中國儲能網訊：未來配電網將在各個變電站之間使用高速寬芾通信系統(tǒng)，利用智能電子設備進行自適應控制和保護，應用能量管理系統(tǒng)監(jiān)測配電網的運行狀況，并充分采用智能系統(tǒng)減少電能質量問題和提高供電可靠性。
電力工業(yè)是當前工業(yè)界最后幾個還沒全面應用傳感器技術、通信技術以及計算機技術來提升服務水平、降低運行費用的重要工業(yè)，尤其是配電網領域。未來配電網在新技術應用上還存在廣闊的發(fā)展空間。此外，為了應對不斷增長的分布式電源、電動汽車等新型負荷，以及對電能質量和供電可靠性的高要求，配電網亟需引入若干新技術。
電氣工程專家認為：未來配電網將在各個變電站之間使用高速寬芾通信系統(tǒng)，利用智能電子設備(Intelligent electronic devices ,IEDs)進行自適應控制和保護。應用能量管理系統(tǒng)監(jiān)測配電網的運行狀況，并充分采用智能系統(tǒng)減少電能質量問題和提高供電可靠性。
未來配電網中將會逐步普及的新技術包括：
1、先進的配電網自動化(Distribution automation，DA)技術
2、配電網饋線自動化技術，包括智能饋線終端重合器和繼電器
3、電力電子技術
4、饋線電壓/無功控制技術
5、先進傳感技術
6、智能通用變壓器
7、多功能固態(tài)開關技術
8、配電網故障預測及定位技術
9、先進的計量設施(Advanced metering infrastructure，AMI)
10、本地能源網絡控制器
11、分布式電源，包括分布式發(fā)電設備，可再生能源，儲能設備。
1、配電網中的自動開關：使配電網實現最優(yōu)重構
2、自適應保護系統(tǒng)：協助配電網重構和集成分布式電源(Distributed energy resources，DERs)
3、電力電子控制器：提高系統(tǒng)的可靠性和技術性能
4、電壓調節(jié)和無功控制器：減小系統(tǒng)網損，提高電能質量，促進新能源消納。
智能饋線終端重合器和繼電器
用基于微處理器的智能繼電器和重合器來替換基于電子機械的保護控制系統(tǒng)是智能電網發(fā)展的必然過程。預計到2030年，70%的饋線都將配備智能繼電器和重合器。在饋線首末端用智能電子設備替換傳統(tǒng)的機電式繼電器保護和控制設備具有如下優(yōu)點：
5、功能多樣化。絕大部分的IEDs都將多種功能封裝在一個設備中。比如說，一個繼電保護的IED就具有快速過電流保護、自動重合閘、饋線保護，還有測量和監(jiān)測設備環(huán)境的功能，這些功能都集成到一個設備中了，從而減少了設備內部的繞線和控制板體積。
智能線路開關技術
智能配電網中包含了大量分布在配電網饋線重要位置上的智能線路開關。這些智能開關將支持配電網實現“自愈”功能。同時，它也支持饋線終端實現滿足分布式發(fā)電與負荷平衡需求的最優(yōu)網架重構。智能開關具有如下主要特征：
3、智能線路開關和相關的控制器必須支持“雙向”操作，可檢測潮流流向，并根據潮流流向進行響應：當潮流流向變電站時，它必須有相應的時間配合曲線(Time coordination curve，TCC)，而當潮流流向相反時，必須有另一個對應的TCC。對于配電網饋線的重構（在智能配電系統(tǒng)中經常發(fā)生）以及可能出現潮流逆流的配電網（例如含高滲透率DERs）中，雙向操作能力非常必要。
4、同時支持單向操作（只對需要跳閘相跳閘）和三線操作（三相同時跳閘）。單向重合器只把故障相線路斷開，避免中斷非故障相的電力供應。如果分布式發(fā)電設備在智能線路開關的下游（遠離變電站），其單相跳閘的功能將被禁用，以避免對發(fā)電機造成損害。
