现代配电网运行管理系统应用方向探讨

李 可，唐传能，唐道伟，李兴建

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）

0 引言

配电网管理系统应用现代电子通信技术和计算机及网络技术，将配电网实时及离线信息、用户信息、电网结构参数、地理信息进行安全集成，实现配电网的监测、保护、控制和管理。该系统能够提升配电网供电可靠性，当配电网发生故障时进行故障识别、隔离及恢复，缩短停电时间、减少停电面积；当配电网正常运行时，监视运行工况，优化运行方式，改善供电质量，合理控制用电负荷，提升设备利用率，达到经济运行的目的［1］。

近年来，随着信息网络技术的发展、配电网中大量电力电子负荷的应用、分布式发电及新能源的接入等，配电网管理系统面临许多新的应用需求变化，现代配电网对配电网管理系统提出了新的应用需求。结合CIRED 等国际会议讨论热点及一些工程实施案例，分析现代配电网系统中配电网管理系统的应用需求及技术实施等方面的变化，为探讨配电网管理系统的技术发展及应用方向提供一些参考。

1 现代配电系统应用需求概述

配电网管理系统的远景目标是在保持系统高安全性和供电质量的同时，提升系统的经济性和环保节能性，并使之具备大规模分布式、可再生能源的接入能力。从应用需求层面来看，汇总并对比传统的配电网应用功能与现代配电网需求，如表1 所示。

表1 传统／现代配电网需求差异

为应对上述应用需求，现代配电网系统面临诸多技术挑战，主要体现在： 电网的可靠性和纠错能力，传感器、采集技术，分布式电源的集成，灵活性管控，分布式发电及微网技术，分散控制需求，大规模电力电子设备应用，分布式电压和无功控制，用户集成与接入，信息与通信技术。

这些技术和配电网管理系统自身发展互为促进。新一代的配电网管理系统如图1 所示［2］。

图1 新一代配电网管理系统结构

2 应用方向

配电系统技术向设备小型化、系统集成化、引入直流、智能化的方向发展。IEC 输配电工作咨询委员会组（Advisory Committee on Electricity Transmission and Distribution Task Force，ACTAD） 总结当前在配电网领域的发展趋势和新技术中提到： 鼓励低碳社会的国际/国内政策、信息和通信技术、资产管理（尤其是对那些电网老化设备的投资策略）、符合电力系统要求的市场设计、管理机制以及广域运行方式等［3］。

ACTAD 认为，在未来15～20 年内，配电网的发展特点将是更加“主动”和“智能”，两者的重要性和实现程度取决于不同国家和地区的管理方式和政策。可再生能源、分布式发电的接入越来越多，高压直流工程的实施为配电网直流技术的探讨提供了广阔背景空间；为了减小由新能源引起的电压、频率波动，需要在配电网中增加静止无功补偿设备（Static Var Compensator，SVC）和大规模储能装置；而由于分布式发电输送反向潮流需要电网具备相应的电压控制和解列措施，所以原来作为“被动”负荷的配电网现在对于整个输配电系统而言变为“主动”。

2.1 主动配电网管理

主动配电网管理（Active Network Management，ANM） 近年来为业内广泛讨论，是提高配电网接纳、集成分布式电源 （Distributed Energy Resource,DER）能力的新技术，其主要功能有潮流管理、电压管理、功率平衡控制、发电与调度计划、动态容量等［4］。从实际工程来看，英国Smarter Grid Solutions 公司曾在“低碳伦敦”等项目上实施应用并取得良好收益。其所提出的ANM 是介于变电站层设备（保护和控制系统） 与传统的配电网管理系统OMS／DMS 之间的一层，对系统控制目标的响应时间也介于二者之间，为秒级。ANM 典型功能是通过对多个分布式电源点及关联线路负荷的监测控制，实现系统的实时信息采集及功率流动控制、电压控制、负荷平衡控制等，从而提升系统的经济运行能力。

可以看出，ANM 可以使分布式电源可视、可控，其应用可以最大限度地接入分布式电源点、提高资产利用率、快速经济性接入、延缓电网升级、提升电网运行性能。

ANM 面临的挑战包括：商务运营模式，网络运营商资源，标准化（ANM 解决方案、供电质量等），通信，可中断供电合同，满足客户需求的规划工具，成本效益分析，方案与技术验证的缺乏。

Smarter Grid Solutions 公司已经成功地将此产品实施于几个项目，其中Okney 项目通过实施ANM向已有系统新增20 MW 发电容量。“低碳伦敦”项目如图2 所示。

从产品商业化角度来看，目前ANM 还做不到作为常规商业业务单元出现在市场上。

图2 “低碳伦敦”项目实施

2.2 电压无功控制和优化

配电网系统电压无功控制和优化主要是通过调节电压调节器或者变压器档位来调节电压，通过电容器组调节无功。国内外概念并无大不同。国外配电网管理中强调的节能降压是指在可接受范围内，通过使配电馈线运行于较低的末端电压，达到能量和需求节约效果。而与此同时，随着大量电力电子设备（稳定电源）的应用、电动机效率的提升，节能降压技术在未来配电网中的作用可能会变弱［5］。

