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摘 要:社会经济的发展离不开电力的支撑,而智能电网建设是当前世界各国电力行业关注的重点。本文对智能电网建设的社会背景和基本特征做出了阐述,对智能电网涉及的关键技术和研发路线分析,最后结合我国智能电网建设的实际,提出其未来发展趋势和展望。
关键词:智能电网;电网建设;认识
一、智能电网的概述
智能电网是为了实现能源替代和兼容利用,它需要在创建开放的系统和建立共享的信息模式的基础上,整合系统中的数据,优化电网的运行和管理。它主要是通过终端传感器在用户之间、用户和电网公司之间形成即时连接的网络互动,从而实现数据读取的实时、高速、双向的效果,整体性地提高电网的综合效率。它可以利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合,遇到电力供应高峰期时,能够在不同区域间进行及时调度,平衡电力供应缺口,从而达到对整个电力系统运行的优化管理;同时,智能电表也可以作为互联网路由器,推动电力部门以其终端用户为基础,进行通信、运行宽带业务或传播电视信号。
二、智能电网的原动力和特征分析
从电网的角度看,智能电网的原动力至少来源于以下四个方面:
(一)实现大系统的安全稳定运行(以抵御事故扰动为目的),降低大规模停电的风险,最大程度地提高设备的使用率。近年来世界上大停电频繁发生,一般的观点是,提高系统的全局可视化程度和预警能力,与使用较好的、灵巧的和快速的控制是增强电网的可靠性和避免系统崩溃的关键。
(二)分布式电源(包括储能)的大量接入和充分利用。基于环境保护、节能减排和可持续性发展的要求,人类更加深入地研究和利用洁净能源,电网中的太阳能、风能等可再生能源发电日益增多。它们大多是不确定的间歇性分布式发电(distributed generation,DG),而且直接接入配电系统。此时电网自上而下都成了支路上潮流可能双向流动的电力交换系统,从而提出了,如何处理数以万计的分布式电源和应对其发电的间歇性,以确保电网的可靠性和人身与设备安全的问题。
(三)高级市场化和需求侧管理。生态文明和环保意识的提升,使电力公司积极寻求不同于传统的方式来满足供需平衡。除了分布式的发电外,鼓励用户进行需求侧响应(demand response,DR)和节能也被认为是有效的方法。现实电网的利用系数很低(据美国统计,约为55%),一年内只有少数时间资产是被完全使用的,浪费了大量的固定资产投入。解决办法是缩小负荷曲线峰谷差,而现实系统中存在着大量能与电网友好合作的可平移负荷(电暖气、空调、热水器、电冰箱等),其比重超过运行储备。因此,需要开发高级的配电市场,通过电力公司与终端用户的互动,实现更具弹性的负荷需求特性,优化资产管理和利用,同时为用户提供多种选择性。
(四)近20年,通信和信息技术得到了长足的发展,数字化技术及应用在各行各业日益普及。它对电网的供电可靠性和电能质量提出了很高的要求。
然而,目前的电网满足不了数字化社会的这些需要;同时它在数字化技术的自身应用方面也相对落后。从广义层面来看,由于技术涉猎广泛,智能电网的一个关键目标是要像十年前兴起的国际互联网络一样催生新的技术和商业模式,实现产业革命。网络领袖思科预言,智能电网比国际互联网络拥有更大的市场空间。
三、智能电网涉及的关键技术和研发路线分析
(一)智能电网涉及的关键技术
智能电网的建设主要涉及5个技术领域。
1、灵活的网络拓扑。坚强、灵活的电网络拓扑结构,是未来智能电网的基础。它需使系统在经历故障时,把故障影响局限在最小范围,并可迅速通过其他连接恢复对其他部分的供电。
