淺議美國智能配電網(wǎng)建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)

武云霞，余 熙，田 偉

(1.西南電力設(shè)計院系統(tǒng)規(guī)劃中心，四川 成都 610021;2.伊利諾斯理工大學(xué)阿默工程院，美國 芝加哥 60616)

0 引言

數(shù)字經(jīng)濟迅猛發(fā)展對電力供應(yīng)高質(zhì)量的要求和近年來全世界爆發(fā)的多次停電事故所暴露出來的電網(wǎng)運行安全薄弱、用戶期望的電價下降和電力市場條件下某些峰荷時段的實時電價水平升高甚至出現(xiàn)價格尖峰(price spike)的現(xiàn)象、人類對于環(huán)境友好的期待和燃煤電廠排放對大氣造成的嚴(yán)重污染，這些矛盾都表明，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)已經(jīng)難以支撐起如此眾多的可持續(xù)發(fā)展要求。另一方面，大量能源新技術(shù)的涌現(xiàn)和累積，如分散再生電源及分布存貯設(shè)備、先進(jìn)的配電網(wǎng)自動化設(shè)備及通訊技術(shù)、終端智能儀表及其信息關(guān)口、需求響應(yīng)(demand respond，DR)、智能電器與樓宇等，使得智能配電網(wǎng)的建設(shè)成為可能。但智能配電網(wǎng)不是這些技術(shù)的簡單展示，而是借用它們實現(xiàn)對傳統(tǒng)電網(wǎng)的革命性改造，達(dá)到滿足可持續(xù)發(fā)展要求下高度經(jīng)濟、可靠、安全、環(huán)保的根本目的，并由此催生了綠領(lǐng)(green collar)產(chǎn)業(yè)、智能城市、完美電力(perfect power)等概念，美國現(xiàn)任總統(tǒng)奧巴馬也把發(fā)展包括配電網(wǎng)在內(nèi)的智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)作為國家提高能源利用效率和走出金融危機泥潭的重要手段之一［1－2］。

智能配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)參與者、電力產(chǎn)品制造商、能源政策制定者、環(huán)境與數(shù)字技術(shù)專家等方方面面工作的成果，在美國，推動其發(fā)展的主要法案有EPACT05、EISA07等;從政策法規(guī)建設(shè)、模型設(shè)立、系統(tǒng)集成、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)等不同角度研究智能配電網(wǎng)的聯(lián)邦、州及私人組織更是不計其數(shù)，目前，它們已經(jīng)提出了若干擁有自主產(chǎn)權(quán)與品牌的智能配電網(wǎng)解決方案，如 GridWise、Intelligrid、GridPoint等，其建設(shè)也已步入試點階段，如:使用智能電網(wǎng)技術(shù)的地區(qū)供電公司有Bonneville Power Administration、CenterPoint Energy、Pacific Gas and Electric(PG ＆ E)、Southern California Edison、Xcel等;屬于PJM管轄范圍的EnergyConnect公司、加州大學(xué)商學(xué)院、耶魯大學(xué)森林與環(huán)境研究大樓、NJ的Ferreira建筑公司總部等采用了智能樓宇技術(shù);New Mexico州的 Mesa Del Sol市、Missouri州的Kansas市、Colorado州的Boulder市等正在建設(shè)智能城市，這些努力在消減電網(wǎng)高峰負(fù)荷和降低用戶電價方面取得了明顯的成效。

在介紹美國智能配電網(wǎng)建設(shè)技術(shù)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，結(jié)合能源部在伊利諾斯理工大學(xué)進(jìn)行的智能配電網(wǎng)研究與建設(shè)試點，闡明完美電力和智能配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，為中國智能配電網(wǎng)建設(shè)提供參考。

