【深度】配电网量测技术需求评估与新技术研究课题

【深度】配电网量测技术需求评估与新技术研究课题

发布日期:2019-06-21 浏览次数:65

量测技术是配电网安全、经济运行的基础技术,列入配电网建设改造行动计划的考核指标。


按电力行标生产的智能电表或将重点应用配电网行动计划要求智能电表覆盖率由2014年的60%提高到2020年的90%。国产智能电表的技术标准,首先由国网于2009年发布智能电表企业标准,2013年又发布新版企业标准;近期,国家能源局发布新的电力行标。初步估计2015-2020年智能电表覆盖率提高30%,主要是淘汰国网2009年版企业标准的智能电表和南网新安装应用智能电表。


据初步统计,到2012年末,国网按2009年版企业标准累计集中招标1.92亿只智能电表,采集总户数1.1亿只,采集覆盖率为38.4%;到2013年末,国网采集总户数1.8亿户。再是,南网供电营业区总户数7292万户,按80%用户计算,未来5年新装应用智能电表5760万只。两网合计,2016-2020年需新装智能电表24960万只,平均每年有5000万只智能电表的需求。参照国网智能电表、终端集中招标均价,加上工程、材料费,未来5年智能电表更新工程投资约760亿元。


配电网智能电表更新的要素:一是,优化完善电网结构,新增一批关口计量点,包括解决配网“单线、单变”问题,解决县域电网与主网联系薄弱问题,中压配电网合理设置分段,加强配电线路联络,农村的高压配网增加布点和中压配网加快主干网架建设等。二是,增大配变容量,解决供电半径瓶颈,按标准配置导线截面,将扩大用户三相电表需求,主要是推动农副产品加工、农村经济作物、畜禽水产养殖业发展,进行供电设施和计量装置改造。三是,农户家用电器迅速增长,需要更换大容量单相电表。四是,粮食主产区农田节水灌溉面积扩大,要求应用农田灌溉用预付费计量设备。


在智能电表招标模式方面,自2009年以来的国网智能电表集中招标模式或将改变。这次配电网建设改造的组织实施:由各省(区、市)政府统一制定全省配电网建设改造方案,出台电价、融资政策进行资金筹措;国家能源局负责全国配电网建设改造工作总抓,协调重大问题和重大政策,加强对配电网建设改造资金和还贷资金使用情况的监管;电网企业是配电网建设改造的实施责任主体,负责工程项目全过程管控,包括招标管理。由此可以推断,配电网建设改造用智能电表,主要由省级电网统一招标,采用新的电力行标,由省级能源主管机构监管;另一种模式,可能由各省级电网委托国网进行集中招标,由国家能源局进行监管。可以预见,随着配电网建设改造行动计划的实施,各省(区、市)对智能电表的功能、性能及应用时间将有新的或不同的要求,难以统一,智能电表质量管控将出现新的问题。


低压计量箱在城网特别在农网建设改造中应用前景可期低压计量箱,可以说是继电表、终端两个基本市场后的第三个基本市场。前几年,低压计量箱处于无序营销、管理状态,从计量箱的规格、接线、造型到电气产品的质量,都各自为政,城网的旧、损计量箱到处可见,农网的低压计量箱推广不到位。


2014年,国网借鉴江苏电网经验,制定出《低压计量箱技术规范》,为2015年起低压计量箱由省网统一招标铺路。据2014年估计,国网供电营业区供需安装双表位的低压计量箱6000万台,多表位(按8表位计算)低压计量箱1000万台。


从2015年起,江苏、山东等省级电网实行低压计量箱统一招标;按先前国务院的要求,目前全国正在进行新一轮农网技术改造;现在又要实施《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)》,都包括推行统一招标的低压计量箱。未来5年,低压计量箱按更新50%,加上缺位补足,总投资约需180亿元。


10kV高压互感器的需求10kV高压电流、电压互感器是高压电能计量装置的基本组件,按V/V形接线方式,每套高压电能计量装置需用10kV电压/电流互感器4台。


目前,国网供电营业区的10kV高压电能计量装置,估计用户计费300万套,公变台区有150万台套,两者合计10kV高压电能计量装置450万套,就是说目前运行的10kV电流/电流互感器约1800万台。

未来5年,10kV高压互感器更新的要素:


新增关口、用户、公变台区计量点;


组合式高压互感器有需求,适用于农村配电室空间有限,电能计量点设在电线柱上;


提高互感器准确等级;


扩大电流互感器电流量程;


