工业园区主动配电网关键技术研究及应用.doc

工业园区主动配电网关键技术研究及应用刘爱华 1，王双虎 1，梁顺 1 ，朱朝阳 2 ，张楠 3（1南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏 南京 211106；2国网苏州供电公司，江苏 苏州 215024；3国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110032）摘 要：随着分布式电源和电动汽车等负荷的快速发展，作为区域经济发展主要载体的工业园区的快速发展对配电网的建设提出了新的要求，主动配电网概念的提出就是为了解决分布式电源、储能等新情况带给电网 的问题，相关技术是解决园区配电网发展问题的有效方法。文章提出了适用于工业园区的主动配电网建设的 总体架构，结合主动配电网技术的发展趋势，从态势感知、柔性直流、交直流混合配电网、需求响应和网源 荷协调控制5个方面阐述了工业主动配电网的关键技术。最后简要描述了苏州工业园区主动配电网示范工程 和锦州新能源城市主动配电网示范工程，对提出的体系架构和突破的关键技术进行了应用验证，为国内工业 园区主动配电网的建设提供了可复制、可推广的发展思路。关键词：主动配电网；工业园区；源网荷协调控制；态势感知；柔性直流；交直流混合配电网中图分类号：TM71 文献标志码：A DOI：10.19421/ki.1006-6357.2017.07.0040 引 言工业园区作为推进我国改革开放和经济发展的重要载体，一直被视为经济建设的主战场。我国的工业园区包括各种类型的开发区，如国家级经济技术开发区、高新技术产业开发区、保税区、出口加工区以及省级各类工业园区等。工业园区作为区域经济发展的新焦点，如雨后春笋般兴盛起来，不少工业园取得了经济效益，甚至成为区域形象工程。截至2010年末，我国国家级高新区有83家，国家级经济技术开发区有107家；通过规划论证正在建设的国家生态工业示范园区数量达到39个，其中通过验收的国家生态工业示范园区有12 个。我国各个省、大部分地市甚至部分县都已开始建设工业园。园区的快速发展对基础设施尤其是电网提出了新的要求。主要体现在以下方面：越来越多的园区提出基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）（2015AA050102）；国家电网公司科技项目“分布式新能源规模接入下的配电网运检安全防护技术研究与关键设备研制”。Supported by the National High Technology Research and Development Program of China（863 Program）（2015AA050102）；the Project of State Grid Corporation of China绿色、低碳的发展理念，在国家和地方政府的政策指导激励下，越来越多的入驻企业利用厂房屋顶、建筑外墙等空间大力发展分布式光伏、微电网等能源供应方式；园区主管单位规划建设了电动汽车充放电设施，满足入驻企业低碳交通的出行需求；园区的政府机关、金融机构和超高层建筑等重要客户对供电可靠性的要求极高；园区入驻的高新技术行业和精密制造业、电子芯片加工业等行业对供电电能质量也有非常高的要求。主动配电网的提出就是为了解决分布式电源、微电网、储能装置、柔性负荷等新情况的出现给配电网带来的诸多问题，国内外学者从不同角度对主动配电网的规划、运行、管理等问题展开了研究，并取得一定的成果1-13。但对于适用于工业园区的主动配电网建设问题的研究还处于起步阶段。本文基于已有的研究成果，提出适用于工业园区的主动配电网建设的总体架构，结合主动配电网的技术发展现状，分析了工业园区主动配电网建设需要突破的关键技术，最后通过在苏州工业园区和锦州经济开发区的应用场景对工业园区主动配电网的建设进行了工程验证。1 园区主动配电网总体架构设计园区主动配电网建设总体架构见图1，总体分为能源网络层、感知控制层、通信网络层、基础信息层、决策支持层5层。网时空多维运行状态。工业园区受入驻企业规模、企业生产流程等因素的影响，配电网特性变化很大，再加上分布式电源、多样性负荷的随机接入，园区主动配电网运行状态的评估需要融合智能电表、配电终端等多种资源信息。而配电网的态势感知技术由多源信息融合、状态估计等一系列软件构成，可对配电网的当前状态和未来状态做出准确预判，而该技术作为主动配电网的关键技术之一，目前的研究还处于起步阶段。主动配电网状态感知实现流程见图2。