北极星智能电网在线讯:为实现碳达峰碳中和目标，高比例新能源将源源不断地接入新型电力系统，这就要求配电网不断进化，变得更加安全可靠、绿色智能、友好互动、经济高效。数字化、智能化转型之后，一个更好的配电网，到底是什么样？本报记者与你一起走进国网福建省电力有限公司电力科学研究院，探索新型电力系统配电网最新科技成果。
感知升级，台区级电网有了“中枢大脑”
走在福建省福州市长乐区滨海新城通达而平坦的道路上，来往车辆川流不息，幢幢高楼勾勒出城市的轮廓，塔吊林立、机械穿梭，一派欣欣向荣的景象。
长乐滨海新城是以“数字中国”示范区为目标打造的智慧新城。一个更加“数字化”的城市，用电负荷将快速增长，配电网功能和形态也会发生显著变化，对供电安全性、可靠性、适应性的要求也越来越高。
“低压配电网作为供电服务‘最后一公里’，运行管理水平直接影响着用户的供电质量。越来越多的分布式光伏、电动汽车充电桩等接入低压配电网，加强配网侧数字与设备融合、提升设备智能化水平及电网全息感知能力，成为平衡电力系统、保障电网安全管理的当务之急。”国网福建省电力有限公司电力科学研究院（以下简称“福建电科院”）发展部技术策划管理主办钱健告诉记者。
在福建福州供电公司，运维人员用手机登录“台区智慧运维”APP，不到1分钟就完成了一条“低压开关跳闸”工单接收，随后工单自动流转到下一个流程，抢修班在接单后第一时间出动，10分钟后抵达现场，找到故障开关位置，及时排除了故障并迅速恢复供电。
台区智能融合终端藏身于各个小区的配电站房、箱变及柱上变台的综合配电箱之中，是台区的信息采集和处理核心。相较于原有的老式配变终端，它可以实现低压台区相关设备和用电数据共同采集及应用，进而实现拓扑自动识别、故障自动研判、配网运行方式智能化等多项功能，相当于台区级高弹性电网的“中枢大脑”。
作为长乐滨海新城台区智能融合终端实用化示范区建设的负责人，福建电科院互联网中心感知技术研究室主管范元亮告诉记者，项目团队已经牵头研发了终端侧15类应用、物管平台及配电云主站、移动手机端APP，建立了台区侧营配交互协同、主站侧云边协同、应用侧移动作业的实用化体系。他们还协助福州供电公司运维人员完成了示范区内228个台区智能融合终端的安装调试和实用化应用，实现了营配数据就地交互、低压开关三遥功能、台区电能质量监测、低压故障就地研判、三相不平衡监测与治理、分时分路停送电验证拓扑等6项场景的应用。
“项目建成后，滨海新城核心区内区域供电可靠率达99.999%，全年停电时长不超过5分钟；实现中低压全景感知100%覆盖，推动数据向中台集聚，支撑电网全感知、业务全管控、故障全研判、设备全遥控、运行全评价的主配网调度运检智能化体系。”范元亮介绍。
更加智慧的电网，在不断地延伸到更多城市。钱健透露，福建电科院已组建了福州长乐滨海数字孪生电网、宁德环三都澳储能多元协同、泉州分布式光伏、湄洲岛新型电力系统建设、厦门源荷聚合调控、水口闽江流域多能互补6个项目组，针对泉州南安局部高比例、高渗透分布式光伏接入消纳问题，从调研问题线路、台区中选取示范供区，研究中低压两张微电网构建运行技术，形成泉州南安区域高比例分布式光伏高效消纳方案。
保护升级，故障隔离速度提升至毫秒
“现场开关的三遥信号与主站核对正确，可以开始魏厝线#034与#043开关相间短路故障试验！”11月30日，在福建莆田110千伏前沁变10千伏魏厝线，福建电科院数字化高弹性配电网技术攻关团队应用基于RT-LAB的半实物镜像仿真平台，开展了福建省首个基于深度融合配点开关的弹性配电网故障自愈现场试验。在两分钟内，魏厝线成功隔离了故障区间，恢复了非故障区间的供电。“成功了，我们的仿真测试平台可行!”团队负责人张振宇和成员高兴地欢呼起来。
“电动汽车、储能装置、柔性负荷的互动协调控制等众多新的需求，将给传统配电系统带来巨大挑战。”张振宇告诉记者，目前，发展快速有效的仿真技术和平台，可对分布式电源规模化接入配电网的各种故障进行反演与分析，成为了他们当前迫切而意义重大的研究课题。
今年11月，张振宇和团队成员联合福建莆田供电公司，开展了弹性配电网建设关键技术研究与实践，以新一代10千伏中压配网深度融合柱上断路器作为感知与保护设备，实现了复杂故障精准研判、就地隔离、网络自动重构与快速自愈。同时，他们还搭建了10千伏魏厝线数字镜像仿真线路，利用RT-LAB半实物镜像仿真平台作为仿真线路与实际设备的数据交换平台，将4台一二次深度融合柱上断路器融入仿真线路，模拟短路、接地和断线后电源侧/负荷侧接地等故障，解决了此类故障试验难以在实际线路中开展的问题，并还原了真实的配电网典型故障场景。
