《电子技术应用》

未来配电网中的新技术

2017/5/17 12:42:00

 

  电力工业是当前工业界最后几个还没全面应用传感器技术、通信技术以及计算机技术来提升服务水平、降低运行费用的重要工业,尤其是配电网领域。未来配电网在新技术应用上还存在广阔的发展空间。此外,为了应对不断增长的分布式电源、电动汽车等新型负荷,以及对电能质量和供电可靠性的高要求,配电网亟需引入若干新技术。

  电气工程专家认为:未来配电网将在各个变电站之间使用高速宽带通信系统,利用智能电子设备(Intelligent electronic devices,IEDs)进行自适应控制和保护,应用能量管理系统监测配电网的运行状况,并充分采用智能系统减少电能质量问题和提高供电可靠性。

  未来配电网中将会逐步普及的新技术包括:

  1、先进的配电自动化(Distribution automation,DA)技术

  2、配电网馈线自动化技术,包括智能馈线终端重合器和继电器

  3、电力电子技术

  4、馈线电压/无功控制技术

  5、先进传感技术

  6、智能通用变压器

  7、多功能固态开关技术

  8、配电网故障预测及定位技术

  9、先进的计量设施(Advanced metering infrastructure,AMI)

  10、本地能源网络控制器

  11、分布式电源,包括分布式发电设备,可再生能源,储能设备。

  先进的配电自动化技术

  配电自动化对配电网中的重要设备进行持续监测和自动控制,整合了配电网监测控制系统和数据采集系统(SupervisoryControlandDataAcquisition,SCADA)。先进配电自动化(AdvancedDistributionAutomation,ADA)包含从重要馈线采集信息的智能传感器,电子控制器,双向通信系统。ADA系统采集并显示电压、电流、有功、无功、设备状态、运行状态,事件日志以及跟配电系统状态有关的其他信息。操作员可以很方便地远程控制电容器的接入、断路器的开断以及电压的调节。变电站自动化如果装设了自动开关、重合器、电容器和高级计量装置,就能充分地发挥智能电网的功能了。

  ADA不仅将智能系统引入了变电站和计量设施中,还将智能系统带入配电网馈线当中。配电网馈线中的智能系统包括:

  1、配电网中的自动开关:使配电网实现最优重构

  2、自适应保护系统:协助配电网重构和集成分布式电源(Distributed energy resources,DERs)

  3、电力电子控制器:提高系统的可靠性和技术性能

  4、电压调节和无功控制器:减小系统网损,提高电能质量,促进新能源消纳。

  智能馈线终端重合器和继电器

  用基于微处理器的智能继电器和重合器来替换基于电子机械的保护控制系统是智能电网发展的必然过程。预计到2030年,70%的馈线都将配备智能继电器和重合器。在馈线首末端用智能电子设备替换传统的机电式继电器保护和控制设备具有如下优点:

  1、测量仪器能够持续地对测量值(电流、电压等)进行监测分析,能及时处理测量信息并计算出有用数据(如到故障点的故障距离)。

  2、能将IEDs测量或计算出的数据通过基于工业标准协议的通信系统传送给外部或者用户。

  3、具有自我检测能力,使得IEDs能够检测自身的内部故障并及时通知工作人员进行维修,从而避免系统发生故障而设备拒动的情况。

  4、可存储多种运行方式,可按要求将负荷切换到最佳的运行方式。这种功能在智能配电系统中非常重要,尤其是含高渗透率DER的网络或者频繁重构的配电网。

  5、功能多样化。绝大部分的IEDs都将多种功能封装在一个设备中。比如说,一个继电保护的IED就具有快速过电流保护、自动重合闸、馈线保护,还有测量和监测设备环境的功能,这些功能都集成到一个设备中了,从而减少了设备内部的绕线和控制板体积。

   智能线路开关技术

  智能配电网中包含了大量分布在配电网馈线重要位置上的智能线路开关。这些智能开关将支持配电网实现“自愈”功能。同时,它也支持馈线终端实现满足分布式发电与负荷平衡需求的最优网架重构。智能开关具有如下主要特征:

