县域电网的智能电网改造研究

漯河供电公司 林 森

周口供电公司淮阳县电业局 王文涛 曹建庄 郑宇辉

周口供电公司鹿邑县电业局 付振华

县域电网的智能电网改造研究

漯河供电公司 林 森

周口供电公司淮阳县电业局 王文涛 曹建庄 郑宇辉

周口供电公司鹿邑县电业局 付振华

本文通过在县域电网改造中把智能电网的设计的新理念，新方法的引入，使县域电网通过改造后满足智能电网信息化、数字化、自动化以及互动化等特征。通过改造电力一次部分，升高电压等级，在主网中集中使用输电线路安全状态智能监测中心；在二次部分中，进行集控设计，使调度、运行在一个平台上；在用电部分，使用智能电表、智能充电站、新型风光互补路灯，同时在智能电网的关键技术上如配电网自愈、完善的通讯系统、智能调度系统实现突破。通过改造，使县域电网基本满足智能电网的各项要求。

智能电网；县域电网；配电网自愈；智能电表；智能调度系统

1.引言

县域电网作为电网中的最末端，如何在智能电网的大浪潮中发挥自己的作用是目前县级供电企业工作人员都在思考的问题。智能电网是世界各国未来电网发展的大趋势，智能电网的发展将会颠覆整个电网的现有运行机制，作为最末端的县域电网如何能在智能电网发展中找到应有的优势，这是一个值得思考的问题。

在我国电网等级中，县域电网的主网目前以35kV、110kV为主，且县域电网目前主网普遍比较薄弱，智能化程度不高，调度自动化，变电站自动化程度也有待于进一步提高。以下属淮阳县电网为例，图1所示，淮阳供电区现有220kV淮阳变电站一座，主变两台，容量120+150MVA；110kV变电站两座，黄路口110kV变电站一座，主变容量40+31。5MVA；芦庄110kV变电站一座。

到目前为止，淮阳供电区在运35kV变电站12座，主变21台，容量210。25MVA；在建35kV变电站1座，主变1台，容量10MVA，如图1所示。

2.智能电网设计的新理念、新方法

在前述供用电的基本条件上进行智能电网改造，将为淮阳电网构建能够抵御较强自然灾害，具备信息化、数字化、自动化以及互动化等特征的坚强电网[1]，其基本框架如图2所示，在子站层，引入智能化变电站、互动用户(智能电表)、自愈型配电网络、风光互补路灯及电动汽车智能充电站等；在通信层，采用光纤环网方式，做到信息共享网络化；在主站层，建设包括智能可视化监视及优化功能在内的智能型调度控制中心。淮阳智能电网具有较强的资源优化配置能力和有效抵御各类故障的能力，能够适应各类电源、用户资源的协调互动、高效率共享以及利用各类信息实现电网运行优化调度，显著提高电网运行效率和用户服务质量。智能电网的改造方案非常符合把淮阳建设成国家旅游标准化示范县、国家卫生城、国家园林城，实现低碳经济，促进淮阳全县和谐发展。

具体而言，淮阳智能电网改造方案主要包括3个部分，如图2所示。

2.1 电力系统一次部分

1)对现有输电线路进行改造，把全县主网从35kV全部升级成110kV，把现有13座35kV变电站全部升级改造成110kV变电站，配电线路直接从110kV变电站出线，提高电压等级，降低线路损耗。在输电线路设计中实现勘测数字化、信息标准化和应用网络化；全面实施状态检修，对在运杆塔、导地线、绝缘子、金具等部件和通道环境进行安全状态与预期剩余寿命评估；进行全寿命周期管理，通过对典型环境条件下输电线路设计部件性能退化通过对典型环境条件下输电线路设计部件性能退化规律的研究和数据统计分析，建立设施寿命分析模型，提出设施预测维修策略；建设输电线路安全状态智能监测中心，采用人工神经网络、专家系统和遗传算法等评估与决策技术，实时分析输电线路舞动、绝缘子泄露电流、地基沉陷、杆塔倾斜、架空线张力与覆冰、气象环境等关键运行参数，对线路健康状况、电气与力学安全状态进行实时智能诊断评估和趋势预测分析，为输电线路智能化监控与维护决策提供科学有效的技术支撑。

