AVC技術(shù)支持下的智能電網(wǎng)調(diào)控一體自動(dòng)化建設(shè)

姚芳, 陳建鈿, 丘冠新, 曹安瑛, 侯祖鋒, 謝虎

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局, 廣東, 珠海 519075;2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司, 廣東, 廣州 510663)

0 引言

當(dāng)前各國(guó)都在關(guān)注智能電網(wǎng),因其可解決當(dāng)前電網(wǎng)存在的系列問(wèn)題,具備更高的電網(wǎng)性能和用戶體驗(yàn)[1]。我國(guó)電網(wǎng)的主站和廠站都普遍建立起了主配網(wǎng)業(yè)務(wù)技術(shù)支撐體系[2]。雖然這些技術(shù)支撐體系助推了電網(wǎng)業(yè)務(wù)的開(kāi)展,但由于部分因素導(dǎo)致管理運(yùn)行的問(wèn)題頻發(fā),增添了不少安全隱患[3],主要體現(xiàn)在建設(shè)分散、數(shù)量多、智能化程度不高、預(yù)防性差[4]。解決電網(wǎng)問(wèn)題的迫切性也促使了智能電網(wǎng)系統(tǒng)及技術(shù)落地應(yīng)用研究的不斷涌現(xiàn)[5]。

目前我國(guó)對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)一體化的融合研究還是比較欠缺的,缺乏整體化的平臺(tái)研究。本文基于云-邊融合技術(shù)、就地自動(dòng)電壓無(wú)功控制(AVC)功能、主配協(xié)調(diào)調(diào)度等技術(shù),分別從平臺(tái)搭建的角度進(jìn)行頂層設(shè)計(jì),并且對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行綜合測(cè)試[6-7]。本文的研究對(duì)固定區(qū)域智能電網(wǎng)的建設(shè)拓展了思路,具有一定借鑒價(jià)值。

1 相關(guān)概念和技術(shù)分析

1.1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)是為使電網(wǎng)運(yùn)行和管理效率最高而采取的以客戶端為主線,添加各種信息傳感器的統(tǒng)一電網(wǎng)資產(chǎn)和設(shè)備信息,能夠提高整個(gè)電網(wǎng)的可靠性并降低電網(wǎng)能耗。智能電網(wǎng)主要特征有:①自愈和自適應(yīng);②安全可靠性高;③經(jīng)濟(jì)高效;④兼容性;⑤互動(dòng)性。

1.2 云-邊融合的智能技術(shù)

云-邊融合的關(guān)鍵核心是邊緣計(jì)算,它是一種將計(jì)算能力放在終端或距離數(shù)據(jù)源較近的計(jì)算架構(gòu)。由于數(shù)據(jù)處理最接近數(shù)據(jù)源,從而能夠在保證數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上提供更實(shí)時(shí)的計(jì)算能力。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及芯片的助力下,大量設(shè)備能夠結(jié)合計(jì)算需求,挑選邊或云的計(jì)算,使云-邊融合的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。本文研究的地理區(qū)域?yàn)椤澳暇W(wǎng)”智能電網(wǎng)覆蓋區(qū)域,以南網(wǎng)調(diào)度云為云基礎(chǔ),服務(wù)于新興的市場(chǎng)主體。“南網(wǎng)”智能電網(wǎng)的建設(shè)框架如圖1所示。

圖1 南方電網(wǎng)智能化發(fā)展建設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 AVC技術(shù)

為保證電網(wǎng)安全、高效率地運(yùn)行而使用計(jì)算機(jī)通信手段對(duì)電網(wǎng)無(wú)功資源以及調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行智能控制的過(guò)程就是AVC技術(shù)。AVC技術(shù)以安全穩(wěn)定為前提,能夠滿足電壓要求并降低損耗。無(wú)功電壓優(yōu)化運(yùn)行的一般原則為在緊急事故備用滿足狀態(tài)下使系統(tǒng)中的各點(diǎn)電壓高水平運(yùn)行。AVC原理接線如圖2所示。

圖2 AVC原理接線示意圖

1.4 饋線自動(dòng)化基礎(chǔ)

為簡(jiǎn)化保護(hù)優(yōu)化系統(tǒng),一般利用饋線自動(dòng)化(FA)系統(tǒng)進(jìn)行糾正性操作,故障區(qū)段定位并被隔離出,然后恢復(fù)非故障區(qū)段的供電(FLISR),減少故障停電范圍。

FA涵蓋了分布式、集中式以及就地式3種方式。就地式FA結(jié)合就地電流以及電壓的變化,由安裝在變電站線路出口的重合器與線路上的自動(dòng)分段器,依據(jù)提前設(shè)置的邏輯順序動(dòng)作,通過(guò)FLISR操作實(shí)現(xiàn)就地。集中式FA涵蓋饋線終端單元(FTU)、配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)。將FA軟件模塊安裝到配電網(wǎng)自動(dòng)化主站里,FTU上報(bào)的相關(guān)故障信息等能夠被主站接收,由FA軟件按照預(yù)設(shè)的邏輯算法進(jìn)行FLISR操作。集中式FA結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中,LAN表示局域網(wǎng),WAN表示廣域網(wǎng)。

