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貴州高低壓配電設備告訴你未來配電網中的新技術

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貴州高低壓配電設備告訴你未來配電網中的新技術

發布日期:2016-12-23 作者: 點擊:

貴州高低壓配電設備告訴你未來配電網中的新技術


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係統,利用智能電子設備(Intelligent electronic devices,IEDs)進行自適應控製和保護,應用能量管理係統監測配電網的運行狀況,並充分采用智能係統減少電能質量問題和提高供電可靠性。


貴州高低壓配電設備告訴你電力工業是當前工業界最後幾個還沒全麵應用傳感器技術、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,配電網亟需引入若幹新技術。


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係統,利用智能電子設備(Intelligent electronic devices,IEDs)進行自適應控製和保護,應用能量管理係統監測配電網的運行狀況,並充分采用智能係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/無功控製技術

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、本地能源網絡控製器

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製,整合了配電網監測控製係統和數據采集係統(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,電子控製器,雙向通信係統。ADA係統采集並顯示電壓、電流、有功、無功、設備狀態、運行狀態,事件日誌以及跟配電係統狀態有關的其他信息。操作員可以很方便地遠程控製電容器的接入、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不僅將智能係統引入了變電站和計量設施中,還將智能係統帶入配電網饋線當中。配電網饋線中的智能係統包括:

1、配電網中的自動開關:使配電網實現最優重構

2、自適應保護係統:協助配電網重構和集成分布式電源(Distributed energy resources,DERs)

3、電力電子控製器:提高係統的可靠性和技術性能

4、電壓調節和無功控製器:減小係統網損,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


用基於微處理器的智能繼電器和重合器來替換基於電子機械的保護控製係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製設備具有如下優點:

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並計算出有用數據(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於工業標準協議的通信係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並及時通知工作人員進行維修,從而避免係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。貴州高低壓配電設備告訴你這種功能在智能配電係統中非常重要,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製板體積。

 

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係統,用於支持遠程控製和數據獲取功能。出於遠程控製和數據獲取的目的,智能線路開關將支持信號傳回配電控製中心。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麵支持分布式、多代理、自治式的對等控製。隨著智能分布式控製的逐漸成熟,eeuss期待自治式、分散式控製不僅僅用於自動存儲,而且還能用於電壓/無功優化、DERs協調控製。其中,魯棒性好、可靠性高的通信係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製器,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製器必須支持“雙向”操作,可檢測潮流流向,並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。對於配電網饋線的重構(在智能配電係統中經常發生)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(隻對需要跳閘相跳閘)和三線操作(三相同時跳閘)。貴州高低壓配電設備告訴你單向重合器隻把故障相線路斷開,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遊(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”。


“Intellirupter”采用了新的技術——脈衝閉合,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,此時位於開關上遊的電力設備可能受到高能故障電流的影響。應用脈衝閉合技術後,如果饋線發生故障,快速控製電路將捕捉到這一電流階躍並在電流還沒達到破壞性程度的情況下重新跳開這一相。脈衝閉合消除了故障電流對開關上遊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。


“退出”式重合器適用於易遭受瞬時故障的橫向電路。這種重合器在斷開電路後會重合,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、電壓等的靈活控製。靜止無功補償器、短路電流限製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,特別適用於中高壓電力係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。


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,它可以處理由於出力波動性DERs(風電、光伏等)接入引起的配電網電壓波動問題。

2、短路電流限製器


另一個典型例子是短路電流限製器(Short-circuit current limiters,SCCLs),在國內常被稱為故障限流器(Fault current limiter,FCL)。SCCLs技術可以用於處理輸電係統中短路電流較大的問題。目前,電力公司輸電係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。


基於電力電子技術的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,從而起到限製短路電流的作用,如下圖所示。


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,使短路電流限製在現有保護設備能正常工作的範圍內。同時,SCCL也整合了很多完備的係統,包括高級控製、信號處理和通信單元。

 

分布式電壓/無功控製技術


電壓和無功控製並非新概念,所有的配電係統均需要電壓和無功控製,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/無功控製技術就更加重要了。