图1 2012年淮阳县35kV及以上电网规划图Figure 1：2012 Huaiyang County 35kV and above in the grid plan

图2 淮阳智能电网基本框架Figure 2 Basic smart grid configuration in Huaiyang

2)在35kV变电站升级成110kV变电站过程中，110kV变电站采用智能化电站方案：¹使用电子式互感器，将数字化技术应用到一次设备上，适应系统数字化、智能化和网络化的要求；实现二次设备网络化，每个间隔配置过程层设备合并单元(实现电压并列切换与故障录波等功能)及智能终端(实现设备信息及操作数字化)，而间隔层保护及自动化装置则通过光纤以太网(代替电缆连接)与对应间隔的合并单元与智能终端连接；标准上应用IEC61850模型，确保整站数据一致性，GOOSE机制使二次设备控制操作由硬接线方式转向通信方式，增强系统配置灵活性。

3)在配网设计中通过灵活重构、优化潮流分布、接纳分布式可再生能源及分散储能装置等措施努力实现其自愈功能，显著提高供电可靠性和电能质量[3]。

2.2 电力系统二次部分

1)在110kV变电站、县调和智能配电网通讯系统设计中强调满足高速、双向、实时以及集成等4大特征，这将使智能电网成为动态信息和电力交换互动的大型基础设施。当这样的通信系统建成后，可以提高电网供电可靠性和资产利用率，繁荣电力市场，抵御电网受到的攻击，从而提高电网价值。

2)在系统主站设计中采用智能化的调配一体化，调度、集控、配网管理功能于一体，统一实现对淮阳输、配电网及变电站的实时监视、协调及其控制功能。

2.3 用电部分

1)智能电表与用户管理系统。智能电表是适用于家庭用户用电信息监测、电度计量及控制的智能终端。而用户管理系统配合智能电表的应用，可实现大用户远程自动抄表和负荷现场管理，提高用电监测及负荷管理水平，为加强电力需求侧管理提供重要技术支持。

2)智能化充电站系统。电动汽车智能化充电站系统是智能电网重要的组成部分，也是在智能电网处于紧急状态时，保障电网稳定运行的重要支撑点。其建设工作将产生巨大的经济效益和社会效益。

3)风光互补路灯系统。节能、环保、自动化程度高及可作为清洁可利用再生能源的风光互补路灯系统将成为未来路灯的新选择。

3.县域智能电网设计关键技术

3.1 自愈的配电网

实现新型配网自愈，应遵循4个方面。

1)需要建设坚强的配电网络，为其智能化打下坚实基础，重要负荷冗杂电源配置，全部采用电缆下地敷设方式，并埋设于地下排管中。

2)为及时掌握电缆各种运行状态，确保电缆安全运行以及科学合理地调度电力负荷输送，在主干线上同期建设远程监测系统，其功能主要包括：运行状态监测。实时显示沿电缆线路上的温度分布曲线、各点温度随时间变化曲线。出现异常现象及时报警，并反映报警画面及故障信号所在区域的分布图，显示故障区域最高温度或其他相关报警指标。环境状态监测。实时监测电缆外部火灾、淹没、人为故障位置信息。灵活负荷调度。根据状态监测信息，预估电缆负荷能力，过载能力，实现负荷输送的灵活调度。建立与调通中心的通信联系，将监测数据及时传输给调通中心。

3)与远程监测系统配套，智能化调配一体化系统主站中设计负荷转供与故障处理两类功能，前者在系统正常状态下，根据各种限制条件，如负荷容量、开关动作次数等，基于局部拓扑搜索算法，给出较现有方式更优的负荷供应方案，目的是提高系统供电可靠性，减少可能停电的影响范围；后者是在实现馈线自动化的区域，根据拓扑关系自动识别各种故障，获得最优故障处理方案和最高的安全保证，并进行快速隔离和恢复。值得注意的是，实现馈线自动化要考虑投入产出比，不应该过多强调所有点的馈线自动化，而是应该根据线路重要性合理分布一遥、二遥、三遥点，只有重点线路才布置三遥点，而相应的故障恢复策略也需要根据一遥、二遥、三遥点的分布进行考虑，得出结合实时信息点分布的故障隔离和恢复方案，如一遥模式进行基于网络拓扑结构的故障处理方案，二遥模式进行基于拓扑结构和量测数据的故障处理方案，三遥模式可以进行在故障处理方案基础上的遥控执行。

