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第19章 智能电网的核心框架(3)

配电SCADA的重要功能有:

(1)对线路负荷的评价和对系统配置的重构将避免负荷过重的情况发生;

(2)故障定位;

(3)在受到扰动后自动进行线路重构;

(4)考虑负荷、效率、无功/电压控制、可靠性评价等因素的线路拓扑管理;

(5)基于系统构造对保护体系进行更新;

(6)考虑分布式能源的系统结构管理。

2.无功/电压自动控制系统和电能质量管理系统

这一系统涉及对电容器组的监控,同时配电线路的电压调节器也可以改善电压状况,使配电线路上的电压损失最小。通过电压损失的减少量就可以很好地证明投资这一领域的效益。在未来,将双向通信、更大范围的监控、电力电子设备、分布式能源等综合到一起,可以实现更高标准的无功控制,它将全面改善现有的无功/电压控制系统。

无功/电压自动控制系统的发展将为配电系统的电能质量揭开崭新的一页,许多电能质量问题,如电压波动、闪变、电压凹陷等,都将会得到更好的解决。

在未来,许多新的技术(如智能电压器)将会和无功/电压自动控制系统、电能质量管理系统结合在一起,使其自动化、智能化程度更高。

3.中断管理系统

中断管理系统是一个将地理信息系统(GIS)、电力拓扑、用户信息系统融为一体的软件系统,用来预测配电网可能发生中断的位置,并且管理中断响应。它包含可靠性数据的管理和各相关部分的协作。中断管理系统是ADO中的重要部分,它与配电自动化系统有着紧密的联系。

4.用于配电监测的智能软件

许多电力企业拥有电能质量检测系统。智能电力电子设备的应用软件,如自动继电器、电容器控制、智能转换开关等,正在被越来越多的人使用。这些为ADO的监控部分打下了一个很好的基础,大量的监控信息为新的智能化软件的发展创造了机会,这些软件(如自动故障定位、设备诊断等)可以很好地和ADO连接在一起。

5.配电系统实时状态估计与控制

未来的配电控制系统能够从配电监控系统中得到数据并进行处理,不间断地对系统的状态进行评估,选择好的时机以改善电网能效,同时改变电网的构造使得中断的危险性达到最小,目前,在改进监控设备方面已经取得了重大进展,未来的实时模拟器能够将所有信息源提供的数据整合在一起,提供一个完整、详细的配电系统状态图。

这个系统可以将传统的检测系统、配电系统实时模型、先进用电系统相结合。

它在整个输电系统中已经得到应用,但在配电系统里的应用还比较少。由于有了实时的状态估计,高级应用软件可以提供不间断的系统状态评价,指出当前系统的问题与风险。这将对未来的供电可靠性与安全性产生重大影响。

5.3.2ADO的功能要求

ADO由许多独立的功能单元和应用软件组成,这些功能包含了许多新系统、新设备、新软件,它们都是整个ADO的组成部分。下面列出了ADO五个重要的功能要求:

(1)通信和控制设施,它们可以将所有配电装置和用户端的技术有机地结合起来;

(2)所有配电设备实现自动化控制;

(3)配合高级控制系统运营的智能化软件;

(4)整合分布式发电和储能技术;

(5)建模与实时仿真系统,它用来优化整个配电网络,并对各种扰动作出响应。

1.通信与控制

ADO在配电设备和控制部件之间不能没有高级的通信系统,有时控制器件可能是一个中央处理器,有时可能是另一个配电设备,它们之间需要点对点地进行精确的通信。

给单独的配电元件增加通信线路是现在很普遍的做法,因为这样在一定程度上可以减少通信系统的成本。当然,通信系统成本的降低更应该依赖于新技术的发展和激烈的市场竞争。通过经济分析,可以看到高级通信体系增加了系统的可靠性和电网的效率,这部分效益完全可以抵消其成本。

ADO的主要通信媒介可以归结为以下三种:电力线载波、陆地线、无线通信。

电力线载波系统目前已经被成功地应用于自动读表技术和负荷控制软件中,对于配电应用软件来说,电力线载波系统受到了“开放的线路”问题的困扰,换句话说,在开放的线路的远端,通信系统和设备失去了联系。这严重限制了电力线载波系统对其他应用组件(如自动继电器、分段隔离开关、中断检测等)的有效性。

