一文详解！集成高占比可再生能源的智能配电系统

2 集成高占比RES的创新案例

本节首先介绍了几个大规模消纳RES的项目，包括欧洲12家机构共同参与的IgreenGrid项目、意大利电力公司ENEL承担的PugliaActiveNetwork项目、英国西部电力承担的灵活的即插即用（FlexiblePlugandPlay，FPP）项目；然后介绍了英国西部电力承担的RES不同接入方式的项目、德国智能电网服务公司（SAG）的配网自动化实践案例、荷兰DNVGL技术咨询公司的测试方法和验证规范。

2.1 一些大规模项目概况

1）IgreenGrid项目。欧洲12家机构共同参与的IgreenGrid项目为电网集成高占比RES在技术层面提供了很多创新案例，如西班牙Iberdrola配电公司正在研发的新型无功控制技术，奥地利Oberösterreich配网公司正在研发的光伏逆变器控制、有载调压变压器控制和实时电压测量、以及利用自耦变压器进行低压线路电压调节等新技术。

2）PugliaActiveNetwork项目。意大利电网公司Enel对接入中压电网的RES的新型控制方案进行了测试，其成果目前正借由PugliaActiveNetwork项目给予大范围的实施和推广。该项目是欧盟第一个地区级示范项目，其目的是有一定规模程度地展示如何利用智能电网创新技术针对DG接入配网进行主动网络管理。

PugliaActiveNetwork项目中涉及的创新技术包括：①中压网络的电压调节和DG监测；②提供智能服务，包括建设电动汽车（EV）充电站和提高用户参与意识，后者通过智能设备（SmartInfo）向用户提供用电和/或发电量数据，使用户根据其生活习惯采取最经济的用电方式，从而实现需求的主动化；③防止在接入RES的情况下出现孤岛从而提高网络的可靠性；④停电管理和网络自动化；⑤实现接入DG的MV配网的需求响应（在紧急情况下限制/控制有功需求）。利用上述创新技术对Puglia地区的MT配网进行主动网络管理，该配网中分布式发电容量超过2.6GW，包含102个HV/MV变电站，超过4 000个MV/LV变电站；为了实现智能服务，建设了约250个EV充电站，并在Valled’Itria地区安装了30 000个SmartInfo设备。

3）灵活的即插即用项目。英国西部电网公司在其灵活的即插即用项目中测试了DG灵活接入的可能性，展示了集成高占比RES电网在规范和技术方面的创新案例和经验。首先，允许DG用户接入配网的前提是DSO能够根据运行要求控制其发电出力；在FPP项目初期预计年削减量为5.3%，实际削减量接近2%。其次，英国西部电网公司正在研发两种削减出力的商业方案—后进先出（lastinfirstoff，LIFO）和按比例分配（Pro-rata），即用不同的方式实现一个削减出力策略，利用智能设备保证获取额外的容量，需要削减的出力则在DG用户之间有差分摊。

FPP项目表明，当采纳计算所得的削减量大小时，灵活接入对于大多数用户来说是切实可行的一种选择。计及削减成本，项目为试验区内的入网DG用户总共节省了近3 200万英镑；平均入网成本节省了87%，减少接入等待时间超过59%（平均29周）。该方法在未来有很广泛的应用前景。

2.2RES灵活接入方式

英国西部电网公司（WPD）研究了RES灵活接入方式，并在英国西部从低压到132kV的电网上实施，其供电区域覆盖55 500km2，用户780万；架空线和地下电缆共计221 000km，变电站185 000个。在RES灵活接入方式的创新项目方面，WPD调动了所有利益相关者的积极性，并对知识库进行管理，其创新策略体现在网络方面是示范不同的投资策略，以便英国顺利实现低碳转型；体现在用户方面是测试各种新型接入方案，以便用户使用低碳技术；体现在效益方面是开发新方案，以提高电网性能和商业绩效。

计划接入的电源其供电量是有弹性的，即能够根据需求波动输出相应的功率，但是大部分DG是无计划接入的，所以当电网非正常运行时，这部分发电可能需要被切除，这通常发生在计划外故障、计划维修、新建工程和设备置换等情况下，持续时间取决于故障的严重程度，短到几毫秒，长到数月。对此，WPD提出3种RES接入方式：①定时，即在特定的时间削减发电，此时可以通过储能等手段减少RES出力削减所带来的损失；②软联动跳闸，即利用跳闸设备释放预故障容量；③在满足所有约束条件的基础上对容量进行全面优化，而RES接入带来的系统约束问题则通过引入局部灵活机制来解决。这3种方法的特点参见表1，其成本、复杂程度和优化程度是依次递增的，与传统的配电网改造方式之间的成本比较参见表2。

所有被设计为“非固定（Non-firm）”的接入方式在不正常运行状态下都可以被切除。WPD针对其网络模型使用历史负荷数据，在此基础上叠加理想的发电量分布情况，据此估计不同接入方式下的削减量大小；WPD总结使削减量增加的因素包括故障维修、非计划故障、失去负荷、净需求量输出、净发电量输入、小规模发电、失去通信；使削减量减少的因素包括新负荷接入、负载增加、净需求量输入、净发电量输出、发电故障、网络建设、准入的发电没有落实。