1 衡量智能配電網(wǎng)的技術(shù)準(zhǔn)則

智能配電網(wǎng)的基本特征是自愈、安全、綠色和經(jīng)濟，美國能源部提出從以下幾個方面衡量配電網(wǎng)是否達(dá)到智能化水平。

(1)自愈和災(zāi)變防御能力。即使在極容易引起電網(wǎng)崩潰的級聯(lián)故障發(fā)生時，配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)也應(yīng)自動而快速地完成故障監(jiān)視、診斷、開關(guān)切換、潮流控制、恢復(fù)等各項功能［3］。其自愈能力可從能夠進(jìn)行實時監(jiān)控的用戶及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量，重要用戶供電可靠性，安裝有先進(jìn)控制、通訊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，能進(jìn)行安全極限及裕度分析的網(wǎng)絡(luò)范圍等進(jìn)行判定。其次，由于在緊急狀態(tài)下電網(wǎng)可能需要分布式能源提供輔助服務(wù)，因此也可用能實施DR、具有分散發(fā)電及分布式儲能設(shè)備的負(fù)荷數(shù)量作為考察準(zhǔn)則。此外，從最終效果上，電力系統(tǒng)遭受故障時的影響范圍，如系統(tǒng)平均停電時間、恢復(fù)時間及其成本等，都能用于衡量電網(wǎng)的自愈能力。

除上述針對物理系統(tǒng)的準(zhǔn)則外，還應(yīng)考慮電力公司是否具有防災(zāi)預(yù)案、防黑客系統(tǒng)等在內(nèi)的柔性運營規(guī)則及操作規(guī)范，用于預(yù)防、感知、應(yīng)對人為失誤、電力市場競爭、信息和通信系統(tǒng)故障、自然災(zāi)害、蓄意破壞等來自自然、社會等多種因素的攻擊，以實現(xiàn)災(zāi)變防御。

(2)分散電源與分布存儲設(shè)備的應(yīng)用水平。用戶以“即插即用(plug and play)”方式使用分散的風(fēng)、太陽能、燃料電池等各種再生電源和清潔能源(如天然氣)，不僅可以減少污染排放，而且能夠采用熱電聯(lián)供(combined heat and power，CHP)技術(shù)，使發(fā)電廢熱就近在樓宇中循環(huán)使用，有效提高能源效率［4－6］。此外，某些再生電源，如太陽能，產(chǎn)生的直流電可以供給大量的家用電器直接使用，相對傳統(tǒng)交－直流轉(zhuǎn)換方式，其供電成本將大幅下降。大量的分散電源相互連接并協(xié)調(diào)控制，形成能源網(wǎng)(energy web)，可以把傳統(tǒng)集中供電的配電網(wǎng)變成眾多的本地化的供電單元。

風(fēng)、太陽能等分散式再生能源具有間斷性和非100%可預(yù)測性的特點，需要裝設(shè)存儲設(shè)備作為補充，起到穩(wěn)定潮流和吸收電力沖擊的作用，這些設(shè)備通常包括大容量電容器、鉛酸電池、鋰電池、飛輪、工業(yè)用熔硫電池(utility－scale liquid molten sulfur batteries)、可逆流電池(reversible flow batteries)、超導(dǎo)磁能存貯單元(superconducting magnetic energy storage units)、壓縮空氣能量系統(tǒng)(compressed air energy system)等［7］。

分散電源與分布存儲設(shè)備的應(yīng)用水平可從允許它們自由接入的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量，能進(jìn)行實時控制的電源與存儲設(shè)備數(shù)量，由分散電源直接供電的用戶數(shù)量，存儲設(shè)備安裝容量及利用率等進(jìn)行判定。其次，從最終效果上，由于它們一般用于在峰時消減負(fù)荷，因此可通過考察負(fù)荷率指標(biāo)的提高程度加以衡量。

(3)DR實施程度。用戶能夠根據(jù)電力市場中負(fù)荷高峰時段的高實時電價信號和自身電力需求，通過雙向式終端智能儀表及其通訊設(shè)備，主動消減負(fù)荷，或轉(zhuǎn)移它至分散電源，從而降低電網(wǎng)的負(fù)荷峰值，這一過程被稱為DR［8－12］。DR可以降低電力市場中的實時電價水平，給用戶帶來經(jīng)濟實惠，另一方面，由于設(shè)備容量通常是按最大負(fù)荷水平設(shè)計，因此實施DR可減少電力系統(tǒng)建設(shè)成本。

