升高,并且出现超标现象,在实施相应的控制措施后,数值有所下降。趋势图在打开状态下,监测数据会实时更新,可以同步观测实时消纳过程下的电能质量状况。

如附录A图A3所示,系统提供电能质量超标告警功能,图中展示了该监测点的电压总谐波畸变率超标时的告警信息( 380 V的电压总谐波畸变率国标限值为5% ) 。Silverlight程序通过WCF服务遍历实时数据库中所有监测点所有指标的实时数据, 当有监测点指标超标时,会在该监测点图元旁边弹出警示框,说明超标情况,以提醒观测者。

系统在实际使用中,未出现运行异常现象,为制定合理的控制策略以及分析治理电能质量问题提供了有效的数据支持,使主动配电网保持安全、经济、 高效的运行,证明了本系统的可靠性和实用性。

4结语

主动配电网能极大地提升电网对清洁能源的兼容性以及对现有设备利用的高效性,是未来智能配电网的发展趋势,但是由于大量分布式电源的接入, 使得配电网出现了新的电能质量问题。本文基于IEC 61850标准和Silverlight技术设计并实现了主动配电网电能质量实时监测系统,结合配电网主接线图实现分布式电源逐层消纳过程的电能质量实时监测功能,为主动配电网的规划、运行、电能质量管理控制及日后的研究工作等提供数据支持。

目前,针对主动配电网电能质量实时监测系统提供的数据,以下内容正在进一步研究中。

1) 寻找分布式电源的电能质量水平与分布式电源运行状况的关系,具体为分布式电源输出功率变化对电能质量水平的影响边界,如分布式电源直流电压波动、滤波器参数变动等对电压波动、谐波发射水平的影响边界。

2) 在一定的渗透率下,分布式电源按单点单机、单点多机和多点多机接入的电能质量叠加问题。

3) 在不同渗透率下,相应的电能质量综合治理及主动配电网协调控制方法。

附录见本 刊网络版 ( http: / /www. aeps-info. com / aeps / ch / index. aspx) 。

摘要：设计并实现了一套面向服务的浏览器/服务器(B/S)模式主动配电网电能质量实时监测系统,提供主动配电网逐层消纳分布式电源过程的电能质量实时监测功能,重点观测潮流方向变化对电能质量水平的影响。该系统基于IEC 61850标准建立电能质量信息模型,通过制造报文规范(MMS)将现场电能质量实时监测数据上传到主站解析并存入实时数据库;采用Silverlight技术对主动配电网主接线进行建模和绘制,客户端通过Windows通信基础(WCF)服务与服务器端通信,获取实时监测数据,并结合主接线图实现主动配电网电能质量全局实时监测功能,达到数据图形一体化展示效果。该系统在广东某地区主动配电网示范工程中正常运行使用,为主动配电网控制策略制定及电能质量问题分析治理提供了有效数据支持,证明了系统的可靠性和实用性。

配电网线路防雷系统的保护研究 篇5

【关键词】配电网 防雷

【中图分类号】TM863【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0287-01

1、发展线路防雷技术的重要性

雷电是一种自然现象，它是由云层中的电子聚合引起的。自从地球形成以来，雷电就产生了。在人类社会发展的初期，雷电被赋予了神的身份，中外很多文化都有雷神的影子，比如希腊神话中的主神宙斯就可以制造闪电，北欧神话中的雷神索尔以及中国文化中的雷公电母。随着人类知识的进步，渐渐认识到雷电的实质，剥去了雷电身上神秘的外衣。社会发展到今天，人类已经发现了可以保护自身的生命财产免受雷电侵害的方式。但是即使是这样，雷击仍然对人类生活生产影响巨大。比如雷击对供电网络的安全运作就有巨大的影响。诸多输电线路跳闸时间的发生就合雷电有莫大关系，可以不夸张的说，雷电是供电网络的安全稳定运行的极大的威胁。从电网故障分类统计数据来看，雷击引起的电网故障占有很大比重。数据说明，发生在我国跳闸率较高的地区的高压线路运行的总跳闸次数的统计当中，由雷击引起跳闸的次数就占到了40%～70%，雷击输电线路引起的事故率在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区则更加多；每一次雷击闪络都会对社会造成巨大经济损失，严重的可以造成电网大面积停电事故，更普遍的则是发生系统强扰动，另外还可能造成设备损坏、线路停运。就我国的情况来说，近年来由于自然和人为因素我国雷电活动加剧，由于快速的经济发展，城乡用电量剧增，电网新增速度不断加快，由于雷击造成的电网事故及损失逐年呈上升趋势。所以加强输电线路的雷电防护，对于维护电网的安全稳定运行有着十分重要的意义。

在通常的情况下，一年中几十次雷击会在长距离的架空输电线路上发生，因此在电力系统总的雷电事故中雷击事故占有特别大的比重。据数据统计，因为雷击线路造成的跳闸事故占电网总事故的60%以上。输电线路防雷保护的目的就是尽可能减少线路雷害事故的次数和损失。

2、线路防雷保护措施

对于电网的安全稳定运行是至关重要的是架空裸导线的防雷保护，因为架空裸导线在实际应用中有大量使用；在现场调查的研究说明，在电网中存在零值与劣值绝缘子，零值与劣值绝缘子的出现，极大的影响了配电网的耐雷可靠性和稳定性。针对上述原因，我们提出一些预防架空导线的防雷保护措施：

2.1 架设避雷线：作为高压输电线路的最基本防雷措施架设避雷线主要为了防止导线被雷直击导线。此外，避雷线对还可以分流雷电流，减小雷电流流入杆塔，从而使杆塔顶的电位下降。

另一个影响输电线路耐雷性能的重要因素是保护角，对避雷线的保护角减小，就会降低输电线路的绕击率，从而降低输电线路的绕击的跳闸率。从理论上讲，对避雷线保护角进行减小，有助于提高避雷线对导线的屏蔽性，在雷电流幅值相同的情况下，可以使导线的暴露距离减小，以及对可能发生的最大绕击电流起到减小作用，这两个因素使线路可以减小线路绕击的跳闸率。

有以下几种方法可以减小避雷线保护角：避雷线和导线高度不变，减小避雷线和导线之间的水平侧向距离，使保护角减小；保持避雷线高度不变，通过增加绝缘子片数，降低导线挂线点高度来减小保护角，同时也增加了绝缘子串长度，提高了绝缘子串的耐受电压；保持导线高度不变，通过增加避雷线的高度来减小保护角。

2.2 降低杆塔接地电阻降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平，减少线路雷击跳闸率的主要措施。降低杆塔接地电阻是通过降低杆塔的冲击接地电阻来提高输电线路反击耐雷水平的一种防雷技术。降低杆塔接地电阻来降低输电线路雷击跳闸率的原理是：当杆塔接地电阻降低时，雷击塔顶时，塔顶电位升高的程度降低，绝缘子所承受的过电压程度也降低，从而使线路的反击耐雷水平提高，从而有效的降低线路的雷击跳闸率。降低杆塔接地电阻的方法主要分物理降阻和化学降阻：物理降阻包括延长接地体、深埋接地体、使用符合接地体等；化学降阻主要是指在接地体周围敷设降阻剂，通过降低土壤电阻率来达到降低接地电阻的目的。

2.3 架设耦合地线架设耦合地线是指在雷害事故多发地区，在导线下方加设一条接地线，以提高线路的反击耐雷水平，降低反击跳闸率。架设耦合地线提高线路反击耐雷水平的原理是：耦合地线可以增加分流作用，可以使雷电流易于通过邻近杆塔的接地散流，从而降低塔顶电位。架设耦合地线根据架设的位置不同分两类：直挂耦合地线，直接增设在线路导线下方的耦合地线；侧面耦合地线，平行架设在线路两侧的耦合地线。

2.4 更换新型绝缘子以往工程中采用的绝缘子为瓷质绝缘子，当出现零值时无明显特征反映，不易发现，导致绝缘子串耐压水平降低，雷击时易发生闪络。把原来的瓷绝缘子换成玻璃绝缘子后，线路绝缘水平有所提高，闪络事故得到了改善，因为玻璃钢绝缘子失效表现为零值自破，玻璃钢绝缘子的失效检出率比瓷绝缘子的高很多，从而消除了零值绝缘子和劣质绝缘子，消除了线路的绝缘弱点，大大提高了线路绝缘水平，降低了绝缘子的雷击闪络概率。

2.5 安装线路避雷器线路避雷器是在线路杆塔上安装避雷器装置，将其与线路绝缘子串并联，提高安装处线路的绕击和反击耐雷水平，并有效保护绝缘子不闪络，降低雷击跳闸率。避雷器提高耐雷水平原理是：线路安装避雷器后，当雷电绕击线路，绝缘子串两端产生过电压超过避雷器动作电压时，避雷器动作，利用阀片的非线性伏安特性，限制避雷器残压低于线路绝缘子串的闪络电压。雷电流经过避雷器泄放后，通过避雷器的工频电流很低，工频电弧在第一次过零时熄灭，线路两端断路器不会跳闸，系统恢复正常状态。

3、总结

作为直接向广大用户供电的网络配电线路十分重要，它的安全情况直接对人民群众的神产生或产生巨大影响，对构建社会主义和谐社会有着巨大的危害，对建立资源节约型环境友好型的两型社会也有不利影响。解决配电网的雷害问题任重而道远，我们必须坚持从实际出发，因地制宜，具体情况具体分析，重点整治与综合整治相结合，多方面全角度的保护配电网防雷系统工程。必须使防雷措施的形成足够精确的防雷电、足够规模的覆盖面，多种措施并举并力配合，才能够使防雷措施真正见到成效。

参考文献

[1]李志娟，李景禄，宋珂，李鹏鸣.关于农网35kV线路防雷措施探讨[J].电瓷避雷器，2007，（05）

[2]崔林.云朝山雷达站防雷措施研究[D].长沙理工大学，2009

主动配电网系统 篇6

主动配电网通过分布式智能设备、通信系统和自动控制系统,对配电网设备的运行状况进行实时监控,通过数据收集、整合和分析挖掘,实现电网各成员之间的无缝连接及实时互动,达到对整个电网运行的优化管理[1,2]。配电自动化系统涉及专业多、覆盖面大、系统接入设备型号繁多、通道形式多样、相关技术标准尚未统一。配电网结构调整和设备改造频繁、图形参数维护工作量巨大[3,4]。

