新形勢下農村配電網智能化發展方向

張 瑋，丁孝華，趙景濤

（國網電科院配農電公司，江蘇 南京211000）

1 新形勢下農村配電網面臨的挑戰

配電網是能源互聯網的重要基礎，是影響供電服務水平的關鍵環節。隨著電動汽車、分布式能源、微電網、儲能裝置等設施大量接入，以及電力市場開放和各種用電需求的出現，對低壓配電網的安全性、經濟性、適應性提出更高要求。以分布式光伏發電裝機容量為例：2016 年為1032 萬kW，2017 年為2966 萬kW，增長達187.4%。2020 年為6000萬kW，比2017年翻倍。

農村配電網作為供電服務的“最后一公里”，具有管理需求變化快，管理設備規模大，服務要求高等特點。由于缺乏頂層設計，存在重復建設、頻繁改造、原則不統一等問題，各系統、設備間接口標準、通信規約存在差異，互聯互通性較差，無法形成整體優勢，造成大量經濟資源、數據資源浪費。隨著管理要求的不斷提升，配電臺區的功能呈現多樣化和智能化的趨勢，接入的信息和設備也成倍增加，涉及配變狀態監測、無功補償、剩余電流動作保護器、電能表、分布式電源、電動汽車充電樁等多種類型，若按照傳統方式進行集中監測管控，將對人員運維、通信傳輸、主站系統信息處理等方面帶來較大壓力。低壓配電網自動化、信息化、智能化水平不高，現有資源配置能力無法滿足快速變化的業務服務需求，尤其是“電能替代”、分布式電源、電動汽車等外部環境變化，對電能質量、供電可靠性提出了更高要求。同時農村地區亟需開展綜合能源服務，一方面適應不同用戶群體、滿足多樣性能源需求、迎合多種能源應用的要求；另一方面以“服務”為中心，提供領先的能源服務理念、過硬的平臺、相關互聯網技術和能源控制技術等整體解決方案。

配電網智能化是針對面臨的現狀及挑戰，通過全面深化智能感知、大數據平臺的數據融合和運維管控的自動化、信息化、互動化的高度集成，實現配電網的主動優化控制、靈活高效運維與科學管理決策，適應多元化負荷快速發展，滿足客戶服務多樣化需求。

本文介紹了未來農村配電網發展方向的思考主要包括三個方向，一是配電智能化支撐智能運檢體系建設，二是先進裝備支撐配網全景智能感知，三是全面解決方案服務綜合能源業務開展。

2 農村配電網智能化發展方向（一）

2.1 配電物聯網云化主站

圖1 配電物聯網云化主站

配電物聯網云化主站立足能源電力基礎設施，支撐電網業務、能源互聯網業務、新型互聯網業務。其中，電網業務含電網生產運行、企業經營管理、對外客戶服務；能源互聯網業務含多能協調與互補、綜合能源服務、能源運營與交易、智慧用能等；新型互聯網業務含電子商務、網上國網、金融、養老、征信、智慧車聯網等，如圖1 所示。物聯網云化主站遵循“戰略引領、創新驅動，末端融合、統一連接，智能防御、安全可信，規劃布局、標準先行，成果繼承、經濟高效，服務用戶、構建生態”的建設原則，實現新一代電力系統和能源互聯網從終端、網絡、平臺、安全到業務應用能力提升的建設目標。

2.2 基于大數據的配網智能化運維管控

基于大數據的配網智能化運維管控，可實現數據治理，對設備運檢數據規范化建模，跨平臺獲取及異構數據的轉換及量化融合、數據校驗及無效數據的智能剔除等。

評估指標體系實現特征參量與狀態間的表征規律，特征參量的優選，指標體系的建立。

故障診斷和預測包括故障診斷、特征參量預測、故障預測，如圖2 所示。狀態差異化評價包括故障模式因果關系、差異化評價、故障概率計算等。

圖2 故障診斷和預測

風險評估包括指標體系、風險量化、不良工況修正。剩余壽命預測包括指標體系、壽命損失模型、不良工況修正。檢修決策包括檢修方式、方案優選、檢修順序。檢修策略效能評估包括評價規則建立、檢修效果評價、效能評估等。

2.3 配電網絡運行方式優化技術

配電網絡運行方式優化技術，可基于供電能力分析確定負荷正常增長情況下的網絡改造和新建方案及負荷轉供方案，主要考慮負荷均衡、降低損耗；基于節假日、工作日負荷不同特性，給出變壓器常態運行方式，主要考慮降低損耗、提供供電質量；以日線損電量最低、電壓偏移量最小、開關動作次數最少，提供多時段網絡運行優化方案，優先考慮供電質量，同時降低損耗；優先考慮重要負荷供電，并保證電壓質量；考慮在出現故障情況下，實時快速隔離故障，提高可靠性。

