智能电网关键技术的研究概要

智能电网关键技术的研究511883 王重阳(清华大学电力工程学院广州摘要:本文对智能电网关键技术进行了具体阐述,主要是量测、通信、信息管理、调度、电力电子和分布式能源接入等方面。最后借助美国智能电网研究应用情况,对智能电网技术实现的功能进行了归纳和评述。关键词:智能电网;关键技术;电力;电子;发展1 引言智能电网并不是一个全新概念,它是随着技术发展和业务需要而逐步形成的,国内外相关研究机构很早就展开对智能电网领域的研究探索,各国政府和电网公司也开始将发展智能电网作为解决能源问题的良药。智能电网却无统一的定义,这个术语来自smart grid( 可译为灵巧电网 ,也有人称为intelligen t grid (智能电网 .其实,智能电网不是一个特定的技术词汇,也不是一个新技术领域,它只是对现代电网的概括性的描述,主要侧重现代电网的两个基本特征: (1主要的电气设备和电网的参数可以通过先进的双向信息通信系统,实施灵活控制,保证电网安全经济运行;(2 供电方通过智能配电设备,向用户提供可靠、优质、个性化的电能供应,实施需求侧管理,节约资源。2 智能电网发展研究简介世界经济发展与人类生存环境面临的形势:环境:全球气候变化、自然灾害频发、污染严重、沙漠化、城市面临挑战、高碳经济、温室效应、冰川融化等;能源:传统能源的日益短缺、新能源、可再生能拥、国家能源安全、可持续发展造福子孙后代技术:需要智能电网帮助电力行业推动技术创新,实现技术转型确保电力可靠供应.2.1 国外智能电网发展早在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PJM(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。2001年意大利的电力公司就安装和改造了3000万台智能电表,建立起了智能化计量网络,欧洲其他国家也将智能网络作为一项革命进行推广。2006年欧盟理事会的能源绿皮书欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略(A European Strategy for Sustainable,Competitive and Secure Energy明确强调欧洲已经进入一个新能源时代,而智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。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. 2 国内智能电网发展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。为了解决这些问题,国内电网企业也开始寻求利用信息技术提高电网运营能力,而智能电网则是一个重要的研究方向。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。从2007年华北电网公司开始进行智能电网相关的研究和建设,致力于打造智能调度体系,为智能输电网奠定基础;建立企业级服务总线,搭建智能电网信息架构;超前研发清洁能源关键技术,做好可再生能源并网准备;结合客户信息采集系统,试点建设智能供电网。2009年华北电网将在前期工作的基础上,深度体会国网公司建设中国特色智能电网的概念、理论,结合华北特色大力建设智能电网,制定智能电网发展规划和实施方案,继续推进智能电网的研究和建设。2009年初,国家电网公司启动了“坚强智能电网体系研究报告”、“坚强智能电网综合研究报告”和“智能电网关键技术研究框架”等重要课题的研究。通过积极探索国内外智能电网技术发展动态,分析中国坚强智能电网技术需求,调研中国智能电网建设已有技术基础,揭示坚强智能电网的内涵与特征,制定了坚强智能电网总目标、技术框架体系与实施计划等。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。随后国家电网公司将智能电网技术作为2009年科技重点工作领域之一,研究方向的确定和研究框架项目的实施,将会使智能电网脱离概念炒作阶段,正式进入规划建设阶段。3 智能电网关键技术我国数字化电网建设涵盖了发电、调度、输变电、配电和用户各个环节,包括:信息化平台、调度自动化系统、稳定控制系统、柔性交流输电,变电站自动化系统、微机继电保护、配网自动化系统、用电管理采集系统等。实际上,目前我国数字化电网建设可以算是智能电网的雏形。总之,智能化电力设备最终的技术要求将达到:测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化及信息互动化。