從智能微網(wǎng)到智能配電網(wǎng)的分析
1 前言
目前，智能電網(wǎng)剛剛起步，未來智能電網(wǎng)的核心是智能配電網(wǎng)，而智能微網(wǎng)將是智能配電網(wǎng)的重要組成部分。由于微網(wǎng)技術的先進性，在現(xiàn)有微網(wǎng)技術基礎上進一步擴展建設具有智能電網(wǎng)特征的“智能微網(wǎng)”，無疑是最節(jié)省投資、最容易實現(xiàn)的智能電網(wǎng)項目。智能電網(wǎng)研究的四大目標包括：
*現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行;
*使分布式電源得到有效的利用;
*提高電網(wǎng)資產的利用率;
*提高用戶用電的效率、可靠性和電能質量。
上述目標的實現(xiàn)需要通過高級量測體系(AMI)、高級配電運行(ADO)、高級輸電運行(ATO)和高級資產管理(AAM)之間的密切配合。
國家電網(wǎng)公司公布的智能電網(wǎng)發(fā)展目標為：建設以堅強網(wǎng)架為基礎，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務流”的高度一體化融合，是堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動的現(xiàn)代電網(wǎng)。
2智能電網(wǎng)的核心
從長遠來看，智能配電網(wǎng)都將是未來智能電網(wǎng)的核心，電力行業(yè)的定位決定了未來配電網(wǎng)的地位：在電力行業(yè)各個環(huán)節(jié)中，配電系統(tǒng)無疑是與用戶聯(lián)系最緊密的。智能配電系統(tǒng)的建設將為電力用戶帶來以下好處：
1)目前用戶停電95%以上是由配電系統(tǒng)原因引起的，智能配電系統(tǒng)所具有的“自愈”功能將使事故發(fā)生時用戶遭受停電的風險降至最低。
2)智能配電系統(tǒng)的雙向性(雙路通信、雙向表計)將促進電網(wǎng)公司和客戶之間的互動溝通，有利于推進電力需求側管理，使客戶享受更多的電價優(yōu)惠，從而進一步提升電力服務水平。
3)用戶對于包括計算機在內的大量電子設備的應用，將對供電電能質量提出更高要求。對于諧波、無功電壓的治理有賴于新型電力電子裝置的使用，智能配電系統(tǒng)的建設將為用戶帶來更加“優(yōu)質”的電力供應。
4)隨著世界各國不斷加大對新能源產業(yè)的扶持，包括屋頂光伏發(fā)電、小型風電機組等微型并網(wǎng)項目的建設將迅速推進。此外，作為未來發(fā)展方向的智能化樓宇、智能化居民小區(qū)，以燃氣輪機等自備電源為主的分布式電源同樣具有并網(wǎng)運行的需求。對于這些新能源和分布式電源項目的并網(wǎng)，都有賴于新型智能配電網(wǎng)絡的建設。
5)未來社會將是一個全面“電氣化”的社會，作為城市電網(wǎng)的終端，各種新型電氣設備將對配電系統(tǒng)提出更高的要求。
3從智能微網(wǎng)到智能配電網(wǎng)
3.1 微網(wǎng)是分布式發(fā)電發(fā)展的必然結果
微網(wǎng)的概念是隨著分布式發(fā)電的發(fā)展而提出的。隨著新能源產業(yè)的發(fā)展和用戶自備電源的增加，包括光伏發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電、燃料電池發(fā)電和風力發(fā)電等分布式電源有了較大增長。如果大量分布式電源直接并入配電網(wǎng)，將給電網(wǎng)調度運行帶來一系列新的問題：
*分布式電源在電網(wǎng)發(fā)生故障時將立即退出運行;
*分布式電源將間歇性地影響周邊用戶;
*使得配電網(wǎng)電壓調整復雜化;
*容易產生大量諧波，影響該區(qū)域的電能質量;
*給繼電保護整定帶來困難。
為了解決上述問題，通過把分布式電源和負荷一起組合為配電子系統(tǒng)——微網(wǎng)，可以有效降低分布式發(fā)電帶來的不利影響，同時發(fā)揮其積極作用。微網(wǎng)結構見圖l。
圖1 典型微網(wǎng)結構圖
3.2微網(wǎng)是智能配電網(wǎng)的示范平臺微網(wǎng)技術的發(fā)展從一開始就與先進的電力電子技術、計算機控制技術、通信技術緊密相關，其整體技術水平遠遠高于傳統(tǒng)輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)。
智能微網(wǎng)示范項目具有以下組成部分：
*集控中心：可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能化、可視化管理，具有系統(tǒng)運行及平臺展示雙重功能;木多種分布式電源，光伏發(fā)電，微型風力發(fā)電機組，自備發(fā)電機組，等等;
*多個智能化用戶：均具有交互式智能電表、一體化通訊網(wǎng)絡以及可擴展的智能化電氣接口，可支持雙向通信、智能讀表、用戶能源管理(需求側管理DSM)、家庭自動化;
*具有自愈(故障重構)能力的電力網(wǎng)絡：由新型開關設備、測量設備和通訊設備組成，在集控中心調度管理下可自動實現(xiàn)故障隔離、恢復2供電和故障定位診斷;
*定制電力/DFACTS：新型電力電子設備的實驗性應用，包括動態(tài)無功補償SVG、有源濾波器APF、固態(tài)斷路器SSCB等，改善電能質量，適應分布式新能源接入。
*在各個主要部分均預留可擴展接口，建設開放式的智能電網(wǎng)示范研究平臺，為今后進行新的試驗研究和新產品掛網(wǎng)測試做好準備。
3.3 智能微網(wǎng)是智能配電網(wǎng)的重要組成部分
智能微網(wǎng)不僅具有智能配電網(wǎng)的研究和示范作用，而且將成為未來智能配電網(wǎng)的重要組成部分，這是因為智能微網(wǎng)具有如下優(yōu)點：
*智能微網(wǎng)具有智能電網(wǎng)的幾乎所有特點：雙向交互性、網(wǎng)絡自愈功能、靈活性，等等;
*可以提高分布式電源的有效運行時間;.
*有助于在電網(wǎng)災變時保障對重要負荷的持續(xù)供電;
*可以在智能微網(wǎng)范圍內有效解決電壓、諧波問題，避免間歇式電源對周圍用戶電能質量的直接影響;
*可以盡量就地平衡分布式發(fā)電電能，有助于可再生能源優(yōu)化利用和電網(wǎng)節(jié)能降損。
4 結論
未來智能電網(wǎng)的核心是智能配電網(wǎng)，而智能微網(wǎng)將是智能配電網(wǎng)的重要組成部分。由于微網(wǎng)技術的先進性，在現(xiàn)有微網(wǎng)技術基礎上進一步擴展建設具有智能電網(wǎng)特征的“智能微網(wǎng)”，無疑是最節(jié)省投資、最容易實現(xiàn)的智能電網(wǎng)項目。在目前智能電網(wǎng)剛剛起步階段，智能微網(wǎng)的建設具有極大的研究、示范價值和最低的風險性。
微網(wǎng)(MG)作為智能電網(wǎng)重要組成部分，目前在控制方面還存在一些問題，特別是微網(wǎng)的解列和并網(wǎng)控制。針對并網(wǎng)過程對微網(wǎng)和主電網(wǎng)電能質量的影響，通過研究電網(wǎng)中的頻率和功率特性關系，對微網(wǎng)并網(wǎng)過程中的功率流動進行了詳細的分析。最后使用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC對并網(wǎng)過程進行了仿真，通過比較最佳并網(wǎng)時刻前后的不同并網(wǎng)過程，分析了其頻率和功率變化的不同。研究結果表明，微網(wǎng)和主電網(wǎng)電壓相對相位的不同對并網(wǎng)過程的電能質量有很大的影響。
0 引 言
隨著我國對智能電網(wǎng)研究和規(guī)劃的正式啟動， 作為智能電網(wǎng)基礎部分的分布式電源(Distributed Generation， DG)越來越受到人們的關注。DG 主要包括微汽輪機、風能、太陽能、燃料電池、生物質能等。其一般和負載一起組成微網(wǎng)， 作為一個可控單元接入主電網(wǎng)。在并網(wǎng)運行時， 微網(wǎng)通過公共連接點和主電網(wǎng)連接， 當主電網(wǎng)發(fā)生故障或者電能質量問題時， 微網(wǎng)迅速與主電網(wǎng)斷開， 獨立向內部負載供電 ， 當故障解除、主電網(wǎng)恢復正常后， 微網(wǎng)可以再次和主電網(wǎng)并網(wǎng)運行。為了保證在并網(wǎng)過程中微網(wǎng)和主電網(wǎng)的電壓和頻率等電能質量指標符合國家標準， 并網(wǎng)過程一定要采取合理有效的控制策略， 保證并網(wǎng)過程的順利安全進行。
本研究中只考慮并網(wǎng)后電網(wǎng)向微網(wǎng)注入功率， 而微網(wǎng)向電網(wǎng)注入功率的控制在以后的研究中進一步深入探討。通過PSCAD /EMTDC仿真， 重點研究并網(wǎng)過程的電壓和頻率波動， 提出安全有效的并網(wǎng)控制方法。
1 典型微網(wǎng)結構
