新形势下农村配电网智能化发展方向

张 玮，丁孝华，赵景涛

（国网电科院配农电公司，江苏 南京211000）

1 新形势下农村配电网面临的挑战

配电网是能源互联网的重要基础，是影响供电服务水平的关键环节。随着电动汽车、分布式能源、微电网、储能装置等设施大量接入，以及电力市场开放和各种用电需求的出现，对低压配电网的安全性、经济性、适应性提出更高要求。以分布式光伏发电装机容量为例：2016 年为1032 万kW，2017 年为2966 万kW，增长达187.4%。2020 年为6000万kW，比2017年翻倍。

农村配电网作为供电服务的“最后一公里”，具有管理需求变化快，管理设备规模大，服务要求高等特点。由于缺乏顶层设计，存在重复建设、频繁改造、原则不统一等问题，各系统、设备间接口标准、通信规约存在差异，互联互通性较差，无法形成整体优势，造成大量经济资源、数据资源浪费。随着管理要求的不断提升，配电台区的功能呈现多样化和智能化的趋势，接入的信息和设备也成倍增加，涉及配变状态监测、无功补偿、剩余电流动作保护器、电能表、分布式电源、电动汽车充电桩等多种类型，若按照传统方式进行集中监测管控，将对人员运维、通信传输、主站系统信息处理等方面带来较大压力。低压配电网自动化、信息化、智能化水平不高，现有资源配置能力无法满足快速变化的业务服务需求，尤其是“电能替代”、分布式电源、电动汽车等外部环境变化，对电能质量、供电可靠性提出了更高要求。同时农村地区亟需开展综合能源服务，一方面适应不同用户群体、满足多样性能源需求、迎合多种能源应用的要求；另一方面以“服务”为中心，提供领先的能源服务理念、过硬的平台、相关互联网技术和能源控制技术等整体解决方案。

配电网智能化是针对面临的现状及挑战，通过全面深化智能感知、大数据平台的数据融合和运维管控的自动化、信息化、互动化的高度集成，实现配电网的主动优化控制、灵活高效运维与科学管理决策，适应多元化负荷快速发展，满足客户服务多样化需求。

本文介绍了未来农村配电网发展方向的思考主要包括三个方向，一是配电智能化支撑智能运检体系建设，二是先进装备支撑配网全景智能感知，三是全面解决方案服务综合能源业务开展。

2 农村配电网智能化发展方向（一）

2.1 配电物联网云化主站

图1 配电物联网云化主站

配电物联网云化主站立足能源电力基础设施，支撑电网业务、能源互联网业务、新型互联网业务。其中，电网业务含电网生产运行、企业经营管理、对外客户服务；能源互联网业务含多能协调与互补、综合能源服务、能源运营与交易、智慧用能等；新型互联网业务含电子商务、网上国网、金融、养老、征信、智慧车联网等，如图1 所示。物联网云化主站遵循“战略引领、创新驱动，末端融合、统一连接，智能防御、安全可信，规划布局、标准先行，成果继承、经济高效，服务用户、构建生态”的建设原则，实现新一代电力系统和能源互联网从终端、网络、平台、安全到业务应用能力提升的建设目标。

2.2 基于大数据的配网智能化运维管控

基于大数据的配网智能化运维管控，可实现数据治理，对设备运检数据规范化建模，跨平台获取及异构数据的转换及量化融合、数据校验及无效数据的智能剔除等。

评估指标体系实现特征参量与状态间的表征规律，特征参量的优选，指标体系的建立。

故障诊断和预测包括故障诊断、特征参量预测、故障预测，如图2 所示。状态差异化评价包括故障模式因果关系、差异化评价、故障概率计算等。

图2 故障诊断和预测

风险评估包括指标体系、风险量化、不良工况修正。剩余寿命预测包括指标体系、寿命损失模型、不良工况修正。检修决策包括检修方式、方案优选、检修顺序。检修策略效能评估包括评价规则建立、检修效果评价、效能评估等。

2.3 配电网络运行方式优化技术

配电网络运行方式优化技术，可基于供电能力分析确定负荷正常增长情况下的网络改造和新建方案及负荷转供方案，主要考虑负荷均衡、降低损耗；基于节假日、工作日负荷不同特性，给出变压器常态运行方式，主要考虑降低损耗、提供供电质量；以日线损电量最低、电压偏移量最小、开关动作次数最少，提供多时段网络运行优化方案，优先考虑供电质量，同时降低损耗；优先考虑重要负荷供电，并保证电压质量；考虑在出现故障情况下，实时快速隔离故障，提高可靠性。

