配电网电压管理新技术

低压网络中预期的客户行为和电力需求变化、电取暖的普及、结合碳足迹减排目标，给配电网运营商的配电和发电带来了重大挑战。过去，配电网络运营商一直致力于升级改造配网来解决需求增长和分布式发电带来的问题，但是这种策略必须适时改变，因为高企的成本和对停电进行升级改造的顾虑。

电源热泵，电动汽车和分布式发电等低碳技术的新增用电量大幅度增加，给网络管理带来了容量和电压的挑战。配电网运营商必须使用新的技术，促进客户向低碳未来转型，同时确保电压，电能质量并降低网损，最大限度地帮助客户减少用电费用。

2013年11月，英国天然气和电力市场办公室（Ofgem）通过低碳网络基金（Low Carbon Networks Fund）为西北电力提供资金，旨在推广为低压配电网络开发的最新技术。智能街道创新项目总值1150万英镑，始于2014年，将于2018年4月完成，将演示如何实施高压和低压网络优化。

智能街道创新项目涉及三个关键的递进步骤：

• 在现有高压和低压网络上安装有载分接开关（OLTC）的配电变压器和电容器进行协调电压控制

• 互连现有的放射型低压配电线路，并在控制室内实现网络化控制

• 高压和低压网络的实时协调配置和电压优化。

项目目标

智能街道创新项目旨在量化安装新技术所带来的收益，以及可用于控制高压和低压网络的自动化设备，并在整个项目中提供广泛的客户参与。具体而言，该项目将确定以下内容：

• 系统容量和电压的上限、可接入的新能源容量，以及其经济合理性和碳收益

• 配网降压节电器（CVR）的优化设计原则，通过降低馈电电压来降低配网损耗

• 客户通过应用CVR方法所产生的节能总量，全年全天候客户消费量的减少总量

• 降低高压和低压配电网络的损耗

• 引入低压自动设备所产生的安全效益，减少对低压设备进行手动操作的需求

• 引入内置故障检测和本地化设施降低的故障响应成本。

智能街道创新项目的选址（西北电力）

试点项目

西北电力选择了六个项目试验区，每个试验区都以一个降压变电站为中心。考虑电力系统分析和详细的网络建模的需要，西北电力对公司规划软件、数据库和业务规范进行了整理。每个选定的区域都进行了从交流主电源变电站到低压馈线的建模和系统分析。

对每个区域分别应用了不同的场景，以研究宽范围的负荷和发电能力相互作用下的控制措施。这些措施包括在高压回路调整运行方式，互连低压馈线，在网络不同地点安装补偿电容器，以及在高压/低压配电站的配电变压器上安装有载分接开关。

Weezap低压真空断路器安装在现有的室内高/低压配电站中

用作远程监视和现场控制的用户界面——Weezap Gateway设备，可以管理15个设备

通过建模得到以下结果：

• Green Street / Caunce Road的低压供电线路为321米（1053英尺），光伏（PV）渗透率约为40％，226家客户中有91家拥有平均2.28千瓦的光伏设施。研究证实，无光伏和最大光伏渗透率，分别对应的电压水平的低、高两个限值。然而，通过将低压馈线与相邻的变电站合环，电压曲线就可以保持在额定的限值以内。通过对比在低压馈线的不同点上安装不同容量的电容器，最终确认——最佳的布置是在低压馈线路一半处安装一个100-kVAR电容器。

• Hindley Green / Walmer Road低压馈线距离为543米（1782英尺），光伏渗透率约为20％，255个客户中有45个拥有平均2.35 kW的光伏设备。研究表明：不管高压或低压配电变压器上的负载分接位置如何，电压合格率取决于供电回路中光伏的占比。最佳的解决方案是在馈线端部安装一个150-kVAR电容器。

• Denton East/Pendle Road低压供电线路为513米（1683英尺），回路的光伏渗透率为10％，光伏装置平均为2.4千瓦。研究表明，将低压馈线与邻近变电站的低压馈线合环，可总体上将电压限定在额定范围之内。然而，就电压分布和电压损耗而言，最佳解决方案是在低压馈线一半以下位置安装一个100-kVAR电容器。

• Fallowfield/Lindleywood Road低压馈线全厂437米（1434英尺），没有光伏。但是，为了保证电压合格率，通过计算，可在馈线一半处安装一个100-kVAR电容器，系统将保持最佳的电压曲线。

• Wigton / Western Bank低压馈线的光伏渗透率低于10％，平均光伏容量为3.08千瓦。馈线总长度为422米（1385英尺）。同样的，在馈线一半处安装100-kVAR电容器是最佳的解决方案。

在低压配电网络上增加电容器会增加配电站母线处测得的电压。对每个选定的低压馈线进行建模，模拟多个100-kVAR电容器放置在不同的低压馈线上的效果，结果显示，不管配电变压器的负载分接位置如何，电压上升的大小取决于变压器阻抗，因此也取决于变压器的额定容量。

试验结果表明，高压环路开环和闭环对低压网络的电压变化影响较小。但是，西门子的Spectrum Power软件将对高压解列点进行优化。在故障状态下，该软件会自动退出，网络应恢复后正常运行。只有在故障被隔离并修复后，优化软件才能重新投入。这款软件可以做到在最小负荷，在最大光伏发电期间，电压飙升时，切除补偿电容。

