感知升級，臺區級電網有了“中樞大腦”

 

走在福建省福州市長樂區濱海新城通達而平坦的道路上，來往車輛川流不息，幢幢高樓勾勒出城市的輪廓，塔吊林立、機械穿梭，一派欣欣向榮的景象。

 

長樂濱海新城是以“數字中國”示范區為目標打造的智慧新城。一個更加“數字化”的城市，用電負荷將快速增長，配電網功能和形態也會發生顯著變化，對供電安全性、可靠性、適應性的要求也越來越高。

 

“低壓配電網作為供電服務‘最后一公里’，運行管理水平直接影響著用戶的供電質量。越來越多的分布式光伏、電動汽車充電樁等接入低壓配電網，加強配網側數字與設備融合、提升設備智能化水平及電網全息感知能力，成為平衡電力系統、保障電網安全管理的當務之急。”國網福建省電力有限公司電力科學研究院（以下簡稱“福建電科院”）發展部技術策劃管理主辦錢健告訴記者。

 

在福建福州供電公司，運維人員用手機登錄“臺區智慧運維”APP，不到1分鐘就完成了一條“低壓開關跳閘”工單接收，隨后工單自動流轉到下一個流程，搶修班在接單后第一時間出動，10分鐘后抵達現場，找到故障開關位置，及時排除了故障并迅速恢復供電。

 

臺區智能融合終端藏身于各個小區的配電站房、箱變及柱上變臺的綜合配電箱之中，是臺區的信息采集和處理核心。相較于原有的老式配變終端，它可以實現低壓臺區相關設備和用電數據共同采集及應用，進而實現拓撲自動識別、故障自動研判、配網運行方式智能化等多項功能，相當于臺區級高彈性電網的“中樞大腦”。

 

作為長樂濱海新城臺區智能融合終端實用化示范區建設的負責人，福建電科院互聯網中心感知技術研究室主管范元亮告訴記者，項目團隊已經牽頭研發了終端側15類應用、物管平臺及配電云主站、移動手機端APP，建立了臺區側營配交互協同、主站側云邊協同、應用側移動作業的實用化體系。他們還協助福州供電公司運維人員完成了示范區內228個臺區智能融合終端的安裝調試和實用化應用，實現了營配數據就地交互、低壓開關三遙功能、臺區電能質量監測、低壓故障就地研判、三相不平衡監測與治理、分時分路停送電驗證拓撲等6項場景的應用。

 

“項目建成后，濱海新城核心區內區域供電可靠率達99.999%，全年停電時長不超過5分鐘；實現中低壓全景感知100%覆蓋，推動數據向中臺集聚，支撐電網全感知、業務全管控、故障全研判、設備全遙控、運行全評價的主配網調度運檢智能化體系。”范元亮介紹。

 

更加智慧的電網，在不斷地延伸到更多城市。錢健透露，福建電科院已組建了福州長樂濱海數字孿生電網、寧德環三都澳儲能多元協同、泉州分布式光伏、湄洲島新型電力系統建設、廈門源荷聚合調控、水口閩江流域多能互補6個項目組，針對泉州南安局部高比例、高滲透分布式光伏接入消納問題，從調研問題線路、臺區中選取示范供區，研究中低壓兩張微電網構建運行技術，形成泉州南安區域高比例分布式光伏高效消納方案。

 

保護升級，故障隔離速度提升至毫秒

 

“現場開關的三遙信號與主站核對正確，可以開始魏厝線#034與#043開關相間短路故障試驗！”11月30日，在福建莆田110千伏前沁變10千伏魏厝線，福建電科院數字化高彈性配電網技術攻關團隊應用基于RT-LAB的半實物鏡像仿真平臺，開展了福建省首個基于深度融合配點開關的彈性配電網故障自愈現場試驗。在兩分鐘內，魏厝線成功隔離了故障區間，恢復了非故障區間的供電。“成功了，我們的仿真測試平臺可行!”團隊負責人張振宇和成員高興地歡呼起來。

