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(jì)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(jì)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(yùn)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(shí)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(shí)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(jì)、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(jī)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)，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(jì)，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(xiàng)功能［3］。其自愈能力可從能夠進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控的用戶及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(yùn)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(shí)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(diǎn)，需要裝設(shè)存儲設(shè)備作為補(bǔ)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(diǎn)數(shù)量，能進(jìn)行實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)時電價水平，給用戶帶來經(jīng)濟(jì)實(shí)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(jì)，因此實(shí)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(shí)時信息的用戶數(shù)量、有意愿及實(shí)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(yùn)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(shí)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(jì)系統(tǒng)能耗下降率，也能用于衡量電網(wǎng)的DR實(shí)施程度。

(4)電力系統(tǒng)運(yùn)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(shí)施實(shí)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(shí)施程度等進(jìn)行判定。從最終效果上，統(tǒng)計(jì)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(yùn)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(diǎn)的數(shù)量等進(jìn)行判定。其次，從最終效果上，統(tǒng)計(jì)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)。可從電力公司政策環(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(diǎn)

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(diǎn)，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(jī)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(shí)現(xiàn)為用戶提供完美電力產(chǎn)品的承諾。其技術(shù)要點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

(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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(fèi)并幫助電網(wǎng)減少運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，甚至可以根據(jù)實(shí)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(jì)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(yùn)行，此時由分散電源單獨(dú)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(shí)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(yùn)行等。系統(tǒng)基于代理(agent)的方式運(yùn)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(shí)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(yùn)行在最佳效率區(qū)，節(jié)約能源，又可實(shí)現(xiàn)“即插即用”，有效完成DR功能。此外，智能樓宇間還應(yīng)實(shí)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(yùn)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(jì)、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(diǎn)、費(fèi)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(yùn)行管理、風(fēng)險(xiǎn)及DR對運(yùn)行影響分析等。第二，運(yùn)行方面，為實(shí)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(yùn)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(yùn)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(jì)。首先，需確定它與電網(wǎng)間的接口，包括安裝地點(diǎn)、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(jì)性分析，并實(shí)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(shí)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(jī)性強(qiáng)，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(shí)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(yùn)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(jì)生產(chǎn)等措施。

④運(yùn)行分析。一是能根據(jù)電價及天氣情況實(shí)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(jī)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(yùn)行間斷性的經(jīng)濟(jì)調(diào)度和機(jī)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)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(shí)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(xiǎn)及社會、經(jīng)濟(jì)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(shí)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(yùn)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(jì)、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(diǎn)領(lǐng)域和難點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，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(yùn)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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