现有的和新的远程监控系统之间的通信架构

技术背景

智能街道创新项目为高压和低压网络上使用配备OLTC的配电变压器和电容器作了规定。这将使客户的供电电压能够维持在节能运行的最佳水平，降低客户和高压配电网络的损耗，从而实现降低网损的目标。

由于现有的低压配电网并没有考虑应对低碳技术——如，电动汽车充电和分布式发电引起的双向电力潮流。因此，低压网络的互连是一种可以有效地解决电压合格率，稳定和谐波问题的方式。

该项目将使用可以远程控制的智能开关设备。监视馈线负载流，对低压配电网络进行动态重构。这将使辐射型网络安全地转化为互联的网络，提供一个集中的低压网络管理和自动化系统。

智能街道创新项目将能够实时优化网络配置和电压配置，同时改变高压和低压网络之间的互连配置。使用软件来优化和平衡网络损失以及客户的能源消耗。

配电网络上的降压节电器CVR被定义为通过降低馈电电压来减少能量消耗的措施。该项目将通过在配电变压器上安装有载调压装置OLTC并结合并联电容器来应用CVR措施，并优化电压曲线。有载调压配电变压器将调节馈线上的源端电压; 电容器将在电路的末端补偿升压。这可以实现更加平坦的电压分布，保证客户的接入点电压变化更小，更均匀。

Hockery Brook柱上变压器下方安装了150kVar的低压电容器，以保持低压馈线上的电压在额定限制范围内

在Vauxhall Road高压/低压配电站安装有载分接开关变压器是智能街道创新项目的关键一步

安装在Denton East Millbrook大道的100-kVar低压电容器，以确保低压馈线上的总体电压分布在额定的电压范围内

所选用的设备

智能街道创新项目正在使用以下设备：

• Weezap - 由Kelvatek提供的改进设计的低压真空断路器- 可以安装在现有的低压熔断器电路板上，取代传统的大容量熔断器。Weezap与Kelvatek网关设备一起安装，该设备与西北电力的SCADA系统进行通信，对Weezap设备进行各种控制和监控。网关还充当用于安装，配置和控制的现场用户界面。每个网关最多可以管理15个设备; 因此，在一个变电站内，安装两个网关可以最多管理30个设备。

• 由Kelvatek制造的Lynx真空开关，安装在现有的标准地下连接盒中，并带有改进的钟罩外壳以防水。Lynx可以实现低压电路的互连以及高级监控功能。它可以手动或者远程地在连接盒上打开和关闭低压电路。Lynx与网关设备进行通信，提供远程连接，从而实现网络管理和远程监控。

• 该项目还包括由ABB制造的84台低压电容器。配电变电站安装了5台，其余79台安装在低压馈线上，用来补偿升压。该项目还包括在高压网络上安装6个电容器——3个地面单元和3个柱上单元，进行无功补偿。电容器组采用串联电抗器来降低谐振。

• 五个高压变电站配备了德国MR公司的有载调压装置的易法式Efacec配电变压器，该变压器通过MR的自动电压控制继电器运行。西门子的Spectrum优化软件与自动电压控制继电器进行通信，调节电压，使变压器分接开关切换到最佳的分接头设置。

• 监控单元安装在所有径向低压馈线的远端，即计算得出的最高压降点。这些电压测量记录用于优化目的。

• 由西门子开发的Spectrum Power 5 包含优化软件，可根据潮流分析结果对各种设备进行管理和控制。Spectrum还负责电压优化和高压低压网络的运行方式优化。

  CG Power and Industrial Solutions Ltd.的远程终端设备作为数据集中器和路由器，将Weezap，Lynx，终端电压监视器以及高压和低压电容器组的信息进行整理，并将其传递给Spectrum Power 5和管理系统。

• 西北电力现有的网络管理系统和控制管理系统通过专门为该项目开发的通信协议与优化软件进行通信。这使所有的网络配置命令和报警都可以由网络管理系统来控制，由经过培训的控制工程师监视。

为提高网络可靠性智能街道创新项目中安装的新硬件

智能街道创新项目的节能和减排效益以及预计的财务收益

时间表

自2013年11月拨款获得资助后，西北电力及其智能街道创新项目合作伙伴遵循严格的时间进度，从2015年中到2016年1月，该项目设计和指定的所有新技术设备已经安装并投入使用，共安装了775个新设备。智能街道创新项目于2016年1月开始试运行，并于2018年1月通过验收。

项目合作的关键

在项目投标之前，安装的技术已经被识别和调查。因此，对设备的要求和规格进行了高度的界定。这为项目交付团队提供了必要的采购技术，以确保智能街道创新的大方向。

西北电力与智能街道创新项目合作伙伴之间的关系是实现项目里程碑和所涉及的新技术进一步发展的关键。来自项目合作伙伴的承诺，对该项目成功实施至关重要。

西北电力现在希望继续与项目合作伙伴和制造商合作，进一步开发项目生命周期内部署的其他技术。