智能电网知识
智能电网知识
引言
当前,节能减排、绿色能源、可持续发展成为各国关注的焦点。人类能源发展面临的第一挑战,是以可再生能源逐步替代化石能源,建造能源使用的创新体系,以信息技术彻底改造现有的能源利用体系,最大限度地开发电网体系的能源效率。因此期望通过一个数字化信息网络系统将能源资源开发、输送、存储、转换、输电、配电、供电、售电、服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其它用能设施连接在一起,通过智能化控制实现精确供能、对应供能、互助供能和互补供能,将能源利用效率和能源供应安全提高到全新的智能电网是经济和技术发展的必然结果,具体是指利用先进的技术提高电力系统在能源转换效率、电能利用率、供电质量和可靠性等方面的性能。智能电网的基础是分布式数据传输、计算和控制技术,以及多个供电单元之间数据和控制命令的有效传输技术。
1、智能电网的基本状况
1.1 智能电网的含义
智能电网并没有一个确定的概念,各个领域的专家从不同角度阐述了智能电网的内涵,并且随着研究和实践的深入对其不断细化。天津大学余贻鑫院士给出如下定义:智能电网是指一个完全自动化的供电网络,其中的每一个用户和节点都得到实时监控,并保证从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。智能电网通过广泛应用的分布式智能和宽带通信,以及自动控制系统的集成,能保证市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动。总之,智能电网就是通过传感器把各种设备、资产连接到一起,形成一个客户服务总线,从而对信息进行整合分析,以此来降低成本,提高效率,提高整个电网的可靠性,使运行和管理达到最优化。
1.2 我国的智能电网的发展现状
随着我国经济的快速发展,对电力的需求日益增强,而国内能源结构不合理、能源分布不均衡严重制约电力行业的发展。特高压电网解决了远距离、大容量输
电问题,在一定程度上解决了能源输送问题,但“重电源轻电网”导致供电可靠性较低,同时网架结构薄弱则限制了新能源有效利用。2007年10月,华东电网正式启动了以提升大电网安全稳定运行能力为目的的智能互动电网可行性研究项目。2008年4月,在前期智能电网研究成果的基础上,华东电网启动高级调度中心项目群建设,该项目是智能电网建设蓝图“三步走”的第一阶段“巩固提升”的重点内容。2009年5月21日,在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上,国家电网公司正式宣布将建设“坚强的智能电网”,并公布了规划试点、全面建设、引领提升三阶段的建设方案。
1.3国外智能电网的发展现状
长期以来,由于风电电价高于火电电价,作为清洁能源的风电对于解决能源。早在2003年美国电力研究院(EPRI)就已经将未来电网定义为“智能电网”,同年6月,美国能源部输配电办公室发布的“Grid 2030:电力的下一个100年的国家设想”的报告描绘了美国未来电力系统的设想,并确定了各项研发和试验工作的分阶段目标。2004年美国Battelle研究所和IBM公司也先后提出自己对“智能电网”的理解。美国宾夕法尼亚—新泽西—马里兰互联电网公司在2006年底完成的战略规划将智能电网建设作为其发展愿景。2008年美国科罗拉多州的波尔得(Boulder)宣布成为全美第一个智能电网城市,家庭用户可以和电网互动,了解实时电价,合理安排用电;同时电网还可以根据实际情况进行电力的实时调配,提高供电可靠性。
其他国家也纷纷启动智能电网相关研究和建设规划。日本政府计划在与电力公司协商后,于2010年开始在孤岛进行大规模的构建智能电网试验;韩国计划在2011年前建立一个“智能电网”综合性试点项目,届时能提高该国环保能源的能力;澳大利亚政府在最新的预算案中已划拨1亿澳元用于智能电网建设。 2 发展智能电网的必要性及智能电网的性能要求