2.4 多级无功优化

配电网可调节设备通过RS485/232 串口线接入智能配变终端，由智能配变终端就地智能控制并将数据经无线4G上传至主站软件。主站软件负责全局分析监测，并提供运行监控、效果分析、报表查询等功能，同时基于PMS2.0系统和用电信息采集系统的大数据基础，支持对无载调压变、分布式电源升压变、配网电能质量（低电压、高电压、三相不平衡）等进行综合分析，定期给出问题原因分析和设备优化定值，提高整体效果。

智能配变终端中嵌入电压治理功能App，通过装置内部策略或接收主站软件下发的优化指令给所有设备进行就地调控，实现配网无功和三相不平衡的分析与控制。

2.5 中低压线损分析

10 kV母线电压、中压馈线、配变、低压4级无功电压优化功能依托线损降损分析的数据，采用配电网电压无功最优潮流和专家规则混合优化等多种算法，得出“一台区一目标”“一线一策”的最优控制方案，通过GPRS/4G下发给智能配变终端进行调整执行。

线损分析App 嵌入中低压线损分析模块，统计分析中低压损耗情况，利用计算机辅助手段，比对同期线损和理论线损数值，并分析管理线损具体是哪些原因造成的，提高日线损达标率；在计算模型校验无误的基础上，根据理论线损计算结果快速定位高线损线路、高线损线段、高损元件等，明确高线损原因，提出针对性技术降损方案。如图3所示。

图3 电压监测与线损治理

3 农村配电网智能化发展方向（二）

3.1 基于融合终端的全景感知

目前配电网存在的问题，一是终端感知采集和智能分析处理能力不足，配电终端设备种类多，在功耗、可靠性、标准化、集成度等方面水平亟待提升，且仍采用传统集中监控方式，缺乏“泛在接入”“即插即用”“边缘计算”等能力，通信网络及数据中心处理压力大；二是配电网信息化实用化水平有待提升，“站-线-变-户”关系未实现完全对应，配电台区运行情况无法全面感知，新一代信息通信技术还未大规模推广应用；三是数据、业务、应用缺乏共享融合，现有配电系统中各类监测、巡视、试验等数据仍是信息孤岛，大都分散存储在各业务系统中，没有实现互联互通，已有数据类型和密度不能满足配电网精益化运维和新型业务的需求。

基于“国网芯”主控芯片进行边缘物联代理研发，采用Docker容器技术及K8S编排技术实现软硬件解耦和软件App 化。通过编排技术实现边缘物联代理的App 远程集群部署、产品迭代、软件定义终端等功能。

3.2 三相不平衡治理

按照“源头预防、常态监测、科学施策、动态治理”的原则，以智能配变终端为核心部署三相不平衡治理装置，实现低压台区的全相计算、指标监控、优化方案输出、治理效果评价等功能，解决由于三相不平衡带来的变压器过载运行等问题，延长变压器寿命。

台区通过智能配变终端采集的电压、电流信号，结合台区变压器容量计算变压器台区负载率、电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波等电能质量数据，结合设定定值产生对应告警信息。通过SVG与换相开关结合、SVG与电容结合的三相不平衡治理解决方案，智能配变终端控制SVG、电容器或换相开关进行无功补偿。

3.3 网格能源协调自治

网格物联代理作为配电网的基本运维管理单元，汇集来自DTU/FTU/TTU 采集的配电网全景信息，运用源-网-荷-储协调控制等技术实现可靠运行、新能源消纳、有序充电等配电网格的能源自治功能，运用移动巡检、拓扑识别、综合能源服务等技术实现设备状态检修、故障准确定位、运维信息及时推送等配电网格的运维自治功能。如图4所示。

从运维角度来看，配网网格管理应用以网格为对象，差异化开展数据分析与研判，形成以配网运行状态和设备健康状态监测分析为主的网格化管理模式，向下对接TTU等终端设备，汇集中低压配网及新能源感知数据；向上对接业务系统及物联网主站平台，实现差异化、精益化的网格自我管理，保障配网安全稳定运行，提高运维检修效率，促进新能源就地消纳。

