智能电网与微电网的关键技术综述

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1、智能电网与微电网的关键技术综述智能电网与微电网的关键技术综述陈晓康(北京理工大学 自动化学院 电机与电器)摘要摘要:本文综述了智能电网与微电网的特点、发展现状与趋势，从电力系统的发 电、输电、变电、配电、用电和调度共六个环节分析，阐述了集成通信、传感 与测量、高级电力电子设施、高级量测体系、高级配电体系、高级输电运行、 智能调度、分布式电源接入等一系列领域需要解决的关键技术问题。关键词关键词:智能电网；微电网；分布式电源；特点；关键技术智能电网概念：智能电网概念：到目前为止，智能电网并没有统一的定义,但是基本内涵还是相同的。智能 电网(smart grid)是利用传感、嵌入式处理、数字化通信和

2、 IT 技术，将电网信息 集成到电力公司的流程和系统，使电网可观测（能够监测电网所有元件的状态） ，可控制（能够控制电网所有元件的状态）和自动化（可自适应并实现自愈）。由于国情、发展阶段及资源分布的不同,各国发展智能电网的重点不同,如美 国智能电网的建设侧重于配电侧和用户侧 ,重点研发可再生能源和分布式电源 并网技术;我国智能电网是在建设坚强电网的基础上 ,以建设距离长、容量大等 输电特征的特高压电网为核心, 具有信息化、数字化、自动化、互动化的智能 技术特征。智能电网特点：智能电网特点：（1）自愈。对电网当前运行状态进行不断的在线评估，采取有效的预防控 制手段，尽可能及时发现、快速诊断和消除

3、故障隐患；并且在尽量少的人工干 预下，自动快速隔离故障、实现自我恢复，避免大面积停电的发生。（2）互动。实现与客户的智能互动，以最佳的电能质量和供电可靠性满足 客户需求。（3）坚强。对电网的每一个元素进行安全性需求考虑，在整个系统中确保 一定的集成和平衡。在自然灾害、外力破坏和计算机攻击等不同情况下保证人 身、设备和电网的安全。（4）优质电能。能够减小由于输配电元件引起的电能质量问题，实现电能 质量问题的快速诊断和周密解决方案。（5）兼容。既能适应大电源的集中接入，也支持分布式发电方式友好接入 以及可再生能源的大规模应用。智能电网关键技术：智能电网关键技术：就领域划分就领域划分（1）发电领域：

4、风电场、光伏发电及分布式供能的并网和储能关键技术研究；（2）输电领域：安全监控（大电网安全稳定控制、网域测量技术、相量测量装 置、传感器和量测技术）；特高压交直流相关设备研制和关键技术研究；（3）变电领域：智能化（数字化）变电站、灵活交流输电技术、无功补偿发生 器、故障电流限制器的研究；（4）配电领域：储能技术、配电自动化、微电网接入技术与分布式储能装置研 究；（5）用电领域：智能电表、用电信息采集系统、可再生能源即插即用技术。就技术划分就技术划分（1）集成通信智能电网依赖于采集的数据、保护和控制，要使电网中的通信系统高效应 用，整个通信必须是全集成的，为电网规划、建设、运行管理提供全方位的信

5、 息服务。因此，宽带通信网，包括电缆、光纤、电力线载波和无线通信，将在 智能电网中扮演重要角色。重点有两个方面的技术：其一就是开放的通信架构，它形成一个“即插即用” 的环境，使电网元件之间能够进行网络化的通信；其二是统一的技术标准，它 能使所有的传感器、智能电子设备以及应用系统之间实现无缝的通信，这就需 要电力公司、设备制造企业以及标准制定机构进行通力的合作。（2）传感与测量传感与测量技术为实时监控系统提供及时的信息，不但包括变电站设备及 一些输电线状况信息，而且还包括用于入口、具名网络、高级计量等部分，同 时也对传感器本身以及测量精度提出了更高的要求。未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读