电网的安全、稳定和高效运行对于任何一个国家的可持续发展都具有重要意义。一个现代化的电网必须从根本上保证国家能源安全、优化资源配置、带动上下游产业链发展、体现电网企业社会责任、提高电网企业资产利用率和投资效益、适应能源结构变化和体制改革要求。因此,在电网发展和建设过程中,有必要提高科技投入,早日实现电网的智能化。
智能电网的性能特征体现了它与传统电网的区别,可以总结为以下6个方面:自治和自愈能力、防御能力、电网兼容性、高效运营和管理、优质和友好性、电力交易的方便性。
2.1 自治和自愈能力
自治和自愈能力是指电网维持自身稳定运行、评估薄弱环节和应对紧急状态的能力。目前电网的安全稳定计算和紧急预案制定仍以离线分析为主,其分析结果往往偏于保守,且无法在任何时刻都符合电网的实际运行情况。在智能电网中,电网将具备更强的自我管理和自我恢复能力,主要体现在以下几点:1)电网能够自动合理安排运行方式,协调国家、大区、省级、地县各级电网,根据潮流、负荷、气象条件等情况确定运行参数;2)电网具有在线安全稳定分析能力,能快速对自身状态进行评估,明确电网安全稳定的薄弱环节并自动提出解决方案;3)有快速的反应能力,力保电力系统三道防线;4)能针对实际情况修改或制定黑启动方案。
2.2 防御能力
防御能力是指电网抵御外部破坏的能力。外部破坏包括自然力、人为、恐怖主义、战争等因素,因此,智能电网应从2方面提高防御能力:
(1)抵御物理破坏的能力,要求当系统失去多台发电机、多台变压器或多条主要线路以后,电网仍能维持稳定运行并向关键负荷稳定地输送电力。
(2)维护信息安全的能力,要求当系统的控制中心、微机保护、数据库、信息和通信系统等设备受到信息战层面的攻击时,电网仍能保持正常运行。
2.3电网兼容性
电网兼容性是指电力系统能够开放性地兼容各种类型设备的能力。电网涉及的产业链较长,包括发电、燃料、环保、需求侧、装备制造等领域,因此,一个开放的、高兼容性的电网对于各产业的充分发育、增加就业岗位、促进节能减排具有重要意义。电网的兼容性应包括以下3个方面:(1)兼容一次设备,包括特高压、FACTS、传统能源、清洁能源、储能装置等;(2)兼容二次设备,包括保护、测量、控制和通信装置、软件等;( 3)推动标准化,实现即插即用。
2.4高效运营和管理
高效运营和管理是指电网提高设备利用率、减少线损、降低运营成本的能力。目前,电网建设和运行存在以下几个问题:
1、电网往往要被动地适应负荷,因此部分设备和输电通道的全年利用率不高;
2、配电网线损较大,配电网的设备和运行函需优化;
3、检修以定期检修为主,检修计划的安排不能完全与设备状态匹配。在智能电网中,在合理规划电网的基础上,将会引入先进的信息管理系统和监控技术,并适时引入状态检修和需求侧管理,从而提升资产利用率,优化电网的投资,降低企业成本。
2.5优质和友好性
优质和友好性是指电网与需求侧、发电商、环境和谐相处的能力。在智能电网中,电网、发电商、需求侧将会形成互动的关系;需求侧和发电商将可以互相选择,而智能电网将为其提供完成交易的信息处理平台和物理载体。此外,环保因素在电力调度和消费中的影响将会上升。智能电网的优质和友好性主要包括以下几方面:
1、针对电网、需求侧和发电商建立支持各方互动的可视化操作界面;
2、吸纳需求侧和分布式电源主动参与电网的运行和交易;
3、建立健全的信息发布体系,尽量避免消息不对称;
4、提高电能质量;
5、对用户的差异化需求提供个性化服务;
6、采用合理机制,提高清洁能源的竞争力,促进节能减排。
2.6电力交易的方便性
电力交易的方便性要求电网能在任何交易机制下快速、及时、准确地处理电力交易合约。目前,电力交易体制和电力能源结构正在发生变革。在交易体制方面,一些国家和地区已在电力交易中引入竞争机制。我国也正在探索如何建立适合我国国情的电力交易制度。2009年的《政府工作报告》指出要“继续深化电价改革,逐步完善上网电价、输配电价和销售电价形成机制,适时理顺煤电价格关系”。同时,中国电监会也己着手建立双边交易试点。
因此,智能电网既要适应现有的电力交易制度,也要为未来的发展留有裕度;其主要功能如下:
1、支持电力市场,能够公正、快速、准确地处理各种交易合约;