典型微網(wǎng)結構如圖1所示， 主要由分布式電源、儲能系統(tǒng)、負載和保護裝置組成一個低壓電網(wǎng)( low voltage， LV)， 通過變壓器和主電網(wǎng)的中壓電網(wǎng)(medium voltage， MV)連接 ， 當主電網(wǎng)中發(fā)生重大電能質量問題時， 微網(wǎng)控制中心(MicroGrid Control Center，MGCC)控制微網(wǎng)進入孤島模式運行， 保護微網(wǎng)內部敏感和重要設備。微網(wǎng)的并網(wǎng)是一個復雜的控制過程，在閉合之前需要對一些電能質量指標進行檢查， 只有這些指標滿足同步并網(wǎng)要求， 才能合上開關接入主電網(wǎng)。
2 并網(wǎng)后的功率流動
在電力系統(tǒng)中，當功率出現(xiàn)不平衡或者頻率發(fā)生變化時，頻率和功率的調整是由負荷和電源兩者的調節(jié)效應來完成。系統(tǒng)中的頻率和有功功率間的關系為：
$f = - Ks$P = - Ks(P0-P1) (1)
式中Ks系統(tǒng)的頻率調節(jié)特性;$P系統(tǒng)有功功率的變化;P0、P1不同頻率下對應的功率;$f系統(tǒng)頻率的變化。
在孤島模式下，DG提供了微網(wǎng)內部負載所需的所有功率。并網(wǎng)后DG產生功率的多少由微網(wǎng)控制中心的指令決定，微網(wǎng)所需功率的缺額部分再由電網(wǎng)注入。
圖2 孤島系統(tǒng)的頻率-功率特性圖
兩個孤島系統(tǒng)的頻率-功率特性圖如圖2所示。在連接之前，DG(A)、DG(B)分別以不同頻率獨立向各自負載供電，DG(A)的頻率為 fa，DG(B)的頻率為fb，連接后成為含有兩個DG的孤島。在分開運行時A比B的頻率要高，當它們并網(wǎng)連接后只能在同一個頻率f0下運行。從圖2可以看出，此時A由于頻率下降增加了$Pa的功率輸出，B由于頻率上升減少了$Pb的功率輸出，而整個網(wǎng)絡的負載沒有變化，所以$Pa等于$Pb，并網(wǎng)后功率從A流向了B。同樣，如果并網(wǎng)前DG(A)的頻率低于DG(B)，連接以后功率從B流向了A。這說明并網(wǎng)后功率會從并網(wǎng)前頻率高的流向頻率低的，所以要使并網(wǎng)以后功率從電網(wǎng)流向微網(wǎng)，必須保證并網(wǎng)前電網(wǎng)頻率要稍高于微網(wǎng)頻率。
上面這種情況在實際應用中也是很有可能遇到的，當發(fā)生重大事故后，所有DG都將和微網(wǎng)分離，在微網(wǎng)重新啟動時，DG將依次接入微網(wǎng)。
3 同步并網(wǎng)控制策略
一般來說，并網(wǎng)前兩個獨立運行的系統(tǒng)，其運行頻率很難調整到完全相同。并網(wǎng)前電網(wǎng)電壓和微網(wǎng)電壓分別為U#g和U#m，電壓幅值Ug=Um，頻率fgXfm。假設并網(wǎng)后功率從電網(wǎng)注入微網(wǎng)，根據(jù)并網(wǎng)后功率流動的分析，fm要稍低于fg，可得開關兩側的電壓差Us為：
Us=Ugsin(Xgt+Ug)-Umsin(Xmt+Um) (2)
其中，Xg=2Pfg，Xm=2Pfm。
式(2)可變換為：
式中D)滑差角頻率，D=Xg-Xm;B)初相位差，B=Ug-Um。
微網(wǎng)仿真模型圖如圖3所示，微網(wǎng)含有一個DG和負載，以直流電源通過逆變器產生交流電來模擬DG，微網(wǎng)通過并網(wǎng)開關和主電網(wǎng)連接。假設并網(wǎng)前電網(wǎng)電壓為 E#g，微網(wǎng)電壓為E#m，根據(jù)上面功率流動的分析，要使并網(wǎng)后功率從電網(wǎng)流向微網(wǎng)，并網(wǎng)前電網(wǎng)頻率要稍高于微網(wǎng)頻率，即E#g的頻率稍高于E#m的頻率。同時根據(jù)上面對電壓差的分析得出式(5)，可知并網(wǎng)開關兩側的電壓差是脈動電壓，仿真結果如圖4(a)所示。在5.0s時刻的局部放大圖如圖4(b) 所示，從圖中可以看出，5.0s是最合適的閉合開關時刻(這樣的時刻是周期性出現(xiàn)的)，開關兩側的電壓差最小，閉合過程產生的瞬間電流也很小，安全性能比較高。
電壓E#g和E#m的對比圖如圖5所示(點劃線是電網(wǎng)電壓E#g，實線是微網(wǎng)電壓E#m)。綜合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)在5.0s是并網(wǎng)的最佳時刻，但是在實際應用中恰好在5.0s這個時刻閉合開關的可能性很小，往往都是這點的前后合上開關。仔細觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)在5.0s前后是兩種不同的情況，5.0s之前是E#m超前于E#g，即E#m的相位超前E#g，5.0s之后則是相反的情況，E#g超前于E#m。下面重點分析這一不同點對并網(wǎng)過程的影響。
微網(wǎng)的總負載是2.0pu，在孤島模式下由DG提供了全部的功率，而并網(wǎng)后要求DG的輸出功率是1.0pu。首先在5.0s之前閉合開關，在這個時間段E#m超前于E#g，就是說頻率低的電壓相位超前于頻率高的電壓，同時保證開關兩側的電壓差盡量小。在并網(wǎng)過程中DG的輸出功率和頻率的變化如圖6所示。
從圖6(a)可以看到，在并網(wǎng)過程中有一段向上的功率輸出波動，然后又迅速回到正常水平。因為在并網(wǎng)前后整個系統(tǒng)的總負載沒有變化，對微網(wǎng)來說，那些額外產生的功率流向了并網(wǎng)后的主電網(wǎng)。從圖6(b)中可見，并網(wǎng)過程中有一段頻率突然下降，短時間內產生了激烈的波動。
5.0s之后閉合開關的情況如圖7所示，電壓差比較小的時候并網(wǎng)，頻率高的E#g超前于頻率低的E#m，從圖7(a)可以明顯地發(fā)現(xiàn)功率從2.0pu變化到1.0pu，沒有較大的波動，過渡比較平穩(wěn)。在圖7(b)中，頻率的過渡同樣也是比較平滑。因此如圖7所示的情況才是最佳的并網(wǎng)過程，頻率和功率波動都比較小，而且由于是在電壓差比較小的時刻閉合并網(wǎng)開關，開關中產生的瞬時電流也比較小，整個過程中電能質量得到了有效的保證。
4 結束語
本研究通過對含有一個DG的微網(wǎng)并網(wǎng)過程仿真，研究了并網(wǎng)過程中頻率和電壓波動變化，著重分析了在并網(wǎng)前開關兩側電壓相對相位超前和落后的兩種不同情況，提出了微網(wǎng)并網(wǎng)的最佳控制策略：
(1)并網(wǎng)時開關兩側的電壓差必須很小，理想狀態(tài)為零;
(2)電網(wǎng)頻率必須稍高于微網(wǎng)頻率;
(3)并網(wǎng)時刻電網(wǎng)電壓必須超前于微網(wǎng)電壓。
并網(wǎng)后微網(wǎng)向主電網(wǎng)注入功率的情況在以后進一步進行研究。
智能電網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的一個根本特征是支持分布式電源(Dist ributed Energy Resources ,DER) 的大量接入。滿足DER 并網(wǎng)的需要,是智能電網(wǎng)提出并獲得迅速發(fā)展的根本原因。本講介紹分布式電源的基本概念及其并網(wǎng)技術,作為讀者學習、了解智能電網(wǎng)技術的基礎知識。
1 分布式電源的概念
分布式電源指小型(容量一般小于50 MW) 、向當?shù)刎摵晒╇姟⒖芍苯舆B到配電網(wǎng)上的電源裝置。它包括分布式發(fā)電裝置與分布式儲能裝置。
分布式發(fā)電(Dist ributed Generation ,DG) 裝置根據(jù)使用技術的不同,可分為熱電冷聯(lián)產發(fā)電、內燃機組發(fā)電、燃氣輪機發(fā)電、小型水力發(fā)電、風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、燃料電池等;根據(jù)所使用的能源類型,DG可分為化石能源(煤炭、石油、天然氣) 發(fā)電與可再生能源(風力、太陽能、潮汐、生物質、小水電等) 發(fā)電兩種形式。分布式儲能(Dist ributed Energy Storage ,DES) 裝置是指模塊化、可快速組裝、接在配電網(wǎng)上的能量存儲與轉換裝置。根據(jù)儲能形式的不同,DES 可分為電化學儲能(如蓄電池儲能裝置) 、電磁儲能(如超導儲能和超級電容器儲能等) 、機械儲能裝置(如飛輪儲能和壓縮空氣儲能等) ,熱能儲能裝置等。此外,近年來發(fā)展很快的電動汽車亦可在配電網(wǎng)需要時向其送電,因此也是一種DES。
2 分布式電源的發(fā)展
2. 1 分布式發(fā)電技術的發(fā)展
長期以來,電力系統(tǒng)向大機組、大電網(wǎng)、高電壓的方向發(fā)展。進入20 世紀80 年代,各種分散布置的、小容量的發(fā)電技術又開始引起人們的關注,經(jīng)過20 多年的發(fā)展,分布式發(fā)電已成為一股影響電力工業(yè)未來面貌的重要力量。引起這一變化的原因主要有以下幾個方面。