2、高级电力电子设备、超导和储能技术。电力电子技术和产品是未来配电系统的主要组成部分,包括多功能固态开关、智能电子装置(IEDS)和配网用的柔性输电系统装置(如SVC和DStatcom)等。未来电网将可使用新的系统控制逻辑,以便实现多重电力电子装置的集成控制,实现电网最大的可用传输能力。
3、开放、标准、集成的通信系统。基于开放体系并高度集成的通信系统,以便实现对系统中每一个成员的实时控制和信息交换,使得系统的每一部分都可双向通信;智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力,既包括识别故障早期征兆的预测能力,也包括对已经发生的扰动做出响应的能力。而在系统中安放大量的监视传感器并把它们连接到一个安全的通信网上去,是达到快速评估的关键。这个集成的能量与通信体系包括分布式计算环境,需覆盖从发电机到末端电力负荷的全部范围。
4、高级计量体系和需求侧管理。实现对诸如远程监测、分时电价和用户侧管理等的更快和准确的系统响应;高级计量体系由安装在用户端的智能电表、位于电力公司内的计量数据管理系统(MDMS)和连接它们的通信系统组成。近来,为了加强需求侧管理,该体系又延伸到了用户住宅之内的室内网络(HAN)。这些智能电表,能根据需要,同时实现多种计量,设定计量间隔(如5 min,15 min,1 h等),并具有双向通信功能,支持远程设置、接通或断离、双向计量、定时或随机计量读取。同时,有的也可以作为通向用户室内网络的网关,起到用户端口(Customer Portal)的作用,提供给用户实时电价和用电信息,并实现对用户室内用电装置的负荷控制,达到需求侧管理的目的。由于能实现带有时标的多种计量,智能电表实际上成为分布于网络上的系统传感器和量测点。因此,高级计量体系不仅能为电力公司提供遍及系统的通信网络和设施,也能提供系统范围的量测和可观性,被视为是实现智能电网的第一步。它既可以使用户直接参与到实时电力市场中来,也可为系统的运行和资产管理带来巨大效益。
5、先进的运行人员决策辅助系统。主要包括智能调度技术、广域防护系统、应急指挥系统以及高级的配电自动化系统。智能调度的关键技术主要涉及:(1)系统快速仿真与模拟(FSM);(2)智能预警技术;(3)优化调度技术;(4)预防控制技术,事故处理和事故恢复技术;(5)智能数据挖掘技术;(6)调度决策可视化技术。
(二)智能电网研发路线分析
在前文中有关智能电网研发的几个特征和推动因素,基本上也是当代电网寻求改进的发展方向。其次,智能电网的研发和实施与当代电网的改进和发展,同样都必须依靠监管法规的推动和市场机制的激励。此外,两者在发输配用之间也没有必然的先后顺序联系,甚至可以从供用电领域入手,先行建设城市智能电网。如美国科罗拉多州的Boulder,于2008年3月即建成为全美第一个智能电网城市。
因此,智能电网的研发实施和当代电网的改进发展,代表两条殊途同归的研发路线。但由于各国资源配置、监管决策取向、电力市场进展以及用户认知程度不同,其切入点、重点和先后顺序必然有所差异。比较有代表性的是欧州的20/20/20计划,和美国的Grid2030。2006年,欧州未来电网技术平台咨询理事会发布《智能电网-战略规划文件》,要求在2020年前可再生能源增加20%、碳排放减少20%和能源效率提高20%,故简称20/20/20计划。为了实现20/20/20目标,采取了6项措施,即优化电网的基础设施、接入大量的断续的发电设施、推广信息与通信技术、主动的配电网络、推广和改善新型的电力市场和提高用户的用电效率。