2、快捷简便的业务结算能力;
3、建立需求侧响应机制和开放性平台,吸引需求侧和分布式电源参与电力交易;
4、具有系统升级能力,以适应进一步改革的需要。
3 智能电网的基础技术和信息管理系统
3.1 智能电网的基础技术
智能电网的构建将有赖于多项基础技术的发展、推广和应用。本文从以下4个角度归纳建设智能电网所需的基础技术:电力设备、量测与通信设备、信息管理系统、决策与控制理论。 智能电网应具有灵活坚强的拓扑,因此需要研究更为先进的电力设备,主要包括电源和储能技术、输配电技术、电力电子技术、高效能源材料技术4大类。
1、电源和储能技术。目前世界各国的能源结构均在调整中,以求提高能源利用效率,避免由于化石能源的大量消耗造成严重的环境污染。今后电源技术将集中于核能、风能、太阳能、生物质能、氢能、燃料电池等清洁能源技术,以及洁净煤燃烧技术、高参数超超临界机组、超临界大型循环流化床、多联产系统技术、超级电容器、飞轮储能等方面。
2、输配电技术。在电网网架建设中,既要发展大容量远距离低损耗输电技术,也要研究分布式供能技术以缓解输电网压力。输配电技术主要集中于特高压交直流输电、特高压绝缘、高温超导、微型电网等方面。
3、电力电子技术。主要包括耐高压大电流电力电子器件,轻型直流输电,以及固态变压器、固态断路器、统一潮流控制器、静止无功补偿器、TCSC、有源滤波器、动态电压恢复器、静止同步补偿器等FACTS装置。
4、高效能源材料技术。主要包括太阳能电池相关材料,燃料电池关键材料,高容量储氢、高效二次电池材料,超导关键材料及制备技术,以及高效能量转换等。
3.2 信息管理系统
智能电网中的信息管理系统应主要包括采集与处理、分析、集成、显示、信息安全5个功能。
1、信息采集与处理。主要包括详尽的实时数据采集系统、分布式的数据采集和处理服务、智能电子设备资源的动态共享、大容量高速存取、冗余备用、精确数据对时等。
2、信息分析。对经过采集、处理和集成后的信息进行业务分析,是开展电网相关业务的重要辅助工具。纵向包括“发电-输电-配电-需求侧”4级产业链业务分析和“国家-大区-省级-地县”4级电网信息分析。横向包括发电计划、停电管理、资产管理、维护管理、生产优化、风险管理、市场运作、负荷管理、客户
关系管理、财务管理、人力资源管理等业务模块分析。
3、信息集成。智能电网的信息系统在纵向上要实现产业链信息集成和电网信息集成,横向上要实现各级电网企业内部业务的信息集成。为此有必要借鉴或利用面向服务架构等系统架构或标准,开发高效标准化的信息集成系统。
4、信息显示。为各类型用户提供个性化的可视化界面,需要合理运用平面显示、三维动画、语音识别、触摸屏、地理信息系统((GIS)等视频和音频技术。
5、信息安全。智能电网必须明确各利益主体的保密程度和权限,并保护其资料和经济利益。因此,必须研究复杂大系统下的网络生存、主动实时防护、安全存储、网络病毒防范、恶意攻击防范、网络信任体系与新的密码等技术。 4 智能电网的功能实现
智能电网各项功能的实现,有赖于在完善各项基础技术的基础上,将其有效应用到电网运作的各环节,实现分散控制和集中控制的协调。本文从智能控制中心、智能变电站、智能线路、智能保护系统、智能需求侧管理5个角度介绍智能电网的功能。
4.1 智能控制中心
智能控制中心是现有的EMS, DMS, SCADA,虚拟电厂(virtual power plant)等技术的再升级和结合,主要具有以下功能:可视化互操作平台、预测功能、交易与调度功能、快速安全稳定分析功能、智能保护整定、预警报警与事故处理、虚拟电厂、镜像备用等。在研究中还应根据分层分区的原则,明确不同级别控制中心的权责和功能,进行有针对性的设计。
1、可视化互操作平台。该平台能利用多媒体技术显示潮流、电压、功角、稳定裕度、故障位置、变电站和线路运行、发电厂状态等信息,监视控制中心各功能模块,实现个性化信息披露,接收运行人员指令。
2、预测功能。以高性能通信和信息处理为依托,与气象部门、水利部门等相关部门联合,实现信息的短时甚至超短时预测;主要包括负荷预测(包括系统负荷和节点负荷)、气象预测(比如气温、降雨、覆冰、雷击、台风、极端天气)、可再生能源的出力预测等功能。
