数字化电网助力农村供电可靠性分析

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一、前言

可靠性概念源于二战航空和军用电子工业，上世纪60年代欧美国家为应对电网大面积停电风险，将此概念引入到电力工业等关系国计民生的公共基础架构产业。可靠性研究是电力行业重要的基础性工作，也是电力生产技术管理的核心手段。历经四十余年发展，电力行业可靠性研究取得了全方位的成就，广大用户供电可靠性水平不断提升。根据世界银行2020年发布的《2020年营商环境报告》，我国电力行业排名上升到12位，迈进世界先进行列。北京、上海等地区的电力用户平均停电时间和频率指标均得为满分，超过很多欧美发达国家。在“碳达峰和碳中和”的国家战略指导下，电力行业积极开展数字化转型工作，运用数字化手段加快构建新能源体系，推进电力市场化改革，推动电力运维检修模式升级，防范电力系统大面积停电等风险，我国电力可靠性管理正迎来全新发展机遇[1]。

二、农村电网的发展趋势和挑战

2021年是国家“十四五”开局之年，也是全面推进乡村振兴的第一年。随着国家农业现代化建设步伐不断加快，农村用电量持续快速增长。农村市场增长潜力大、空间大，新消费动能不断积蓄。国家统计局数据显示，乡村市场消费品零售额增速继续快于城镇。乡村电气化工作如火如荼，乡村电气化建设由“用上电”“用好电”向更高标准转变，电力可靠性要求也在不断提升。电力基础设施作为能源互联网的重要基础，是影响供电服务水平的关键环节。为适应乡村用电新要求，能源企业必须提升农业生产、农村生活电气化水平，为乡村振兴注入新动能[2-3]。近期国际社会不断发生停电事件，我国多地也间断执行有序用电，电力供需形势趋紧，特别是农村配电网作为供电服务的“最后一公里”，直接面对终端客户，电力可靠性管理工作面临的诸多新挑战。

（一）地区发展不平衡，信息化程度参差不齐

我国幅员辽阔，各地资源、产业发展水平不一，乡村电网信息化建设水平参差不齐。以供电可靠性指标为例，全国六大区域中，华东区域最高，西北区域最低，全国最高与最低城市指标相差近二十倍。很多农村地区的电力数据采集能力有限、可靠性信息统计仍部分依赖人工，数据及时性、完整性、准确性难以保障，更不用提大数据挖掘、辅助决策；难以及时采集相关数据指标，影响电力可靠性管理工作。

（二）用电需求增长快、可靠性要求高

乡村振兴，产业兴旺是重点。农业生产电气化是推进现代农业发展的有效保障，能源公司以乡村电气化升级，推动大棚种植、养殖业等农业现代化转型，因地制宜向制茶、制陶等特色产业渗透应用；现代农业产业园、农产品电商蓄势待发；各地乡村旅游设施建设、民宿改造全面铺开，助推乡村旅游业、特色产业发展。但乡村电力基础设施相对薄弱，随着用电规模扩大，电网复杂性加剧，电力资源的可靠供给直接影响农村现代化建设工作开展。

（三）降碳背景下，电力管理要求攀升

在降碳大背景下，很多能源消费改为以电代煤、以电代油，特征变化导致用电设备运行性能下降，进而影响生产工效，电气设备附加损耗增大。部分用电大户电动机出现跳闸、新能源发电机组脱网等电能质量事件。供电系统网损增大将导致单位产值的碳排放量显著增加。全国新能源发电单元将达数千万级，气象环境、运行控制等信号数量可达数十亿，系统调度运行极其复杂，控制措施配置和管理难度将进一步增大。另外配电台区智能设备数量和类型成倍增加，涉及配变状态监测、无功补偿、漏保开关、电能表、分布式电源、电动汽车充电桩等多种类型，传统的集中监测管控，对电网运维、通信传输、主站系统信息处理等方面带来较大压力。