預計到2030年將會有25%的配網饋線會加裝智能線路開關。目前，部分智能線路開關技術已經得到應用。這些技術使得配電網具有自愈性。下圖就是S&C電力公司開發(fā)的智能線路開關“Intellirupter”。
“退出”式重合器適用于易遭受瞬時故障的橫向電路。這種重合器在斷開電路后會重合，而不是讓熔斷器直接熔斷，因此可避免長時間停電。
電力電子技術
電力電子技術不僅可以為用戶提供穩(wěn)定的電能，還能同時實現頻率、相位、電壓等的靈活控制。靜止無功補償器、短路電流限制器就是配網中的兩個典型電力電子裝置。
1、靜止無功補償器
靜止同步無功補償器是目前技術最為先進的無功補償裝置。它不再采用大容量的電容、電感來產生無功功率，而是通過電力電子器件的高頻開關實現對無功補償技術質的飛躍，特別適用于中高壓電力系統(tǒng)中的動態(tài)無功補償。它是一種沒有旋轉部件，快速、平滑可控的動態(tài)無功功率補償裝置。下圖就是西安愛科賽博公司研發(fā)的靜止同步無功補償器。
靜止同步無功補償器能夠消除一個周波內的微小電能質量擾動。因此，它可以處理由于出力波動性DERs(風電、光伏等)接入引起的配電網電壓波動問題。
因此，一旦SCCL檢測到短路電流就立即工作在高阻抗運行模式，使短路電流限制在現有保護設備能正常工作的范圍內。同時，SCCL也整合了很多完備的系統(tǒng)，包括高級控制、信號處理和通信單元。
分布式電壓/無功控制技術
配電系統(tǒng)的控制器通常采用“獨立模式”，即控制器只根據其設備自身的測量信息動作。近年來，隨著配網饋線的頻繁重構、并網新能源功率波動的影響，在這種動態(tài)環(huán)境下，電力公司就不得不考慮效率、線損、穩(wěn)定性這些過去不那么嚴重的問題。曾經普遍采用的“獨立模式”的控制器無法滿足新形勢下的需求了。因此，必須研發(fā)新技術、新設備，要求能根據環(huán)境變化，動態(tài)協調不同類型的電壓/無功控制設備。
為了實現這些目標，電力公司就得部署能夠協調所有電壓/無功控制設備的電壓/無功控制系統(tǒng)。目前，主要有3種系統(tǒng)級的電壓/無功優(yōu)化控制方法。
1、“基于規(guī)則”的解決方案：這種方法根據采集的數據，基于確定的規(guī)則來決定當前的電壓/無功控制措施。這種方法簡單，易于理解。但在處理饋線頻繁重構以及高滲透率DERs(尤其功率波動性較大的可再生能源)接入情況時比較棘手。
2、“基于模型”的解決方案：高級配電管理系統(tǒng)能夠處理動態(tài)配網的最優(yōu)潮流。這種方法可以較好地解決饋線頻繁變動的配電網的電壓/無功控制問題。當然，系統(tǒng)復雜度和開發(fā)費用也明顯增大了。
3、自適應的解決方案：簡單來說，第三種方案要經過一段時間的學習，然后根據當前測量的實時數據（電氣條件、天氣狀況等）和在同樣條件下過去的經驗來決定采用哪種方法。自適應方案的主要優(yōu)點是不需要摸擬系統(tǒng)的運行狀況，因此是一個靈活可拓展的解決辦法。一些供應商，包括PCSUtilidata和庫柏電力系統(tǒng)，目前正在推動這種技術，如下圖所示。
智能逆變器技術
逆變器是將直流電能變換為交流電能的設備。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最為復雜的設備，是系統(tǒng)中成本第二高的設備，同時也是系統(tǒng)中最脆弱的環(huán)節(jié)。光伏電池板一般非常堅強可靠，有長達25年的使用壽命，而逆變器的壽命一般不超過10年。