配电网设备用户种类繁多、特性存在差异大、运行数据繁多,需要有效整合。在电网统一模型的基础上,需要对不同系统的模型、图形以及实时和非实时数据进行整合处理,提供各应用系统数据交换和共享的平台,实现数据、模型、图形管理,提供统一的信息服务和开放的集成开发环境,实现综合分析和数据挖掘功能。文献[5-7]介绍了配电网信息平台的关键技术,文献[8]研究了数据挖掘技术在电网调度事故决策中的应用。

本文介绍主动配电网全景信息展示系统的数据来源,对包括基于地理信息系统的配电自动化系统的实时与历史数据进行分析,研究数据挖掘的关键技术,解决配电网调度管理粗放、故障快速处理能力不足。通过某实际工程系统中的实施,对主动配电网的建设具有借鉴意义。

1数据挖掘的体系结构

数据挖掘就是从大量的、不完全的、有噪声的、 模糊的、随机的实际应用数据中,提取隐含在其中的、事先不知道的,但又是潜在有用的信息和知识的过程[9]。数据挖掘的体系结构见图1。

第1层是数据源,包括数据库和数据仓库。数据挖掘不一定要建立在数据仓库的基础上,但如果数据挖掘与数据仓库协同工作,将大大提高数据挖掘的效率; 第2层是数据挖掘工具,利用数据挖掘方法分析数据库中的数据,包括关联分析、序列模式分析、分类分析、 聚类分析等;第3层是用户界面,将获取的信息以便于用户理解和观察的方式反映给用户,可以使用可视化工具。知识库存放专业领域知识,用于指导数据准备或数据挖掘结果的评估。

2功能设计

2.1数据挖掘的流程

数据挖掘的过程就像从矿山中采矿一样,采矿必须首先确定金矿所在。同样地,从实际应用的角度出发, 整个数据挖掘的过程都是必须建立在对挖掘对象(即所研究领域的大量数据)的深刻理解上。对象不同所采用的挖掘技术也不同。因此,在数据挖掘之前就应该熟悉相关对象的背景知识,明确数据挖掘的目的,同时了解数据挖掘相关领域的情况,从而将挖掘技术和专业知识有机地结合在一起,对挖掘对象的了解贯穿整个数据挖掘过程。

数据挖掘过程一般由3个阶段组成:数据准备、数据挖掘及解释评估。数据挖掘可以描述为这3个阶段的反复,见图2。

数据准备是数据挖掘的第一个阶段,也是非常重要的一个阶段。数据准备的好坏将影响到数据挖掘的效率和准确度,以及挖掘模式的有效性。这个阶段又可细分为数据集成、数据选择、数据预处理和数据转换4个步骤。

1)数据集成是将多文件或多数据库运行环境中的数据进行合并处理,解决语意模糊性,处理数据中的遗漏和清洗脏数据等。

2)数据选择就是根据用户要求,利用一些数据库操作对数据进行处理,从数据中提取出需要挖掘的数据集合。

3)数据预处理就是对上述数据进行再加工,检查数据的完整性和一致性,对其中的噪声数据进行处理, 对丢失的数据利用统计方法进行填补,为进一步的分析做准备,并确定将要进行的挖掘操作的类型。之后,根据数据挖掘的目标,通过投影等降维处理技术减少待处理的数据量。

4)数据转换就是根据数据挖掘的需要,进行离散值数据与连续值数据之间的相互转换、数据值的分组分类、数据项之间的计算组合等操作。

数据挖掘是运用选定的数据挖掘方法,从数据中提取用户需要的知识。数据挖掘常用的分析方法有:关联分析、序列模式分析、分类分析和聚类分析。在本项目的实施中主要采用了统计分析方法、决策树方法、神经网络方法、遗传算法和可视化技术等。

解释评估是根据最终用户的决策目的对提取的知识进行分析,把最有价值的信息区分出来,提交给用户。 在这个过程中,不仅要把知识以能被人理解的方式表达出来,还要对其进行有效性评价,如果不能满足用户要求,则应重复上述数据挖掘过程。

2.2模式识别模型[10]

在数据挖掘中有大量的模式识别模型处理。模式识别模型由预处理、指标计算、参数选择、类型识别与解释、规则挖掘等子模块组成,模块组合见图3。图中箭头表示模型计算数据流。初始数据集为原始负荷采集数据,参数选择模块包含算法及其参数的人工选择,在模型各子模块中采用了失真数据识别与修正、 数据归一化处理、数据降维与可视化聚类、聚类评判指标等算法。

2.3交叠空间的数据提取

主动配电网中对象属性规模庞大,有宏观的全网负载水平,也有微观的设备控制参数增益。因此在主动配电网的全景信息展示系统中不仅需要考虑与现象相关的所有影响因素(描述属性),同时也需要构建全属性维度的描述空间,掌握其属性的空间分布特性。采用m维属性空间描述n维系统,其中m<n。交叠空间[11]的数据提取思路主要包括:

1)辅助调度员或监控系统对电网运行状态进行多指标联合观测,如果系统运行在交叠空间中,即发出预警信号,并提供危险程度信息和离开交叠空间的安全引导策略,在紧急情况下快速调整系统状态点到安全空间区域。

2)发现新的有效的安全控制手段,以有效降低交叠空间在描述空间中所占比例为目标,扩展或改进描述空间的属性集,将新的属性集作为控制对象植入自动控制装置,减小系统状态点落入交叠空间进而使事件不可判定的概率。

3)结合其他数学工具提出新的分析方法和控制技术。交叠空间的应用思路流程图见图4,展示了电力系统交叠空间的应用思路。

2.4模式识别模型接口

数据挖掘是一个利用各种分析方法和分析工具在大规模海量数据中建立模型和发现数据间关系的过程,这些模型和关系可以用来做出决策和预测。支持大规模数据分析的方法和过程,选择或者建立一种适合数据挖掘应用的数据环境是数据挖掘的重要前提。各类模型的数据接口是一项重要的工作。基于模式识别组合模型算法流程与接口的流程见图5。

3工程实例

在主动配电网全景信息展示系统中接入配电管理信息系统,包括配电自动化系统、调度自动化系统、电网气象信息系统、电能质量监测管理系统、 生产管理系统、地理信息系统、用电信息采集系统、配电变压器负荷监测系统、负荷控制系统、营销业务管理系统、ERP系统、95598客服系统、经济社会类数据等数据源。它包含了大量的半结构化 /非结构化数据,其信息服务支撑体系见图6。

根据实际需求形成的主动配电网全景信息展示系统的指标体系见图7,其中的电量分解指标效果见图8。

4结语

随着主动配电网的发展,需要集成各分散系统的信息,规范数据类型,有效的数据挖掘能对不同类型、不同型号、不同状态的设备进行故障发生的预测分析,能对电网的运行数据指标体系进行分析,从而为电网运检的预防性防护措施提供支撑, 为电网安全运行、智能电网自愈提供保障。

主动配电网系统 篇7

近年来随着智能电网建设的全面发展,分布式电源(distributed generation,DG)接入量不断增加、电动汽车不断增大的普及率以及可控负荷的增多,对传统的配电网带来了深刻的变化[1,2]。国际大电网会议(CIGRE)C6.11项目组于2008年提出了主动配电网(active distribution network,ADN)的概念,清晰地表明ADN可以通过使用灵活的网络拓扑结构来管理潮流,以便对局部的DG进行主动控制和主动管理,得到了广泛的认可[3,4]。主动配电网具有电气元件繁杂,信息量大;在线分析和离线管理紧密结合;应用分析和终端设备紧密结合;一次设备和二次设备紧密结合的特点。

配电网中DG、保护装置、负荷等之间的数据和信息交换是实现ADN管理的基础,通信和信息技术(communication and information technology,CIT)往往被视为ADN管理能否成功实施的决定因素之一[5]。信息的采集、传输、储存、分析、展示是主动配电网的基础,它将提供电力流、信息流、资金流的历史和实时信息,为用户和电网的双向全面互动提供平台和技术支持[6]。文献[7]介绍了上海电能质量数据展示系统的总体功能与构架,以及软件体系构架与功能模块。

面对主动配电网在空间、时间和控制目标等多个维度中表现出的复杂性,实时与非实时同存,信息异构等特点,需建设主动配电网全景信息展示系统(active distribution network panoramic information display system,ADNPIDS)。该系统采用基于面向服务体系结构(service-oriented architecture,SOA)[8]的商业智能平台[9,10],通过数据的融合、抽取、展示,促进了主动配电网中各业务系统之间的信息集成与共享,提高调度资源的优化配置能力,改善现有的配网调度自动化水平。

1 系统构架

主动配电网采用主动管理分布式电源、储能设备和客户双向负荷的模式,具有灵活拓扑结构的公用配电网,其基本构成模式见图1。图中,各类DG(如风电、光伏等)和储能单元通过电力电子元件转换成相应的交流或直流模式,再经过升压变压器并入系统;通信、自动化及其他相关电气设备以适当的连接方式实现与电力网的紧密集成;此外,用户侧配以智能电表为代表的先进计量装置(advanced metering infrastructure,AMI),用于实现对用电信息的实时采集及电网—用户之间的双向互操作[6]。主动配电网较传统的配电网在设备的多样性、信息采集、传输方式上已有较大的不同。

配电网设备台数和分支线路多,还有分布式电源和储能系统接入,需要传输的数据量大,对通信系统的带宽要求高,同时,为了保证数据传输通道的畅通,对通信系统的可靠性要求也高。优化运行调度是主动配电网的核心业务,但必须考虑到实现主动配电网优化运行控制的需要,对硬件系统和通信接口要留有足够的升级空间。面对主动配电网当前及以后较长一段时间的应用需求,主动配电网全景信息展示系统采用基于SOA的商业智能平台,通过基于SOA架构的集成机制有效集成现有系统,并为发展预留接口。

电网全景信息展示系统采用基于SOA架构的集成机制,通过定义的开放标准接口,将平台外的商业智能组件进行集成,并提供Web Services的访问接口[11,12]。集成机制为组件、外部系统和引擎之间提供了统一的数据传输管道,在数据交换层面进一步减低了平台架构中各部件的耦合性。其平台构架见图2。

