分布式智能微網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用研究

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司武威供電公司 733000

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的大型電網(wǎng)系統(tǒng)的弊端逐漸凸顯。作為未來(lái)一種重要的電能生產(chǎn)方式，分布式智能微網(wǎng)技術(shù)將改變電力系統(tǒng)在中低壓層面的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式。本文從分布式發(fā)電、智能配電網(wǎng)、微型電網(wǎng)三個(gè)方面介紹了分布式智能微網(wǎng)的概況，對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了現(xiàn)階段該技術(shù)四個(gè)可能的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了進(jìn)一步展望。

關(guān)鍵詞：智能配電網(wǎng)；分布式發(fā)電；孤島運(yùn)行；微型電網(wǎng)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電力供應(yīng)的質(zhì)量及其安全可靠性的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的大型互聯(lián)電力系統(tǒng)大電網(wǎng)供電方式由于局部事故易擴(kuò)散、集中式大電網(wǎng)不能靈活跟蹤電力負(fù)荷的變化等不足，以及在一些特殊地域不便架設(shè)電網(wǎng)等缺陷無(wú)法滿足人們的需求。在這種情況下，分布式智能微網(wǎng)系統(tǒng)（distributed smart micro grid system，DSMS）被世界上很多能源電力專家認(rèn)為是能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性的主要方法，是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向[1]。

作為未來(lái)一種重要的電能生產(chǎn)方式，綜合了分布式發(fā)電技術(shù)、微網(wǎng)技術(shù)和智能配電網(wǎng)的分布式智能微網(wǎng)技術(shù)將改變未來(lái)電力系統(tǒng)在中低壓層面的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式。這種方式以智能配電網(wǎng)為平臺(tái)，整合了分布式發(fā)電技術(shù)與微網(wǎng)技術(shù)，發(fā)揮它們各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全、可靠與高效運(yùn)行的同時(shí)，提高了能源利用率，降低了成本。

1 分布式智能微網(wǎng)技術(shù)概況

分布式智能微網(wǎng)技術(shù)綜合集成了分布式發(fā)電技術(shù)、智能配電網(wǎng)技術(shù)，以及微網(wǎng)技術(shù)，本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用、區(qū)域互聯(lián)的功能，下面將從這三個(gè)方面介紹分布式智能微網(wǎng)的概況。

1.1 分布式發(fā)電

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的持續(xù)增長(zhǎng)，能源問(wèn)題愈來(lái)愈成為世界各國(guó)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著包括風(fēng)電、光伏等可再生能源和高效清潔的化石燃料在內(nèi)的新型發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，使得應(yīng)用這些能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)（distributed generation system，DGS）日漸成為滿足負(fù)荷增長(zhǎng)需求、減少環(huán)境污染、提高能源綜合利用效率和供電可靠性的一種有效途徑[2]。DGS 具有投資少、發(fā)電方式靈活、可與環(huán)境兼容等優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。但是，一些可再生能源間歇性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，使得這些電源僅依靠自身的調(diào)節(jié)能力難以滿足負(fù)荷的功率平衡，為順利實(shí)現(xiàn)功能，通常還需要其他內(nèi)部或外部電源的配合。目前，比較成熟的分布式發(fā)電技術(shù)主要有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)等幾種形式。

如圖1所示，分布式發(fā)電系統(tǒng)通常包括能量轉(zhuǎn)換裝置（即分布式電源）及控制系統(tǒng)，并通過(guò)電氣接口與外部電網(wǎng)相連。通過(guò)能量裝換裝置將自然能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等）轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)電氣接口將電能傳輸?shù)酵獠侩娋W(wǎng)中，整個(gè)過(guò)程在控制系統(tǒng)的監(jiān)控下有序進(jìn)行。

1.2 智能配電網(wǎng)