（四）多元化新能源接入将对可靠供电等带来新挑战

电力供给侧高比例新能源并网、高比例电力电子装置特征明显，使得用户电能质量备受挑战。新能源存在发电单体容量小、数量多的问题，“风光”等新能源不稳定，大规模接入增加了电力系统不确定性，对电网安全、稳定运行构成威胁。大规模储能增加电力系统复杂度。广泛的新能源并网消纳需合理配置大规模储能，以提高系统的可控性和灵活性。电力系统负荷预测难度加大。作为清洁的终端能源，电能将成为主要的能源消费品种，电力负荷结构将更加多元化，电动汽车充电等消费侧多样性行为将导致电力负荷预测和协调难度加大，源、网、荷互动和交织将加剧电力系统波动。    

三、数字化电网助力农网可靠性提升

作为保障国家能源安全的“国家队”、党和人民信赖依靠的“大国重器”，能源企业需发挥标杆作用，积极推进农村电网科技进步与创新。三农问题关系国计民生，乡村振兴，数字乡村建设是大势所趋，电网作为农村重要的基础设施，关系农民衣食住行、农业生产和农村繁荣。乡村振兴、农网建设的推进历程，既是我国乡村振兴的战略方向，也是建设数字中国的重要内容，这一切都离不开电力资源稳定、可靠供给[4-5]。建设数字化电网服务国家乡村振兴战略。一直以来，能源企业立足新时代国情、农情，深刻理解国家发展政策，将乡村电网建设作为数字电网建设的重要方面，借国家乡村振兴政策东风和数字化转型机遇，不断深化数字电网建设，针对农网现状和挑战，通过全面深化智能感知、大数据融合和电网运维管控的自动化，逐步提升农网的主动优化控制、灵活高效运维，适应多元化负荷发展趋势，满足农村用户多样化需求，助力构建数字化技术驱动的乡村电网升级改造，服务国家乡村振兴战略部署，为农村经济繁荣发展注入新动力，开启城乡融合发展和现代化建设新局面。

（一）基于大数据的配网智能运维管控

海量数据是智能算法发挥作用的基础，是数字电网更敏锐感知客户的前提。农村电网的传统台区不具备多样性数据采集功能，在利旧原有台区的基础上，积极探索台区智能化转型路径，在部分农村地区试点完成新一代智能台区改造，扩展数据采集广度和深度向终端电力用户延伸，实现低压用户从采集单一表码向电压、电流、相别等多项运维参数采集转变，从台架到低压用户信息全采集实现领跑。1.借助最新的物联网、大数据技术，可实现设备运检数据的规范化建模。如图1所示，数据跨平台获取，异构数据转换，数据智能清洗，寻找特征参量与状态间的表征规律，形成有效的电力数据采集，建立起科学的评估指标体系，提升电力数据治理水平，保障电网稳定运行。电力数据具备明显的大数据特征：（1）设备种类多。包括智能配电变压器、DTU、FTU、故障开关、架空线路、传感器、电缆等等。（2）数据类型多。包括带电测试、离线试验、在线监测、缺陷数据、电网数据、气象数据、设备台账等等。（3）数据来源多。来自生产管理系统、能源管理系统、调度管理系统、智能巡检系统，监控系统等各种结构化数据、非结构化数据。（4）增长速度快。随着物联网技术普及，传感器产生海量数据；省级能源企业可达到每年100TB以上。（5）历史存量数据量大。电力行业多年积累的存量数据和新增数据达到PB级以上。2.在电网故障诊断和预测方面，依据大数据进行主动故障诊断和预测，包括各种电力数据的规范化、清洗、历史数据校验、特征参量预测、故障预测；用数据量化运行状态、故障特征，进行状态差异化评价，包括运检关联关系分析、差异化评价和故障概率估算，从而优先考虑重要负荷供电，分级保障。（1）实时监测。在出现故障情况下，快速隔离、响应、处理，提高可靠性。（2）短期数据趋势分析。从快速响应角度，以日线损电量最低、电压偏移量最小、开关动作次数最少等纬度考虑，提供多时段网络运行优化方案，降低损耗的同时提高可靠性。（3）中长期数据趋势分析。基于传统节假日、工作日负荷特性，拟合用户用电模型，给出变常态运行方式，主要考虑降低损耗，提高供电质量。（4）长期数据趋势分析。基于供电能力历史数据分析确定负荷增长情况，指导电网改造和建设方案，用数据优化量化指标改进负荷转供方案，主要考虑负荷均衡，从而提高电力供应可靠性。依托大数据平台，在农网开发台区智能监控数据分析系统，借助TTU及低压故障指示器，融合配电自动化系统采集信息，以供电调度指挥系统为决策核心，配网移动作业为手段，提升配电网智能感知及主动抢修能力，自动派发抢修工单，并实现抢修超时预警。广大农网用户在电力故障时可以在手机APP看到电力抢修处理进度，进行满意度评价，实现电力故障跟踪处理完整闭环。在电力智能巡检方面，借助GIS和海量物联网传感器，台区人工日巡粒度提升为系统小时粒度自动巡检，运维人力投入下降90%以上，智能台区故障发生率下降至个位数，极大的提升了电网可靠性和用户体验。