主动配电网全景信息展示系统平台以工作流引擎为中心,首先以Web Service形式定义工作流引擎与各组件的接口之间的关系,其次采用SBBIP自带的商业智能工具将其预先集成到核心层中,并与外部系统一起由核心层的工作流引擎统一调度运行,其集成过程采用组件的松耦合形式。该平台可实现电网数据、模型、算法、展示无缝集成的统一,符合基于“源端接入,全局共享”的理念,实现信息的灵活定制与按需共享方法,采用基于时空多维版本标识,支持多态多应用多场景多版本的存储与共享管理技术,实现配电网多源异构信息的融合共享。

2 关键技术

2.1 基于元模型的体系结构建模

元模型的体系结构建模是体系结构开发设计的核心过程,基于元模型体系结构建模方法的定义如下:在基于以数据为中心的体系结构开发设计思想的指导下,严格采用元模型支持下的标准建模方法来收集、组织、存储体系结构数据,并能在元模型数据规范下灵活定制体系结构描述所需的视图模型来展现体系结构建模所收集的数据,提供对分析决策的支持,从而能实现严格的数据一致性基础,形成灵活、精确的体系结构描述[13]。

元模型的体系结构建模方法的概念框架见图3。该方法运用多种建模手段收集体系结构数据,将体系结构描述为概念元模型、逻辑元模型、物理元模型。通过各种元模型的转换规则将数据按决策组喜好的形式有效展现出来,并将数据和视图形成有机的联系。

2.2 决策支持工具

提供从数据查询到信息挖掘的各类工具,满足决策支持或多维环境下特定的查询和报表需求,使分析人员、管理人员或执行人员能够从多个角度对从原始数据中转化出来的、能够真正为用户所理解的并真实反应企业维特性的信息进行快速、一致、交互地存取,从而获得对数据的更深入了解。它的技术核心是“维”这个概念,因此它是数据仓库中大容量数据得以有效利用的重要工具。

2.3 访问工具

接口和中间件,使维护人员能够访问和处理数据库和文件系统中的数据信息。数据库中间件允许维护人员透明地访问后台各种异构的数据库服务器。数据管理部分一般采用3层信息存储,最高层次是数据仓库,数据仓库中集成了主动配电网的主要展示指标信息;中间级是各子系统的数据仓库,它为各个业务系统服务;结构的最低层次存储了根据用户和应用需求经过裁剪后的信息。

2.4 数据清洗的方法

数据经过数据的清洗转换处理后,或装载到数据仓库,通过联机分析处理为生产调度决策、全景展示提供数据支撑。

2.4.1 数据抽取

根据全景信息展示系统的需求,从相应的调度业务系统、外部数据源中抽取需要的数据。此企业数据仓库本身是基于Oracle 9i开发的,配网的实时数据库通过开放数据库连接(open database connectivity,ODBC)接口导入到Oracle关系数据库。由配电自动化以及其他生产管理系统运行时产生的业务数据和其他数据本身是基于Oracle 9i关系数据库定义的,这些数据通过Java数据库连接(java database connectivity,JDBC)接口就可导入到数据仓库,然后在数据仓库的基础上进行决策支持。

2.4.2 数据转换

数据转换是指根据全景信息展示系统平台的要求从各业务系统中抽取数据,进行数据的转换、清洗等处理,保证数据按要求装入数据仓库。根据实时数据库和历史数据库的具体特点,做了不同的转换操作。

2.4.3 数据加载和更新

数据的加载周期应和数据仓库中时间维度的粒度匹配,可以按分、时、日等颗粒度进行加载。此外数据增量的更新需在数据源系统中进行定位,确定数据删除和更改的内容。如果是数据仓库的全面更新则一般在初始化的时候执行,按照数据源到目标系统的映射关系,将数据加载到数据仓库的物理存储区域上。

3 系统实现

3.1 综合信息展示

在某地区的配电自动化系统中实施中,构建面向预评估、实时监视与后评估等不同时间维度的主动配电网调度运行指标体系,覆盖配网调度业务的全过程,从安全、经济、质量、节能、效率、供需、公平7个维度分别形成完整的子指标集。在此基础上,通过对指标多维属性的梳理、拓展与应用,分别从时间、对象、业务、主题、管理5个维度对每一个电网调度运行指标进行分类与整合,使庞杂、无序的运行信息系统化、有序化。

面对配网的海量数据,将其分为调度对象与设备元件,调度对象包括发电机组、变电站、输配电线路等,设备元件和现有配网一次设备的定义相同。在主动配电网的全景信息展示系统中以调度对象为切入点,将电网运行中海量的数据与指标通过分解、筛选、归类集中到不同的调度对象上,从多个方面综合地分析调度对象与设备元件的运行情况。可以专注地分析特定对象的历史运行状态变化;可以横向地比较不同对象的运行状态;提高信息的集成度与获取效率,提高调度管理、考核工作的精益化水平。对设备元件按其物理特性建立相应的多维分析指标体系,如变电站的属性信息包括,变电站的基本属性、下送曲线、检修情况,变电站内其他二次设备的运行情况等,同时提供横向比较、纵向查询、离群状态提示、历史状态比较、排名计算等高级分析功能。系统主页效果见图4,大客户的具体展示信息见图图5。

3.2 数据维护

配网数据庞大,专门设置了相应的数据维护系统(见图6),分为12个功能模块,分别为:(1)文档管理,它负责文档连接和预警信息的管理;(2)检修记录管理,负责检修记录的管理;(3)事件记录管理,负责对配电网的故障、新投、停运、低调、停运等数据进行管理; (4) 自定义数据录入, 可对新功能模块提供自定义数据支持; (5) 数据源管理, 负责对新添加的功能模块提供数据源支持; (6) 视图配置, 对现有视图管理提供自定义显示功能模块支持; (7) 地区地图映射, 对配电网的地区地图和数据的关联管理; (8) 地图编辑工具, 对系统中所使用地图进行编辑管理; (9)数据采集工具, 手动采集调度综合数据和采集日志; (10) 数据校验工具, 提供系统中所出现过的数据的管理工具;11设备展示编辑,可以设置设备在系统中是否显示;12用户管理,管理系统用户。

4 结语

本文采用基于SOA的商业智能平台构建主动配电网全景信息展示系统,该平台能实现各应用服务之间数据、模型、画面信息的无缝共享,解决了主动配电网所面临的服务粒度与服务实体实现的问题。采用面向服务的平台设计方法,可以为全景信息的展示提供灵活、自治的模型,将不同粗细粒度的业务和流程整合为不同的指标展示服务。

通过平台的开发仿真与实践,证明其技术上可行且系统灵活,尤其能有效应对各类分布式能源在地理位置上的展示以及各类运行数据的深度挖掘的指标展示等问题。下一步工作将致力于对原型系统的完善。

摘要：主动配电网将接入更多的分布式电源进行主动控制和管理,全景信息展示系统平台将为设备参数、模型、信息融合、实时交互提供技术支撑。基于SOA的商业智能平台,将不同粗细粒度的业务和流程整合,将各个业务系统中分散、孤立的数据通过数据融合的方式展示,用于决策分析。系统的建设与实践证明了该方案的可行性,为进一步探索主动配电网的信息融合与挖掘具有重大意义。

主动配电网系统 篇8

随着电网运营模式进一步开放，电力系统规模不断增大，传统集中式大电网的可靠性、安全性和环保性等方面遇到了新的挑战[1,2]。尤其是在配电网处，分布式电源（DG）大规模简单并网会给系统的稳定运行、电能质量和保护等带来不利影响。当外部严重干扰（如自然灾害、设备故障和需求/供应波动）发生故障时，迫切需要通过用户附近的电源来保障重要负荷的供电。

主动配电网（ADN)[3]是将分布式能源（DER）与大型配电网通过自动化设备、通信设备以及其他相关电气设备紧密联系在一起，实现电网故障自恢复的有效解决方案[4]。与传统配电网相比，ADN最显著的特征是能够对接入的DER进行主动调节与控制。ADN发生故障时，既可以通过合理的协调机制实现DER与馈线共同为故障区供电[5,6]，也可以由未发生故障的DG孤岛运行恢复供电[7]。近年来，计算机处理技术和通信基础设施在智能电网保护方案以及新型继电保护装置中得到快速推广[8]。同时，多代理系统（MAS）技术因其自主性和智能性，符合配电网分布式特点，可在电网协调层实现控制元件间复杂的协商机制，在电网故障检测和故障恢复方面得到广泛应用[9,10,11]。但现有研究较少涉及基于MAS的ADN故障自恢复，与此同时，在实际工程应用中控制元件往往来自不同厂商，将其融入同一个控制系统仍需要进一步研究。

针对ADN故障自恢复中复杂的控制问题，本文提出一种基于IEC 61850的ADN故障自恢复MAS。研究ADN架构以及各区域负荷的供电特性，建立了基于IEC 61850信息模型的MAS；研究ADN恢复供电优化模型，最大限度使负荷恢复供电；研究MAS与IEC 61850在ADN中的兼容，实现元件代理之间信息的互操作性和统一性。所提MAS实现了不同厂家设备间的集成，能快速有效地实现故障定位、隔离与供电恢复，从而提高ADN供电可靠性和安全性。

1 基于MAS技术的ADN架构

根据CIGRE 6.11工作组的工作报告[12],ADN定义为采用灵活的网络拓扑结构对潮流进行有效管理，方便对局部DER进行主动控制和主动管理的公共配电网，DER在其合理监管环境和接入准则基础上承担对系统一定的支撑作用，其基本架构如图1所示。图1中，每一条馈线供电区域可看成一个自治区域[2]，若干个自治区域构成整个ADN。自治区域由DER、区域配电管理系统、电力电子、通信设备和用户等部分构成。其中，DER指包含分布式储能（DES）、电动汽车（EV）充电站、响应负荷（RL）和DG的各类分布式资源的总称[3]。在ADN中，DER通过电力电子设备与区域配电网络相连，实现能源双向流动，同时在需求侧可集成先进的计量设备，以便对用电信息和供电状态进行实时监控，实现用户与电网之间的双向操作[6]。

在传统配电网中，负载的用电行为是“被动的”，即便存在DG，仅仅是电能就地消纳，无法实现DG与主网之间的协调控制；而在ADN中自治区域内部的每个DG可设置代理，正常供电时既可以通过自主控制独自完成各自的供电任务，也可以运用代理之间的协商共同完成自治区域内的整个供电任务。发生故障时，不仅可以通过DG的孤岛运行给故障区供电，还可以通过自治区域之间的协作，实现故障自愈[13]。