图1 园区主动配电网建设总体架构Fig.1 The overall structure of active distribution network in the park在能源网络层，主要应用基于灵活性理念的主动配电网规划方法，提升完善工业园区供电网络，优化分布式电源接入点，提高示范区网架适应性水平；在感知控制层，通过运用先进的量测和传感技术，部署智能配电终端、电能质量监测装置等设备，实现对能源网络运行信息的全面感知；在通信网络层，应用光纤、无线等通信等多种方式实现信息的高速传输；在基础信息层，分别建立配电自动化主站系统、分布式电源管理系统和柔性负荷管理系统，实现对主动配电网分布式电源、配电网络和电动汽车等负荷运行信息的集中监控，掌握能源网络运行信息；在决策支持层，建立主动配电网网源荷协调控制系统，分析不同类型分布式电源的接入点、接入方式、接入容量对配电网潮流分布及可再生能源消纳能力的影响，引导分布式电源主动参与电网调节，探索建立相应的激励机制，丰富拥有灵活性资源的用户主动响应手段。2 园区主动配电网关键技术及实现方法2.1 态势感知技术为发挥主动配电网“主动规划、主动控制、主动管理与主动服务”的核心理念，前提是主动配电网应具有较为完善的可观可控水平。这就要求对配电网的运行状态进行全面感知，实时掌握配电网的运行态势，进而对发电、负荷及网络结构进行主动控制、主动管理，为上级电网和客户提供主动服务，建立上级电网与配电网、配电网与客户之间的良好互动关系。因此，主动配电网需要基于先进的量测技术和感知技术，实现分布式能源、储能装置、可调负荷等信息的获取，全面掌控配电图2 园区主动配电网态势感知技术实现流程Fig.2 Implementation process of the park ADN situational awareness technology基于主动配电网中的多种测量装置（TTU、RTU、DTU、AMI等）的信息，应用数据挖掘、聚类分析等理论，对多时间尺度的多源测量信息进行清洗、分类、聚合，剔除错误数据，依据多源信息的融合分析结果，在广域时空范围内，对涉及园区配电网运行变化的各类因素进行理解，根据量测数据和状态估计数据确定配电网的当前运行状态。基于数值天气预报和历史负荷数据资料，提取出与气象因素有关的负荷变化量，确定影响馈线负荷特性的气象因素及影响方式，整合多维度数字气象信息实现整个园区分布式发电的功率预测和总体负荷预测。综合配电网当前运行状态的准确判断和分布式发电/负荷信息的高精度预测，实现对园区主动配电网运行态势的准确分析。2.2 柔性直流技术目前柔性直流技术主要用在输电领域，将柔性直流应用在配电领域在国内目前处于探索阶段14。目前国内中压配电网大部分是闭环设计、开环运行，闭环运行方式仅限于运行方式调整、负荷转供等特定时刻，而将柔性直流技术应用于配电网线路联络，可有效降低合环运行时的短路电流。柔性直流环节联接通过有功潮流动态调控，能够使得馈线负载分布在计及分布式光伏出力波动的情况下趋向均衡化，同时可提供较大的无功功率补偿，显著减少线路压降，改善末端节点的电压偏差。从而促进分布式电源的就地消纳，有助于系统的安全稳定运行。但目前柔性直流在配电网的应用还存在经济性差等问题。柔性直流技术在主动配电网中的典型应用见图3。利用柔性直流的方式实现不同电压等级的配电线路联络，通过柔性直流环节有功动态调控，能够使得馈线负载分布在计及分布式发电出力波动性情况下趋向均衡化，促进分布式能源在不同供区间的转供和就地消纳。柔性直流线路亦可提供较大的无功功率补偿，可以显著减少线路压降，改善末端节点的电压偏差，从而提升系统的供电质量。在工程应用中，柔性直流换流站采用模块化设计，根据现场施工环境采用屏柜式或集装箱式安装，施工简单，方便调试，利于推广。图3 柔性直流技术在主动配电网中的典型应用Fig.3 Typical application of flexible DC technology in ADN2.3 交直流混合配电网技术目前配电网以交流为主，相关技术也比较成熟。随着社会尤其是工业园区光伏等直流电源和储能等直流负荷的不断增加，交流配电网的适应性亟需提高。直流配电网在分布式电源接入方面存在巨大优势，可更方便地接入分布式电源，省去传统交流配网中的DC/AC环节， 使控制系统更简单，操作更方便，既节约工程造价，又降低损耗。各类冲击负荷、新能源发电系统或直流负荷可以通过直流变压器接入直流配电网，实现潮流的主动控制，以及能源的最优利用，解决新能源发电和负荷的电能质量问题，稳定交流母线或用户侧电压。因此，需要在目前的配电网发展模式下，以工业园区配电网为切入点，重点研究交直流混合配电网技术在园区主动配电网建设中的应用，实现提高园区供电质量和直流负荷适应性等目标15。交直流混合配电网的典型建设架构见图4。为满足工业园区直流照明、直流充电站等负荷对直流电源的需求，建设以园区建设分布式光伏和储能为直流电源、直流负载为负荷的低压直流微电网，建设的交流微电网采用园区的风力发电、燃气轮机发电等作为电源，在10（20）kV电压等级上与大电网互联，交流微电网通过双向PCS与低压直流微电网相连，构成交直流混合配电网。