美国能源部于2003年7月发布Grid2030。紧接着发生了震惊全球的"8.14"美加大停电,Grid2030随即被纳入由美国EPRI发起、突出自愈功能的IntelliGrid智能电网研发。2009年,奥巴马政府将智能电网改造列入美国经济复苏计划,更加引发对智能电网的广泛关注。Grid2030是一个完全自动化的发输配用电网络,它监控每一个用户和电网结点,保证电力和信息在所有结点的双向流动。Grid2030具有3层结构:上层的全国电网骨架,通过低阻超导电缆和变压器组成的输电走廊,与包括加拿大和墨西哥的中层区域互联网相连;区域网内,长距离输电由升级的交流或扩充的直流线路构成,并大量应用先进的储能设备以解决由于气候或其他原因所造成的供需失衡;基层的地方配电网、小型网和微电网,通过区域网与国家骨架网相连,从任何地方的发电商购买电源,而向用户提供服务。用户可以根据需要挑选电力供应,包括电价,环境的影响,可靠性和电能质量。用户的分布式电源也可与区域网相连,参与市场交易和竞争。
突出自愈功能的Intelli Grid,进一步将智能电网结构概括为市场、输电、配电、高压发电、分布能源(包括分散发电、分布储能和需求响应资源)、用户服务、IT服务等7个领域,当前列出400多项应用功能,今后随技术进步和实践结果可能有所增减,被称为是走向下一代电力系统的路线图。2009年1月25日,美国白宫发布《复苏计划尺度报告》,宣布将铺设4 800 km输电线路,为全国近1/3的4000万家庭安装智能电表。此外,还将集中对落后的电网系统进行更新换代,建立跨越4个时区的统一电网,实现太阳能、风能、地热能的统一入网管理。
四、智能电网在我国的发展和展望
(一)我国智能电网的发展
我国虽然尚处于研究制定智能电网发展规划阶段,但早已根据国情开展了有关的基础工作,向智能电网方向发展。为了迎接全球性环境和能源的挑战,大力推动可再生能源的发展和开展节能减排。2007年9月4日,国家发改委发布的《可再生能源中长期计划》,制定了2010年达到10%、2020年达到15%的可再生能源发展目标。
新技术的研发与应用上,我国基于电力电子的灵活交流输电技术(FACTS)的研制和装备已达到国际领先水平。此外,根据我国资源配置的特点,正在推广高效低排的煤气化联合循环(IGCC)发电技术,和加强高温超导输电技术的研发。烟台300~400MW和华能250MW IGCC示范工程均将于2010年建成。
供需互动方面,正在结合拉动内需、积极筹建包括智能电表在内的新一代电力用户信息系统,用以支持电力市场的发展,并计及智能电网的研发和实施。国网公司现已建成推广的SG186一体化企业级信息平台,包括安全生产、项目管理、物资管理、财务资金、营销管理、协同办公和人力资源8大应用,以及信息安全防护、标准制度、评价考核等6项保障体系。SG186与新一代电力用户信息系统相结合,将为智能电网的信息化奠定良好基础。
在节能减排和配电市场影响较大的插入式电动汽车方面,我国已取得长足的进展。2008年12月15日,世界第一款续航里程达100km以上、时间上领先国外2~3 a的比亚迪F3DM双模电动车在深圳上市,2010年可望进入北美市场。
(二)智能电网发展展望
虽然当前智能电网的概念尚未统一,各国发展智能电网的驱动力和侧重点各不相同,但是对于采用先进的通信、信息和控制技术来提高电网的智能化程度已达成共识。基于Agent技术的分布式协调、控制、仿真与决策,分布式能源的系统集成以及基于知识的综合决策知识技术是未来智能电网技术发展的重要趋势。智能电网的研究和建设是一项高度复杂的系统工程,我国智能电网的研究和建设应在博采众家之长的基础上,充分发挥一体化管理优势和自主创新精神,因地制宜,建设具有中国特色的智能电网。
参考文献:
[1]孙福杰,雷鸣,杨诚彬.建设智能电网创新运营管理中国电力发展的新思路[R].北京:IBM全球企业咨询服务部,2006.
[2]中国电力科学研究院.智能电网关键技术研究框架[R].北京:国家电网公司,2009.
[3]陈树勇,宋书芳,李兰欣.智能电网技术综述[J].电网技术,2009, 33,(8).