2 ADN故障恢复优化模型

ADN发生故障时，运行人员首要关心的是保证重要负荷优先供电前提下，如何快速及最大限度恢复负荷供电。

以ADN馈线故障恢复问题为例，供电恢复优化模型可描述为：

式中：Li为自治区域馈线上节点的负荷；‖xi‖为负荷供电状态向量幅值，‖xi‖=0时，节点i与配电线路无电气连接，即负荷处于孤岛或停电状态，‖xi‖=1时，负荷与馈线存在电气连接，即单配电线路供电或配电线路与DG共同供电；Lj为孤岛运行时孤岛j的负荷；n为供电恢复后自治区域中馈线上供电节点总数；m为供电恢复后孤岛总数；αi和βj为不同负荷权重系数，代表负荷重要级别[9]。

ADN供电恢复优化模型的约束条件如下。

1）线路容量约束

式中：Ck,max为ADN中线路k最大传输容量；Ak为从线路k获得电能的节点集合；Pi为从配电线路k流入节点i的功率。

2）孤岛区供电约束

式中：L为孤岛中总负荷容量；CL,max为孤岛中DG和DES可提供的最大容量。

需求侧负荷以及供应侧的DER皆具有波动性，在孤岛运行时，可控DG和DES需配置足够的备用容量以维持孤岛的频率稳定。ADN中的DG和DES具备下垂控制及PQ控制等控制策略，可为孤岛运行提供备用容量，平衡需求侧负荷和供应侧DER的波动[14]，但应满足如下约束。

式中：Cidle为孤岛总备用容量；r为孤岛备用容量占孤岛总负荷容量的比例，在ADN中可以通过DES的充放电，即备用容量取正负来平衡需求侧负荷的波动。

3）配电有功平衡约束

式中：Ba为向发生故障的自治区域a供电的备用供电线路集合；Py为备用供电线路y向自治区域a可提供的功率；Di为DG和DES给馈线上第i个节点提供的容量。

4）无电磁环网约束

自治区域DG和DES给负荷供电不会形成电能损耗的电磁环流，因此为了避免产生电磁环流造成电能损失，只需考虑单配电馈线供电不产生电磁环流。即

式中：Ri为向节点i供电的备用供电线集合；‖yk‖为备用供电线路k的状态变量，‖yk‖取0或1。

3 ADN供电自恢复MAS

3.1 自治区域互联结构

图2为图1中任意3个母线电压相同的自治区域互联示意图。图2中，配电系统由3个变电站、3条馈线、3条母线、4条联络线、9个断路器、9个分段开关（S1至S9）、4个联络开关、2个DER和3个负荷组成。BA为母线代理；MTSA为联络开关成员代理；MLA为负荷成员代理；LSA为分段开关领导代理；MDGA为分布式电源成员代理；自治区域与自治区域之间的线路为备用供电线路，备用线路上的TS1至TS4为联络开关，在系统正常运行时，联络开关断开以便于系统开环运行。当自治区域馈线上发生永久性故障时，负荷与负荷之间的地理位置相距较远。

为使故障区负荷快速恢复供电，可将故障区馈线上相邻的电气设备、负荷和DER等看作一个控制单元（CU）。考虑最小失电负荷、开关操作次数和负荷容量裕度等约束，CU内负荷有3种供电恢复方案。

1）方案1：对于无备用供电线的CU，若CU内负荷容量小于或等于DG容量，DG独自向本地负荷供电，形成孤岛系统；若负荷容量大于DG容量，则考虑卸载部分负荷。DG容量一般较小且具有波动性，孤岛运行时只对岛内的负荷供电，不考虑向岛外供电的情况。

2）方案2：对于有备用线路和DG的CU,CU内负荷大于DG容量，则采用DG和备用供电线路共同给CU负荷供电，实现故障恢复。

3）方案3：对于无DG的CU，若有备用供电线，由备用供电线单独向负荷供电；若没有备用供电线，则将此CU与临近CU合并，其重新组成的CU内负荷恢复供电方式可参照上述方案1和2。

3.2 基于IEC 61850的ADN信息模型

IEC 61850实现了不同厂家设备的智能化、互操作和可配置，将MAS的分布式控制特点与IEC61850信息模型相融合，可为ADN自恢复供电系统中MAS平台的构建提供强有力的理论保障和技术支持。

IEC 61850-7-420[15]与IEC61400-25[16]定义了DER专用的逻辑节点和逻辑设备。IEC 61850-90-7[17]具体定义了DER与电力系统连接点（ECP），如逆变器、整流器等相关电力电子器件的逻辑节点。

根据图2中ADN自治区域互联模型结构，基于IEC 61850统一信息模型和建模规则，建立自治区域IEC 61850信息模型，如图3所示。图中逻辑节点的功能描述见附录A表A1。

3.3 供电自恢复MAS

图2中，BA2管辖的自治区域内负荷类型、开关和DG等种类繁多，且每个元件都有不同功能，代理采集的信息量大，信息传递过程中容易造成通信拥挤和堵塞。逐级纵向的传递和接收信息不利于ADN稳定运行，尤其是在配电端大面积发生故障时迅速恢复供电的难度很大。针对这一问题，同时基于IEC 61850自治区域的信息模型，本文在自治区域内的每个元件部署一个代理，构成完全分布式MAS，实现ADN故障自恢复。

为提高供电恢复的可靠性，本文又将每个CU内元件的代理分为2种，代理结构具体如图4所示。图中，ACL为代理通信语言。领导代理（leader＿agent,L＿A）部署在各个CU内分段开关上，如LSA4,LSA5和LSA6等。在故障发生时，距离故障点最近的L＿A担任主导代理，独立对整条馈线的供电恢复方案进行决策。成员代理（member＿agent,M＿A）部署在CU的负荷和DG等元件上，能够向LSA提供负荷、备用电源、临近自治区域输电状态等必要的信息，且只能与所处的CU中LSA进行通信。

此外，信息传输的实时性和可靠性是故障自恢复的核心问题，要求电力通信网络具有容错能力。正常情况下，通信网络中的任意2个网络节点须保持至少2条独立物理路由的连通，必须满足N-1原则，尽量满足N-2原则。信息传输路径失效后的快速重构是必不可少的手段[18]。

3.4 ADN中MAS与IEC 61850的兼容

3.2节和3.3节分别从IEC 61850和MAS的角度对ADN进行功能抽象和结构描述。在ADN馈线故障自恢复过程中，MAS与IEC 61850的兼容实际上是在MAS对ADN的功能分解的基础上，实现IEC 61850描述的ADN信息模型重构与分解，使代理间能够互操作和可配置[19]。

本文基于智能代理基金会（FIPA)[20]规范框架设计了故障自恢复MAS结构，各代理之间通过符合FIPA标准的ACL实现无缝通信。ACL定义了20种解释语用词来解释消息内容，其中本体（ontology）元素可用于信息段解释，同时也是IEC61850信息模型重构和解析的载体。

FIPA规范的ACL ontology包括断言、概念和代理动作3种元素，其中概念元素与IEC 61850逻辑节点中的状态信息和定值信息相映射，结构一致，可实现信息描述的互相融合；代理动作元素与IEC61850逻辑节点的控制命令信息相映射；断言元素描述概念元素之间的相互关系[20,21]。

JAVA代理开发框架（JADE）平台提供了自定义代理行为（behaviors）和本体的接口将IEC 61850相关逻辑节点的状态信息和定值信息映射到ACL的ontology中，生成自定义的MAS-ontology。将自定义的MAS-ontology实现对IEC 61850 ADN信息模型的封装和代理交互信息的解析，从而实现了MAS与IEC 61850的兼容。

4 故障自恢复过程

本文将ADN馈线上的故障自恢复过程分为故障定位与隔离、确定供电恢复方案、执行恢复操作3个步骤。

4.1 故障定位与隔离

电力系统正常运行时，自治区域中的代理LSA对馈线上电流信息进行实时监测、更新。为方便描述，依据ADN线路中潮流流向，将自治区域中各个代理的相邻代理分为上游代理和下游代理。如图2所示。ADN正常输电情况下，电能由变电站2经过分段开关S4和S5传输到S6，所以LSA4为LSA5的上游代理，LSA6为LSA5的下游代理。

当故障发生时，电流互感器（TA）逻辑节点监测到过流信息，并将信息报告给LSA。LSA中过电流保护（PIOC）逻辑节点响应过流信息，并将信息逐级向下游LSA发送，通知下游各代理等待锁定，馈线上所有LSA进入故障准备状态并开始运行故障定位算法。

上游LSA在向下游传播过流信息的同时向下游LSA请求各自继电器状态。如果下游继电器处于故障状态，LSA的TA逻辑节点能够监测到过电流信息，则表示此段线路没有发生故障，故障发生在此段的下游区域；如果下游继电器为正常状态，则意味着本段电流互感器是检测到过电流信息的最后一段，故障发生在此段线路上。主导LSA根据继电器工作状态对故障发生的位置做出判断，并向其他LSA发送表示“故障锁定”或“重合闸”的信号。“故障锁定”信号表明此故障为永久性故障，沿馈线切断电能传送；“重合闸”信号代表故障为暂时性故障，自动将断路器重合，恢复供电。若故障确定为永久故障时，则主导LSA将代表“故障锁定”的执行信号逐级向下游LSA发送，最后分段开关断开，实现故障隔离。

4.2 确定供电恢复方案

进行故障定位后，原来与母线相连没有发生故障的区域继续正常供电，故障区则确定供电恢复方案。确定供电恢复方案主要包括寻找可供电源和负荷需求容量分析，主要包括以下步骤。

步骤1：主导LSA向下游CU中的LSA发出“请求”信息，经过各CU内的LSA相互传递直至故障馈线末端。请求各个CU内负荷容量大小、电源可供容量、临近自治区域输电状态等信息。

步骤2：故障区所有LSA向所在CU内M＿A，如MLA,MTSA和MDGA等代理发送“查询”信息，查询CU内负荷需求容量和电源可供容量，M＿A将自身相关逻辑节点参数回复给LSA。例如：MLA1回复的信息内容包含负荷逻辑节点（ZLAD）关于负荷容量需求的参数；MDGA1回复的信息包含光伏组件参数逻辑节点（DPVM）关于光伏电池可供容量参数。

步骤3：各LSA将收集到的信息，遵循容量约束和功率平衡条件，利用掌握的局部信息对信息内容进行优化，然后逐级向上游LSA“回复”，直到所有信息汇总在主导LSA处。

步骤4：主导LSA收齐所有信息后，对故障区各个CU负荷供电恢复情况进行分析，基于各个CU内负荷容量大小、电源可供容量、临近自治区域输电状态等信息，对照3.1节提供的供电恢复方案，对CU进行归类，并将供电恢复方案“通知”所有CU，准备执行供电恢复操作。