互感器绝缘老化或破碎。


由此,按5年内更新10kV高压互感器20%计算,需投资36亿元。


采集终端改用宽带电力线载波通信技术目前已经建成的用电信息采集系统,在大部分省级电网的本地通信主要采用窄带载波(低速)通信方式,以自动抄表成功率98%作为考核指标,由此24h内2%的用户抄不到表成为一时难以解决的通信瓶颈,更不适应国网营销[2014]82号文、国网营销[2015]53号文关于用电信息采集系统拓展功能、深化应用的要求,包括应用于远程预付费、电能质量在线监测、低压电网故障报警定位、电能计量装置在线故障智能判断、电网与用户双向互动功能等。


近几年,宽带电力线载波通信方式在国内开展应用试点,先期应用试点的有美国高通公司宽带载波通信芯片,紧接着是华为宽带载波通信芯片。经试用表明,这些宽带载波通信方式在短周期内,自动抄表成功率可以达到99%以上。为此,2014年国网计量工作推进会议提出研究宽带载波通信技术的要求。2015年重庆电力率先进行宽带载波通信方式批量应用试点,招标宽带载波芯片100万片。由此看来,未来5年配网建设改造行动计划的实施,本地通信改用宽带载波通信技术或将是主要发展趋势。


据不完全统计,到2014年末,国网累计集中招标:窄带集中器313万台,窄带采集器3290万台,窄带载波电表超过1亿只。未来5年,如将现有80%的集中器、采集器,60%的载波电表更新为宽带载波通信方式,总投资约89亿元。


这里需要指出的是国际上,宽带电力线载波通信技术研究较早,宽带芯片重点应用于智能家居等领域。但是至今,IEEE/HomePlug尚未推出宽带电力线载波通信信道技术标准。国内宽带电力线载波通信应用于电网通信网络起步较晚,特别关于地埋电缆、电容器无功补偿设备对宽带载波通信的影响、宽带载波通信的干扰与抑制技术研究甚少。这些都是在采集终端改用宽带电力线载波通信技术时需要补上的课题。


综合以上2015-2020年在配电网量测技术领域,智能电表、低压计量箱、10kV高压互感器和采集终端4个方面的新需求,共需投资约1067亿元,占配电网行动总投资的5.3%。还需要说明,与智能电表、低压计量箱、10kV高压互感器成套/延伸的电力产品,包括低压开关柜及低压电容器式无功补偿装置;10kV高压计量柜、10kV高压开关柜及10kV电容器式/全电子式高压无功补偿设备;在配电网建设改造中将有相当数量的需求。


在配电网量测技术研究方面,重点课题有:智能电表电力行标应用,特别是双向互动通信/电表网关设计技术;农田节水用预付费计量系统;80A及以上插拔式低压计量箱;10kV高压互感器与电能表集成设计方案;宽带载波通信的影响量及信道技术规范与测试方法研究等。


配电网量测技术领域相关的电力产品需求配电网通信系统建设配电网行动计划要求配电通信网覆盖率由2014年的40%提高到2020年的95%。城镇及乡村地区10kV通信接入网主要采用无线、载波通信方式;中心城市加强10kV通信接入网的光纤建设。

配电网通信系统


配电网通信系统是指配电终端(覆盖10kV开关站、配电室、环网单元、柱上开关、配电线路、分布式电源站点等)到配电业务主站之间的一系列通信实体,包括通信线路设施和通信设备等,实现配电终端与系统之间的信息交互,具有多业务承载、信息传送、网络管理等功能。配电网通信系统建设包括骨干网和接入网两部分,骨干网已较成熟,难点在于10kV通信接入网与骨干网上联接口设计等方面。


10kV通信接入网现状


截止2013年,国网配电网站点总数超过400万点。10kV通信接入网中光缆整体覆盖率很低。其中覆盖率最高的西北电网,其配电网光缆与一次线路的配比只有2.89%。城网10kV配电站点共计144万点,通信覆盖率22%。其中GPRS覆盖18.26%,中压电力线载波覆盖率0.18%。农网10kV配电站点共计263万点,通信覆盖率4.36%。其中GPRS覆盖率3.93%,中压电力线载波覆盖率0.05%。


发展趋向


随着智能配电、用电网的建设与未来能源互联网的发展,配电自动化、分布式电源接入与控制、电动汽车控制、电能质量监测、高级量测、用户互动等智能化应用深化,对配电、用电侧的信息通信支持要求越来越高,10kV配电网通信的瓶颈依然存在,适应未来智能化业务需求,配电网通信的网络化、宽带化、IP化和可控可管趋势明显,主要研究方向包括:适用于配电、用电网环境的新型电力无线专网技术;新型电力线载波通信技术研究与应用,配电网通信综合接入平台及智能网管技术研究及部署。


