案例使用说明书：分布式能源与智能配电网技术应用教学实例一、教学目的与用途1.本案例主要适用于《智能电网技术及其工程应用》课程。2.本案例的适用对象是能源动力专业学位研究生。3.本次案例教学目的在于通过讲解分布式能源和智能配电网技术在我国坚强智能电网发展中的重要作用，提升研究生的工程思维和创新精神，提高研究生的工程素养与自主创新能力；了解我国分布式能源技术、智能配电网的组成与功能特征等、智能配电网中的关键技术、智能配电网的智能设备以及分布式能源接入智能配电网的关键性问题等；通过讲解智能配电装备应用引导学生建立工程思维以及工程创新思维。通过讲解分布式能源和智能配电网技术在我国坚强智能电网发展中的重要作用，提升研究生的工程思维和创新精神，提高研究生的工程素养与自主创新能力。二、分析思路教师可以根据自己的教学目标灵活使用该案例，这里提及的：“智能配电网的重要性、组成、建设目标与功能特征知识讲授一智能配电网面临的新的发展需求知识讲解一智能配电网中的关键技术与智能设备知识讲解一分布式能源接入智能配电网的关键性问题”的分析思路仅大家参考灵活应用，具体如下：首先，教师根据第一部分介绍建设智能配电网的重要性、第二部分智能配电网的组成、建设目标与功能，在分布式能源接入、低碳经济、供电可靠性、高电能质量、经济发展、防灾减灾等多个方面的背景下，智能配电网的建设面临新的发展需求。让学生了解智能配电网技术，进而引导出智能配电网涉及到的关键技术与智能设备应用以及分布式能源接入智能配电网的关键性问题。其次，根据案例的第四部分智能配电网的关键技术知识讲解，主要涉及到分布式自愈、微网技术、虚拟发电厂、定制电力技术以及高级配电自动化。然后，根据案例第五部分内容智能配电网的智能设备知识讲解，介绍智能配电网的智能设备应用。最后，根据第六部分内容的分布式能源接入智能配电网的关键性问题知识讲解，介绍分布式能源接入智能配电网的必要性；讲解智能配电网中分布式电源接入的关键114 /116
1 案例使用说明书： 分布式能源与智能配电网技术应用教学实例 一、教学目的与用途 1. 本案例主要适用于《智能电网技术及其工程应用》课程。 2. 本案例的适用对象是能源动力专业学位研究生。 3. 本次案例教学目的在于通过讲解分布式能源和智能配电网技术在我国坚强智能电网 发展中的重要作用，提升研究生的工程思维和创新精神，提高研究生的工程素养与自主 创新能力；了解我国分布式能源技术、智能配电网的组成与功能特征等、智能配电网中 的关键技术、智能配电网的智能设备以及分布式能源接入智能配电网的关键性问题等； 通过讲解智能配电装备应用引导学生建立工程思维以及工程创新思维。通过讲解分布式 能源和智能配电网技术在我国坚强智能电网发展中的重要作用，提升研究生的工程思维 和创新精神，提高研究生的工程素养与自主创新能力。 二、分析思路 教师可以根据自己的教学目标灵活使用该案例，这里提及的：“智能配电网的重要 性、组成、建设目标与功能特征知识讲授—智能配电网面临的新的发展需求知识讲解— 智能配电网中的关键技术与智能设备知识讲解—分布式能源接入智能配电网的关键性 问题”的分析思路仅大家参考灵活应用，具体如下： 首先，教师根据第一部分介绍建设智能配电网的重要性、第二部分智能配电网的组 成、建设目标与功能，在分布式能源接入、低碳经济、供电可靠性、高电能质量、经济 发展、防灾减灾等多个方面的背景下，智能配电网的建设面临新的发展需求。让学生了 解智能配电网技术，进而引导出智能配电网涉及到的关键技术与智能设备应用以及分 布式能源接入智能配电网的关键性问题。 其次，根据案例的第四部分智能配电网的关键技术知识讲解，主要涉及到分布式 自愈、微网技术、虚拟发电厂、定制电力技术以及高级配电自动化。 然后，根据案例第五部分内容智能配电网的智能设备知识讲解，介绍智能配电网 的智能设备应用。 最后，根据第六部分内容的分布式能源接入智能配电网的关键性问题知识讲解， 介绍分布式能源接入智能配电网的必要性；讲解智能配电网中分布式电源接入的关键 14／116