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係統采集的配電網數據進行分析,並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/無功控製功能,新建的饋線則將全麵實現配電自動化。


在智能配電係統中引入通信技術和設備,將位於變電站和控製中心中的處理器和現有的控製器互聯起來,實現信息共享,從而拓寬電壓/無功優化控製的能力。這些處理器可根據配電係統層麵的參數,采取相應的控製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/無功控製器安裝了支持IEC61850、DNP3等協議的通信設備,如下圖所示。


配電係統的控製器通常采用“獨立模式”,即控製器隻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、並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麽嚴重的問題。曾經普遍采用的“獨立模式”的控製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/無功控製設備。


為了實現這些目標,電力公司就得部署能夠協調所有電壓/無功控製設備的電壓/無功控製係統。目前,主要有3種係統級的電壓/無功優化控製方法。

1、“基於規則”的解決方案:這種方法根據采集的數據,基於確定的規則來決定當前的電壓/無功控製措施。這種方法簡單,易於理解。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、“基於模型”的解決方案:高級配電管理係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/無功控製問題。當然,係統複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,然後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係統的運行狀況,因此是一個靈活可拓展的解決辦法。一些供應商,包括PCS Utilidata和庫柏電力係統,目前正在推動這種技術,如下圖所示。


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。逆變器是光伏發電係統中最為複雜的設備,是係統中成本第二高的設備,同時也是係統中最脆弱的環節。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。


市場上的逆變器有離網型的、並網型的。並網型逆變器的控製係統整合了包括雷電保護在內的多種功能。現有的逆變器通常根據“主從”原則接入係統。而小型的逆變器模塊則應用於小型的光伏係統,比如屋頂光伏發電。研發中的新一代微型逆變器(國內常簡稱為微逆)有希望克服局部遮擋問題,充分挖掘光伏電池板的發電能力。


目前的光伏係統設計中,所有的光伏電池板均是串聯的。若光伏板上的某部分被遮擋了,則整個係統的發電效率就隨之降低。此外,如果要想讓光伏模塊最優工作,則所有的光伏板必須具有相同的朝向和傾斜,這就限製了屋頂光伏的布局。與之不同的是,未來的光伏發電係統則要求每個電池板都連接在它自帶的微逆上,這就能充分挖掘每一個光伏板的發電潛能,提升整個係統的發電效率。尤其是應用於錯落有致的屋頂時,係統設計的靈活性就增強了。


隨著光伏發電技術的普及,以及光伏在電網中滲透率的增加,電力公司正在大力推進智能逆變器,它除了完成直流-交流轉換的基本功能以外,還將提供如下輔助服務:低/高電壓穿越,自動發電,自動棄光,諧振抑製,阻尼振蕩,電網支撐……。對於並網的每一個逆變器,從麵板電平級到兆瓦級,均是電網的一部分,並在電網穩定性上發揮作用,從此不再獨善其身了。

 

智能變壓器


傳統變壓器在輕負載下的效率很低,有液體介質泄漏的隱患,並且隻有升/降壓這一單一功能,不能提供實時電壓調節和係統監控的功能。同時,它們不能通過單相電路提供三相電能,不能部分拆開逐個修複。


未來配電變壓器將作為分布式電源的接口,能接入儲能,能接納電動汽車,采用電力電子器件替代傳統配網變壓器的設備。美國電力科學研究院(Electric Power Research Institute, EPRI)研發出的智能變壓器,可以作為可再生能源並網的接口(Renewable energy grid interface, REGI),包括一個雙向功率接口,方便光伏、儲能、電動汽車的接入,也包含係統整合、本地控製和孤島控製方麵的指揮和控製功能。REGI將成為智能電網發展戰略中的關鍵因素,扮演著將傳統電力變壓器和接口功能相結合的角色,可以無縫地接入可再生能源、儲能、電動汽車和需求響應(Demand response,DR)性負荷,同時還為本地能源網絡提供可靠的供能。此外,還將整合高級配電管理係統、能量管理係統(Energy management systems,EMSs)和DR係統,以優化、提升電網的經濟性、可靠性。


