大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,給智能配電網(wǎng)升級(jí)帶來(lái)了機(jī)遇。文章首先分析了智能配電網(wǎng)的新特征,包括智能配電網(wǎng)的內(nèi)涵以及外延;然后探討了智能配電網(wǎng)的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題,包括基本的設(shè)計(jì)原則、IEC核心標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。對(duì)智能配電網(wǎng)的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討,有利于實(shí)現(xiàn)未來(lái)配電網(wǎng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。
0、引言
智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分,是智能電網(wǎng)研究的一個(gè)熱點(diǎn),也是智能電網(wǎng)研究和發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域之一。智能電網(wǎng)相對(duì)于傳統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)生的最大變革可能體現(xiàn)在配電網(wǎng),智能配電網(wǎng)允許可再生能源和分布式發(fā)電單元的大量接入和微電網(wǎng)的運(yùn)行,并鼓勵(lì)各類不同電力用戶積極參與電網(wǎng)互動(dòng):①在電力流上,由于分布式電源的接入點(diǎn)處于配電網(wǎng),因此會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)雙向電力潮流,配電網(wǎng)的調(diào)度控制和運(yùn)檢管理更趨向于輸電網(wǎng);②在信息流上,智能電網(wǎng)的信息集成和信息安全真正需要突破的瓶頸和難點(diǎn)也在配電網(wǎng)上,配電自動(dòng)化建設(shè)既面臨信息交互技術(shù)上的難關(guān),也面臨管理變革的不適應(yīng);③在業(yè)務(wù)流上,配電網(wǎng)處于中間環(huán)節(jié),上下已經(jīng)形成系統(tǒng),既面臨配電自動(dòng)化沒(méi)有形成運(yùn)行管控的局面,也面臨著雙向互動(dòng)服務(wù)的壓力。
大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、信息與物理融合等互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,在帶動(dòng)一大批新技術(shù)的同時(shí),也給智能配電網(wǎng)的升級(jí)改造帶來(lái)了機(jī)遇。智能配電網(wǎng)架構(gòu)考慮了一系列系統(tǒng)未來(lái)運(yùn)行的可能性,已超出了將電能輸送到終端設(shè)備的范圍,擴(kuò)展到了從集中發(fā)電系統(tǒng)到用戶終端電源設(shè)備及分布式電源的廣泛運(yùn)行環(huán)境,提出了應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最大限度地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和資源共享。本文對(duì)智能配電網(wǎng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討,使其能夠滿足未來(lái)的需求,增強(qiáng)能源服務(wù)系統(tǒng)間交互和融合的開(kāi)放性和安全性。
1、智能配電網(wǎng)的新特征
智能配電網(wǎng)是一個(gè)配電自動(dòng)化完全覆蓋下的配電網(wǎng)絡(luò),配電自動(dòng)化管控配電網(wǎng)設(shè)備的拓?fù)溥B接關(guān)系和連接在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行效率,它可以感知到每一個(gè)設(shè)備的非健康狀態(tài)和故障狀態(tài),自動(dòng)獲取電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)越限變化數(shù)據(jù)和生產(chǎn)能效分析統(tǒng)計(jì)信息,依據(jù)配電網(wǎng)供電可靠性要求,自動(dòng)化檢測(cè)出非健康配電設(shè)備的狀態(tài)并提出或執(zhí)行自愈方案,將故障排除在萌芽之中;如果發(fā)生故障可以自動(dòng)化檢測(cè)出故障、定位到故障位置、隔離故障區(qū)間,提出或執(zhí)行非故障區(qū)域的供電方案。自動(dòng)化提供的信息足以支持智能電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維、優(yōu)化運(yùn)行等各種應(yīng)用,滿足配電網(wǎng)企業(yè)優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)管理和安全高效運(yùn)行、智慧城市和美麗鄉(xiāng)村以及現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于供電可靠性需求。
如果要更全面地定義智能配電網(wǎng)的概念,需要充分考慮到技術(shù)的發(fā)展和變化,從內(nèi)涵和外延兩方面描述智能配電網(wǎng)的新特征。
1.1 智能配電網(wǎng)的內(nèi)涵
智能配電網(wǎng)的內(nèi)涵包括以下幾個(gè)方面:
1)具有配電自動(dòng)化基礎(chǔ)。配電自動(dòng)化是智能配電網(wǎng)的必要條件,這是因?yàn)榕潆娮詣?dòng)化將配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備、用戶以及地理圖形等信息進(jìn)行集成,構(gòu)成完整的配電自動(dòng)化系統(tǒng)。