问题与对策，主要包括配电网的控制与保护、配电网能量输出的优化调度、配电网需求互动响应优化与配电网的电能质量检测与治理。三、概念依据与关键要点3.1概念依据1、智能配电网组成与功能特征智能配电网的组成主要包括：1）能量与通讯系统集成。它是开放式的、基于标准的架构，集成了数据通讯网络和智能设备，用于支持未来的电力交换系统；2）分布式电源。分布式电源的建设可以提高效率和降低成本，分布式电源的辅助服务是对电网的支持3）传感、检测和支持智能配电网的高级量测系统。包括智能化变电站监视：配电系统的高级（下一代）传感器；支持智能配电网的高级量测系统。4）用户入口。电网、用户双向交流的大门：包括为用户提供更多的选择、服务和增值：通过自动读表、电能质量检测、远程控制和诊断方面的技术革新，帮助电力公司管理需求增长；在新一代的智能设备和高级服务之间实现信息共享；负荷控制；全系统性能监视和状态估计的负荷监视；能量管理：分布式电源的界面和控制；电能质量/功率因数/电压控制；维修管理。与传统的配电网相比，智能配电网(SmartDistributionGrid,SDG)具有以下功能特征。1）自愈能力。指SDG能够及时检测出已发生或正在发生的故障并进行相应的纠正性操作，使其不影响对用户的正常供电或将其影响降至最小自愈主要是解决“供电不间断”的问题，是对供电可靠性概念的发展，其内涵要大于供电可靠性。例如目前的供电可靠性管理不计及一些持续时间较短的断电，但这些供电短时中断往往都会使一些敏感的高科技设备损坏或长时问停运。2）具有更高的安全性。SDG能够很好地抵御战争攻击、恐怖袭击与自然灾害的破坏，避免出现大面积停电：能够将外部破坏限制在一定范围内，保障重要用户的正常供电。3）提供更高的电能质量。SDG实时监测并控制电能质量，使电压有效值和波形符合用户的要求，即能够保证用户设备的正常运行并且不影响其使用寿命。4）支持分布式电源的大量接入。这是SDG区别于传统配电网的重要特征.在SDG里，不再像传统电网那样，被动地硬性限制分布式电源接人点与容量，而是从有利于可再生能源足额上网、节省整体投资出发，积极地接人分布式电源并发挥其作用.通过保护控制的自适应以及系统接口的标准化，支持分布式电源的“即插即用”通过分布式电源的优化调度，实现对各种能源的优化利用。5）支持与用户互动。与用户互动也是SDG区别于传统配电网的重要特征之一主要体现在两个方面：一是应用智能电能表，215/116
2 问题与对策，主要包括配电网的控制与保护、配电网能量输出的优化调度、配电网需 求互动响应优化与配电网的电能质量检测与治理。 三、概念依据与关键要点 3.1 概念依据 1、智能配电网组成与功能特征 智能配电网的组成主要包括：1）能量与通讯系统集成。它是开放式的、基于标准 的架构，集成了数据通讯网络和智能设备，用于支持未来的电力交换系统；2）分布式 电源。分布式电源的建设可以提高效率和降低成本;分布式电源的辅助服务是对电网的 支持；3）传感、检测和支持智能配电网的高级量测系统。包括智能化变电站监视;配电 系统的高级(下一代)传感器;支持智能配电网的高级量测系统。4）用户入口。电网、用 户双向交流的大门：包括为用户提供更多的选择、服务和增值；通过自动读表、电能质 量检测、远程控制和诊断方面的技术革新，帮助电力公司管理需求增长；在新一代的智 能设备和高级服务之间实现信息共享；负荷控制；全系统性能监视和状态估计的负荷监 视；能量管理：分布式电源的界面和控制；电能质量/功率因数/电压控制；维修管理。 与传统的配电网相比，智能配电网(Smart Distribution Grid, SDG)具有以下功能特征。 1）自愈能力。指 SDG 能够及时检测出已发生或正在发生的故障并进行相应的纠正性操 作，使其不影响对用户的正常供电或将其影响降至最小.