本講重點介紹歐洲配電網(wǎng)智能化的各種應用場景，分別為：分布式可再生能源的接入、配電自動化、高級測量基礎設施、儲能、微電網(wǎng)、需求側和發(fā)電管理、分布式能源管理系統(tǒng)和虛擬電廠、電動汽車等。
智能配電網(wǎng)在全世界配電網(wǎng)的實際應用中已經(jīng)成為現(xiàn)實，而且為了鋪平歐洲(或者某一天乃至全世界)邁向低碳和可再生能源的未來之路，智能配電網(wǎng)將來還會成為一種強制性的安裝方式。智能配電網(wǎng)將有助于減少配電網(wǎng)的供電成本，因此使得整個能源供應系統(tǒng)進入到可再生的未來。
CIRED2013智能電網(wǎng)工作組在研究過程中，建成了一個數(shù)據(jù)庫，匯總了歐洲約15個國家的50多個智能電網(wǎng)項目。多數(shù)項目為國家或國際項目，一些為跨國合作，甚至歐盟范圍內(nèi)的合作項目。
應用場景之一：分布式可再生能源的集成
識別問題
在現(xiàn)代配電網(wǎng)中接入波動性的可再生能源(RES)和分布式資源(DER)，會給電網(wǎng)規(guī)劃和運行帶來許多挑戰(zhàn)。由于在設計時電網(wǎng)元件的容量選擇并沒有考慮到較高功率的潮流反送到電網(wǎng)的情況，電纜、架空線和配電變壓器的過載是一個嚴重的問題，由此會導致加強電網(wǎng)和確保供電安全性的投資需求增大。
確定目標
DER在接入配電網(wǎng)時應該達到以下目標：
(1)通過電網(wǎng)的智能運行和對主動設備、負荷和發(fā)電的控制，使得加強電網(wǎng)的投資最小化。
(2)確保供電質(zhì)量，使得客戶不會由于RES對供電質(zhì)量的沖擊而受影響。
(3)促使電力市場接入電網(wǎng)。如果RES不具有靈活性，就不應該承擔市場風險。電力市場需要適應電網(wǎng)的約束條件和拓撲結構。
主要功能
智能配電網(wǎng)技術解決方案的主要功能包括：
(1)改變電網(wǎng)結構和運行模式。
(2)采用需求側管理、可控發(fā)電機、電動汽車或分布式儲能設備來平衡本地負荷和發(fā)電功率，以及控制與中高壓電網(wǎng)之間的功率交換。
(3)控制可再生能源(DG)的發(fā)電功率。
(4)通過安裝主動元件以替代被動元件，來控制配電網(wǎng)電壓。
(5)在正常情況下，DSO將根據(jù)市場談判控制RES。在異?；蚓o急情況下，DSO應該完全控制RES。
(6)在多數(shù)案例下，應用信息通信技術(ICT)技術，包括集中或分散的智能化和決策算法。
預期收益及其相關利益者
為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定性，通過主動元件影響有功/無功潮流，可以減少甚至徹底消除設備過載和電壓越限的情況。因此，可以大大減少電網(wǎng)擴容和改造的投資需求。
相關利益者包括配電企業(yè)/DSO，客戶，電網(wǎng)所有者，市場。
應用場景之二：配電自動化
描述問題
由于智能配電網(wǎng)的各種功能，如智能表計、需求側管理、需求響應、DER接入以及即插式電動汽車(PEVs)，配電系統(tǒng)自動化對整個電力系統(tǒng)運行的高效和可靠越來越重要。
對配變站及環(huán)網(wǎng)單元(RMUs)的自動化、監(jiān)測、保護提出了更多的新要求。
確定目標
通過配電自動化，企業(yè)可以實現(xiàn)的主要目標是：
(1)對其配電系統(tǒng)的靈活控制，可用于提高供電的效率、可靠性和質(zhì)量。
(2)通過在電網(wǎng)中部署符合IEC標準的遙控功能，實現(xiàn)對網(wǎng)絡狀態(tài)的監(jiān)控以及測量值的通信，從而提高網(wǎng)絡的可觀性和可控性。
(3)可以提高故障或擾動的診斷和清除能力，以及提高采取措施恢復停電客戶的供電能力。
主要功能
(1)現(xiàn)場設備的實時監(jiān)控。
(2)網(wǎng)絡元件和主動元件的引入及其控制，如可調(diào)配電變壓器、重合器、發(fā)電單元的換流器、負荷等。