2.4 多級無功優化

配電網可調節設備通過RS485/232 串口線接入智能配變終端，由智能配變終端就地智能控制并將數據經無線4G上傳至主站軟件。主站軟件負責全局分析監測，并提供運行監控、效果分析、報表查詢等功能，同時基于PMS2.0系統和用電信息采集系統的大數據基礎，支持對無載調壓變、分布式電源升壓變、配網電能質量（低電壓、高電壓、三相不平衡）等進行綜合分析，定期給出問題原因分析和設備優化定值，提高整體效果。

智能配變終端中嵌入電壓治理功能App，通過裝置內部策略或接收主站軟件下發的優化指令給所有設備進行就地調控，實現配網無功和三相不平衡的分析與控制。

2.5 中低壓線損分析

10 kV母線電壓、中壓饋線、配變、低壓4級無功電壓優化功能依托線損降損分析的數據，采用配電網電壓無功最優潮流和專家規則混合優化等多種算法，得出“一臺區一目標”“一線一策”的最優控制方案，通過GPRS/4G下發給智能配變終端進行調整執行。

線損分析App 嵌入中低壓線損分析模塊，統計分析中低壓損耗情況，利用計算機輔助手段，比對同期線損和理論線損數值，并分析管理線損具體是哪些原因造成的，提高日線損達標率；在計算模型校驗無誤的基礎上，根據理論線損計算結果快速定位高線損線路、高線損線段、高損元件等，明確高線損原因，提出針對性技術降損方案。如圖3所示。

圖3 電壓監測與線損治理

3 農村配電網智能化發展方向（二）

3.1 基于融合終端的全景感知

目前配電網存在的問題，一是終端感知采集和智能分析處理能力不足，配電終端設備種類多，在功耗、可靠性、標準化、集成度等方面水平亟待提升，且仍采用傳統集中監控方式，缺乏“泛在接入”“即插即用”“邊緣計算”等能力，通信網絡及數據中心處理壓力大；二是配電網信息化實用化水平有待提升，“站-線-變-戶”關系未實現完全對應，配電臺區運行情況無法全面感知，新一代信息通信技術還未大規模推廣應用；三是數據、業務、應用缺乏共享融合，現有配電系統中各類監測、巡視、試驗等數據仍是信息孤島，大都分散存儲在各業務系統中，沒有實現互聯互通，已有數據類型和密度不能滿足配電網精益化運維和新型業務的需求。

基于“國網芯”主控芯片進行邊緣物聯代理研發，采用Docker容器技術及K8S編排技術實現軟硬件解耦和軟件App 化。通過編排技術實現邊緣物聯代理的App 遠程集群部署、產品迭代、軟件定義終端等功能。

3.2 三相不平衡治理

按照“源頭預防、常態監測、科學施策、動態治理”的原則，以智能配變終端為核心部署三相不平衡治理裝置，實現低壓臺區的全相計算、指標監控、優化方案輸出、治理效果評價等功能，解決由于三相不平衡帶來的變壓器過載運行等問題，延長變壓器壽命。

臺區通過智能配變終端采集的電壓、電流信號，結合臺區變壓器容量計算變壓器臺區負載率、電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、諧波等電能質量數據，結合設定定值產生對應告警信息。通過SVG與換相開關結合、SVG與電容結合的三相不平衡治理解決方案，智能配變終端控制SVG、電容器或換相開關進行無功補償。

3.3 網格能源協調自治

網格物聯代理作為配電網的基本運維管理單元，匯集來自DTU/FTU/TTU 采集的配電網全景信息，運用源-網-荷-儲協調控制等技術實現可靠運行、新能源消納、有序充電等配電網格的能源自治功能，運用移動巡檢、拓撲識別、綜合能源服務等技術實現設備狀態檢修、故障準確定位、運維信息及時推送等配電網格的運維自治功能。如圖4所示。

從運維角度來看，配網網格管理應用以網格為對象，差異化開展數據分析與研判，形成以配網運行狀態和設備健康狀態監測分析為主的網格化管理模式，向下對接TTU等終端設備，匯集中低壓配網及新能源感知數據；向上對接業務系統及物聯網主站平臺，實現差異化、精益化的網格自我管理，保障配網安全穩定運行，提高運維檢修效率，促進新能源就地消納。