自愈主要是解决“供电不间断” 的问题，是对供电可靠性概念的发展，其内涵要大于供电可靠性。例如目前的供电可靠 性管理不计及一些持续时间较短的断电，但这些供电短时中断往往都会使一些敏感的高 科技设备损坏或长时问停运。2）具有更高的安全性。SDG 能够很好地抵御战争攻击、 恐怖袭击与自然灾害的破坏，避免出现大面积停电;能够将外部破坏限制在一定范围内， 保障重要用户的正常供电。3）提供更高的电能质量。SDG 实时监测并控制电能质量， 使电压有效值和波形符合用户的要求，即能够保证用户设备的正常运行并且不影响其使 用寿命。4）支持分布式电源的大量接入。这是 SDG 区别于传统配电网的重要特征.在 SDG 里，不再像传统电网那样，被动地硬性限制分布式电源接人点与容量，而是从有利 于可再生能源足额上网、节省整体投资出发，积极地接人分布式电源并发挥其作用.通 过保护控制的自适应以及系统接口的标准化，支持分布式电源的“即插即用”.通过分布 式电源的优化调度，实现对各种能源的优化利用。5）支持与用户互动。与用户互动也 是 SDG 区别于传统配电网的重要特征之一主要体现在两个方面:一是应用智能电能表， 15／116
实行分时电价、动态实时电价，让用户自行选择用电时段，在节省电费的同时，为降低电网高峰负荷作贡献；二是允许并积极创造条件让拥有分布式电源（包括电动车）的用户在用电高峰时向电网送电。6）对配电网及其设备进行可视化管理。SDG全面采集配电网及其设备的实时运行数据以及电能质量扰动、故障停电等数据，为运行人员提供高级的图形界面，使其能够全面掌握电网及其设备的运行状态，克服目前配电网因“盲管”造成的反应速度慢、效率低下问题.对电网运行状态进行在线诊断与风险分析，为运行人员进行调度决策提供技术支持。7）更高的资产利用率。SDG实时监测电网设备温度、绝缘水平、安全裕度等，在保证安全的前提下增加传输功率，提高系统容量利用率；通过对潮流分布的优化，减少线损，进一步提高运行效率：在线监测并诊断设计的运行状态，实施状态检修，以延长设备使用寿命。8）配电管理与用电管理的信息化。SDG将配电网实时运行与离线管理数据高度融合、深度集成，实现设备管理、检修管理、停电管理以及用电管理的信息化2、智能配电网关键技术分布式自愈。自愈含义。故障预防：在线监视与诊断电网运行状态，及时发现并消除事故隐患。故障恢复：故障发生后，快速切除并隔离故障，避免影响电网的安全运行与供电质量，或将故障的影响降至最小。自愈的衡量标准。不影响配电网安全运行，避免或减少用户的故障损失。故障自愈的作用。提高供电质量，减少停电次数（包括短时停电次数），减少停电时间，减少电压骤降影响配电网故障自愈控制研究内容。1）在线监测。故障预警。2）小电流接地故障自愈控制。接地电流自动补偿，故障选线与定位。3）短路故障自愈控制。继电保护：切除故障元件。馈线自动化：故障定位、故障隔离与自动恢复供电。计划孤岛/微网供电微网技术。微网（MicroGrid）：指接有分布式电源的配电子系统。独立型，并网型：既可并网运行亦可独立运行。微网是一个预先设计好的孤岛，能够在主网脱离后正常运行。微网的作用。1）提高供电可靠性。2）更好地发挥分布式电源（分布式发电与储能装置）的作用。3）更好地进行需求侧管理。虚拟发电厂。虚拟发电厂的概念。微观角度：虚拟发电厂是通过先进信息通信技术和软件技术，实现分布式电源的聚合和协调优化，作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。宏观角度：虚拟发电厂在电力系统和市场中充当类传统电厂的角色。一个虚拟发电厂可以由不同类型发电机组成，如风力涡轮机发电机、太阳能316/116