市場上的逆變器有離網型的、并網型的。并網型逆變器的控制系統(tǒng)整合了包括雷電保護在內的多種功能。現有的逆變器通常根據“主從”原則接入系統(tǒng)。而小型的逆變器模塊則應用于小型的光伏系統(tǒng)，比如屋頂光伏發(fā)電。研發(fā)中的新一代微型逆變器（國內常簡稱為微逆）有希望克服局部遮擋問題，充分挖掘光伏電池板的發(fā)電能力。
目前的光伏系統(tǒng)設計中，所有的光伏電池板均是串聯的。若光伏板上的某部分被遮擋了，則整個系統(tǒng)的發(fā)電效率就隨之降低。此外，如果要想讓光伏模塊最優(yōu)工作，則所有的光伏板必須具有相同的朝向和傾斜，這就限制了屋頂光伏的布局。與之不同的是，未來的光伏發(fā)電系統(tǒng)則要求每個電池板都連接在它自帶的微逆上，這就能充分挖掘每一個光伏板的發(fā)電潛能，提升整個系統(tǒng)的發(fā)電效率。尤其是應用于錯落有致的屋頂時，系統(tǒng)設計的靈活性就增強了。
隨著光伏發(fā)電技術的普及，以及光伏在電網中滲透率的增加，電力公司正在大力推進智能逆變器，它除了完成直流-交流轉換的基本功能以外，還將提供如下輔助服務：低/高電壓穿越，自動發(fā)電，自動棄光，諧振抑制，阻尼振蕩，電網支撐……。對于并網的每一個逆變器，從面板電平級到兆瓦級，均是電網的一部分，并在電網穩(wěn)定性上發(fā)揮作用，從此不再獨善其身了。
智能變壓器
傳統(tǒng)變壓器在輕負載下的效率很低，有液體介質泄漏的隱患，并且只有升/降壓這一單一功能，不能提供實時電壓調節(jié)和系統(tǒng)監(jiān)控的功能。同時，它們不能通過單相電路提供三相電能，不能部分拆開逐個修復。
未來配電變壓器將作為分布式電源的接口，能接入儲能，能接納電動汽車，采用電力電子器件替代傳統(tǒng)配網變壓器的設備。美國電力科學研究院(Electric Power Research Institute，EPRI)研發(fā)出的智能變壓器，可以作為可再生能源并網的接口（Renewable energy grid interface，REGI），包括一個雙向功率接口，方便光伏、儲能、電動汽車的接入，也包含系統(tǒng)整合、本地控制和孤島控制方面的指揮和控制功能。REGI將成為智能電網發(fā)展戰(zhàn)略中的關鍵因素，扮演著將傳統(tǒng)電力變壓器和接口功能相結合的角色，可以無縫地接入可再生能源、儲能、電動汽車和需求響應（Demandresponse，DR）性負荷，同時還為本地能源網絡提供可靠的供能。此外，還將整合高級配電管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)（Energy management systems，EMSs）和DR系統(tǒng)，以優(yōu)化、提升電網的經濟性、可靠性。
此外，EPRI還研發(fā)出了中壓智能通用變壓器（Intelligent Universal Transformer，IUT）。該技術替代了獨立的電能轉換器和傳統(tǒng)的變壓器，完全摒棄了傳統(tǒng)變壓器的笨重結構和大量的接線。多功能的IUT可提供400V的直流母線電壓，用于供應直流配電系統(tǒng)或為電動車快速充電，如下圖所示。
多功能固態(tài)開關系統(tǒng)
多功能固態(tài)開關設備（solid-state switchgear system），在國內常被稱為能源路由器，用于替換傳統(tǒng)配電網開關，是用于配電自動化的典型智能電子設備。EPRI目前研發(fā)的主攻方向是10KV等級，已經研發(fā)完成的基于SGTO的靜態(tài)轉換開關（Static transfer switch，SSTS）就是這種典型的多功能固態(tài)開關設備，利用獲得R＆D100獎的超級門極可關斷器件(supergateturn-off，SGTO)，采用模塊化設計，性能好，結構緊湊，可靠性高，重構力強，有一定的成本優(yōu)勢，適用于6kV至35kV系統(tǒng)。