交流微电网可作为低压直流微电网的电源，也可实现低压直流微电网的上级新能源消纳，实现新能源的最大程度利用。交直流混合微电网充分利用微电网自平衡、友好互动的特性，同时满足了工业园区新能源消纳和直流负荷用能的问题。2.4 需求响应技术配电网中空调、电动汽车、电热水器等柔性负荷以及分布式能源、储能的大量接入给配电网的调度和运行带来了挑战16。而需求响应技术是解决该问题的有效途径之一。负荷响应的随机性、分布式能源的波动性给主动配电网的决策带了困难，现有配电网优化调度模型中难以将不确定性的动态需求响应资源纳入其中。电图4 交直流混合配电网典型架构Fig. 4Typical architecture of AC/DC hybrid distribution network价作为电力用户响应的关键因素缺乏灵活性，实施需求相应的主体很难给出有吸引力的措施激励用户做出积极响应。工业园区需求响应实现技术路线见图5。需求响应分为需求响应主站层和需求响应终端层执行2个层面。首先，系统通过与网源荷协调控制系统交互后，获取负荷侧资源调度曲线，逐次对用户、区域自动需求响应能力预测，并与负荷侧资源调度曲线进行比较，若系统自动需求响应能力容量小于负荷侧资源调度容量，那么将系统自动需求响应能力容量发送给多级能源协调控制系统进行修正，请求重新下发负荷侧资源调度曲线；若满足，则对负荷侧资源调度曲线进行分解并下发给各用户，由各用户根据可调控的柔性负荷（如空调、照明、自备电源、电动汽车、电动机等）进行调度曲线再分解，并形成用户自动需求响应计划表，最后向各可调控的柔性负荷下发自动需求响应指令并执行，同时需要考虑通过短信、等形式实现自动需求响应信息下发。图5 需求响应实现技术路线图Fig.5 Roadmap of demand response technology implementation2.5 网源荷协调控制技术网源荷协调控制是主动配电网的核心，通过配电网源、网、荷侧可调资源的控制，实现新能源消纳、配电网高效运行、主动能量管理等目标。目前国内专家学者普遍认为主动配电网的运行控制宜采用分层控制架构， 上层的主动配电网能量管理系统负责主动配电网能量优化及运行方式的优化，实现全局集中控制。全局优化结合网络拓扑数据、负荷预测数据、可再生能源预测数据以及各类电气参数，通过优化算法确定网络的电压控制、潮流管理和分布式发电资源的协调策略。下层的协调控制器接收优化的目标，并下发给受控的分布式发电资源，实现对各自治区域的分散控制。但在具体实现方式上各科研单位都有不同的实施方法。主动配电网网源荷协调控制技术架构见图6。在确图6 网源荷协调控制技术框架Fig. 6 Framework of source-grid-load coordination control technology保绿色可再生能源最大化利用的前提下，对配电网主动管理涉及的所有控制手段进行统筹协调，实现运行成本最低等目标，其控制内容涵盖源、网、荷个方面：包括可控分布式发电单元（如光伏、风电等）功率调度为代表的电源控制和以联络开关的位置变换为代表的网络控制，以及以储能电池充放电策略为代表的柔性负载控制。主动配电网的协调控制系统收集全网各负荷点的实时运行数据、开关状态信息、网络拓扑信息、DG的运行工况以及储能单元的电荷状态（SOC）信息等，通过全局智能优化算法得出满足各项技术约束条件下的有功功率全局优化控制策略和无功功率全局优化控制策略。其中，有功功率优化控制策略是指在满足负荷有功需求的基础上尽可能多地利用可再生能源以及追求经济性最优，必要时可以调整运行方式；而无功功率优化控制策略是指在满足负荷无功需求以及确保电压质量的基础上使得网络上的无功潮流最优，必要时可以调节变电站内的OLTC分接头位置。3 示范工程验证本文提出的体系架构和关键技术在苏州智能配电网示范工程和锦州新能源主动配电网示范工程中的得到应用验证。3.1 苏州工业园区主动配电网综合示范工程3.1.1 苏州工业园区经济发展概况苏州工业园区（简称园区）行政区划278km2，是中国和新加坡两国政府间重要的合作项目，连续多年位居“中国城市最具竞争力开发区”榜首，综合发展指数列国家级开发区第二位。2015年，高新技术产业产值占工业总产值比重达到67%。目前园区以占苏州市3.4%土地、7.4%人口创造了15%左右的经济总量，成为了苏州市经济社会发展的重要增长极。2015年10月，国务院正式批复同意在园区开展开放创新综合试验，园区成为全国首个开放创新综合试验区域，将在改革试验、开放创新中又担重任，再探新路。3.1.2 苏州主动配电网项目概述苏州工业园区主动配电网综合示范工程将重点围绕主动配电网的特征分别在2.5产业园、苏虹路工业区、环金鸡湖区域这3个区域开展示范建设。