4)接纳足够容量的分布式可再生能源及分散储能装置也是配网实现自愈的重要措施之一。虽然淮阳不具备大规模建设分布式可再生电源的条件，但可选取部分开阔地区的建筑物作为试点，开发光伏建筑一体化项目，利用建筑的屋顶或幕墙进行太阳能发电，并接入电网。此外，在低压用户侧，规划建设智能化小区，通过构建在智能家居中的即插式混合动力汽车充电站实现分布式储能。

3.2 完善的通讯系统

全县所有110kV变电站系统通信采用光纤方式，通信站点为全县所有110kV变电站、以及220kV淮阳变，具体设计包括：光纤通信工程设计，含传输路由、系统组成和设备配置等；县调通信包括电源系统、调度交换系统和行政交换系统部分，限于智能配网自动化系统和用电信息采集系统均需通过通信系统完成终端设备与主站设备之间的双向通信。考虑到智能配网终端设备和用电系统电表集中器数量众多、分布范围与数据传输量大，设计采用在环网柜、开关站和淮阳县局配置SDH综合业务接入及传输设备，沿全县主网线路走径敷设光缆，形成光纤环网方式的通信主网架，以保证数据传输实时性和通信故障的自愈能力。

3.3 智能化的调度自动化系统

除实现传统的配电管理信息化功能(含业务定制、工作流管理、检修计划、操作票管理等)之外，智能化的调配一体化系统主站还可通过采集各终端数据，结合配网拓扑结构，监视电网运行，实现自动化控制、管理和配网自愈、用户互动、高效运行、分布式电源灵活接入等智能化功能。

1)智能监视及优化。智能化监视与告警，能根据上传信息发现配网运行薄弱点及其发展趋势，并以专家知识库为依据对电网越限等告警信息实现在线判别过滤，按照类型和轻重缓急分页面显示，并提供处理方案。智能可视化显示。配网可视化技术可以提高配调人员警觉性，快速、准确掌握电力系统运行状态，提高电网调度运行水平，同时减少调度员脑力劳动，为调度员运行值班提供更高效的监视方式[4]。视频监视，在变电站、开闭所、环网柜等区域安装摄像头，实现对一次设备现场的视频监视，即时发现问题，并防火防盗等。

2)智能自愈。除前面论述的故障处理功能外，对于没有安装配电终端的地区，可以根据用户打来的电话进行故障定位、隔离和恢复，这应作为馈线自动化功能的重要补充。详细的用户信息支持可以提高供电可靠性和减少停电时间，同时可与95598结合，更好地服务用电客户。

3)用户智能化管理。该功能的目标是实现安全、经济、可靠和人性化的用户响应及其互动系统。用电信息采集。实现电力企业与用户之间的双向信息互动功能，提高电能计量、自动抄表、预付费等业务的自动化程度，为电力用户提供用电信息查询和电费交纳服务，为开展其他增值服务奠定基础，也为促进智能家居、智能楼宇和智能小区的全面发展创造条件。负荷控制。改善电网负荷曲线形状，使负荷均衡地使用，提高电网运行的经济性、安全性和投资效益。防窃电分析。采用电能和电流平衡法2种技术手段实现防窃电。智能电表采集分析。具有智能电表的采集、统计、分析、控制等功能，能以WEB的方式显示每个电表的电量曲线，统计分时电量、分时计费、设备用电特性等，并可以基于因特网远程查看。WEB信息网建设。客户可以在WEB上实现用电信息查询、用电业务办理、用户信息录入等功能，实现电子营业厅。

3.4 新型供用电设施的利用

1)风光互补路灯。风光互补路灯系统具备风能和太阳能产品的双重优点。它是一套独立供电系统，在风、光任一或同时具备时都可以发电并储存在蓄电池，由蓄电池向负载提供电力。路灯开关无须人工操作，由智能时控器自动感应天空亮度进行控制。

