国内外配电前沿技术动态及发展

第36卷第6期中国电机工程学报Vol.36No.6Mar.20,201615522016年3月20日ProceedingsoftheCSEE©2016Chin.Soc.forElec.Eng.DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.06.011文章编号：0258-8013(2016)06-1552-16中图分类号：TM72国内外配电前沿技术动态及发展马钊1，安婷2，尚宇炜1(1．中国电力科学研究院，北京市海淀区100192；2．国网智能电网研究院，北京市昌平区102211)StateoftheArtandDevelopmentTrendsofPowerDistributionTechnologiesMAZhao1,ANTing2,SHANGYuwei1(1.ChinaElectricPowerResearchInstitute,HaidianDistrict,Beijing100192,China;2.StateGridSmartGridResearchInstitute,Beijing102211,China)ABSTRACT:Basedonthepresentstatus,keycutting-edgetechnologies,anddevelopmenttrendofpowerdistributionsystem,thispaperanalyzedthestateoftheartanddevelopmenttrendsofpowerdistributiontechnologies.Firstly,fromaspectsofsocialandeconomicmacro-comparison,percapitaloadindex,powersupplyreliability,etc.,thispaperbrieflycomparedandanalyzedthedifferencesbetweenthedomesticandinternationaldistributionnetworks,summarizestheexistingmajorproblemsinChina,andgivedcorrespondingsuggestionsforimprovement.Secondly,energyinternet,activedistributionsystem,energycyberphysicssystem,andotherkeypowerdistributiontechnologieswerediscussed.Foreachofthesetechnologies,thehotissuesinliterature,thedevelopmenttrendsinindustry,andthepotentialfocuspointforfutureresearchwerepresented.Finally,withtheintroductionofthelatestachievementsofCIGRESC6,thetrendsofdistributionsystemwerefurtherrefined,andthegeneraladviceforthetransformativeconstructionofpowerdistributionsystemwasprovided.KEYWORDS:energyinternet;activedistributionsystem;cyberphysicssystem;advancedmeteringinfrastructure;demandsidemanagement;energystorage;AC/DChybridpowerdistributionnetwork;assetmanagement;powerelectronicequipmentinterconnectingandnetworking;bigdata,cloudcomputing,deepmachinelearningandapplications摘要：从配电网的发展现状、关键新技术以及未来的发展趋势等方面，对国内外配电前沿技术动态及发展进行了探讨。首先，从社会、经济宏观比较人均负荷指标和供电可靠性等多方面指标，简要对比分析了国内外配电网的发展现状，总结了我国配电网存在的突出问题，并针对性地给出具体改进建议。其次，探讨了主动配电系统技术、能源互联网、能源信息物理系统等未来配电系统的关键新技术，总结了当前研究热点问题和产业发展动态，并展望了潜在的前沿问题。最后，结合CIGRESC6的最新动向，进一步提炼配电系统发基金项目：国家电网公司科技项目(EPRIPDKJ(2014)2863)。ProjectSupportedbyTechnologyProjectofSGCC(EPRIPDKJ(2014)2863).展趋势，提出配网改造建设的总体发展建议。关键词：能源互联网；主动配电系统技术；信息物理系统；高级量测体系；用户侧需求响应管理；储能技术；交直流混合配电技术；资产管理技术；电力电子网络化技术；大数据，云计算，深度机器学习应用0引言在能源改革和社会经济发展的大背景下，我国电力系统呈现出蓬勃发展的繁荣景象。国家战略层面提出的“能源革命”战略、“互联网＋”行动计划、“配电网建设改造”行动计划，以及正在大力推进实施的电力改革和新型工业化、城镇化建设等，为电网的变革和发展提供了重大机遇[1]。配电网作为经济和社会发展的重要基础设施，对实现智能电网和能源互联网战略目标起着关键作用[2]。近年来，我国在配电网建设方面的投入力度不断加大，并且取得了一定成绩。然而，当前配电网的职能和结构依然较为单一，配电自动化的总体覆盖率仅为20%左右，配网故障管理和自治自愈能力较弱，新能源接纳能力偏低。在基础设施建设方面，相比于输电网，配电设备老化、故障停电等问题突出，供电可靠性水平与国际先进水平差距较大，电能质量亟待提升。