1、智能电网中的三级电网构架及微电网研究张晓东 1，杨军 2，孙元章 2，贺继峰 2，程哲 2（1河南电力试验研究院，河南省 郑州市 450052；2武汉大学 电气工程学院，湖北省 武汉市 430072）Research on Three-level Power Grid Configuration and Its Micro-Grid in Smart GridZHANG Xiao-dong1，YANG Jun 2，SUN Yuan-zhang 2，HE Ji-feng 2，CHENG Zhe2（1Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou
2、 450052，Henan Province，China；2School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei Province，China ）摘要：2 020 年 ， 我 国 将 全 面 建 成 统 一 的 坚 强 智 能 电 网 ， 电网 的 资 源 配 置 能 力 、 安 全 稳 定 水 平 将 显 著 提 高 ， 如 何 解 决电 网 的 安 全 稳 定 性 与 脆 弱 性 成 为 实 现 坚 强 智 能 电 网 的 关 键 。文 章 针 对 我 国 电 网 的 特 点 ， 从 安 全 性 和 灵 活
3、 性 角 度 出 发 ，提 出 了 基 于 输 电 网 配 电 网 微 电 网 的 三 级 电 网 构 想 。 从 三级 电 网 的 基 本 网 络 架 构 和 电 源 配 置 出 发 ， 着 重 讨 论 了 微 电网 的 建 设 、 构 成 、 特 征 和 作 用 ， 进 而 分 析 了 微 电 网 的 规 划 、应 急 调 度 、 动 态 分 析 、 保 护 、 控 制 、 电 能 质 量 、 评 估 等 相关 技 术 问 题 。关键词：智能电网；三级电网；微电网；安全0 引言随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端日益突出。近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故，电网的脆弱性暴
4、露得很充分。2008 年年初，我国发生了大面积冰雪灾害天气和 5.12 汶川大地震，这对相应地区的电力系统造成了严重破坏。为了保证我国能源和电力的可靠供应，实现电力工业与环境的可持续发展，满足经济社会快速发展的用电需求，国家电网公司提出了立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的统一坚强智能电网的发展战略。为了建设统一坚强的智能电网，必须对各电压等级电网的电源分布、电源规模、电源结构进行全面统筹规划，形成布局合理、综合、完善的结构体系。本文提出建立基于输电网络、配电网络和微电网的三级电网构想，并从安全性和灵活性角度出发，规划电网大电源、应急
5、电源的配置以及电网结构的建设，重点对微电网的建设、构成、特征等相关问题进行讨论，力求进一步提高电力系统应对灾害事故的能力 1-7。1 三级电网的基本结构及其电源配置情况智能电网的建成会使系统整体的资源配置能力得到增强，但是系统各部分和各环节之间的相互依赖度大大提高，构成系统的众多设备、元部件故障，导致系统可靠性下降的概率也大大提高。为了保证电力供应的安全性和可靠性，应该使大、小电源合理布局和配置，在发展大机组集中发电、大容量、远距离输电的同注重电网的分层、分区，鼓励资源就近配置，电力负荷就地平衡，以尽可能降低远距离送电的安全风险，减少不必要的输电损失。2007 年我国线损率为 6.85%，有