智能配電網(wǎng)（smart grid，SG）指一個(gè)完全自動(dòng)化的供電網(wǎng)絡(luò)，其中的每一個(gè)用戶和節(jié)點(diǎn)都得到實(shí)時(shí)監(jiān)控，并保證從電源到負(fù)載之間的每一點(diǎn)上的電流和信息的雙向流動(dòng)。智能電網(wǎng)涉及發(fā)電、輸電、變電、配電、用電以及調(diào)度等6個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)廣泛應(yīng)用的分布式智能和寬帶通信，以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的集成，保證電力市場(chǎng)交易的實(shí)時(shí)進(jìn)行和電網(wǎng)上各成員之間的無(wú)縫連接及實(shí)時(shí)互動(dòng)，通過(guò)對(duì)信息進(jìn)行整合分析，解決大量分散的分布式電源在配電網(wǎng)中的運(yùn)行問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)降低成本，提高效率，提高整個(gè)電網(wǎng)的可靠性的目的，使電網(wǎng)的運(yùn)行和管理達(dá)到最優(yōu)化。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展較為滯后，還沒(méi)有從國(guó)家層面制定智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略，但一些研究成果已經(jīng)為發(fā)展智能電網(wǎng)奠定了一定的基礎(chǔ)。2009年2月華北電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài)三位一體安全防御及全過(guò)程發(fā)電控制系統(tǒng)在京通過(guò)專家組驗(yàn)收[3]。該系統(tǒng)首次將以往分散的能量管理系統(tǒng)、電網(wǎng)廣域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、在線穩(wěn)定分析預(yù)警系統(tǒng)高度集成，調(diào)度人員無(wú)需在不同系統(tǒng)和平臺(tái)間頻繁切換，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)綜合運(yùn)行情況的全景監(jiān)視并獲取輔助決策支持。

1.3 微型電網(wǎng)

微型電網(wǎng)（micro grid，MG）是一個(gè)完備的小型電力系統(tǒng)，由分布式電源、負(fù)載、控制單元和保護(hù)單元等組成。微型電網(wǎng)一般有兩種運(yùn)行狀態(tài)，與主網(wǎng)連接時(shí)稱為“聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行”狀態(tài)，與主網(wǎng)跳開(kāi)后獨(dú)立運(yùn)行時(shí)稱為“孤島運(yùn)行”狀態(tài)。如圖2中虛線框內(nèi)所示，在圖2中，主隔離設(shè)備閉合時(shí)，微網(wǎng)處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，主隔離設(shè)備斷開(kāi)時(shí)，微網(wǎng)則進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)。

美國(guó)能源部將微型電網(wǎng)視為未來(lái)電力系統(tǒng)的三大基礎(chǔ)技術(shù)之一，并列入美國(guó)“ Grid 2030——電力下一個(gè)百年的國(guó)家展望”計(jì)劃中[4]。該計(jì)劃于2003年7月提出，是美國(guó)電力改革的綱領(lǐng)性文件，主要對(duì)美國(guó)未來(lái)電力系統(tǒng)進(jìn)行展望，并確定各項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)工作的階段性目標(biāo)，微型電網(wǎng)將成為美國(guó)未來(lái)配電網(wǎng)的重要組成部分。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高效大功率儲(chǔ)能技術(shù)

在DSMS中，風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生分布式電源的輸出功率，受自然環(huán)境制約，具有間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，再加上負(fù)載的擾動(dòng)，使潮流大小和方向不斷變化，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓質(zhì)量下降、電網(wǎng)穩(wěn)定性變差和供電可靠性降低等問(wèn)題。具有快速功率調(diào)節(jié)能力的儲(chǔ)能裝置為解決這些問(wèn)題，提供了一種可行的方案，成為DSMS必不可少的部分?，F(xiàn)階段DSMS中可利用的儲(chǔ)能裝置很多，主要包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。

儲(chǔ)能裝置作為微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的部分，其作用主要體現(xiàn)在：提供短時(shí)供電、用于能量緩沖和改善電能質(zhì)量等方面。主要表現(xiàn)為，當(dāng)DSMS中出現(xiàn)瞬時(shí)或短時(shí)的功率不平衡現(xiàn)象時(shí)，快速吸收剩余功率或注入功率缺額，從而實(shí)現(xiàn)模式間的無(wú)縫切換，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為重要負(fù)荷提供優(yōu)質(zhì)的電能，保持不間斷供電[5]。

2.2 高效的電力計(jì)量技術(shù)