由此,本文作者认为:2015-2020年电表企业需要考虑重点开发宽带无线通信公网/230MHz宽带无线通信专网用终端、10kV宽带电力线载波通信技术和设备。同时,按照配电网行动计划的要求,参与探索以配电网为支撑平台,构建多种能源优化互补的综合能源供应体系,实现能源、信息双向流动,逐步构建以能源流为核心的“互联网+”公共服务平台,促进能源和信息的深度融合,推动能源生产和消费革命。


新型互感器组合式高效配电变压器开发项目配电网行动计划要求优化升级配电变压器。从配电变压器研发、生产、使用等多个环节,运用政策导向和市场机制,促进高效、节能配电变压器的推广应用,提高覆盖率;大力推进老旧配变、高损配变升级改造,推动非晶合金变压器、高过载能力变压器、调容变压器等设备的应用,逐步淘汰S7(S8)型高损耗变压器。


截止2013年末,全国在网运行配变总计1530万台,总容量48亿千伏安。其中电网公司运行管理的配变约860万台,其它企业运行管理的670万台。全国在网运行配变中高效配变比例不足8.5%,新增量中高效配变占比仅为12%,产业发展相对滞后,节能潜力巨大。为此,2015年8月13日,工信部、国家质检总局、国家发改委三部委共同发布《配电变压器能效提升计划(2015-2017年)》,提出到2017年,累计推广高效配变6亿千伏安,实现年节电94亿千瓦时的目标。


结语未来几年,高效、节能的配电变压器市场很有需求量,按2017年末推广高效配变6亿千伏安、配变容量200千伏安/台计算,共需高效配电变压器300万台。由此,本文作者建议电表行业利用量测技术的优势,开发或合作开发新型互感器组合式高效配电变压器项目,采用高效配变与互感器的集成化设计,高效配变可以采用非晶合金配变,自适应负荷型配变,农网高过载配变,智能型配变。再在这些新型配变基础上,高压、低压引出线上增加电流互感器,非晶合金铁心,采集电流信号;配变高压线圈内部增加测量绕组,采集高压电压信号;箱盖上安装温度计。其中高压/低压互感器具有规定的测量准确度。

量测技术是配电网安全、经济运行的基础技术,列入配电网建设改造行动计划的考核指标。


按电力行标生产的智能电表或将重点应用配电网行动计划要求智能电表覆盖率由2014年的60%提高到2020年的90%。国产智能电表的技术标准,首先由国网于2009年发布智能电表企业标准,2013年又发布新版企业标准;近期,国家能源局发布新的电力行标。初步估计2015-2020年智能电表覆盖率提高30%,主要是淘汰国网2009年版企业标准的智能电表和南网新安装应用智能电表。


据初步统计,到2012年末,国网按2009年版企业标准累计集中招标1.92亿只智能电表,采集总户数1.1亿只,采集覆盖率为38.4%;到2013年末,国网采集总户数1.8亿户。再是,南网供电营业区总户数7292万户,按80%用户计算,未来5年新装应用智能电表5760万只。两网合计,2016-2020年需新装智能电表24960万只,平均每年有5000万只智能电表的需求。参照国网智能电表、终端集中招标均价,加上工程、材料费,未来5年智能电表更新工程投资约760亿元。


配电网智能电表更新的要素:一是,优化完善电网结构,新增一批关口计量点,包括解决配网“单线、单变”问题,解决县域电网与主网联系薄弱问题,中压配电网合理设置分段,加强配电线路联络,农村的高压配网增加布点和中压配网加快主干网架建设等。二是,增大配变容量,解决供电半径瓶颈,按标准配置导线截面,将扩大用户三相电表需求,主要是推动农副产品加工、农村经济作物、畜禽水产养殖业发展,进行供电设施和计量装置改造。三是,农户家用电器迅速增长,需要更换大容量单相电表。四是,粮食主产区农田节水灌溉面积扩大,要求应用农田灌溉用预付费计量设备。