3.1 参考量测技术参数量测技术是智能电网基本的组成部件,先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息,以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性,进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统,取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计将有更多的功能,除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外,还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率,并通知用户实施什么样的费率政策。更高级的功能有用户自行根据费率政策,编制时间表,自动控制用户内部电力使用的策略。对于电力公司来说,参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持,包括功率因数、电能质量、相位关系(W AMS、设备健康状况和能力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电能消费和预测等数据。新的软件系统将收集、储存、分析和处理这些数据,为电力公司的其他业务所用。未来的数字保护将嵌入计算机代理程序,极大地提高可靠性。计算机代理程序是一个自治和交互的自适应的软件模块。广域监测系统、保护和控制方案将集成数字保护、先进的通信技术以及计算机代理程序。在这样一个集成的分布式的保护系统中,保护元件能够自适应地相互通信,这样的灵活性和自适应能力极大地提高可靠性,因为即使部分系统出现了故障,其他的带有计算机代理程序的保护元件仍然能够保护系统。3.2 智能电网通信技术建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础,没有这样的通信系统,任何智能电网的特征都无法实现。因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持,因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统要和电网一样深入到千家万户,这样就形成了两张紧密联系的网络电网和通信网络,只有这样才能实现智能电网的目标和主要特征。高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为一个动态的、实时信息和电力交换互动的大型的基础设施。当这样的通信系统建成后,它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率,繁荣电力市场,抵御电网受到的攻击,从而提高电网价值。适用于智能电网的通信技术需具备以下特征:一是具备双向性、实时性、可靠性特征,出于安全性考虑理论上应是与公网隔离的电力通信专网。二是具备技术先进性,能够承载智能电网现有业务和未来扩展业务。三是最好具备自主知识产权,可具有面向电力智能电网业务的定制开发和业务升级能力。作为国家电网公司从事骨干信息通信网络建设、运行管理的直属公司,国网信息通信有限公司高度重视智能电网建设工作,积极开展相关前期研究工作,并着力推进有关信息通信技术(ICT的软硬件产品研发,开展新一代电力信息通信(ICT网络模式研究,加快信息通信产业化发展。电力客户用电信息采集系统是智能电网的重要组成部分,信通公司积极参与其中与信息通信专业相关的研究,向国家电网公司提交了通信专题技术报告。同时,积极推进产业化进程,进一步完善了用电信息采集主站软件平台、基于电力线宽带通信技术的采集器等产品。智能电网客户服务是智能电网用电环节的重要组成部分,是实现电网与客户之间实时交互响应,增强电网综合服务能力,满足互动营销需求,提升服务水平的重要手段。信通公司将智能电网客户服务试点分别设立在北京莲香园小区和阜成路95号院。其中,阜成路95号院试点以光纤入户为主要特点,以机顶盒和电视机为展现手段,实现三表抄收和查询、物业、配送、网络增值等一系列特色服务,体现出良好的交互性和智能化特色。3.3 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、信息安全等五个功能。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(intelligent electronic device,IED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。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”四级产业链业务分析和“国家大区省级地县”四级电网信息分析。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。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。(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。3.4 智能调度技术智能调度是智能电网建设中的重要环节,智能电网调度技术支持系统则是智能调度研究与建设的核心,是全面提升调度系统驾驭大电网和进行资源优化配置的能力、纵深风险防御能力、科学决策管理能力、灵活高效调控能力和公平友好市场调配能力的技术基础。