  1、具有工业标准的通信系统,用于支持远程控制和数据获取功能。出于远程控制和数据获取的目的,智能线路开关将支持信号传回配电控制中心。该开关也支持与其他智能设备(如其他智能开关、开关电容器、分布式电源等)进行点对点通信。该功能使得线路开关可以全面支持分布式、多代理、自治式的对等控制。随着智能分布式控制的逐渐成熟,我们期待自治式、分散式控制不仅仅用于自动存储,而且还能用于电压/无功优化、DERs协调控制。其中,鲁棒性好、可靠性高的通信系统是实现上述目标的必要条件。

  2、每个智能线路开关必须包含一个独立的本地控制器,以获取本地数据,实现自动开关。

  3、智能线路开关和相关的控制器必须支持“双向”操作,可检测潮流流向,并根据潮流流向进行响应:当潮流流向变电站时,它必须有相应的时间配合曲线(Time coordination curve,TCC),而当潮流流向相反时,必须有另一个对应的TCC。对于配电网馈线的重构(在智能配电系统中经常发生)以及可能出现潮流逆流的配电网(例如含高渗透率DERs)中,双向操作能力非常必要。

  4、同时支持单向操作(只对需要跳闸相跳闸)和三线操作(三相同时跳闸)。单向重合器只把故障相线路断开,避免中断非故障相的电力供应。如果分布式发电设备在智能线路开关的下游(远离变电站),其单相跳闸的功能将被禁用,以避免对发电机造成损害。

  预计到2030年将会有25%的配网馈线会加装智能线路开关。目前,部分智能线路开关技术已经得到应用。这些技术使得配电网具有自愈性。下图就是S&C电力公司开发的智能线路开关“Intellirupter”。

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  “Intellirupter”采用了新的技术——脉冲闭合,使得智能开关能在重合前判断出线路故障类型。传统的重合器在故障发生时就会跳闸、重合,此时位于开关上游的电力设备可能受到高能故障电流的影响。应用脉冲闭合技术后,如果馈线发生故障,快速控制电路将捕捉到这一电流阶跃并在电流还没达到破坏性程度的情况下重新跳开这一相。脉冲闭合消除了故障电流对开关上游电力设备的潜在危害,减小了将开关合在故障相时的电压下降问题。

  另一个非常有前景的智能开关技术是“退出”式重合器,如下图所示。

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  “退出”式重合器适用于易遭受瞬时故障的横向电路。这种重合器在断开电路后会重合,而不是让熔断器直接熔断,因此可避免长时间停电。

  电力电子技术

  电力电子技术不仅可以为用户提供稳定的电能,还能同时实现频率、相位、电压等的灵活控制。静止无功补偿器、短路电流限制器就是配网中的两个典型电力电子装置。

  1、静止无功补偿器

  静止同步无功补偿器是目前技术最为先进的无功补偿装置。它不再采用大容量的电容、电感来产生无功功率,而是通过电力电子器件的高频开关实现对无功补偿技术质的飞跃,特别适用于中高压电力系统中的动态无功补偿。它是一种没有旋转部件,快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。下图就是西安爱科赛博公司研发的静止同步无功补偿器。

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  静止同步无功补偿器能够消除一个周波内的微小电能质量扰动。因此,它可以处理由于出力波动性DERs(风电、光伏等)接入引起的配电网电压波动问题。

  2、短路电流限制器

  另一个典型例子是短路电流限制器(Short-circuit current limiters,SCCLs),在国内常被称为故障限流器(Fault current limiter,FCL)。SCCLs技术可以用于处理输电系统中短路电流较大的问题。目前,电力公司输电系统基础设施的承载量越来越逼近它的容量极限。与此同时,投运的发电机组越来越多,以满足日益增长的负荷需求。显然,发电容量越大,造成的故障电流也越大,很可能会超出运行设备的承受能力。

  基于电力电子技术的SCCL可有效解决这一问题。SCCL的核心理念是:正常运行时呈零阻抗(或低阻抗),短路故障时呈高阻抗,从而起到限制短路电流的作用,如下图所示。

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  因此,一旦SCCL检测到短路电流就立即工作在高阻抗运行模式,使短路电流限制在现有保护设备能正常工作的范围内。同时,SCCL也整合了很多完备的系统,包括高级控制、信号处理和通信单元。

  分布式电压/无功控制技术

  电压和无功控制并非新概念,所有的配电系统均需要电压和无功控制,以维持母线电压水平,保障较高的功率因素。尤其是目前,电力公司正在采取措施提升电网运行效率、资产管理水平,此时的电压/无功控制技术就更加重要了。

