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      未來配電網中的新技術

      放大字體  縮小字體 發布日期:2016-09-21  來源:NE電氣  作者:NE小編
      科技前沿

      未來配電網將在各個變電站之間使用高速寬帶通信系統,利用智能電子設備(Intelligent electronic devices,IEDs)進行自適應控制和保護,應用能量管理系統監測配電網的運行狀況,并充分采用智能系統減少電能質量問題和提高供電可靠性。
       
      電力工業是當前工業界最后幾個還沒全面應用傳感器技術、通信技術以及計算機技術來提升服務水平、降低運行費用的重要工業,尤其是配電網領域。未來配電網在新技術應用上還存在廣闊的發展空間。此外,為了應對不斷增長的分布式電源、電動汽車等新型負荷,以及對電能質量和供電可靠性的高要求,配電網亟需引入若干新技術。
       
      電氣工程專家認為:未來配電網將在各個變電站之間使用高速寬帶通信系統,利用智能電子設備(Intelligent electronic devices,IEDs)進行自適應控制和保護,應用能量管理系統監測配電網的運行狀況,并充分采用智能系統減少電能質量問題和提高供電可靠性。
       
      未來配電網中將會逐步普及的新技術包括:
      1、先進的配電自動化(Distribution automation, DA)技術
      2、配電網饋線自動化技術,包括智能饋線終端重合器和繼電器
      3、電力電子技術
      4、饋線電壓/無功控制技術
      5、先進傳感技術
      6、智能通用變壓器
      7、多功能固態開關技術
      8、配電網故障預測及定位技術
      9、先進的計量設施(Advanced metering infrastructure,  AMI)
      10、本地能源網絡控制器
      11、分布式電源,包括分布式發電設備,可再生能源,儲能設備。
       
      先進的配電自動化技術
       
      配電自動化對配電網中的重要設備進行持續監測和自動控制,整合了配電網監測控制系統和數據采集系統(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)。先進配電自動化(Advanced Distribution Automation,ADA)包含從重要饋線采集信息的智能傳感器,電子控制器,雙向通信系統。ADA系統采集并顯示電壓、電流、有功、無功、設備狀態、運行狀態,事件日志以及跟配電系統狀態有關的其他信息。操作員可以很方便地遠程控制電容器的接入、斷路器的開斷以及電壓的調節。變電站自動化如果裝設了自動開關、重合器、電容器和高級計量裝置,就能充分地發揮智能電網的功能了。
       
      ADA不僅將智能系統引入了變電站和計量設施中,還將智能系統帶入配電網饋線當中。配電網饋線中的智能系統包括:
      1、配電網中的自動開關:使配電網實現最優重構
      2、自適應保護系統:協助配電網重構和集成分布式電源(Distributed energy resources,DERs)
      3、電力電子控制器:提高系統的可靠性和技術性能
      4、電壓調節和無功控制器:減小系統網損,提高電能質量,促進新能源消納。
       
      智能饋線終端重合器和繼電器
       
      用基于微處理器的智能繼電器和重合器來替換基于電子機械的保護控制系統是智能電網發展的必然過程。預計到2030年,70%的饋線都將配備智能繼電器和重合器。在饋線首末端用智能電子設備替換傳統的機電式繼電器保護和控制設備具有如下優點:
      1、測量儀器能夠持續地對測量值(電流、電壓等)進行監測分析,能及時處理測量信息并計算出有用數據(如到故障點的故障距離)。
      2、能將IEDs測量或計算出的數據通過基于工業標準協議的通信系統傳送給外部或者用戶。
      3、具有自我檢測能力,使得IEDs能夠檢測自身的內部故障并及時通知工作人員進行維修,從而避免系統發生故障而設備拒動的情況。
      4、可存儲多種運行方式,可按要求將負荷切換到最佳的運行方式。這種功能在智能配電系統中非常重要,尤其是含高滲透率DER的網絡或者頻繁重構的配電網。
      5、功能多樣化。絕大部分的IEDs都將多種功能封裝在一個設備中。比如說,一個繼電保護的IED就具有快速過電流保護、自動重合閘、饋線保護,還有測量和監測設備環境的功能,這些功能都集成到一個設備中了,從而減少了設備內部的繞線和控制板體積。
       
