本讲重点介绍欧洲配电网智能化的各种应用场景，分别为：分布式可再生能源的接入、配电自动化、高级测量基础设施、储能、微电网、需求侧和发电管理、分布式能源管理系统和虚拟电厂、电动汽车等。

智能配电网在全世界配电网的实际应用中已经成为现实，而且为了铺平欧洲(或者某一天乃至全世界)迈向低碳和可再生能源的未来之路，智能配电网将来还会成为一种强制性的安装方式。智能配电网将有助于减少配电网的供电成本，因此使得整个能源供应系统进入到可再生的未来。

CIRED2013智能电网工作组在研究过程中，建成了一个数据库，汇总了欧洲约15个国家的50多个智能电网项目。多数项目为国家或国际项目，一些为跨国合作，甚至欧盟范围内的合作项目。

应用场景之一：分布式可再生能源的集成

识别问题

在现代配电网中接入波动性的可再生能源(RES)和分布式资源(DER)，会给电网规划和运行带来许多挑战。由于在设计时电网元件的容量选择并没有考虑到较高功率的潮流反送到电网的情况，电缆、架空线和配电变压器的过载是一个严重的问题，由此会导致加强电网和确保供电安全性的投资需求增大。

确定目标

DER在接入配电网时应该达到以下目标：

(1)通过电网的智能运行和对主动设备、负荷和发电的控制，使得加强电网的投资最小化。

(2)确保供电质量，使得客户不会由于RES对供电质量的冲击而受影响。

(3)促使电力市场接入电网。如果RES不具有灵活性，就不应该承担市场风险。电力市场需要适应电网的约束条件和拓扑结构。

主要功能

智能配电网技术解决方案的主要功能包括：

(1)改变电网结构和运行模式。

(2)采用需求侧管理、可控发电机、电动汽车或分布式储能设备来平衡本地负荷和发电功率，以及控制与中高压电网之间的功率交换。

(3)控制可再生能源(DG)的发电功率。

(4)通过安装主动元件以替代被动元件，来控制配电网电压。

(5)在正常情况下，DSO将根据市场谈判控制RES。在异常或紧急情况下，DSO应该完全控制RES。

(6)在多数案例下，应用信息通信技术(ICT)技术，包括集中或分散的智能化和决策算法。

预期收益及其相关利益者

为了保证电网稳定性，通过主动元件影响有功/无功潮流，可以减少甚至彻底消除设备过载和电压越限的情况。因此，可以大大减少电网扩容和改造的投资需求。

相关利益者包括配电企业/DSO，客户，电网所有者，市场。

应用场景之二：配电自动化

描述问题

由于智能配电网的各种功能，如智能表计、需求侧管理、需求响应、DER接入以及即插式电动汽车(PEVs)，配电系统自动化对整个电力系统运行的高效和可靠越来越重要。

对配变站及环网单元(RMUs)的自动化、监测、保护提出了更多的新要求。

确定目标

通过配电自动化，企业可以实现的主要目标是：

(1)对其配电系统的灵活控制，可用于提高供电的效率、可靠性和质量。

(2)通过在电网中部署符合IEC标准的遥控功能，实现对网络状态的监控以及测量值的通信，从而提高网络的可观性和可控性。

(3)可以提高故障或扰动的诊断和清除能力，以及提高采取措施恢复停电客户的供电能力。

主要功能

(1)现场设备的实时监控。

(2)网络元件和主动元件的引入及其控制，如可调配电变压器、重合器、发电单元的换流器、负荷等。

(3)二次设备和控制中心之间的双向通信通道。

(4)采用带后台设备以及信息系统(如量测或保护设备)的现场设备。

配电自动化和配电管理的预期收益包括可靠性的提高、峰荷和设备负载水平的削减，以及管理分布式RES或电动汽车的能力提高等。所有这些收益将转化为停电时间的减少以及停电客户数量的最小化。

预期收益及其相关利益者

相关利益者包括配电企业，电网运营商和客户。

应用场景之三：高级量测基础设施

描述问题

配电公司注重研究开发先进量测基础设施(AMI)，如，智能电能表和量测数据管理，以便实施需求侧管理、客户需求侧响应，分布式发电的集中控制，以及作为实施动态电价解决方案的主要机制。