1) 應對全球能源危機的需要。隨著國際油價的不斷飆升,能源安全問題日益突出,為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,人們的目光轉向了可再生能源,因此,風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等備受關注,快速發(fā)展并開始規(guī)�；虡I(yè)應用,而這些可再生能源的發(fā)電大都是小型的、星羅棋布的。
2) 保護環(huán)境的需要。CO2 排放引起的全球氣候變暖問題,已引起各國政府的高度重視,并成為當今世界政治的核心議題之一。為保護環(huán)境,世界上工業(yè)發(fā)達國家紛紛立法,扶持可再生能源發(fā)電以及其他清潔發(fā)電技術(如熱電聯(lián)產微型燃氣輪機) ,有利地推動了DG的發(fā)展。
3) 天然氣發(fā)電技術的發(fā)展。對于天然氣發(fā)電來說,機組容量并不明顯影響機組的效率,并且天然氣輸送成本遠遠低于電力的傳輸,因此比較適合采用有小容量特點的DG。
4) 避免投資風險。由于難以準確地預測遠期的電力需求增長情況,為規(guī)避風險,電力公司往往不愿意投資大型的發(fā)電廠以及長距離超高壓輸電線路。此外,高壓線路走廊的選擇也比較困難。這都促使電力公司選擇一些投資小、見效快的DG項目來就地解決供電問題。
在國際上,DG 的發(fā)展方興未艾。在美國,1978 年修改了《公共事業(yè)法》,以法律的形式要求各電力公司接受用戶的小型能源系統(tǒng),特別是熱電機組并網(wǎng);2000 年,熱電聯(lián)產裝機容量已占總裝機容量的7 %,預計到2010 年將占其總裝機容量的14 %;2008 年,風力發(fā)電裝機容量達2500 萬kW;太陽能裝機容量達87 萬kW。歐洲在世界上最早開始應用DG。目前,丹麥、芬蘭、挪威等國的DG容量均已接近或超過其總發(fā)電裝機容量的50 %;歐洲DG 應用規(guī)模最大的德國,2008 年末風電裝機容量達到2300 萬kW ,太陽能發(fā)電裝機容量達540 萬kW。
我國應用的DG 原來主要以小水電為主,風電、光伏發(fā)電等起步相對較晚。2003 年以來,國家強力推進節(jié)能減排,頒布了《可再生能源法》并制定了一系列促進可再生能源利用與提高能效技術發(fā)展的政策。到2008 年底,我國風力發(fā)電裝機容量達到1200 萬kW ,躍居世界第三位;光伏發(fā)電裝機容量達到14 萬kW。
近年來,各國政府對能源安全與環(huán)境問題高度重視。美國、歐盟都提出2020 年應用可再生能源占總能源消費的比例超過20 %;我國也制定了2020 年應用可再生能源占消費總能源的比例達15 %的目標。目前,各國可再生能源發(fā)電容量在總發(fā)電裝機容量中的比例遠低于這些目標,可見DG的發(fā)展空間巨大。
目前,風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電的成本還遠高于常規(guī)燃煤發(fā)電,只有國家實行優(yōu)惠的稅收政策并給予一定的財政補貼,才能調動投資者發(fā)展DG 的積極性。其次,DG 并網(wǎng)技術也是制約DG發(fā)展的重要因素,因此,智能電網(wǎng)的提出,從技術上為解決這一問題創(chuàng)造了條件。
2. 2 分布式儲能技術的發(fā)展
能量儲存是電力系統(tǒng)調峰的有效手段,作為一種成熟的儲能技術,抽水蓄能電站獲得了大量應用。近年來,作為補償DG輸出間歇性、波動性的有效手段,分布式儲能技術受到了人們的重視。
蓄電池是一種傳統(tǒng)儲能技術。鈉硫電池具有大容量、高效率、結構緊湊、易擴展、對環(huán)境影響小等優(yōu)點,技術進一步成熟后可用于城市電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電補償。超級電容器容量大、使用壽命長、環(huán)保,目前已有市場化應用。2005 年,美國加利福尼亞州建造了一臺450 kW 的超級電容器儲能裝置,用以減輕950 kW 風力發(fā)電機組向電網(wǎng)輸送功率的波動。飛輪儲能效率高、壽命長,德國、美國等都在投資研制用于電網(wǎng)調峰的飛輪儲能裝置。超導磁能儲能具有效率高、響應快等優(yōu)點,目前已在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到了應用。
總體來說,分布式儲能技術還在發(fā)展之中,還沒有實現(xiàn)大規(guī)模產業(yè)化,需要國家在政策上給于引導和扶持。
3 分布式電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響
3. 1 分布式電源并網(wǎng)的作用
分布式發(fā)電裝置并網(wǎng)后會給配電網(wǎng)帶來一系列積極的影響。
1) 提高供電可靠性。DER 可以彌補大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性上的不足。含DER 的微電網(wǎng)可以在大電網(wǎng)停電時維持全部或部分重要用戶的供電,避免大面積停電帶來的嚴重后果。
2) 提高電網(wǎng)的防災害水平。災害期間,DER可維持部分重要負荷的供電,減少災害損失。
3) DER 啟停方便,調峰性能好,有利于平衡負荷。
4) DER 投資小、見效快。發(fā)展DG 可以減少、延緩對大型常規(guī)發(fā)電廠與輸配電系統(tǒng)的投資,降低投資風險。
5) 可以滿足特殊場合的用電需求。如用于大電網(wǎng)不易達到的偏遠地區(qū)的供電;在重要集會或慶典上,DER 處于熱備用狀態(tài)可作為移動應急發(fā)電。
6) 減少傳輸損耗。DER 就近向用電設備供電,避免輸電網(wǎng)長距離送電的電能傳輸損耗。
分布式儲能裝置并網(wǎng)后,可在負荷低谷時從電網(wǎng)上獲取電能,而在負荷高峰時向電網(wǎng)送電,起到對負荷削峰填谷的作用,提高電網(wǎng)運行效率。其另一個重要作用,是與風能、太陽能等可再生能源發(fā)電裝置配合使用,可就地補償可再生能源發(fā)電裝置功率輸出的間歇性。
3. 2 分布式電源并網(wǎng)帶來的技術問題
DER 的大量接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)功率單向流動的狀況,這給配電網(wǎng)帶來一系列新的技術問題。
1) 電壓調整問題。配電線路中接入DER ,將引起電壓分布的變化。由于配電網(wǎng)調度人員難以掌握DER 的投入、退出時間以及發(fā)出的有功功率與無功功率的變化,使配電線路的電壓調整控制十分困難。
2) 繼電保護問題。DER 的并網(wǎng)會改變配電網(wǎng)原來故障時短路電流水平并影響電壓與短路電流的分布,對繼電保護系統(tǒng)帶來影響:
(1) 引起保護拒動。DER 對保護動作的影響如圖1 所示。如果一個DER 接在線路的M處,當線路末端k 處發(fā)生短路故障時,它向故障點送出短路電流并抬高M 處的電壓,因此使母線處保護R 檢測到的短路電流減少,從而降低保護動作的靈敏度,嚴重時會引起保護拒動。
(2) 引起配電網(wǎng)保護誤動。在相鄰線路發(fā)生短路故障時,DER 提供的反向短路電流可能使保護誤動作。
(3) 影響重合閘的成功率。在線路發(fā)生故障時,如果在主系統(tǒng)側斷路器跳開時DER 繼續(xù)給線路供電,會影響故障電弧的熄滅,造成重合閘不成功。如果在重合閘時,DER 仍然沒有解列,則會造成非同期合閘,由此引起的沖擊電流使重合閘失敗,并給分布式發(fā)電設備帶來危害。
(4) 影響備用電源自投。如果在主系統(tǒng)供電中斷時,DER 繼續(xù)給失去系統(tǒng)供電的母線供電,則由于母線電壓繼續(xù)存在,會影響備用電源自投裝置的正確動作。
3) 對短路電流水平的影響。直接并網(wǎng)的發(fā)電機都會增加配電網(wǎng)的短路電流水平,因此提高了對配電網(wǎng)斷路器遮斷容量的要求。
4) 對配電網(wǎng)供電質量的影響。風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電輸出的電能具有間歇性特點,會引起電壓波動。通過逆變器并網(wǎng)的DER ,不可避免地會向電網(wǎng)注入諧波電流,導致電壓波形出現(xiàn)畸變。
3. 3 分布式電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)運行管理的影響
1) DER 的接入,會增加配電網(wǎng)調度與運行管理的復雜性。風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等輸出的電能具有很大的隨機性,而用戶自備DER 一般是根據(jù)用戶自身需要安排機組的投切;這一切給合理地安排配電網(wǎng)運行方式、確定最優(yōu)網(wǎng)絡運行結構帶來困難。
2) DER 的接入,給配電網(wǎng)的施工與檢修維護帶來了影響。由于難以對眾多的DER 進行控制,停電檢修計劃安排的難度增加,配電網(wǎng)施工安全風險加大。