SSTS特別適用于配電網的負荷轉移，將作為配電網監(jiān)測系統(tǒng)中的一部分，在商業(yè)、工業(yè)、城市和郊區(qū)中大量應用。SSTS中的有源開關可用于實時潮流監(jiān)測和控制，也可以作為系統(tǒng)保護的一個基本單元，用于限制短路電流。同時，也能減輕變壓器的壓力，提高變壓器壽命。此外，還能減少機組停機時間，使機組運行更加連續(xù)，提供更好的電能質量。
本地能源網絡LEN控制器
如果用電決策可以基于當前信息進行分類和執(zhí)行，并且這些信息能夠很容易地搜集處理，那么用戶就能輕松掌握并且愿意使用這樣的系統(tǒng)。用戶可以安裝一個家庭局域網絡(Home area network，HAN)：一個是連接在EMS上的電子信息網絡，一個決策處理器。HAN容納了信息流并形成網絡節(jié)點。每個節(jié)點均與家庭電力系統(tǒng)的一個設備或元件相關聯。節(jié)點可以是代表有大量電能消耗的硬連接設備，比如抽水泵、照明電路，也可以是帶插頭的負荷。設備和EMS通過無線、有線或者HAN中的電力載波進行通信。
EMS主要負責協調HAN中的各個設備，根據用戶定義的規(guī)則來決定其中的設備和負荷何時開啟或關閉。這些規(guī)則基于一定時期的電價信號（比如：電價超過一定的閥值時），當前的情況（比如：家用負荷按預期需要啟動的時候）或者是響應外部代理機構下達的指令（比如：對一個需求響應參與者用戶下達的負荷削減指令）。
EMS根據外部環(huán)境并基于預先制定的規(guī)則做出決策。HAN就像是神經系統(tǒng)，可以傳遞節(jié)點狀態(tài)的信息，并且可以傳達命令，確定命令的接收者和發(fā)布者。它是一個電子設備，目的是在用戶離線時仍然能夠為用戶管理好電能。為了達到這一目標，就需要了解用戶的用電規(guī)律和用電態(tài)度，建立效用函數，表征不同系統(tǒng)狀態(tài)下用電滿意度的相對值，然后根據預先設定的規(guī)則執(zhí)行。
當前能源網絡的結構正向智能電網和低碳發(fā)電、本地能源網絡(Local energy networks，LENs)和電力交通相結合的方向發(fā)展。LEN包括終端用戶的能源服務設備，分布式發(fā)電，本地儲能，基于建筑、校園或社區(qū)層面的需求側響應功能。分布式、集中式的控制結構決定了LEN和配電網、大電網之間的交互關系，而系統(tǒng)的整個布局則能夠促進基于這兩種控制結構的高度交互的網絡的發(fā)展。
這些結構有利于整合連接在高壓電網中的集中式發(fā)電電源。特別地，這種結構使得不太可控的可再生能源發(fā)電，如風電、光伏和一些起平衡作用的電源互聯起來了。預計到2030，10%的既有饋線和25%的新建饋線將包含LEN控制器。
住宅EMS系統(tǒng)
住宅EMS系統(tǒng)專注于管理建筑中的構件、產品或設備。住宅EMS系統(tǒng)并不是典型的門戶。門戶是常用于門戶網站的一個術語。住宅EMS包括居民EMS和智能家居設備(Intelligent home device，IHD)。除此以外，系統(tǒng)還可以根據預先設定的計劃，按用戶的喜好對負荷或其他自動化設備進行管理。