6、2223 亿kWh 电量在传输过程中损失。在负荷中心应该建设必要的支撑电源，确保在失去区外来电的情况下，保障负荷中心重要设施和基本负荷的电力供应。电网结构是电力系统安全稳定运行的基础。合理的电网结构必须是各电压等级电网与电源分布、电源规模、电源结构统筹规划布局合理的、综合的、完善的结构体系。因此，在电源和电网规划设计阶段，要研究应对大风雪、冰雨、地震等自然灾害以及恐怖活动、战争等对电网安全的影响，高度重视电网结构布局的安全性及灵活性。国外大电网恶性事故，表面上很多是恶劣的自然灾害造成的，然而在某种程度上电网结构不合理是其根本原因。电网规模较小时，电源布局对电网结构起重要作用。随着系统规模的不断
7、扩张，特别是智能电网的不断建设，电厂的作用相对弱化。因此，根据电网结构在新时期呈现的特点，应考虑三级电网的建立。三级电网由输电网络、配电网络和微电网构成。输电网络由 5001 000 kV电力主传输通道组成，其可以建立成环网，也可建设成输电通道。配电网络由 110220 kV 的送电线路组成，可以建设成环网，也可建设成辐射型网架。微电网由 380 V10 kV 供电电压组成，微电网的供电线路主要由辐射型电缆连接而成。三级电网的基本结构如图 1 所示。大 型 电 站 和 电 厂 38035 kV 中小电站和电厂 输电网 配电网 微电网 图 1 三级电网的基本结构近 几 年 来 投 产 的 大 容
8、 量 、 高 参 数 的 大 机 组 ， 基本 上 都 接 入 500 kV 电 压 等 级 的 电 网 。 当 500 kV 电网 遭 受 严 重 破 坏 时 ， 电 网 瘫 痪 ， 外 送 的 大 电 源 就 不能 发 挥 作 用 。 当 外 接 电 源 比 例 较 大 且 过 于 集 中 时 ，一 旦 发 生 冰 灾 等 自 然 灾 害 ， 将 造 成 本 地 大 面 积 的 停电 事 故 。 因 此 ， 外 接 电 源 应 尽 量 分 散 接 入 ， 输 电 通道 不 应 集 中 在 一 起 ， 应 根 据 地 形 特 点 进 行 分 散 ， 尽量 避 开 易 产 生 冰 灾 等 自
9、然 灾 害 的 地 形 ， 这 样 当 部 分输 电 通 道 发 生 冰 灾 事 故 时 ， 其 余 通 道 可 以 继 续 供 电 。如果仅就单个电厂接入系统设计来论证接入方案是否合理，很可能造成电源与电网结构的不合理匹配。因此，在考虑主力电厂直接接入 500 kV 电网时，还需考虑将不同规模的发电厂和负荷通过备用输电线路接到相应层次的电压网络上。这样，500 kV 电网一旦发生严重故障，由于预先采取电源分层分区接入的方式，220 kV 电网具备可自我平衡的电源，所以有效保证了受端用电设备不因 500 kV 网络输电通道丧失而出现大面积停电事故。对于具体的电源配置方案，600 MW 以上的发
10、电机组主要应接入 500 kV 输电网， 100300 MW的发电机组应接入配电网。将应急电源建设纳入微电网络建设，即在每个 10 kV 重要用户的变电站建设应急电源，构成 10 kV 有源变电站，由国家电网公司统一管理。2 微电网的基本结构我 国 在 继 续 发 展 智 能 电 网 的 同 时 ， 要 注 重 在负 荷 中 心 建 设 足 够 的 分 布 式 电 源 和 微 电 网 ， 以 在出 现 非 常 规 灾 害 或 在 战 时 受 攻 击 的 情 况 下 ， 保 证居 民 和 重 要 军 事 单 位 最 小 能 源 供 应 和 最 基 本 生 活条 件 ， 并 将 这 种 电 源 作
11、 为 保 障 电 网 安 全 的 重 要 设施 和 手 段 ， 其 成 本 应 纳 入 整 个 电 网 运 营 成 本 当 中 。基 于 分 布 式 电 源 的 微 电 网 的 最 大 优 势 是 提 高 了 电力 系 统 的 抗 灾 能 力 。 其 次 ， 随 着 科 技 进 步 ， 分 布式 电 源 和 微 电 网 将 降 低 电 力 系 统 的 投 资 和 运 营 成本 。 超 大 型 的 电 站 与 分 散 微 型 电 站 的 结 合 ， 可 以减 少 电 力 的 传 输 距 离 ， 降 低 在 输 配 电 线 路 上 的 投资 ， 使 得 电 力 系 统 更 安 全 、 经 济 。