  智能电网分析软件可以结合从自动化变电站流过的信息和通过SCADA系统采集的配电网数据进行分析,并推荐配网运行最优的重构结构。电网优化将以最小的线路网损为目标,整合由高级计量设施(Advanced metering infrastructure,AMI)采集的用户数据进行电压调整,同时将电压维持在可接受的水平。预计到2030年,美国566000条配电馈线中的55%都将具备电压/无功控制功能,新建的馈线则将全面实现配电自动化。

  在智能配电系统中引入通信技术和设备,将位于变电站和控制中心中的处理器和现有的控制器互联起来,实现信息共享,从而拓宽电压/无功优化控制的能力。这些处理器可根据配电系统层面的参数,采取相应的控制措施来满足需要的电压/无功要求。值得一提的是,现在已经有很多的电压/无功控制器安装了支持IEC61850、DNP3等协议的通信设备,如下图所示。

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  配电系统的控制器通常采用“独立模式”,即控制器只根据其设备自身的测量信息动作。近年来,随着配网馈线的频繁重构、并网新能源功率波动的影响,在这种动态环境下,电力公司就不得不考虑效率、线损、稳定性这些过去不那么严重的问题。曾经普遍采用的“独立模式”的控制器无法满足新形势下的需求了。因此,必须研发新技术、新设备,要求能根据环境变化,动态协调不同类型的电压/无功控制设备。

  为了实现这些目标,电力公司就得部署能够协调所有电压/无功控制设备的电压/无功控制系统。目前,主要有3种系统级的电压/无功优化控制方法。

  1、“基于规则”的解决方案:这种方法根据采集的数据,基于确定的规则来决定当前的电压/无功控制措施。这种方法简单,易于理解。但在处理馈线频繁重构以及高渗透率DERs(尤其功率波动性较大的可再生能源)接入情况时比较棘手。

  2、“基于模型”的解决方案:高级配电管理系统能够处理动态配网的最优潮流。这种方法可以较好地解决馈线频繁变动的配电网的电压/无功控制问题。当然,系统复杂度和开发费用也明显增大了。

  3、自适应的解决方案:简单来说,第三种方案要经过一段时间的学习,然后根据当前测量的实时数据(电气条件、天气状况等)和在同样条件下过去的经验来决定采用哪种方法。自适应方案的主要优点是不需要摸拟系统的运行状况,因此是一个灵活可拓展的解决办法。一些供应商,包括PCSUtilidata和库柏电力系统,目前正在推动这种技术,如下图所示。

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  智能逆变器技术

  逆变器是将直流电能变换为交流电能的设备。逆变器是光伏发电系统中最为复杂的设备,是系统中成本第二高的设备,同时也是系统中最脆弱的环节。光伏电池板一般非常坚强可靠,有长达25年的使用寿命,而逆变器的寿命一般不超过10年。

  市场上的逆变器有离网型的、并网型的。并网型逆变器的控制系统整合了包括雷电保护在内的多种功能。现有的逆变器通常根据“主从”原则接入系统。而小型的逆变器模块则应用于小型的光伏系统,比如屋顶光伏发电。研发中的新一代微型逆变器(国内常简称为微逆)有希望克服局部遮挡问题,充分挖掘光伏电池板的发电能力。

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  目前的光伏系统设计中,所有的光伏电池板均是串联的。若光伏板上的某部分被遮挡了,则整个系统的发电效率就随之降低。此外,如果要想让光伏模块最优工作,则所有的光伏板必须具有相同的朝向和倾斜,这就限制了屋顶光伏的布局。与之不同的是,未来的光伏发电系统则要求每个电池板都连接在它自带的微逆上,这就能充分挖掘每一个光伏板的发电潜能,提升整个系统的发电效率。尤其是应用于错落有致的屋顶时,系统设计的灵活性就增强了。

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  随着光伏发电技术的普及,以及光伏在电网中渗透率的增加,电力公司正在大力推进智能逆变器,它除了完成直流-交流转换的基本功能以外,还将提供如下辅助服务:低/高电压穿越,自动发电,自动弃光,谐振抑制,阻尼振荡,电网支撑……。对于并网的每一个逆变器,从面板电平级到兆瓦级,均是电网的一部分,并在电网稳定性上发挥作用,从此不再独善其身了。