此外,EPRI還研發出了中壓智能通用變壓器(Intelligent Universal Transformer, IUT)。該技術替代了獨立的電能轉換器和傳統的變壓器,完全摒棄了傳統變壓器的笨重結構和大量的接線。多功能的IUT可提供400V的直流母線電壓,用於供應直流配電係統或為電動車快速充電,如下圖所示。


多功能固態開關係統


多功能固態開關設備(solid-state switchgear system),在國內常被稱為能源路由器,用於替換傳統配電網開關,是用於配電自動化的典型智能電子設備。EPRI目前研發的主攻方向是10KV等級,已經研發完成的基於SGTO的靜態轉換開關(Static transfer switch,SSTS)就是這種典型的多功能固態開關設備,利用獲得R&D100獎的超級門極可關斷器件(super gate turn-off,SGTO),采用模塊化設計,性能好,結構緊湊,可靠性高,重構力強,有一定的成本優勢,適用於6kV至35kV係統。


SSTS特別適用於配電網的負荷轉移,將作為配電網監測係統中的一部分,在商業、工業、城市和郊區中大量應用。SSTS中的有源開關可用於實時潮流監測和控製,也可以作為係統保護的一個基本單元,用於限製短路電流。同時,也能減輕變壓器的壓力,提高變壓器壽命。此外,還能減少機組停機時間,使機組運行更加連續,提供更好的電能質量。

 

本地能源網絡LEN控製器


如果用電決策可以基於當前信息進行分類和執行,並且這些信息能夠很容易地搜集處理,那麽用戶就能輕鬆掌握並且願意使用這樣的係統。用戶可以安裝一個家庭局域網絡(Home area network,HAN):一個是連接在EMS上的電子信息網絡,一個決策處理器。HAN容納了信息流並形成網絡節點。每個節點均與家庭電力係統的一個設備或元件相關聯。節點可以是代表有大量電能消耗的硬連接設備,比如抽水泵、照明電路,也可以是帶插頭的負荷。設備和EMS通過無線、有線或者HAN中的電力載波進行通信。


EMS主要負責協調HAN中的各個設備,根據用戶定義的規則來決定其中的設備和負荷何時開啟或關閉。這些規則基於一定時期的電價信號(比如:電價超過一定的閥值時),當前的情況(比如:家用負荷按預期需要啟動的時候)或者是響應外部代理機構下達的指令(比如:對一個需求響應參與者用戶下達的負荷削減指令)。


EMS根據外部環境並基於預先製定的規則做出決策。HAN就像是神經係統,可以傳遞節點狀態的信息,並且可以傳達命令,確定命令的接收者和發布者。它是一個電子設備,目的是在用戶離線時仍然能夠為用戶管理好電能。為了達到這一目標,就需要了解用戶的用電規律和用電態度,建立效用函數,表征不同係統狀態下用電滿意度的相對值,然後根據預先設定的規則執行。


當前能源網絡的結構正向智能電網和低碳發電、本地能源網絡(Local energy networks, LENs)和電力交通相結合的方向發展。LEN包括終端用戶的能源服務設備,分布式發電,本地儲能,基於建築、校園或社區層麵的需求側響應功能。分布式、集中式的控製結構決定了LEN和配電網、大電網之間的交互關係,而係統的整個布局則能夠促進基於這兩種控製結構的高度交互的網絡的發展。


這些結構有利於整合連接在高壓電網中的集中式發電電源。特別地,這種結構使得不太可控的可再生能源發電,如風電、光伏和一些起平衡作用的電源互聯起來了。預計到2030,10%的既有饋線和25%的新建饋線將包含LEN控製器。

 

住宅EMS係統


住宅EMS係統專注於管理建築中的構件、產品或設備。住宅EMS係統並不是典型的門戶。門戶是常用於門戶網站的一個術語。住宅EMS包括居民EMS和智能家居設備(Intelligent home device, IHD)。除此以外,係統還可以根據預先設定的計劃,按用戶的喜好對負荷或其他自動化設備進行管理。


