姚芳, 陳建鈿, 丘冠新, 曹安瑛, 侯祖鋒, 謝虎

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司珠海供電局, 廣東, 珠海 519075;2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司, 廣東, 廣州 510663)

0 引言

當前各國都在關注智能電網(wǎng),因其可解決當前電網(wǎng)存在的系列問題,具備更高的電網(wǎng)性能和用戶體驗[1]。我國電網(wǎng)的主站和廠站都普遍建立起了主配網(wǎng)業(yè)務技術支撐體系[2]。雖然這些技術支撐體系助推了電網(wǎng)業(yè)務的開展,但由于部分因素導致管理運行的問題頻發(fā),增添了不少安全隱患[3],主要體現(xiàn)在建設分散、數(shù)量多、智能化程度不高、預防性差[4]。解決電網(wǎng)問題的迫切性也促使了智能電網(wǎng)系統(tǒng)及技術落地應用研究的不斷涌現(xiàn)[5]。

目前我國對于電網(wǎng)系統(tǒng)一體化的融合研究還是比較欠缺的,缺乏整體化的平臺研究。本文基于云-邊融合技術、就地自動電壓無功控制(AVC)功能、主配協(xié)調調度等技術,分別從平臺搭建的角度進行頂層設計,并且對平臺系統(tǒng)應用進行綜合測試[6-7]。本文的研究對固定區(qū)域智能電網(wǎng)的建設拓展了思路,具有一定借鑒價值。

1 相關概念和技術分析

1.1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)是為使電網(wǎng)運行和管理效率最高而采取的以客戶端為主線,添加各種信息傳感器的統(tǒng)一電網(wǎng)資產和設備信息,能夠提高整個電網(wǎng)的可靠性并降低電網(wǎng)能耗。智能電網(wǎng)主要特征有:①自愈和自適應;②安全可靠性高;③經濟高效;④兼容性;⑤互動性。

1.2 云-邊融合的智能技術

云-邊融合的關鍵核心是邊緣計算,它是一種將計算能力放在終端或距離數(shù)據(jù)源較近的計算架構。由于數(shù)據(jù)處理最接近數(shù)據(jù)源,從而能夠在保證數(shù)據(jù)安全的基礎上提供更實時的計算能力。在無線網(wǎng)絡以及芯片的助力下,大量設備能夠結合計算需求,挑選邊或云的計算,使云-邊融合的目標得以實現(xiàn)。本文研究的地理區(qū)域為“南網(wǎng)”智能電網(wǎng)覆蓋區(qū)域,以南網(wǎng)調度云為云基礎,服務于新興的市場主體?！澳暇W(wǎng)”智能電網(wǎng)的建設框架如圖1所示。

圖1 南方電網(wǎng)智能化發(fā)展建設結構示意圖

1.3 AVC技術

為保證電網(wǎng)安全、高效率地運行而使用計算機通信手段對電網(wǎng)無功資源以及調壓設備進行智能控制的過程就是AVC技術。AVC技術以安全穩(wěn)定為前提,能夠滿足電壓要求并降低損耗。無功電壓優(yōu)化運行的一般原則為在緊急事故備用滿足狀態(tài)下使系統(tǒng)中的各點電壓高水平運行。AVC原理接線如圖2所示。

圖2 AVC原理接線示意圖

1.4 饋線自動化基礎

為簡化保護優(yōu)化系統(tǒng),一般利用饋線自動化(FA)系統(tǒng)進行糾正性操作,故障區(qū)段定位并被隔離出,然后恢復非故障區(qū)段的供電(FLISR),減少故障停電范圍。

FA涵蓋了分布式、集中式以及就地式3種方式。就地式FA結合就地電流以及電壓的變化,由安裝在變電站線路出口的重合器與線路上的自動分段器,依據(jù)提前設置的邏輯順序動作,通過FLISR操作實現(xiàn)就地。集中式FA涵蓋饋線終端單元(FTU)、配電自動化主站系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)。將FA軟件模塊安裝到配電網(wǎng)自動化主站里,FTU上報的相關故障信息等能夠被主站接收,由FA軟件按照預設的邏輯算法進行FLISR操作。集中式FA結構如圖3所示。圖3中,LAN表示局域網(wǎng),WAN表示廣域網(wǎng)。