12、但 是 分 布 式 电源 控 制 困 难 、 单 机 接 入 成 本 高 等 特 点 也 极 大 影 响了 分 布 式 电 源 的 应 用 8。10 kV 有源变电站是微电网的构成基础，由具有重要用户的 10 kV 变电站和包括应急电源、新能源发电系统、新型微储能系统在内的微电源组成，多分布于城市。该变电站通过辐射型电缆向用户输送电能，且便于电网统一调度和管理。图 2 描述了 10 kV 有源变电站的基本结构。图中：DSC为分布式能源控制器；LC 为电感电容式滤波装置。光 伏 发 电 DC 微 网 能 量 管 理 系 统 SC LC 飞 轮 储 能 LC 储 能 DSC 热 电 机 组 DSC
13、 DSC 燃 料 电 池 LC DSC 微 型 核 堆 DSC 微 型 电 网 分 布 式 能 量 管 理 系 统 A DCC A DCC A DCC A DCC A 图 2 微电网中的有源 10 kV 变电站结构微电网是规模较小的分散的独立系统，它采用大量现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电、燃料电池、储能设备等并在一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网被视为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作，以满足外部输配电网络的需求。对用户来说，微电网可以满足其特定需求，如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用效率、提供不间断电源等。微电网和大电网通过
14、公共连接点进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性。图 3 给出了微电网的基本结构。柴柴 油油 发发 电电 机机 、 微微 型型 燃燃 汽汽轮轮 发发 电电 机机 、 微微 型型 核核 堆堆 、燃燃 料料 电电 池池 、 其 它 新 型 发电 能 源 等 应 急 电 源 风风 力力 发发 电电 电电 源源 、 太太 阳阳能能 发发 电电 电电 源源 、 海海 洋洋 能能发发 电电 电电 源源 、 生生 物物 质质 能能发发 电电 电电 源源 等等 新新 能能 源源 采采 用用 高高 效效 蓄蓄 电电 池池 储储 能能 技技术术 、 超超 导导 储储 能能 技技 术术 、 飞飞 轮轮储
15、储 能能 技技 术术 、 电电 解解 水水 制制 氢氢 储储能能 技技 术术 等等 实实 现现 的的 储储 能能 电电 源源 工工 业业 负负 荷荷 、 农农 业业 负负 荷荷 、 重重 要要 事事 业业 部部 门门 用用 电电 负负 荷荷 、 民民 用用 负负 荷荷 等等 以以 及及 基基 于于 电电 压压 源源 换换 流流 器器 的的 直直 流流 输输 电电 设设 备备 、 无无 功功 补补 偿偿 设设 备备 、 智智 能能 开开 关关 等等 负负 荷荷微微 网网 络络 (电电 缆缆 ) 图 3 微电网的基本结构3 微电网的特征与作用与传统的大电网不同，微电网具有一些特性，主要表现在新能源
