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未来配电网中的新技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-09-21  来源:NE电气  作者:NE小编
科技前沿

未来配电网将在各个变电站之间使用高速宽带通信系统,利用智能电子设备(Intelligent electronic devices,IEDs)进行自适应控制和保护,应用能量管理系统监测配电网的运行状况,并充分采用智能系统减少电能质量问题和提高供电可靠性。
 
电力工业是当前工业界最后几个还没全面应用传感器技术、通信技术以及计算机技术来提升服务水平、降低运行费用的重要工业,尤其是配电网领域。未来配电网在新技术应用上还存在广阔的发展空间。此外,为了应对不断增长的分布式电源、电动汽车等新型负荷,以及对电能质量和供电可靠性的高要求,配电网亟需引入若干新技术。
 
电气工程专家认为:未来配电网将在各个变电站之间使用高速宽带通信系统,利用智能电子设备(Intelligent electronic devices,IEDs)进行自适应控制和保护,应用能量管理系统监测配电网的运行状况,并充分采用智能系统减少电能质量问题和提高供电可靠性。
 
未来配电网中将会逐步普及的新技术包括:
1、先进的配电自动化(Distribution automation, DA)技术
2、配电网馈线自动化技术,包括智能馈线终端重合器和继电器
3、电力电子技术
4、馈线电压/无功控制技术
5、先进传感技术
6、智能通用变压器
7、多功能固态开关技术
8、配电网故障预测及定位技术
9、先进的计量设施(Advanced metering infrastructure,  AMI)
10、本地能源网络控制器
11、分布式电源,包括分布式发电设备,可再生能源,储能设备。
 
先进的配电自动化技术
 
配电自动化对配电网中的重要设备进行持续监测和自动控制,整合了配电网监测控制系统和数据采集系统(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)。先进配电自动化(Advanced Distribution Automation,ADA)包含从重要馈线采集信息的智能传感器,电子控制器,双向通信系统。ADA系统采集并显示电压、电流、有功、无功、设备状态、运行状态,事件日志以及跟配电系统状态有关的其他信息。操作员可以很方便地远程控制电容器的接入、断路器的开断以及电压的调节。变电站自动化如果装设了自动开关、重合器、电容器和高级计量装置,就能充分地发挥智能电网的功能了。
 
ADA不仅将智能系统引入了变电站和计量设施中,还将智能系统带入配电网馈线当中。配电网馈线中的智能系统包括:
1、配电网中的自动开关:使配电网实现最优重构
2、自适应保护系统:协助配电网重构和集成分布式电源(Distributed energy resources,DERs)
3、电力电子控制器:提高系统的可靠性和技术性能
4、电压调节和无功控制器:减小系统网损,提高电能质量,促进新能源消纳。
 
智能馈线终端重合器和继电器
 
用基于微处理器的智能继电器和重合器来替换基于电子机械的保护控制系统是智能电网发展的必然过程。预计到2030年,70%的馈线都将配备智能继电器和重合器。在馈线首末端用智能电子设备替换传统的机电式继电器保护和控制设备具有如下优点:
1、测量仪器能够持续地对测量值(电流、电压等)进行监测分析,能及时处理测量信息并计算出有用数据(如到故障点的故障距离)。
2、能将IEDs测量或计算出的数据通过基于工业标准协议的通信系统传送给外部或者用户。
3、具有自我检测能力,使得IEDs能够检测自身的内部故障并及时通知工作人员进行维修,从而避免系统发生故障而设备拒动的情况。
4、可存储多种运行方式,可按要求将负荷切换到最佳的运行方式。这种功能在智能配电系统中非常重要,尤其是含高渗透率DER的网络或者频繁重构的配电网。
5、功能多样化。绝大部分的IEDs都将多种功能封装在一个设备中。比如说,一个继电保护的IED就具有快速过电流保护、自动重合闸、馈线保护,还有测量和监测设备环境的功能,这些功能都集成到一个设备中了,从而减少了设备内部的绕线和控制板体积。
 