圖4 網格物聯代理系統

4 配電網智能化技術發展方向（三）

4.1 園區能源協調控制

國內需求側管理出現了一些問題，比如尖峰負荷時間短，僅為幾十小時，傳統機組調峰經濟性下降；空調已成為高、尖峰負荷主因，發達地區超過1/3，甚至接近50%。（2015 年北京市夏季空調負荷720萬kW，空調負荷占比38%；2017年江蘇省最大用電負荷達到10219萬kW，其中空調用電負荷占比超過40%）。亟須利用新技術手段和市場機制平移負荷，削峰填谷。

園區能源協調控制依托規模化分布式電源最大化消納、主動配電網協調控制、需求側資源優化運行、源-網-荷優化系統統一信息支撐等領域關鍵技術，解決分布式電源大規模接入不確定性對電網安全運行所帶來的問題，提高電網對清潔能源的消納能力，提高電網的供電可靠性，改善電網的電壓控制水平，引導和優化用戶用電方式，降低高峰負荷。

協調控制系統主站層對上與調度自動化系統交互，實現需求響應、主動孤網、應急支撐3 種與上級電網互動能力，對下與各子系統交互，實現區域冷熱電綜合能源的安全運行、經濟運行和綠色運行3種自治運行模式：

一是安全模式，實現設備和線路在正常態和N-1下的均衡運行，解決新能源小鎮新能源高比例接入后的功率阻塞問題，提高其供電系統安全裕度，提升電網抵御風險的能力。

二是經濟運行模式，是以用戶經濟效益最大化為目標，減少交直流發電、用電之間的能量轉換環節，提高供電效率；實現分布式電源就近消納，減少功率傳輸路徑，降低配電損耗；基于峰谷電價差，控制儲能及柔性負荷運行方式，減少用電成本。

三是綠色運行，實現清潔能源100%出力，不棄風棄光，實現清潔能源的就地消納，提高新能源小鎮的清潔能源占比和利用率，利用儲能的時序能量調節作用，提高小鎮用電的綠色性，提高綜合能源利用率，降低電能占比。

4.2 網-源-荷（儲）協調控制系統

網-源-荷（儲）協調控制系統依托規模化分布式電源最大化消納、主動配電網協調控制、需求側資源優化運行、源-網-荷優化系統統一信息支撐等領域關鍵技術，解決分布式電源大規模接入不確定性對電網安全運行所帶來的問題，提高電網對清潔能源的消納能力，提高電網的供電可靠性，改善電網的電壓控制水平，引導和優化用戶用電方式，降低高峰負荷。如圖5所示。

圖5 網-源-荷（儲）協調控制系統

4.3 臺區能源協調自治

隨著經濟的發展，用電需求驟增，大規模新能源、電動汽車充電站/樁等多樣性負荷的接入，給配電網帶來了消納能力不足、電能質量控制難度增加、能效水平降低等問題。另外由于可再生能源具有分散性，就地利用資源的分布式發電和面向終端用戶的微電網的大量出現，面向公司網格化管理發展需求，強化前端業務處理，提高能源消納效率，有必要開展網格化+區域多級能源自治的配電網運行與管理研究，在配電網層面實行標準化、區塊化的建設與管理模式，以化解目前配電網運行管理中不斷涌現的諸多矛盾。

臺區能源協調自治以配電臺區為控制范疇，將轄區內的分布式電源、電動汽車、儲能、負荷、蓄冷及蓄熱裝置構建成為一個能量管理單元，通過智能配變終端，對臺區內分布式能源、儲能等裝置的采集感知，由智能配變終端分析能源均衡情況，作出能量潮流控制決策，實現臺區能源自治（削峰填谷、功率控制、負荷聚合）和對區域電網需求響應業務的支撐。

5 結束語

本文探討了在新形勢下農村配電網現狀以及面臨的挑戰，隨著農網改造的不斷推進，在不同層次、不同規模上對配電自動化進行了建設，配電自動化系統在智能配電設備、智能化功能等方面日益實用化和規范化，但還是存在管理需求變化快，管理設備規模大以及服務要求高等存在問題。

針對上述挑戰詳細分析了農村電網智能化發展趨勢，結合目前的工作重點就配網智能化支撐智能運檢體系建設，先進裝備支撐配網全景智能感知以及全面解決方案服務綜合能源業務開展這3 個方向開展了詳細闡述。

我國人口數量龐大，農業生產關系國計民生，農村電網的建設與發展關系到農業、農村、農民，農村電網是鄉村振興的基礎。長遠看，農村電力需求是增長的趨勢，清潔能源接入的比例也是增長的趨勢，農村電網智能化建設與改造的任務仍然較重。最重要的一點是須綜合考慮各地的實際情況，因地制宜地制定符合當地經濟發展狀況的農村電網長期發展戰略。