16、发电的随机性和微电源调度的随机性。微电网的电源多由光伏发电、风能、燃料电池、微型燃气轮机等分布式电源构成，其输出与电网运行状态、环境变化、负荷变化等因素有关，具有较大的随机性。另外，微电网中的微电源、微储能等元件的时间常数各不相同，而电力系统中的能量是瞬时平衡的，如何协调这些元件的调度控制策略，在正常状况和灾变状况下保持微电网运行的稳定性，尽最大可能利用微电网中的分布式发电所带来的经济效益，改善可靠性，尽量减少这些不可控源对主网的冲击等，需要进一步探讨和研究。由于微电网的电源相对电网范围来说距离较短，整个系统中输配电的电压等级为低压或同时带有中压 2 个等级。微电网的低压传输线和中压及高压输电
17、线路一般采用电缆线路构成，其电气参数特点与常规架空线路不同。另外，由于微电网中分布式电源多采用电力电子装置并入微网，与负载相距很近，没有远距离输电的过程。而三相不对称性运行也是微电网中经常出现的状况。因此与大电网相比，它有一些不同。相应的，将一些传统的电力系统分析方法应用于微电网前，需要进行修正。在正常情况下，微电网有利于确保用电企业的电能质量、降低损耗，起节能减排的作用。微电网能够实现能源的合理梯级利用，提高能源利用效率(60%90%)，具有投资回报率高、成本和投资较小、网损较小等特点。在环保方面，微电网能够减轻环保压力(排放总量减少、征地及线路走廊减少、高压电磁污染小)。另外，微电网可为用
18、户同时提供电、热、冷等多种能源，解决能源危机和能源安全问题，可利用新能源(氢) 和可再生能源。微电网还有利于提高电网安全及可靠性，防止大面积停电事故的发生。微电网的发展也有利于适应电力市场发展需要，降低大型电站的建设投资风险，解决边远地区供电困难的问题。4 微电网中的关键技术问题我 国 微 电 网 的 发 展 尚 处 在 起 步 阶 段 ， 在 今 后 微电 网 的 研 究 和 发 展 中 ， 以 下 问 题 9-15需 给 予 更 多 关 注 ：1） 微 电 网 的 规 划 问 题 。 微 电 网 的 规 划 应 该 主要 从 用 户 需 求 出 发 ， 按 用 户 对 电 力 供 给 的
19、不 同 需 求 ，分 类 和 细 化 负 荷 ， 最 终 形 成 金 字 塔 式 的 负 荷 结 构 。其 中 ， 对 电 能 质 量 要 求 不 高 的 多 数 负 荷 位 于 金 字 塔底 端 ， 而 对 电 能 质 量 要 求 极 高 的 少 数 负 荷 位 于 金 字塔 顶 层 。 在 此 基 础 上 ， 对 微 电 网 供 电 区 域 内 用 电 负荷 的 可 靠 性 进 行 分 类 ， 进 而 确 定 微 电 网 内 重 要 用 户的 比 例 、 微 电 源 的 安 装 容 量 以 及 微 电 源 储 能 的 安 装容 量 。2）微电网的应急调度。与常规电力系统不同，面向分布式能源
20、微电网系统的运行调度和能量管理面临着一系列新问题：以太阳能、风能为一次性能源的发电单元的实际发电量具有随机性和多元化的特点，其能源供应形式多目标化，能量双向流动，网络潮流的分布具有不确定性；微电网中，基于电力电子变换界面的发电单元的控制策略具有特殊性；微电网系统并网运行与独立运行的无缝转接运行模式随机转换；电力生产的市场化和新能源政策对电力价格的影响等。这使得分布式能源微电网系统的运行调度与能量管理策略必须依赖于新的控制、计算和评价方法，从而支持分布式能源微电网系统可靠、高效和灵活运行。因此本文提出微网能量管理系统的新理念，将微电网调度体系与智能电网调度体系有机结合在一起，研究大电网发生灾难性
21、事故时微电网的应急调度能力，研究用户侧出现电能质量问题时微电源的调度能力。3）微电网的动态分析。与大电网相比，由微电源、微网络构成的微电网有很大不同。传统的电网动态特性分析方法已经不再适用。因此，必须研究微电源与储能设备的频率和电压动态特性，研究由电缆组成的微网络的输电特性，研究三相不对称潮流计算方法，研究三相不对称系统的过渡过程分析方法，考虑微电源的随机性计算理论和方法，从而指导微电网的动态运行和安全性分析。4） 微 电 网 的 保 护 问 题 。 微 电 网 的 保 护 问 题 与传 统 保 护 有 着 极 大 不 同 ， 典 型 表 现 有 潮 流 的 双 向 流通 ， 微 电 网 在