      智能線路開關技術
       
      智能配電網中包含了大量分布在配電網饋線重要位置上的智能線路開關。這些智能開關將支持配電網實現“自愈”功能。同時,它也支持饋線終端實現滿足分布式發電與負荷平衡需求的最優網架重構。智能開關具有如下主要特征:
      1、具有工業標準的通信系統,用于支持遠程控制和數據獲取功能。出于遠程控制和數據獲取的目的,智能線路開關將支持信號傳回配電控制中心。該開關也支持與其他智能設備(如其他智能開關、開關電容器、分布式電源等)進行點對點通信。該功能使得線路開關可以全面支持分布式、多代理、自治式的對等控制。隨著智能分布式控制的逐漸成熟,我們期待自治式、分散式控制不僅僅用于自動存儲,而且還能用于電壓/無功優化、DERs協調控制。其中,魯棒性好、可靠性高的通信系統是實現上述目標的必要條件。
      2、每個智能線路開關必須包含一個獨立的本地控制器,以獲取本地數據,實現自動開關。
      3、智能線路開關和相關的控制器必須支持“雙向”操作,可檢測潮流流向,并根據潮流流向進行響應:當潮流流向變電站時,它必須有相應的時間配合曲線(Time coordination curve, TCC),而當潮流流向相反時,必須有另一個對應的TCC。對于配電網饋線的重構(在智能配電系統中經常發生)以及可能出現潮流逆流的配電網(例如含高滲透率DERs)中,雙向操作能力非常必要。
      4、同時支持單向操作(只對需要跳閘相跳閘)和三線操作(三相同時跳閘)。單向重合器只把故障相線路斷開,避免中斷非故障相的電力供應。如果分布式發電設備在智能線路開關的下游(遠離變電站),其單相跳閘的功能將被禁用,以避免對發電機造成損害。
       
      預計到2030年將會有25%的配網饋線會加裝智能線路開關。目前,部分智能線路開關技術已經得到應用。這些技術使得配電網具有自愈性。下圖就是S&C電力公司開發的智能線路開關“Intellirupter”。
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      “Intellirupter”采用了新的技術——脈沖閉合,使得智能開關能在重合前判斷出線路故障類型。傳統的重合器在故障發生時就會跳閘、重合,此時位于開關上游的電力設備可能受到高能故障電流的影響。應用脈沖閉合技術后,如果饋線發生故障,快速控制電路將捕捉到這一電流階躍并在電流還沒達到破壞性程度的情況下重新跳開這一相。脈沖閉合消除了故障電流對開關上游電力設備的潛在危害,減小了將開關合在故障相時的電壓下降問題。
       
      另一個非常有前景的智能開關技術是“退出”式重合器,如下圖所示。
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      “退出”式重合器適用于易遭受瞬時故障的橫向電路。這種重合器在斷開電路后會重合,而不是讓熔斷器直接熔斷,因此可避免長時間停電。
       
      電力電子技術
       
      電力電子技術不僅可以為用戶提供穩定的電能,還能同時實現頻率、相位、電壓等的靈活控制。靜止無功補償器、短路電流限制器就是配網中的兩個典型電力電子裝置。
       
      1、靜止無功補償器
       
      靜止同步無功補償器是目前技術最為先進的無功補償裝置。它不再采用大容量的電容、電感來產生無功功率,而是通過電力電子器件的高頻開關實現對無功補償技術質的飛躍,特別適用于中高壓電力系統中的動態無功補償。它是一種沒有旋轉部件,快速、平滑可控的動態無功功率補償裝置。下圖就是西安愛科賽博公司研發的靜止同步無功補償器。
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      靜止同步無功補償器能夠消除一個周波內的微小電能質量擾動。因此,它可以處理由于出力波動性DERs(風電、光伏等)接入引起的配電網電壓波動問題。
       
