文章 / 2022.09.27

NIST智能电网4.0版架构与安全解读(三)|理论模型中的运营域,发电域,输电域和配电域

概览

在本期文章中,我们将继续介绍剩余的四个域:运营域(Operations Domain),包括DER的发电域(Generation Including DER domain)(后简称发电域), 输电域(Transmission Domain)和配电域(Distribution Domain)

运营(Operations Domain)

运营域可以理解为整个智能电网的“大脑”,负责收集各个领域的信息并下达控制指令。如图1所示,运营域负责整个电力系统的平稳运行。运营域主要由受监管的公共事业单位(regulated utility, 指具有垄断地位,受相关部门监管的公共事业单位,与更依赖市场竞争调控的Deregulated 相对应)负责的。随着智能电网的发展,其中的部分功能逐渐改为由服务提供商提供。然而,无论服务提供商和市场如何发展,仍然需要regulated utility规划和运营整个电网,因为他们管理着构成配电系统的线路。


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1 运营域概览

目前有众多的能源管理系统分析电力系统的可靠性和效率。本版本的标准中更新了运营域,新增了运营域与发电域之间的通信流的内容强调了DER状态对现代电网稳定的重要意义

参考国际电化学委员会(IEC)61968-1的接口参考模型(IRM),我们在表一中给出了运营域的典型应用

 

1 运营域中的典型应用

Example Application

Description

监控(Monitoring)

Monitoring的作用是监测并规划电网拓扑结构、连接性和负载条件,包括断路器、开关和控制设备状态,以及现场工作人员的位置和状态。

控制(Control)

Control的作用是监管和指导整个电网、各个变电站和本地的各种自动或手动的控制。

故障管理(Fault Management)

Fault Management的作用是提高定位、识别、划分故障和恢复服务的速度。基于信息统计表可以为客户提供更精准的故障信息,更好的调度运维资源。

分析(Analysis)

Analysis的作用是分析电网中的各种实时操作记录、网络事故、连接性和负载信息,以定期对电网进行优化维护。

报告与统计(Reporting and Statistics)

Reporting and Statistics的作用是对在线数据进行存档,并对系统效率和可靠性进行分析。

电网计算(Network Calculations)

Network Calculations的作用是基于实时网络计算,实时评估电力系统的可靠性和安全性。

培训(Training)

Training的作用是通过模拟实际系统设施来训练调度员。

记录和资产管理(Records and Assets)

Records and Assets的作用是跟踪和记录变电站和网络设备资产信息、记录和显示地理位置和空间数据、维护非电力资产数据记录,并进行资产投资规划。

操作计划(Operational Planning)

Operational Planning的作用是模拟网络运行。通过模拟行为,安排操作计划,调度维修人员,通知受影响的客户,并安排电力能源的调度。他们通过调峰、切换、减负荷、DER或需求响应来保持输入的电力资源的低成本。

运维(Maintenance and Construction)

Maintenance and Construction的作用是协调设备的检查;调整设计和建设;调度运维工作和安排维护;记录现场技术人员以及他们执行的任务。

扩展规划(Extension Planning)

 

Extension Planning的作用是为电力系统的可靠性制定长期计划;监测建设的成本、性能和进度;确定扩展网络的项目,如新线路、馈线或开关设备等。

客户支持(Customer Support)

 

Customer Support的作用是帮助客户购买和安装各种电力服务。他们记录故障,并为客户生成故障报告,为客户提供售后保障。

状态预估(State Estimation)

 

State Estimation的作用是利用整个电网的实时测量数据和网络计算算法,给出运作和优化系统的关键信息。

包括DER的发电域(Generation Including DER Domain)(后简称发电域)

发电是将其他形式的能源转换为电力能源的过程,也是向客户输送电力的第一个过程。这种过程包括各种一次性能源及其对应的各种转换技术,比如化学燃烧、核裂变、流水、风、太阳辐射和地热等。作为电网的主要电力供应,发电域与输电或配电或和客户域之间都有电气连接,并与运营、市场、输电和配电领域有信息连接