4.3 供电恢复执行

根据不同的供电恢复方案，制定相应的“供电恢复执行操作”。主导LSA逐级将“供电恢复执行操作”信息发送给各个CU中的LSA,LSA再将操作指令下发给相应的M＿A，然后所有M＿A执行恢复操作。例如，MDGA1收到LSA4发送的执行信息后，MDGA1首先调节光伏矩阵控制器逻辑节点（DPVC）的控制数据：即设定光伏电池工作在最大功率跟踪（MPPT）模式下，然后MDGA1根据负荷恢复供电需求容量将功率设置值写入光伏并网逆变器逻辑节点（ZINV）的输出功率定值数据中，最终调节线路断路器控制逻辑节点（CSWI）启用ECP进行光伏并网连接。

同类型的CU打包发送相同的“供电恢复执行操作”信息，可优化信息流，降低误动作。若CU负荷不能完全恢复，需要卸载负荷来满足容量约束，则按照文献[22]提供的卸载负荷方法制定“供电恢复执行操作”，并通知相应的代理执行卸载指令；若CU中没有DG、备用供电线提供可用电源，则将此CU与临近的CU合并，之后参照方案1和2执行恢复操作。

图5展示了图2中分段开关S4与S5之间发生永久性故障。LSA4,MLA1和MDGA1在确定供电恢复方案和供电执行恢复过程中的具体通信流程以及MAS与IEC 61850之间的映射。

一个或多个逻辑设备模型构成了IEC 61850模型，例如LD ECP（逻辑设备及电气连接点），LD DERUC（逻辑设备及DER单元控制器）等逻辑设备构成了DER的IEC 61850模型。IEC 61850模型映射到ACL的ontology中，生成自定义的MAS-ontology。JADE平台通过查询Agent之间的通信信息，利用MAS-ontology实现MAS与IEC 61850模型的兼容。

为保证系统的可靠性，避免误操作，用心跳包等方法检测通信网络故障[23]。通信网络出现故障时，系统自动停止供电自恢复功能。另外，系统试运行阶段可以设定为辅助工作模式，为电力维护工程师决策提供参考。

5 仿真结果分析

为验证故障恢复方案的可行性，根据图2所示的ADN自治区域互联结构，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型。并以JADE平台为基础，运用JAVA语言设计了基于IEC 61850模型的ADN的MAS，通过设置不同的负荷值、不同的负荷类型以及不同的开关动作时间对测试系统进行了仿真实验，由于篇幅限制，本文在此仅在0.5s时，对在分段开关S4和S5之间发生的永久性三相接地故障，故障区负荷供电恢复情况进行详细说明。

图6为三相接地故障A相电流仿真波形。

由图6(a）可见：在0.52s时，电流互感器检测到超过4 000A的电流值，LSA4监测到过电流信息时，依次向下游LSA5和LSA6发送过电流信息，并通知各CU进入故障准备状态，同时查询CU中继电器工作状态。

由图6(b）至图6(d）可看出，CU中负荷1,2和3在0.5～0.55s之间A相电流急剧下降，除开关S4处其他连接点都没有过电流信息，所以LSA5和LSA6回复LSA4：所在的CU内继电器均处于正常工作状态，LSA4所在的CU监测到继电器处于故障工作状态，因此LSA4根据交互的信息对照4.1节故障定位原理可判断出分段开关S4,S5之间发生永久性三相接地故障；LSA4将故障位置信息依次传播给下游LSA5,LSA6，并通知执行“故障锁定”操作，在0.55s时LSA4切断开关S4,S4处故障电流变为0。从而实现了故障定位以及馈线2整个故障区的故障隔离。

本案例确定供电恢复方案、故障恢复执行过程中各代理在JADE软件中的通信仿真如图7所示。图中，REQUEST,INFORM,QUERY-REF和PROPOSE分别为请求、通知、查询—回复和执行信息。根据测试系统中各控制元件参数，以及查询的故障区各个CU内负荷大小、可供电源、临近自治区域输电状态等信息，主导LSA4可对各个CU制定相应的供电恢复方案。由上而下：第1个CU得到恢复方案1，孤岛运行，由DER1（光伏发电）单独给负荷1供电，通过下垂控制和PQ控制实现故障前后频率和幅值同步；第2个CU得到恢复方案2，在0.5s发生故障时负荷2处A相电流急剧下降接近零，0.55 s时LSA5将故障恢复方案发送给MDGA2和MTSA3,DER2（风力发电）和馈线3所在自治区域共同给负荷2供电，图6中可看出负荷2处A相电流在0.55s时重新达到81.6A，实现供电恢复。

6 结语

针对DER大量接入电网后，配电网故障恢复时复杂的控制问题，本文提出一种基于IEC 61850的ADN故障自恢复MAS。在MATLAB平台上仿真了故障发生时的电路参数，通过JADE平台仿真了故障自恢复的信息交互过程，验证了本文故障自恢复方案的可行性。该MAS系统基于IEC 61850标准设计，具有完全分布式特性，受ADN设备地理位置布局影响小，可扩展性强，赋予分散的自治区更多自主性和自控性；同时在供电恢复决策过程中考虑了配电网的整体情况，作为传统主站掌握全局信息集中控制方案的有效补充，可缩减故障停电时间，提高维修技术人员工作效率。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx）。

摘要：鉴于分布式能源(DER)在电力系统中的渗透率不断上升,可孤岛运行的DER对配电网馈线故障及恢复供电有新的影响,为此提出一种基于IEC 61850的主动配电网(ADN)故障自恢复多代理系统(MAS)。该MAS由部署在馈线分段开关上的领导代理和馈线其他元件上的成员代理组成。重点基于IEC 61850的信息模型研究了自治区域代理之间的功能布局和通信流程,故障区域通过代理之间的通信与协商完成故障定位、隔离和供电恢复。MAS考虑了ADN架构和各区域负荷供电特性,并顾及与IEC 61850在ADN中的兼容性和适用性。仿真结果表明所提MAS满足ADN中各设备之间的互操作性和可配置性,确保ADN供电恢复的可靠性和安全性。

主动配电网技术及其进展 篇9

电力需求的持续增长、传统能源的短缺以及电力市场的开放正驱动电网朝着高效、灵活、智能和可持续方式发展,以适应未来的技术需求。可持续性是未来电网的基础特征,其本质表现为分布式电源(DG)尤其是可再生能源的规模化接入与应用[1]。但是DG的大量接入将对配电网造成广泛的影响,主要表现在:改变配电网的电压水平、提高配电网的短路容量、继电保护策略的复杂度加大、影响网络的供电可靠性以及加剧电能质量的恶化等[2,3,4]。目前,虽然微电网(简称微网)技术[5,6]的不断成熟以及虚拟发电厂(virtual power plant,VPP)技术[7]的发展给DG的集成提供了解决方案,但是,由于微网受其容量限制以及其控制目标不同,尚不能完全解决规模化DG尤其是可再生能源发电集成到中压配电网带来的传统被动单向供电配电网向双向供电多电源配电网[8]转变的技术问题。可再生能源发电技术、储能技术的进步以及电力电子技术的同步发展解决了DG在中压配电网的并网运行问题,但电网侧尤其是配电网仍然存在可再生能源消纳能力不足、一次网架薄弱、自动化水平不高、调度方式落后以及用电互动化水平较低等问题,严重制约了可再生能源的高度渗透,不利于能源结构的优化调整。针对这一现状,主动配电网(active distribution network)技术[9]应运而生,旨在解决电网兼容及应用大规模间歇式可再生能源,提升绿色能源利用率,优化一次

主动配电网是具备组合控制各种分布式能源(DG、可控负荷、储能、需求侧管理等)能力的配电网络,其目的是加大配电网对于可再生能源的接纳能力、提升配电网资产的利用率、延缓配电网的升级投资,以及提高用户的用电质量和供电可靠性。

主动配电网是未来智能配电网的一种发展模式,欧美国家正积极开展相关技术的研究。目前,欧盟已经在丹麦、西班牙以及英国等地深入开展了主动配电网技术研究及示范工程建设。其中最具影响力的是欧盟FP6主导的ADINE(即active distribution network)示范工程,其核心理念是利用自动化、信息、通信,以及电力电子等新技术实现对大规模接入DG的配电网进行主动管理(active network management)[9]。ADINE示范工程通过5个场景在实际环境中实时模拟了接入大量DG的主动配电管理,这5个实例包括反孤岛保护、保护定值自适应整定、基于DG的电压控制、电压协调控制以及基于静止同步补偿器(STATCOM)的电能质量控制。整个项目从2007年10月开始到2010年11月结束。此外,ADINE示范工程还将上述各自的解决方案进行了联合试验,试验演示了主动配电网管理系统是如何与含大规模DG的主动配电网进行交互,从而解决主动配电网中的保护、电压控制、电能质量、故障穿越和孤岛运行等一系列问题。示范工程的实例表明,通过主动配电网管理技术,可以使得DG在配电网的接入更加容易,网络的运行状况也更加优化。

目前中国围绕2012年国家高技术研究发展计划(863计划)课题“主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术研究与应用”正在开展主动配电网及其相关技术领域的深入研究。本文将阐述主动配电网的含义及其内在特征,在此基础上系统论述推进与部署主动配电网的相关关键技术,并展望其发展。

1 主动配电网及其特征

根据CIGRE C6.11工作组的工作报告,主动配电网可定义为:可以综合控制分布式能源(DG、柔性负载和储能)的配电网,可以使用灵活的网络技术实现潮流的有效管理,分布式能源在其合理的监管环境和接入准则基础上承担对系统一定的支撑作用[10]。从本质上说:主动配电网是利用先进的信息、通信以及电力电子技术对规模化接入分布式能源的配电网实施主动管理,能够自主协调控制间歇式新能源与储能装置等DG单元,积极消纳可再生能源并确保网络的安全经济运行。

主动配电网是智能配电网技术发展的高级阶段技术。智能配电网技术的发展是一个长时间的过程,也是能量流和信息流不断融合的过程。智能配电网发展的早期阶段强调能量的价值,随着智能化程度的不断提高,更多地强调信息的价值。智能配电网技术的发展历程如图1所示。

