電力系統(tǒng)智能配電網(wǎng)設(shè)計(jì)研究

焦迎雪

山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013

0 引言

與傳統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)比，智能電網(wǎng)最大改革內(nèi)容為配電網(wǎng)，智能配電網(wǎng)能夠接入大量可再生能源，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的運(yùn)行，使不同電力用戶與電網(wǎng)能夠互動(dòng)。由于配電網(wǎng)是分布式電源接入其接入點(diǎn)，存在雙向電力潮流，配電網(wǎng)調(diào)度控制和運(yùn)檢管理趨同于輸電網(wǎng)。目前，電力系統(tǒng)配電網(wǎng)自動(dòng)化缺乏良好管控局面，還存在雙向互動(dòng)服務(wù)壓力。所以，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)智能配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 智能配電網(wǎng)概述

1.1 智能配電網(wǎng)的構(gòu)成

智能電網(wǎng)包含電力系統(tǒng)所有領(lǐng)域，基于一次、二次設(shè)備，與電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相互結(jié)合。基于技術(shù)層次分析，現(xiàn)代電網(wǎng)和未來智能電網(wǎng)的不同主要在于新能源發(fā)電、電力市場(chǎng)化、電能質(zhì)量、電網(wǎng)自愈能力等方面。智能電網(wǎng)實(shí)施是基于電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)高度集成與發(fā)展創(chuàng)建智能電網(wǎng)體系，包括智能輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)。

智能變電站能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)智能化的運(yùn)行與控制，根據(jù)智能化電力調(diào)度目標(biāo)實(shí)現(xiàn)基于同步信息的廣域保護(hù)和緊急控制一體化的創(chuàng)建，對(duì)電力系統(tǒng)原件保護(hù)和控制、區(qū)域穩(wěn)定控制、緊急控制系統(tǒng)等綜合防御體系進(jìn)行協(xié)調(diào)。由于電力系統(tǒng)特點(diǎn)為廣域動(dòng)態(tài)化，要求智能電網(wǎng)保護(hù)控制基于數(shù)據(jù)信息交換，解決全局與局部的功能問題、速度協(xié)調(diào)問題，實(shí)現(xiàn)分布保護(hù)控制與廣域控制的協(xié)調(diào)性[1-3]。

智能配電網(wǎng)的組成部分如下：

（1）配電網(wǎng)主體部分，由配電網(wǎng)與變電站構(gòu)成；

（2）配電網(wǎng)運(yùn)行樞紐，由微電網(wǎng)、開關(guān)、環(huán)形電路構(gòu)成；

（3）配電網(wǎng)終端，由配電設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、智能終端等設(shè)備構(gòu)成，通過配電網(wǎng)終端能夠使用戶連接配電系統(tǒng)。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用電量顯著增加，傳統(tǒng)配電網(wǎng)無法使用戶用電穩(wěn)定性需求得到滿足。智能配電網(wǎng)的使用有助于保證電壓運(yùn)行穩(wěn)定，電氣設(shè)備在用電高峰時(shí)期也不易被燒壞。

1.2 智能配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

智能配電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)電、送電、變電、配電，最后將電送到用戶。在電能配置過程中，需以本地區(qū)用電情況合理計(jì)算負(fù)荷并且分配。由于家庭用電和工業(yè)用電不同，在配電時(shí)有根據(jù)的計(jì)算電能分配，從而保證配電網(wǎng)的安全性。另外，根據(jù)配電高級(jí)優(yōu)先的原則，綜合控制配電復(fù)合，對(duì)智能配電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行全天候控制。對(duì)比傳統(tǒng)配電網(wǎng)來說，智能配電網(wǎng)具有較強(qiáng)的安全性，將物聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)，集成現(xiàn)代通信技術(shù)、傳感技術(shù)等高新技術(shù)，從而構(gòu)成全新電網(wǎng)，可以保證供電的安全性。智能配電網(wǎng)自愈功能能夠降低對(duì)用戶停電的損失，使用綜合技術(shù)能夠有效滿足用戶對(duì)電力質(zhì)量的需求，適應(yīng)整個(gè)市場(chǎng)的實(shí)際發(fā)展需求。在經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過程中，人們對(duì)電量的需求也越來越多，但是環(huán)保也尤為重要，所創(chuàng)建的智能配電網(wǎng)能夠?qū)Y源配置進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保。另外，智能電網(wǎng)的數(shù)字化、信息化與自動(dòng)化發(fā)展也促進(jìn)了智能配電網(wǎng)的建設(shè)。