DR是智能配電網(wǎng)的標(biāo)志性特征之一，通常需要在電力市場零售競爭模式下才能開展。因此，可從配電市場發(fā)育程度，能通過智能儀表獲取市場實時信息的用戶數(shù)量、有意愿及實際參與DR的用戶比例等進(jìn)行判定。其次，值得注意的是，DR技術(shù)除用戶主動參與的方式外，還包括智能電器和智能樓宇的使用，前者通過控制系統(tǒng)使自身運行到最佳性能，同時能在高電價時段自動減少用電量，后者通過傳感器監(jiān)視大樓的實時狀態(tài)，進(jìn)而控制通風(fēng)、加熱、制冷、照明等系統(tǒng)到最佳效率，也能在高電價時段自動切除樓內(nèi)負(fù)荷。因此，也可用智能電器及樓宇系統(tǒng)的安裝數(shù)量及其在高峰時段的動作頻度作為考察準(zhǔn)則。此外，從最終效果上，統(tǒng)計系統(tǒng)能耗下降率，也能用于衡量電網(wǎng)的DR實施程度。

(4)電力系統(tǒng)運行的優(yōu)化程度。對于配電網(wǎng)，可從裝備自動開關(guān)等高級設(shè)備的數(shù)量及使用量、實施實時狀態(tài)監(jiān)控的設(shè)備數(shù)量、開展電壓無功控制的潮流量、分散電源及分布存儲設(shè)備的容量等進(jìn)行判定。對于用戶，可從智能儀表安裝數(shù)量、DR實施程度等進(jìn)行判定。從最終效果上，統(tǒng)計系統(tǒng)發(fā)電閑置量、供電效率及負(fù)荷率等總體指標(biāo)，也能用來衡量電網(wǎng)運行的優(yōu)化程度。

(5)電能質(zhì)量高低。電力公司應(yīng)當(dāng)建立適應(yīng)智能電網(wǎng)需要的新型電能質(zhì)量指標(biāo)及其評級制度。在此基礎(chǔ)上，可從為提高電能質(zhì)量而布置的設(shè)備數(shù)量及其容量，網(wǎng)絡(luò)中電能質(zhì)量測量點的數(shù)量等進(jìn)行判定。其次，從最終效果上，統(tǒng)計電網(wǎng)出現(xiàn)電能質(zhì)量下降事故的數(shù)量及其影響范圍與程度，也能用來衡量電網(wǎng)電能質(zhì)量的高低。

(6)電力新產(chǎn)品和新技術(shù)準(zhǔn)入的開放程度。智能電網(wǎng)技術(shù)方興未艾，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有電網(wǎng)允許它們自由進(jìn)入市場的程度，也應(yīng)是衡量它是否柔性、即具備智能化功能的重要體現(xiàn)?？蓮碾娏菊攮h(huán)境對準(zhǔn)入的支持力度、本地區(qū)生產(chǎn)電力智能化產(chǎn)品的規(guī)模以上公司數(shù)量、智能化產(chǎn)品中獲得電網(wǎng)準(zhǔn)入許可的數(shù)量、用于開發(fā)新產(chǎn)品與技術(shù)的資金總量等進(jìn)行判定。

2 完美電力的技術(shù)要點

目前，美國智能電網(wǎng)的研發(fā)工作主要集中在配電側(cè)，其目標(biāo)是向用戶提供可參與、高品質(zhì)、低成本、低排放的電力產(chǎn)品，這一產(chǎn)品被稱為完美電力［13－15］。

美國能源部(DOE)現(xiàn)正在芝加哥市伊利諾斯理工大學(xué)(IIT)就完美電力的研發(fā)和工程建設(shè)進(jìn)行試點，涉及的單位包括本地供電公司ComEd、產(chǎn)品供應(yīng)商S＆C Electric和Endurant Energy以及研發(fā)機構(gòu) Galvin Electricity Initiative。整個工作分為4期，5年完成，總耗資上千萬美元，目的是建成一個智能化微網(wǎng)，即智能控制系統(tǒng)通過通訊層，協(xié)調(diào)本地分散電源和分布存儲設(shè)備，以及ComEd電網(wǎng)，共同滿足由智能樓宇及DR技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理的本地電力和熱負(fù)荷需求(CHP技術(shù))，實現(xiàn)為用戶提供完美電力產(chǎn)品的承諾。其技術(shù)要點主要有以下幾點。

(1)ComEd下轄的輸電網(wǎng)和變電站為IIT校園提供冗余的外部電力供應(yīng)，并確保供電質(zhì)量。

(2)IIT校園內(nèi)的配電網(wǎng)實現(xiàn)自愈。

①網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)智能化。為此，一是在采用高質(zhì)量電纜和變壓器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)饋線冗余，二是配電自動化，裝備負(fù)荷和設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控以及自動開關(guān)和事故恢復(fù)系統(tǒng)，應(yīng)采用電力電子控制和統(tǒng)一平臺的實時通訊技術(shù)，以支持分散而高可靠性的電力系統(tǒng)。