 

“電動汽車、儲能裝置、柔性負荷的互動協調控制等眾多新的需求，將給傳統配電系統帶來巨大挑戰。”張振宇告訴記者，目前，發展快速有效的仿真技術和平臺，可對分布式電源規模化接入配電網的各種故障進行反演與分析，成為了他們當前迫切而意義重大的研究課題。

 

今年11月，張振宇和團隊成員聯合福建莆田供電公司，開展了彈性配電網建設關鍵技術研究與實踐，以新一代10千伏中壓配網深度融合柱上斷路器作為感知與保護設備，實現了復雜故障精準研判、就地隔離、網絡自動重構與快速自愈。同時，他們還搭建了10千伏魏厝線數字鏡像仿真線路，利用RT-LAB半實物鏡像仿真平臺作為仿真線路與實際設備的數據交換平臺，將4臺一二次深度融合柱上斷路器融入仿真線路，模擬短路、接地和斷線后電源側/負荷側接地等故障，解決了此類故障試驗難以在實際線路中開展的問題，并還原了真實的配電網典型故障場景。

 

“‘半實物鏡像仿真平臺’就像鏡面一樣，孿生出一個真實的10千伏配電線路，可以在任意位置制造短路、斷線及接地等典型故障，方便技術人員測試驗證一二次融合成套配電開關的故障研判及配電自動化主站饋線自動化策略的準確性。”張振宇介紹。

 

10千伏中壓配網實現了故障自愈，110千伏線路也應用上了新型差動保護技術。今年，福建省內首個實現5G配網差動保護的電力線路——福州長樂10千伏新東湖Ⅰ線正式投入運行，線路上任何一點故障均能以毫秒級的速度進行隔離。

 

“電網110千伏及以上線路大部分用上了差動保護技術，但大多采用光纖通道，對于點多面廣的配電網線路而言，敷設光纖存在成本高、通道審批難、施工維護難、靈活性差、利用率低等問題，而4G及以前的移動蜂窩網絡很難滿足差動保護對通信延時、可靠性和安全性的要求。”福建電科院電力通信技術研究與監督專責陳錦山一直對5G技術很感興趣，如何把這項技術應用在配網差動保護上，成了他這兩年一直研究的課題。

 

2020年6月，福建電科院與中國移動福建公司、清華大學、浙江大學合作成立了能源互聯網5G技術創新實驗室，陳錦山和團隊成員充分利用5G通信技術具有高帶寬、低時延及安全可靠的特點，創新開展了“5G+配網差動保護”全方位測試研究。通過開展涵蓋終端、網絡、系統的全方位測試，他們發現5G網絡空口調度機制、被測保護裝置、CPE設備、網絡切片安全隔離等方面存在不少問題，便針對性地提出了解決方案并督促相關方進行改進。

 

“通過我們不斷地測試和改進，5G配網保護平均通信延時由原來200多毫秒降低到20毫秒以內，雙向同時傳輸帶寬由原來小于5兆比特每秒提升到40兆比特每秒以上。我們還形成了5G電力應用實驗室測試、現場測試、工程典型配置等方面的資料，為后續福建5G電力應用及測試積累了經驗和方法。”陳錦山說。

 

互聯升級，分布式光伏入網有了安全橋

 

福建位于我國東南沿海，常受臺風侵襲，臺風及其帶來的強降雨往往在短時間內就會對電網造成嚴重破壞。為快速、精準地進行故障處置，張振宇和團隊成員還研發了“基于大數據技術的配網運行狀態特征提取及畫像分析”技術，對配網運行狀態進行全景畫像、智慧分析。

 