6、取系统，取而代之的是可以 使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计将 有更多的功能，除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外，还有储存电 力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并通知用户实施什么样的费率政 策。更高级的功能有用户自行根据费率政策，编制时间表，自动控制用户内部 电力使用的策略。对于电力公司来说，参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更 多的数据支持，包括功率因数、电能质量、相位关系、设备健康状况和能力、 表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电 能消费和预测等数据。新的软件系统将收集、储存、分析和处理这些数据，为 电

7、力公司的其他业务所用。（3）高级电力电子设施高级电力电子设施在电网中起着非常重要的作用，它们既可以单独运用， 也可以连接在一起组成复杂系统。包括电力电子装置、超导装置、分布式发电、 复合导线、微电网技术等。智能电网将广泛应用先进的设备技术，以提高输配电系统的性能。智能电 网中的设备将充分应用材料、超导、储能、电力电子和微电子技术等方面的最 新研究成果，以提高功率密度、供电可靠性、电能质量和电力生产的效率。通 过采用新技术以及在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点，来提高电能质量； 通过应用和改造各种各样的先进设备，如基于电力电子技术和新型导体技术的 设备，来提高电网输送容量和可靠性。配电系统中需

8、要引进新的储能设备和电 源，同时应利用新的网络结构，如微电网。（4）高级量测体系参数量测技术是智能电网基本的组成部件，先进的参数量测技术获得数据 并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的 健康状况和电网的完整性，进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓 减电网阻塞以及与用户的沟通。 （5）高级配电体系包含系统的监视与控制、配电系统管理功能和与用户的交互（如负荷管理、 量测和实时定价）。通过与智能电网的其他组成部分的协同运行， 既可改善系 统监视、无功与电压管理、降低电网损耗和提高资产使用率，也可辅助优化人 员调度和维修作业安排等。智能通用变压器是不同于传统的线圈

9、式变压器，它是基于电力电子技术 （由多级逆变器组成）的变压器。与常规的铁芯式变压器相比，具有以下特点： 1）体积小，重量轻，无污染；2）运行时可保持副边电压幅值恒定，不随负载 变化；3）可以保证原、副边电压为正弦波，且功率因素可调整；4）具有高度 可控性；5）兼有断路器功能，可以以毫秒级的速度关断故障大电流，无需常规 变压器复杂保护装置；6）含有智能控制单元，可以完成潮流和电能质量调节功 能。（6）高级输电运行柔性交流输电技术是新能源、清洁能源大规模接入电网系统的关键技术之 一，将电力电子技术与现代控制技术相结合，通过对电力系统参数的连续调节 控制，从而大幅降低输电损耗、提高输电线路输送能力和

10、保证电力系统稳定水 平。 高压直流输电技术对于远距离输电、高压直流输电拥有独特的优势。其中， 轻型直流输电系统采用 GTO、IGBT 等可关断的器件组成换流器，使中型的直 流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。 （7）分布式电源接入分布式电源（DER）的种类很多，包括小水电、风力发电、光伏电源、微 型透平、燃料电池和储能装置（如飞轮、超级电容器、超导磁能存储）。一般 来说，其容量为 1kW10MW。配电网中的 DER 由于靠近负荷中心，降低了 对电网扩展的需要，并提高了供电可靠性，因此得到广泛采用。大量的分布式电源并于中压或低压配电网上运行，彻底改变了传统的配电 系统单向潮流的特点，要求系统使

11、用新的保护方案、电压控制和仪表来满足双 向潮流的需要。通过高级的自动化系统把这些分布式电源无缝集成到电网中并 协调运行，将可带来巨大的效益。除了节省对输电网的投资外，还可提高全系 统的可靠性和效率，提供对电网的紧急功率和峰值负荷电力支持，及其他一些 辅助服务功能，如无功支持、电能质量改善等；同时，它也为系统运行提供了 巨大的灵活性。智能电网总结：智能电网的特点及关键技术领域智能电网总结：智能电网的特点及关键技术领域（1）电网与用户之间采用双向通信，两者之间进行实施的交互信息。（2）采用可以双向通信的智能固态表计 ；供电网络采用网状。（3）设备运行管理采用远方监视 ；设备出现故障后 ，自适应保护