在智能电表招标模式方面,自2009年以来的国网智能电表集中招标模式或将改变。这次配电网建设改造的组织实施:由各省(区、市)政府统一制定全省配电网建设改造方案,出台电价、融资政策进行资金筹措;国家能源局负责全国配电网建设改造工作总抓,协调重大问题和重大政策,加强对配电网建设改造资金和还贷资金使用情况的监管;电网企业是配电网建设改造的实施责任主体,负责工程项目全过程管控,包括招标管理。由此可以推断,配电网建设改造用智能电表,主要由省级电网统一招标,采用新的电力行标,由省级能源主管机构监管;另一种模式,可能由各省级电网委托国网进行集中招标,由国家能源局进行监管。可以预见,随着配电网建设改造行动计划的实施,各省(区、市)对智能电表的功能、性能及应用时间将有新的或不同的要求,难以统一,智能电表质量管控将出现新的问题。


低压计量箱在城网特别在农网建设改造中应用前景可期低压计量箱,可以说是继电表、终端两个基本市场后的第三个基本市场。前几年,低压计量箱处于无序营销、管理状态,从计量箱的规格、接线、造型到电气产品的质量,都各自为政,城网的旧、损计量箱到处可见,农网的低压计量箱推广不到位。


2014年,国网借鉴江苏电网经验,制定出《低压计量箱技术规范》,为2015年起低压计量箱由省网统一招标铺路。据2014年估计,国网供电营业区供需安装双表位的低压计量箱6000万台,多表位(按8表位计算)低压计量箱1000万台。


从2015年起,江苏、山东等省级电网实行低压计量箱统一招标;按先前国务院的要求,目前全国正在进行新一轮农网技术改造;现在又要实施《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)》,都包括推行统一招标的低压计量箱。未来5年,低压计量箱按更新50%,加上缺位补足,总投资约需180亿元。


10kV高压互感器的需求10kV高压电流、电压互感器是高压电能计量装置的基本组件,按V/V形接线方式,每套高压电能计量装置需用10kV电压/电流互感器4台。


目前,国网供电营业区的10kV高压电能计量装置,估计用户计费300万套,公变台区有150万台套,两者合计10kV高压电能计量装置450万套,就是说目前运行的10kV电流/电流互感器约1800万台。

未来5年,10kV高压互感器更新的要素:


新增关口、用户、公变台区计量点;


组合式高压互感器有需求,适用于农村配电室空间有限,电能计量点设在电线柱上;


提高互感器准确等级;


扩大电流互感器电流量程;


互感器绝缘老化或破碎。


由此,按5年内更新10kV高压互感器20%计算,需投资36亿元。


采集终端改用宽带电力线载波通信技术目前已经建成的用电信息采集系统,在大部分省级电网的本地通信主要采用窄带载波(低速)通信方式,以自动抄表成功率98%作为考核指标,由此24h内2%的用户抄不到表成为一时难以解决的通信瓶颈,更不适应国网营销[2014]82号文、国网营销[2015]53号文关于用电信息采集系统拓展功能、深化应用的要求,包括应用于远程预付费、电能质量在线监测、低压电网故障报警定位、电能计量装置在线故障智能判断、电网与用户双向互动功能等。


近几年,宽带电力线载波通信方式在国内开展应用试点,先期应用试点的有美国高通公司宽带载波通信芯片,紧接着是华为宽带载波通信芯片。经试用表明,这些宽带载波通信方式在短周期内,自动抄表成功率可以达到99%以上。为此,2014年国网计量工作推进会议提出研究宽带载波通信技术的要求。2015年重庆电力率先进行宽带载波通信方式批量应用试点,招标宽带载波芯片100万片。由此看来,未来5年配网建设改造行动计划的实施,本地通信改用宽带载波通信技术或将是主要发展趋势。


据不完全统计,到2014年末,国网累计集中招标:窄带集中器313万台,窄带采集器3290万台,窄带载波电表超过1亿只。未来5年,如将现有80%的集中器、采集器,60%的载波电表更新为宽带载波通信方式,总投资约89亿元。


这里需要指出的是国际上,宽带电力线载波通信技术研究较早,宽带芯片重点应用于智能家居等领域。但是至今,IEEE/HomePlug尚未推出宽带电力线载波通信信道技术标准。国内宽带电力线载波通信应用于电网通信网络起步较晚,特别关于地埋电缆、电容器无功补偿设备对宽带载波通信的影响、宽带载波通信的干扰与抑制技术研究甚少。这些都是在采集终端改用宽带电力线载波通信技术时需要补上的课题。


综合以上2015-2020年在配电网量测技术领域,智能电表、低压计量箱、10kV高压互感器和采集终端4个方面的新需求,共需投资约1067亿元,占配电网行动总投资的5.3%。还需要说明,与智能电表、低压计量箱、10kV高压互感器成套/延伸的电力产品,包括低压开关柜及低压电容器式无功补偿装置;10kV高压计量柜、10kV高压开关柜及10kV电容器式/全电子式高压无功补偿设备;在配电网建设改造中将有相当数量的需求。