3、交易与调度功能。该功能包括数据管理、机组调度、电网协调、信息披露等。数据管理用于处理机组状态、电网拓扑、实时电网模型、预测参数、检修计划、电力交易基础数据(如双边合约、竞价上网、节能调度、可再生能源扶持政策、金融和约等)等信息。电网调度功能会在各种数据的基础上,经过阻塞管
理、安全校核、网损管理等流程后实现优化决策。电网协调功能是在综合处理各级智能控制中心的决策后,协调各级电网的运行,对网间交易、机组组合、出力分配、安全校核、AGC,备用等方面进行优化协调。信息披露功能则在服从相关保密和监管条例的前提下,对发电计划、购电成本、网间交易、能耗排放、阻塞情况、预测参数以及其他必要的信息进行及时准确的披露。
4、快速安全稳定分析功能。目前的电力系统安全稳定分析主要以离线分析为主,不能完全反映系统的真实情况。在智能电网中,应推动安全稳定分析的在线化和实时化。该功能首先利用高性能量测和通信系统到得拓扑、潮流、频率、电压、设备实时模型等信息;然后据此进行状态估计和在线建模分析;最后确定当前系统的安全稳定性。
5、智能保护整定。目前的保护整定以离线整定为主。在智能电网中,将在快速安全稳定分析、实时网络拓扑和参数、实时负荷特性的基础上计算出母线、线路、变压器保护和安全自动装置的定值。
6、预警报警与事故处理。根据紧急程度,智能控制中心将做出相应的预警(如稳定裕度不足、弱阻尼、备用不足、极端天气)、报警(如功率、电压、频率越限、失步、振荡、非主动解列、故障)和事故处理(如保护协调、低频低压减载、连锁切机、主动解列、再同步等)。
7、虚拟电厂。是将某个区域的分布式电源合并作为一个电厂参与电网运行,从而实现有效调度管理的技术。利用该技术能提高分布式电源的渗透率,吸引分布式电源参与电力交易和需求侧响应。
8、镜像备用。在某些特殊情况下,控制中心可能失去部分或全部功能,因此有必要为控制中心的信息建立实时镜像,在紧急情况下用镜像取代原控制中心的功能。
4.2 智能变电站
智能变电站将整合变电站自动化、地理信息系统、SCADA等技术,并兼容微网和虚拟电厂;能与控制中心实现高性能通信;在控制中心授予的权限范围内进行控制和建模。智能变电站主要具有4种能力:自治、实时建模、协调、操作自动化。
1、自治能力。变电站能在必要时调整AVR(automatic voltage regulator)的定值以减小线损、提高电能质量和电压稳定性。在智能电网中,分布式发电渗透率将增加,微网、虚拟电厂等技术将逐步得到应用,配网中AVR的调整方式将适应这个趋势。
智能检修是智能变电站的重要特点。它能监测分析变电站设备(如变压器、
母线、避雷器、隔离开关和断路器、互感器等)的状态,实现状态检修,从而优化资产使用和节约人力成本。 此外,智能变电站还能实现预警报警、自动故障诊断和处理等功能。
2、实时建模能力。变电站能实时监测辖区运行状态,辨识设备和网络模型,从而为控制中心提供决策依据。
3、协调能力。变电站应服从控制中心指令,因此应有专门的系统协调变电站自治和控制中心指令之间的关系。
4、操作自动化。变电站能在微机的控制下取代操作人员进行倒闸、开闭地刀等操作。
4.3 智能线路
在智能线路中,基础设施技术水平将会提高,在线监控和智能检修会投入应用。
1、基础设施。特高压、HVDC, VSC-HVDC,FACTS、高温超导等技术会更多地投入使用,从而使线路获得更高的输电容量。合理利用其中的某些设备可以实现提高电能质量、阻尼系统振荡等功能。
2、远程监控和智能检修。目前的线路检修经常需要检修人员实地勘察,这将消耗大量的人力物力并具有一定的危险性。智能电网能实时远程监测线路上的电压、电流、功率、频率、覆冰、绝缘、污闪、植被、弧垂、杆塔应力、设备状态等;并利用相关信息实现状态检修,进行故障定位、自动融冰等操作。
4.4 智能需求侧管理
该功能融合了高级量测体系、微网、定制电力等技术。
1、高级量测体系。该体系包括智能电表、通信、电表数据管理3个系统。借助该体系能实现智能需求侧管理,比如用电状况收集、需求侧/电网双向通信、实时电价响应、智能家电控制、虚拟电厂和微网控制、防偷电等任务。