張振宇介紹，配網運行狀態“全景畫像”將模型數據、運行數據、業務數據、臺賬數據和外部數據等五類配網運行狀態關鍵數據納入數據池，按照供電質量、供電能力、電網結構、裝備水平、經濟性五個維度，全景式反映配網饋線和主要設備的運行狀態，開展全壽命周期的配網健康狀態智慧評價。

 

以福州地區3000條10千伏饋線為例，運維人員可以從海量數據中“一鍵式”精準獲取配網運行狀態，關聯分析一次設備指標、二次設備指標、業務指標及氣象指標等66類數據。根據計算機自動擬合的評價公式，按照積分制原則分為“優”“中”“差”三個等級，以便掌握配網的實時健康狀態，進行配網缺陷分析。同時，他們還能剖析電網運行薄弱環節，及時消除重過載特性超過預警值的配網設備的安全風險，保障配網安全可靠運行。

 

談起“全景畫像”平臺的效果，張振宇頗為滿意：“通過對海量數據的實時處理，我們實現了2021年故障停電時戶數較2016年減少70%；通過多源數據深度融合，實現了臺風等極端自然災害配網故障平均停電時長縮短5.2小時/條，近兩年累計節省電量損失約1.65億元。”

 

在新型電力系統建設的背景下，實現新能源與配網柔性互聯，是配網技術升級的新突破點。

 

今年，福建電科院配電能源互聯技術專責黃興華和團隊成員在智能融合終端示范區的基礎上，開展了低壓柔性互聯控制系統研究。低壓柔性互聯控制系統主要由配電臺區智能融合終端、低壓物聯開關、光伏逆變器三部分組成，采用“云管邊端”的物聯網架構，充分發揮臺區智能融合終端的邊緣計算功能，在分布式光伏與配電網之間進行柔性互聯，實現了對分布式光伏的靈活控制。

 

值得一提的是，在此項目中，他們自主研發了一款低壓光伏物聯開關。“這個開關扮演著信息通信‘二傳手’的角色，讓配電臺區融合終端與光伏逆變器之間進行透明對話，在融合終端的指令下，實現光伏發電系統外送功率連續調節。”黃興華說，“為了保護配電網，傳統開關只能實現全開、全關兩種狀態，在系統過載情況下，光伏發電系統將完全關閉，與配電網斷連。低壓光伏物聯開關就不一樣了，它可以根據配電網的負荷情況，實現光伏發電系統出力從0到100%連續調節。”

 

以長樂區湖坂村“柔性互聯控制”低壓戶用光伏智慧臺區示范工程為例，國網福建省電力有限公司在湖坂村村委會屋頂安裝了遮雨棚式光伏系統后，黃興華和團隊成員便在該光伏系統的計量箱內安裝了低壓物聯開關，給光伏系統和上層控制主站搭了一座“橋”。通過低壓物聯開關，電網運行人員可以采集和上傳光伏電站的運行信息，也可以向光伏電站轉發來自控制主站的控制命令，進一步掌握分布式光伏的運行狀況。

 

此外，近年來福建電科院開展的有關儲能的研究，也進一步保障了福建配電網的安全可靠運行。在移動式儲能系統研發與集成技術方面，福建電科院成功研制國內首臺接入配電網末端、功率最大的移動式鋰電池儲能裝置，自主研制國內首套移動儲能直流融冰系統，實現了國內首次在高山地區配電網開展直流融冰作業；在大容量電池儲能系統研發應用方面，福建電科院在福建湄洲島建成國內外首個接入10千伏海島配電網的1兆瓦/2兆瓦時電池儲能電站，解決了末端配網變壓器過載、低電壓、供電可靠性差等問題，為湄洲島解決海纜故障、舉辦媽祖文化活動等提供了綠色、可靠的電力保障。

 

目前，福建電科院正依托寧德霞浦儲能電站、霞浦大規模風電+高占比核電等資源條件，提出打造寧德霞浦共享儲能運營與先進儲能技術實證示范區，著力在儲能運營新模式、核心新裝備、實證新平臺取得創新突破。