“‘半实物镜像仿真平台’就像镜面一样，孪生出一个真实的10千伏配电线路，可以在任意位置制造短路、断线及接地等典型故障，方便技术人员测试验证一二次融合成套配电开关的故障研判及配电自动化主站馈线自动化策略的准确性。”张振宇介绍。
10千伏中压配网实现了故障自愈，110千伏线路也应用上了新型差动保护技术。今年，福建省内首个实现5G配网差动保护的电力线路——福州长乐10千伏新东湖Ⅰ线正式投入运行，线路上任何一点故障均能以毫秒级的速度进行隔离。
“电网110千伏及以上线路大部分用上了差动保护技术，但大多采用光纤通道，对于点多面广的配电网线路而言，敷设光纤存在成本高、通道审批难、施工维护难、灵活性差、利用率低等问题，而4G及以前的移动蜂窝网络很难满足差动保护对通信延时、可靠性和安全性的要求。”福建电科院电力通信技术研究与监督专责陈锦山一直对5G技术很感兴趣，如何把这项技术应用在配网差动保护上，成了他这两年一直研究的课题。
2020年6月，福建电科院与中国移动福建公司、清华大学、浙江大学合作成立了能源互联网5G技术创新实验室，陈锦山和团队成员充分利用5G通信技术具有高带宽、低时延及安全可靠的特点，创新开展了“5G+配网差动保护”全方位测试研究。通过开展涵盖终端、网络、系统的全方位测试，他们发现5G网络空口调度机制、被测保护装置、CPE设备、网络切片安全隔离等方面存在不少问题，便针对性地提出了解决方案并督促相关方进行改进。
“通过我们不断地测试和改进，5G配网保护平均通信延时由原来200多毫秒降低到20毫秒以内，双向同时传输带宽由原来小于5兆比特每秒提升到40兆比特每秒以上。我们还形成了5G电力应用实验室测试、现场测试、工程典型配置等方面的资料，为后续福建5G电力应用及测试积累了经验和方法。”陈锦山说。
互联升级，分布式光伏入网有了安全桥
福建位于我国东南沿海，常受台风侵袭，台风及其带来的强降雨往往在短时间内就会对电网造成严重破坏。为快速、精准地进行故障处置，张振宇和团队成员还研发了“基于大数据技术的配网运行状态特征提取及画像分析”技术，对配网运行状态进行全景画像、智慧分析。
张振宇介绍，配网运行状态“全景画像”将模型数据、运行数据、业务数据、台账数据和外部数据等五类配网运行状态关键数据纳入数据池，按照供电质量、供电能力、电网结构、装备水平、经济性五个维度，全景式反映配网馈线和主要设备的运行状态，开展全寿命周期的配网健康状态智慧评价。
以福州地区3000条10千伏馈线为例，运维人员可以从海量数据中“一键式”精准获取配网运行状态，关联分析一次设备指标、二次设备指标、业务指标及气象指标等66类数据。根据计算机自动拟合的评价公式，按照积分制原则分为“优”“中”“差”三个等级，以便掌握配网的实时健康状态，进行配网缺陷分析。同时，他们还能剖析电网运行薄弱环节，及时消除重过载特性超过预警值的配网设备的安全风险，保障配网安全可靠运行。
谈起“全景画像”平台的效果，张振宇颇为满意：“通过对海量数据的实时处理，我们实现了2021年故障停电时户数较2016年减少70%；通过多源数据深度融合，实现了台风等极端自然灾害配网故障平均停电时长缩短5.2小时/条，近两年累计节省电量损失约1.65亿元。”
在新型电力系统建设的背景下，实现新能源与配网柔性互联，是配网技术升级的新突破点。
今年，福建电科院配电能源互联技术专责黄兴华和团队成员在智能融合终端示范区的基础上，开展了低压柔性互联控制系统研究。低压柔性互联控制系统主要由配电台区智能融合终端、低压物联开关、光伏逆变器三部分组成，采用“云管边端”的物联网架构，充分发挥台区智能融合终端的边缘计算功能，在分布式光伏与配电网之间进行柔性互联，实现了对分布式光伏的灵活控制。
值得一提的是，在此项目中，他们自主研发了一款低压光伏物联开关。“这个开关扮演着信息通信‘二传手’的角色，让配电台区融合终端与光伏逆变器之间进行透明对话，在融合终端的指令下，实现光伏发电系统外送功率连续调节。”黄兴华说，“为了保护配电网，传统开关只能实现全开、全关两种状态，在系统过载情况下，光伏发电系统将完全关闭，与配电网断连。低压光伏物联开关就不一样了，它可以根据配电网的负荷情况，实现光伏发电系统出力从0到100%连续调节。”