3. 4 分布式電源對配電網(wǎng)規(guī)劃建設與經(jīng)營的影響
DER 的大量應用,給配電網(wǎng)的規(guī)劃建設與經(jīng)營帶來了新挑戰(zhàn)。
1) 對配電網(wǎng)規(guī)劃設計、負荷預測的影響。由于大量的用戶安裝DER 為其提供電能,使得配電網(wǎng)規(guī)劃人員難以準確地進行負荷預測,進而影響配電網(wǎng)規(guī)劃的合理性。
2) 分布式發(fā)電并網(wǎng)的經(jīng)濟問題。由于DER的接入,特別是對于自備DER 的用戶,為保證其自備DER 停運時仍能正常用電,供電企業(yè)需要為其提供一定的備用容量,這就增加了供電企業(yè)的設備投資與運行成本,這些費用理應有一部分由DER 業(yè)主來分擔。因此,需要完善電價政策,合理地調整供電企業(yè)與DER 業(yè)主的利益。
4 分布式電源并網(wǎng)技術
4. 1 分布式電源并網(wǎng)基本技術要求
為確保配電網(wǎng)的安全運行和供電質量,DER并網(wǎng)要滿足以下基本要求。
1) 保證配電網(wǎng)電壓合格,所引起的電壓偏移不超過允許的范圍。
2) 配電設備正常運行電流不超過額定值,動熱穩(wěn)定電流不超過允許值。
3) 短路容量不超過開關、電纜等配電設備的允許值。
4) 電能質量合格,所引起的電壓驟升、驟降、閃變、諧波不超過規(guī)定值。
4. 2 分布式電源接入方案的選擇
DER 并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響與DER 的容量以及接入配電網(wǎng)的規(guī)模、電壓等級有關。一般情況下,DER 容量在250 kVA 以內的接入380 V/ 400V 低壓電網(wǎng); DER 容量在1 ～ 8 MVA 的接入10 kV等級中壓電網(wǎng);DER 容量更大一些的則接入更高電壓等級的配電網(wǎng)。具體接入方式一般是大容量的DER 通過聯(lián)絡線接到附近變電所的母線上,如圖2 (a) 所示。對于小型的DER ,為減少并網(wǎng)投資,就近并在配電線路上,如圖2 (b) 所示。
圖2 DER 接入配電網(wǎng)的方式
美國電氣電子工程師協(xié)會( IEEE) 的第21 標準化工作組起草的DER 并網(wǎng)系列標準中,定義了以下兩個參數(shù)來衡量DER 并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響。
1) 剛度系數(shù),指配電網(wǎng)中DER 接入點的設計短路電流與DER 額定電流的比值。
2) 短路電流貢獻比,指配電網(wǎng)在DER 接入點發(fā)生短路時,來自DER 的短路電流與來自配電網(wǎng)的短路電流的比值。
剛度系數(shù)越大,短路電流貢獻比越小,則配電網(wǎng)運行電壓與短路電流受DER 并網(wǎng)的影響越小。一般認為,如果剛度系數(shù)大于20 ,則DER 并網(wǎng)不會對配電網(wǎng)運行帶來實質性影響。
在我國,熱電聯(lián)產發(fā)電與小水力發(fā)電有著很廣泛的應用,它們一般是并到配電變電所的母線上。這些DER (小電源) 的并網(wǎng)以及保護控制技術已比較成熟,有大量的技術標準、規(guī)程可供參考。近年來,太陽能光伏發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電等容量在數(shù)百千瓦及以下的小型分布式電源有了很大發(fā)展,為降低成本,它們一般是就近接到配電線路上,這些小型DER 的并網(wǎng)及其保護控制技術還需進一步探討。
為減少投資、簡化工作程序與運行管理,一些國家的供電企業(yè)對于小型DER 并網(wǎng)采取“即接即忘(Connect and Forget ) ”的原則,即忽略其對配電網(wǎng)安全性、供電質量與保護控制方式的影響。為達到這一目的,需要對DER 的接入容量做出嚴格限制。例如, 美國對于小型( 容量小于200kVA) DER 的并網(wǎng), 供電企業(yè)要求接入線路的DER 總容量小于線路最小負荷的10 %。
4. 3 分布式電源并網(wǎng)保護
分布式電源并網(wǎng)保護除分布式電源機組的保護外,主要是配備孤島運行保護,簡稱孤島保護。
“孤島”是指配電線路或部分配電網(wǎng)與主網(wǎng)的連接斷開后,由分布式電源獨立供電形成的配電網(wǎng)絡。如圖2 (a) 中,變壓器低壓側斷路器QF1 跳開后,分布式電源和母線上其他線路形成的獨立網(wǎng)絡就是一個孤島。這種意外的孤島運行狀態(tài)是不允許的,因為其供電電壓與頻率的穩(wěn)定性得不到保障,并且線路繼續(xù)帶電會影響故障電弧的熄滅、重合閘的動作,危害事故處理人員的人身安全。對于中性點有效接地系統(tǒng)的電網(wǎng)來說,一部分配電網(wǎng)與主網(wǎng)脫離后,可能會失去接地的中性點,成為非有效接地系統(tǒng),這時孤島運行就可能引起過電壓,危害設備與人身安全。
在DER 與配電網(wǎng)的連接點上,需要配備自動解列裝置,即孤島保護。在檢測出現(xiàn)孤島運行狀態(tài)后,迅速跳開DER 與配電網(wǎng)之間的聯(lián)絡開關。一般來說,在孤島運行狀態(tài)下,DER 發(fā)電量與所帶的負荷相比,有明顯的缺額或過剩,從而導致電壓與頻率的明顯變化,據(jù)此可以構成孤島運行保護。孤島保護的工作原理主要有以下3 種。
1) 反應電壓下降或上升的欠壓/ 過壓保護。
2) 反應頻率下降或上升的頻率變化率保護。
3) 反應前后兩個周波電壓相量變化的相量偏移保護。
反映頻率變化率的孤島保護在電力系統(tǒng)功率出現(xiàn)缺額導致頻率下降時也可能動作,這導致在電力系統(tǒng)最需要功率支持的時候切除DER ,使電網(wǎng)情況更為惡化。因此,實際應用中不宜將低頻解列保護整定得過于靈敏,以避免這種不利局面的發(fā)生。
在線路故障切除后,重合閘時間需要與孤島運行保護配合,其等待時間要確保DER 解列并留有足夠的故障點熄弧時間。
4. 4 DER并網(wǎng)技術標準
一些工業(yè)發(fā)達國家已對DER 并網(wǎng)的技術標準進行制定。英國電力協(xié)會( Elect ricity Associa2tion) 早在1991 年就發(fā)布了《G59/ 1 嵌入式發(fā)電并入地區(qū)配電網(wǎng)的推薦技術標準》;國際電氣電子工程師協(xié)會( IEEE) 于2003 年6 月發(fā)布了“DER并網(wǎng)技術標準IEEE Std. 1547”,2003 年10 月該標準被批準為國家標準。在我國,上海市電力公司和上海燃氣集團公司聯(lián)合制定了《分布式供能系統(tǒng)工程技術規(guī)程》,上海市政府于2005 年8 月發(fā)文要求在全市范圍內貫徹實施這一規(guī)程。但總體來說,我國在這方面的工作還比較滯后。特別是接入配電線路的DER 的并網(wǎng)問題,沒有可供參考的技術標準、規(guī)范,急需啟動有關標準的制定工作。
5 分布式電源并網(wǎng)技術的發(fā)展
以上介紹的DER 并網(wǎng)技術是“有限接入”,即對于接入容量等做出嚴格限制。為了充分利用可再生能源,必須實現(xiàn)DER 并網(wǎng)的“寬限接入”和大量接入,這也是智能電網(wǎng)概念提出的根本原因之一,智能電網(wǎng)技術的發(fā)展,將使這問題能得到較好地解決。隨著DER 的大量接入,配電網(wǎng)就由傳統(tǒng)的無源網(wǎng)絡將發(fā)展成為有源網(wǎng)絡,當前,涉及這方面的技術研究主要有微電網(wǎng)技術與虛擬發(fā)電廠技術。
5. 1 有源網(wǎng)絡的基本概念
有源網(wǎng)絡(Active Network) 指的是分布式電源高度滲透、功率雙向流動的配電網(wǎng)絡。所謂“高度滲透”是指接入的DER 對配電網(wǎng)的潮流、短路電流產生了實質性的影響,使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃設計、保護控制、運行管理方法不再有效。有源網(wǎng)絡的概念是針對并網(wǎng)技術對DER 接入容量做出嚴格限制的配電網(wǎng)而提出的。
有源網(wǎng)絡不再單純地為了不影響現(xiàn)有配電網(wǎng)而嚴格限制DER 的接入,而是讓DER 盡可能地多發(fā)電(特別是對可再生能源) 、充分地發(fā)揮其對配電網(wǎng)的積極作用以及節(jié)省電力系統(tǒng)的整體投資。DER 的容量客觀上是可以替代一部分配電容量的,從而減少對發(fā)、輸、配電系統(tǒng)的投資。因此,考慮DER 對配電容量的替代作用,也是有源網(wǎng)絡的一個重要的特征。
有源網(wǎng)絡給配電網(wǎng)的保護控制、運行管理提出了新挑戰(zhàn),它包括電壓控制、繼電保護、短路電流限制、故障定位與隔離、DER 調度管理等方面的問題。
5. 2 微電網(wǎng)技術
