新型電力系統(tǒng)下智能配電網(wǎng)新技術盤點

一、新材料、設備研發(fā)與資產(chǎn)管理新材料及新器件研發(fā)方面。各類新材料是新型配用電系統(tǒng)中能量變換、電力傳輸和運行控制的直接載體，直接決定運行效率、安全可靠性和系統(tǒng)成本。例如新型導電材料能夠降低能耗，能源短缺和環(huán)境污染等問題；先進電工磁性材料應用于電網(wǎng)智能傳感器，有助于提高系統(tǒng)運行的可靠性；新型絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)能夠解決引入電力電子設備所導致的更加頻繁的瞬時脈沖過電壓問題；基于以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代半導體材料發(fā)展出的新一代微波射頻器件和功率電子器件，能夠為通信領域和電子領域的節(jié)能降耗提供技術支撐。新型電力設備和用電設施研發(fā)方面。具體到新產(chǎn)品上，企業(yè)開發(fā)新型電力電子設備，特別是軟常開開關設備，通過控制連接饋線上的有功潮流和無功潮流，以實現(xiàn)平衡功率、改善電壓、負荷轉(zhuǎn)供、限制故障電流等功能。在能源互聯(lián)網(wǎng)的大潮中，融合新技術，實現(xiàn)功能+監(jiān)測+電子化+數(shù)字化+人工智能，從低端仿造跨越到高端制造，從單一產(chǎn)品向綜合解決方案延伸，從制造工廠跨越到創(chuàng)新工廠。讓低壓電器制造與革新為低碳化、數(shù)字化、可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。電力設備全生命周期資產(chǎn)管理技術。新型配用電系統(tǒng)中新型電力設備和用電設備繁雜多樣，配電設備的全壽命管理以及生態(tài)設計極其重要，必須在實現(xiàn)經(jīng)濟性的同時，保障各類設備安全運作。全生命周期運維包括采購需求階段、設備驗收階段、生產(chǎn)運營階段、報廢退役階段，在資產(chǎn)管理中要實現(xiàn)一體化設計，保證數(shù)據(jù)共享，優(yōu)化管理，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術拓展管理空間，提升管理效率。二、分布式電源與微電網(wǎng)技術>>分布式新能源發(fā)電技術1、高效經(jīng)濟的新能源、可再生能源開發(fā)技術隨著新能源開發(fā)技術進步，部分可再生能源已達到較高的應用水平，如風能、太陽能，目前在配電系統(tǒng)中已經(jīng)占據(jù)主要地位，但開發(fā)更低成本、更高效率的新材料和光伏板集成新技術仍然十分必要。同時針對氫能、地熱能、生物質(zhì)能等其他能源的開發(fā)仍然需要繼續(xù)推動，例如制-儲-運氫技術、地熱能多級利用技術以及生物燃料技術等。此外，協(xié)同開發(fā)集中式和分布式新能源，降低輸電損耗，提高新能源利用效率，提升電網(wǎng)對新能源的消納能力，從而帶來更好的社會經(jīng)濟效益。2、分布式能源的規(guī)劃技術分布式能源歸屬規(guī)劃與優(yōu)化問題的關鍵是打破各個主體間的信息溝通壁壘、調(diào)度協(xié)同壁壘。從技術層面考慮，在規(guī)劃階段就必須考慮更多的技術約束條件，包括電壓水平、短路電流水平、電能質(zhì)量（閃變、諧波）等。從數(shù)學上來看，涉及多目標及眾多不確定因素的組合優(yōu)化的規(guī)劃方法非常復雜，綜合資源和運行的多元目標優(yōu)化規(guī)劃至關重要。此外，開展含分布式能源的網(wǎng)絡分析與評價，配電系統(tǒng)與通信網(wǎng)的融合及優(yōu)化規(guī)劃，綜合可靠性、風險和經(jīng)濟性分析的模型和仿真工具的研發(fā)應當受到重視。