現代配電網運行管理系統應用方向探討

李 可，唐傳能，唐道偉，李興建

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

配電網管理系統應用現代電子通信技術和計算機及網絡技術，將配電網實時及離線信息、用戶信息、電網結構參數、地理信息進行安全集成，實現配電網的監測、保護、控制和管理。該系統能夠提升配電網供電可靠性，當配電網發生故障時進行故障識別、隔離及恢復，縮短停電時間、減少停電面積；當配電網正常運行時，監視運行工況，優化運行方式，改善供電質量，合理控制用電負荷，提升設備利用率，達到經濟運行的目的［1］。

近年來，隨著信息網絡技術的發展、配電網中大量電力電子負荷的應用、分布式發電及新能源的接入等，配電網管理系統面臨許多新的應用需求變化，現代配電網對配電網管理系統提出了新的應用需求。結合CIRED 等國際會議討論熱點及一些工程實施案例，分析現代配電網系統中配電網管理系統的應用需求及技術實施等方面的變化，為探討配電網管理系統的技術發展及應用方向提供一些參考。

1 現代配電系統應用需求概述

配電網管理系統的遠景目標是在保持系統高安全性和供電質量的同時，提升系統的經濟性和環保節能性，并使之具備大規模分布式、可再生能源的接入能力。從應用需求層面來看，匯總并對比傳統的配電網應用功能與現代配電網需求，如表1 所示。

表1 傳統／現代配電網需求差異

為應對上述應用需求，現代配電網系統面臨諸多技術挑戰，主要體現在： 電網的可靠性和糾錯能力，傳感器、采集技術，分布式電源的集成，靈活性管控，分布式發電及微網技術，分散控制需求，大規模電力電子設備應用，分布式電壓和無功控制，用戶集成與接入，信息與通信技術。

這些技術和配電網管理系統自身發展互為促進。新一代的配電網管理系統如圖1 所示［2］。

圖1 新一代配電網管理系統結構

2 應用方向

配電系統技術向設備小型化、系統集成化、引入直流、智能化的方向發展。IEC 輸配電工作咨詢委員會組（Advisory Committee on Electricity Transmission and Distribution Task Force，ACTAD） 總結當前在配電網領域的發展趨勢和新技術中提到： 鼓勵低碳社會的國際/國內政策、信息和通信技術、資產管理（尤其是對那些電網老化設備的投資策略）、符合電力系統要求的市場設計、管理機制以及廣域運行方式等［3］。

ACTAD 認為，在未來15～20 年內，配電網的發展特點將是更加“主動”和“智能”，兩者的重要性和實現程度取決于不同國家和地區的管理方式和政策。可再生能源、分布式發電的接入越來越多，高壓直流工程的實施為配電網直流技術的探討提供了廣闊背景空間；為了減小由新能源引起的電壓、頻率波動，需要在配電網中增加靜止無功補償設備（Static Var Compensator，SVC）和大規模儲能裝置；而由于分布式發電輸送反向潮流需要電網具備相應的電壓控制和解列措施，所以原來作為“被動”負荷的配電網現在對于整個輸配電系統而言變為“主動”。

2.1 主動配電網管理

主動配電網管理（Active Network Management，ANM） 近年來為業內廣泛討論，是提高配電網接納、集成分布式電源 （Distributed Energy Resource,DER）能力的新技術，其主要功能有潮流管理、電壓管理、功率平衡控制、發電與調度計劃、動態容量等［4］。從實際工程來看，英國Smarter Grid Solutions 公司曾在“低碳倫敦”等項目上實施應用并取得良好收益。其所提出的ANM 是介于變電站層設備（保護和控制系統） 與傳統的配電網管理系統OMS／DMS 之間的一層，對系統控制目標的響應時間也介于二者之間，為秒級。ANM 典型功能是通過對多個分布式電源點及關聯線路負荷的監測控制，實現系統的實時信息采集及功率流動控制、電壓控制、負荷平衡控制等，從而提升系統的經濟運行能力。

可以看出，ANM 可以使分布式電源可視、可控，其應用可以最大限度地接入分布式電源點、提高資產利用率、快速經濟性接入、延緩電網升級、提升電網運行性能。

ANM 面臨的挑戰包括：商務運營模式，網絡運營商資源，標準化（ANM 解決方案、供電質量等），通信，可中斷供電合同，滿足客戶需求的規劃工具，成本效益分析，方案與技術驗證的缺乏。

Smarter Grid Solutions 公司已經成功地將此產品實施于幾個項目，其中Okney 項目通過實施ANM向已有系統新增20 MW 發電容量。“低碳倫敦”項目如圖2 所示。

從產品商業化角度來看，目前ANM 還做不到作為常規商業業務單元出現在市場上。

圖2 “低碳倫敦”項目實施

2.2 電壓無功控制和優化

配電網系統電壓無功控制和優化主要是通過調節電壓調節器或者變壓器檔位來調節電壓，通過電容器組調節無功。國內外概念并無大不同。國外配電網管理中強調的節能降壓是指在可接受范圍內，通過使配電饋線運行于較低的末端電壓，達到能量和需求節約效果。而與此同時，隨著大量電力電子設備（穩定電源）的應用、電動機效率的提升，節能降壓技術在未來配電網中的作用可能會變弱［5］。