      2、短路電流限制器
       
      另一個典型例子是短路電流限制器(Short-circuit current limiters,SCCLs),在國內常被稱為故障限流器(Fault current limiter,FCL)。SCCLs技術可以用于處理輸電系統中短路電流較大的問題。目前,電力公司輸電系統基礎設施的承載量越來越逼近它的容量極限。與此同時,投運的發電機組越來越多,以滿足日益增長的負荷需求。顯然,發電容量越大,造成的故障電流也越大,很可能會超出運行設備的承受能力。
       
      基于電力電子技術的SCCL可有效解決這一問題。SCCL的核心理念是:正常運行時呈零阻抗(或低阻抗),短路故障時呈高阻抗,從而起到限制短路電流的作用,如下圖所示。
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      因此,一旦SCCL檢測到短路電流就立即工作在高阻抗運行模式,使短路電流限制在現有保護設備能正常工作的范圍內。同時,SCCL也整合了很多完備的系統,包括高級控制、信號處理和通信單元。
       
      分布式電壓/無功控制技術
       
      電壓和無功控制并非新概念,所有的配電系統均需要電壓和無功控制,以維持母線電壓水平,保障較高的功率因素。尤其是目前,電力公司正在采取措施提升電網運行效率、資產管理水平,此時的電壓/無功控制技術就更加重要了。
       
      智能電網分析軟件可以結合從自動化變電站流過的信息和通過SCADA系統采集的配電網數據進行分析,并推薦配網運行最優的重構結構。電網優化將以最小的線路網損為目標,整合由高級計量設施(Advanced metering infrastructure, AMI)采集的用戶數據進行電壓調整,同時將電壓維持在可接受的水平。預計到2030年,美國566000條配電饋線中的55%都將具備電壓/無功控制功能,新建的饋線則將全面實現配電自動化。
       
      在智能配電系統中引入通信技術和設備,將位于變電站和控制中心中的處理器和現有的控制器互聯起來,實現信息共享,從而拓寬電壓/無功優化控制的能力。這些處理器可根據配電系統層面的參數,采取相應的控制措施來滿足需要的電壓/無功要求。值得一提的是,現在已經有很多的電壓/無功控制器安裝了支持IEC61850、DNP3等協議的通信設備,如下圖所示。
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      配電系統的控制器通常采用“獨立模式”,即控制器只根據其設備自身的測量信息動作。近年來,隨著配網饋線的頻繁重構、并網新能源功率波動的影響,在這種動態環境下,電力公司就不得不考慮效率、線損、穩定性這些過去不那么嚴重的問題。曾經普遍采用的“獨立模式”的控制器無法滿足新形勢下的需求了。因此,必須研發新技術、新設備,要求能根據環境變化,動態協調不同類型的電壓/無功控制設備。
       
      為了實現這些目標,電力公司就得部署能夠協調所有電壓/無功控制設備的電壓/無功控制系統。目前,主要有3種系統級的電壓/無功優化控制方法。
      1、“基于規則”的解決方案:這種方法根據采集的數據,基于確定的規則來決定當前的電壓/無功控制措施。這種方法簡單,易于理解。但在處理饋線頻繁重構以及高滲透率DERs(尤其功率波動性較大的可再生能源)接入情況時比較棘手。
      2、“基于模型”的解決方案:高級配電管理系統能夠處理動態配網的最優潮流。這種方法可以較好地解決饋線頻繁變動的配電網的電壓/無功控制問題。當然,系統復雜度和開發費用也明顯增大了。
      3、自適應的解決方案:簡單來說,第三種方案要經過一段時間的學習,然后根據當前測量的實時數據(電氣條件、天氣狀況等)和在同樣條件下過去的經驗來決定采用哪種方法。自適應方案的主要優點是不需要摸擬系統的運行狀況,因此是一個靈活可拓展的解決辦法。一些供應商,包括PCS Utilidata和庫柏電力系統,目前正在推動這種技術,如下圖所示。
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      智能逆變器技術
       
      逆變器是將直流電能變換為交流電能的設備。逆變器是光伏發電系統中最為復雜的設備,是系統中成本第二高的設備,同時也是系統中最脆弱的環節。光伏電池板一般非常堅強可靠,有長達25年的使用壽命,而逆變器的壽命一般不超過10年。
       
      關鍵詞: 未來配電網
       
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