在2.5产业园中展示各类交直流分布式电源、新型用电负荷、储能设施“即插即用”典型设计方案和接口规范，展示交直流混合配电网的运行和接入，体现现代配电网对分布式电源、新型用电负荷、储能设施的主动规划和主动服务。构建电网电源负荷储能协调控制系统，展示电网对分布式电源、分布式储能以及电动汽车等可控负荷的主动管理和主动控制，有序全额消纳新能源发电，鼓励各类电源主动参与、各类负荷主动响应电网调峰等运行管理，实现电网与相关各方的合作共赢。在星华变实施的高电能质量示范工程，将展示电网对和舰科技、三星液晶等电子工业和先进制造业等重要敏感用户的高电能质量用电需求的充分满足。在三星电子地块采用四端柔性直流技术将实现不同电源的合环运行，建成真正意义上的高可靠性花瓣形供电网络结构。项目重点围绕以下5 个方面开展：1）基于柔性直流互联的交直流混合主动配电网技术应用示范工程；2）基于“即插即用”技术的主动配电网规划应用示范工程；3）适应主动配电网的网源荷（储）协调控制技术应用示范工程；4）苏州工业园区高电能质量配电网应用示范工程；5）苏州工业园区高可靠性配电网应用示范工程。 通过基于柔性直流互联的交直流混合主动配电网技术应用示范工程，主动控制线路潮流和调节系统无功， 实现不同变电站配电线路的合环运行，提高供电可靠性，提高配电网对分布式电源的接纳能力和配电网的综合能源利用效率。通过开展基于“即插即用”技术的主动配电网规划建设，提出即插即用并网典型设计方案和接口规范，实现适应分布式电源等设备并网的主动规划、主动服务的目的，提升配电网的灵活性和适应性。通过应用网源荷（储）协调优化控制技术，实现对光伏、风电、分布式储能、电动汽车、柔性负荷的互动协调控制并展示，为网源荷（储）友好互动提供强有力的技术支撑。通过实施工业园区高电能质量配电网示范工程，满足电子工业和先进制造业的高电能质量用电需求，保证重要敏感用户的安全优质用电。通过高可靠性供电区域重要单元采用合环运行，缩短故障隔离时间，实现对系统潮流进行定向控制，提高配电网可靠性和经济性，提升供电可靠率。3.2 锦州新能源城市主动配电网示范工程3.2.1 锦州示范区域现状锦州是重要的工业城市，2014年锦州市被国家能源局列为首批新能源示范城市。近几年锦州市工业依托当地的资源优势，不断深化企业改革，积极调整工业结构，转变工业发展方式，积极引进内外资，加大工业投入，延伸产业链条，完善工业体系，工业发展成效显著。主要以光伏产业、石油化工业、轻工纺织业、特种合金业、港口物流业、旅游服务业为主的综合体系。2015年国民经济生产总值为1 325亿元。锦州市政府为推动光伏产业高速、健康发展，将光伏产业作为锦州市优先和重点发展的新兴支柱产业。3.2.2 锦州主动配电网示范工程概况锦州主动配电网示范工程基于锦州示范区域发展现状，充分考虑主动配电网技术适应性，项目由3个子项构成：1）10kV配电网网架完善工程；2）配电自动化主站及网源荷协调控制示范工程；3）智能馈线自动化示范工程。对110kV网架进行完善，线路N1通过率达到100%、城区综合电压合格率达到99.995%、城区年户均故障停电时间降低到10min。解决线路重载和无效联络问题。解决部分地区配电变压器三相不平衡问题27个。采用智能型分界开关，实现对用户内部单相接地故障和三相短路故障的快速隔离，实现单相接地故障10s后完成故障诊断和处理。采用网源荷协调技术，提高供电可靠性新能源消纳率，实现分布式电源和多样性负荷主动参与主动配电网的控制，降低峰谷差。对分布式电源二次系统改造，实现区域分布式电源监控为配电网源网荷互动提供支撑， 实现示范区域分布式发电100%就地消纳。应用分布式馈线自动化和单相接地故障处理技术， 解决配电调度“盲调”问题，支撑配电网主动抢修，辅助配网运行人员科学合理的安排配网运行方式、转供电操作，提升锦州城市配电网运行和管理水平，实现示范区配网故障区域定位、隔离和非故障区域恢复供电在5min 内完成。4 结语2015年，国家发改委、能源局相继发布了关于进一步深化电力体制改革的若干意见和配电网建设改造行动计划（20152020）等文件，标志着以分布式发电和微电网为标志的多元电力供应体系已是当代国际能源技术变革的大趋势。配电基础设施联结用户与输电网，不仅需要确保配电网安全运行，还将肩负使得用户可以方便参与电力市场买卖电能、协调控制分布式发电的重任，成为市场的经营者。主动配电网的建设符合国家能源变革和配电网发展的建设方向，相关先进技术在工业园区的应用也将更具有应用意义，相关装备的研发将有广阔的市场空间，也将促进分布式电源和多样化负荷的健康发展。