2)融入互聯(lián)網(wǎng)的通信體系。對(duì)于配電網(wǎng)必須面向互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu),隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,完全改變了終端互聯(lián)的技術(shù)生態(tài),配電自動(dòng)化終端融入互聯(lián)網(wǎng)體系是必由之路。
3)無(wú)處不在的傳感器和測(cè)量裝置。大量的傳感器和智能測(cè)量,足以保證獲得系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、廣域測(cè)量網(wǎng)絡(luò)、靈活的保護(hù)系統(tǒng)等,真實(shí)可靠地提供配電網(wǎng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),為各類智能化的應(yīng)用提供基礎(chǔ)信息。
4)智能配電網(wǎng)主站。由于云儲(chǔ)存和大數(shù)據(jù)處理的出現(xiàn),智能配電的集中處理能力得以提高,關(guān)鍵是應(yīng)用需求和體系架構(gòu)的適應(yīng)性,需求在不斷的變化,架構(gòu)必須重新設(shè)計(jì)。
5)統(tǒng)一的輸配電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。該模型可將電網(wǎng)的智能二次設(shè)備和高級(jí)分析處理程序有效納入到統(tǒng)一的分析框架體系中。
6)智能配電網(wǎng)管理。通過(guò)圖形和地理空間信息技術(shù)手段最大程度地提高一次電網(wǎng)的可見(jiàn)度,使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行操作可視化,同時(shí)輔以更智能、更綜合的分析應(yīng)用程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)高效有序的管理,降低管理難度。
7)統(tǒng)一的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型。將電網(wǎng)的物理模型映射為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型,使得相關(guān)數(shù)據(jù)源以一種有效的、結(jié)構(gòu)化的、清楚的方式關(guān)聯(lián)起來(lái),這種關(guān)聯(lián)不依賴于現(xiàn)有設(shè)備的物理特性。
8)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。通過(guò)服務(wù)來(lái)訪問(wèn)通用設(shè)備和應(yīng)用程序的處理結(jié)果,這種方式隱藏了每個(gè)設(shè)備和應(yīng)用的內(nèi)部運(yùn)行細(xì)節(jié),從而可以把系統(tǒng)組件的相關(guān)應(yīng)用當(dāng)作黑盒子來(lái)處理。
9)“即插即用”的智能裝置。智能配電網(wǎng)需要解決電網(wǎng)智能設(shè)備的配置需求、信息安全需求、數(shù)據(jù)管理和交換需求、服務(wù)質(zhì)量需求,實(shí)現(xiàn)智能裝置的“即插即用”,最大程度地減少配電設(shè)備的維護(hù)工作量。
10)高級(jí)應(yīng)用軟件。智能配電網(wǎng)通過(guò)對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的多層次分析,使得電網(wǎng)更加智能協(xié)調(diào)地運(yùn)行,包括配電網(wǎng)自愈電網(wǎng)、電源和負(fù)荷自適應(yīng)平衡、分布式電源智能接入等。
11)信息安全。智能配電網(wǎng)不但能實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)交換和信息集成,同時(shí)也可保證信息的安全。
1.2 智能配電網(wǎng)的外延
智能配電網(wǎng)的外延包括以下4個(gè)方面:
1)配電網(wǎng)的供電與用戶的需求形成良性互動(dòng)。通過(guò)智能終端提供用電和市場(chǎng)信息,促使用戶通過(guò)需求響應(yīng)來(lái)改變自己的用電方式,主動(dòng)參與電網(wǎng)管理和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),獲取相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)利益,實(shí)現(xiàn)供需雙方互動(dòng)。
2)配電網(wǎng)大量接入風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等可再生能源分布式電源。接入配電網(wǎng)的分布式電源可以由配電網(wǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制,微電網(wǎng)既可以自己控制又可以與配電網(wǎng)互為支持,相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)將各種分布式能源和電動(dòng)汽車充放電站積極納入配電網(wǎng)管理和市場(chǎng)交易,充分支持環(huán)境友好的發(fā)電形式。
3)提供良好的電能質(zhì)量和供電可靠性。對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、診斷和需求響應(yīng),根據(jù)不同的電能質(zhì)量等級(jí)來(lái)定制電力,電能質(zhì)量可以滿足不同客戶對(duì)于電能質(zhì)量和高可靠性標(biāo)準(zhǔn)的需求。
4)精細(xì)化的配電網(wǎng)生產(chǎn)管控系統(tǒng)建設(shè)。研究配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)管理控制系統(tǒng),對(duì)運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)判,提高配電網(wǎng)的資產(chǎn)利用率,降低運(yùn)行成本,減少或推遲投資。建立有效、聯(lián)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng),對(duì)于生產(chǎn)指揮、資產(chǎn)管理、工作流程管理、運(yùn)維搶修管理和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)都形成在線分析和統(tǒng)計(jì),真正支持配電生產(chǎn)的精細(xì)化管理。