圖3 集中式FA結構示意圖

分布式FA系統(tǒng)結構類似于集中式FA,與集中式FA不同的是在故障發(fā)生時,饋線監(jiān)控終端就地發(fā)送操作命令,FLISR操作的過程脫離主站控制,最后只上報故障處理結果。

2 平臺建設與終端模型設計

2.1 動態(tài)自主彈性可伸縮的主配網(wǎng)協(xié)同監(jiān)控平臺設計

平臺設計主要模塊是智能電網(wǎng)的監(jiān)控與管理系統(tǒng),以云平臺和全域物聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎。系統(tǒng)采用云、大、物、智技術設計了動態(tài)自主彈性可伸縮的主配網(wǎng)協(xié)同監(jiān)控平臺,構建面向不同場景的實時并行計算集群框架,為解決配電網(wǎng)大規(guī)模、大容量智能終端的多維接入,支持歷史、實時圖模數(shù)一體化全景需求。智能配電監(jiān)控系統(tǒng)架構如圖4所示。

圖4 智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構示意圖

該智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設計是為了實現(xiàn)全網(wǎng)110 kV以上主網(wǎng)大模型與單個地區(qū)配網(wǎng)模型的自動拼接、融合、畫面調閱及分析調用,支撐主配網(wǎng)一體化協(xié)同應用,提供配電網(wǎng)感知、分析、決策、控制、協(xié)同互動的全流程、全環(huán)節(jié)、全時空業(yè)務支撐。結合前文提到的饋線自動化,智能監(jiān)控平臺可加強配網(wǎng)保護測控一體化終端的綜合數(shù)據(jù)分析,快速實現(xiàn)配網(wǎng)故障測距定位和故障類型分析等,可輔助區(qū)域分布式能源的接入規(guī)劃和整體協(xié)同。

2.2 配電網(wǎng)二次設備集成優(yōu)化整體設計、建設和運行規(guī)劃

在智能變電站二次設備的普及下,對二次設備集成是設備優(yōu)化的趨勢。本文二次設備集成優(yōu)化從智能變電站過程層、間隔層和“站控”層等3方面展開。

據(jù)IEC 61850標準,過程層設備主要有互感器、斷路器等。根據(jù)智能數(shù)字化信息傳輸要求,過程層集成主體能夠承擔電流以及電壓的數(shù)據(jù)采樣、開關控制操作以及遙信等功能。

隨著合并單元和智能終端設備的大量應用,間隔設備集成不僅能夠為一次設備提供高效數(shù)據(jù)傳輸服務,同時設備成本得以節(jié)約,全站投資下降。圖5是合并單元智能終端集成方案設計的情況。圖5中,CS表示傳送,JS表示接收。

(a)

合并單元智能終端集成裝置常用圖5(a)和圖5(b)形式。一般保護裝置、測控裝置是間隔層主體設備。中低壓電網(wǎng)間隔層的集成通常采用保護測控集成裝置、多功能測控裝置、網(wǎng)絡分析儀集成裝置等?！罢究亍睂釉O備是組成一體化監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。本文立足可靠安全的指導原則,認為當前階段可操作性強的方案是保護測控的集成以及過程層的合并單元智能終端集成。集成式二次設備的硬件設計結構如圖6所示。

圖6 集成式二次設備的硬件設計結構示意圖

2.3 就地AVC功能的智能配網(wǎng)保護測控一體化終端設計

本文是從數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)啟動,系統(tǒng)分正常和故障兩部分。正常運行時,考慮系列電壓影響后傳遞到電壓分析區(qū)域,之后傳遞到無功分析區(qū)域進行潮流運算及分析,無功就地補償后實施,再向控制中心發(fā)送控制執(zhí)行信號;故障狀態(tài)下,系統(tǒng)進行故障自愈,保證系統(tǒng)正常運行。就地AVC功能的智能配網(wǎng)保護測控一體化設計如圖7所示。