3 实行分时电价、动态实时电价，让用户自行选择用电时段，在节省电费的同时，为降低 电网高峰负荷作贡献;二是允许并积极创造条件让拥有分布式电源(包括电动车)的用户 在用电高峰时向电网送电。6）对配电网及其设备进行可视化管理。SDG 全面采集配电 网及其设备的实时运行数据以及电能质量扰动、故障停电等数据，为运行人员提供高级 的图形界面，使其能够全面掌握电网及其设备的运行状态，克服目前配电网因“盲管”造 成的反应速度慢、效率低下问题.对电网运行状态进行在线诊断与风险分析，为运行人 员进行调度决策提供技术支持。7）更高的资产利用率。SDG 实时监测电网设备温度、 绝缘水平、安全裕度等，在保证安全的前提下增加传输功率，提高系统容量利用率；通 过对潮流分布的优化，减少线损，进一步提高运行效率;在线监测并诊断设计的运行状 态，实施状态检修，以延长设备使用寿命。8）配电管理与用电管理的信息化。SDG 将 配电网实时运行与离线管理数据高度融合、深度集成，实现设备管理、检修管理、停电 管理以及用电管理的信息化。 2、智能配电网关键技术 分布式自愈。自愈含义。故障预防：在线监视与诊断电网运行状态，及时发现并消 除事故隐患。故障恢复：故障发生后，快速切除并隔离故障，避免影响电网的安全运行 与供电质量，或将故障的影响降至最小。自愈的衡量标准。不影响配电网安全运行，避 免或减少用户的故障损失。故障自愈的作用。提高供电质量，减少停电次数（包括短时 停电次数)，减少停电时间，减少电压骤降影响配电网故障自愈控制研究内容。1）在线 监测。故障预警。2）小电流接地故障自愈控制。接地电流自动补偿，故障选线与定位。 3）短路故障自愈控制。继电保护：切除故障元件。馈线自动化：故障定位、故障隔离 与自动恢复供电。计划孤岛/微网供电 微网技术。微网（Micro Grid）：指接有分布式电源的配电子系统。独立型，并网 型：既可并网运行亦可独立运行。微网是一个预先设计好的孤岛，能够在主网脱离后正 常运行。微网的作用。1）提高供电可靠性。2）更好地发挥分布式电源（分布式发电与 储能装置）的作用。3）更好地进行需求侧管理。 虚拟发电厂。虚拟发电厂的概念。微观角度：虚拟发电厂是通过先进信息通信技术 和软件技术，实现分布式电源的聚合和协调优化，作为一个特殊电厂参与电力市场和电 网运行的电源协调管理系统。宏观角度：虚拟发电厂在电力系统和市场中充当类传统电 厂的角色。一个虚拟发电厂可以由不同类型发电机组成，如风力涡轮机发电机、太阳能 16／116
电池、水力发电站以及生物质供能的热电混合站等，但它的调度对象主要是可随时启动并且功率可调节的分布式电源，如热电联产微型燃气轮机、应急供电柴油发电机组以及各种分布式电源等。对于风能、太阳能发电等可再生能源发电来说，其输出具有不确定性，且一般需要在具备条件时让其足额发电，因此不能对其进行有效地调度。定制电力技术。定制电力技术产生的背景如图3所示。定制电力技术解决的问题主要有：1）无功补偿。2）谐波抑制。3）电压暂态故障及中断。高级配电自动化。高级配电自动化主要包括以下内容：1）系统的监视与控制。2）配电系统管理功能。3）与用户的交互(如负荷管理、量测和实时定价)。3、分布式能源接入智能配电网关键性问题智能配电网所要求的技术指标主要如下：配电数据采集与监控自动化（SCADA）、馈线自动化（feederautomation，FA）、变电站自动化（substationautomation，SA）和配电管理自动化（distributionmanagementautomation，SDA）。智能配电网以实现分布式能源的经济安全接入并发挥各地方的最大潜力为目标。为了实现该目标，需要解决智能配电网下的一系列关键问题，包括配电网运行的控制与保护、配电网能量输出的优化调度、优化需求互动响应和配电网电能质量检测与治理等多个方面。1）配电网的控制与保护。频率与电压的稳定性问题。分布式清洁能源的离网与接入甚至是微小扰动都会造成配电网的电压波动，保证配电系统在不同工况和运行模式下频率和电压的稳定是加强智能电网的首要任务。运行模式的自动切换。