由图1可以看出,微网技术用于解决DG尤其是可再生能源的兼容问题,微网通过公共连接点与电网相连,使用一系列协调控制技术实现微网内部DG的优化运行并满足用户对于电能的高质量需求,微网作为一种自下而上的方法,能集中解决网络正常时的并网运行以及当网络发生扰动时的孤岛运行,是实现DG与本地电网耦合较为合理的技术方案。但微网技术以分布式能源与用户就地应用为主要控制目标,限制了其应用范围。主动配电网在微网对于DG协调控制技术的基础上,注重信息价值的作用,并且采用自上而下的设计理念,同时关注局部区域的自主控制(如微网)和全网的最优协调,是一种可以兼容微网及其他新能源集成技术的开放体系结构,是智能配电网发展的高级阶段。此外,从规模效益来看,主动配电网是在整个配电网层面对可再生能源进行消纳,其对于可再生能源的接入半径更大,可接入的可再生能源容量规模更大,因此对绿色清洁能源的利用也更多。

另外,主动配电网与现阶段含DG的单向供电被动式配电网也有明显区别,其主动控制特征主要表现在以下几个方面。

1)间歇式能源消纳

被动式配电网采用就地消纳间歇式能源模式,若间歇式能源所发电力过剩,配电网本身没有调节能力,无法上送配电网,只能降低其出力运行;而主动配电网具有消纳间歇式能源的调节能力,若间歇式能源所发电力过剩,在满足配电网运行约束的条件下,通过柔性负荷以及多层次电网的分层消纳能力消纳过剩的间歇式能源。

2)DG的调度

被动式配电网中DG用来平衡本地负载,由于功率无法上送至配电网,无法参与配电网的最优潮流运行;而在主动配电网中,通过源网的协调控制系统,将DG作为可控可调度机组参与最优潮流的运行调度。

3)DG的保护

被动式配电网出现故障时,DG退出运行;而在主动配电网中,当配电网出现故障时,允许在主动配电网的管理系统协调控制下,继续给非故障区域的重要负荷供电。

4)DG的监控

被动式配电网中独立建立DG监控系统,无法与配电自动化协调控制;而在主动配电网中,DG监控系统与配电自动化系统实现源网协调的一体化设计,可以协调DG与配电网的控制。

主动配电网是未来大容量DG以及多个微网接入电网运行的主要渠道。

2 主动配电网关键技术

已有配电系统是基于电力潮流从变电站单向流向负荷点这一前提而设计运行的,但DG的广泛接入、储能技术的快速发展以及能源市场的开放都将极大地改变配电网的规划、运行及分析方法。这也赋予了主动配电网的规划、运行及分析以新的内容。主动配电网的实效性依赖于如下几个方面关键技术的突破和应用:综合规划技术;分层分布协调控制技术;全局优化能量管理技术;成本效益分析。

2.1 主动配电网的综合规划技术

传统被动式配电网的规划方法没有考虑DG引入配电网的影响以及主动配电网的灵活控制特性,其规划的网络过于保守,资产利用不充分[11]。主动配电网的规划不仅要考虑传统配电网规划的内容,包括:重新布线、网络重构、安装新的联络开关等,还要考虑安装DG或从能源供应商处购买分布式能源以及需求侧响应等管理手段,这势必带来很大的不确定性,尤其是由可再生能源(风力发电、光伏发电)的间歇性引起的不确定性[12]。

目前,针对主动配电网的规划问题已有部分学者开展了相关的研究,尤其是关于分布式能源的优化配置方面[13],已取得了不少成就。文献[14]提出一种统一的主动配电网动态规划模型。该模型集成了主动配电网规划各个方面的因素,不仅综合考虑了可靠性、线损、从输电网获取的电能以及投资成本等多目标综合最优,而且通过多场景分析方法计及了能源需求以及DG尤其是间歇式可再生能源引起的不确定性,在基于拟动态规划理论的基础上制定了合理的规划方案。文献[15]着重研究了用以降低线损及提升供电可靠性的配电网DG优化配置问题。提出基于分时段负荷模型的动态规划方法,该方法考虑负荷的变化特征,对DG接入带来的降损收益和供电可靠性提升收益进行了阐述。文献[16]提出一种基于模糊理论和进化算法的多阶段规划方法以解决接入DG的中压配电网长期规划问题。该方法利用模糊模型处理规划过程中遇到的一系列不确定因素,例如负荷的增长、DG的出力以及经济因素等。该方法使用2层嵌套进化算法解决长期规划中的动态问题,通过第1层进化算法进行规划的选址、定容等静态优化选择,利用第2层进化算法选择规划选项的最佳时间。该方法在优化过程中兼顾经济性和可靠性。文献[17]着重研究了开放的电力市场环境下配电网的DG优化配置问题,在规划模型中提出了综合考虑DG投资成本、运行维护成本以及系统线损等目标函数,并计及了电力市场环境下的价格变化趋势。其他文献也大都基于进化算法结合多场景分析将不确定因素集成到统一的规划模型中,以解决主动配电网规划的内在问题[18,19,20]。也有部分学者提出用解析法求解DG的优化配置问题,例如基于等效电流注入的灵敏度分析法[21,22]、基于Newton-Raphion潮流算法[23]以及序列二次规划法[24]。但上述解析算法只适用于求解单一或者少数DG的选址定容优化问题,一旦DG数目较多时求解计算量将以几何级数增长,对于分布式能源高度渗透的主动配电网并不适用。

上述研究对于主动配电网的规划奠定了理论基础,但是都忽略了主动配电网对于绿色能源的兼容特性。主动配电网的规划应该是在计及间歇式可再生能源发电、负荷需求增长以及未来能源市场等不确定因素下,综合考虑原有配电网规划内容、DG的优化配置、储能设备的选址定容等选项,以追求能源损耗小、供电可靠率高以及绿色能源利用率高的多目标规划问题。此外,考虑到实现主动配电网的灵活控制和主动管理将引入多种二次智能设备以及建设可靠的通信网络,所以主动配电网的综合规划技术应该将自动化规划及通信规划一并统筹考虑。

2.2 主动配电网的分层分布协调控制技术

主动配电网的一大特征表现在DG单元及储能单元对于配电网运行人员来说是可控的,分布式能源参与网络的运行调度,并非以往简单的连接。虽然目前DG的并网技术已趋于商业化应用,但多个DG的集成需要更复杂的协调控制。文献[25]提出基于多智能体技术的多层控制框架以解决未来配电网运行过程中多分布式能源的协调控制问题。该控制框架有3层体系:第1层是就地控制智能体,其功能是快速就地控制单一DG和其他装置,如有载调压变压器(OLTC)分接头、并联电容器和保护装置等;第2层是基于微网、Cells和VPP概念的区域协调控制智能体,用于协调控制区域内的第1层智能体;第3层是最高等级的配电管理系统,用以实现整体上的全局优化运行。分层控制结构是解决主动配电网多分布式能源及其他可控装置协调运行的有效手段,其优势在于不仅能缓解集中控制结构存在的通信压力大、有延时、计算量大等问题,而且能规避对等控制结构存在的无法实现整体上优化运行的弊端。主动配电网的分层分布协调控制结构见图2。

如图2所示,就地控制是第1层控制,用以实现单一DG、微网单元以及无功补偿装置的快速响应控制。局部区域控制是第2层控制,用以协调局部区域内多个DG以及分布式单元之间的调度运行,以保证区域局部目标的实现并降低它们之间的相互作用及对网络的影响。第3层控制是主动配电网的全局优化管理系统,用以实现全局范围的信息采集,通过智能优化算法作出全局优化控制策略。

2.3 主动配电网的全局优化能量管理技术

主动配电网的核心价值在于对配电网的主动管理,即通过引入DG及其他可控资源(如柔性负载、无功补偿及需求侧响应等)加以灵活有效的协调控制技术和管理手段实现配电网对可再生能源的高度兼容及对已有资产的高效利用。有研究表明:在相同网络基础设施条件下,实施主动管理技术可集成的分布式能源比例是未实施主动管理技术的3倍[26]。

由图2分析可知,主动配电网的全局优化能量管理系统(advanced distribution management system)是最高层次的决策单元,是实施配电网主动管理的关键技术手段,其主要功能包括:潮流管理[27]、电压协调控制、分布式能源协调控制以及快速网络重构。目前欧洲对于主动配电网能量管理技术的研究比较多,但大部分集中于潮流管理和电压控制2个方面。在潮流管理方面,文献[28-30]提出了基于最优潮流(OPF)算法的主动配电网优化运行模型,以找到各种控制选项的最优组合(OLTC、分布式能源、需求侧管理、可控负载、无功补偿),实现配电网运行过程的总成本最小,确保配电网运行人员不仅在网络故障或者发生电气参数越限等紧急情况下给出最佳恢复策略,在正常运行情况下也能给出最佳运行方案以满足各种技术约束条件下的经济运行。文献[31]提出了基于agent技术的主动配电网潮流管理方法以解决由DG引起的双向潮流问题,通过分布式路由算法加快潮流管理过程中的OPF求解效率。在电压协调控制方面,文献[32-34]着重研究主动配电网的电压协调控制技术,文献[32]提出了基于节点注入功率—电压灵敏度指标的电压控制策略,文献[34]着重于通过无功最优潮流的求解获取电压的优化调整方案。

主动配电网的全局优化能量管理系统如图3所示。

由图3分析可知,主动配电网的全局优化能量管理系统收集全网各负荷点的实时运行数据、开关状态信息、网络拓扑信息、DG的运行工况以及储能单元的电荷状态(SOC)状态信息等,通过全局智能优化算法得出满足各项技术约束条件下的有功功率全局优化控制策略和无功功率全局优化控制策略。其中,有功功率优化控制策略是指在满足负荷有功需求的基础上尽可能多地利用可再生能源以及追求经济性最优,必要时可以调整运行方式;而无功功率优化控制策略是指在满足负荷无功需求以及确保电压质量的基础上使得网络上的无功潮流最优,必要时可以调节变电站内的OLTC分接头位置。

2.4 主动配电网的成本效益分析

主动配电网受其实施成本较高的制约离真正部署与应用还有一段距离。目前还缺乏有效的方法对主动配电网技术进行合理的可行性分析[35,36]。主动配电网成本效益分析的难点在于以下2点。

1)由于主动配电网的利益主体追求的目标不一致,在对其进行经济性评估时,难以协调其中的利益关系。例如公益团体关心的是环境保护,倾向于分布式可再生能源的收益,而配电网运行人员关心的则是投资建设以及运行维护成本,这需要多目标优化方法实现[37]。