AMI使得配电网运营商能够优化关键的过程，为其客户(供电商以及消费者)提供新的服务和数据。

确定目标

安装智能电能表和高级量测数据管理系统应实现达到以下目标：

(1)自动的客户处理过程(计费，电价变更，数据采集等)。

(2)实施各种电价模型和采集输出/输入的无功电量数据。

(3)记录各种一次设备(如各段线路和变压器)的利用率，以便优化维修的时间间隔，优化线路损耗(如通过改变开/断点)，获取电网扩展规划的附加数据。

(4)通过获取和诊断误差信息，最小化DG的停机时间。

(5)有利于在配电网中接入小型DG，可满足自动化和计费的要求。

(6)在供电点(电能表处)记录和文档化对客户的供电情况，可用于电网规划的依据;支持故障管理和清除电网中的故障事件。

主要功能

作为高级量测数据管理的完整解决方案，必须将所必需的硬件和软件结合，主要包括以下功能：

(1)获取用于费率和特殊合同客户的电能消费的所有数据。

(2)对客户负荷远控和切换的可能性(如果在服务合同中已经达成协定)。

(3)对供电质量进行记录和文档化(计量电压偏差、短期失效、长期失效、电能质量等)。

(4)建成对不同企业计量(供气、小区供热和供水)以及其他服务(家庭自动化)的开放平台。

(5)记录终端设备(如电能表)未经授权的用电和操作。

(6)配变站、RMUs和配电网基础设施的遥控。

(7)直接连接到低压电网上的单相和三相电能表;有功/无功的电量和功率的测量(消费和生产);多电价和双电价结构同时运行的能力;负荷曲线;最大需求登记;功率控制管理，可远程修改最大需求阀值和开合电源;需求侧管理;事件记录和报警管理;防窃电检测;供电服务记录。

(8)链接到室内设备通信的局域通信接口。

预期收益及其相关利益者

安装智能电能表和高级量测数据管理系统，应实现以下功能：

(1)客户自动化处理过程(计费、电价变更、数据采集等)。

(2)实施多电价模型和采集输出/输入的无功电量数据。

(3)记录各种一次设备如每段线路和变压器的利用率，以便在开展电网扩展规划时，优化维修间隔，最小化线路损耗(如通过移动开/断点)，获取扩展规划的附加数据。

(4)通过获取故障水平和诊断故障最小化停机时间。

(5)在配电网中集成小型、分散的发电厂，用于计费和自动化的目的。

(6)在供电位置(电能表)记录和文档化客户的供电情况，可用于提供依据以及用于电网规划。

(7)支持故障管理和清除电网中的故障事件。

相关利益者包括网络运营商，客户，发电商和能源交易商。

应用场景之四：储能

描述问题

大规模RES的应用给电网稳定性带来了新挑战，配电网运营商面临的挑战是：提供足够的平衡功率以确保持续的高质量供电。

在工业用户电网中，实现节能的过程和减少能源消耗的成本十分重要。

确定目标

应用储能装置于配电系统应该达到下列目标：

(1)参与电量和功率的一次控制市场。

(2)储能在一些辅助服务(如负荷转移、本地电压控制和一次调频控制)中用作发电机。

(3)影响配电网的有功潮流和电压性能，使得加强电网基础设施所需的投资最小化。

(4)协助从公共电网中断开后的孤网运行和工业用户电网的暂时性孤岛运行。

(5)提升供电可靠性和安全性。

(6)削减暂时性的峰荷。

主要功能

不同的储能设备可以安装在中压网和低压网中，主要包括以下功能：

(1)改变有功潮流，限制设备的负载水平。

(2)提供无功支撑和电压控制。

(3)平衡负荷和发电，以实现电网之间功率交换达到预测值，或使得微电网能够孤网运行。

(4)参与电量和功率的一次控制市场。

(5)作为虚拟电厂(VPP)和配电能源管理系统(DEMS)的重要组成部分。

(6)储能具有黑启动能力。

(7)电动汽车可以用作储能及发电机。V2G(电动汽车接入电网)方案中，除了充电之外，也可集中控制向电网释放功率;电动汽车具有负荷转移和一次调频的能力。

预期收益及其相关利益者

相关利益者包括企业/DSO，客户，能源交易商。

应用场景之五：微电网

描述问题

在微电网中，发电单元的容量一般为千瓦至兆瓦级别。安装的同步发电机一般为柴油动力发电，通常与储能设备一起安装。

确定目标

实现微电网的目标包括：独立于(弱联系的)公用电网的电网运行;不具备公用电网连接情况下或农村区域的的孤网运行;使得供电成本最小化，尤其在偏远地区或孤岛情况下;较少对化石燃料如柴油或燃气的依赖性;减少CO2排放。