现有的调度自动化系统面临着许多问题,包括非自动、信息的杂乱、控制过程不安全、集中式控制方法缺乏、事故决策困难等。为适应大电网、特高压以及智能电网的建设运行管理要求,实现调度业务的科学决策、电网运行的高效管理、电网异常及事故的快速响应,必须对智能调度加以分析研究。为加快推进智能电网调度技术支持系统总体设计和应用功能规范编写工作,国网电力科学研究院受国家电力调度中心委托,承担智能电网调度技术支持系统总体设计工作。2009年7月6日至18日,在国调中心带领下,国网电科院工作组顺利完成智能电网调度技术支持系统总体设计,并讨论确定智能电网调度技术支持系统功能规范体系,为一体化智能电网调度技术支持系统的快速有序建设提供指导。国网电科院工作组成员全程参与了智能电网调度技术支持系统基础平台和四大应用的总体设计,承担并顺利完成调度计划应用、安全校核应用和调度管理应用的功能流程和总体设计。3.5 高级电力电子技术电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术,节能效果可达10%40%,可以减少机电设备的体积并能够实现最佳工作效率。目前,半导体功率元器件向高压化、大容量化发展,电力电子产业出现了以SVC为代表的柔性交流输电技术、以高压直流输电为代表的新型超高压输电技术、以高压变频为代表的电气传动技术,以智能开关为代表的同步开断技术,以及以静止无功发生器、动态电压恢复器为代表的用户电力技术等。柔性交流输电技术是新能源、清洁能源的大规模接入电网系统的关键技术之一,将电力电子技术与现代控制技术相结合,通过对电力系统参数的连续调节控制,从而大幅降低输电损耗、提高输电线路输送能力和保证电力系统稳定水平。高压直流输电技术对于远距离输电、高压直流输电拥有独特的优势。其中,轻型直流输电系统采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器,使中型的直流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。此外,可关断器件组成的换流器,还可用于向海上石油平台、海岛等孤立小系统供电,未来还可用于城市配电系统,接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。轻型直流输电系统更有助于解决清洁能源上网稳定性问题。高压变频技术最大的优点是节电率一般可达30%左右,但缺点是成本高,并产生高次谐波污染电网。同步开断(智能开关技术是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。目前,高压开关大都是机械开关,开断时间长、分散性大,难以实现准确的定相开断。实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关。3.6 分布式能源接入技术智能电网的核心在于构建具备智能判断与自适应调节能力的多种能源统一入网和分布式管理的智能化网络系统,可对电网与用户用电信息进行实时监控和采集,且采用最经济与最安全的输配电方式将电能输送给终端用户,实现对电能的最优配置与利用,提高电网运营的可靠性和能源利用效率。分布式电源(DER的种类很多,包括小水电、风力发电、光伏电源、燃料电池和储能装置(如飞轮、超级电容器、超导磁能存储、液流电池和钠硫蓄电池等。一般来说,其容量从1kW到10MW。配电网中的DER由于靠近负荷中心,降低了对电网扩展的需要,并提高了供电可靠性,因此得到广泛采用。特别是有助于减轻温室效应的分布式可再生能源,在许多国家政府政策上的大力支持下,迅速增长。目前,在北欧的几个国家,DER已拥有30%以上的发电量分额。在美国DER目前只占总容量的7%,而预期到2020年时这一份额将达25%。大量的分布式电源并于中压或低压配电网上运行,彻底改变了传统的配电系统单向潮流的特点,要求系统使用新的保护方案、电压控制和仪表来满足双向潮流的需要。然而,通过高级的自动化系统把这些分布式电源无缝集成到电网中来并协调运行,将可带来巨大的效益。除了节省对输电网的投资外,它可提高全系统的可靠性和效率,提供对电网的紧急功率和峰荷电力支持,及其他一些辅助服务功能,如无功支持、电能质量改善等;同时,它也为系统运行提供了巨大的灵活性。如在风暴和冰雪天气下,当大电网遭到严重破坏时,这些分布式电源可自行形成孤岛或微网向医院、交通枢纽和广播电视等重要用户提供应急供电。4 小结本文对智能电网的发展过程及国内外现状作了论述和分析,而且详细论述了智能电网各项关键技术如调度、输电、变电、配电、用电等领域,信息技术领域、数字化变电站技术等,提出了智能电网技术发展是一个渐进的过程。鉴于中国经济和电力负荷的高速发展,能源和负荷分布不均,发展特高压电网及其它各级电网是目前中国电网建设的重点,所以对此必须密切跟踪和深入研究。参考文献:1周世平.湖北工业大学学报.2010 年2 月25卷1期2朱文坚, 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