2)难以对主动配电网细化的每一项具体技术进行准确的成本效益分析,尤其是DG技术,因为各国的能源政策不同,市场开放程度也各异[38]。

主动配电网的技术经济评估步骤如下。

步骤1:计算未采用主动配电网技术时配电网运行的各项重要技术指标。

步骤2:分析采用主动配电网技术时配电网络运行的各项重要技术指标。

步骤3:对步骤1和步骤2计算出的各项重要技术指标进行对比分析,得出实施主动配电网技术后网络运行各项重要技术指标的改进程度。

步骤4:对各项重要技术指标的改进进行经济效益分析及成本分析,从而得出准确的经济性评估结果。

主动配电网技术经济评估方法的精确程度直接影响到主动配电网的规划方案以及运行方式的选择,其各项重要技术指标必须兼顾网络运行成本、环保效益以及资产利用率等。

3 结语

主动配电网的推广应用能极大地提升电网对绿色能源的兼容性以及对已有资产利用的高效性,是未来智能配电网的发展趋势。主动配电网的实施与部署必将引起传统配电网的重大变革,将彻底改变已有配电网的规划、设计以及运行方式,其关键点在于上述主动配电网关键技术的突破和发展。主动配电网的综合规划技术能提供给可再生能源一个更加兼容开放的配电网体系;主动配电网的分层分布协调控制技术用以实现局部自治与全局优化相协调;主动配电网全局优化能量管理是主动配电网的大脑中枢,用以得出全局优化的有功功率控制策略和无功功率控制策略;主动配电网的成本效益分析关系到其规划及运行方案的评估和取舍,是主动配电网未来规划运行的指南。此外,主动配电网能否在未来广泛应用还需要信息及通信技术的创新和进步[39]。不过,为了鼓励多方参与,促进技术创新,电力市场还需要进一步放宽监管、拓展交易机制,在电网管理者、系统运行人员、供电用户以及能源供应商之间找到一个平衡点,使得未来的主动配电网成为一个开放、公平和绿色的配电网。

主动配电网系统 篇10

关键词：企业 高低压供配电节能 措施

1 概述

随着我国科学技术水平的提高，对经济的发展起到了重大的推动作用，我国的企业通过经济的支撑和对各种核心技术的掌握，得到迅速发展的同时也更好的服务了人们，产品价格的降低以及实用性、耐久性的提高，都为我国人们生活质量的提高做出了贡献，同时，我国企业的高低压配电网电气节能系统设计也逐渐成为了被关注的焦点。可以看到，虽然我国的企业高低压配电技能系统在不断的完善和进步，但是，由于企业建筑设施老化的局限性，也使得由供电系统产生的问题不断凸显，与此同时，由于产品生产工艺的变化，生产设备更加专业，更具有特殊性，对企业的供配电系统的需求提高了，那么，为保障企业的正常运转，必须对供配电系统进行完善，使其更好的适应产品生产，这样才能不断的提高产品质量，让企业的生产效率更高，而且对于能源的节约和环境的保护都有很大积极意义。

2 高低压配电网电气节能设计

各种优质的节能电器产品是优化供配电系统设计的保证，因此，对于节能型变压器、高低压电气开关、继电器、接触器等的选择一定要进行严格把关。并且，实施分级补偿和就地实施补偿，以减少不同功率的设备造成的能源损失。计量电能时，通过分级计量和成本核算，控制供配电系统中电能的使用，避免浪费。下文将详细阐述技能系统的设计：

2.1 HVHQC系统整体结构 HVHQC在配电网高压侧作用重大，其通过对逆变器直流侧整流电路、电压型逆变器、输出滤波器、耦合变压器等部件的调整，很好的起到了动态谐波治理的作用，同时，HVHQC通过补偿流入高压母线的无功电流，使电网母线电压得到平衡，从而功率因数得到了改善。

2.2 HVC系统整体结构 HVC作为整个低压配电网电气节能的核心，其在低压侧对于配电网的补偿容量非常大，并且其无功补偿的连续性很好，制造成本低，十分适合被广泛推广，并且其对于低压配电网功率因数的改善是十分明显的，能保持在不小于0.95的水平。电压型逆变器、连接电抗、晶闸管模块、投切电容器组等是电路的主组成部分。启动电路的主要原理是DSTATCOM逆变器开始工作之前，通过整流电路对直流侧电容充电到参考电压，然后切断整流电路并网开关。

3 企业高低压配电网电气节能各个子系统设计

3.1 子系统的检测和控制 在控制算法的实现方面，需要对其运算速度进行提高，并且要保证其准确性，通过具备了这些特点的数字控制器对上述装置进行操作，能在一定程度上起到对谐波和无功的综合性管理，并且能使其在电气节能方面有很大改善。文中提到的装置都是具有相关性和通用性的电子器件，因此，要保证控制器的通用性，从而达到缩短开发时间和降低研发成本的目的，对于项目的实施意义重大。数字信号处理器DSP是普及比较广泛的控制器，其结构采用了比较出色的哈佛结构，并且具备多处理单元，能进行流水线操作，更为难得的是它的指令周期速度快并且仿真开发技术比较成熟，兼备了以上特点使其在处理和计算数据时如鱼得水。

3.2 监控子系统 ①监控子系统硬件平台。控制算法，生成控制量并应用于驱动功率器件主要由DSP控制器完成，因其硬件设备的制约，其界面不够好，并且存储空间小。为监控系统的运行，通过电网电压和电流了解电网是否正常运行，在系统中建立监控的下属系统，其对于电网的正常运行意义重大。监控子系统通过对电网电压和电流等参量的分析和处理，然后将结果向其他一级进行传输。②监控子系统软件平台。监控子系统软件通过检测并分析多路信号，能够将结果直观的显示出来；对各次电压和电流分段设置上限，超限时能报警并保存结果，同时控制信号驱动保护跳闸，通过继电器输出；PT和CT等用户可进行自行调整。

4 结束语

我国经济实力和科技实力的不断增强，为当前供配电系统设计的发展提供了有力支持，在供配电系统的实现上可进行细化，使其相对独立，又能共同合作，从而更好的保证企业日常生产能够持续正常运行，提高企业的工作效率和产品质量，同时，对于一些突发情况，也要建立一套完善的体系进行应对，通过应急电源在突发情况时继续为企业供配电，保证正常生产，是企业减少损失的有力保证。对于企业的供配电设计要以实际情况作依据，对其供电的高要求和负荷复杂等问题进行针对，采取合理的措施进行解决，全面考虑，统筹规划，使供配电系统满足生产设备正常运转，与企业各相关部门密切结合，积极沟通，从而保证满足企业对于供配电系统的各方面要求，同时，在实际操作中，对整个供配电系统做到最大程度的优化。

参考文献：

[1]翟进乾.配电线路在线故障识别与诊断方法研究[D].重庆大学，2012.

[2]孙伟.基于QoS的智能配电通信无线传感器网络应用研究[D].合肥工业大学，2012.

[3]王浩鸣.含分布式电源的配电系统可靠性评估方法研究[D].天津大学，2012.

主动配电网的运营电价研究 篇11

近年来,随着间歇式能源大规模分布式接入配电网并网发电,配电网现有的单向电力输配模式发生了极大变化。当前配电网的功能结构和运行模式对大规模间歇式能源并网发电的制约作用逐渐凸显。为了高效消纳大规模间歇式能源并网发电,实现配用电发展的可负担性和可持续性,当前被动配电网需要向主动配电网逐步过渡[1]。

主动配电网(Active Distribution Network,ADN)的基本定义是:通过使用灵活的网络拓扑结构来管理潮流,以便对局部的分布式能源(Distributed Energy Resource,DER)进行主动控制和主动管理的配电系统[2]。被动配电网向主动配电网过渡之后,为应对分布式发电规模逐渐扩大以及用电负荷波动增大等一系列变化,需要考虑新的网络运行和运营模式,电价作为电力系统运营的重要手段之一,有必要开展相关研究。

目前,美国、英国、欧盟、澳大利亚等多个国家和地区在实时电价的理论基础上分别建立和发展了符合各自国情的电力市场,并在电价定价、零售商竞价、购电及网络阻塞管理、电力零售市场运行模式等多方面进行深入的研究和经验积累[3,4,5,6]。然而,我国电力零售市场的实践探索随着深圳输配电改革的启动才刚刚开始。因此,在我国电力市场环境下研究主动配电网的运营电价具有重要的现实意义。

1 主动配电网的运营模式

与当前的被动配电网相比,主动配电网是一种新的配电网技术形态,具有明确的技术目标,能源高效消纳是其技术表象,经济效益是其内在本质[7]。从市场结构的角度来看,被动配电网和主动配电网有2个方面的区别:1)被动配电网是以电网为主导的垂直市场架构,而主动配电网是以市场为主导的水平架构。这样一来,配电网需要打破垄断,引进竞争机制;2)由于主动配电网具有新的技术形态,为了反映主动配电网的技术目标,需要引进新的市场单元,已有的市场单元的职能也会发生转变。

首先,为了引进竞争机制,需要建立一个电力市场。电力市场是打破垄断的一个必然产物,从国外的经验来看,电力行业走向市场化的标志之一就是建立了电力市场,而从实际运行效果来看,电力市场也确实起到了打破垄断、引进竞争机制的作用。

其次,电力市场中电价的波动比被动配电网中电价的波动要更为频繁,这样就会出现用电风险,也就是说会存在用户用电时间规划不当,导致用电费用增加的情况。从风险的角度来划分用户,可以分为3类:风险进取者、风险回避者和风险中立者。对于风险回避者来说,对风险更为敏感,会渴望规避风险。为了规避风险,可以引入第三方,第三方可以通过和用户签订合约,用市场价格买人电能,然后以单一电价卖给用户。依靠买卖之间的差价赚取利润;同时,用户减小了风险。

另外,电网的职能会发生改变。引入电力市场之后,电网企业不再是连接卖电方和买电方之间的唯一桥梁,为了维持盈利,需要改变以往的运营和定价策略。一般而言,电力市场建立之后,独立售电商会逐渐进入电力市场,参与市场运营;电网则承担电力渠道商的角色,并参与运营竞争,提供电力兜底服务。因此,电网企业必须改变当前的运营模式,以适应新的角色环境。