[4]谢开,刘永奇,朱治中.面向未来的智能电网[J].中国电力,2008, 41,(6).
关键词:智能电网;电网建设;认识
一、智能电网的概述
智能电网是为了实现能源替代和兼容利用,它需要在创建开放的系统和建立共享的信息模式的基础上,整合系统中的数据,优化电网的运行和管理。它主要是通过终端传感器在用户之间、用户和电网公司之间形成即时连接的网络互动,从而实现数据读取的实时、高速、双向的效果,整体性地提高电网的综合效率。它可以利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合,遇到电力供应高峰期时,能够在不同区域间进行及时调度,平衡电力供应缺口,从而达到对整个电力系统运行的优化管理;同时,智能电表也可以作为互联网路由器,推动电力部门以其终端用户为基础,进行通信、运行宽带业务或传播电视信号。
二、智能电网的原动力和特征分析
从电网的角度看,智能电网的原动力至少来源于以下四个方面:
(一)实现大系统的安全稳定运行(以抵御事故扰动为目的),降低大规模停电的风险,最大程度地提高设备的使用率。近年来世界上大停电频繁发生,一般的观点是,提高系统的全局可视化程度和预警能力,与使用较好的、灵巧的和快速的控制是增强电网的可靠性和避免系统崩溃的关键。
(二)分布式电源(包括储能)的大量接入和充分利用。基于环境保护、节能减排和可持续性发展的要求,人类更加深入地研究和利用洁净能源,电网中的太阳能、风能等可再生能源发电日益增多。它们大多是不确定的间歇性分布式发电(distributed generation,DG),而且直接接入配电系统。此时电网自上而下都成了支路上潮流可能双向流动的电力交换系统,从而提出了,如何处理数以万计的分布式电源和应对其发电的间歇性,以确保电网的可靠性和人身与设备安全的问题。
(三)高级市场化和需求侧管理。生态文明和环保意识的提升,使电力公司积极寻求不同于传统的方式来满足供需平衡。除了分布式的发电外,鼓励用户进行需求侧响应(demand response,DR)和节能也被认为是有效的方法。现实电网的利用系数很低(据美国统计,约为55%),一年内只有少数时间资产是被完全使用的,浪费了大量的固定资产投入。解决办法是缩小负荷曲线峰谷差,而现实系统中存在着大量能与电网友好合作的可平移负荷(电暖气、空调、热水器、电冰箱等),其比重超过运行储备。因此,需要开发高级的配电市场,通过电力公司与终端用户的互动,实现更具弹性的负荷需求特性,优化资产管理和利用,同时为用户提供多种选择性。
(四)近20年,通信和信息技术得到了长足的发展,数字化技术及应用在各行各业日益普及。它对电网的供电可靠性和电能质量提出了很高的要求。
然而,目前的电网满足不了数字化社会的这些需要;同时它在数字化技术的自身应用方面也相对落后。从广义层面来看,由于技术涉猎广泛,智能电网的一个关键目标是要像十年前兴起的国际互联网络一样催生新的技术和商业模式,实现产业革命。网络领袖思科预言,智能电网比国际互联网络拥有更大的市场空间。
三、智能电网涉及的关键技术和研发路线分析
(一)智能电网涉及的关键技术
智能电网的建设主要涉及5个技术领域。
1、灵活的网络拓扑。坚强、灵活的电网络拓扑结构,是未来智能电网的基础。它需使系统在经历故障时,把故障影响局限在最小范围,并可迅速通过其他连接恢复对其他部分的供电。
2、高级电力电子设备、超导和储能技术。电力电子技术和产品是未来配电系统的主要组成部分,包括多功能固态开关、智能电子装置(IEDS)和配网用的柔性输电系统装置(如SVC和DStatcom)等。未来电网将可使用新的系统控制逻辑,以便实现多重电力电子装置的集成控制,实现电网最大的可用传输能力。