主要功能

微电网通常分为四种类型：电力企业微电网、工业微电网、军用微电网、院校微电网。主要包括以下功能：

(1)微电网有两种运行模式：孤网运行和并网运行。

(2)具有大量可再生能源资源的国家和各州可将大量RES接入其电力系统中。

(3)发电波动性和脱网可能性是微电网的主要挑战，它们会影响潮流、短路水平、系统动态特性，保护协调性、系统可靠性以及在大量换流器接入电网后的谐波问题。发电波动性可以由储能设备来平衡。此外，通信可提高系统可靠性。

(4)在大系统停电后，微电网可与大系统快速隔离，以确保自身的可靠供电;作为主要电源的柴油发电机通常可以直接黑启动，因此也可以加快供电恢复。

预期收益及其相关利益者

自主控制和分布式结构可以改善可用性，但是由于需要在系统优化运行和独立元件优化运行之间有所权衡，能源/电源的效率可能会降低。

相关利益者包括：不接入电力企业电网的孤岛和区域的DSO，工业客户和系统运营商，军队和院校电网。

应用场景之六：需求响应和发电管理

描述问题

在参与者为大型工业或商业客户的情况下，可通过控制自身的消费从而节约能源消耗成本，或者客户可以有选择性的允许电力企业使用他们的部分负荷作为可控负荷，从而获得更为优惠的电价。发电方可暂时降低出力。

确定目标

需求响应的目标包括：减少能源成本;减少设备载荷水平;减少改造电网的投资需求;提高电能质量;提高供电可靠性;提高供电安全性;提高系统效率。

主要功能

可应用的技术和解决方案，主要功能如下：

(1)分布式储能设备用于平衡本地负荷和发电，也可控制所连接的高中压电网之间功率交换。

(2)使用可控的家用智能电器。

(3)基于动态电价信号的需求侧响应。

配电系统将持续增加部署用于管理DER的分布式能量管理系统(DEMS)(包括可控的发电厂和VPP)。

客户的需求侧响应可选择以下功能：

(1)人工：客户观察电价(如显示的电价)，做出转移电能消费的决策。

(2)自动：通过技术信号以及基于与供电方的协议，自动转移电能消费。例如：当电价达到一定水平时，客户可以决定其电能消费转移到另一时间段。

此外，在有远程控制需求的多数场合中，必须应用信息与通信技术(ICT)。

预期收益及其相关利益者

DR的目标在于：电网受约束时允许客户对电价或数量信号进行响应，以及能源成本较高时减少电量消耗。

需求侧响应和发电管理(以及需求侧管理)可带来的收益包括：

(1)客户侧：提高认知度、节约电量和电力;提高个性化负荷和灵活负荷合同的参与度和经济效益。

(2)供电侧：为客户提供新产品和新服务;提高平衡和增值的机会。

(3)电网侧：优化电网新设备的使用和投资，减轻各方面的压力;提高电网性能。

(4)发电侧：降低对峰荷电厂投资的需求;减少RES接入后所需的备用容量;投资组合多样化。

相关利益者包括企业/运营商，客户，能源交易商。

应用场景之七：分布式能源管理系统和虚拟电厂

描述问题

随着能源市场的自由化，分布式电源、供热和供冷变得越来越重要，而这些能源生产靠近客户，具有其经济和生态效益。

为了整合不同燃料、不同地点和不同业主的发电站及其技术和经济的协同效益，可以把分布式能源资源整合为VPPs，这将会产生一个接口界面(现在尚不存在)，从而提供多种辅助服务(如平衡功率和频率控制)，同时作为大型集中式发电厂的一种替代方案，可以提高在储备市场中的竞争力。