3、分布式新能源發(fā)電主動支撐技術分布式電源不僅需要具備在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率電壓的能力，還要具有抑制頻率電壓快速變化的能力?，F(xiàn)階段，已有學者提出了一種“慣性–剛度補償器”，使分布式電源在系統(tǒng)發(fā)生功率缺額時具有瞬時頻率電壓支撐能力，并用功率躍變瞬間提供的有功功率補償定量表述了分布式電源的頻率慣性支撐能力，這為后續(xù)制定相關并網(wǎng)標準提供了依據(jù)。4、分布式新能源發(fā)電出力預測技術分布式新能源發(fā)電具有空間廣域分布、周邊微氣象特征復雜、受建筑及人類生活影響大等特點，出力預測較為困難。目前分布式新能源發(fā)電出力研究成果主要集中于利用天氣預報、氣候條件進行發(fā)電預測，較多地考慮了自然條件對新能源出力的影響，缺少對分布式電源空間分布特性及人類社會活動因素的考量。5、分布式新能源發(fā)電集群控制技術分布式控制方式是新能源高滲透配電系統(tǒng)中理想的分布式電源集群控制方式。目前，分布式新能源電源發(fā)電集群控制技術的研究仍然處于起步階段，相關成果主要集中在單臺發(fā)電設備的控制，較少考慮多臺新能源發(fā)電設備通過并網(wǎng)逆變器接入系統(tǒng)的協(xié)同控制策略，多個逆變器在功率躍變時刻的不平衡功率分配機理尚不明確；多個逆變器的多時間尺度控制策略交互影響機理亦不明確；傳統(tǒng)基于有功–頻率、無功–電壓特性曲線的下垂控制方式在配電線路電阻不可忽略的情況下不再適用，分布式電源難以參與一次調(diào)頻、調(diào)壓。>>分布式儲能技術

從功率角度來看，新型配電系統(tǒng)的靜態(tài)問題和動態(tài)問題本質(zhì)上是不同時間尺度內(nèi)的功率不平衡問題。在負荷高峰期這一相對較長的時間尺度內(nèi)，源荷兩側(cè)功率不平衡導致了峰谷差等靜態(tài)問題；在系統(tǒng)發(fā)生功率躍變時刻到一次調(diào)頻、調(diào)壓動作前這一相對較短的時間尺度內(nèi)，電力電子設備缺乏類似同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子慣性，無法對系統(tǒng)功率不平衡進行支撐，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，電能質(zhì)量惡化。分布式儲能技術為解決上述不同時間尺度內(nèi)功率不平衡導致的靜態(tài)、動態(tài)問題提供了可行方案。1、儲能調(diào)峰調(diào)頻技術以分布式抽水蓄能、液流電池、鋰離子電池、儲冷儲熱技術為代表的能量型儲能可以實現(xiàn)消除負荷尖峰、削峰填谷、平抑波動、與充電樁聯(lián)合運行緩解充電功率沖擊等功能，提升配電設備利用率。儲能調(diào)峰調(diào)頻技術對儲能裝置在容量、響應速度、成本、安全性、功率/能量密度等方面均具有較高要求，采用單一儲能形式難以滿足需求，需要研究具有全方位優(yōu)勢的復合儲能技術。2、穩(wěn)定性與電能質(zhì)量增強技術分布式儲能技術為提升新型配電系統(tǒng)穩(wěn)定性及電能質(zhì)量提供了可行方案。有學者提出了一種儲能裝置與并網(wǎng)逆變器控制策略配合的方法，實現(xiàn)了分布式電源對系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性支撐。在電力電子裝備大量接入導致系統(tǒng)慣性降低的情況下，并網(wǎng)逆變器配合儲能將是提升系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的重要手段。