2 主动配电网的上网电价

主动配电网的发电侧相比于被动配电网,没有很大的变化,在制定上网电价的过程中,只需要引入竞争机制即可。

目前,国外电力市场采用较多的是3种电价:统一一出清电价(Uniform Market Clearing Price,UCP)、按报价支付电价(Pay As Bid,PAB)、当量电价(Electricity Value Equivalent,EVE)。

(1)UCP电价是指发电商与供电商分别以统一的市场价格向电力池出售和购买电力。发电负荷通过发电商的竞价分配。在特定的交易时段,最后一个被市场调用的发电负荷的价格,称为市场边际电价(市场出清价),这就是发电商向电力库卖电的统一价格。

(2)PAB电价规则与UCP电价相同,其区别在于前者按报价购买电量,而后者按边际电价购买电量。如图1为UCP电价与PBA电价的对比示意图。如图1所示,在购买电量一定的前提下,采用PAB电价的购电费用小于采用UCP的费用。

(3)EVE电价是指考虑发电容量、综合容量成本和电量成本,形成当量成本,以体现电力市场的合理与公平特征。

文献[8]对3种电价对价格决策和产量决策的影响进行了比较,如表1所示。

从3种电价的比较可以看出,EVE电价是最适合的定价策略。

在上网电价的制定过程中,要解决公平和效率之间的矛盾。因为各种发电模式以及新老电厂之间,发电成本以及发电效率都是不同的。只追求效率,会阻碍成本较高的间歇式能源发电的发展,甚至阻碍发电格局的均衡。只讲究公平,就会挫伤积极性,使效率下降。在定价过程中,要根据实际情况,合理平衡效率和公平之间的关系。目前,一般采取的是“效率优先,兼顾公平”原则。兼顾公平可以采取2种策略:1)给予国家补贴,国家补贴能很好地解决各种发电模式发电成本不同的问题,能够使各种发电模式在报价的过程中保持相对的公平;2)引入现代金融财税调控工具,实现“再分配”。

3 主动配电网的运营电价

3.1 实时电价基本原理

主动配电网需求侧的变化较大,在制定运营电价的过程中,不仅要反映出主动配电网主动性和市场性的特点,还要具有良好的削峰填谷作用。在现有的电价模式中,实时电价是最能够满足上述需求的电价模式。

实时电价的概念最早由美国F.C.Schweppe教授在20世纪80年代提出,是在给定的极短的时段(如1 h,30 min,15 min等)内向用户提供电能的边际成本[9]。实时电价是配电市场中最理想的电价机制之一。实时电价是在电力系统安全运行的前提下,基于长/短期边际成本的定价方法,通过电价变化以反映实时的电力供需关系的紧张程度,其优点在于能够动态地反馈用户的用电行为变化。当电力需求增加时,电价抬升,引导用户降低用电负荷;当电力需求减少时,电价降低,刺激用户增加用电负荷。因此,实时电价可以作为主动配电网中一个强有力的市场调节手段,实现电力系统的优化运行。

实时电价通过动态电价机制激励用户参与到电力交易中,与市场调度员共同实现对系统经济运行的调度,这不仅符合市场经济中自由竞争模式下的定价原则,还能更为合理地调节用电需求。此外,实时电价是配电网主动调节负荷的一种手段,也给用户调整用电行为、谋求最大利益提供了可能性,反映了配电网和用户2个市场主体的主动性。因此,主动配电网采用实时电价作为运营电价是具有合理性的。

3.2 实时电价定价原则

运营电价在制定过程中需要遵循3个原则:

(1)利益分享、风险分摊的原则:实时电价作为需求侧管理的重要经济手段,首先必须满足需求侧管理的总体目标,即社会、电力部门和用户3方受益或几方受益而另一方利益不受损害。此外,定价时还要考虑发电侧竞价和需求侧博弈带来的运营风险。

(2)用户响应曲线的确定原则:用户响应是指用户针对电价变化而调整自身用电行为的反应动作。确定用户响应曲线,就能制定合理的电价来调节负荷。

1)基于心理学的用户响应曲线类型

对于外界刺激,人类在现实生产生活中的反应主要包括反应不敏感期、正常反应期和反应极限期3大类,可近似看作一条分段线性函数。该函数通常只需要3个参数:死区阈值(m1)、线性段斜率(B1(MtMs)和饱和区阈值(M1)。其中,Mt为实时电价;Ms为基准电价。用户响应函数如图2所示。

2)基于黑箱原理的用户响应曲线拟合

黑箱原理是只关注输入与输出信息之间的外部近似数量关系,而忽略其结果形成的内在过程。曲线拟合的目标是通过确定关键参数,形成拟合曲线,利用该曲线产生的计算结果能够最大程度地接近历史负荷曲线。因此,在采集用户用电数据的基础上,可以利用黑箱原理,建立用户响应曲线。

(3)实时电价拉开比的确定原则

拉开比为最高电价与最低电价在基本电价基础上上下浮动幅度的比值,则实时电价拉开比为最高电价与最低电价的幅值比。

合理的电价拉开比应该同时满足系统调峰的目的和经济效益的约束。确定合理的实时电价拉开比的原则有3点:

1)若电力用户对电价的敏感程度不大,则采用实时电价前后的系统峰谷时段无明显改善。

2)实时电价拉开比的设置应该以考虑用户敏感程度为前提,以减小峰谷差为目标。

3)实时电价拉开比的设置还需要考虑用户的构成类型,以避免用户反应不足或反应过度导致实时电价的不合理波动。

4 仿真分析

4.1 基本参量

4.1.1 时间段选取

假设实时电价的发布周期为30 min/次。由于仿真过程中时间段大小的选取不会影响到最终的仿真结论,故本次仿真将时间段取为1 h。

4.1.2 需求侧用电量

设某负荷代表日的负荷曲线为P=(t),则

式中:V为全天的用电量。

若典型负荷曲线如图3所示,则实时用电量就可以表示为:

式中:θ为仿真步长;T为计量时刻点。

4.1.3 用户响应

当实时电价大小发生变化时,用户的用电量也会发生相应的变化。当电价下降时,用户的用电量会上升,相反,当电价上升时,用户的用电量会下降。由此可见,用户用电量的变化量与电价变化量是负相关的关系,可以写成ΔV=ΔV(Δp)。具体的表达式需要通过大量的调研工作得到,在这里,为了简便起见,假设用户用电量的变化量与电价变化量是线性的关系,表示为:

式中:k为负值系数;d为常数。

4.1.4 用户响应延时

如前面所说，用户可能会出现反应延时的情况,因此,在考虑延时的条件下,用户响应函数应表示为:

式中:ΔC为用户的电价敏感度函数。

4.1.5 约束条件

实行实时电价前供电方的销售收入为

式中:P0为电价;Q为总电量。

实行实时电价后供电方的销售收入为:

式中:p(t)为t时刻的电价。

实行实时电价后供电方通过调峰可以节约的电力投资为M'。

供电方获利的约束条件为

实行实时电价前用户电费支出:

实行实时电价后用户电费支出:

用户受益即电费支出不增加:

4.1.6 优化目标

尽可能提高电力系统的负荷率,即最小化Lmax,以增加电力系统的稳定性。

4.2 仿真分析

由于运营电价的主要作用之一就是调节负荷,判断一种电价优劣的标准就是该电价是否具有削峰填谷的作用。因此,本仿真算例主要研究实时电价的削峰填谷作用。

参考文献[10]的数据,可以得到如图4和图5所示的单一电价下的负荷曲线和实时电价曲线。

(1)不考虑用户反应延时情况下实时电价的削峰填谷作用,采用实时电价和统一电价的负荷曲线对比如图6所示。

实行实时电价之前,峰荷为7 780 MW,谷荷为4 910 MW,用户电费支出为7.011×107元。实行实时电价之后,峰荷为7 250 MW,削峰6.812%,谷荷为5 535 MW,填谷12.729%,用户电费支出为6.944×107元。

(2)考虑用户反应延时情况下实时电价的削峰填谷作用,延时情况下负荷曲线如图7所示。

由图7可知,在考虑实时电价的情况下,用户响应电价的时效性对负荷变化的结果有较大影响。此时,峰荷为7 175 MW,削峰9.640%,谷荷为5 485 MW,填谷11.690%,用户电费支出为6.930×107元。

在考虑以光伏发电为代表的间歇式能源分散式并网发电的情景下,按照国家度电补贴标准折算为统一的上网电价后,通过实时电价与统一电价场景下仿真结果的对比分析,可以明显看出,实时电价能够有效改变负荷曲线,实现削峰填谷的目标。因此,随着间歇式能源渗透率的不断增加,通过主动配电网的灵活运营,能够在很大程度上调节负荷用电与间歇式能源出力的匹配度,最大程度地实现间歇式能源的高效就地消纳。

5 结论

本文对主动配电网的灵活电价进行了初步研究,根据主动配电网特有的性质,选取了与之相适应的电价模式,并提出了在制定实时电价过程中需要遵循的原则。通过仿真算例,可以看出实时电价削峰填谷的效果明显,故实时电价作为主动配电网的运营电价是合理的。而如何在不同的用户构成类型的情景下,合理地设置实时电价及其电价交互机制有待进一步研究。

参考文献

[1]CELLI G.GHIANI E,MOCCI S,et al.ReUability Assessmentof Active Distribution Networks[C].Paris:CIGRE2010,Cigre Technical Committee,2010.

[2]尤毅,刘东,于文鹏,等.主动配电网技术及其进展[J].电力系统自动化,2012,36(18):10-16.

[3]赵豫,于尔铿.电力零售市场研究:(一)充满竞争的电力零售市场[J].电力系统自动化,2003,27(9):20-23,40.

[4]赵豫,于尔铿.电力零售市场研究:(五)电力零售市场与负荷管理[J].电力系统自动化,2003,27(14):32-35,48.

[5]赵豫,于尔铿.电力零售市场研究:(六)分散式发电对电力系统的影响[J].电力系统自动化,2003,27(15):25-28.44.

[6]赵豫.电力零售市场研究[D].北京:中国电力科学研究院,2003.

[7]范明天,张祖平,苏傲雪,等.主动配电系统可行技术的研究[J].中国电机工程学报,2013,33(22):12-18.

[8]李晓刚,言茂松,谢贤亚.3种定价方法对发电厂商报价策略的诱导机理[J].电力系统自动化,2003,27(5):20-25.

[9]SCHWEPPE F C.Spot Price of Electricity[M].London:Kluwer Academic Publishers,1988.