(3)二次設備和控制中心之間的雙向通信通道。
(4)采用帶后臺設備以及信息系統(tǒng)(如量測或保護設備)的現(xiàn)場設備。
配電自動化和配電管理的預期收益包括可靠性的提高、峰荷和設備負載水平的削減，以及管理分布式RES或電動汽車的能力提高等。所有這些收益將轉化為停電時間的減少以及停電客戶數(shù)量的最小化。
預期收益及其相關利益者
相關利益者包括配電企業(yè)，電網(wǎng)運營商和客戶。
應用場景之三：高級量測基礎設施
描述問題
配電公司注重研究開發(fā)先進量測基礎設施(AMI)，如，智能電能表和量測數(shù)據(jù)管理，以便實施需求側管理、客戶需求側響應，分布式發(fā)電的集中控制，以及作為實施動態(tài)電價解決方案的主要機制。
AMI使得配電網(wǎng)運營商能夠優(yōu)化關鍵的過程，為其客戶(供電商以及消費者)提供新的服務和數(shù)據(jù)。
確定目標
安裝智能電能表和高級量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)應實現(xiàn)達到以下目標：
(1)自動的客戶處理過程(計費，電價變更，數(shù)據(jù)采集等)。
(2)實施各種電價模型和采集輸出/輸入的無功電量數(shù)據(jù)。
(3)記錄各種一次設備(如各段線路和變壓器)的利用率，以便優(yōu)化維修的時間間隔，優(yōu)化線路損耗(如通過改變開/斷點)，獲取電網(wǎng)擴展規(guī)劃的附加數(shù)據(jù)。
(4)通過獲取和診斷誤差信息，最小化DG的停機時間。
(5)有利于在配電網(wǎng)中接入小型DG，可滿足自動化和計費的要求。
(6)在供電點(電能表處)記錄和文檔化對客戶的供電情況，可用于電網(wǎng)規(guī)劃的依據(jù);支持故障管理和清除電網(wǎng)中的故障事件。
主要功能
作為高級量測數(shù)據(jù)管理的完整解決方案，必須將所必需的硬件和軟件結合，主要包括以下功能：
(1)獲取用于費率和特殊合同客戶的電能消費的所有數(shù)據(jù)。
(2)對客戶負荷遠控和切換的可能性(如果在服務合同中已經(jīng)達成協(xié)定)。
(3)對供電質(zhì)量進行記錄和文檔化(計量電壓偏差、短期失效、長期失效、電能質(zhì)量等)。
(4)建成對不同企業(yè)計量(供氣、小區(qū)供熱和供水)以及其他服務(家庭自動化)的開放平臺。
(5)記錄終端設備(如電能表)未經(jīng)授權的用電和操作。
(6)配變站、RMUs和配電網(wǎng)基礎設施的遙控。
(7)直接連接到低壓電網(wǎng)上的單相和三相電能表;有功/無功的電量和功率的測量(消費和生產(chǎn));多電價和雙電價結構同時運行的能力;負荷曲線;最大需求登記;功率控制管理，可遠程修改最大需求閥值和開合電源;需求側管理;事件記錄和報警管理;防竊電檢測;供電服務記錄。
(8)鏈接到室內(nèi)設備通信的局域通信接口。
預期收益及其相關利益者
安裝智能電能表和高級量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，應實現(xiàn)以下功能：
(1)客戶自動化處理過程(計費、電價變更、數(shù)據(jù)采集等)。
(2)實施多電價模型和采集輸出/輸入的無功電量數(shù)據(jù)。
(3)記錄各種一次設備如每段線路和變壓器的利用率，以便在開展電網(wǎng)擴展規(guī)劃時，優(yōu)化維修間隔，最小化線路損耗(如通過移動開/斷點)，獲取擴展規(guī)劃的附加數(shù)據(jù)。
(4)通過獲取故障水平和診斷故障最小化停機時間。
(5)在配電網(wǎng)中集成小型、分散的發(fā)電廠，用于計費和自動化的目的。
(6)在供電位置(電能表)記錄和文檔化客戶的供電情況，可用于提供依據(jù)以及用于電網(wǎng)規(guī)劃。
(7)支持故障管理和清除電網(wǎng)中的故障事件。
相關利益者包括網(wǎng)絡運營商，客戶，發(fā)電商和能源交易商。