另外，以超級電容為代表的功率型儲能具有快速響應能力，在改善配電系統(tǒng)電能質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用。目前，分布式儲能技術大容量、安全、經(jīng)濟的儲能裝置尚未取得成熟應用，無法充分滿足增量負荷規(guī)模化接入的調(diào)峰需求。3、微電網(wǎng)技術從微網(wǎng)層面內(nèi)考慮各種分布式資源的協(xié)同控制，將微網(wǎng)對外等效為電壓/電流源，可降低配電系統(tǒng)頻率、電壓穩(wěn)定性控制的復雜度；從微網(wǎng)群層面考慮功率互濟與調(diào)度優(yōu)化，可利用不同區(qū)域內(nèi)新能源及負荷互補特性解決分布式電源出力波動、峰谷差等經(jīng)濟調(diào)度問題。4、新能源微電網(wǎng)頻率和電壓動態(tài)穩(wěn)定技術新能源微電網(wǎng)作為一個相對獨立自治的區(qū)域，面臨著與配電系統(tǒng)類似的動態(tài)穩(wěn)定性問題。有學者提出了一種電壓源型虛擬同步發(fā)電機控制策略，虛擬同步發(fā)電機(virtualsynchronousgenerator，VSG)是一種常用的提升分布式電源頻率電壓動態(tài)支撐能力的控制方法。其核心思想是對并網(wǎng)逆變器進行控制，模擬同步發(fā)電機有功–頻率、無功–電壓的外特性。傳統(tǒng)VSG技術模擬出的同步發(fā)電機虛擬慣量及阻尼一般是固定不變的，在不同類型功率擾動下，固定的慣量參數(shù)不能滿足微電網(wǎng)頻率動態(tài)調(diào)節(jié)對于穩(wěn)定性和快速性的需求?；谏鲜隹剂浚袑W者提出了虛擬慣量自適應控制技術。另外，也有學者從改進傳統(tǒng)下垂控制的角度，提出了廣義下垂控制技術，在傳統(tǒng)下垂控制的基礎上加入二次頻率控制，模擬慣量及阻尼特性。5、微電網(wǎng)群觀群控技術多個微電網(wǎng)如何統(tǒng)一調(diào)控、如何實現(xiàn)功率互濟及優(yōu)化運行是微電網(wǎng)群運行與控制的關鍵。有學者提出一種包括配電層、微網(wǎng)群層、微網(wǎng)層和單元層的微網(wǎng)群四級控制結(jié)構(gòu)。微網(wǎng)群層一般采用主從控制和對等控制兩種策略：主從控制對于微網(wǎng)間的通信要求較高，且主控單元調(diào)壓調(diào)頻壓力較大。對等控制方式則克服了上述缺點，各微網(wǎng)單元按照預先整定的下垂曲線進行自主對等控制，無需通信和上層控制。有學者提出了一種由交、直流微網(wǎng)組成的混合微網(wǎng)群控制策略，將交流微網(wǎng)的有功–頻率特性與直流微網(wǎng)的有功–電壓特性進行標準化計算，得到統(tǒng)一的控制尺度，實現(xiàn)混合微網(wǎng)群的對等控制。為解決微網(wǎng)群實時調(diào)度優(yōu)化帶來的挑戰(zhàn)。有學者提出了一種基于分散結(jié)構(gòu)下部分可觀測馬爾可夫決策過程的微網(wǎng)群協(xié)調(diào)優(yōu)化問題建模方法，弱通信條件下依然可以根據(jù)部分觀測信息進行優(yōu)化建模，并利用拉格朗日乘子對目標函數(shù)解耦，降低了求解難度。該研究對于實現(xiàn)包含復雜變量、對等控制下的微網(wǎng)群實時調(diào)度優(yōu)化具有重要的指導意義。三、源荷互動技術>>負荷的柔性化利用及負荷管理技術負荷柔性化利用是未來開發(fā)智慧用能節(jié)能的重要環(huán)節(jié)，有利于促進能源節(jié)約型社會的發(fā)展。對柔性負荷調(diào)控技術的研究包括：基于柔性負荷的特性對其進行分類建模，充分發(fā)掘負荷彈性潛力；積極完善柔性負荷機制，推進示范工程建設；使用智能技術對用戶行為進行差異化分析，提升調(diào)控精準程度等。