②布置分散電源、分布存儲設(shè)備及UPS。在高電價時段，并入本地分散電源來供應(yīng)負(fù)荷，可以少交電費并幫助電網(wǎng)減少運行風(fēng)險，甚至可以根據(jù)實際情況把分散電源的多余電力反送入電網(wǎng)，相當(dāng)于為所在的PJM ISO提供輔助服務(wù)，以獲取收益。

③建設(shè)智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流包括每個開關(guān)表計所記錄的電壓、電流、有功、無功、電量、頻率、諧波等，天氣及樓宇照明狀況，發(fā)電控制信號，分散電源與分布存儲設(shè)備容量及輸出量，分散電源燃料供應(yīng)狀況等。從這些數(shù)據(jù)中值得提取的信息包括有功頻率曲線、電壓無功曲線、電能質(zhì)量指標(biāo)、判斷電網(wǎng)是處于開合開關(guān)時的正常振蕩還是事故下的擾動(如是擾動，進(jìn)一步判斷是否按孤島方式運行，此時由分散電源單獨供電)等。系統(tǒng)完成的功能包括數(shù)據(jù)測量及趨勢分析、實時電價分析、DR控制、監(jiān)測故障并隔離、將無功及有功盡量調(diào)至期望值、緊急備用投入或孤島運行等。系統(tǒng)基于代理(agent)的方式運行，動作對象包括分散電源、分布存貯設(shè)備、DR元件、開關(guān)、繼電器和電能質(zhì)量設(shè)備等。

(3)IIT校園內(nèi)的樓宇實現(xiàn)智能化。智能樓宇不僅包括電力，還含有照明、供水、通風(fēng)、制熱、制冷、防盜、電視/電腦/電話/音像等數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對它們的監(jiān)控將集中在一個統(tǒng)一的信息平臺上，既便于使它們都運行在最佳效率區(qū)，節(jié)約能源，又可實現(xiàn)“即插即用”，有效完成DR功能。此外，智能樓宇間還應(yīng)實現(xiàn)電力互換。

3 智能配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

(1)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行研究。第一，結(jié)構(gòu)方面，首先，在分析制約配電網(wǎng)智能化的政策及技術(shù)因素基礎(chǔ)上，規(guī)劃配電網(wǎng)走向智能的策略與步驟，其中，需要結(jié)合經(jīng)濟、環(huán)境、技術(shù)等約束，分析系統(tǒng)長期供需狀況，目的是確保資金投入和新產(chǎn)品、技術(shù)有序進(jìn)入，并考慮如何構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)的電子商務(wù)式的未來電網(wǎng);其次，進(jìn)行分散電源規(guī)劃研究，包括準(zhǔn)入條件(地點、費用)分析，采用含成本、可靠性等多種因素的多目標(biāo)規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行投資規(guī)劃及其影響因子分析，含有分散電源的配電網(wǎng)新型潮流、GIS及可靠性分析，分散電源運行管理、風(fēng)險及DR對運行影響分析等。第二，運行方面，為實現(xiàn)完美電力目標(biāo)，支持系統(tǒng)應(yīng)包含自動儀表測量、用戶用電管理、配電網(wǎng)運營優(yōu)化、設(shè)備故障預(yù)測、停電管理及恢復(fù)、峰荷管理等功能模塊。

(2)分散電源、分布存儲及DR研究。

①DR市場建設(shè)。首先，提出包括智能儀表、智能電器、智能樓宇、分散電源、分布存儲、熱電聯(lián)產(chǎn)、市場交易平臺、用戶管理、用戶分析及決策、數(shù)據(jù)管理、結(jié)算及賬單管理、爭議處理、通訊等各種要素在內(nèi)的DR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);其次，針對不同用戶，分別確定參與DR的運作模式、容量以及評價體系;最后，應(yīng)適時建設(shè)示范小區(qū)。