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2-包括DER的发电域概览

过去,大型发电机只向高压输电系统供电,现代发电技术的可扩展性和模块化改变了发电资产和电网之间的关系,以及发电资产的分布。因此,本版本标准对发电域进行了更新,以反映较小规模和分布式发电资产与配电系统的可能的电气连接。发电域也被重新命名为 "包括DER的发电"。

发电域与输电域、配电域之间的信息传输至关重要,因为没有输电和配电用户就无法得到电力服务。发电域应该及时与其他两个域沟通各种性能参数和服务质量,比如某配电区域的供电量不足的信息或者是发电机故障信息等,从而帮助各方及时做出响应。比如某发电机故障信息传输到输电域,输电域就可以选择从其他发电厂输入电力引导其用户采用其他解决方案,例如切换到其他紧急备用设施等
如图2所示,在本次修订中,NIST引入了客户域的新功能,客户域可以通过发电域与配电域建立电气连接。这个改动对应了DER不用通过输电,而是直接通过配电设备就地利用电能。用户侧的电力资源与来自传统发电域中电力资源相结合表明在传统的结算和调度过程中,用户侧资源的参与度越来越高。现阶段的客户域已经包含了分布式发电、需求响应和其他负荷管理技术。电气连接从客户域开始,反映了客户域对发电能力或能源生产的需求。从客户域开始,在配电域的二级馈线上(而不是传统的变电站)终止电气流,与传统的发电资产相比,突出了客户域中的发电资源的独特物理条件和控制需求
后面配电域中我们会介绍,配电域中也会有自己的DER,这也使得发电域和配电域之间的通信变得越来越复杂。因此在本次修订中,发电域做了更新,以明确确定与配电、客户域和服务提供商之间必要通信流。
在未来,发电域面对的新需求可能包括控制温室气体排放、增加可再生能源占比、提供电力存储应对可再生能源发电的可变性或推迟传统基础设施的淘汰等。由于其中一些需求需要跨领域的协调,因此未来其复杂性和互操作性要求可以通过本标准使用的概念模型中的通信流来建模和分析

发电域包括各种物理设施,如保护继电器、远程终端单元、设备监视器、故障记录器、用户界面和可编程逻辑控制器。2显示了发电域中依赖于通信流且需要互操作性的一些典型应用

2-发电域的典型应用

Example Application

Description

控制(Control)

作为运营域与发电域的通信节点,执行操作域管理电力流的命令和系统可靠性。一个实际的例子是在变电站内使用相位角调节器来控制两个相邻电力系统之间的电力流动。

测量(Measure)

负责可视化电力流和现场系统状况。在未来,测量功能可能被内置到电网中越来越多的分布式设备中。一个例子是通过监督控制和数据采集(SCADA)系统从各种远程终端设备收集数字信息和模拟测量,并提交给运营域的电网控制中心

保护(Protect)

负责对系统中可能导致停电、断电或设备破坏的故障事件和其他事件做出快速反应,从而保证电网的高可靠性和电能质量。在局部或整个发电域中都有保护机制。

记录(Record)

记录电网运营情况,并协助其他域为财务、工程、运营等。

资产管理(Asset Management)

负责确定设备何时应进行维护,计算设备的预期寿命,并记录其被操作和维护的内容,为未来的操作和决策提供依据。

 

输电域(Transmission Domain)

输电是指通过多个变电站将电能从发电源批量传输到配电系统的过程。输电网络通常由具备输电能力的公用事业公司、区域输电运营商或独立系统运营商(分别为RTO、ISO)运营,其主要职责是通过平衡整个输电网络的发电(供应)与负荷(需求)来维持电网的稳定。输电领域的物理设施包括远程终端单元、变电站电表、保护继电器、电能质量监测器、相位测量单元、下垂监测器、故障记录器和变电站用户界面。