智能化電網(wǎng)需要電力調(diào)度機(jī)構(gòu)（設(shè)備）了解得知用戶的用電規(guī)律，從而在需求和供應(yīng)更好地實(shí)現(xiàn)平衡。由智能電表以及連接它們的通信系統(tǒng)組成的高效電力計(jì)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)諸如遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、分時(shí)電價(jià)和用戶端管理等的更快和準(zhǔn)確的系統(tǒng)響應(yīng)。作為美國(guó) Intelligrid 項(xiàng)目的重要研究?jī)?nèi)容之一，用戶門戶（customer portal）技術(shù)研究致力于設(shè)計(jì)與目前用戶使用的提供“非能源服務(wù)”的協(xié)議相連接的接口。

分布式發(fā)電應(yīng)用不同的能源進(jìn)行發(fā)電，各種能源的成本、損耗等情況差別較大，一些能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能）等的季節(jié)性、地域性差異較大。如何根據(jù)實(shí)際情況，制定合理的電價(jià)方案，平衡投資與收益，使得DSMS用戶、投資方、服務(wù)商等相關(guān)方都能接受，成為需要進(jìn)行深入研究與突破的重要問(wèn)題。

2.3 電力智能調(diào)度與防護(hù)技術(shù)

電網(wǎng)的本質(zhì)是發(fā)電與用電的平衡，智能調(diào)度是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，調(diào)度的智能化是指運(yùn)用先進(jìn)傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)等，對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)度控制中心（設(shè)備）進(jìn)行的重大擴(kuò)展[5]，從而真正實(shí)現(xiàn)物理、信息與應(yīng)用系統(tǒng)的融合互動(dòng)。調(diào)度智能化的最終目標(biāo)是建立一個(gè)基于廣域同步信息的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和緊急控制一體化的新理論與新技術(shù)，協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)元件保護(hù)和控制、區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)、緊急控制系統(tǒng)、解列控制系統(tǒng)和恢復(fù)控制系統(tǒng)等具有多道安全防線的綜合防御體系[6]。智能化調(diào)度的核心是在線實(shí)時(shí)決策指揮，目標(biāo)是災(zāi)變防治，實(shí)現(xiàn)大面積連鎖故障的預(yù)防。

此外還包括應(yīng)急指揮系統(tǒng)以及高級(jí)的配電自動(dòng)化等相關(guān)技術(shù)，其中高級(jí)的配電自動(dòng)化包含系統(tǒng)的監(jiān)視與控制、配電系統(tǒng)管理功能和與用戶的實(shí)時(shí)交互等功能（如負(fù)荷管理、計(jì)量和實(shí)時(shí)定價(jià)）[3]。

3 應(yīng)用前景

相對(duì)于傳統(tǒng)的大功率傳輸電網(wǎng)，分布式智能微網(wǎng)技術(shù)具有發(fā)電方式靈活、環(huán)境兼容性好、收益投資比較高等原因，在一些不便架設(shè)電網(wǎng)的特殊地域或場(chǎng)所具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 離岸船舶及海洋工程平臺(tái)

船舶（海洋工程）電網(wǎng)是全部電纜電線和配電裝置以一定方式連接起來(lái)的組合體，是聯(lián)系電能的生產(chǎn)者（各種電源）和電能的消費(fèi)者（各種用電設(shè)備）的中間環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)分配和輸送電能的任務(wù)。船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)容量較小，電氣設(shè)備比較集中，電網(wǎng)較小，電氣設(shè)備工作條件惡劣。

船舶電站是由原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和附屬設(shè)備（組合成發(fā)電機(jī)組）及配電板組成的，是船舶電網(wǎng)中提供電能的裝置。為使船舶在各種不同工況下，如航行、作業(yè)、停泊、應(yīng)急等情況下，都能連續(xù)、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理地進(jìn)行供電，船舶上常配置主電站、停泊電站、應(yīng)急電站、特殊電站。船舶航行的海域，以及海洋平臺(tái)作業(yè)的海域常具有豐富的風(fēng)能資源，是分布式智能微網(wǎng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的重要場(chǎng)合。

圖3 分布式智能微網(wǎng)技術(shù)在船舶和海洋工程平臺(tái)上的應(yīng)用

3.2 西北部牧區(qū)