3、开放、标准、集成的通信系统。基于开放体系并高度集成的通信系统,以便实现对系统中每一个成员的实时控制和信息交换,使得系统的每一部分都可双向通信;智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力,既包括识别故障早期征兆的预测能力,也包括对已经发生的扰动做出响应的能力。而在系统中安放大量的监视传感器并把它们连接到一个安全的通信网上去,是达到快速评估的关键。这个集成的能量与通信体系包括分布式计算环境,需覆盖从发电机到末端电力负荷的全部范围。
4、高级计量体系和需求侧管理。实现对诸如远程监测、分时电价和用户侧管理等的更快和准确的系统响应;高级计量体系由安装在用户端的智能电表、位于电力公司内的计量数据管理系统(MDMS)和连接它们的通信系统组成。近来,为了加强需求侧管理,该体系又延伸到了用户住宅之内的室内网络(HAN)。这些智能电表,能根据需要,同时实现多种计量,设定计量间隔(如5 min,15 min,1 h等),并具有双向通信功能,支持远程设置、接通或断离、双向计量、定时或随机计量读取。同时,有的也可以作为通向用户室内网络的网关,起到用户端口(Customer Portal)的作用,提供给用户实时电价和用电信息,并实现对用户室内用电装置的负荷控制,达到需求侧管理的目的。由于能实现带有时标的多种计量,智能电表实际上成为分布于网络上的系统传感器和量测点。因此,高级计量体系不仅能为电力公司提供遍及系统的通信网络和设施,也能提供系统范围的量测和可观性,被视为是实现智能电网的第一步。它既可以使用户直接参与到实时电力市场中来,也可为系统的运行和资产管理带来巨大效益。
5、先进的运行人员决策辅助系统。主要包括智能调度技术、广域防护系统、应急指挥系统以及高级的配电自动化系统。智能调度的关键技术主要涉及:(1)系统快速仿真与模拟(FSM);(2)智能预警技术;(3)优化调度技术;(4)预防控制技术,事故处理和事故恢复技术;(5)智能数据挖掘技术;(6)调度决策可视化技术。
(二)智能电网研发路线分析
在前文中有关智能电网研发的几个特征和推动因素,基本上也是当代电网寻求改进的发展方向。其次,智能电网的研发和实施与当代电网的改进和发展,同样都必须依靠监管法规的推动和市场机制的激励。此外,两者在发输配用之间也没有必然的先后顺序联系,甚至可以从供用电领域入手,先行建设城市智能电网。如美国科罗拉多州的Boulder,于2008年3月即建成为全美第一个智能电网城市。
因此,智能电网的研发实施和当代电网的改进发展,代表两条殊途同归的研发路线。但由于各国资源配置、监管决策取向、电力市场进展以及用户认知程度不同,其切入点、重点和先后顺序必然有所差异。比较有代表性的是欧州的20/20/20计划,和美国的Grid2030。2006年,欧州未来电网技术平台咨询理事会发布《智能电网-战略规划文件》,要求在2020年前可再生能源增加20%、碳排放减少20%和能源效率提高20%,故简称20/20/20计划。为了实现20/20/20目标,采取了6项措施,即优化电网的基础设施、接入大量的断续的发电设施、推广信息与通信技术、主动的配电网络、推广和改善新型的电力市场和提高用户的用电效率。