22、并 网 运 行 与 独 立 运 行 工 况 下 短 路 电 流大 小 不 同 且 差 异 很 大 。 如 何 在 独 立 和 并 网 2 种 运 行工 况 下 均 能 对 微 电 网 内 部 故 障 作 出 响 应 以 及 在 并 网情 况 下 快 速 感 知 大 电 网 故 障 ， 同 时 保 证 保 护 的 选 择性 、 快 速 性 、 灵 敏 性 与 可 靠 性 ， 是 微 电 网 保 护 的 关键 ， 也 是 微 电 网 保 护 的 难 点 。 因 此 ， 必 须 找 到 能 够适 应 微 电 网 运 行 方 式 灵 活 多 变 的 保 护 设 计 方 法 ， 寻求 应 对 复 杂 多
23、 变 微 电 网 的 过 电 流 、 电 流 差 动 和 方 向比 较 式 纵 联 保 护 的 设 计 理 论 ， 研 究 微 电 网 的 自 适 应保 护 理 论 和 设 计 方 法 ， 研 究 在 线 识 别 运 行 模 式 的 微电 网 无 通 道 保 护 ， 进 而 建 立 坚 固 的 微 电 源 安 全 运 行防 护 体 系 。5）微电网的控制问题。由微电网的结构分析可看到，微电网如此灵活的运行方式与高质量的供电服务，离不开完善的稳定与控制系统。控制问题也正是微电网研究中的难点问题。微电网中的微电源数目太多，很难要求一个中心控制点对整个系统做出快速反应并进行相应控制，一旦系统中某一控
24、制元件故障或软件出错，整个系统可能瘫痪。因此，必须研究微电源的可插拔式控制技术，研究微电网电能质量的多目标优化控制技术，研究分布式储能设备的分散多代理控制技术，研究微电网安全运行控制技术，研究微电网与输配电网的优化协调控制技术，进而建立微电网灵活安全的控制体系。6） 微 电 网 的 电 能 质 量 问 题 。 微 电 网 中 的 微 电源 ， 如 风 电 、 光 伏 发 电 等 ， 大 都 采 用 全 控 型 换 流 器 ，这 些 电 力 电 子 设 备 的 引 入 很 可 能 会 带 来 一 些 电 能 质量 方 面 的 问 题 。 因 此 ， 必 须 研 究 抑 制 微 电 网 频 率 波
25、动 的 理 论 和 措 施 ， 研 究 抑 制 微 电 网 电 压 跌 落 的 补 偿技 术 ， 研 究 微 电 网 三 相 不 对 称 运 行 的 相 对 平 衡 度 控制 技 术 ， 研 究 微 电 网 谐 波 治 理 技 术 ， 探 讨 微 电 网 的电 能 质 量 标 准 ， 进 而 建 立 微 电 网 电 能 质 量 治 理 体 系 。7）微电网的评估问题。随着微电网研究的深入与成熟，微电网技术上和经济上效益的不确定性必将成为阻碍其发展的重要因素。因此，需要全面量化微电网对用户、电力部门及社会的效益。微电网的评估包括微电网的可靠性评估、微电网的安全性评估、微电网的经济性评估、微电网的
26、风险评估以及微电网的总体性能评估。8）微电网试验系统的建立问题。目前国际上有关分布式能源微电网系统运行的实例较少，仅有美国、德国等少数发达国家建设过数百千瓦的分布式能源微电网系统，国内目前还为空白。智能电网发展规划要求建立分布式电源和储能技术仿真研究平台，研究制定测试及实用化验收方法和手段，保证配电网安全可靠运行。5 结语建设统一坚强的智能电网，充分发挥电网在资源优化配置、服务国民经济发展中的作用，对我国经济社会全面、协调、可持续发展具有十分重要的现实意义。本文提出建立基于输电网络、配电网络和微电网的三级电网，以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的国家电网，从而全面提高电网的资源优化配置能
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