智能电网的概念与特性及主要组成

引言

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。

1、智能电网的概念与特性

根据目前收集到的资料和初步研究,简单地说,智能电网就是将先进的传感测量技术、信息技术、通信技术、计算机技术、自动控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成的新型电网,它具有提高能源效率、减小对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少电网的电能损耗、实现与用户间的互动和为用户提供增值服务等多个优点。

既然是智能电网,其重点就在智能化上。智能化主要体现在以下几方面:

1.1  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。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。

1.2  防御能力

防御能力是指电网抵御外部破坏的能力。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。

1.3  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。

1.4  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亟需优化;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。

1.5  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。

1.6  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。

2、智能电网的主要组成

2.1  灵活的网络拓扑

灵活的可重构的配电网络拓扑,是未来智能电网的基础。它需使系统在经历故障时,把故障影响范围局限在最小范围,并可迅速通过其他连接恢复对其他部分的供电。

2.2  集成的能量与通讯体系

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讯网上去,是达到快速评估的关键。

2.3  系统快速仿真与模拟

快速仿真与模拟(Fast Simulation and Modeling,FSM)是含风险评估、自愈控制与优化的高级软件系统(包涵广义的EMS,DMS等功能)。它为智能电网提供数学支持和预测能力(而不只是对紧急情况做出反应的能力),以期达到改善电网的稳定性、安全性、可靠性和运行效率的目的。

2.4  灵活的分布式电源

分布式电源(DER)的种类很多,包括小水电、风力发电、光伏电源、微型透平、燃料电池和储能装置(如飞轮、超级电容器、超导磁能存储和钠硫蓄电池等)。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迅速增长。

与此同时,由于民用洁净电源技术的日益成熟,使得一些分布式电源已经或有望在不久的将来走入千家万户,例如太阳能光伏电源和可作为民用储能装置的充电式混合动力汽车(目前见报的汽车用电池可储能35kW•h,足以提供大部分居民用户一昼夜的用电量)。

2.5  高级配电自动化

高级的配电自动化(ADA)将包含系统的监视与控制、配电系统管理功能和与用户的交互(如负荷管理、量测和实时定价)。

通过与智能电网的其他组成部分的协同运行,ADA既可改善系统监视、无功与电压管理、降低网损和提高资产使用率,也可辅助优化人员调度和维修作业安排等。

2.6  电力电子技术

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D-Statcom)等。目前,基于使用硅开关装置的多种控制器已可以在市场上买到,但它们都是独立控制的。未来电网将可使用新的系统控制逻辑,使它们协同运行,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。

2.7  高级计量体系和需求侧管理

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)和连接它们的通讯系统组成。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(如kW•h,kvar,kW,V等),设定计量间隔(如5min,15min,1h等),并具有双向通讯功能,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(CustomerPortal)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。

3、发展智能电网的驱动力

尽管各国都将智能电网作为其未来电网的发展目标,但其发展的驱动力略有不同。

我国发展智能电网的驱动力与欧美稍有差别,我国把充分满足用户对电力的需求放在首位。由于我国国民经济的持续高速发展和能源基地与负荷中心相距甚远的特点,以及我国的经济发展水平,使得我国将以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网建设作为发展智能电网的物理基础。但由于我国在输电网侧的智能化技术已经取得较大的成果,因此智能电网技术的开发重点还是应该放在配电和用电侧。

智能电网是整个电力行业未来技术发展和管理模式的转型,在电网面对21世纪的各种挑战面前,智能电网无疑是各国电网未来发展方向的共同选择。通过智能电网的建设,电力输、配、售、用电的各个领域都将发生质的飞跃和提高。

4、智能电网发展的新动向

4.1  智能电网的概念大大扩展

过去1～2年内,工业界“智能化”的核心定义已从“智能表计”迅速发展到“智能电网”,即原来关心的主要是AMI,目前还要包括:①家域网(home area networks,HANs),这有可能成为创新和投资的新热门;②网络侧的有效应用(如无功控制和自动化);③电力公司的未来功能(如分布式发电、太阳能光伏发电、电动汽车)等。将需求响应与AMI相结合也是一种趋势。

4.2  系统集成商对电力公司有关智能电网决策的影响力将更大。有些注意力已转向系统集成,由于大量表计数据的接入和通过更为广泛和智能化的传感器网络来显示运行数据,因此,系统集成势在必行。

4.3  不久的将来,注意力会转向一些特殊功能,如风电的接入、分布式太阳能发电、热电联产、电动汽车、分布式储能技术等,而智能电网科将使这些技术成为可能。

4.4  自开发AMI以来,前沿的通信技术的选择变得越来越复杂,在采用何种技术上往往有争议:是采用宽带技术(broadband)还是射频(RF)或电力线载波(PLC)?是用第三代移动通信技术(3G)还是通用无线分组业务(GPRS)或微波存取全球互通技术(WiMax)?是采用电力专用网还是利用公用通信网?家庭中用的表计可能要被“数据服务器”代替,以形成所谓的“虚拟表计”,并与家庭中的计算机相连,它可实施HANs功能,还可将用电度数传回供电公司。国外智能电网技术的这些动向基本上都与配电网有关。

5、结束语

智能电网技术是目前国内外有关未来电网发展趋势研究的一个热点,对此必须密切跟踪和深入研究。智能电网技术发展是一个渐进的过程,尽管我国许多专家和技术人员近期才使用这个术语,但某些相应的技术早已开始研究和开发,而且在某些领域已取得了一定的成果,特别是在输电领域,如WAMS技术、数字化变电站技术等。我国智能电网技术的实施与技术的成熟度、经济发展水平和实力、人民生活水平高低、国家所实施的法律法规等多种因素有关,实施是一个长期的过程,要根据实际的需求和可能逐步进行,期间会有变化,有些技术要试点后推广,切忌盲目投入。

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