電壓無功的控制方法包括： 獨立的現場設備控制，通過現場數據量采集，進行獨立的電壓無功控制；數據采集與監視控制系統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）控制，基于配電網系統采集量通過SCADA 控制現場設備進行控制［6］；“智能型” 現場設備控制，通過實時及存檔數據進行控制；“配電網模型驅動”控制，也可理解為基于配電網管理系統的電壓無功優化控制。

基于配電網管理系統的電壓無功控制，可以減少電力需求、減少能源損耗、增加收入、提高功率因數、減少系統控制頻率。主要流程為：“可操作配電網系統模型”模塊集合通過SCADA 獲取遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）傳送過來的現場信息、GIS 信息、控制室人工設置信息，經實時潮流模塊運算，進行電壓無功優化分析形成控制計劃，之后送過SCADA 模塊進而控制現場設備。基于配電網管理系統的電壓無功優化控制如圖3 所示。

收集網絡中電力設備狀態，分析電網運行狀態，進行基于全局優化的算法識別，提出最優潮流控制方案在保障可靠性的同時提升經濟性，是配電網自動化的技術研究方向［7］。可以看出，基于配電網管理系統的電壓無功控制，是全局協調的方案，可控制不同目標，可應用于饋線重構，并可應對配電網分布式發電、潮流控制等，符合新一代配電網管理系統的發展方向。其缺點是實施復雜成本高，缺乏充分的經濟驗證經驗。

圖3 基于配電網管理系統的電壓無功優化控制

2.3 配電網儲能技術集成

儲能裝置管理是現代配電網管理系統的應用之一。大量可再生能源如風能、太陽能的應用很大程度地改變了傳統電網模式，配電網無功電壓控制的需求也不斷提升，這些都給配電網儲能技術帶來了極大的發展空間［5］。儲能單元的操作由儲能控制完成，配電網管理系統 （Distribution Management System，DMS）是一個功能模塊，如圖4 所示。其作用為：就地作為備用電源，電壓校正，有效集成可再生能源，進行電網負荷平整、功率因素校正等。

以國外某商業項目為例，項目儲能單元容量為25 kW，充放電限制為12.5 kW，在79 處布置總容量為2 050 kW 的儲能設備，主要采用負荷轉移、備用電源兩種控制方式。研究在調峰運行、負荷跟蹤運行、計劃運行等狀態下系統需求與損耗情況；提供了儲能對二次電壓影響、饋線潮流控制、發電平滑、智能逆變器、可再生能源集成等方面的影響。儲能是有限的，在不恰當的時候放電會使儲能單元快速衰竭；配電網管理系統進行儲能控制，可以很好地管理放電問題；另外還可以配合太陽能充電避免系統需求峰值。

圖4 基于配電網管理系統的儲能控制

2.4 交直流混合配電網

近年來電力電子技術的發展、高壓直流工程的廣泛應用推動了直流配電網的發展。配電網直流在提升配電網穩定性、改善潮流控制、遠距離孤島互聯等方面有廣泛的應用前景。和交流配電技術類似，直流配電技術主要涵蓋拓撲結構、設備、控制運行、保護等方面。直流配電網的接線方式可分為輻射狀、環狀和兩端配電，關鍵設備包括AC／DC 換流器、DC／DC 換流器、直流斷路器等［8］。

從2004 年開始，世界各國相繼開展了直流配電網的研究，在供電方式、拓撲結構、連接方式以及控制和保護技術等方面取得了一定的研究成果。目前國內外已有幾個國家開展直流配電網線路試驗運行，2015 年英國OFGEM 立項資助ANGLE—DC 直流項目，把現有的33 kV 交流線路改造為直流互聯，該項目是在歐洲的首個配電網直流工程［9］。該項目在2017 年由GE 交付，除了關鍵的電力電子拓撲等電氣電路外，該項目配置了資產管理工具軟件，提供控制中心的遠程連接，以及數據管理系統，進行數據信息收集、存儲、分析，從而為客戶進一步優化其直流系統的控制算法提供依據。

雖然未來配電網絡的規劃需要考慮直流配電網可靠性、經濟性的影響以及選址配置等因素，建設直流配電網仍將是現代配電網發展的一個重要探索方向。隨之而來的配電網管理系統，需要考慮直流配電網或者交直流混合配電網系統，包括監視及主站算法優化控制等技術集成。

上述應用需求的變化均對配電網管理系統技術應用和實施提出新的要求，通信及數據處理技術的發展也進一步促使配電網管理系統升級。相關聯的應用模塊包括資產管理、負荷預測、系統規劃、線路平衡、故障定位、隔離與恢復、線路重構、電壓無功控制、靜態安全分析、系統維護、分布式發電集成、用戶需求反饋等。因此，須進一步優化配電網模型管理、傳感技術，優化用戶建模、實時操作入口，研究配電網規劃方面的仿真方法。

3 結語

結合國際討論及項目實施中的關注熱點，對比國內配電網自動化及配電網管理系統，無論是內涵還是外延，都有一定的差異。基于系統電壓和無功優化控制的能源使用效率的提升以及在一些特定邊界條件下系統供電可靠性的提升，仍然是現代配電網管理系統的首要目標任務；而分布式能源接入、分布式儲能技術的發展以及用電需求響應等需求不斷增加、直流配電網技術的集成應用，都對配電網管理系統提出了更高的挑戰。詳細了解現代配電網中應用需求的變化以及國外配電網領域研究內容及技術發展方向，對探討我國的配電網發展方向、實施適用于現代配電網的配電網管理系統有著較大意義。