②分布存儲設(shè)備設(shè)計。首先，需確定它與電網(wǎng)間的接口，包括安裝地點、數(shù)據(jù)流及其控制、管理系統(tǒng);其次，進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟性分析，并實施現(xiàn)場測試;最后，需研究存儲設(shè)備提供輔助服務(wù)的能力及其實時性能。值得一提的是，電動汽車近年來得到廣泛應(yīng)用，它一般選擇在負(fù)荷低谷時段進(jìn)行快速充電，這類負(fù)荷十分分散，且隨機性強，如果大量存在，將對電網(wǎng)的控制及電能質(zhì)量帶來新的挑戰(zhàn)，同時，它也是一個移動電源，用戶可以選擇在負(fù)荷高峰，實時電價高的時段向電網(wǎng)注入多余電能以獲取利潤，這對未來市場的運行也必將產(chǎn)生巨大的影響，以上兩方面的問題都需要做深入研究。

③智能儀表選擇。DR離不開間斷式測量且提供雙向信息服務(wù)的自動智能儀表及其開放式管理系統(tǒng)，需要定義其通訊網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)原型、數(shù)據(jù)格式與功能模塊。此外，眾多智能儀表的產(chǎn)品供應(yīng)商多來自IT領(lǐng)域，其更新?lián)Q代速度快，會帶來相互間不兼容、系統(tǒng)更換頻繁的問題，需要采取統(tǒng)一模型和標(biāo)準(zhǔn)以及模塊化設(shè)計生產(chǎn)等措施。

④運行分析。一是能根據(jù)電價及天氣情況實時預(yù)測分散電源的電量輸出;二是在市場環(huán)境下，進(jìn)行包括隨機潮流及短路電流等在內(nèi)的穩(wěn)態(tài)分析;三是考慮分散電源運行間斷性的經(jīng)濟調(diào)度和機組組合;四是包括分散電源、DR用戶、分布存儲設(shè)備、電力電子元件及其控制系統(tǒng)的暫態(tài)時域及頻域分析，以確保系統(tǒng)運行的安全可靠;最后，由于分散電源通常由電力電子元件接入電網(wǎng)，因此，需要研究電力電子設(shè)備及通訊系統(tǒng)的可用性及其可能的運行模式。

⑤開發(fā)基于分散電源、DR用戶、分布存儲設(shè)備等元素在內(nèi)的新型能量管理系統(tǒng)。這需要有嶄新的理念、工具和技術(shù)保證手段，重點是研究如何利用這些元素建立自愈網(wǎng)絡(luò)、如何利用遠(yuǎn)方控制協(xié)調(diào)這些分散元素以及如何確保電網(wǎng)電能質(zhì)量等。

(3)配電設(shè)備優(yōu)化管理。首先，研究設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)視及診斷的高級模型、算法與工具;其次，從可靠性、電能質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)支撐等方面進(jìn)行設(shè)備管理風(fēng)險及社會、經(jīng)濟效益分析;再次，大力研究如何應(yīng)用新型導(dǎo)體及絕緣材料提高線路熱極限，如何更好地實現(xiàn)網(wǎng)間互聯(lián)，如何進(jìn)一步發(fā)揮超導(dǎo)等在控制潮流和預(yù)防阻塞方面的作用，如何充分應(yīng)用可視化系統(tǒng)、安全限制下的最優(yōu)潮流等分析工具，使配電設(shè)備更具使用效率。

(4)不同類型能源間的相互作用研究。除電力外，還包括天然氣、供熱、水等其他形式的能源系統(tǒng)，它們相互作用，需要建立互聯(lián)模型，并進(jìn)行規(guī)劃及運行層面上的全局優(yōu)化，以減少彼此冗余度，進(jìn)而提高整體效率，達(dá)到技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境上的最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語

智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的重點領(lǐng)域和難點之一，它所涉及的能源技術(shù)極其廣泛，目前中國正積極開展智能配電網(wǎng)相關(guān)研究和試點建設(shè)。通過研究可以得到以下結(jié)論。

(1)配電側(cè)是美國智能電網(wǎng)研究的重點，它的建設(shè)需要電力系統(tǒng)參與者:政府、電力企業(yè)、用戶的共同推進(jìn);

(2)在智能配電網(wǎng)建設(shè)技術(shù)準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，分散電源、分布式儲能和針對新型配電網(wǎng)管理運行優(yōu)化的能量管理系統(tǒng)是未來智能配電網(wǎng)有待研究的關(guān)鍵技術(shù)。

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