（二）网源荷储智能协同控制

在国家推进碳达峰、碳中和的大背景下，数字化电网是新能源发展目标的有力支撑。我国电力资源分布不均的客观现实带来很多问题，比如电力储能一直都是制约我国电力供应的重要因素。传统上国家通过探索南水北调、跨区输电等手段来平衡电力跨区域配置。从能源供给方面来看，新能源替代传统能源是必然趋势，但新能源相对传统能源具有自身特点，波动性和间歇性强，不稳定。而数字电网恰恰能够借助多模态的传感器数据，协同智能化系统拓展电力运行监测能力，实现多元能源的主动协调，借助自动功率调节、快速频率响应等方式实现新能源电网接入“软着陆”，实现更加科学、高效、弹性的电力调度，提升新能源的控制和消纳能力。数字化赋予电网更强的感知、决策、执行能力，利于源网荷储协同互动，提升电网弹性。依托规模化分布式电源最大化消纳、主动配电网协调控制、需求侧资源优化运行、源网荷优化系统等领域关键技术，通过物联网和区块链技术聚合海量用户侧可调节资源，建设“虚拟电厂”，引导广大电力用户合理用电，促进发电侧与负荷侧双向有机互动。电源负荷构成具备多样性，调度空间大。如图2所示，基于分时电价优化对负荷资源可调性进行计算分析，通过负荷调度可削减高峰负荷，改善负荷分布特性，通过数字电网构筑“虚拟电厂”在用电紧张时发挥蓄水池作用，在电力冗余时通过电力交易市场、辅助服务市场就地消纳电能，极大降低分布式电源大规模接入的不确定性对电网安全运行的负面影响，提高电网对清洁能源的消纳能力，正面影响用户用电方式，降低高峰负荷，提高电网的供电可靠性。

（三）配电智能化运维管控

在国家战略性减碳目标为指引的能源革命背景下，配电网作为能源生产、转换、消费的关键环节，正成为电力系统的核心，即是可再生新能源消纳的支撑平台，也是海量电力数据平台。在新一代监测控制系统和数字电网技术支撑下，实时监视配网联络线运行状态，可视化展示故障处置预案。如图3所示，电网日常运行无需人工干预，即可及时发现故障，快速诊断和隔离，并作初步诊断恢复。在电网稳态运行时“自动驾驶”，发生故障时“自动导航”，分析故障数据和设备关联关系，自动重构供电路径，实现“故障自愈”。电网具有弹性适应能力和自动化处理能力，极大提升电网的可靠性和用户满意度。通过配网联络线进行负荷转供，是实现客户不停电、少停电，提高电网可靠性的重要手段。电力工程师足不出户即可对所有变电站的设备设施状态全感知。而传统模式下，变电站全停转供依靠现场人工操作，往往需要数个小时才能完成，即使采用自动化遥控操作，通常也需要半个小时以上。电力工程师需同时对多台自动化开关进行批量远程控制，依靠传感器数据、监控系统、辅助机器人实现缺陷发现和应急处置，实现变电站负荷的“一键瞬转”，即时恢复客户供电，大幅提升电网对极端天气等突发状况的抵御和修复能力，为电网安全提供数字化保障。     广大农村地区不仅电网建设难度大，电网运维更加不易，电力设备运维需要投入更多资源。能源公司服务国家新型城镇化战略和乡村振兴战略，通过持续加强农村电网建设，推进新型农村电网示范区升级改造，加强配网智能化建设，配电自动化基本实现全覆盖。随着农村电网可靠性不断提升，电网故障平均停电时间大幅下降，故障隔离时间不断缩短，保障了农业现代化的电力需求，提升了人民群众的用电体验。这是电网的进步，也是农村电网的进步；农村振兴建设昼夜不停，数字化电网建设添砖加瓦。