图4 网格物联代理系统

4 配电网智能化技术发展方向（三）

4.1 园区能源协调控制

国内需求侧管理出现了一些问题，比如尖峰负荷时间短，仅为几十小时，传统机组调峰经济性下降；空调已成为高、尖峰负荷主因，发达地区超过1/3，甚至接近50%。（2015 年北京市夏季空调负荷720万kW，空调负荷占比38%；2017年江苏省最大用电负荷达到10219万kW，其中空调用电负荷占比超过40%）。亟须利用新技术手段和市场机制平移负荷，削峰填谷。

园区能源协调控制依托规模化分布式电源最大化消纳、主动配电网协调控制、需求侧资源优化运行、源-网-荷优化系统统一信息支撑等领域关键技术，解决分布式电源大规模接入不确定性对电网安全运行所带来的问题，提高电网对清洁能源的消纳能力，提高电网的供电可靠性，改善电网的电压控制水平，引导和优化用户用电方式，降低高峰负荷。

协调控制系统主站层对上与调度自动化系统交互，实现需求响应、主动孤网、应急支撑3 种与上级电网互动能力，对下与各子系统交互，实现区域冷热电综合能源的安全运行、经济运行和绿色运行3种自治运行模式：

一是安全模式，实现设备和线路在正常态和N-1下的均衡运行，解决新能源小镇新能源高比例接入后的功率阻塞问题，提高其供电系统安全裕度，提升电网抵御风险的能力。

二是经济运行模式，是以用户经济效益最大化为目标，减少交直流发电、用电之间的能量转换环节，提高供电效率；实现分布式电源就近消纳，减少功率传输路径，降低配电损耗；基于峰谷电价差，控制储能及柔性负荷运行方式，减少用电成本。

三是绿色运行，实现清洁能源100%出力，不弃风弃光，实现清洁能源的就地消纳，提高新能源小镇的清洁能源占比和利用率，利用储能的时序能量调节作用，提高小镇用电的绿色性，提高综合能源利用率，降低电能占比。

4.2 网-源-荷（储）协调控制系统

网-源-荷（储）协调控制系统依托规模化分布式电源最大化消纳、主动配电网协调控制、需求侧资源优化运行、源-网-荷优化系统统一信息支撑等领域关键技术，解决分布式电源大规模接入不确定性对电网安全运行所带来的问题，提高电网对清洁能源的消纳能力，提高电网的供电可靠性，改善电网的电压控制水平，引导和优化用户用电方式，降低高峰负荷。如图5所示。

图5 网-源-荷（储）协调控制系统

4.3 台区能源协调自治

随着经济的发展，用电需求骤增，大规模新能源、电动汽车充电站/桩等多样性负荷的接入，给配电网带来了消纳能力不足、电能质量控制难度增加、能效水平降低等问题。另外由于可再生能源具有分散性，就地利用资源的分布式发电和面向终端用户的微电网的大量出现，面向公司网格化管理发展需求，强化前端业务处理，提高能源消纳效率，有必要开展网格化+区域多级能源自治的配电网运行与管理研究，在配电网层面实行标准化、区块化的建设与管理模式，以化解目前配电网运行管理中不断涌现的诸多矛盾。

台区能源协调自治以配电台区为控制范畴，将辖区内的分布式电源、电动汽车、储能、负荷、蓄冷及蓄热装置构建成为一个能量管理单元，通过智能配变终端，对台区内分布式能源、储能等装置的采集感知，由智能配变终端分析能源均衡情况，作出能量潮流控制决策，实现台区能源自治（削峰填谷、功率控制、负荷聚合）和对区域电网需求响应业务的支撑。

5 结束语

本文探讨了在新形势下农村配电网现状以及面临的挑战，随着农网改造的不断推进，在不同层次、不同规模上对配电自动化进行了建设，配电自动化系统在智能配电设备、智能化功能等方面日益实用化和规范化，但还是存在管理需求变化快，管理设备规模大以及服务要求高等存在问题。

针对上述挑战详细分析了农村电网智能化发展趋势，结合目前的工作重点就配网智能化支撑智能运检体系建设，先进装备支撑配网全景智能感知以及全面解决方案服务综合能源业务开展这3 个方向开展了详细阐述。

我国人口数量庞大，农业生产关系国计民生，农村电网的建设与发展关系到农业、农村、农民，农村电网是乡村振兴的基础。长远看，农村电力需求是增长的趋势，清洁能源接入的比例也是增长的趋势，农村电网智能化建设与改造的任务仍然较重。最重要的一点是须综合考虑各地的实际情况，因地制宜地制定符合当地经济发展状况的农村电网长期发展战略。