圖3 集中式FA結(jié)構(gòu)示意圖

分布式FA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類(lèi)似于集中式FA,與集中式FA不同的是在故障發(fā)生時(shí),饋線監(jiān)控終端就地發(fā)送操作命令,FLISR操作的過(guò)程脫離主站控制,最后只上報(bào)故障處理結(jié)果。

2 平臺(tái)建設(shè)與終端模型設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)態(tài)自主彈性可伸縮的主配網(wǎng)協(xié)同監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

平臺(tái)設(shè)計(jì)主要模塊是智能電網(wǎng)的監(jiān)控與管理系統(tǒng),以云平臺(tái)和全域物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用云、大、物、智技術(shù)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)自主彈性可伸縮的主配網(wǎng)協(xié)同監(jiān)控平臺(tái),構(gòu)建面向不同場(chǎng)景的實(shí)時(shí)并行計(jì)算集群框架,為解決配電網(wǎng)大規(guī)模、大容量智能終端的多維接入,支持歷史、實(shí)時(shí)圖模數(shù)一體化全景需求。智能配電監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

該智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)110 kV以上主網(wǎng)大模型與單個(gè)地區(qū)配網(wǎng)模型的自動(dòng)拼接、融合、畫(huà)面調(diào)閱及分析調(diào)用,支撐主配網(wǎng)一體化協(xié)同應(yīng)用,提供配電網(wǎng)感知、分析、決策、控制、協(xié)同互動(dòng)的全流程、全環(huán)節(jié)、全時(shí)空業(yè)務(wù)支撐。結(jié)合前文提到的饋線自動(dòng)化,智能監(jiān)控平臺(tái)可加強(qiáng)配網(wǎng)保護(hù)測(cè)控一體化終端的綜合數(shù)據(jù)分析,快速實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)故障測(cè)距定位和故障類(lèi)型分析等,可輔助區(qū)域分布式能源的接入規(guī)劃和整體協(xié)同。

2.2 配電網(wǎng)二次設(shè)備集成優(yōu)化整體設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行規(guī)劃

在智能變電站二次設(shè)備的普及下,對(duì)二次設(shè)備集成是設(shè)備優(yōu)化的趨勢(shì)。本文二次設(shè)備集成優(yōu)化從智能變電站過(guò)程層、間隔層和“站控”層等3方面展開(kāi)。

據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn),過(guò)程層設(shè)備主要有互感器、斷路器等。根據(jù)智能數(shù)字化信息傳輸要求,過(guò)程層集成主體能夠承擔(dān)電流以及電壓的數(shù)據(jù)采樣、開(kāi)關(guān)控制操作以及遙信等功能。

隨著合并單元和智能終端設(shè)備的大量應(yīng)用,間隔設(shè)備集成不僅能夠?yàn)橐淮卧O(shè)備提供高效數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),同時(shí)設(shè)備成本得以節(jié)約,全站投資下降。圖5是合并單元智能終端集成方案設(shè)計(jì)的情況。圖5中,CS表示傳送,JS表示接收。

(a)

合并單元智能終端集成裝置常用圖5(a)和圖5(b)形式。一般保護(hù)裝置、測(cè)控裝置是間隔層主體設(shè)備。中低壓電網(wǎng)間隔層的集成通常采用保護(hù)測(cè)控集成裝置、多功能測(cè)控裝置、網(wǎng)絡(luò)分析儀集成裝置等。“站控”層設(shè)備是組成一體化監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。本文立足可靠安全的指導(dǎo)原則,認(rèn)為當(dāng)前階段可操作性強(qiáng)的方案是保護(hù)測(cè)控的集成以及過(guò)程層的合并單元智能終端集成。集成式二次設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 集成式二次設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 就地AVC功能的智能配網(wǎng)保護(hù)測(cè)控一體化終端設(shè)計(jì)

本文是從數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)啟動(dòng),系統(tǒng)分正常和故障兩部分。正常運(yùn)行時(shí),考慮系列電壓影響后傳遞到電壓分析區(qū)域,之后傳遞到無(wú)功分析區(qū)域進(jìn)行潮流運(yùn)算及分析,無(wú)功就地補(bǔ)償后實(shí)施,再向控制中心發(fā)送控制執(zhí)行信號(hào);故障狀態(tài)下,系統(tǒng)進(jìn)行故障自愈,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。就地AVC功能的智能配網(wǎng)保護(hù)測(cè)控一體化設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 就地AVC功能的智能配網(wǎng)保護(hù)測(cè)控一體化設(shè)計(jì)示意圖