（四）馈线自动化和智能化

数字电网所包含的馈线自动化指变电站出线到用户用电设备之间的馈电线路自动化，包括正常情况下的用户检测、指标测量和运行优化，以及异常状态下的故障检测、故隔离、转移和恢复等控制技术，形成完整智能化的具备主动自监控自检测的电力网络，显著提升输电效率，提高电网稳定性。结合广大农网发展参差不齐的特点，因地制宜的采用基于物联网技术路线，解决架空线路单相接地判断问题。智能边缘计算终端通过与配电一二次成套馈线终端复用，安装于10kV架空线路处，传感器安装在线路分段及分界点。当线路发生单相接地故障时，零序电压突变，智能边缘计算终端记录故障发生时刻并发送至同一母线所有传感器，传感器将故障时刻的三相录波波形发送至边缘计算终端。边缘计算终端通过接地故障的波形进行综合研判和故障定位，并将故障区段信息上传主站。 基于5G网络的智能分布式馈线自动化，依托完备的智能控制策略和新一代无线通信手段，采用集中式与分布式DTU进行智能分布式馈线自动化建设，完成故障区段快速定位、隔离与恢复非故障区域供电，控制联络开关恢复非故障区域供电，实现了对电网海量终端设备的实时管理，建成了多个高可靠性配电网示范区，避免了昂贵脆弱的光纤网络建设，特别是在广大的农村地区，具备良好的经济性和实用性。

四、总结和展望

在数字化转型的大潮中，电力行业管理主动性不断增强，行业自律和服务意识逐步成熟，可靠性管理理念深入人心，为夯实电力安全生产基础、促进电力行业健康持续发展发挥了重要的作用。停电少，电压稳，是乡村“用好电”的硬指标；特别是在农业生产、交通、建筑、采暖等多个领域，数字化电网正悄然改变着农村的生态环境与农民的用能习惯。农村供电服务从满足基本供电需求向高质、高效转变。电力行业围绕满足人民美好生活需要，践行“人民电业为人民”企业宗旨，适应农村用电新要求，依托数字电网现代化技术和管理措施，以数字化驱动服务，推进农网配电自动化，积极推广停电范围自动分析、精准通知到户、故障报修进程可视等智能化、精准化、互动化服务，为乡村电网提供稳定、可靠的电力支撑保障。

参考文献

[1]程林,何剑.电力系统可靠性原理和应用[M].清华大学出版社,2015.

[2]肖朝霞,贾双,朱建国,等.风光储微电网并网联络线功率控制策略[J].电工技术学报,2017,32(15):169-179.

[3]郝然,艾芊,朱宇超.基于多智能体一致性的能源互联网协同优化控制[J].电力系统自动化,2017,41(15):10-17.

[4]陈磊,王永庆,杨昊.电网安全分析与仿真技术的现状分析及发展趋势研究[J].智慧电力,2017,45(8):33-38.

[5]李建伟.农网工程建设中提高供电可靠性的措施[J].农村电工,2020,28(9):39-40.

作者:廖妙杰 单位:广东电网有限责任公司梅州五华供电局