有效的負荷管理能夠減輕新型能源系統(tǒng)因新能源不穩(wěn)定及負荷側(cè)不確定造成的供需矛盾，目前電力負荷管理技術已具備電費管理、電能損耗管理、防竊電分析以及數(shù)據(jù)共享等功能。隨著數(shù)據(jù)驅(qū)動、虛擬電廠、5G通訊等技術的發(fā)展，電力負荷管理系統(tǒng)將在負荷數(shù)據(jù)預測、負荷協(xié)調(diào)控制技術以及管理實效性方面得到極大地提升，有力保障各類分布式電源、電動汽車、儲能系統(tǒng)等不同類型的元件的協(xié)同運行，提高資源合理利用率。>>計及源荷不確定性因素的潮流計算方法潮流計算是配電系統(tǒng)規(guī)劃與調(diào)度運行的重要基礎。現(xiàn)階段，已有學者提出了考慮光伏、風電出力不確定性的潮流計算方法。此外，有學者分別提出了考慮負荷不確定性及負荷響應調(diào)峰需求不確定性的潮流計算方法。總體來看，現(xiàn)有研究成果已經(jīng)較為廣泛地考慮了源荷互動各環(huán)節(jié)不確定性因素，并提出了各種不確定性因素單獨作用下的潮流計算方法。>>源荷互動模式下配電系統(tǒng)多目標優(yōu)化調(diào)度技術源荷互動模式下，調(diào)度決策很大程度上影響了系統(tǒng)運行的安全性與可靠性。目前，有學者提出利用二階錐優(yōu)化、粒子群算法進行多目標潮流優(yōu)化的方案，利用帕雷托最優(yōu)解集對潛在最優(yōu)解進行多維度評價，給運行調(diào)度人員提供了更靈活的決策方案，有助于實現(xiàn)源荷互動模式下的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟調(diào)度。>>電力市場環(huán)境下經(jīng)濟運行技術通過各種激勵方式引導多元主體參與電力市場交易是推進源荷互動的重要手段，其具體技術形式包括需求側(cè)響應和虛擬電廠。目前，相關研究集中在利用價格激勵機制激發(fā)用戶參與響應的積極性。為充分挖掘并調(diào)動系統(tǒng)中的可調(diào)資源，有學者開展了源網(wǎng)荷整體態(tài)勢感知、響應能力實時量化評估、響應策略從群體落實到個體、源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制技術、負荷多時間尺度特性等方面的研究，為基于需求側(cè)響應的系統(tǒng)動態(tài)功率平衡技術發(fā)展提供了思路。圍繞源荷互動開展的研究主要包括潮流分析及優(yōu)化技術和市場引導機制兩方面。在潮流分析與優(yōu)化技術方面，現(xiàn)有技術忽略了配電系統(tǒng)源荷集聚帶來的時空耦合特性以及氣溫關聯(lián)特性，難以提升新型配電系統(tǒng)的潮流控制精度，無法實現(xiàn)短時間尺度內(nèi)峰谷差的平抑。在市場引導機制方面，考慮到負荷響應不可避免的時滯特性，需求側(cè)響應并不能完美解決配電系統(tǒng)峰谷差問題。需要考慮結(jié)合柔性負荷深度控制技術，使得負荷用能曲線能夠?qū)崟r跟蹤新能源發(fā)電曲線，以實現(xiàn)實時源荷平衡，從根本上解決峰谷差問題，提升配電設備利用率。四、直流配電技術目前，直流配電技術研究主要集中在以下幾個方面：>>電壓序列與標準化目前，國際上暫無統(tǒng)一的直流配電電壓等級序列標準。國內(nèi)外學者從供電能力、投資成本、直流設備制造水平、電能質(zhì)量要求、配電經(jīng)濟性、各種典型配電場景的負荷需求特征等方面提出了多種直流電壓等級序列選擇方案。我國于2017年12月頒布了《GB/T35727—2017中低壓直流配電電壓導則》。