智能电网一般具有联网运行和独立运行两种模式，不同模式切换时由于电气量的迅速变化，容易造成解列等问题。因此，需要将模式切换时的工作重心放在故障筛查上，以稳定完成自同期并网和解列的关键性操作技术。2）配电网能量输出的优化调度。集中式调度法。智能配电网的主要任务便是调度大量的资源，对于传统的集中式调度法而言，协调无处不在的海量分布式资源是一项非常艰巨的任务，因为它面临着几项技术难题和制度的障碍，包括：①随着用户数增加而显著增加的维数导致的计算困难和计算成本的提高；②随着规模增加而导致的区域和调度中心之间沉重的通信负担；③要以高保真度维护整个系统的数据十分困难；④无法进行区域级别的独立操作；③集中式优化算法需要知道每个消费者的隐私细节，这使得保护消费者隐私在信息不对称的情况下很难实现。分布式调度法。与集中式调度法相比分布式优化调度只需要少量的用户信息，更易于保护消费者的个人隐私。此外，分布式417/116
4 电池、水力发电站以及生物质供能的热电混合站等，但它的调度对象主要是可随时启动 并且功率可调节的分布式电源，如热电联产微型燃气轮机、应急供电柴油发电机组以及 各种分布式电源等。对于风能、太阳能发电等可再生能源发电来说，其输出具有不确定 性，且一般需要在具备条件时让其足额发电，因此不能对其进行有效地调度。 定制电力技术。定制电力技术产生的背景如图 3 所示。定制电力技术解决的问题主 要有：1）无功补偿。2）谐波抑制。3）电压暂态故障及中断。 高级配电自动化。高级配电自动化主要包括以下内容：1）系统的监视与控制。2） 配电系统管理功能。3）与用户的交互(如负荷管理、量测和实时定价)。 3、分布式能源接入智能配电网关键性问题 智能配电网所要求的技术指标主要如下：配电数据采集与监控自动化（SCADA）、 馈线自动化（feeder automation，FA）、变电站自动化（substation automation，SA）和 配电管理自动化（distribution management automation，SDA）。智能配电网以实现分布 式能源的经济安全接入并发挥各地方的最大潜力为目标。为了实现该目标，需要解决智 能配电网下的一系列关键问题，包括配电网运行的控制与保护、配电网能量输出的优化 调度、优化需求互动响应和配电网电能质量检测与治理等多个方面。 1）配电网的控制与保护。频率与电压的稳定性问题。分布式清洁能源的离网与接 入甚至是微小扰动都会造成配电网的电压波动，保证配电系统在不同工况和运行模式下 频率和电压的稳定是加强智能电网的首要任务。运行模式的自动切换。智能电网一般具 有联网运行和独立运行两种模式，不同模式切换时由于电气量的迅速变化，容易造成解 列等问题。因此，需要将模式切换时的工作重心放在故障筛查上，以稳定完成自同期并 网和解列的关键性操作技术。 2）配电网能量输出的优化调度。集中式调度法。智能配电网的主要任务便是调度 大量的资源，对于传统的集中式调度法而言，协调无处不在的海量分布式资源是一项非 常艰巨的任务，因为它面临着几项技术难题和制度的障碍，包括：①随着用户数增加而 显著增加的维数导致的计算困难和计算成本的提高；②随着规模增加而导致的区域和调 度中心之间沉重的通信负担；③要以高保真度维护整个系统的数据十分困难；④无法进 行区域级别的独立操作；⑤集中式优化算法需要知道每个消费者的隐私细节，这使得保 护消费者隐私在信息不对称的情况下很难实现。分布式调度法。与集中式调度法相比， 分布式优化调度只需要少量的用户信息，更易于保护消费者的个人隐私。此外，分布式 17／116