應用場景之四：儲能
描述問題
大規(guī)模RES的應用給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來了新挑戰(zhàn)，配電網(wǎng)運營商面臨的挑戰(zhàn)是：提供足夠的平衡功率以確保持續(xù)的高質(zhì)量供電。
在工業(yè)用戶電網(wǎng)中，實現(xiàn)節(jié)能的過程和減少能源消耗的成本十分重要。
確定目標
應用儲能裝置于配電系統(tǒng)應該達到下列目標：
(1)參與電量和功率的一次控制市場。
(2)儲能在一些輔助服務(如負荷轉移、本地電壓控制和一次調(diào)頻控制)中用作發(fā)電機。
(3)影響配電網(wǎng)的有功潮流和電壓性能，使得加強電網(wǎng)基礎設施所需的投資最小化。
(4)協(xié)助從公共電網(wǎng)中斷開后的孤網(wǎng)運行和工業(yè)用戶電網(wǎng)的暫時性孤島運行。
(5)提升供電可靠性和安全性。
(6)削減暫時性的峰荷。
主要功能
不同的儲能設備可以安裝在中壓網(wǎng)和低壓網(wǎng)中，主要包括以下功能：
(1)改變有功潮流，限制設備的負載水平。
(2)提供無功支撐和電壓控制。
(3)平衡負荷和發(fā)電，以實現(xiàn)電網(wǎng)之間功率交換達到預測值，或使得微電網(wǎng)能夠孤網(wǎng)運行。
(4)參與電量和功率的一次控制市場。
(5)作為虛擬電廠(VPP)和配電能源管理系統(tǒng)(DEMS)的重要組成部分。
(6)儲能具有黑啟動能力。
(7)電動汽車可以用作儲能及發(fā)電機。V2G(電動汽車接入電網(wǎng))方案中，除了充電之外，也可集中控制向電網(wǎng)釋放功率;電動汽車具有負荷轉移和一次調(diào)頻的能力。
預期收益及其相關利益者
相關利益者包括企業(yè)/DSO，客戶，能源交易商。
應用場景之五：微電網(wǎng)
描述問題
在微電網(wǎng)中，發(fā)電單元的容量一般為千瓦至兆瓦級別。安裝的同步發(fā)電機一般為柴油動力發(fā)電，通常與儲能設備一起安裝。
確定目標
實現(xiàn)微電網(wǎng)的目標包括：獨立于(弱聯(lián)系的)公用電網(wǎng)的電網(wǎng)運行;不具備公用電網(wǎng)連接情況下或農(nóng)村區(qū)域的的孤網(wǎng)運行;使得供電成本最小化，尤其在偏遠地區(qū)或孤島情況下;較少對化石燃料如柴油或燃氣的依賴性;減少CO2排放。
主要功能
微電網(wǎng)通常分為四種類型：電力企業(yè)微電網(wǎng)、工業(yè)微電網(wǎng)、軍用微電網(wǎng)、院校微電網(wǎng)。主要包括以下功能：
(1)微電網(wǎng)有兩種運行模式：孤網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行。
(2)具有大量可再生能源資源的國家和各州可將大量RES接入其電力系統(tǒng)中。
(3)發(fā)電波動性和脫網(wǎng)可能性是微電網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)，它們會影響潮流、短路水平、系統(tǒng)動態(tài)特性，保護協(xié)調(diào)性、系統(tǒng)可靠性以及在大量換流器接入電網(wǎng)后的諧波問題。發(fā)電波動性可以由儲能設備來平衡。此外，通信可提高系統(tǒng)可靠性。
(4)在大系統(tǒng)停電后，微電網(wǎng)可與大系統(tǒng)快速隔離，以確保自身的可靠供電;作為主要電源的柴油發(fā)電機通?？梢灾苯雍趩樱虼艘部梢约涌旃╇娀謴?。
預期收益及其相關利益者
自主控制和分布式結構可以改善可用性，但是由于需要在系統(tǒng)優(yōu)化運行和獨立元件優(yōu)化運行之間有所權衡，能源/電源的效率可能會降低。
相關利益者包括：不接入電力企業(yè)電網(wǎng)的孤島和區(qū)域的DSO，工業(yè)客戶和系統(tǒng)運營商，軍隊和院校電網(wǎng)。