在線能量管理的門戶使用戶可以了解能量使用情況、能效自動管理情況,通過網頁顯示出來,方便用戶瀏覽查看。可以展示價格信息,並將客戶的能量消耗和產能情況與發電企業的生產計劃關聯起來。這一技術的推廣應用將促進資源的整合和第三方平台信息的共享,從而推動住宅EMS的應用。然而,至今為止購買這一係統的人還很少。


與此相似,但成本更低的智能家用顯示設備卻在隨著智能電網的推進而迅速應用起來了,主要用於顯示能量、費用、環境等信息,比如:實時的以及計劃小時內的電費和耗電量(kWh),購電費用,最近24小時內的用電量,當前月(或者前一個月)的用電量和總費用,計劃用電量,月峰值負荷,當前使用模式下的溫室氣體排放,不同時期的戶外溫度等。

 

電動汽車充電設施


幾乎所有的知名汽車製造商都在進軍電動汽車行業,研發全電動、插電式混合動力和增程式電動汽車,如通用汽車、雪佛蘭、日產。值得一提的是,特斯拉是當今唯一能生產雙座跑車的製造商,並且它還在持續研發低成本家用電動轎車。


曾經,電動汽車主要由庫侖科技、ECOtality公司、銀泉網絡公司等充電站運營商采用封閉、專門的充電網絡為其服務。現在,國家、地方都在采取積極措施鼓勵充電設施的新建、擴建,此舉有利於全麵推動電動汽車的大規模應用,有利於培育新的技術增長點和一批高科技民族企業。例如,許繼集團公司就在這股浪潮下迅速發展成為國內目前唯一能夠成套提供“充、換、儲、放”一體化設備的製造商。下圖是許繼參與建設的青島薛家島電動汽車智能充、換、儲、放一體化示範電站。


電能存儲


以鉛酸蓄電池為代表的電儲能係統廣泛應用於不間斷供電的住宅區、商業區和工業區。商業和工業用儲能係統可以以75%的效率提供長達8小時的連續電力,並且具有高達5000次循環周期的使用壽命。往宅區儲能係統一般具有以75%的效率連續提供2小時電能的能力,也具有5000次循環周期。待機和在線的UPS技術均可使用。在線式UPS一般比較貴,但是當電力環境很差時,其還是顯現出其必要性。通常應用於電氣絕緣的環境和對功率波動敏感的設備,功率在10kW以上。隨著科技的進步,儲能裝置現在可以作為一個普通的供電設備,提供500W,甚至更小的功率。在剛剛結束的杭州G20峰會,廈門科華恒盛提供了數十套高端UPS電源及整體電源解決方案,成功護航了G20峰會文藝晚會。


傳感器


配電用傳感器技術一直在不斷發展,傳感器的大量應用提高了係統的可靠性和資產管理水平。一些即將進入配電網應用的傳感器如下:

1、線路絕緣子傳感器。線路絕緣子傳感器並不是新技術,但在未來將會有新的用途:監測配電網中的線路電流、節點電壓,監測配電網饋線,還可以監測開關電容器、饋線電壓調節器、配電線路自動開關。貴州高低壓配電設備告訴你在其高級應用中,還可以與變電站配合起來。


2、帶電流電壓監測功能的絕緣子。線路絕緣子傳感器實際上是帶電流電壓監測功能絕緣子的擴展應用,這些絕緣子也能起到類似於支柱絕緣子的功能。


3、肘式電壓電流監測器。Lindsey製造公司生產的肘式電壓電流監測器可以安裝在變壓器和開關的末端。


結語


為提升服務水平、降低運行費用,未來配電網亟需引入若幹新技術以提高配電網的經濟性、可靠性、穩定性、安全性、交互性.新技術將在未來的智能配電網中發揮重大作用,電力公司應當充分利用現有的監測控製設施,同時不斷地尋找並利用新方法、新技術、新設備來實現配電網的經濟性、可靠性、穩定性、安全性、交互性。


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