陆地线通信系统包括电话线和光纤,专用电话线经常被变电站用于SCADA与远程终端设备的通信。对ADO来说,由于安置电话线、电介质隔离装置的成本问题,所以通过电话线进行通信并不常用。光纤通信是一个非常好的解决方案,它十分适宜高压环境下的通信。但对于整个配电系统来说,安装光纤的成本仍然有一些偏高。

无线通信对于配电网络来说是最为合适的,因为它成本低,而且几乎不受地域的限制。采用这种方式将会有两种选择,一是建立一个私人的无线通信网络,二是利用现存的公共网络。私人无线网络可以使电力企业对通信系统拥有更大的控制权,但前期的投资数额相当可观,同时维护成本也不低。利用现存的公共网络可以使电力企业省去前期的投资和一部分维护费用,但必须考虑到这个网络并不只归电力企业所有,所以采用这种方式的危险性较高。

一个开放的、标准化的通信结构,可以实现中央和局部控制,是灵活的配电网结构的灵魂。一般情况下,通信结构包含两个主要部分:对象模型和协议。对象模型是配电网结构中用于监控设备所需要的详细的数据信息模板(或者另外的系统)。

对象模型中,设备对象对于整个系统是可识辨和可控的。这就比如用计算机控制远程设备,首先需要建立操作系统对远程设备的访问链接和操作界面。

通信结构另一个主要的通信组件是通信协议,协议是通信系统中“进行数据交换的规则”。例如,从DER(作为对象模型的代表)获取的信息传递到SCADA或者其他设备,传递的规则就是协议。

通信结构可以是专有的也可以是开放的,专有的通信结构也很常见。最常见的开放式结构是UCA,执行标准文件如IEC61850。

利益相关者倾向于执行统一的标准,以实现利益的平均化。所以长期以来,开放式的统一标准越来越重要,而专有通信结构的重要性正在减弱。如果新技术已经确认具有交互性,那么通过开放式的通信结构可以实现这些技术之间的综合运用,这也是技术人员倾向于采用开放式通信结构的主要原因。在某些方面,通信结构需要不断得到改进,因为新技术新设备的发明和使用需要统一的通信标准来实现对象模型之间的交互操作。

ADO的通信和控制功能与用户端的各种技术设备紧密相连,以进行需求响应和实时定价。它可以对整个配电系统进行优化,并且根据负荷特性选择合理的发电机组。无论技术如何发展,ADO的通信系统必须允许“即插即用”设备的使用,同时各种信息模型、对象模型和相关协议必须执行统一的标准,这对整个智能电网的发展至关重要,是智能电网经济、有效地开展所必需的。

2.配电设备自动化

自动化系统是一个综合的系统,它可以将设备的各种信息进行整理,将保护、控制、数据获取等功能整合到一个共同的平台,从而缩减资金和运营成本,减小控制板和控制室的空间,清除多余的设备和资料。它将会接收到来自各种配电设备的许多数据,并对其进行分析处理。在分散控制、精密控制策略的帮助下,自动化系统的安全性和完整性将会明显增强。

随着智能化电力电子设备不断增加,数据信息将会变得更加精确,能够被控制的配电组件也将会越来越多。分布式能源的整合将会使功率和电流从各个方向流入,这会给系统带来更大的挑战。这将导致现有的继电器被双向继电器所取代,同时对自动化控制的精确程度提出了更高的要求。

想要更好地发挥出ADO的作用,就必须要有完善的自动化控制系统。因为人工操作员的反应时间较慢,不能及时地对转换开关进行操作。描绘出了变电站自动化系统的功能结构,以及一些在配电设备和整个电力系统中传输的数据流。当前需要使用的数据流向SCADA,而那些暂时不需要使用的数据则流向一个数据仓库,数据流和智能电力电子设备之间可以实现远程存取。

在智能电网中的ADO系统将会扩展其控制范围,甚至有可能实现对用户设备的控制,这样便于对全系统进行优化。

3.高级电力电子技术的应用

在未来的智能电网中,对配电系统的优化会利用到高级的电力电子技术。高级电力电子技术应用软件的好处包括:

(1)更快更准确地进行转换开关的投切,加快响应速度,加快电网重构的速度;

(2)无间断的无功/电压控制、谐波失真控制;

(3)改善电能质量和可靠性,满足用户某一水平的需求。

高级电力电子技术的效益可以从以下几个方面来实现:

(1)无功/电压控制中的静止补偿;

(2)谐波控制中的有源滤波器;

(3)电压控制中的连续补偿;