應用場景之六：需求響應和發(fā)電管理
描述問題
在參與者為大型工業(yè)或商業(yè)客戶的情況下，可通過控制自身的消費從而節(jié)約能源消耗成本，或者客戶可以有選擇性的允許電力企業(yè)使用他們的部分負荷作為可控負荷，從而獲得更為優(yōu)惠的電價。發(fā)電方可暫時降低出力。
確定目標
需求響應的目標包括：減少能源成本;減少設備載荷水平;減少改造電網(wǎng)的投資需求;提高電能質(zhì)量;提高供電可靠性;提高供電安全性;提高系統(tǒng)效率。
主要功能
可應用的技術和解決方案，主要功能如下：
(1)分布式儲能設備用于平衡本地負荷和發(fā)電，也可控制所連接的高中壓電網(wǎng)之間功率交換。
(2)使用可控的家用智能電器。
(3)基于動態(tài)電價信號的需求側響應。
配電系統(tǒng)將持續(xù)增加部署用于管理DER的分布式能量管理系統(tǒng)(DEMS)(包括可控的發(fā)電廠和VPP)。
客戶的需求側響應可選擇以下功能：
(1)人工：客戶觀察電價(如顯示的電價)，做出轉移電能消費的決策。
(2)自動：通過技術信號以及基于與供電方的協(xié)議，自動轉移電能消費。例如：當電價達到一定水平時，客戶可以決定其電能消費轉移到另一時間段。
此外，在有遠程控制需求的多數(shù)場合中，必須應用信息與通信技術(ICT)。
預期收益及其相關利益者
DR的目標在于：電網(wǎng)受約束時允許客戶對電價或數(shù)量信號進行響應，以及能源成本較高時減少電量消耗。
需求側響應和發(fā)電管理(以及需求側管理)可帶來的收益包括：
(1)客戶側：提高認知度、節(jié)約電量和電力;提高個性化負荷和靈活負荷合同的參與度和經(jīng)濟效益。
(2)供電側：為客戶提供新產(chǎn)品和新服務;提高平衡和增值的機會。
(3)電網(wǎng)側：優(yōu)化電網(wǎng)新設備的使用和投資，減輕各方面的壓力;提高電網(wǎng)性能。
(4)發(fā)電側：降低對峰荷電廠投資的需求;減少RES接入后所需的備用容量;投資組合多樣化。
相關利益者包括企業(yè)/運營商，客戶，能源交易商。
應用場景之七：分布式能源管理系統(tǒng)和虛擬電廠
描述問題
隨著能源市場的自由化，分布式電源、供熱和供冷變得越來越重要，而這些能源生產(chǎn)靠近客戶，具有其經(jīng)濟和生態(tài)效益。
為了整合不同燃料、不同地點和不同業(yè)主的發(fā)電站及其技術和經(jīng)濟的協(xié)同效益，可以把分布式能源資源整合為VPPs，這將會產(chǎn)生一個接口界面(現(xiàn)在尚不存在)，從而提供多種輔助服務(如平衡功率和頻率控制)，同時作為大型集中式發(fā)電廠的一種替代方案，可以提高在儲備市場中的競爭力。
確定目標
(1)通過為系統(tǒng)元件之間提供合適的接口，提高系統(tǒng)運營商和其他市場參與者對DER的可觀性和可控性。
(2)VPP可由高級能源管理系統(tǒng)(允許預測、計劃和控制其輸出電量)進行監(jiān)視和控制。
(3)為了提高整個能源系統(tǒng)的整體效率，這些發(fā)電單元可以供、熱供冷以及供電。它們也可以基于可再生電源。
(4)VVP的一些方法包括儲能單元和需求側接入，可以使制定調(diào)度計劃時獲得最高收益，同時在大量可再生電源的情況下維持調(diào)度計劃。
(5)DSO的任務是設置基礎設施，從而為生產(chǎn)商、消費者、“產(chǎn)消者”、能源供應商和其他服務提供商提供更先進的工具管理他們的電網(wǎng)，以滿足開放的市場要求。
(6)RES的市場接入和RES在系統(tǒng)安全性中的參與包括DG/RES提供的(部分)輔助服務。
主要功能
虛擬電廠的運行需要包括以下技術裝備及主要功能：
(1)1套能源管理系統(tǒng)，可監(jiān)控、計劃和優(yōu)化“分散的發(fā)電單元”的運行。
(2)1套負荷和可再生能源發(fā)電單元的預測系統(tǒng)，包括RES的天氣預報[短期預測(小時到7天)]。
