智能电网中的三级电网构架及微电网研究

智能电网中的三级电网构架及微电网研究张晓东1，杨军2，孙元章2，贺继峰2，程哲2

（1．河南电力试验研究院，河南省郑州市450052；

2．武汉大学电气工程学院，湖北省武汉市430072）

Research on Three-level Power Grid Configuration and Its Micro-Grid in Smart Grid ZHANG Xiao-dong1，Y ANG Jun2，SUN Yuan-zhang2，HE Ji-feng2，CHENG Zhe2

（1．Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou 450052，Henan Province，China；

2．School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei Province，China）

摘要：2020年，我国将全面建成统一的坚强智能电网，电网的资源配置能力、安全稳定水平将显著提高，如何解决电网的安全稳定性与脆弱性成为实现坚强智能电网的关键。文章针对我国电网的特点，从安全性和灵活性角度出发，提出了基于输电网–配电网–微电网的三级电网构想。从三级电网的基本网络架构和电源配置出发，着重讨论了微电网的建设、构成、特征和作用，进而分析了微电网的规划、应急调度、动态分析、保护、控制、电能质量、评估等相关技术问题。

关键词：智能电网；三级电网；微电网；安全

0 引言

随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端日益突出。近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故，电网的脆弱性暴露得很充分。2008年年初，我国发生了大面积冰雪灾害天气和5.12汶川大地震，这对相应地区的电力系统造成了严重破坏。为了保证我国能源和电力的可靠供应，实现电力工业与环境的可持续发展，满足经济社会快速发展的用电需求，国家电网公司提出了立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的统一坚强智能电网的发展战略。

为了建设统一坚强的智能电网，必须对各电压等级电网的电源分布、电源规模、电源结构进行全面统筹规划，形成布局合理、综合、完善的结构体系。本文提出建立基于输电网络、配电网络和微电网的三级电网构想，并从安全性和灵活性角度出发，规划电网大电源、应急电源的配置以及电网结构的建设，重点对微电网的建设、构成、特征等相关问题进行讨论，力求进一步提高电力系统应对灾害事故的能力[1-7]。

1 三级电网的基本结构及其电源配置情况

智能电网的建成会使系统整体的资源配置能力得到增强，但是系统各部分和各环节之间的相互依赖度大大提高，构成系统的众多设备、元部件故障，导致系统可靠性下降的概率也大大提高。为了保证电力供应的安全性和可靠性，应该使大、小电源合理布局和配置，在发展大机组集中发电、大容量、远距离输电的同注重电网的分层、分区，鼓励资源就近配置，电力负荷就地平衡，以尽可能降低远距离送电的安全风险，减少不必要的输电损失。2007年我国线损率为6.85%，有2223亿kWh电量在传输过程中损失。在负荷中心应该建设必要的支撑电源，确保在失去区外来电的情况下，保障负荷中心重要设施和基本负荷的电力供应。

电网结构是电力系统安全稳定运行的基础。合理的电网结构必须是各电压等级电网与电源分布、电源规模、电源结构统筹规划布局合理的、综合的、完善的结构体系。因此，在电源和电网规划设计阶段，要研究应对大风雪、冰雨、地震等自然灾害以及恐怖活动、战争等对电网安全的影响，高度重视电网结构布局的安全性及灵活性。国外大电网恶性事故，表面上很多是恶劣的自然灾害造成的，然而在某种程度上电网结构不合理是其根本原因。电网规模较小时，电源布局对电网结构起重要作用。随着系统规模的不断扩张，特别是智能电网的不断建设，电厂的作用相对弱化。因此，根据电网结构在

新时期呈现的特点，应考虑三级电网的建立。三级电网由输电网络、配电网络和微电网构成。输电网络由500~1 000 kV 电力主传输通道组成，其可以建立成环网，也可建设成输电通道。配电网络由110~220 kV 的送电线路组成，可以建设成环网，也可建设成辐射型网架。微电网由380 V~10 kV 供电电压组成，微电网的供电线路主要由辐射型电缆连接而成。三级电网的基本结构如图1所示。

大型电站和电厂

380~35 kV

中小电站和电厂

输电网

配电网

微

电网

图1 三级电网的基本结构

近几年来投产的大容量、高参数的大机组，基本上都接入500 kV 电压等级的电网。当500 kV 电网遭受严重破坏时，电网瘫痪，外送的大电源就不能发挥作用。当外接电源比例较大且过于集中时，一旦发生冰灾等自然灾害，将造成本地大面积的停电事故。因此，外接电源应尽量分散接入，输电通道不应集中在一起，应根据地形特点进行分散，尽量避开易产生冰灾等自然灾害的地形，这样当部分输电通道发生冰灾事故时，其余通道可以继续供电。

如果仅就单个电厂接入系统设计来论证接入方案是否合理，很可能造成电源与电网结构的不合理匹配。因此，在考虑主力电厂直接接入500 kV 电网时，还需考虑将不同规模的发电厂和负荷通过备用输电线路接到相应层次的电压网络上。这样，500 kV 电网一旦发生严重故障，由于预先采取电源分层分区接入的方式，220 kV 电网具备可自我平衡的电源，所以有效保证了受端用电设备不因500 kV 网络输电通道丧失而出现大面积停电事故。

对于具体的电源配置方案，600 MW 以上的发电机组主要应接入500 kV 输电网，100~300 MW 的发电机组应接入配电网。将应急电源建设纳入微电网络建设，即在每个10 kV 重要用户的变电站建设应急电源，构成10 kV 有源变电站，由国家电网公

司统一管理。

2 微电网的基本结构

我国在继续发展智能电网的同时，要注重在负荷中心建设足够的分布式电源和微电网，以在出现非常规灾害或在战时受攻击的情况下，保证居民和重要军事单位最小能源供应和最基本生活条件，并将这种电源作为保障电网安全的重要设施和手段，其成本应纳入整个电网运营成本当中。基于分布式电源的微电网的最大优势是提高了电力系统的抗灾能力。其次，随着科技进步，分布式电源和微电网将降低电力系统的投资和运营成本。超大型的电站与分散微型电站的结合，可以减少电力的传输距离，降低在输配电线路上的投资，使得电力系统更安全、经济。但是分布式电源控制困难、单机接入成本高等特点也极大影响了分布式电源的应用[8]。

10 kV 有源变电站是微电网的构成基础，由具

有重要用户的10 kV 变电站和包括应急电源、新能源发电系统、新型微储能系统在内的微电源组成，多分布于城市。该变电站通过辐射型电缆向用户输送电能，且便于电网统一调度和管理。图2描述了10 kV 有源变电站的基本结构。图中：DSC 为分布式能源控制器；LC 为电感电容式滤波装置。

图2 微电网中的有源10 kV 变电站结构

微电网是规模较小的分散的独立系统，它采用大量现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电、燃料电池、储能设备等并在一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网被视为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作，以满足外部输配电网络的需求。对用户来说，微电网可以满足其特定需求，如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用效率、提供不间断电源等。微电网和大电网通过公共连接点