本文終端系統(tǒng)按照云-邊融合的電網(wǎng)運(yùn)行生態(tài)框架進(jìn)行設(shè)計(jì),新興市場(chǎng)主體和其他利益主體數(shù)據(jù)通過(guò)“南網(wǎng)調(diào)度云”技術(shù)進(jìn)行交互共享,通過(guò)邊緣計(jì)算技術(shù)及市場(chǎng)化策略,獲取綜合能源服務(wù)商、電動(dòng)汽車(chē)充電樁等公司的外部數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)“南網(wǎng)調(diào)度云”業(yè)務(wù)信息與外部數(shù)據(jù)的集成融合。根據(jù)主配網(wǎng)協(xié)同智能調(diào)度技術(shù)對(duì)地市級(jí)區(qū)域主配網(wǎng)與智慧能源進(jìn)行協(xié)同控制,對(duì)接入中低壓配電網(wǎng)的綜合能源服務(wù)園區(qū)、充電樁、儲(chǔ)能、柔性負(fù)荷等“源網(wǎng)荷”做到精細(xì)協(xié)調(diào),使電網(wǎng)安全運(yùn)行與各方主體利益最大化。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析和深度挖掘技術(shù),可研判不同行業(yè)、不同工業(yè)類(lèi)別的定制化負(fù)荷預(yù)測(cè)與用電趨勢(shì),整個(gè)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)硬件共享統(tǒng)一,高度主配一體化,有效節(jié)約人力維護(hù)成本及系統(tǒng)建設(shè)成本。

3 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行分析結(jié)果

對(duì)系統(tǒng)的試驗(yàn)評(píng)估采用可靠性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)法。傳統(tǒng)算法指標(biāo)評(píng)估結(jié)果如圖8所示。圖8中,SAIFI表示系統(tǒng)平均停電頻率,SAIDI表示系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間,CAIDI表示用戶平均停電持續(xù)時(shí)間,ASAI表示平均供電可用率。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行傳統(tǒng)算法指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)可靠性評(píng)估統(tǒng)計(jì)結(jié)果,針對(duì)單獨(dú)的變電站可靠性評(píng)估,本文系統(tǒng)可靠性參數(shù)與實(shí)際情況更相符合,可靠性評(píng)估的相關(guān)結(jié)果更值得信賴(lài)。假如采取大規(guī)模中壓配電網(wǎng)的方式,相比于以往的可靠性評(píng)估結(jié)果,以本文設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)的相關(guān)可靠性評(píng)估結(jié)果與配網(wǎng)的真實(shí)可靠性水平更加接近,如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行本文算法指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

系統(tǒng)正式運(yùn)行后能夠明顯提升粵港澳大灣區(qū)的電網(wǎng)運(yùn)維能力和運(yùn)行效果,電網(wǎng)智能化、可靠化、安全化水平等指標(biāo)的提升幅度均處于8%～10%的范圍內(nèi)。從安全化水平來(lái)看,電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行控制能力大幅度攀升,從64%提升到93%。從智能化水平來(lái)看,電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)自適應(yīng)智能決策能力的提升幅度比較高,從71%提升到89%。總之,粵港澳大灣區(qū)采用的新一代調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)有力地保障著其電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行,調(diào)度智能化水平顯著提升。

3.2 中壓智能配電二次設(shè)備集成與示范應(yīng)用結(jié)果

本文變電站二次設(shè)備集成與應(yīng)用區(qū)域?yàn)榛浉郯拇鬄硡^(qū)。粵港澳大灣區(qū)中壓智能設(shè)備集成建設(shè)示范應(yīng)用如圖10所示。

圖10 粵港澳大灣區(qū)中壓智能設(shè)備集成建設(shè)示范

變電站二次設(shè)備的集成建設(shè)成為大灣區(qū)電網(wǎng)建設(shè)重點(diǎn)工程,在110～500 kV智能變電站過(guò)程層合并單元和智能終端裝置集成度達(dá)80%以上,而在更高電壓區(qū)間的220 kV及以上電壓變電站,通過(guò)設(shè)備的集成,經(jīng)濟(jì)效益最為顯著,減少了設(shè)備數(shù)量,擴(kuò)大了站區(qū)設(shè)備空間。從已經(jīng)試運(yùn)行的變電站分析,集成設(shè)備整體運(yùn)行比較好,考慮到運(yùn)行測(cè)試時(shí)間短,后續(xù)的應(yīng)用測(cè)試還在繼續(xù)觀察。

4 總結(jié)

本文基于AVC技術(shù)及主配網(wǎng)協(xié)同調(diào)控一體化技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)調(diào)控一體化建設(shè)平臺(tái)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用性能測(cè)試及應(yīng)用結(jié)果,可得到以下結(jié)論:智能配電網(wǎng)無(wú)功電壓控制系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用,可提高配電網(wǎng)無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制能力、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗運(yùn)行效果等方面深化本文系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。主配網(wǎng)協(xié)同調(diào)度應(yīng)用提高了電力企業(yè)內(nèi)各部門(mén)間的協(xié)同工作效率。本文合理科學(xué)地設(shè)計(jì)了智能配電網(wǎng)無(wú)功電壓控制系統(tǒng),但是由于現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性,也有不足之處,如管控設(shè)備質(zhì)量、規(guī)范化布線、信號(hào)干擾等,這些問(wèn)題實(shí)際中無(wú)法做到最佳協(xié)調(diào)。智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展應(yīng)用及先進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)平臺(tái)功能的最大限度發(fā)揮需要相關(guān)人員齊心協(xié)力、共同研究實(shí)踐,才能在智能電網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)程上加快速度。