优化调度可以将大规模的消费者集群模型分解成一系列的子问题，随后这些更易进行处理和计算的子问题模型能够以独立和并行的方式进行解决，这将大大提高3）配电网需求互动响应的优化。智能配电网将开放互动作为重要特征，为了实现信息的多向互动和建立不同类型互动的新模式，需要构建一套更为完善的电力市场体系。用户实现与智能电网互动的主要方式是需求响应（demandresponse，DR），需求侧响应作为实现系统各环节协调发展与交互的重要手段，一方面能够帮助大量的用户主动参与资源配置和系统运行，节省电网的监视成本，另一方面可以满足需求多样化的市场发展，改善用户体验。分布式能源作为一个独立的能源接入系统，包含了电力生产的传输和交易两大方面。因此，智能电网的任务并不能局限于接入分布式能源和并网，更应该改善作为需求侧的用户协调交互工作，从而提供智能化的能源服务。4）配电网的电能质量检测与治理。在配电网中，分布式电源的间歇式启停和功率变化，都会给用电侧带来波形畸变和电压实际值波动的质量问题；分布式能源系统中的电源通常采用电力电子装置实现控制，会造成大量的谐波污染。值得一提的是，由于单相负荷和分布式电源在配电网中的影响，三相系统的不平衡水平异常增大。因此，很有必要对分布式电源接入配电网后的电能质量进行实时监测。3.2关键要点1.教学方法关键点（1）在开展分布式能源与智能配电网技术应用实例教学之前需要通过课堂讲解的方式，让学生对分布式能源和智能配电网技术有明确的认识。（2）通过讲解分布式能源和智能配电网关键技术，引导学生认识到分布式能源接入智能配电网的重要作用。了解分布式能源，智能配电网功能特征与关键技术。（3）对分布式能源与智能配电网技术有一个大概的认识，了解分布式能源接入智能配电网的关键性问题。2.关键案例知识点（1）智能配电网内涵及特征：了解智能配电网的组成、建设目标、功能特征与面临的新的发展需求。（2）智能配电网关键技术：了解分布式自愈、微网技术、虚拟发电厂、定制电力技术与高级配电自动化。（3）分布式能源接入智能配电网的关键性问题：了解分布式能源接入智能配电网518/116
5 优化调度可以将大规模的消费者集群模型分解成一系列的子问题，随后这些更易进行处 理和计算的子问题模型能够以独立和并行的方式进行解决，这将大大提高 3）配电网需求互动响应的优化。智能配电网将开放互动作为重要特征，为了实现 信息的多向互动和建立不同类型互动的新模式，需要构建一套更为完善的电力市场体系。 用户实现与智能电网互动的主要方式是需求响应（demand response，DR），需求侧响应 作为实现系统各环节协调发展与交互的重要手段，一方面能够帮助大量的用户主动参与 资源配置和系统运行，节省电网的监视成本，另一方面可以满足需求多样化的市场发展， 改善用户体验。分布式能源作为一个独立的能源接入系统，包含了电力生产的传输和交 易两大方面。因此，智能电网的任务并不能局限于接入分布式能源和并网，更应该改善 作为需求侧的用户协调交互工作，从而提供智能化的能源服务。 4）配电网的电能质量检测与治理。在配电网中，分布式电源的间歇式启停和功率 变化，都会给用电侧带来波形畸变和电压实际值波动的质量问题；分布式能源系统中的 电源通常采用电力电子装置实现控制，会造成大量的谐波污染。值得一提的是，由于单 相负荷和分布式电源在配电网中的影响，三相系统的不平衡水平异常增大。因此，很有 必要对分布式电源接入配电网后的电能质量进行实时监测。 3.2 关键要点 1. 教学方法关键点 （1）在开展分布式能源与智能配电网技术应用实例教学之前需要通过课堂讲解的 方式，让学生对分布式能源和智能配电网技术有明确的认识。 （2）通过讲解分布式能源和智能配电网关键技术，引导学生认识到分布式能源接 入智能配电网的重要作用。了解分布式能源，智能配电网功能特征与关键技术。 （3）对分布式能源与智能配电网技术有一个大概的认识，了解分布式能源接入智 能配电网的关键性问题。 2. 关键案例知识点 （1）智能配电网内涵及特征：了解智能配电网的组成、建设目标、功能特征与面 临的新的发展需求。 （2）智能配电网关键技术：了解分布式自愈、微网技术、虚拟发电厂、定制电力 技术与高级配电自动化。 （3）分布式能源接入智能配电网的关键性问题：了解分布式能源接入智能配电网 18／116