2)电动汽车智能充电站。智能电网技术的发展，使得电动汽车、智能充电站并不仅仅是一个用电单元，其基本特征是一个智能化的能量交换管理中心，或者可以认为是一个能量ATM机，按照管理规约，可以作为一个种子BT单元，进行动态的能量下载或上传。在紧急的情况下，它可以作为智能电网一个坚强的支撑节点，有效地保障智能电网的稳定运行。首期拟在淮阳建设一个固定式的电动汽车智能化充电站，进线电源采用低压380V三相四线制，充电站的额定功率为30kW，预计投资费用约100万元。随着智能充电站的建设，可根据当地城市电动汽车发展的情况选择并验证适当的充电站运营模式，推动当地电动汽车及智能充电站的商业化、产业化过程。随着电动汽车对于充电站的技术要求逐步向充电快速化、通用性、智能化、电能转换高效化以及集成化等方向发展，智能充电站的技术水平也会随之不断提升，从而为智能电网的建设奠定基础。

3)在未来电网中大力推广家庭风、光智能发电系统和生物质能发电系统，白天有风、太阳比较好的情况下可以发电，不仅能满足自用，在负荷高峰是还可以对电网进行供电，在晚上或者无风的时间，从电网上取电满足生活用电。而同时生物质能发电系统（如沼气发电、秸秆发电）这些小型发电不仅解决了家庭生活用电需求，更是满足了低碳、环保的要求[2]。

4.县域智能电网未来展望

现有的县域智能电网设计在发、输、配、用各个环节中的众多元素上体现了智能化的特点，除了在实践中需进一步完善外，还可根据计算机软硬件系统及电力市场模式的发展状况，适时开展建设应急系统与培育需求侧电力交易的工作。

4.1 应急系统

地震、洪水、飓风等自然灾害的发生具有不可预知性，因此，在智能电网改造中应加入应急系统。坚强的一次系统是电力可靠性最基本的物质基础[5]，同时也提出了在极端外部环境引发的巨型停电灾难下，需要为调度员引入气象、地质等非电气信息，电力系统应急系统应运而生。应急指挥中心应用系统是在充分整合现有信息资源基础上形成的包括电网信息、GPS、GIS、雷电定位信息、变电站视频信息、生产信息、应急预案、应急组织机构管理、彩信(短信)发布、消息发布、气象信息、物资信息、历史演习或应急处理案例在内的综合应急信息管理平台，是一个通过软件系统和网络通道形成统一的信息传递、共享、分析和决策的信息平台，它通过对于来源于电网的故障信息、来源于气象和地震等单位的自然灾害预警信息、来源于政府的相关公共灾难信息的整合集中形成应急系统的启动源泉，并给出相应的提示；由应急过程指挥系统构成整个系统运转，结合整个电网资源支持信息系统以及整个应急过程的对方信息发布系统构成整个应急指挥的过程管理系统；系统相关的专家保障资源人员保障资源、物资保障资源和预案保障资源通过相应的应急保障体系的维护端进行数据的维护和更新；整个应急过程完结后的应急系统的善后处理工作由善后恢复体系完成，其包括应急工作的总结、历史应急情况的查询、物资消耗的补充及人员工作量的统计等。

4.2 需求侧电力交易

用户能够根据电力市场中负荷高峰时段的高实时电价信号和自身电力需求，通过双向式终端智能仪表及其通讯设备，主动消减负荷，或转移它至分散电源，从而降低电网的负荷峰值，这一过程被称为需求响应(Demand Respond，DR)。DR可以降低电力市场中的实时电价水平，给用户带来经济实惠，另一方面，由于设备容量通常是按最大负荷水平设计，因此实施DR可减少电力系统建设成本。DR是智能电网的标志性特征之一，但通常需要在电力市场零售竞争模式下才能开展。

[1]刘新勇,刘继春,吕林.新淮阳智能电网设计[J].电力科学与技术学报,2010,25(1).

[2]王龙飞.风光柴蓄互补发电集成装备系统研究[D].合肥工业大学,2007.

[3]陈树勇,宋书芳,李兰欣等.智能电网技术综述[J].电网技术,2009,33(8).

[4]谢开,刘永奇,朱治中等.面向未来的智能电网[J].中国电力,2008,41(6).

[5]孙宏斌,张伯明,吴文传等.面向中国智能输电网的智能控制中心[J].电力科学与技术学报,2009,24(2).