配电网的可靠性越来越成为一个十分重要的话题，由于芬兰新出台法案的需求，芬兰的农村配电网也急需进行一些重要的变革。低压直流(LVDC)配电在某些特定场合是一个可以选择的配电方式。它的优点主要在于电压等级低、节约成本，适合负荷密度较低地区的需要，且分布式电源及储能设备也更易于接入，同时具有更好的供电可靠性和更高的电能质量。现有的研究表明低压直流配电技术在芬兰农村配电网中可以有一定的应用前景。
2013年6月，芬兰通过了新的电力市场运行法案，该法案对电力系统可靠性以及由于停电对用电客户的赔偿都提出了更高的要求。这些法案正在逐步生效，在未来不迟于15年的时间内，芬兰Elenia Oy公司配电系统调度中心(DSO)必须达到发生严重自然灾害时，“在城市规划地区停电不允许超过6h，在其他地区不允许超过36h”的要求，这类停电主要是指由风暴或大雪引起的停电。在过去的几年中，芬兰也发生过一些由自然灾害引起的电网停电故障，其中最严重的甚至造成了一些用户长达几周的停电。因此，为了满足新法案对供电可靠性的更高要求，需要对配电网，尤其是芬兰的农村地区配电网进行大范围地改造。
在未来15年中，考虑到新法案的具体要求，改革的投资将主要集中在芬兰农村地区中压配电网的主干线路上，这是因为这些中压主干线路的供电安全性对用户停电时间产生的影响最大。对中压主干线的改造主要采取铺设地下电缆的方式，而对于原有的大部分长度较短的中压分支线路，由于其大多数都已达到机械寿命，因此对于这部分中压短分支线路的改造需要进行论证。
芬兰80%的电力供应中断都是由20kV中压配电网故障引起的。由于客户分散、负荷密度低，在农村地区通常要建设中压分支线路来为单独(或若干)配电变压器供电。这些中压分支线路发生的故障有时会导致整条中压馈线供电中断。芬兰的农村中压配电网通常设在森林中，其大部分是在1950～1970年间建设的，寿命已达40～50年，因此在不久的将来需要重建。重建工作的结果必须能够适应未来40～60年的发展需要，而且还需要尽可能的具有成本效益。
低压直流配电网是重建这些中压短分支线路的解决方案之一。它的主要优点在于低压直流线路在节约成本方面的潜力很大，并且还能提升整个配电网的可靠性和供电质量。同时它还可方便地为分布式发电以及储能提供接入点，使配电网能够更加朝着智能配电网的方向发展。此外，因为低压直流系统具有隔离作用，用户端造成的电流畸变以及无功电流也不会在中压配电网中传播。因此，低压直流配电可以降低交流中压配电网在电能质量方面的压力。
迄今为止，低压直流配电唯一被认为足够成熟的应用领域为数据中心和电信供电系统。在这些应用中，直流电源不仅用来为服务器和其他这样的信息通信技术设备提供电力，而且也用于照明、空调和电动车辆(EV)的充电。在其他应用环境，如家庭、工业和LVDC公共配电系统，实用公共直流电网目前还没有相应的标准。
芬兰Elenia Oy公司配电系统调度中心(DSO)和ABB电气传动系统部于2014年3月合作开发了此低压直流配电系统。
芬兰Elenia Oy公司利用低压直流配电线路替代中压短分支线路进行试点运行的目的，主要是获取低压直流线路运行和维护的长期实践经验，同时通过试验运行明确低压直流配电系统在寿命周期内的费用情况。到目前为止，已运行的低压直流配电线路还没有出现任何故障，未来的运行情况也十分乐观。
通过估算低压直流配电线路在寿命周期内的费用，并与传统中压分支线路比较，作为中压分支线路的替代法案，低压直流配电是一个更经济的解决方案。但由于缺少低压直流设备在配电网中运行的长期经验，对低压直流配电系统寿命周期费用的估算还存在一定的不确定性。在过去的20年中，构成直流换流器的电力电子设备的费用正以每年5%左右的幅度降低，然而传统交流配电设备的费用却大幅增加。低压直流配电凭借其节约成本的巨大潜力，可为未来芬兰大范围的农村配电网中压分支线路的重建工作提供合适的替代方案。
1应用区域分析
1.1芬兰Elenia Oy公司的现状及展望
芬兰Elenia Oy公司是芬兰第二大配电网公司，拥有将近41万客户，覆盖了5万km2的地区，市场份额约占芬兰全国的12%，中低压配电网的线路总长度超过了6.5万km，其中，中压配电线路的总长度约2.2万km，低压线路的总长度约4.3万km。公司的配电网主要向人烟较稀少的地方供电，所以农村地区电网的配电技术发展极为重要。芬兰Elenia Oy公司决定通过铺设电缆来建设一个新网络，现在该公司中压电压等级(MV)电网的电缆铺设率已经达到了19%，低压电压等级(LV)则达到了39%，总体的电缆铺设率为32%。该公司已决定在未来15年内，将电缆铺设率提高到70%。在这段时间之后，芬兰Elenia Oy公司将会有7 000km左右的农村中压电网分支线路等待重建。
1.2更新配电网络的主要驱动力芬兰Elenia Oy公司更新配电网络的主要驱动力，就在于试图采用经济的方案对老旧中压配电网的分支线路进行改造，并提高配电网的整体供电可靠性和电能质量。
低压直流配电是一项全新的技术，现今的换流器运行时间最长的也仅仅只有15～20年，这只是配电网其他一次设备平均寿命的1/2。但是，电力电子技术是不断发展的，未来电力电子设备的寿命还会延长，结构也会更加模块化，局部适应性也会更加灵活。