确定目标

(1)通过为系统元件之间提供合适的接口，提高系统运营商和其他市场参与者对DER的可观性和可控性。

(2)VPP可由高级能源管理系统(允许预测、计划和控制其输出电量)进行监视和控制。

(3)为了提高整个能源系统的整体效率，这些发电单元可以供、热供冷以及供电。它们也可以基于可再生电源。

(4)VVP的一些方法包括储能单元和需求侧接入，可以使制定调度计划时获得最高收益，同时在大量可再生电源的情况下维持调度计划。

(5)DSO的任务是设置基础设施，从而为生产商、消费者、“产消者”、能源供应商和其他服务提供商提供更先进的工具管理他们的电网，以满足开放的市场要求。

(6)RES的市场接入和RES在系统安全性中的参与包括DG/RES提供的(部分)辅助服务。

主要功能

虚拟电厂的运行需要包括以下技术装备及主要功能：

(1)1套能源管理系统，可监控、计划和优化“分散的发电单元”的运行。

(2)1套负荷和可再生能源发电单元的预测系统，包括RES的天气预报[短期预测(小时到7天)]。

(3)1套能量数据管理系统，可收集和保存优化和预测所需的数据，例如，发电曲线和负荷分布曲线，以及客户合同的数据。

(4)1套对分散的发电单元进行管理的、强大和双向通信的能源管理系统。

(5)DSO需要预先获知DG预测、启停计划和调度计划，可以预先对网络进行分段和调整调节设置点。系统运营商(TSO)控制DG所接入的配电网的有功。DSO应控制配电系统的电压设置点和无功调度(主动控制电压、功率因数、Q)。

(6)增加电网改造的需求，以适应新的DG接入。

预期收益及其相关利益者

虚拟电厂的收益主要有：增加配电网运营商对DG的可观性;改进RES的预测精度，从而降低用于平衡负荷和发电的成本;由于考虑了整合不同的小型可控能源和不可控能源的发电/负荷预测，提高了VPP的可控性;为DER提供了新的商业领域并改进了市场准入性。

相关利益者包括企业/运行人员，DER所有者，能源交易商。

应用场景之八：电动汽车

描述问题

在未来，预期电动汽车和混合动力汽车[如电力汽车(BEVs)和即插式混合动力汽车(PHEVs)]将逐步取代内燃机汽车。现有配电网的设计并没有考虑大量电动汽车负荷的接入。

不断增加的负荷导致配电网中的元件过载以及产生较大的电压降，将会对电能质量和附近的客户产生负面影响。因此，有必要提高电网扩展和改造的投资以加强配电网。

确定目标

智能电网解决方案和技术的目标在于：增加可以接入现有配电网的电动汽车的数量;减少电网改造投资;确保足够的电能质量。

主要功能

除了改变系统结构和扩展网络之外，大量智能策略可用于影响电动汽车充电过程。以下为一些主要功能：

(1)在过载情况下限制充电功率。

(2)基于企业外部的电价信号进行充电。

(3)控制充电过程以满足DER发电情况下的需求。

(4)电动汽车并网(V2G)：电动汽车可与电网通信和与电力企业(销售需求响应的相关服务)通信，通过对电网放电或必要时限制电动汽车的充电功率。电动汽车也具有负荷转移和一次调频的能力。

电动汽车的接入与市场的互操作性、投资回收周期、以及配电实时运行相关。在上述应用情况中，都必须采用ICT技术。

预期收益及其相关利益者

相关利益者包括企业/运行人员，EV所有权者，能源交易商。

本讲座介绍了欧洲配电网智能化应用场景的种类及其解决方案，并总结了每种应用场景的典型功能。在欧洲电网智能化的驱动力下，通过采用多种智能化技术，欧洲的中低压配电网在智能化的道路上迈进。

希望能对我国智能配电网项目的实施有所借鉴，使得智能配电网项目的边界条件更为清晰、目标更为明确、功能和技术方案的技术经济更为可行，利益相关者能够达到共赢。

作者简介：

范明天，博士，教授，研究领域为城市电网规划、城市电网应急管理、配电自动化规划、优化计算方法等。

曹其鹏，本科，研究方向为电网的需求侧响应。

张祖平，硕士，教授，研究领域为电力系统规划运行分析、电力系统分析数学模型及计算方法、特高压大电网关键技术、城市电网规划方法等。

张毅威，博士，副教授，研究领域为电力系统稳定与控制、智能配电网。