在配电网量测技术研究方面,重点课题有:智能电表电力行标应用,特别是双向互动通信/电表网关设计技术;农田节水用预付费计量系统;80A及以上插拔式低压计量箱;10kV高压互感器与电能表集成设计方案;宽带载波通信的影响量及信道技术规范与测试方法研究等。


配电网量测技术领域相关的电力产品需求配电网通信系统建设配电网行动计划要求配电通信网覆盖率由2014年的40%提高到2020年的95%。城镇及乡村地区10kV通信接入网主要采用无线、载波通信方式;中心城市加强10kV通信接入网的光纤建设。

配电网通信系统


配电网通信系统是指配电终端(覆盖10kV开关站、配电室、环网单元、柱上开关、配电线路、分布式电源站点等)到配电业务主站之间的一系列通信实体,包括通信线路设施和通信设备等,实现配电终端与系统之间的信息交互,具有多业务承载、信息传送、网络管理等功能。配电网通信系统建设包括骨干网和接入网两部分,骨干网已较成熟,难点在于10kV通信接入网与骨干网上联接口设计等方面。


10kV通信接入网现状


截止2013年,国网配电网站点总数超过400万点。10kV通信接入网中光缆整体覆盖率很低。其中覆盖率最高的西北电网,其配电网光缆与一次线路的配比只有2.89%。城网10kV配电站点共计144万点,通信覆盖率22%。其中GPRS覆盖18.26%,中压电力线载波覆盖率0.18%。农网10kV配电站点共计263万点,通信覆盖率4.36%。其中GPRS覆盖率3.93%,中压电力线载波覆盖率0.05%。


发展趋向


随着智能配电、用电网的建设与未来能源互联网的发展,配电自动化、分布式电源接入与控制、电动汽车控制、电能质量监测、高级量测、用户互动等智能化应用深化,对配电、用电侧的信息通信支持要求越来越高,10kV配电网通信的瓶颈依然存在,适应未来智能化业务需求,配电网通信的网络化、宽带化、IP化和可控可管趋势明显,主要研究方向包括:适用于配电、用电网环境的新型电力无线专网技术;新型电力线载波通信技术研究与应用,配电网通信综合接入平台及智能网管技术研究及部署。


由此,本文作者认为:2015-2020年电表企业需要考虑重点开发宽带无线通信公网/230MHz宽带无线通信专网用终端、10kV宽带电力线载波通信技术和设备。同时,按照配电网行动计划的要求,参与探索以配电网为支撑平台,构建多种能源优化互补的综合能源供应体系,实现能源、信息双向流动,逐步构建以能源流为核心的“互联网+”公共服务平台,促进能源和信息的深度融合,推动能源生产和消费革命。


新型互感器组合式高效配电变压器开发项目配电网行动计划要求优化升级配电变压器。从配电变压器研发、生产、使用等多个环节,运用政策导向和市场机制,促进高效、节能配电变压器的推广应用,提高覆盖率;大力推进老旧配变、高损配变升级改造,推动非晶合金变压器、高过载能力变压器、调容变压器等设备的应用,逐步淘汰S7(S8)型高损耗变压器。


截止2013年末,全国在网运行配变总计1530万台,总容量48亿千伏安。其中电网公司运行管理的配变约860万台,其它企业运行管理的670万台。全国在网运行配变中高效配变比例不足8.5%,新增量中高效配变占比仅为12%,产业发展相对滞后,节能潜力巨大。为此,2015年8月13日,工信部、国家质检总局、国家发改委三部委共同发布《配电变压器能效提升计划(2015-2017年)》,提出到2017年,累计推广高效配变6亿千伏安,实现年节电94亿千瓦时的目标。


结语未来几年,高效、节能的配电变压器市场很有需求量,按2017年末推广高效配变6亿千伏安、配变容量200千伏安/台计算,共需高效配电变压器300万台。由此,本文作者建议电表行业利用量测技术的优势,开发或合作开发新型互感器组合式高效配电变压器项目,采用高效配变与互感器的集成化设计,高效配变可以采用非晶合金配变,自适应负荷型配变,农网高过载配变,智能型配变。再在这些新型配变基础上,高压、低压引出线上增加电流互感器,非晶合金铁心,采集电流信号;配变高压线圈内部增加测量绕组,采集高压电压信号;箱盖上安装温度计。其中高压/低压互感器具有规定的测量准确度。

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