电压无功的控制方法包括： 独立的现场设备控制，通过现场数据量采集，进行独立的电压无功控制；数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）控制，基于配电网系统采集量通过SCADA 控制现场设备进行控制［6］；“智能型” 现场设备控制，通过实时及存档数据进行控制；“配电网模型驱动”控制，也可理解为基于配电网管理系统的电压无功优化控制。

基于配电网管理系统的电压无功控制，可以减少电力需求、减少能源损耗、增加收入、提高功率因数、减少系统控制频率。主要流程为：“可操作配电网系统模型”模块集合通过SCADA 获取远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）传送过来的现场信息、GIS 信息、控制室人工设置信息，经实时潮流模块运算，进行电压无功优化分析形成控制计划，之后送过SCADA 模块进而控制现场设备。基于配电网管理系统的电压无功优化控制如图3 所示。

收集网络中电力设备状态，分析电网运行状态，进行基于全局优化的算法识别，提出最优潮流控制方案在保障可靠性的同时提升经济性，是配电网自动化的技术研究方向［7］。可以看出，基于配电网管理系统的电压无功控制，是全局协调的方案，可控制不同目标，可应用于馈线重构，并可应对配电网分布式发电、潮流控制等，符合新一代配电网管理系统的发展方向。其缺点是实施复杂成本高，缺乏充分的经济验证经验。

图3 基于配电网管理系统的电压无功优化控制

2.3 配电网储能技术集成

储能装置管理是现代配电网管理系统的应用之一。大量可再生能源如风能、太阳能的应用很大程度地改变了传统电网模式，配电网无功电压控制的需求也不断提升，这些都给配电网储能技术带来了极大的发展空间［5］。储能单元的操作由储能控制完成，配电网管理系统 （Distribution Management System，DMS）是一个功能模块，如图4 所示。其作用为：就地作为备用电源，电压校正，有效集成可再生能源，进行电网负荷平整、功率因素校正等。

以国外某商业项目为例，项目储能单元容量为25 kW，充放电限制为12.5 kW，在79 处布置总容量为2 050 kW 的储能设备，主要采用负荷转移、备用电源两种控制方式。研究在调峰运行、负荷跟踪运行、计划运行等状态下系统需求与损耗情况；提供了储能对二次电压影响、馈线潮流控制、发电平滑、智能逆变器、可再生能源集成等方面的影响。储能是有限的，在不恰当的时候放电会使储能单元快速衰竭；配电网管理系统进行储能控制，可以很好地管理放电问题；另外还可以配合太阳能充电避免系统需求峰值。

图4 基于配电网管理系统的储能控制

2.4 交直流混合配电网

近年来电力电子技术的发展、高压直流工程的广泛应用推动了直流配电网的发展。配电网直流在提升配电网稳定性、改善潮流控制、远距离孤岛互联等方面有广泛的应用前景。和交流配电技术类似，直流配电技术主要涵盖拓扑结构、设备、控制运行、保护等方面。直流配电网的接线方式可分为辐射状、环状和两端配电，关键设备包括AC／DC 换流器、DC／DC 换流器、直流断路器等［8］。

从2004 年开始，世界各国相继开展了直流配电网的研究，在供电方式、拓扑结构、连接方式以及控制和保护技术等方面取得了一定的研究成果。目前国内外已有几个国家开展直流配电网线路试验运行，2015 年英国OFGEM 立项资助ANGLE—DC 直流项目，把现有的33 kV 交流线路改造为直流互联，该项目是在欧洲的首个配电网直流工程［9］。该项目在2017 年由GE 交付，除了关键的电力电子拓扑等电气电路外，该项目配置了资产管理工具软件，提供控制中心的远程连接，以及数据管理系统，进行数据信息收集、存储、分析，从而为客户进一步优化其直流系统的控制算法提供依据。

虽然未来配电网络的规划需要考虑直流配电网可靠性、经济性的影响以及选址配置等因素，建设直流配电网仍将是现代配电网发展的一个重要探索方向。随之而来的配电网管理系统，需要考虑直流配电网或者交直流混合配电网系统，包括监视及主站算法优化控制等技术集成。

上述应用需求的变化均对配电网管理系统技术应用和实施提出新的要求，通信及数据处理技术的发展也进一步促使配电网管理系统升级。相关联的应用模块包括资产管理、负荷预测、系统规划、线路平衡、故障定位、隔离与恢复、线路重构、电压无功控制、静态安全分析、系统维护、分布式发电集成、用户需求反馈等。因此，须进一步优化配电网模型管理、传感技术，优化用户建模、实时操作入口，研究配电网规划方面的仿真方法。

3 结语

结合国际讨论及项目实施中的关注热点，对比国内配电网自动化及配电网管理系统，无论是内涵还是外延，都有一定的差异。基于系统电压和无功优化控制的能源使用效率的提升以及在一些特定边界条件下系统供电可靠性的提升，仍然是现代配电网管理系统的首要目标任务；而分布式能源接入、分布式储能技术的发展以及用电需求响应等需求不断增加、直流配电网技术的集成应用，都对配电网管理系统提出了更高的挑战。详细了解现代配电网中应用需求的变化以及国外配电网领域研究内容及技术发展方向，对探讨我国的配电网发展方向、实施适用于现代配电网的配电网管理系统有着较大意义。