  智能变压器

  传统变压器在轻负载下的效率很低,有液体介质泄漏的隐患,并且只有升/降压这一单一功能,不能提供实时电压调节和系统监控的功能。同时,它们不能通过单相电路提供三相电能,不能部分拆开逐个修复。

  未来配电变压器将作为分布式电源的接口,能接入储能,能接纳电动汽车,采用电力电子器件替代传统配网变压器的设备。美国电力科学研究院(Electric Power Research Institute,EPRI)研发出的智能变压器,可以作为可再生能源并网的接口(Renewable energy grid interface,REGI),包括一个双向功率接口,方便光伏、储能、电动汽车的接入,也包含系统整合、本地控制和孤岛控制方面的指挥和控制功能。REGI将成为智能电网发展战略中的关键因素,扮演着将传统电力变压器和接口功能相结合的角色,可以无缝地接入可再生能源、储能、电动汽车和需求响应(Demand response,DR)性负荷,同时还为本地能源网络提供可靠的供能。此外,还将整合高级配电管理系统、能量管理系统(Energy management systems,EMSs)和DR系统,以优化、提升电网的经济性、可靠性。

  此外,EPRI还研发出了中压智能通用变压器(Intelligent Universal Transformer,IUT)。该技术替代了独立的电能转换器和传统的变压器,完全摒弃了传统变压器的笨重结构和大量的接线。多功能的IUT可提供400V的直流母线电压,用于供应直流配电系统或为电动车快速充电,如下图所示。

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  多功能固态开关系统

  多功能固态开关设备(solid-state switchgear system),在国内常被称为能源路由器,用于替换传统配电网开关,是用于配电自动化的典型智能电子设备。EPRI目前研发的主攻方向是10KV等级,已经研发完成的基于SGTO的静态转换开关(Static transfer switch,SSTS)就是这种典型的多功能固态开关设备,利用获得R&D100奖的超级门极可关断器件(super gate turn-off,SGTO),采用模块化设计,性能好,结构紧凑,可靠性高,重构力强,有一定的成本优势,适用于6kV至35kV系统。

  SSTS特别适用于配电网的负荷转移,将作为配电网监测系统中的一部分,在商业、工业、城市和郊区中大量应用。SSTS中的有源开关可用于实时潮流监测和控制,也可以作为系统保护的一个基本单元,用于限制短路电流。同时,也能减轻变压器的压力,提高变压器寿命。此外,还能减少机组停机时间,使机组运行更加连续,提供更好的电能质量。

  本地能源网络LEN控制器

  如果用电决策可以基于当前信息进行分类和执行,并且这些信息能够很容易地搜集处理,那么用户就能轻松掌握并且愿意使用这样的系统。用户可以安装一个家庭局域网络(Home areanetwork,HAN):一个是连接在EMS上的电子信息网络,一个决策处理器。HAN容纳了信息流并形成网络节点。每个节点均与家庭电力系统的一个设备或元件相关联。节点可以是代表有大量电能消耗的硬连接设备,比如抽水泵、照明电路,也可以是带插头的负荷。设备和EMS通过无线、有线或者HAN中的电力载波进行通信。

  EMS主要负责协调HAN中的各个设备,根据用户定义的规则来决定其中的设备和负荷何时开启或关闭。这些规则基于一定时期的电价信号(比如:电价超过一定的阀值时),当前的情况(比如:家用负荷按预期需要启动的时候)或者是响应外部代理机构下达的指令(比如:对一个需求响应参与者用户下达的负荷削减指令)。

  EMS根据外部环境并基于预先制定的规则做出决策。HAN就像是神经系统,可以传递节点状态的信息,并且可以传达命令,确定命令的接收者和发布者。它是一个电子设备,目的是在用户离线时仍然能够为用户管理好电能。为了达到这一目标,就需要了解用户的用电规律和用电态度,建立效用函数,表征不同系统状态下用电满意度的相对值,然后根据预先设定的规则执行。

  当前能源网络的结构正向智能电网和低碳发电、本地能源网络(Local energy networks,LENs)和电力交通相结合的方向发展。LEN包括终端用户的能源服务设备,分布式发电,本地储能,基于建筑、校园或社区层面的需求侧响应功能。分布式、集中式的控制结构决定了LEN和配电网、大电网之间的交互关系,而系统的整个布局则能够促进基于这两种控制结构的高度交互的网络的发展。