目前，相關標準集中在中低壓公共直流配電系統(tǒng)電壓等級的規(guī)劃，對于通信系統(tǒng)、樓宇供電、船舶供電、城市軌道交通等具體場景的直流電壓等級序列規(guī)劃還缺乏細化標準。>>直流配電系統(tǒng)故障保護技術直流配電網(wǎng)故障保護技術是保障直流配電網(wǎng)安全運行的關鍵手段。以兩電平電壓源換流器、模塊化多電平換流器為代表的新型配電設備以及環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，深刻改變了配電網(wǎng)的故障特征。有學者提出了基于流向?qū)Ρ确āO值比較法、方向預測法以及“單支路即時記憶、多支路短時定位”的保護策略，提升了故障類型識別速度和故障隔離的可靠性。>>直流配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與調(diào)度優(yōu)化技術目前，直流配電網(wǎng)的電壓控制策略主要采用主從控制、下垂控制和電壓裕度控制3種方式。從直流配電網(wǎng)示范工程建設經(jīng)驗來看，主從控制是現(xiàn)階段應用較為廣泛的直流配電網(wǎng)電壓控制方式。也有學者提出了改進的電壓控制策略，提出一種結(jié)合下垂控制和偏差控制的直流電壓偏差斜率控制策略，克服了偏差控制響應速度慢以及下垂控制的穩(wěn)態(tài)誤差問題。隨著分布式電源、儲能以及柔性負荷的大量接入，微電網(wǎng)將會是實現(xiàn)配電系統(tǒng)新能源友好接入與高效消納的重要途徑，結(jié)合直流配電技術的交直流微電網(wǎng)群協(xié)同控制技術是后續(xù)值得關注的研究方向。五、數(shù)字化配電網(wǎng)技術>>電氣設備智能化技術數(shù)字化管理技術的基礎是電氣設備具有數(shù)據(jù)采集、運算及通信能力。數(shù)據(jù)采集方面，壓縮感知技術可以利用低秩數(shù)據(jù)對原始信號進行高概率重構(gòu)，是解決智能電力設備傳感器成本與性能矛盾的有效方法。運算方面，如何實現(xiàn)算法輕量化并應用于邊緣計算是值得關注的問題。通信方面，無線通信、光纖通信及載波通信是現(xiàn)階段電力設備實現(xiàn)遠程通信的主要方式，智能終端信息安全問題也是智能化電力設備研究中需要重點關注的問題。>>配(微)電網(wǎng)透明化技術新型配電系統(tǒng)所存在的多類傳感器帶來海量的電氣量及非電氣量數(shù)據(jù)，數(shù)字化技術通過構(gòu)建設備的多狀態(tài)監(jiān)測庫實現(xiàn)新型配電系統(tǒng)整體的可觀可控，逐步向透明化方向發(fā)展。目前，數(shù)字化管理技術在多源數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，配電設備還未實現(xiàn)智能化，缺少各種電量及非電量數(shù)據(jù)的采集手段，亦未形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)上傳接口標準。在數(shù)據(jù)處理與分析環(huán)節(jié)，缺乏多模態(tài)、多類型數(shù)據(jù)相關性的挖掘技術，無法充分利用數(shù)據(jù)中包含的時空關聯(lián)信息進行配電運行優(yōu)化。六、智能配電網(wǎng)態(tài)勢感知技術>>智能配電網(wǎng)態(tài)勢感知技術概述開展智能配電網(wǎng)態(tài)勢感知關鍵技術的研究，并促進具有高精度、高可靠性的態(tài)勢感知技術在智能配電網(wǎng)中的應用，在電力系統(tǒng)領域有著廣闊的發(fā)展空間與極高的應用價值。下圖所示是多維度的智能配電網(wǎng)態(tài)勢感知物理框架，從配電網(wǎng)精益化運維的角度歸