2 智能配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)需求

2.1 測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性

為了提高智能配電網(wǎng)設(shè)計(jì)的實(shí)際水平，需重視配電網(wǎng)測(cè)量控制終端設(shè)計(jì)問題。配電網(wǎng)終端是通過配電設(shè)備、供料器和通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成作為配電網(wǎng)主要構(gòu)成，智能終端為實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)設(shè)計(jì)主要設(shè)備支撐。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，保證測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性尤為重要，還需保證實(shí)際控制測(cè)量效率[4-6]。

2.2 用戶、管理與運(yùn)行自動(dòng)化

自動(dòng)化設(shè)計(jì)是電力系統(tǒng)智能配電網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)，目前電力系統(tǒng)自動(dòng)化已經(jīng)成為電力行業(yè)發(fā)展主要方向。電力系統(tǒng)需保證配電網(wǎng)自動(dòng)化，從而有效適應(yīng)當(dāng)前電力市場(chǎng)，主要包括用戶、管理與運(yùn)行三方面的自動(dòng)化。用戶自動(dòng)化指的是操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶信息管理和自動(dòng)抄表工作。提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的來源為收取用戶電費(fèi)，抄表過程就是收取電費(fèi)的主要根據(jù)，對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)展建設(shè)尤為重要。傳統(tǒng)抄表工作人工成本比較大，操作效率較低，會(huì)產(chǎn)生抄表誤差，自動(dòng)化抄表則能夠有效解決此問題。管理自動(dòng)化指的是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)管理配電網(wǎng)設(shè)備組成和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)比傳統(tǒng)管理技術(shù)，自動(dòng)化管理能夠節(jié)約人力資源，有效避免管理漏洞，提高配電網(wǎng)電力系統(tǒng)的管理水平。運(yùn)行自動(dòng)化是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)方便配電網(wǎng)運(yùn)行階段合理控制，如果存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，系統(tǒng)能自行調(diào)整，從而提高系統(tǒng)整體運(yùn)行的效率。

3 智能配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)度支持系統(tǒng)界面

在系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)過程中要顯示基本圖形，包括多類型圖形，并以不同類別顯示。另外，還要能夠?qū)崿F(xiàn)多圖顯示。在接線圖管理時(shí)，調(diào)度支持系統(tǒng)管理配電網(wǎng)接線圖，要求調(diào)度人員對(duì)接線圖審核后對(duì)比前后接線圖，將兩者差異性信息展現(xiàn)出來，并記錄下來，確認(rèn)審核結(jié)果后更新電網(wǎng)接線圖。此系統(tǒng)能夠分析供電和停電范圍，打印接線圖[7]。

在配電網(wǎng)運(yùn)行信息可視化展現(xiàn)中，利用箭頭表示線路潮流，箭頭與潮流的流動(dòng)方向相同，箭頭大小與潮流大小、流動(dòng)速度存在正比關(guān)系。將配電潮流顯示出來，查看具體情況，保證最終效果。在設(shè)備運(yùn)行過程中，通過三維圖形將設(shè)備運(yùn)行的信息展現(xiàn)出來，柱子的高低表示力大的大小，柱子長(zhǎng)度表示無功容量。鼠標(biāo)移動(dòng)到某柱子時(shí)，系統(tǒng)利用數(shù)字化方式顯示全部指標(biāo)。調(diào)度支持系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 調(diào)度支持系統(tǒng)的構(gòu)成

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控和收集

在監(jiān)控和收集數(shù)據(jù)時(shí)，要便于配電網(wǎng)的全程監(jiān)控，以有效解決配電網(wǎng)中的故障問題。通過載波與光纖的組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和收集，在配電網(wǎng)中覆蓋設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行整體監(jiān)控。一旦配電網(wǎng)設(shè)備存在故障，通過上述技術(shù)能夠及時(shí)收集故障數(shù)據(jù)，并反饋給工作人員，工作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，并查找監(jiān)控信息，以有效解決故障，從而提高故障分析效率和系統(tǒng)運(yùn)行效率[8]。

3.3 可視化設(shè)計(jì)

在電力系統(tǒng)智能配電網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中，需重視可視化設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與圖像的方式充分展現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)與信息，便于計(jì)算機(jī)人員對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行可視化操作。工作人員在可視化設(shè)計(jì)中通過計(jì)算機(jī)輸入信息，解決實(shí)際配電網(wǎng)的故障問題。

3.4 圖形顯示和接線圖管理

在對(duì)調(diào)度支持系統(tǒng)圖形界面設(shè)計(jì)過程中，主要包括電氣、電纜網(wǎng)和開關(guān)站圖等接線圖，利用單線圖、區(qū)域圖、全網(wǎng)接線等方式展現(xiàn)電氣接線，在接線圖中顯示配網(wǎng)運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)多圖顯示、視圖縮放等功能。