美国能源部于2003年7月发布Grid2030。紧接着发生了震惊全球的"8.14"美加大停电,Grid2030随即被纳入由美国EPRI发起、突出自愈功能的IntelliGrid智能电网研发。2009年,奥巴马政府将智能电网改造列入美国经济复苏计划,更加引发对智能电网的广泛关注。Grid2030是一个完全自动化的发输配用电网络,它监控每一个用户和电网结点,保证电力和信息在所有结点的双向流动。Grid2030具有3层结构:上层的全国电网骨架,通过低阻超导电缆和变压器组成的输电走廊,与包括加拿大和墨西哥的中层区域互联网相连;区域网内,长距离输电由升级的交流或扩充的直流线路构成,并大量应用先进的储能设备以解决由于气候或其他原因所造成的供需失衡;基层的地方配电网、小型网和微电网,通过区域网与国家骨架网相连,从任何地方的发电商购买电源,而向用户提供服务。用户可以根据需要挑选电力供应,包括电价,环境的影响,可靠性和电能质量。用户的分布式电源也可与区域网相连,参与市场交易和竞争。
突出自愈功能的Intelli Grid,进一步将智能电网结构概括为市场、输电、配电、高压发电、分布能源(包括分散发电、分布储能和需求响应资源)、用户服务、IT服务等7个领域,当前列出400多项应用功能,今后随技术进步和实践结果可能有所增减,被称为是走向下一代电力系统的路线图。2009年1月25日,美国白宫发布《复苏计划尺度报告》,宣布将铺设4 800 km输电线路,为全国近1/3的4000万家庭安装智能电表。此外,还将集中对落后的电网系统进行更新换代,建立跨越4个时区的统一电网,实现太阳能、风能、地热能的统一入网管理。
四、智能电网在我国的发展和展望
(一)我国智能电网的发展
我国虽然尚处于研究制定智能电网发展规划阶段,但早已根据国情开展了有关的基础工作,向智能电网方向发展。为了迎接全球性环境和能源的挑战,大力推动可再生能源的发展和开展节能减排。2007年9月4日,国家发改委发布的《可再生能源中长期计划》,制定了2010年达到10%、2020年达到15%的可再生能源发展目标。
新技术的研发与应用上,我国基于电力电子的灵活交流输电技术(FACTS)的研制和装备已达到国际领先水平。此外,根据我国资源配置的特点,正在推广高效低排的煤气化联合循环(IGCC)发电技术,和加强高温超导输电技术的研发。烟台300~400MW和华能250MW IGCC示范工程均将于2010年建成。
供需互动方面,正在结合拉动内需、积极筹建包括智能电表在内的新一代电力用户信息系统,用以支持电力市场的发展,并计及智能电网的研发和实施。国网公司现已建成推广的SG186一体化企业级信息平台,包括安全生产、项目管理、物资管理、财务资金、营销管理、协同办公和人力资源8大应用,以及信息安全防护、标准制度、评价考核等6项保障体系。SG186与新一代电力用户信息系统相结合,将为智能电网的信息化奠定良好基础。
在节能减排和配电市场影响较大的插入式电动汽车方面,我国已取得长足的进展。2008年12月15日,世界第一款续航里程达100km以上、时间上领先国外2~3 a的比亚迪F3DM双模电动车在深圳上市,2010年可望进入北美市场。
(二)智能电网发展展望
虽然当前智能电网的概念尚未统一,各国发展智能电网的驱动力和侧重点各不相同,但是对于采用先进的通信、信息和控制技术来提高电网的智能化程度已达成共识。基于Agent技术的分布式协调、控制、仿真与决策,分布式能源的系统集成以及基于知识的综合决策知识技术是未来智能电网技术发展的重要趋势。智能电网的研究和建设是一项高度复杂的系统工程,我国智能电网的研究和建设应在博采众家之长的基础上,充分发挥一体化管理优势和自主创新精神,因地制宜,建设具有中国特色的智能电网。
参考文献:
[1]孙福杰,雷鸣,杨诚彬.建设智能电网创新运营管理中国电力发展的新思路[R].北京:IBM全球企业咨询服务部,2006.
[2]中国电力科学研究院.智能电网关键技术研究框架[R].北京:国家电网公司,2009.
[3]陈树勇,宋书芳,李兰欣.智能电网技术综述[J].电网技术,2009, 33,(8).
[4]谢开,刘永奇,朱治中.面向未来的智能电网[J].中国电力,2008, 41,(6).