在線能量管理的門戶使用戶可以了解能量使用情況、能效自動管理情況，通過網頁顯示出來，方便用戶瀏覽查看。可以展示價格信息，并將客戶的能量消耗和產能情況與發(fā)電企業(yè)的生產計劃關聯起來。這一技術的推廣應用將促進資源的整合和第三方平臺信息的共享，從而推動住宅EMS的應用。然而，至今為止購買這一系統(tǒng)的人還很少。
與此相似，但成本更低的智能家用顯示設備卻在隨著智能電網的推進而迅速應用起來了，主要用于顯示能量、費用、環(huán)境等信息，比如：實時的以及計劃小時內的電費和耗電量(kWh)，購電費用，最近24小時內的用電量，當前月（或者前一個月）的用電量和總費用，計劃用電量，月峰值負荷，當前使用模式下的溫室氣體排放，不同時期的戶外溫度等。
電動汽車充電設施
幾乎所有的知名汽車制造商都在進軍電動汽車行業(yè)，研發(fā)全電動、插電式混合動力和增程式電動汽車，如通用汽車、雪佛蘭、日產。值得一提的是，特斯拉是當今唯一能生產雙座跑車的制造商，并且它還在持續(xù)研發(fā)低成本家用電動轎車。
曾經，電動汽車主要由庫侖科技、ECOtality公司、銀泉網絡公司等充電站運營商采用封閉、專門的充電網絡為其服務?，F在，國家、地方都在采取積極措施鼓勵充電設施的新建、擴建，此舉有利于全面推動電動汽車的大規(guī)模應用，有利于培育新的技術增長點和一批高科技民族企業(yè)。例如，許繼集團公司就在這股浪潮下迅速發(fā)展成為國內目前唯一能夠成套提供“充、換、儲、放”一體化設備的制造商。下圖是許繼參與建設的青島薛家島電動汽車智能充、換、儲、放一體化示范電站。
電能存儲
以鉛酸蓄電池為代表的電儲能系統(tǒng)廣泛應用于不間斷供電的住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)。商業(yè)和工業(yè)用儲能系統(tǒng)可以以75％的效率提供長達8小時的連續(xù)電力，并且具有高達5000次循環(huán)周期的使用壽命。往宅區(qū)儲能系統(tǒng)一般具有以75％的效率連續(xù)提供2小時電能的能力，也具有5000次循環(huán)周期。待機和在線的UPS技術均可使用。在線式UPS一般比較貴，但是當電力環(huán)境很差時，其還是顯現出其必要性。通常應用于電氣絕緣的環(huán)境和對功率波動敏感的設備，功率在10kW以上。隨著科技的進步，儲能裝置現在可以作為一個普通的供電設備，提供500W，甚至更小的功率。在剛剛結束的杭州G20峰會，廈門科華恒盛提供了數十套高端UPS電源及整體電源解決方案，成功護航了G20峰會文藝晚會。
傳感器
配電用傳感器技術一直在不斷發(fā)展，傳感器的大量應用提高了系統(tǒng)的可靠性和資產管理水平。一些即將進入配電網應用的傳感器如下：
1、線路絕緣子傳感器。線路絕緣子傳感器并不是新技術，但在未來將會有新的用途：監(jiān)測配電網中的線路電流、節(jié)點電壓，監(jiān)測配電網饋線，還可以監(jiān)測開關電容器、饋線電壓調節(jié)器、配電線路自動開關。在其高級應用中，還可以與變電站配合起來。
2、帶電流電壓監(jiān)測功能的絕緣子。線路絕緣子傳感器實際上是帶電流電壓監(jiān)測功能絕緣子的擴展應用，這些絕緣子也能起到類似于支柱絕緣子的功能。
3、肘式電壓電流監(jiān)測器。Lindsey制造公司生產的肘式電壓電流監(jiān)測器可以安裝在變壓器和開關的末端。
為提升服務水平、降低運行費用，未來配電網亟需引入若干新技術以提高配電網的經濟性、可靠性、穩(wěn)定性、安全性、交互性.新技術將在未來的智能配電網中發(fā)揮重大作用，電力公司應當充分利用現有的監(jiān)測控制設施，同時不斷地尋找并利用新方法、新技術、新設備來實現配電網的經濟性、可靠性、穩(wěn)定性、安全性、交互性。