2、智能配電網(wǎng)的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)
配電網(wǎng)現(xiàn)在還未達(dá)到智能化的階段,處在智能化的進(jìn)程中,見(jiàn)圖1。配電網(wǎng)的業(yè)務(wù)已經(jīng)和信息化開(kāi)始融合,配電自動(dòng)化逐步開(kāi)始建立,但隨著配電網(wǎng)的發(fā)展變化,智能配電網(wǎng)是發(fā)展的方向,構(gòu)建智能配電網(wǎng)最重要的就是建立一個(gè)支持智能化發(fā)展、進(jìn)步的體系架構(gòu)。
圖1 配電網(wǎng)智能化
智能配電網(wǎng)的體系架構(gòu)是在分析和研究智能電網(wǎng)面臨的重要發(fā)展趨勢(shì)和需求下提出的。因此構(gòu)建智能配電網(wǎng)的體系架構(gòu),需要考慮以下5個(gè)方面。
1)高效利用已有的技術(shù)。一個(gè)從全局考慮的架構(gòu),能幫助保證系統(tǒng)在最初建立時(shí)就有足夠的規(guī)范和設(shè)計(jì)擴(kuò)展能力來(lái)保障目前和未來(lái)兩方面的需求。架構(gòu)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)與未來(lái)系統(tǒng)的整合和擴(kuò)展,它能夠做到增加一個(gè)新功能而無(wú)需整個(gè)范圍內(nèi)的升級(jí)和更換系統(tǒng)。因此如何有效利用國(guó)際開(kāi)放和通用的標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)先進(jìn)的通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到能源系統(tǒng)中,是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的最重要意義,這就需要企業(yè)能夠?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。
從全局角度出發(fā),電力行業(yè)要通過(guò)對(duì)設(shè)備和管理的信息化和自動(dòng)化提升技術(shù)水平,越來(lái)越多的先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)和通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必須支持目前的需求,并能夠滿足未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)的變化。電力行業(yè)需要改變導(dǎo)致條塊分割的重復(fù)建設(shè)的管理體系,智能電網(wǎng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)上就需要克服孤立部門使用的系統(tǒng)、定義范圍太窄的標(biāo)準(zhǔn)、功能重疊的應(yīng)用、無(wú)法通信的異構(gòu)系統(tǒng)、消除互聯(lián)互通等方面的限制。一個(gè)優(yōu)秀的架構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)⒆畛醯脑O(shè)計(jì)和安裝考慮到未來(lái)的系統(tǒng)運(yùn)行中,使其能夠智能開(kāi)放、有效地管理并重復(fù)利用設(shè)備,延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
2)打破系統(tǒng)的傳統(tǒng)界線,實(shí)現(xiàn)更高層次的整合。能夠跨越傳統(tǒng)的界線和阻礙,建立起一個(gè)可實(shí)現(xiàn)互操作、更好更先進(jìn)的集成系統(tǒng),這一需求是智能架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的核心原動(dòng)力?,F(xiàn)代電力工業(yè)的變化將使各種商業(yè)實(shí)體間需要更廣泛和緊密的聯(lián)系,要求業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)可進(jìn)行互操作的系統(tǒng)集成需求。例如,電網(wǎng)希望將分布式電源、供電系統(tǒng)和用戶的設(shè)備集成在一個(gè)系統(tǒng)中,形成一個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng),智能架構(gòu)就需要?jiǎng)討B(tài)地將多種應(yīng)用程序集成到用戶可以參與操作的環(huán)境中去,因此無(wú)數(shù)技術(shù)和管理問(wèn)題就要被提出,新的架構(gòu)需求設(shè)計(jì)上就必須打破傳統(tǒng)用戶的界限。
微電網(wǎng)需求的出現(xiàn)將需要一個(gè)非常廣泛層次上的系統(tǒng)間的互操作,這種層次上的互操作性是電力行業(yè)前所未有的。最終將用戶與電力系統(tǒng)并列運(yùn)行,可能出現(xiàn)數(shù)萬(wàn)個(gè)甚至百萬(wàn)個(gè)設(shè)備高度關(guān)聯(lián),隨之而來(lái)的是對(duì)這樣一個(gè)大系統(tǒng)的管理,這為設(shè)備使用者提出了一個(gè)非常巨大的挑戰(zhàn)。
新的架構(gòu)將發(fā)展成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)模式,消除系統(tǒng)管理間的界線,實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的系統(tǒng)管理功能(包括數(shù)據(jù)管理、安全、監(jiān)控和診斷),這些功能將被直接設(shè)計(jì)和嵌入在設(shè)備中,使電力系統(tǒng)的管理更為智能、廣泛和深入。