(3)1套能量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可收集和保存優(yōu)化和預測所需的數(shù)據(jù)，例如，發(fā)電曲線和負荷分布曲線，以及客戶合同的數(shù)據(jù)。
(4)1套對分散的發(fā)電單元進行管理的、強大和雙向通信的能源管理系統(tǒng)。
(5)DSO需要預先獲知DG預測、啟停計劃和調(diào)度計劃，可以預先對網(wǎng)絡進行分段和調(diào)整調(diào)節(jié)設置點。系統(tǒng)運營商(TSO)控制DG所接入的配電網(wǎng)的有功。DSO應控制配電系統(tǒng)的電壓設置點和無功調(diào)度(主動控制電壓、功率因數(shù)、Q)。
(6)增加電網(wǎng)改造的需求，以適應新的DG接入。
預期收益及其相關利益者
虛擬電廠的收益主要有：增加配電網(wǎng)運營商對DG的可觀性;改進RES的預測精度，從而降低用于平衡負荷和發(fā)電的成本;由于考慮了整合不同的小型可控能源和不可控能源的發(fā)電/負荷預測，提高了VPP的可控性;為DER提供了新的商業(yè)領域并改進了市場準入性。
相關利益者包括企業(yè)/運行人員，DER所有者，能源交易商。
應用場景之八：電動汽車
描述問題
在未來，預期電動汽車和混合動力汽車[如電力汽車(BEVs)和即插式混合動力汽車(PHEVs)]將逐步取代內(nèi)燃機汽車?，F(xiàn)有配電網(wǎng)的設計并沒有考慮大量電動汽車負荷的接入。
不斷增加的負荷導致配電網(wǎng)中的元件過載以及產(chǎn)生較大的電壓降，將會對電能質(zhì)量和附近的客戶產(chǎn)生負面影響。因此，有必要提高電網(wǎng)擴展和改造的投資以加強配電網(wǎng)。
確定目標
智能電網(wǎng)解決方案和技術的目標在于：增加可以接入現(xiàn)有配電網(wǎng)的電動汽車的數(shù)量;減少電網(wǎng)改造投資;確保足夠的電能質(zhì)量。
主要功能
除了改變系統(tǒng)結構和擴展網(wǎng)絡之外，大量智能策略可用于影響電動汽車充電過程。以下為一些主要功能：
(1)在過載情況下限制充電功率。
(2)基于企業(yè)外部的電價信號進行充電。
(3)控制充電過程以滿足DER發(fā)電情況下的需求。
(4)電動汽車并網(wǎng)(V2G)：電動汽車可與電網(wǎng)通信和與電力企業(yè)(銷售需求響應的相關服務)通信，通過對電網(wǎng)放電或必要時限制電動汽車的充電功率。電動汽車也具有負荷轉移和一次調(diào)頻的能力。
電動汽車的接入與市場的互操作性、投資回收周期、以及配電實時運行相關。在上述應用情況中，都必須采用ICT技術。
預期收益及其相關利益者
相關利益者包括企業(yè)/運行人員，EV所有權者，能源交易商。
本講座介紹了歐洲配電網(wǎng)智能化應用場景的種類及其解決方案，并總結了每種應用場景的典型功能。在歐洲電網(wǎng)智能化的驅(qū)動力下，通過采用多種智能化技術，歐洲的中低壓配電網(wǎng)在智能化的道路上邁進。
希望能對我國智能配電網(wǎng)項目的實施有所借鑒，使得智能配電網(wǎng)項目的邊界條件更為清晰、目標更為明確、功能和技術方案的技術經(jīng)濟更為可行，利益相關者能夠達到共贏。
作者簡介：
范明天，博士，教授，研究領域為城市電網(wǎng)規(guī)劃、城市電網(wǎng)應急管理、配電自動化規(guī)劃、優(yōu)化計算方法等。
曹其鵬，本科，研究方向為電網(wǎng)的需求側響應。
張祖平，碩士，教授，研究領域為電力系統(tǒng)規(guī)劃運行分析、電力系統(tǒng)分析數(shù)學模型及計算方法、特高壓大電網(wǎng)關鍵技術、城市電網(wǎng)規(guī)劃方法等。
張毅威，博士，副教授，研究領域為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、智能配電網(wǎng)。