2、微网。微网技术是由分布式电源、负荷以及其他监控、保护装置组成的小型发配电系统,其中还可能包括换流器、储能设备等;既能并入大电网运行,也能实现孤岛运行。利用微网技术可以提高电网的可靠性和电能质量,吸引用户参与需求侧响应。
3、定制电力。利用电力电子装置等设备,根据用户的差异化需求提供个性化服务。
5 智能电网发展需求
5.1、坚强而灵活的网络拓扑
坚强、灵活的电网结构是未来智能电网的基础。我国能源分布与生产力布局很不平衡,无论从当前还是从长远看,要满足经济社会发展对电力的需求,必须走远距离、大规模输电和大范围资源优化配置的道路。特高压输电能够提高输送容量、减少输电损耗、增加经济输电距离,在节约线路走廊占地、节省工程投资、保护生态环境等方面也具有明显优势。因此,发展特高压电网,构建电力“高速公路”,成为必然的选择。如何进一步优化特高压和各级电网规划,做好特高压交流系统与直流系统的衔接、特高压电网与各级电网的衔接,促进各电压等级电网协调发展、送端电网和受端电网协调发展、城市电网与农村电网协调发展、一次系统和二次系统协调发展,成为需要解决的关键问题。随着电网规模的扩大,互联大电网的形成,电网的安全稳定性与脆弱性问题越来越突出,对主网架结构的规划设计要求相应地提高。只有灵活的电网结构才能应对冰灾、战争等突发灾害性事件对电网安全的影响。
5.2、开放、标准、集成的通信系统
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。智能电网也需要不断整合和集成企业资产管理和电网生产运行管理平台,从而为电网规划、建设、运行管理提供全方位的信息服务。因此,宽带通信网,包括电缆、光纤、电力线载波和无线通信,将在智能电网中扮演重要角色。这也是GridWise和IntelliGrid项目的重要研究内容。智能电网的发展对网络安全提出了更高的要求,这一问题需要格外注意。目前美国EPRI 的合作伙伴PowerWec、EEI、NERC 以及爱达荷州实验室正致力于信息安全问题的研究。
5.3、高级计量体系和需求侧管理
电网的智能化需要电力供应机构精确得知用户的用电规律,从而对需求和供应有一个更好的平衡。目前我国的电表只是达到了自动读取,是单方面的交流,不是双方的、互动的交流。由智能电表以及连接它们的通信系统组成的先进计量系统能够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。将来随着技术的发展,智能电表还可能作为互联网路由器,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的整合。这里涉及
到用户门户(customer portal)技术,作为美国Intelligrid 项目的重要研究内容之一,该项研究致力于设计与目前用户使用的提供“非能源服务”的协议相连接的接口。
5.4、智能调度技术和广域防护系统
智能调度是未来电网发展的必然趋势,调度的智能化是对现有调度控制中心功能的重大扩展。调度智能化的最终目标是建立一个基于广域同步信息的网络保护和紧急控制一体化的新理论与新技术,协调电力系统元件保护和控制、区域稳定控制系统、紧急控制系统、解列控制系统和恢复控制系统等具有多道安全防线的综合防御体系。智能化调度的核心是在线实时决策指挥,目标是灾变防治,实现大面积连锁故障的预防。
总结
信息化与智能化高速发展的时代,电脑,通讯似乎都能满足人们的日常需求,但日渐老化的传统电网结构并没有跟上技术变革的步伐,用户对电力供应提出了越来越高的要求,国家安全、环保等各方面政策都对电网的建设和管理提出了更高的标准。智能电网就是电网的智能化,它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。智能电网的主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行,智能电网必将展现出其特有的强劲的生命力。