微電網(wǎng)(Micro Grid) 簡稱微網(wǎng),是指由DG、DES 裝置和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的并為相應區(qū)域供電的小型發(fā)配電系統(tǒng),能夠不依賴大電網(wǎng)而正常運行,實現(xiàn)區(qū)域內部供需平衡。一般來說,微網(wǎng)是一個用戶側的電網(wǎng),它通過一個公共連接點(Point of Common Connection ,PCC) 與大電網(wǎng)連接。圖3 是美國電力可靠性技術解決方案協(xié)會(CERTS) 提出的微電網(wǎng)基本結構。
圖3 CERTS 提出的微電網(wǎng)結構
按照常規(guī)的做法,DER 必須配備孤島保護,在大電網(wǎng)停電時自動與主網(wǎng)斷開。而微網(wǎng)可以在與大電網(wǎng)脫離后獨立運行,由DER 維持區(qū)域內所有或部分重要負荷的供電,能夠發(fā)揮出DER 在提高供電可靠性方面的作用。
微網(wǎng)僅在PCC 點與大電網(wǎng)連接,避免了多個DER 與大電網(wǎng)直接連接。通過合理地設計,可使微網(wǎng)中DER 主要用于區(qū)域內部負荷的供電,做到不向外輸送或輸送很小的功率,使得大電網(wǎng)可以不考慮其功率輸出的影響,繼續(xù)采用“即接即忘”的并網(wǎng)方法。這樣,就較好地解決了DER 大量接入與不改變配電網(wǎng)現(xiàn)有保護控制方式之間的矛盾。
就微網(wǎng)本身來說,它是一個“有源網(wǎng)絡”,需要解決功率平衡、穩(wěn)定控制、電壓調整、繼電保護等一系列問題。微網(wǎng)技術還在研究發(fā)展之中,是智能配電網(wǎng)的重要研究內容。
5. 3 虛擬發(fā)電廠技術
虛擬發(fā)電廠(Virt ual Power Plant ,VPP) 技術是將配電網(wǎng)中分散安裝的DER 通過技術支撐平臺實現(xiàn)統(tǒng)一調度并將其等效為一個發(fā)電區(qū),實現(xiàn)分布式電源大量并網(wǎng),達到DER 的優(yōu)化利用、降低電網(wǎng)峰值負荷、提高供電可靠性的目的。
VPP 的調度對象主要是可隨時啟動并且功率可調節(jié)的DER ,如熱電聯(lián)產微型燃氣輪機、應急供電柴油發(fā)電機組以及各種DES 等。對于風能、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電來說,其輸出具有不確定性,且一般需要在具備條件時讓其足額發(fā)電,因此不能對其進行有效地調度。
實施VPP 要有配網(wǎng)自動化系統(tǒng)(DAS) 作為技術支撐平臺。VPP 是DAS 的一個高級應用功能。DAS 需要采集、處理分布式電源的實時運行數(shù)據(jù),并能夠對其進行調節(jié)、控制。
除技術問題外,實施VPP 還涉及電價、政策法規(guī)等一系列問題,目前處于研究探討階段,還缺少成熟的經(jīng)驗。
致謝
本講座寫作過程中承蒙山東大學馬士聰博士的幫助,表示感謝!
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1 智能電網(wǎng)及其發(fā)展
1. 1 智能電網(wǎng)的定義
“智能電網(wǎng)”(Smart Grid) ,最早出自美國“未來能源聯(lián)盟智能電網(wǎng)工作組”在2003 年6 月份發(fā)表的報告。報告將智能電網(wǎng)定義為“集成了傳統(tǒng)的現(xiàn)代電力工程技術、高級傳感和監(jiān)視技術、信息與通信技術的輸配電系統(tǒng),具有更加完善的性能并且能夠為用戶提供一系列增值服務�！痹诖酥�,陸續(xù)有一些文章、研究報告提出智能電網(wǎng)的定義;此外還有類似的“Intelli Grid”、“Modern Grid(現(xiàn)代電網(wǎng)) ”的稱謂。盡管這些定義、稱謂在具體的說法上有所不同,但其基本含義與以上給出的定義是一致的。
“智能”二字,很容易使人認為智能電網(wǎng)是一個屬于二次系統(tǒng)自動化范疇的概念。事實上,智能電網(wǎng)是未來先進電網(wǎng)的代名詞,我們可從技術組成和功能特征兩方面來理解它的含義。
1) 從技術組成方面講,智能電網(wǎng)是集計算機、通信、信號傳感、自動控制、電力電子、超導材料等領域新技術在輸配電系統(tǒng)中應用的總和。這些新技術的應用不是孤立的、單方面的,不是對傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)進行簡單地改進、提高,而是從提高電網(wǎng)整體性能、節(jié)省總體成本出發(fā),將各種新技術與傳統(tǒng)的輸配電技術進行有機地融合,使電網(wǎng)的結構以及保護與運行控制方式發(fā)生革命性的變化。
2) 從功能特征上講,智能電網(wǎng)在系統(tǒng)安全性、供電可靠性、電能質量、運行效率、資產管理等方面較傳統(tǒng)電網(wǎng)有著實質性的提高;支持各種分布式發(fā)電與儲能設備的即插即用;支持與用戶之間的互動。
1. 2 智能電網(wǎng)的發(fā)展
盡管智能電網(wǎng)的概念是在2003 年提出的,但智能電網(wǎng)技術的發(fā)展最早可追溯到20 世紀60 年代計算機在電力系統(tǒng)的應用。20 世紀80 年代發(fā)展起來的柔性交流輸電( FACTS) 與誕生于20 世紀90 年代的廣域相量測量(WAMS) 技術,也都屬于智能電網(wǎng)技術的范疇。進入21 世紀,分布式電源(Dist ributed Elect ric Resource ,DER ,包括分布式發(fā)電與儲能) 迅猛發(fā)展。人們對DER 并網(wǎng)帶來的技術與經(jīng)濟問題的關注,在一定程度上催生了智能電網(wǎng)。
近年來,國際上對智能電網(wǎng)的研究可謂方興末艾。2002 年,美國電科院創(chuàng)立了“Intelli Grid”聯(lián)盟(原名稱為GEIDS) ,開展現(xiàn)代智能電網(wǎng)的研究,已提出了用于電網(wǎng)數(shù)據(jù)與設備集成的Intelli2Grid 通信體系; 2003 年7 月, 美國能源部發(fā)表“Grid2030”報告,提出了美國電網(wǎng)發(fā)展的遠景設想,之后美國能源部先后資助了GridWise 、Grid2Works、MGI (現(xiàn)代電網(wǎng)) 等智能電網(wǎng)研究計劃。在實際應用方面,德克薩斯州的CenterPoint 能源公司、圣狄戈水電公司(SDG & E) 等都在著手智能電網(wǎng)項目的實施或制定發(fā)展規(guī)劃;作為美國蓋爾文電力行動計劃( GEI) 的一部分,伊利諾斯工學院( IIT) 正在實施“理想電力( Perfect Pow2er) ”項目。
歐洲國家也在積極推動智能電網(wǎng)技術研發(fā)與應用工作。歐盟于2005 年成立了“智能電網(wǎng)技術論壇”;以歐洲國家為基礎的國際供電會議組織(CIRED) 于2008 年6 月召開了“智能電網(wǎng)”專題研討會。在智能電網(wǎng)建設方面,意大利電力公司( ENEL) 在2002 年～2005 年投資了21 億歐元實施智能讀表項目,使高峰負荷降低約5 %,據(jù)報道每年可節(jié)省投資近5 億歐元; 法國電力公司( EDF) 以智能電網(wǎng)作為設計方針,改造其配電自動化系統(tǒng)。
我國對智能電網(wǎng)的研究與討論起步相對較晚,但在具體的智能電網(wǎng)技術研發(fā)與應用方面基本與世界先進水平同步。我國地區(qū)級以上電網(wǎng)都實現(xiàn)了調度自動化,35 kV 以上變電站基本都實現(xiàn)了變電站綜合自動化,有200 多個地級城市建設了配電自動化。廣域相量測量系統(tǒng)(WMAS) 、FACTS 等技術的研發(fā)與應用都有突破性進展。最近,國家電網(wǎng)公司提出“建設堅強的智能化電網(wǎng)”,極大地推動了我國智能電網(wǎng)研究的開展。
2 智能配電網(wǎng)的功能特征
智能配電網(wǎng)(Smart Dist ribution Grid ,SDG)指智能電網(wǎng)中配電網(wǎng)部分的內容。與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相比,SDG具有以下功能特征。
1) 自愈能力。自愈是指SDG能夠及時檢測出已發(fā)生或正在發(fā)生的故障并進行相應的糾正性操作,使其不影響對用戶的正常供電或將其影響降至最小。自愈主要是解決“供電不間斷”的問題,是對供電可靠性概念的發(fā)展,其內涵要大于供電可靠性。例如目前的供電可靠性管理不計及一些持續(xù)時間較短的斷電,但這些供電短時中斷往往都會使一些敏感的高科技設備損壞或長時間停運。
2) 具有更高的安全性。SDG 能夠很好地抵御戰(zhàn)爭攻擊、恐怖襲擊與自然災害的破壞,避免出現(xiàn)大面積停電;能夠將外部破壞限制在一定范圍內,保障重要用戶的正常供電。