参考文献1于汀，刘广一，蒲天娇，等计及柔性负荷的主动配电网多源协调优化控制J电力系统自动化，2015，39（9）：95-100YU Ting，LIU Guangyi，PU Tianjiao，et alMultiple coordinated optimization control of active distribution network considering flexible loadJAutomation of Electric Power Systems，2015，39（9）：95-1002尤毅，刘东，钟清，等多时间尺度下基于主动配电网的分布式电源协调控制J电力系统自动化，2014， 38（9）：192-198YOU Yi，LIU Dong，ZHONG Qing，et alMulti-time scale coordinate control of distributed generators based on active distribution networkJAutomation of ElectricPower Systems，2014，38（9）：192-1983陈飞，刘东，李庆生.主动配电网建设条件及运行关键技术分析J.供用电，2015，32（9）：2-8.CHEN Fei，LIU Dong，LI Qingsheng.Analysis of construction conditions and key technologyes in active distribution betworkJ. 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State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.，Ltd.，Shenyang 110032，China）Abstract：With the rapid development of distributed generation（DG）and electric vehicle load，the rapid development of industrial park，which is the main carrier of regional economic development，puts forward new requirements for the construction of distribution network. The concept of active distribution network（ADN）is to solve the problem of DG， energy storage and other new elements to the grid，the relevant technology is an effective way to solve the problem of park distribution development. In this paper，the general structure of ADN construction in industrial parks is proposed. Based on the development trend of ADN，this paper expounds the key technology of industrial active distribution network，from the situational awareness，flexible DC，AC / DC hybrid distribution network，demand response and source-grid-load coordination control five aspects. Finally，the Suzhou Industrial Park ADN demonstration project and Jinzhou new energycity ADN demonstration project are briefly descripted for verification of the proposed system architecture and breakthrough key technology. It establishes a model for industrial park ADN construction that can be copied and promoted in China. Key words：active distribution network；industrial park；source-grid-load coordination；situational awareness；flexible DC； AC and DC hybrid distribution network