一文详解！集成高占比可再生能源的智能配电系统

高占比可再生能源发电系列连载文章旨在介绍与提高可再生能源发电量占比、协调配电系统的规划和运行等相关的创新技术。作为收官之作，文章首先介绍了一个实际研发项目的体系架构、控制模式、功能模块及部分功能模块的研发和实施情况；其次介绍了一些欧洲大规模智能配网试点项目的推广和新技术的开发。相关研究成果和经验可为中国规划和运行集成高占比可再生能源的智能配电系统提供借鉴和参考。

引言

可再生能源（RES）接入配电网并提高其发电量在终端电力消费中的占比是各国能源发展战略的主要目标。近年来，国内外为此提出了很多创新性技术和商业化解决方案，智能电网的愿景正在逐步成为现实，但是也面临着越来越多的挑战。随着RES发电量占比的逐步增大，对电网提出的挑战主要体现在3个方面：

首先，RES容量快速增加要求网络扩建的速度要匹配，从而大大增加了社会成本；

其次，现有中低压网络需要配置能够适应不可预测的发电、用电模式的监控工具；

第三，在当今很多地区，分布式发电量远远超出了负荷需求，从而造成潮流反向，在输电层引发稳定问题。

另外，如果创新性技术和智能解决方案能够给所有利益相关者带来实效，就须考虑给予强制性大范围的推广应用，与此相关的挑战还包括导则和规范、标准定义，配套政策支撑等等。需要指出的是，国内此类项目研究一般涵盖理论分析、技术研发、实验验证、实际应用4个方面的内容，而国外则往往针对其中某一方面进行深入研究，而且只有在4个方面都确认可行时才考虑相关研究成果的大规模推广应用。上述种种议题都是国际供电会议（CIRED）目前关注的焦点。

国际供电会议（CIRED）致力于展示和推广供电技术与管理方面先进的技术和理念，包括网络元件、电能质量、运行控制和保护、分布式能源、配电系统规划和DSO监管等6个研究分会，其中配电系统规划分会（S5分会）包含风险管理和资产管理、网络发展、配电规划、方法及工具等4个议题。

本刊已经发表了6篇系列文章，系统地介绍了CIREDS5分会以及相关圆桌会议的创新性技术发展趋势及实际应用，包括配电网消纳高占比可再生能源的风险管理控制方法、配电网的技术发展方向、智能配电网规划的关键技术、配电网规划的创新性模型和工具、实现灵活高效智能配电网的思路与实践，以及如何利用灵活性资源实现智能配电网规划与运行的协同决策。作为收官之作，本文基于圆桌会议1（RT1）和圆桌会议7（RT7）的讨论内容，介绍了消纳高占比RES的创新运行模式和大规模推广的实际案例。

由于目前的配电网运行缺乏中、低压层级的实时信息，所以需要构建一种新的配电运行体系架构，以便能够集成传统数据源和新型智能设备二者提供的大量数据信息，包括收集信息、处理信息、通信架构和评估策略，从而可极大地提高配电系统自动化监控水平。本文首先介绍了一个提高可再生能源发电量占比的智能配电网运行模式，包括其体系架构、控制模式和功能模块，并以部分功能模块为例介绍其研发和实施情况；其次介绍了一些欧洲配电公司的大规模试点项目实例和新技术开发。相关研究成果和经验可为中国规划和运行集成高占比可再生能源的智能配电系统提供参考和借鉴。

1提高可再生能源发电量占比的智能配电网运行模式

“最大化可再生能源发电量占比的智能配电网运行方式（SmartDistributionSystemOperationforMaximizingtheIntegrationofRenewablegeneration，简称SuSTAINABLE）是欧盟一个为期3年的研发项目，由葡萄牙配电公司（EDPDistribuição）组织协调8家机构共同承担。该项目以葡萄牙Évora市为试点搭建了一个智能电网—InovGrid，覆盖城区和郊区在内共1 307km2，居住人口为54 000人，其中电力用户为30 000户；InovGrid在全市配置了30 000个配电箱（EDPboxes）、341个配电变压器控制单元和23个电动汽车充电站。

目前的配电网运行缺乏中、低压层级的实时信息，如果能构建一种新的配电运行模式，利用来自传统数据源（如SCADA/DMS、地理信息系统）和新型智能设备（如智能仪表）提供的大量数据信息，就可以极大地提高自动化监控水平，这是SuSTAINABLE立项的初衷。其面对的主要挑战是如何在短时间内处理大量SCADA事件，如何处理决策信息使其降维并精准，如何及时准确地预测事件对电网的影响，以及采取哪些措施可以缓解事件对电力系统的影响。

该项目的目标是开发和示范一种新的配电系统运行模式，最大化可再生能源占比，降低碳排放量，通过图1所示的流程改善系统的灵活性和可靠性，从而使整个配电系统的管理更加有效和经济。

具体而言，就是形成一个可供参考的智能电网基本框架，包括收集信息、处理信息、通信架构和评估策略，即收集来自智能计量基础设施、分布式传感器和其他数据源的信息，利用配电状态估计、预测工具、数据挖掘、风险管理和决策应用软件等工具处理信息，通过通信架构与控制装置、继电保护和灵活性资源进行交互，并评估辅助服务供应商的市场策略。

以上理念必须在充分定义了体系架构和功能模块的基础上才能实现。

1.1 体系架构

SuSTAINABLE项目体系架构如图2所示，采用了如图3所示的层次控制模式。其核心组件包括：①位于HV/MV变电站的中压配网中央控制器，可控的中压设备主要包括分布式电源（DG）、有载调压开关（OLTC）、并联电容器（CAP）、储能设备（STOR）以及可控负荷（CL）等；②位于MV/LV变电站的低压配网控制器；③可控设备的本地控制器。

整个控制结构由4层组成。从下至上分别为客户层、MV/LV变电站层、HV/MV变电站层和SCADA/DMS层，分别介绍如下：

1）客户层：核心设备是能量箱（energybox，EB），即与如微型发电设备（µG）、可控负荷（CL）、电动汽车（EV）和储能（STOR）等元件相联的能量管理接口，主要起测量和履行远程电力交易的作用，对于在低压网络中有效接入微型发电、与上层电网无缝连接非常关键；EB接收控制微型发电设备逆变器的设置数据，以实现电压和频率控制，或将这些数据信息传输到需求侧管理等家庭自动化系统；其服务质量（QoS）机制则向IT系统汇报自动处理和硬件升级信息。

2）MV/LV变电站层：核心设备是配电变压器控制器（DTC），其主要功能包括故障检测和报警；对微型发电和主动负荷进行本地网络管理；在商业系统、智能电表高级功能和运行控制之间进行协调；集成辅助仪表、监控本地元件并实现其自动化操作；进行本地电压控制，与灵活性设备交互和自动发送控制整定值。

3）HV/MV变电站层：核心设备为智能变电站控制器（SSC），通过一组监测和控制功能来管理中压电网以及直接接入的分布式发电设备；与变电站自动化系统相辅相成，实现优化潮流、网络拓扑和状态估计算法；运行一些高级功能（如电压控制、故障定位和隔离、网络重构、电网运行优化和降损、技术型虚拟电厂、自适应保护模式等），并承担配电管理系统（DMS）和低压控制器之间的接口功能。

4）SCADA/DMS层：全局监控主动配电网中运行的所有设备；管理一系列智能半自动化的子网，包括优化电网管理、提高可靠性和供电质量、对分布式电源进行动态控制、状态估计、负荷和RES预测、电压控制；通过在电气设备和网络监视设备之间发收测量值、事件、整定值和报警等保证用电需求快速响应和数据收集工作。