3.5 配網(wǎng)潮流顯示

通過潮流能夠?qū)㈦娏?、無功、有功顯示出來，使用戶通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇。通過餅圖能夠顯示線路潮流的占比，圓餅表示100%線路容量，流過潮流表示為藍(lán)色。假如線路潮流大于線路容量80%的時(shí)候，圓餅就會(huì)擴(kuò)大，表示為紅色。

另外，通過層次結(jié)構(gòu)圖、全網(wǎng)主接線路對(duì)全網(wǎng)母線電壓高低、變壓器負(fù)載進(jìn)行分辨。在全圖中利用不同顏色表示負(fù)載輕重、高度水平，以離線數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。

線路負(fù)載等高線能夠顯示負(fù)載情況，通過不同的顏色標(biāo)識(shí)相同的電壓等級(jí)線路；變壓器負(fù)載等高線能夠利用不同顏色將變壓器復(fù)雜的情況展現(xiàn)出來，類似于節(jié)點(diǎn)電壓等高線。節(jié)點(diǎn)等高線結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中“12”表示主接線，“13”表示母線。

圖2 節(jié)點(diǎn)等高線結(jié)構(gòu)

3.6 三維圖形旋轉(zhuǎn)

無功設(shè)備、變壓器在同幅圖中比較密集時(shí)顯示三維圖形，前面的圖形會(huì)遮蔽后面的圖形。如果不方便觀察，判斷將可能出現(xiàn)失誤。通過三維圖形旋轉(zhuǎn)的功能使圖形到任意角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，便于觀察。利用調(diào)度支持系統(tǒng)設(shè)置SCADA/EMS接口，然后利用地理圖、數(shù)據(jù)、主接線圖對(duì)配網(wǎng)進(jìn)行智能分析。調(diào)度支持系統(tǒng)能夠直接通過接口服務(wù)器和SCADA/EMS等系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)進(jìn)行連接，如果不同區(qū)需設(shè)置隔離裝置。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

3.7 繼電保護(hù)的選取

在現(xiàn)代配電網(wǎng)光纖化發(fā)展和智能化轉(zhuǎn)型建設(shè)過程中，智能配電網(wǎng)繼電保護(hù)方案一般使用電流差動(dòng)保護(hù)位置。但是，電流差動(dòng)保護(hù)在傳統(tǒng)意義上是為了充分發(fā)揮智能配電網(wǎng)繼電保護(hù)優(yōu)勢(shì)，要求每段線路兩側(cè)都設(shè)置獨(dú)立運(yùn)行電流互感器和斷路器設(shè)備，增加了智能配電網(wǎng)投入成本?？芍?，當(dāng)前的智能配電網(wǎng)保護(hù)和控制工作要將重點(diǎn)放到傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)合理改進(jìn)的基礎(chǔ)上。另外，充分考慮高電阻接地故障狀態(tài)。智能配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)性能存在嚴(yán)重阻滯，導(dǎo)致明顯拒絕動(dòng)作，使電流差動(dòng)保護(hù)作為智能配電網(wǎng)繼電保護(hù)方式時(shí)，增加了傳輸通道對(duì)應(yīng)保護(hù)數(shù)據(jù)信息的傳輸難度。尤其是針對(duì)智能配電網(wǎng)較長(zhǎng)電線線路來說，即便是電流速斷保護(hù)動(dòng)作響應(yīng)速度最高，也無法解決因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)不暢通導(dǎo)致的保護(hù)時(shí)延問題。對(duì)于上述分析，創(chuàng)建基于智能配電網(wǎng)保護(hù)與控制過程中，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)差動(dòng)保護(hù)工作模式和電流速斷保護(hù)管工作模式充分的融合和使用。使以上兩種保護(hù)工作模式作為智能配電網(wǎng)主保護(hù)配置，使傳統(tǒng)意義的電流差動(dòng)保護(hù)工作模式作為整體智能配電網(wǎng)后備保護(hù)。在此保護(hù)模式中，電流差動(dòng)保護(hù)和電流速度保護(hù)能夠同時(shí)輸出運(yùn)算，從而得出相對(duì)應(yīng)的保護(hù)輸出數(shù)值，有效保證智能配電網(wǎng)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。保護(hù)控制結(jié)構(gòu)[9]如圖4所示。

圖4 保護(hù)控制結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

智能配電網(wǎng)為電力系統(tǒng)主要組成部分，起到連接電力系統(tǒng)和終端用戶的作用。通過文章研究，在智能配電網(wǎng)設(shè)計(jì)中使用監(jiān)控技術(shù)、配電數(shù)據(jù)采集、可視化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和排除障礙一體化建設(shè)，通過原本輸入顯示系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)展現(xiàn)出來。