着眼于上述问题，“十三五”成为我国配电网大发展的关键时期，国家能源局于2015年8月31日发布“配电网建设改造行动计划(2015-2020年)”[1]，明确提出2015—2020年投资超过2万亿元、全面加快配网现代化建设，立即引起社会各界的广泛、高度关注。为了切实推进配电网建设改造，有必要首先厘清我国配电网与国际先进水平的具体差距、明确具体改进目标，进而着力解决相关薄弱环节问题。第6期马钊等：国内外配电前沿技术动态及发展1553在解决“短板”问题的同时，还应着眼于未来发展需求，积极研发、应用新技术，提升配电系统的供电能力，提升配电设备的能力，提升智能化水平。分布式资源(DER)的广泛应用，将促使配网兼容高渗透率的可再生能源，形成多维、非线性、随机的复杂大系统，然而传统配电网供方主导、单向辐射状供电的运行模式已无法适应上述要求，其设计理念和运行方式正在遭受严重挑战。采用何种理念，如何规划信息与物理电网高度融合的信息物理系统(cyberphysicssystem，CPS)，建设智能化、主动式的配电网络，是涉及电力、能源、IT等多个领域的复杂系统工程问题，也是学术界重点关注的热点和难点议题。因此，有必要紧跟学术界、产业界发展的最新动向，聚焦热点和关键技术问题，剖析其发展趋势。基于以上考虑，本文探讨了国内外配电前沿技术动态及发展情况。首先，从社会、经济总体比较，人均负荷指标，供电可靠性等指标，对国内外配电网的发展现状进行了比较、分析，旨在通过不同侧面反映我国配电网与国外配电网的差异不同和优缺点，与国际先进水平的主要差距，并针对性地提出具体改进建议。其次，探讨了主动配电系统技术、能源信息物理系统和新型电力电子设备等关键新技术，总结了当前研究重点和产业发展动态，并展望了配电前沿技术。限于篇幅，本文在论述中不追求面面俱到，而是有所侧重，希望加强业界不同领域之间的技术交流，为智能配电网的深入研究、推动相关技术商业化进程提供参考，以期形成合力、促进配电网的全面改造升级。最后，结合CIGRESC6最新动向，进一步提炼配电系统的发展趋势，并给出配网建设改造的总体发展建议。1国内外配电网及技术现状比较提供安全、可靠、优质、高效的电能服务是配电网的主要职责。分布式可再生能源(DER)及具有发用储一体化的新型柔性负荷的逐步渗透，使现代配电网具有离散型、动态性、非线性、多目标性和不确定性，成为典型的复杂大系统。为了综合反映国内外配电网现状，特别是我国配网与国际先进水平的差距，本文选取以下8个方面或指标进行对比、分析，包括：1）社会、经济总体比较；2）供电可靠性；3）配电网电压序列；4）配电网结构；5）配电网自动化水平；6）电动汽车充换电装置；7）国内外新能源发展特点对比；8）资产管理水平。1）社会、经济宏观比较。社会和经济的发展状态直接反应并指导配电网规划及建设。本文选取新型城镇化建设增速、人均年生活用电量这两项宏观指标进行分析。首先，在新型城镇化建设增速方面，我国当前常住人口城镇化率为52.57%。根据世界城市化一般规律，城市人口的比重接近或超过65%以后，中心城区的人口开始向郊区扩散。例如，美国2013年的城镇化率为85%。据此推测，我国城镇化空间较大；相应的，城镇配电网规划及建设有较大潜力。其次，在人均年生活用电量方面，以2011年为例，美国、加拿大人均用电量均超过4400千瓦时，法国、日本超过2000千瓦时，而我国人均年生活用电量为417千瓦时，约为美国的1/10左右。图1示出北京与新加坡、巴黎和东京4个城市在人均负荷方面的对比结果[3]。可以看出，北京市电力公司2010年人均负荷水平相当于东京80年代初期水平，2015年则接近巴黎2002年的水平。由此推算，我国人均用电量依然有较大增长空间，配电网规模化发展仍有较大潜力。负荷/kW04008001200160016671227850140612041299136311421990年东京1996年东京2010年东京2002年巴黎2010年北京2015年北京饱和年北京2006年新加坡图1北京、新加坡等4个城市人均负荷指标对比Fig.1ComparisonofaverageloadindexamongcitiesofBeijing,Singapore,TokyoandParis2）供电可靠性。以2014为例，我国10kV用户平均供电可靠率为99.940%，平均停电时间5.22小时/户。其中，城市(市中心+市区+城镇)用户平均供电可靠率为99.971%，年平均停电时间为2.59小时/户；农村用户平均供电可靠率为99.935%，年平均停电时间为5.72小时/户[4]。与国际先进水平进行对比，2011年新加坡供电可靠率达到99.999941%，平均停电时间为0.31min；2009年日本东京供电可靠率达到99.999619%，平均停电时间为2min；2010年英国平均每公里有0.228个网络事故，平均停电时间为70分钟/户[3,5]。据此可看出，我国供电可靠性提升空间和压力较大。图2给出未来五年我国配网供电1554中国电机工程学报第36卷可靠性提升的具体目标[1]。年份20142017202099.95%99.97%99.99%99.80%99.85%99.88%99.16%99.45%99.72%中心城市/区城镇乡村图2未来五年配网供电可靠性提升目标Fig.2Improvementgoalsofreliabilityindexinthecomingfiveyears3）配电网电压序列。配网电压序列与配网结构复杂性密切相关。经过长期发展，我国当前配电电压序列主要为110\35\10\0.4kV(主要大城市如北京、上海已有500kV进入市区)。在这一方面，国外一个主要趋势是对电压层级进行简化。以巴黎电网为例，其在20世纪60年代开始进行20kV电网升级改造，经过20多年发展，形成了400\225\20\0.4kV的4级电压等级序列。长期实践经验表明，与北京10kV中压配