  这些结构有利于整合连接在高压电网中的集中式发电电源。特别地,这种结构使得不太可控的可再生能源发电,如风电、光伏和一些起平衡作用的电源互联起来了。预计到2030,10%的既有馈线和25%的新建馈线将包含LEN控制器。

  住宅EMS系统

  住宅EMS系统专注于管理建筑中的构件、产品或设备。住宅EMS系统并不是典型的门户。门户是常用于门户网站的一个术语。住宅EMS包括居民EMS和智能家居设备(Intelligent home device,IHD)。除此以外,系统还可以根据预先设定的计划,按用户的喜好对负荷或其他自动化设备进行管理。

  在线能量管理的门户使用户可以了解能量使用情况、能效自动管理情况,通过网页显示出来,方便用户浏览查看。可以展示价格信息,并将客户的能量消耗和产能情况与发电企业的生产计划关联起来。这一技术的推广应用将促进资源的整合和第三方平台信息的共享,从而推动住宅EMS的应用。然而,至今为止购买这一系统的人还很少。

  与此相似,但成本更低的智能家用显示设备却在随着智能电网的推进而迅速应用起来了,主要用于显示能量、费用、环境等信息,比如:实时的以及计划小时内的电费和耗电量(kWh),购电费用,最近24小时内的用电量,当前月(或者前一个月)的用电量和总费用,计划用电量,月峰值负荷,当前使用模式下的温室气体排放,不同时期的户外温度等。

  电动汽车充电设施

  几乎所有的知名汽车制造商都在进军电动汽车行业,研发全电动、插电式混合动力和增程式电动汽车,如通用汽车、雪佛兰、日产。值得一提的是,特斯拉是当今唯一能生产双座跑车的制造商,并且它还在持续研发低成本家用电动轿车。

  曾经,电动汽车主要由库仑科技、ECOtality公司、银泉网络公司等充电站运营商采用封闭、专门的充电网络为其服务。现在,国家、地方都在采取积极措施鼓励充电设施的新建、扩建,此举有利于全面推动电动汽车的大规模应用,有利于培育新的技术增长点和一批高科技民族企业。例如,许继集团公司就在这股浪潮下迅速发展成为国内目前唯一能够成套提供“充、换、储、放”一体化设备的制造商。下图是许继参与建设的青岛薛家岛电动汽车智能充、换、储、放一体化示范电站。

  电能存储

  以铅酸蓄电池为代表的电储能系统广泛应用于不间断供电的住宅区、商业区和工业区。商业和工业用储能系统可以以75%的效率提供长达8小时的连续电力,并且具有高达5000次循环周期的使用寿命。往宅区储能系统一般具有以75%的效率连续提供2小时电能的能力,也具有5000次循环周期。待机和在线的UPS技术均可使用。在线式UPS一般比较贵,但是当电力环境很差时,其还是显现出其必要性。通常应用于电气绝缘的环境和对功率波动敏感的设备,功率在10kW以上。随着科技的进步,储能装置现在可以作为一个普通的供电设备,提供500W,甚至更小的功率。在刚刚结束的杭州G20峰会,厦门科华恒盛提供了数十套高端UPS电源及整体电源解决方案,成功护航了G20峰会文艺晚会。

  传感器

  配电用传感器技术一直在不断发展,传感器的大量应用提高了系统的可靠性和资产管理水平。一些即将进入配电网应用的传感器如下:

  1、线路绝缘子传感器。线路绝缘子传感器并不是新技术,但在未来将会有新的用途:监测配电网中的线路电流、节点电压,监测配电网馈线,还可以监测开关电容器、馈线电压调节器、配电线路自动开关。在其高级应用中,还可以与变电站配合起来。

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  2、带电流电压监测功能的绝缘子。线路绝缘子传感器实际上是带电流电压监测功能绝缘子的扩展应用,这些绝缘子也能起到类似于支柱绝缘子的功能。

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  3、肘式电压电流监测器。Lindsey制造公司生产的肘式电压电流监测器可以安装在变压器和开关的末端。

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  结语

  为提升服务水平、降低运行费用,未来配电网亟需引入若干新技术以提高配电网的经济性、可靠性、稳定性、安全性、交互性.新技术将在未来的智能配电网中发挥重大作用,电力公司应当充分利用现有的监测控制设施,同时不断地寻找并利用新方法、新技术、新设备来实现配电网的经济性、可靠性、稳定性、安全性、交互性。


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