3) 提供更高的電能質量。SDG 實時監(jiān)測并控制電能質量,使電壓有效值和波形符合用戶的要求,即能夠保證用戶設備的正常運行并且不影響其使用壽命。
4) 支持DER 的大量接入。這是SDG 區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的重要特征。在SDG里,不再像傳統(tǒng)電網(wǎng)那樣,被動地硬性限制DER 接入點與容量,而是從有利于可再生能源足額上網(wǎng)、節(jié)省整體投資出發(fā),積極地接入DER 并發(fā)揮其作用。通過保護控制的自適應以及系統(tǒng)接口的標準化,支持DER 的“即插即用”。通過DER 的優(yōu)化調度,實現(xiàn)對各種能源的優(yōu)化利用。
5) 支持與用戶互動。與用戶互動也是SDG區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的重要特征之一。主要體現(xiàn)在兩個方面:一是應用智能電表,實行分時電價、動態(tài)實時電價,讓用戶自行選擇用電時段,在節(jié)省電費的同時,為降低電網(wǎng)高峰負荷作貢獻;二是允許并積極創(chuàng)造條件讓擁有DER (包括電動車) 的用戶在用電高峰時向電網(wǎng)送電。
6) 對配電網(wǎng)及其設備進行可視化管理。SDG全面采集配電網(wǎng)及其設備的實時運行數(shù)據(jù)以及電能質量擾動、故障停電等數(shù)據(jù),為運行人員提供高級的圖形界面,使其能夠全面掌握電網(wǎng)及其設備的運行狀態(tài),克服目前配電網(wǎng)因“盲管”造成的反應速度慢、效率低下問題。對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行在線診斷與風險分析,為運行人員進行調度決策提供技術支持。
7) 更高的資產利用率。SDG 實時監(jiān)測電網(wǎng)設備溫度、絕緣水平、安全裕度等,在保證安全的前提下增加傳輸功率,提高系統(tǒng)容量利用率;通過對潮流分布的優(yōu)化,減少線損,進一步提高運行效率;在線監(jiān)測并診斷設計的運行狀態(tài),實施狀態(tài)檢修,以延長設備使用壽命。
8) 配電管理與用電管理的信息化。SDG 將配電網(wǎng)實時運行與離線管理數(shù)據(jù)高度融合、深度集成,實現(xiàn)設備管理、檢修管理、停電管理以及用電管理的信息化。
3 智能配電網(wǎng)的主要技術內容
SDG集現(xiàn)代電力新技術于一體,具體內容主要有以下幾個方面。
1) 配電數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。這是一個覆蓋配電網(wǎng)中所有節(jié)點(控制中心、變電站、分段開關、用戶端口等) 的IP 通信網(wǎng),采用光纖、無線與載波等組網(wǎng)技術,支持各種配電終端與系統(tǒng)“上網(wǎng)”。它將徹底解決配電網(wǎng)的通信瓶頸問題,給配電網(wǎng)保護、監(jiān)控與自動化技術帶來革命性的變化,并影響一次系統(tǒng)技術的發(fā)展。
2) 先進的傳感測量技術,如光學或電子互感器、架空線路與電纜溫度測量、電力設備狀態(tài)在線監(jiān)測、電能質量測量等技術。
3) 先進的保護控制技術,包括廣域保護、自適應保護、配電系統(tǒng)快速模擬仿真、網(wǎng)絡重構等技術。
4) 高級配電自動化。目前的配電自動化技術包括配電運行自動化(安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、變電所綜合自動化、饋線自動化) 、配電管理自動化(配電地理信息系統(tǒng)、設備管理、檢修管理等) 以及用戶自動化這3 個方面的內容。這些內容都屬于SDG技術的范疇。
為與目前大家熟知的配電自動化區(qū)分,美國電科院提出了高級配電自動化(Advanced Dist ri2bution Automation ,ADA) 的概念。ADA 是傳統(tǒng)配電自動化(DA) 的發(fā)展,也可認為是SDG 中的配電自動化。ADA 的新內容主要支持DER 的“即插即用”,它采用IP 技術,強調系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)模型與通信服務的標準化與開放性。
為使SDG 技術概念更有針對性,筆者建議ADA 僅包括配電運行自動化與配電管理自動化,將用戶自動化內容列入下面介紹的高級量測體系。
5 ) 高級量測體系( Advanced MeteringArchitecture ,AMA) 是一個使用智能電表通過多種通信介質,按需或以設定的方式測量、收集并分析用戶用電數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。AMA 是支持用戶互動的關鍵技術,是傳統(tǒng)AMR 技術的新發(fā)展,屬于用戶自動化的內容。
6) DER 并網(wǎng)技術,包括DER 在配電網(wǎng)的“即插即用”以及微網(wǎng)(Micro Grid) 兩部分技術內容。DER 的“即插即用”包括DER 高度滲透的配電網(wǎng)的規(guī)劃建設、DER 并網(wǎng)保護控制與調度管理、系統(tǒng)與設備接口的標準化等。微網(wǎng)是指接有分布式電源的配電子系統(tǒng),它可在主網(wǎng)停電時孤立運行。
DER 并網(wǎng)研究內容還包括有源網(wǎng)絡(ActiveNetwork) 技術。有源網(wǎng)絡指分布式電源大量應用、深度滲透,潮流雙向流動的網(wǎng)絡。
7) DFACTS 是柔性交流輸電( FACTS) 技術在配電網(wǎng)的延伸,包括電能質量與動態(tài)潮流控制兩部分內容。DFACTS 設備包括靜止無功發(fā)生器(SVC) 、靜止同步補償器( STA TCOM) 、有源電力濾波器(APF) 、動態(tài)不停電電源(UPS) 、動態(tài)電壓恢復器(DVR) 與固態(tài)斷路器( SSCB) 、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC) 等。
8) 故障電流限制技術,指利用電力電子、高溫超導技術限制短路電流的技術。
綜上所述,SDG技術包含一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)兩方面的內容。一個具體的SDG功能的實現(xiàn),往往涉及多項技術的綜合應用。以自愈功能為例,首先一次網(wǎng)架的設計應該更加靈活、合理,并應用快速斷路器、故障電流限制器等新設備;在二次系統(tǒng)中,應用廣域保護、就地快速故障隔離等新技術,以及時檢測出故障并進行快速自愈操作。
4 建設智能配電網(wǎng)的作用與意義
電力系統(tǒng)已誕生一百多年了,盡管其電壓等級與規(guī)模與當年相比已有天壤之別,但系統(tǒng)的結構與運行原理并沒有很大的變化。進入21 世紀,面對當今社會與經(jīng)濟發(fā)展對電力系統(tǒng)提出的新要求和計算機、電力電子等新技術的廣泛應用,有必要重新審視過去電網(wǎng)建設的模式,探討未來電網(wǎng)的發(fā)展新方向,而智能電網(wǎng)正是人們對這一問題思考、研究的結果。智能電網(wǎng)技術的發(fā)展正在給電力系統(tǒng)帶來一場深刻的變革。
配電網(wǎng)直接面向用戶,是保證供電質量、提高電網(wǎng)運行效率、創(chuàng)新用戶服務的關鍵環(huán)節(jié)。在我國,由于歷史的原因,配電網(wǎng)投資相對不足,自動化程度比較低,在供電質量方面與國際先進水平還有一定的差距。目前電力用戶遭受的停電時間,95 %以上是由于配電系統(tǒng)原因造成的(扣除發(fā)電不足的原因) ;配電網(wǎng)是造成電能質量惡化的主要因素;電力系統(tǒng)的損耗有近一半產生在配電網(wǎng);分布式電源接入對電網(wǎng)的影響主要是對配電網(wǎng)的影響;與用戶互動、進行需求側管理的著眼點也在配電網(wǎng)。因此,建設智能電網(wǎng),必須給予配電網(wǎng)足夠的關注。結合我國配電網(wǎng)實際,積極研發(fā)應用SDG技術,對于推動我國配電網(wǎng)的技術革命具有十分重要的意義。
SDG將使配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的供方主導、單向供電、基本依賴人工管理的運營模式向用戶參與、潮流雙向流動、高度自動化的方向轉變。隨著我國SDG建設的進展,將產生越來越明顯的經(jīng)濟效益與社會效益,主要以下3 個方面。
1) 實現(xiàn)配電網(wǎng)的最優(yōu)運行,達到經(jīng)濟高效。SDG應用先進的監(jiān)控技術,對運行狀況進行實時監(jiān)控并優(yōu)化管理,降低系統(tǒng)容載比并提高其負荷率,使系統(tǒng)容量能夠獲得充分利用,從而可以延緩或減少電網(wǎng)一次設備的投資,產生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