智能线路开关技术
 
智能配电网中包含了大量分布在配电网馈线重要位置上的智能线路开关。这些智能开关将支持配电网实现“自愈”功能。同时,它也支持馈线终端实现满足分布式发电与负荷平衡需求的最优网架重构。智能开关具有如下主要特征:
1、具有工业标准的通信系统,用于支持远程控制和数据获取功能。出于远程控制和数据获取的目的,智能线路开关将支持信号传回配电控制中心。该开关也支持与其他智能设备(如其他智能开关、开关电容器、分布式电源等)进行点对点通信。该功能使得线路开关可以全面支持分布式、多代理、自治式的对等控制。随着智能分布式控制的逐渐成熟,我们期待自治式、分散式控制不仅仅用于自动存储,而且还能用于电压/无功优化、DERs协调控制。其中,鲁棒性好、可靠性高的通信系统是实现上述目标的必要条件。
2、每个智能线路开关必须包含一个独立的本地控制器,以获取本地数据,实现自动开关。
3、智能线路开关和相关的控制器必须支持“双向”操作,可检测潮流流向,并根据潮流流向进行响应:当潮流流向变电站时,它必须有相应的时间配合曲线(Time coordination curve, TCC),而当潮流流向相反时,必须有另一个对应的TCC。对于配电网馈线的重构(在智能配电系统中经常发生)以及可能出现潮流逆流的配电网(例如含高渗透率DERs)中,双向操作能力非常必要。
4、同时支持单向操作(只对需要跳闸相跳闸)和三线操作(三相同时跳闸)。单向重合器只把故障相线路断开,避免中断非故障相的电力供应。如果分布式发电设备在智能线路开关的下游(远离变电站),其单相跳闸的功能将被禁用,以避免对发电机造成损害。
 
预计到2030年将会有25%的配网馈线会加装智能线路开关。目前,部分智能线路开关技术已经得到应用。这些技术使得配电网具有自愈性。下图就是S&C电力公司开发的智能线路开关“Intellirupter”。
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“Intellirupter”采用了新的技术——脉冲闭合,使得智能开关能在重合前判断出线路故障类型。传统的重合器在故障发生时就会跳闸、重合,此时位于开关上游的电力设备可能受到高能故障电流的影响。应用脉冲闭合技术后,如果馈线发生故障,快速控制电路将捕捉到这一电流阶跃并在电流还没达到破坏性程度的情况下重新跳开这一相。脉冲闭合消除了故障电流对开关上游电力设备的潜在危害,减小了将开关合在故障相时的电压下降问题。
 
另一个非常有前景的智能开关技术是“退出”式重合器,如下图所示。
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“退出”式重合器适用于易遭受瞬时故障的横向电路。这种重合器在断开电路后会重合,而不是让熔断器直接熔断,因此可避免长时间停电。
 
电力电子技术
 
电力电子技术不仅可以为用户提供稳定的电能,还能同时实现频率、相位、电压等的灵活控制。静止无功补偿器、短路电流限制器就是配网中的两个典型电力电子装置。
 
1、静止无功补偿器
 
静止同步无功补偿器是目前技术最为先进的无功补偿装置。它不再采用大容量的电容、电感来产生无功功率,而是通过电力电子器件的高频开关实现对无功补偿技术质的飞跃,特别适用于中高压电力系统中的动态无功补偿。它是一种没有旋转部件,快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。下图就是西安爱科赛博公司研发的静止同步无功补偿器。
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静止同步无功补偿器能够消除一个周波内的微小电能质量扰动。因此,它可以处理由于出力波动性DERs(风电、光伏等)接入引起的配电网电压波动问题。
 