3)核心標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)的模型架構(gòu)設(shè)計(jì)。智能架構(gòu)設(shè)計(jì)是為了更好地協(xié)調(diào)和整合各個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),以及滿足整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中正在涌現(xiàn)的各種智能電力設(shè)備和系統(tǒng)的發(fā)展需求。其中關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)是IEC的3個(gè)核心標(biāo)準(zhǔn):設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)是IEC61850;系統(tǒng)間的互操作標(biāo)準(zhǔn)是IEC61968;配電網(wǎng)的通用信息模型是IEC61970。行業(yè)發(fā)展的各種標(biāo)準(zhǔn)必須能夠協(xié)調(diào)作用,使它們能夠適用于更普遍的領(lǐng)域要求。
為了實(shí)現(xiàn)各種標(biāo)準(zhǔn)制定組織內(nèi)部及相互之間,以及一些企業(yè)內(nèi)部及相互之間的更高要求的整合,制定一個(gè)行業(yè)級(jí)的智能架構(gòu)是滿足這一需要的自然思路。一個(gè)架構(gòu)將成為發(fā)展和整合未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵角色,它不是通常意義上的單一標(biāo)準(zhǔn),而是一個(gè)能夠提供具體連貫內(nèi)容且涉及廣范的框架。只有通過(guò)這個(gè)方法,這些標(biāo)準(zhǔn)才能夠有希望實(shí)現(xiàn)互操作并滿足未來(lái)的需要。
4)滿足不斷涌現(xiàn)的新需求。智能架構(gòu)是根據(jù)不斷涌現(xiàn)的企業(yè)級(jí)和工業(yè)級(jí)需求得出的,智能電網(wǎng)的發(fā)展導(dǎo)致新的需求層出不窮,所以新的系統(tǒng)體系架構(gòu)必須能夠有足夠的能力適應(yīng)新的需求?,F(xiàn)有的許多系統(tǒng)為了適用于未來(lái)需要都要進(jìn)行升級(jí),沒(méi)有足夠能力適應(yīng)新需求的系統(tǒng)將遭到淘汰。
智能架構(gòu)非常重視系統(tǒng)擴(kuò)展需求以實(shí)現(xiàn)未來(lái)可能需要的系統(tǒng)運(yùn)行功能,這些未來(lái)的系統(tǒng)功能是從各種不同的需求來(lái)源中總結(jié)的。許多需求是可知的,但很多需求都可以歸結(jié)于不可知需求。盡管通信、分布式計(jì)算和信息技術(shù)已經(jīng)很先進(jìn)了,這些不可知的需求還是會(huì)帶來(lái)許多安全方面的隱患。因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí),必須考慮到未來(lái)電力供應(yīng)系統(tǒng)中可能存在的未知需求。除了工業(yè)間的整合,在一些關(guān)鍵領(lǐng)域,如政策系統(tǒng)的管理和系統(tǒng)安全,也涌現(xiàn)了越來(lái)越多的需求,它們都需要在一定程度上具有足夠的安全保障,無(wú)論是現(xiàn)在還是未來(lái)。
5)面向人工智能的發(fā)展。智能架構(gòu)是要面向未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展,人工智能為大數(shù)據(jù)的處理和復(fù)雜問(wèn)題的判斷提供了處理復(fù)雜電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)、趨勢(shì)、故障的能力和可能;電網(wǎng)的管控和運(yùn)行最終是要由機(jī)器來(lái)管理和把控的,這是智能電網(wǎng)的終極發(fā)展目標(biāo),從人工智能發(fā)展的速度來(lái)看,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是指日可待的。
3、結(jié)語(yǔ)
配電網(wǎng)處在電力系統(tǒng)的中間層,將負(fù)責(zé)能量傳輸?shù)妮旊娋W(wǎng)與負(fù)責(zé)能量配置的低壓用電側(cè)互聯(lián)起來(lái)。智能配電網(wǎng)必須利用互聯(lián)網(wǎng)的思維和理念,集合電力系統(tǒng)、油氣熱力管網(wǎng)、電動(dòng)汽車充換電網(wǎng)絡(luò)、供水系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò),形成一種多能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)互補(bǔ)理念下的未來(lái)能源系統(tǒng),解決能源綠色、低碳可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)最為廣泛的一、二次能源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。
智能架構(gòu)建立了一系列考慮了系統(tǒng)未來(lái)運(yùn)行的可能性設(shè)想。智能架構(gòu)的范圍擴(kuò)展到了從集中發(fā)電系統(tǒng)到用戶終端電源設(shè)備及分布式電源的廣泛運(yùn)行環(huán)境。智能架構(gòu)超出了將電能輸送到終端設(shè)備的范圍,提出了應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最大限度地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通資源共享。通過(guò)架構(gòu)設(shè)計(jì),使這個(gè)架構(gòu)能夠滿足未來(lái)需求的設(shè)想,對(duì)于能源服務(wù)系統(tǒng)間交互和融合,應(yīng)該在一定程度上具有開(kāi)放性和安全性。
評(píng)論