2) 提供優(yōu)質可靠電能,保障現(xiàn)代社會經(jīng)濟的發(fā)展。SDG在保證供電可靠性的同時,還能夠為用戶提供滿足其特定需求的電能質量;不僅可以克服以往故障重合閘、倒閘操作引起的短暫供電中斷,而且可以消除電壓聚降、諧波、不平衡的影響,為各種高科技設備的正常運行、為現(xiàn)代社會與經(jīng)濟的發(fā)展提供可靠優(yōu)質的電力保障。
3) 推動新能源革命,促進環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)的規(guī)劃設計、保護控制與運行管理方式基本上不考慮SER 的接入,而且為不影響配電網(wǎng)的正常運行,現(xiàn)有的標準或運行導則對接入的DER 的容量及其并網(wǎng)點的選擇都做出了嚴格的限制, 制約了分布式發(fā)電的推廣應用。SDG具有很好地適應性,能夠大量地接入DER 并減少并網(wǎng)成本,極大地推動可再生能源發(fā)電的發(fā)展,大大降低化石燃料使用和碳排放量,在促進環(huán)保的同時,實現(xiàn)電力生產方式與能源結構的轉變。
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徐丙垠山東理工大學教授,科匯電力自動化公司董事長
李天友高級工程師,福建省電力公司副總工
薛永端教授級高工,科匯電力自動化公司總工
金文龍教授級高工,國家電網(wǎng)公司原發(fā)輸電部處長
摘要：本文對智能低壓電器的概念進行了探討，對我國智能化低壓電器發(fā)展歷程進行了簡要的回顧，介紹了低壓電器智能化發(fā)展涉及的相關新技術，最后指出了智能電網(wǎng)對低壓電器智能化提出的要求及發(fā)展機遇。
一、什么是智能低壓電器
到目前為止，國內外低壓電器標準上還沒有對低壓電器智能化進行定義。但是，智能化低壓電器這一說法已經(jīng)被低壓電器研發(fā)人員、設計人員、制造商及工程設計人員以及使用部門所接受。低壓智能化電器應具有四個功能上的基本特征：保護功能非常齊全、測量現(xiàn)實電流參數(shù)、故障記錄與顯示、內部故障自診斷等。
隨著建筑電氣的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設，擁有智能化功能的低壓電器越來越受住宅配電系統(tǒng)供應商重視。10月28日，在南京舉辦的第二屆中國國際電工電器裝備博覽會上，就有很多智能化的低壓電器產品亮相。法泰電器(江蘇)有限公司展出的FTB1帶選擇性保護小型斷路器，就是智能低壓電器的典型代表。FTB1 由法泰電器、上海電器科學研究所等聯(lián)合開發(fā)，具有完全自主知識產權[1]。該產品屬于第四代低壓電器，填補了我國低壓終端配電系統(tǒng)在選擇性保護領域的空白，不僅分斷能力高、產品體積小，而且具有選擇性保護、智能化通信功能，能滿足智能樓宇和智能終端配電回路系統(tǒng)的使用需求。同樣具有智能化功能的還有百利特精電氣股份有限公司研制的VW60新一代智能低壓框架斷路器。VW60萬能式低壓斷路器產品具有體積小、短路性能強、操作機構新穎和現(xiàn)場總線技術水平高等特點。該產品的成功開發(fā)，可促進智能化低壓配電與電控成套開關設備的發(fā)展，從而推動配網(wǎng)智能化的進程。
智能化低壓電器與普通電器相比具有以下優(yōu)點：
1)普通配電電器會使配電系統(tǒng)產生高次諧波，而智能配電電器能夠消除輸入信號中的高次諧波，從而避免高次諧波造成的誤操作。
2)智能過載電器可以保護具有多種起動條件的電動機，具有很高的動作可靠性，例如，電動機過載與斷相保護、接地保護、三相不平衡保護以及反相或低電流保護等。
3)智能保護繼電器具有監(jiān)控、保護和通訊功能。
4)智能電器可以實現(xiàn)中央計算機集中控制，提高了配電系統(tǒng)的自動化程度，使配電、控制系統(tǒng)的調度和維護達到新的水平。
5)智能電器采用數(shù)字化的新型監(jiān)控元件，使配電系統(tǒng)和控制中心提供的信息最大幅度增加，且接線簡單、便于安裝，提高了工作的可靠性。
6)智能電器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以減少信息重復和信息通道。
二、我國智能化低壓電器發(fā)展回顧
我國低壓電器行業(yè)經(jīng)過50多年的發(fā)展，從無到有、從小到大，取得了驕人的成績。目前已經(jīng)形成比較完整的體系，就低壓電器品種、規(guī)格、性能、生產能力來看，基本上滿足了我國國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。
從20世紀90年代初開始，我國就著手研制具有智能化、可通信功能的第3代低壓電器，到上世紀末本世紀初基本實現(xiàn)了低壓配電網(wǎng)的智能控制和網(wǎng)絡控制，以此滿足配網(wǎng)自動化的需求。1990年聯(lián)合上海人民電器廠、遵義長征九廠向原機械工業(yè)部申報國家重點企業(yè)技術開發(fā)項目，于1991年正式立項。該產品于 1995年通過鑒定，1997年開始投入小批量生產，型號為DW45系列，有3個框架等級2000A、3200A及6300A。其中6300A主回路為2 臺3200A并聯(lián)組合而成。DW45智能化投放市場后由于其高性能和高可靠深受用戶歡迎，其產量不斷攀升。DW45系列斷路器目前年產量已超過20萬臺，是我國低壓電器發(fā)展史上推廣最成功的產品。由于DW45大量推廣，使ME和DW17系列斷路器產量逐步下降。目前DW45系列萬能式斷路器在配電系統(tǒng)中運行的產品已超過100萬臺。
但由于智能變電站、配電自動化、調度自動化等系統(tǒng)的研發(fā)與應用也在同期剛剛起步，因此，存在著需求分散、各成系統(tǒng)等問題，即系統(tǒng)平臺不統(tǒng)一，各系統(tǒng)間很難實現(xiàn)互聯(lián)和信息共享，造成不同地區(qū)、不同廠家生產的智能化低壓電器等電器設備或高、低壓電網(wǎng)間信息不通，數(shù)據(jù)上傳不通，下達不暢，無法從根本上實現(xiàn)電力自動化目標。因此，我國具有智能化、可通信功能的第3代低壓電器的推廣應用并不十分理想，但從目前智能電網(wǎng)對電器設備的要求來看，已打下了一定的技術基礎。
低壓智能化控制系統(tǒng)在國外已廣泛使用，這些系統(tǒng)往往省略了馬達控制中心(MCC)，電動機起動器一般安裝在電動機旁邊，它們通過現(xiàn)場總線與中央控制室上位機連接。既能集中控制，又能現(xiàn)場操作。為了盡快跟上世界新技術發(fā)展潮流，上海電器科學研究所從2000年開始，專門成立現(xiàn)場總線研發(fā)中心，重點研究可通信低壓電器以及低壓智能配電網(wǎng)絡系統(tǒng)及相關配套產品。蘇州萬龍電氣集團和常熟開關制造有限公司參與該項技術及相關產品的研發(fā)工作。經(jīng)過近十年研發(fā)，我們已經(jīng)在第三代主要低壓電器產品上實現(xiàn)可通信，包括可通信萬能式斷路器、可通信塑殼式斷路器、可通信雙電源自動轉換開關、可通信交流接觸器、可通信電動機保護器、可通信軟起動器、可通信控制與保護開關電器等產品[2]。
通過以上一系列產品開發(fā)，使我國智能電器、可通信電器以及智能配電與控制系統(tǒng)相關技術跟上世界發(fā)展潮流。由于我國電工行業(yè)分割，各自為政，使該項技術及相關產品的推廣帶來困難。至今，我國智能化可通信低壓電器及其系統(tǒng)推廣并不理想。2009年美國提出了在美國發(fā)展與建設智能電網(wǎng)的設想，引起了全世界對智能電網(wǎng)發(fā)展的重視。當然也引起了我國高層領導的重視。我國已將智能電網(wǎng)發(fā)展與建設明確由國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一實施�？梢韵嘈�，隨著智能電網(wǎng)建設與發(fā)展，我國智能化可通信低壓電器及其系統(tǒng)必將帶來新的發(fā)展機遇。
三、低壓電器智能化發(fā)展涉及的相關新技術
智能化低壓電器須滿足性能優(yōu)良、工作可靠、產品體積小、組合化設計、可通信、節(jié)能環(huán)保等要求，要具有保護、監(jiān)測、通信、自診斷、顯示等功能，這是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化所必需的。
1、低壓電器基本智能化技術
目前，智能化低壓電器基本含義主要包括以下功能：保護與控制功能齊全，兼有電參數(shù)測量，外部故障檢測、報警和開關內部故障自診斷與報警，系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控，電能使用管理等功能(或其中一部分功能)。為此，需要對下列技術進行深入研究。
1)各類低壓電器根據(jù)其低壓配電、控制系統(tǒng)中地位與作用應具有哪些智能化功能?如何實現(xiàn)這些功能?