以长乐区湖坂村“柔性互联控制”低压户用光伏智慧台区示范工程为例，国网福建省电力有限公司在湖坂村村委会屋顶安装了遮雨棚式光伏系统后，黄兴华和团队成员便在该光伏系统的计量箱内安装了低压物联开关，给光伏系统和上层控制主站搭了一座“桥”。通过低压物联开关，电网运行人员可以采集和上传光伏电站的运行信息，也可以向光伏电站转发来自控制主站的控制命令，进一步掌握分布式光伏的运行状况。
此外，近年来福建电科院开展的有关储能的研究，也进一步保障了福建配电网的安全可靠运行。在移动式储能系统研发与集成技术方面，福建电科院成功研制国内首台接入配电网末端、功率最大的移动式锂电池储能装置，自主研制国内首套移动储能直流融冰系统，实现了国内首次在高山地区配电网开展直流融冰作业；在大容量电池储能系统研发应用方面，福建电科院在福建湄洲岛建成国内外首个接入10千伏海岛配电网的1兆瓦/2兆瓦时电池储能电站，解决了末端配网变压器过载、低电压、供电可靠性差等问题，为湄洲岛解决海缆故障、举办妈祖文化活动等提供了绿色、可靠的电力保障。
目前，福建电科院正依托宁德霞浦储能电站、霞浦大规模风电+高占比核电等资源条件，提出打造宁德霞浦共享储能运营与先进储能技术实证示范区，着力在储能运营新模式、核心新装备、实证新平台取得创新突破。
福建电科院 前沿科技探索
防灾减灾领域
台风灾害方面，技术支撑福建省领先的灾害应急管理系统（ECS）的建设推广，提出杆塔防风加固方法并在沿海地区应用，研制并孵化了配网复合套筒基础和防腐防污金具，绘制了国家电网首张山区和城区洪涝分布图并应用，创新建立电网—气象联合技术攻关团队和应急视频会商机制等；雷电灾害方面，负责建立跨单位跨专业技术攻关团队，针对35千伏防雷突出问题进行大数据分析评估和综合技术治理，近两年雷击故障率下降近50%；山火灾害方面，与气象部门联合研究建立国内唯一“多普勒气象雷达+卫星”山火联合探测系统，实现在国家电网领先的5分钟全省快速探测周期；污闪灾害方面，在国家电网首创成本更低的无源型污闪泄漏电流在线监测装置。
无人机应用领域
机巡数字化方面，作为国家电网第二批首家无人机样板间建设示范单位，构建了基于PMS3.0架构的省级机巡管控平台，自主巡检航线3149余条；自主研发并推广三维航线规划软件20套，飞行APP400余套，实现无人机“傻瓜化”一键巡检，效率提升80%；变电无人机巡检拓展方面，完成世界首次特高压变电站无人机多机协同巡检，并以此为契机，在国家电网内率先开展变电无人机规模化应用；前沿技术攻关方面，牵头开展国家电网2021年唯一一个无人机科技项目，实现大中型无人机续航时间不少于3小时，作业范围不小于40千米。研发首个基于国网芯的5G无人机，通信模块体积减小95%，重量由800克压减到9克，功率由原来的24瓦减少为不到5瓦,极大地提升了无人机的载荷利用率，目前完成二代机研发；联合外部力量研发星地一体高精度定位设备，仅需2分钟便可实现无信号区域无人机厘米级定位，助推国网福建省电力有限公司1700多千米无信号区域输电线路无人机自主巡检应用。
柔直试验研究与深化应用领域
试验研究方面，依托厦门柔性直流输电科技示范工程，牵头厦门柔直工程基建调试、首检、年检工作，具备柔性直流输电工程一次、二次设备单体调试，二次设备分系统、系统调试能力，在国际上首创提出柔直换流阀无源逆变试验等新技术；总结柔直调试技术成果并出版专著《柔性直流输电系统调试技术》，技术已推广应用到渝鄂柔直联网工程和张北直流电网工程；深化应用方面，牵头开展柔性直流输电短路电流精细化计算、交流故障穿越能力提升等现场技术难题研究并提出解决措施及实施方案。10月30日，圆满支撑国家电网自主知识产权3300伏IGBT在厦门柔直挂网示范，助力国家电网防范化解电网核心器件“卡脖子”问题。
配网差异化设计及新技术应用领域
配电五防差异化设计方面，国内首家编制配电网防风、雷、冰、污和涝5种灾害的技术标准，并整合形成《配电网差异化建设改造指导手册》。研制复合材料水泥杆基础、固定线夹、防污防腐型绝缘导线等6种系列防灾装备，建成25条防灾示范工程线路，配电可靠性指标居国家电网A段；配电网一二次融合技术应用方面，创新发明一二次融合开关反扰动算法，国内首家研制单相接地故障研判模块，完成福建福安市供电公司和福建南平建阳区供电公司试点线路的设备安装运行；同时指导各地市推进10千伏标准自动化馈线建设，编制《10千伏标准自动化馈线投运和建设规范》和《配电继电保护及控制装置检验规程》。