 

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3-输电域概览

输电域的功能可以参考图3和表3需要注意的是,输电领域可能包含DER,例如蓄电或调峰发电装置。输电域中的能源和支持性辅助服务通过市场域采购。输电域同样由运营域管理。电能最后通过传输域交付给配电域,最终交付给客户域。

输电变电站使用变压器来提高或降低整个电力供应链的电压。变电站还包含开关、保护和控制设备。图3描述了连接发电(包括调峰装置)和存储与配电的升压和降压变电站变电站也可以连接两条或多条输电线路。

输电塔、电力线和现场遥测设备(如图所示的线路下垂检测器)构成了输电网络基础设施的其余部分。输电网络通常通过SCADA系统进行监测和控制,该系统使用通信网络、现场监测设备和控制设备。

3- 输电域中的典型应用

Example Application

Description

变电站(Substation)

变电站内的控制和监测系统。

电力存储(Storage)

控制储能装置的充电和放电的系统,以弥补供应、需求和基础设施能力的时间错配。

测量和控制(Measurement & Control)

包括所有类型的测量和控制系统,用于测量、记录和控制,目的是保护和优化电网运行。

配电域(Distribution Domain)

配电领域的作用是输电域、客户域以及能耗、分布式存储和分布式发电的计量点之间的电气互连(见图4)。与包括DER域的发电域一样,配电域可能包含DER,如电力存储、调峰发电装置或其他中等规模的资产,如社区太阳能装置
配电系统可以组成各种结构,包括径向、环形或网状。配电系统的可靠性取决于其结构、实施的配置和控制设备的类型这些设备相互之间通信的可靠性以及和与其他域的通信可靠性
历史上,配电系统一直是径向配置,几乎没有遥测,域内几乎所有的通信都是人工完成的。领域中的传感器以前是拥有电话的客户,客户打电话反映问题,然后再由现场工作人员调度运维以恢复电力。过去,该领域的许多通信接口是分层且单向的,即使电气连接刚刚开始支持双向流动,但是现在它们通常可以被认为是双向工作的。配电系统中可能有本地设备间(点对点)通信或更集中的通信方法。随着DER(包括电网或电表后)的普及率越来越高,如何用更高速的通信来实时管理和优化电力流发电和用电,是目前被广泛关注的问题
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4-配电域概览

在智能电网中,配电域将具有更多的传感和控制能力,并以更细化的方式与运行域进行实时通信,以管理由于新技术、变动的市场域、其他环境和安全因素带来的复杂电力流。总的来说,为了适应新型智能电网动态化的特点,需要修改配电系统的信息架构,提高其可观察性。如图4所示,本版本的配电域模型已经做出了更新新增了额外的传感设备(如故障电路指示器)以及域操作功能(如稳定功能),这些功能在以前的概念模型中只限于传输域。

市场域可能不会直接与配电域进行交互,但是将以影响发电域和局部地区电力消费的方式与配电域间接交互。反过来,这些由市场力量引起的行为变化可能会对配电领域和电网产生结构上的影响。在一些模型下,服务供应商可能会使用配电域的基础设施与客户域进行通信,这也将促进配电域内的通信基础设施的升级。

应该注意的是,DER可以被认为是输电域配电域的资产,所以本版本的模型新增了这一点,从电气和通信的角度反映这一现实。表4列出了配电域典型应用的例子。

4-配电域典型应用

Example Application

Description

变电站(Substation )

包括变电站内的控制和监测系统

电力存储(Storage)

控制储能装置的充电和放电的系统,以弥补供应、需求和基础设施能力的时间错配。

DER

位于电网配电领域的一个发电源。

测量和控制(Measurement and Control)

包括所有类型的测量和控制系统,用于测量、记录和控制电力流,目的是保护和优化电网运行。

 


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