我國(guó)新疆、青海、西藏、內(nèi)蒙古等西、北部廣大牧區(qū)有不少牧民采用游牧的方式進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。他們隨水草遷徙，居無(wú)定所，四海為家。由于距離遠(yuǎn)，消費(fèi)者少，耗電量小等原因，在這些區(qū)域不適合架設(shè)大規(guī)模電力網(wǎng)絡(luò)。然而這些地區(qū)普遍具有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能，通過(guò)應(yīng)用分布式智能微網(wǎng)技術(shù)，以較少的投入就能夠滿足大多數(shù)牧民日常生活對(duì)電力的需求，是新型電力技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

3.3 遠(yuǎn)離大陸的海島

為了有效維護(hù)海洋權(quán)益，我國(guó)近年來(lái)在南沙群島大興土木進(jìn)行吹沙填海造島工程，計(jì)劃以這些海島為支撐點(diǎn)，建成軍民兩用的南海資源管理體系，切實(shí)行使國(guó)家主權(quán)。為便于島上官兵和人民的生活，島上必將建設(shè)電網(wǎng)，然而這些海島距離大陸距離太遠(yuǎn)，相互距離也很遠(yuǎn)，鋪設(shè)電纜將面臨成本高、建設(shè)周期長(zhǎng)、安全性不足，用電量較少等問(wèn)題。然而，這些海島上豐富的風(fēng)能資源、太陽(yáng)能資源、周圍海域的油氣資源為分布式智能微網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展空間。

3.4 地震、暴風(fēng)雪、洪水、颶風(fēng)、恐怖襲擊、戰(zhàn)爭(zhēng)等意外區(qū)域

近幾十年來(lái)，我國(guó)進(jìn)入地震頻發(fā)期，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加速，城鎮(zhèn)人口密度加大、建筑物抗震能力普遍偏低的現(xiàn)狀將長(zhǎng)期存在，防震減災(zāi)形勢(shì)不容樂(lè)觀。2008年5月12日我國(guó)發(fā)生了震驚世界的汶川大地震，震區(qū)電網(wǎng)受損嚴(yán)重，影響了搶險(xiǎn)救援工作的開(kāi)展。此次災(zāi)害提醒我們：完善電力應(yīng)急保障機(jī)制，加強(qiáng)電力系統(tǒng)抗災(zāi)能力建設(shè)以最大限度地減少自然災(zāi)害造成的損失，是我們面對(duì)的重要研究課題。利用微型電網(wǎng)能夠獨(dú)立組網(wǎng)、自治運(yùn)行的特點(diǎn)，在負(fù)荷中心建立微型電網(wǎng)模式的新型終端電網(wǎng)，所有負(fù)荷可以由就地分布式電源分擔(dān)[5]，將就地電源和負(fù)荷結(jié)合起來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，是近年來(lái)關(guān)于分布式發(fā)電并網(wǎng)的一種新思路。這使微型電網(wǎng)在大電網(wǎng)崩潰或發(fā)生地震、暴風(fēng)雪、洪水、颶風(fēng)、恐怖襲擊、戰(zhàn)爭(zhēng)等意外災(zāi)害情況下能夠維持對(duì)重要用戶的供電，從而避免大面積停電帶來(lái)的嚴(yán)重后果。

4 結(jié)語(yǔ)

分布式智能微網(wǎng)技術(shù)是未來(lái)一種重要的電能生產(chǎn)方式，它綜合了分布式發(fā)電技術(shù)、微網(wǎng)技術(shù)和智能配電網(wǎng)技術(shù)，將改變未來(lái)電力系統(tǒng)在中低壓層面的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式。相對(duì)于傳統(tǒng)的大功率傳輸電網(wǎng)，分布式智能微網(wǎng)技術(shù)具有發(fā)電方式靈活、環(huán)境兼容性好、收益投資比較高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段在牧區(qū)、災(zāi)區(qū)、遠(yuǎn)離大陸的海島、船舶與海洋工程鉆井平臺(tái)及災(zāi)區(qū)等不便架設(shè)傳統(tǒng)大型輸電網(wǎng)的地區(qū)和場(chǎng)所具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：

吳小東（1983-8），男，國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司武威供電公司，畢業(yè)于東北電力大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。