1.3芬兰农村地区中压配电网的典型结构与负荷特性
芬兰农村地区的负荷具有供电距离长，负荷分散，单一负荷小的特点。因此，芬兰Elenia Oy公司农村地区中压配电网馈线的典型结构，一般为鱼骨放射型(中压主干线亦可与对侧中压馈线互联构成环网结构，开环运行)，即在中压主干线上分出许多短分支线，通常负荷(配电变压器)接在短分支线的末端，见图1。
芬兰Elenia Oy公司对其当前运行的整个中压配电网进行了统计分析。统计分析仅局限于分支线路末端接单一配电变压器或多配电变压器的情况(低压直流配电技术也主要被应用于此类情况)。统计分析中不包含长度少于100m的分支线路。统计数据见表1。
根据表1，符合要求的分支线路的总长度约占芬兰Elenia Oy公司整个中压配电线路总长度的22%，分支线的平均长度只有579m，且几乎全部分支线均为架空线路，配电变压器的平均容量只有88kVA。
2低压直流运行电压与线路选型
2.1低压直流运行电压选择
芬兰Elenia Oy公司交流配电网的中低压电压等级分别是中压交流20kV和低压交流400V，其中低压交流400V是终端用户当前用电器的使用电压。采用低压直流配电系统为终端用户供电，可以采用更高的低压直流电压等级，这是由于在低压电缆规程2006/95/EC中，低压电缆的最高运行电压为交流1000V和直流1500 V，当前的交流电缆亦可被用于直流送电。因此，留出一定的安全裕度后，芬兰Elenia Oy公司采用的低压配电电压等级为低压直流900V。
2.2低压直流电缆选型
芬兰Elenia Oy公司的低压交流网络采用3种类型的AXMK铝芯电缆，分别为AX50、AX95和AX150，而这些型号的电缆也适合直流900V采用。低压直流配电线路的功率传输容量可按如下思路考虑，因为单极直流采用两根导线，所以直流电缆线路的最大电流max是单根导线最大电流I max_wire的2倍。表2给出了不同截面直流电缆的部分参数。
当直流配电线路的额定电压n为直流电压900V时，按相关逆变器的输出电压为交流600、575 V和550 V时，逆变器的电压降分别为直流26、62V和99 V，也就是逆变器电压降的百分比为2.9%、6.9%和11%。
图2给出了功率传输容量与直流电缆传输距离的关系(以电压降限值为6.9%时为例)。因此，曲线表示达到电压降限值时的功率传输容量的极限值，直流电缆传输的实际功率应低于曲线所给出的限值，曲线的线性部分是由于电流已达最大限制电流。从图中可以看出，AX50型直流电缆可满足平均配电变压器容量(88kVA)及平均分支线长度(579m)的要求，而AX95、AX150型直流电缆则可满足超出平均配电变压器容量或平均送电距离的负荷需求。
采用同样的方法将电压降限值分别设为2.9%和11%进行计算。对于AX95类型的导线，当电压降为2.9%时，100kW的功率能够传输的最大距离为0.71km;当电压降限值为6.9%时，传输距离增加到1.63km;当电压降限值为11%时，传输距离增加到2.48km，是采用2.9%电压降时传输距离的3.5倍。
3交直流配电网典型案例
3.1典型结构
芬兰Elenia Oy公司设计的交直流配电网典型结构见图3。该典型结构从中压交流20kV线路上引出中压交流20kV分支线，先通过20/0.63kV配电变压器降压到低压交流0.63kV，并经过整流换流器升压到低压直流900V，然后通过低压直流900V配电线路输送给用户，到用户处再经过逆变换流器变成低压交流600V，再通过600/400V低压隔离变压器输出低压交流400V为终端用户供电。
3.2实际结构示例
芬兰Elenia Oy公司规划的交直流配电线路的典型实际结构见图4。
4结语
芬兰Elenia Oy公司根据所运行配电网的实际情况，通过论证及实验运行，表明采用低压直流配电网络替代芬兰农村地区负荷较低的中压短分支线路的方案是可行的。本文介绍了芬兰Elenia Oy公司与ABB电气传动系统部合作开发的单级点对点四线接地电缆的低压配电系统结构，并根据芬兰Elenia Oy公司配电网的实际情况，给出了可满足实际送电距离和配电变压器配置的低压直流电缆的选型建议。
目前，可用于公共配电网络的低压直流系统的研究已经开始起步，全球也已开展相关系统的研发。制定相关标准进行规范是非常重要的问题。但目前可用于公共配电网络的低压直流系统还没有制定相关的标准，而系统的标准化要求从不同的应用和案例系统获得可行的实践经验，根据国际标准化组织IEC策略组4(SG4-LVDC)的建议，低压直流系统的标准化应该基于市场需求和实践经验的可用性。
然而，由于公共低压直流系统的应用刚刚起步，当低压直流系统大规模应用以后还不清楚将会发生什么，一个大的直流系统的不同部分之间的不兼容性也有可能导致较差的能量效率，以及全寿命周期成本的增加。由此可见，对多功能应用以及实际用例之间的互联关系的全面了解是必须的。众所周知，全局最优不是局部最优的简单叠加。相当大的风险在于根据实际应用或实用实例制定的标准化，有可能对其他应用的优势和发展产生不可预期的影响。因此，对于公共低压直流配电技术来说，既要抓紧制定相关标准，也有必要根据实际情况适时修订，以满足低压直流配电技术健康发展的需要。