(4)电力电子储能系统;

(5)为用户接口管理所用的智能变压器;

(6)固态转换开关,快速投切,快速网络重构。

这些高级电力电子技术将会与分布式能源、用户设备紧密结合在一起,以满足整个ADO系统控制的需要。

4.分布式能源(DER)一体化

在ADO中,配电系统需要由单一功能转化为多功能系统,自动控制功能需要大大增强,并且要将自动控制系统和分布式能源紧密结合起来。ADO的一个重要目标是将小发电机组和储能设备融合起来,这样的融合将会使分布式资源的效益最大化,同时将一些潜在的支出最小化。要想实现这一目标,电力系统灵活性和开放的通信系统的发展至关重要。

智能电网可以容纳不同种类和型号的分布式能源设备,这使得分布式能源和发电技术的范围逐渐扩大,一些主要的发电技术包括:

(1)燃气涡轮发电机;

(2)带交流逆变器的燃气微型发电机;

(3)氢气燃料电池和电子换流器;

(4)燃气燃油往复式发电机;

(5)带交流逆变器的风力异步发电机;

(6)太阳能光伏电池;

(7)太阳能热发电厂;

(8)微型、小型水力发电厂;

(9)地热蒸汽发电机。

除了这些技术之外,储能技术也属于分布式能源中的一种,包括蓄电池储能系统、飞轮储能系统、超导磁储能(SMES)、超级电容器储能技术等。当储能系统中的电能从存储介质中传送出来的时候,它就相当于一个发电机,在这段时间中,它基本上拥有发电机的所有特征。但在充电阶段,它又具有负荷的特征。

智能电网中的配电系统必须能够适应这些分布式能源的随时并入或退出,也许一天中会发生许多次这样的事情,这取决于不同的可再生能源的应用条件、经济调度以及其他一些条件。这意味着系统的有功、无功、电压以及设备等级必须能够不断平衡那些变化性很大的电源。

标准化的分布式能源互联系统的发展使得在系统中增加电源变得更加便利,这个系统必须与整个配电自动化系统连接在一起,作为系统性能管理的一部分。为了使系统可靠性和电能质量的利益最大化,系统要能够在受到扰动时自动分解成微网或自主运营的孤岛。总而言之,无论分布式能源互联系统的标准化能否尽快建立起来,配电系统的设计都必须进行改进,以适应快速增长的分布式能源。

为了使分布式能源的实时调度更加便利,必须建立起一个可靠的实时通信体系。同时对这些资源进行协调保护与控制也是有必要的,这样系统就能够更好地平衡这些资源。各种控制系统都要实现自动化,这样可以使系统的额外负担最小。良好的通信体系将会使分布式能源一体化后的复杂性降到最低。

5.实时建模与仿真

在ADO中对各种设备的控制需要一个大规模的实时建模仿真系统,它必须支持各种仿真工具,能够不断地优化系统的运营状况。这个系统必须考虑到现在和未来的技术发展,它是配电系统的重要组成部分。它的一些重要要素包括:变电站设备、保护系统、包含电线和电缆的配电系统拓扑、配电开关设备、无功和电压控制技术、变电站变压器和用户变压器、满足未来各种功能的智能变压器、包含保护控制系统的分布式发电和储能设备、终端技术和负荷特性、需求响应和实时定价系统及其组件、地理信息系统等。

使ADO系统具有实时分析能力的应用软件包括以下几种。

(1)计算负荷潮流、电压概况、无功潮流等的潮流计算软件。常用的潮流计算软件有BPA、EMTP、NETOMAC、PSS/E、PSB等。

(2)谐波畸变水平计算与仿真软件,主要根据采集所得电网数据,分析各次谐波状态,计算谐波畸变水平,并可以对未来状态进行仿真,以预测电压等谐波畸变从而及时做好故障防范措施。

(3)系统损失仿真、优化拓扑、设备控制软件,通过软件计算电路线路损失,为减小系统损失使用软件计算出最佳拓扑优化方式,并通过设备控制软件实现优化方案。

(4)价格响应仿真软件,进行需求侧管理和系统性能优化。

(5)故障定位软件,检测线路数据,利用各种定位设备(如GPS)对线路故障位置进行精确定位,并隔离故障区域。

(6)故障条件下的优化恢复软件,通过网络重构等手段,通过软件计算分段开关和隔离开关开断状态的最佳优化组合实现故障后的优化恢复。

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