2.3 电网自动化

德国SAG公司提出了一种中、低压配网自动化的创新解决方案，主要解决配网集成高占比RES后会带来的电压越限和线路过载问题，其整体部署如图8所示，通过传感器对选定节点和支路进行测量，将信息经由电力载波或超高频无线通信传输至控制单元，后者运行配电网状态辨识和控制算法，将控制信号传输至相应的执行机构，对选定的馈线和负荷进行调节。该方案已在德国郊区（辐射状）和城网（环状）等14个试点部署实施；案例研究结果表明，该方案涉及的自动化系统升级成本与硬件升级成本之比约为5∶1，并且总成本只有常规配电网硬件改造成本的一半。在工程方面的挑战主要是变电站、机柜与RES之间的通信问题，以及变化多端的低压电网结构GIS数据量太大的问题。目前该方案只适用于低压配电网，是否能够应用于中压配电网还需要进一步的现场测试和相关政策支持。

2.4 电网的测试和验证方法

荷兰可再生能源领域最大的独立技术咨询公司DNVGL（在电力工业领域已有90年的从业经验，其中30年致力于能源效率和风电方面的研究。作为领先的认证机构，DNVGL发布了超过25项的标准和导则，尤其在大功率和高电压测试方面首屈一指）针对集成了RES的智能电网提出一种全面的测试和验证方案，如图9所示。

DNVGL公司专门成立了灵活电网实验室，对智能配电网运行情况（如各种电能质量条件下的RES）进行评估，验证创新性控制策略，以期改善电网的安全性和稳定性。与传统“被动”测试相比，该公司所提出的“主动”测试方法可以提高测试的可信度和系统的稳健性；元件测试中所使用的电压等级最高24kV，直流频率最高75Hz，容量最大1MVA，可分析超过25次的谐波，元件均为四象限运行。

该公司以一个检测功率流向的方案为例对所提出的测试方法进行了验证，在该方案中保护继电器向功率放大器传输电信号，功率放大器随后将该信号传输至实时系统模型并接受返回的信号，最终实现模型与实际情况的一致；所有验证过程均在闭环测试系统中实现。该项目下一步的研究重点是增加测试可信度和系统鲁棒性。

4 结语

目前的配电网运行缺乏中、低压层级的实时信息，为此CIRED-RT1构建了一种创新性的配电运行模式，通过集成来自传统数据源和新型智能设备提供的大量数据信息，极大地提高了配电系统的自动化监控水平。其研究成果是形成了一个智能电网基本体系框架，改进了信息处理方式，具体包括收集信息、处理信息、通信架构和评估策略4部分，即收集来自各方数据源的信息，利用高级软件工具给予处理，通过通信架构与控制保护装置和灵活性资源进行交互，并对市场策略进行评估。该体系控制模式采用分层结构，主要信息流在每个控制层进行分解，控制信号都在本地计算得到；所有功能模块遵循相同的结构，并且使用分布式智能和集群方式。CIRED-RT7则介绍了一些与电网集成DER有关的大规模试点项目和创新技术，主要包括RES灵活接入方式、电网自动化、电网的测试和验证方法等。

本文所介绍的消纳高占比可再生能源的运行模式和大规模案例为我国电力系统消纳高占比的RES发电提供了良好的参照。值得一提的是，智能技术及其商业解决方案必须能够体现所有利益相关者真正的价值或效益才能得到规模化的推广应用，因此除了技术创新，还需要进行相应的标准创新和制度创新。根据RT1与RT7的讨论，为了提高电网对RES的接纳能力，配电系统运营商可以从分布式电源侧和用户侧（灵活性资源）购买服务以避免网络阻塞，并可利用储能设备平滑RES带来的不确定性和风险，同时应该从导则和规范、技术标准、配套政策、监管条例等多方位创新，才能推出给所有利益相关者带来实效的智能电网解决方案。借鉴实现高占比RES国家的成熟经验，中国应对理论分析、技术研发、实验验证、实际应用中的每一方面进行深入研究，只有在创新性技术经过严格的测试和系统验证并且有创新的标准和制度予以配合时，才能考虑相关研究成果的大规模推广和应用。

作者简介

范明天，博士，教授级高工，主要研究方向为城市电网规划、城市电网应急管理、配电自动化规划、优化计算方法。

谢宁，博士，副教授，主要研究方向为电力系统安全与稳定、电力系统经济运行、智能电网。

李宏仲，博士，主要研究方向为配电系统规划。

王承民，博士，教授，主要研究方向为电力系统节能与经济运行、电力系统规划。

周名煜，硕士研究生，主要研究方向为电力系统安全稳定分析、电力系统经济运行、电力市场。

张东南，硕士，主要研究方向为配电系统规划。

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