2)智能化低壓電器標準研究與制定;智能化功能測試設備、測試方法研究。
3)智能化低壓電器集成技術研究;多種智能化電器集成時，對不同低壓電器智能化功能舍取;多種功能重疊時相互協(xié)調與配合研究。
4)智能化低壓電器可靠性(包括EMC技術)研究。
2、智能電器可通信技術研究
智能化低壓電器強大功能充分發(fā)揮，必須依賴于低壓配電與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化。為此，對低壓電器提出了可通信要求。為了滿足網(wǎng)絡化要求，又將涉及一系列技術的研究。
(1)網(wǎng)絡化電器與系統(tǒng)標準化研究。
(2)高、中、低壓配電系統(tǒng)無縫連接技術研究。
(3)智能網(wǎng)絡系統(tǒng)配套附件研究與開發(fā)。
(4)智能網(wǎng)絡系統(tǒng)典型方案與整體解決方案研究。
(5)可通信電器試驗方法研究及相關檢測設備研制并建立相應試驗基地。
3、智能配電系統(tǒng)過電流保護新技術
當配電系統(tǒng)發(fā)生非正常過電流時，低壓電器應及時斷開。為了使故障停電限制在最小范圍，低壓電器應有選擇性斷開。即故障級保護電器迅速切除故障電路，上級保護電器不跳閘，這對智能電網(wǎng)尤為重要。
智能電網(wǎng)配電系統(tǒng)過電流保護應達到什么樣目標?
1)過電流選擇性保護應覆蓋整個低壓配電系統(tǒng)，包括終端配電系統(tǒng)。
2)實現(xiàn)全電流范圍內選擇性保護，當下級故障電流達到上級瞬動電流時也能實現(xiàn)選擇性保護。
3)在極短時間內實現(xiàn)選擇性保護(控制在200ms以內)。
4)從根本上消除系統(tǒng)短路時越級跳閘或上、下級斷路器同時跳閘的狀況。確保故障停電限制在最小范圍。
為了實現(xiàn)全范圍、全電流選擇性保護需要解決以下技術關鍵：
(1)全范圍、全電流選擇性保護總體解決方案研究
(2)區(qū)域聯(lián)鎖選擇性保護技術研究
(3)萬能式斷路器全電流選擇性保護技術研究
(4)塑殼斷路器限流選擇性保護技術研究
4.智能電網(wǎng)過電壓保護技術由于智能電網(wǎng)中大量采用網(wǎng)絡化、信息化技術及相關設備，這些設備中含有大量電子器件，相當一部分設備本身就是電子化的。它們容易受雷電和系統(tǒng)中其他開關設備操作過電壓傷害。另外，智能電網(wǎng)中必然包括分布式新能源系統(tǒng)，這些系統(tǒng)無論是發(fā)電設備還是控制設備同樣易受過電壓傷害，因此智能電網(wǎng)過電壓保護尤為重要，它涉及的關鍵技術主要有以下幾個方面。
1)智能電網(wǎng)SPD配置技術(整體解決方案)。
2)智能電網(wǎng)用SPD產品結構與性能研究。
3)智能電網(wǎng)用SPD使用安全性研究。
4)智能電網(wǎng)用SPD組合技術研究。
四、智能電網(wǎng)對低壓電器智能化提出的要求及發(fā)展機遇
智能電網(wǎng)是一個完整的體系，它要涵蓋發(fā)電、輸電、配電、調度、變電和用電等各個環(huán)節(jié)。據(jù)不完全統(tǒng)計，電力系統(tǒng)80%以上的電能是通過用戶端配電網(wǎng)絡傳輸?shù)接脩簦⒃诮K端用電設備上消耗的。用戶端涵蓋了從電力變壓器到用電設備之間對電能進行傳輸、分配、控制、保護和能源管理的所有設備及系統(tǒng)，主要包括智能低壓電器、智能電表和智能樓宇系統(tǒng)。作為用戶端中起到控制與保護作用的核心電器設備——低壓電器，其特點是量大面廣，處于電網(wǎng)能量鏈的最底層，是構建堅強智能電網(wǎng)的重要組成部分。因此，要打造智能電網(wǎng)首先必須要實現(xiàn)作為電網(wǎng)基石的用戶端低壓電器的智能化，由此構建的用戶端智能配電網(wǎng)絡是構成智能電網(wǎng)的重要基礎，網(wǎng)絡化、綜合智能化、可通訊的低壓電器將是未來的主流發(fā)展方向。
1、智能電網(wǎng)采用統(tǒng)一平臺與標準，便于新一代智能低壓電器的開發(fā)與應用。
智能電網(wǎng)要求用戶端采用統(tǒng)一、標準化的產品，使目前各種自動化系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和在線監(jiān)測裝置中的測量、保護、控制等功能能在新的、統(tǒng)一的、標準的技術支持系統(tǒng)中逐步集成、整合，并最終實現(xiàn)各種技術的高度融合，從而為提高智能電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性、縮短安裝和維護時間等帶來利益。這將為新一代智能低壓電器的開發(fā)與應用帶來極大的便利。
2、智能電網(wǎng)堅強、自愈、互動、優(yōu)化等要求將極大地促進具有早期預警與快速安全恢復和自愈等功能的新一代智能低壓電器的開發(fā)與應用。
根據(jù)智能電網(wǎng)堅強、自愈、互動、優(yōu)化等要求，將智能電器構成系統(tǒng)采用網(wǎng)絡信息技術、現(xiàn)代通信技術和測量技術實現(xiàn)系統(tǒng)的壽命管理、故障快速定位、雙向通信、電能質量監(jiān)控等功能。應用智能配電網(wǎng)中的低壓電器信號采集系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化，既能確保足夠的采樣速率和良好的準確度，又便于對事件進行早期*估和通過對實時數(shù)據(jù)的分析進行故障早期預警;通過網(wǎng)絡監(jiān)測器快速定位故障點;通過網(wǎng)絡重新架構、優(yōu)化網(wǎng)絡運行以及配網(wǎng)故障時的故障隔離和非故障區(qū)域的自動恢復供電，實現(xiàn)配電網(wǎng)的快速安全恢復和自愈，從而全面滿足智能配電網(wǎng)的保護與控制要求。因此隨著智能電網(wǎng)的建設，新一代智能低壓電器的應用將越來越廣泛[3]。
3、智能電網(wǎng)在可再生能源發(fā)電、提高電能效率和質量等方面對低壓電器提出新的要求。
一方面為了實現(xiàn)可再生能源發(fā)電的利用和電能的削峰平谷以提高電能效率而開發(fā)的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，以及電動汽車等用電設備的快速充電裝置等，需要開發(fā)適用于這些系統(tǒng)的具有特定功能和性能要求的低壓電器;另一方面，這些設備(如變流設備、并網(wǎng)設備、能源的間歇接入設備、充電裝置等)的應用將嚴重影響電能的質量，因此隨著諧波抑制、無功補償、瞬變過電壓抑制和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)過電壓抑制與保護、自適應的動態(tài)抑制設備、#即插即用?分布式電動汽車充電站設備等大量需求的誕生，對低壓電器也提出了更多更高的要求，傳統(tǒng)低壓電器將面臨延伸和拓展，這又將是低壓電器新的發(fā)展機遇。
4、智能電網(wǎng)建設大力推動可再生能源的利用和電能供求的管理，這也將促進低壓電器向網(wǎng)絡化方向發(fā)展。
可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的應用，打破了傳統(tǒng)的生產、消費模式，形成了生產者與消費者的雙向互動服務體系。多種輸入數(shù)據(jù)，包括定價信號、分時計費、電網(wǎng)負荷情況，通過先進的管理軟件，根據(jù)用戶需求采用靈活配置的方式，促進用戶參與電網(wǎng)運行和管理，平衡用戶電力需求，滿足其需求與供電能力之間的供求關系，起到減少或轉移高峰電能需求、減少熱備發(fā)電站、進一步提高電網(wǎng)節(jié)能效果并提高電網(wǎng)供電可靠性的作用，從而最大限度地節(jié)約資源和保護環(huán)境。這既需要開拓全新的運營管理模式，又需要具有雙向通信、雙向計量、能源管理等網(wǎng)絡化的低壓電器產品及系統(tǒng)的支撐，因此這些需求也將促進低壓電器向網(wǎng)絡化方向快速發(fā)展。
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