2、短路电流限制器
 
另一个典型例子是短路电流限制器(Short-circuit current limiters,SCCLs),在国内常被称为故障限流器(Fault current limiter,FCL)。SCCLs技术可以用于处理输电系统中短路电流较大的问题。目前,电力公司输电系统基础设施的承载量越来越逼近它的容量极限。与此同时,投运的发电机组越来越多,以满足日益增长的负荷需求。显然,发电容量越大,造成的故障电流也越大,很可能会超出运行设备的承受能力。
 
基于电力电子技术的SCCL可有效解决这一问题。SCCL的核心理念是:正常运行时呈零阻抗(或低阻抗),短路故障时呈高阻抗,从而起到限制短路电流的作用,如下图所示。
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因此,一旦SCCL检测到短路电流就立即工作在高阻抗运行模式,使短路电流限制在现有保护设备能正常工作的范围内。同时,SCCL也整合了很多完备的系统,包括高级控制、信号处理和通信单元。
 
分布式电压/无功控制技术
 
电压和无功控制并非新概念,所有的配电系统均需要电压和无功控制,以维持母线电压水平,保障较高的功率因素。尤其是目前,电力公司正在采取措施提升电网运行效率、资产管理水平,此时的电压/无功控制技术就更加重要了。
 
智能电网分析软件可以结合从自动化变电站流过的信息和通过SCADA系统采集的配电网数据进行分析,并推荐配网运行最优的重构结构。电网优化将以最小的线路网损为目标,整合由高级计量设施(Advanced metering infrastructure, AMI)采集的用户数据进行电压调整,同时将电压维持在可接受的水平。预计到2030年,美国566000条配电馈线中的55%都将具备电压/无功控制功能,新建的馈线则将全面实现配电自动化。
 
在智能配电系统中引入通信技术和设备,将位于变电站和控制中心中的处理器和现有的控制器互联起来,实现信息共享,从而拓宽电压/无功优化控制的能力。这些处理器可根据配电系统层面的参数,采取相应的控制措施来满足需要的电压/无功要求。值得一提的是,现在已经有很多的电压/无功控制器安装了支持IEC61850、DNP3等协议的通信设备,如下图所示。
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配电系统的控制器通常采用“独立模式”,即控制器只根据其设备自身的测量信息动作。近年来,随着配网馈线的频繁重构、并网新能源功率波动的影响,在这种动态环境下,电力公司就不得不考虑效率、线损、稳定性这些过去不那么严重的问题。曾经普遍采用的“独立模式”的控制器无法满足新形势下的需求了。因此,必须研发新技术、新设备,要求能根据环境变化,动态协调不同类型的电压/无功控制设备。
 
为了实现这些目标,电力公司就得部署能够协调所有电压/无功控制设备的电压/无功控制系统。目前,主要有3种系统级的电压/无功优化控制方法。
1、“基于规则”的解决方案:这种方法根据采集的数据,基于确定的规则来决定当前的电压/无功控制措施。这种方法简单,易于理解。但在处理馈线频繁重构以及高渗透率DERs(尤其功率波动性较大的可再生能源)接入情况时比较棘手。
2、“基于模型”的解决方案:高级配电管理系统能够处理动态配网的最优潮流。这种方法可以较好地解决馈线频繁变动的配电网的电压/无功控制问题。当然,系统复杂度和开发费用也明显增大了。
3、自适应的解决方案:简单来说,第三种方案要经过一段时间的学习,然后根据当前测量的实时数据(电气条件、天气状况等)和在同样条件下过去的经验来决定采用哪种方法。自适应方案的主要优点是不需要摸拟系统的运行状况,因此是一个灵活可拓展的解决办法。一些供应商,包括PCS Utilidata和库柏电力系统,目前正在推动这种技术,如下图所示。
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智能逆变器技术
 
逆变器是将直流电能变换为交流电能的设备。逆变器是光伏发电系统中最为复杂的设备,是系统中成本第二高的设备,同时也是系统中最脆弱的环节。光伏电池板一般非常坚强可靠,有长达25年的使用寿命,而逆变器的寿命一般不超过10年。
 
关键词: 未来配电网
 
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