12、和孤岛化 ；供电恢复自愈化。（4）功率控制方式采用集中和分布式发电并存的方式 ；潮流控制方式有许多 种。（5）通过动画、动态着色、虚拟现实等数据展示技术 ，帮助运行人员分析和 处理紧急问题。微电网的概念及特点微电网的概念及特点微电网（micro-grid），是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可以 同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换， 并提供必需的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控元件，并可同 时满足用户对电能质量和供电安全的要求。由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇 集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保

13、护和管理的自治系统， 既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。微电网的关键技术微电网的关键技术（1） 微电源分布式电源与分布式储能技术，前文智能电网已做过说明，不再赘述。微电源通过电力电子装置与微电网连接或隔离，各 DG 单元均由电力电子 装置提供所需要的控制接口。大多数 DG 装置接入交流系统时，需要相关的逆 变、整流及滤波装置。 当系统频率低于逆变装置电流控制器的频带宽度时， DG 系统相当于一个电压源；而当系统频率高于电流控制器的带宽时，DG 系统 相当于一个电流源。微电网与外部电网连接的隔离装置：静态开关在微电网和配电网的接口方 面起着关键作用。静态开关的任务是一旦电能质量开始恶化

14、， 就将敏感负荷 从电网中分离。 静态开关只分离敏感负荷，而不将微电网从电网中分离。 在 多个电源同步运行的稳态情况下，有功功率总是从同步之前频率高的电源流向 频率低的电源。 （2）控制及保护问题微电网既可以作为独立用电单元，也可以作为负荷，参与外部大电网协调 控制。微电网其中包含大量的电力电子装置，可以为电网提供频率稳定、电压 稳定、调节电网功率平衡等服务。在微电网中能量是可以双向流动的，同时微电网中总线既可以是交流总线、 直流总线或两种混合型。微电网可以运行在并网或孤岛两种模式下。这都决定 微电网系统的保护控制与常规电力系统中的保护和控制在方法、策略上有很大 不同，需要研究微电网故障诊断算

15、法与控制保护系统。微电网的保护、控制技术研究包含微电网中电源与负荷的控制技术、微电 网能量管理技术、微电网电能质量综合监控技术、微电网测控与通信规约、微 电网安全与保护技术等。目前相关技术都是针对传统的配电网结构，如何在此 基础上改造、优化、升级，需要成熟的微电网保护控制技术的支撑。（3）并网技术配电网中引入少量分布式电源对整个电网并不会产生太大的影响， 然而当 电网中存在较多 DG 单元或者大容量的 DG 单元或微电网时， 将会对系统的暂 态稳定、动态稳定、电压稳定、频率稳定、电压波形、电压闪变、谐波、短路 电流、有功及无功潮流、电网损耗等诸多方面造成较大影响， 如果控制不当可 能会影响系统

16、稳定， 导致电能质量恶化， 破坏系统的安全、可靠运行。 因此有必要针对含有 DG 及微电网的电网进行系统稳定、电能质量、规划与运行方 式、系统网损等一系列问题的研究。微电网与外部电网并联运行会对外部电网稳定造成影响。而当微电网与外 部电网切断时，微电网需要平滑地从并网运行模式过渡到独立运行模式。DG 或 微电网接入配电系统后，如果控制不当，可能产生电压闪变和谐波， 而 DG 或微电网并网也存在改善电能质量的巨大潜力。 利用变流技术可以有效地提高 电能质量， 另外通过电力电子技术还可以实现更佳的谐波和无功功率控制。 微电网孤立运行时， 可以通过基于电力电子技术的柔性交流配电技术和储能技 术改善电能质量。当然实现以上功能需要合理的控制策略，DG 自身的电力电 子装置不可能完全代替传统的改善电网电能质量的装置，如果能够将 DG 设备 应用到 DFACTS 技术中去，不仅能提高电能质量水平，也能减少设备投资。结语：结语：发展智能电网和微电网是一项长期的系统性工程，需要有相应的政策法规 密切配合，还必须兼顾与现有系统的集成。智能电网和微电网的利益相关者主要是国家、电网公司、用户、发电商