圖7 就地AVC功能的智能配網(wǎng)保護測控一體化設計示意圖

本文終端系統(tǒng)按照云-邊融合的電網(wǎng)運行生態(tài)框架進行設計,新興市場主體和其他利益主體數(shù)據(jù)通過“南網(wǎng)調度云”技術進行交互共享,通過邊緣計算技術及市場化策略,獲取綜合能源服務商、電動汽車充電樁等公司的外部數(shù)據(jù),實現(xiàn)“南網(wǎng)調度云”業(yè)務信息與外部數(shù)據(jù)的集成融合。根據(jù)主配網(wǎng)協(xié)同智能調度技術對地市級區(qū)域主配網(wǎng)與智慧能源進行協(xié)同控制,對接入中低壓配電網(wǎng)的綜合能源服務園區(qū)、充電樁、儲能、柔性負荷等“源網(wǎng)荷”做到精細協(xié)調,使電網(wǎng)安全運行與各方主體利益最大化。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)關聯(lián)分析和深度挖掘技術,可研判不同行業(yè)、不同工業(yè)類別的定制化負荷預測與用電趨勢,整個架構實現(xiàn)硬件共享統(tǒng)一,高度主配一體化,有效節(jié)約人力維護成本及系統(tǒng)建設成本。

3 系統(tǒng)應用結果分析

3.1 系統(tǒng)運行分析結果

對系統(tǒng)的試驗評估采用可靠性指標統(tǒng)計法。傳統(tǒng)算法指標評估結果如圖8所示。圖8中,SAIFI表示系統(tǒng)平均停電頻率,SAIDI表示系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間,CAIDI表示用戶平均停電持續(xù)時間,ASAI表示平均供電可用率。

圖8 系統(tǒng)運行傳統(tǒng)算法指標統(tǒng)計結果

根據(jù)可靠性評估統(tǒng)計結果,針對單獨的變電站可靠性評估,本文系統(tǒng)可靠性參數(shù)與實際情況更相符合,可靠性評估的相關結果更值得信賴。假如采取大規(guī)模中壓配電網(wǎng)的方式,相比于以往的可靠性評估結果,以本文設計模型為基礎的相關可靠性評估結果與配網(wǎng)的真實可靠性水平更加接近,如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)運行本文算法指標統(tǒng)計結果

系統(tǒng)正式運行后能夠明顯提升粵港澳大灣區(qū)的電網(wǎng)運維能力和運行效果,電網(wǎng)智能化、可靠化、安全化水平等指標的提升幅度均處于8%～10%的范圍內。從安全化水平來看,電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行控制能力大幅度攀升,從64%提升到93%。從智能化水平來看,電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)自適應智能決策能力的提升幅度比較高,從71%提升到89%?？傊?粵港澳大灣區(qū)采用的新一代調度技術支持系統(tǒng)有力地保障著其電網(wǎng)的安全可靠運行,調度智能化水平顯著提升。

3.2 中壓智能配電二次設備集成與示范應用結果

本文變電站二次設備集成與應用區(qū)域為粵港澳大灣區(qū)?；浉郯拇鬄硡^(qū)中壓智能設備集成建設示范應用如圖10所示。

圖10 粵港澳大灣區(qū)中壓智能設備集成建設示范

變電站二次設備的集成建設成為大灣區(qū)電網(wǎng)建設重點工程,在110～500 kV智能變電站過程層合并單元和智能終端裝置集成度達80%以上,而在更高電壓區(qū)間的220 kV及以上電壓變電站,通過設備的集成,經濟效益最為顯著,減少了設備數(shù)量,擴大了站區(qū)設備空間。從已經試運行的變電站分析,集成設備整體運行比較好,考慮到運行測試時間短,后續(xù)的應用測試還在繼續(xù)觀察。

4 總結

本文基于AVC技術及主配網(wǎng)協(xié)同調控一體化技術對智能電網(wǎng)調控一體化建設平臺進行研究設計。根據(jù)系統(tǒng)應用性能測試及應用結果,可得到以下結論:智能配電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng)的推廣與應用,可提高配電網(wǎng)無功電壓協(xié)調控制能力、實現(xiàn)節(jié)能降耗運行效果等方面深化本文系統(tǒng)的運行質量。主配網(wǎng)協(xié)同調度應用提高了電力企業(yè)內各部門間的協(xié)同工作效率。本文合理科學地設計了智能配電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng),但是由于現(xiàn)實的復雜性,也有不足之處,如管控設備質量、規(guī)范化布線、信號干擾等,這些問題實際中無法做到最佳協(xié)調。智能電網(wǎng)的建設發(fā)展應用及先進技術系統(tǒng)平臺功能的最大限度發(fā)揮需要相關人員齊心協(xié)力、共同研究實踐,才能在智能電網(wǎng)的建設進程上加快速度。