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5 智能电网基础知识 专注于电力行业的品牌媒体 1 智能电网的定义和特征是什么? 中国国家电网公司 2009 年 5 月 21 日首次公布的智能电网内容 : 以坚强智能电网以坚强网架为基础, 以通信信息平台为支撑, 以智能控制为手段, 包含电力系统的发电 输电 变电 配电 用电和调度各个环节, 覆盖所有电压等级, 实现 电力流 信息流 业务流 的高度一体化融合, 是坚强可靠 经济高效 清洁环保 透明开放 友好互动的现代电网 2 智能电网架构层次是什么? 智能电网 从其架构层次上包括数据采集 数据传输 信息集成 分析优化和信息展现五大方面 3 智能电网的目标是什么? 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

6 是实现电网运行的可靠 安全 经济 高效 环境友好和使用安全, 降低用户的电费支出, 并提高能源利用效率, 实现节能减排 4 智能电网性能特征是什么? 1) 自愈 稳定可靠 ;2) 安全 抵御攻击 ;3) 兼容 发电资源 ;4) 交互 电力用户之间 ;5) 协调 电力市场资源 ;6) 高效 资产优化 ;7) 优质 电能质量 ;8) 集成 信息系统 5 研制智能变压器的目的和意义是什么? 1) 实现自我保护, 提高可靠性 实时掌控设备运行状态, 及时发现 快速诊断和消除故障隐患 ; 在尽量少的人工干预下, 快速隔离故障 自我恢复, 避免大面积停电的发生 ; 2) 优化运行状态, 提高经济性 优化配置资源, 提高设备传输容量和利用率, 有效控制成本, 实现经济运行 6 智能电网与传统电网相比的优势是什么? 1) 对变压器主要状态信息化, 实现变压器实时状态可知, 实时运行可控 ; 2) 可对区域电网内变压器信息进行收集整理 ; 3) 实现对变压器及相关设备信息的整合分析, 以此来降低成本, 提高有效率, 提高整个设备及电网的可靠性, 优化运行和管理 7 智能电网预计的投资情况如何? 国网和南网两大电网公司未来在智能电网方面的总投资将不低于 2000 亿,2015 年之前将完成主要框架建设 投资构成上, 结合中国式电网的几大部分目前的状态和未来的发展方向 预计, 智能电网的投资构成上, 不考虑大规模储能装置, 配网自动化和用户侧系统将占 40%, 智能变电站占 20% 智能调度占 15% 柔性输电系统( 含清洁能源接入侧设备 ) 占 10%, 其他投资占 15% 8 国家电网公司公布的中国智能电网发展计划及其建设内容是什么? 2009 年 2010 年是规划试点阶段, 重点开展坚强智能电网发展规划, 制定技术和管理标准, 开展关键技术研发和设备研制, 开展各环节的试点 ; 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

7 2011 年 2015 年是全面建设阶段, 将加快特高压电网和城乡配电网建设, 初步形成智能电网运行控制和互动服务体系, 关键技术和装备实现重大突破和广泛应用 ; 2016 年 2020 年是引领提升阶段, 将全面建成统一的坚强智能电网, 技术和装备达到国际先进水平 届时, 电网优化配置资源能力将大幅提升, 清洁能源装机比例达到 35%, 分布式电源实现 即插即用, 智能电表普及应用 到 2020 年, 可全面建成统一的 坚强智能电网 9 一次设备的智能化研究内容是什么? 1) 传统一次设备的智能化研究, 是将现有一次设备的智能化水平在十二五期间提升一步.( 如一次设备的状态监测技术逐步达到实用化, 为设备的全寿命评估和管理打下基础.) 但要求智能化手段和措施不能影响一次设备的运行和寿命 2) 研究新型的智能一次设备, 其工作原理, 制造及材料均与传统发生重大变革. 如电子变压器, 智能电抗器, 电子固态开关, 电子选相开关, 低操作功率智能开关等. 力争十二五期间有产品和应用 10 智能变压器/ 电抗器设备的研究方向是什么? 1 绕组温度分布实时监测技术的研究 2 绕组应力分布实时监测技术的研究 3 绝缘局部放电在线监测技术的研究 4 绝缘油气相色谱在线监测系统的完善化研究 5 套管介质损耗及电容量 ( 泄漏电流 ) 的在线监测技术的研究 6 数据信息通讯方式及接口协议的研究 7 初步实现变压器运行状态实时在线评估技术 11 除了智能变压器/ 电抗器设备, 智能电网研究的一次设备还有哪些? 电力电子变压器 超导变压器的前期研究和试点工程 ; 可控限流电抗器 可控并联电抗器的阶段研究 12 变压器智能化主要从哪几个方面实现? 1) 汇控柜中的常规信号数字化 ; 改造站和新建站必须采用 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

8 2) 油色谱分析 ; 油中气体及微水检测分析, 新建站采用, 改造站如果没留接口不易实现 3) 光纤测温 ; 绕组热点温度测量, 推荐新建站采用, 改造站不采用 4) 局部放电测量 ; 脉冲电流法为传统的测量方法, 甚高频法必须在变压器内部放置传感器为推荐采用, 同时超声波配合定位 5) 铁心接地电流检测 ; 容易实现, 有必要 6) 套管检测 ; 监测电容和介损, 对于新建电站如果光 PT 不存在角差, 推荐采用纯光纤的 PT 和 CT 7) 声学指纹测量装置 ; 在油箱外壁放置声音传感器, 主要测量绕组和铁心振动发出的声音, 从而判断故障类型 因目前技术还不成熟, 但建议在后台分析处留接口, 待技术成熟时接入 8) 充氮灭火 ; 不推荐但可作为演示项目 13 智能电网对互感器的发展要求是什么? 从智能化电站的发展来看, 无论是电子式互感器还是纯光学互感器, 都是未来智能电站的必然选择, 而传统的互感器将来的需求量会越来越少, 甚至完全被淘汰 14 我国首批七个数字化智能变电站有哪些? 首批智能试点主要为全国首批七个数字化智能变电站 :3 个改造站 550kV 浙江南溪站 220kV 青岛午山站 110kV 河南金古源站 ;4 个新建站 750kV 延安站 550kV 长春南站 252kV 江苏西泾站 126kV 湖南张家源站 15 智能电缆建设重点是什么? 智能电网用线缆的研究重点主要是线缆测温技术和数据传输技术 16 中美 智能电网 的技术模式差异有哪些? 美国发展智能电网重点在配电和用电侧, 推动可再生能源发展, 注重商业模式的创新和用户服务的提升 中国的智能电网将包含电力系统的发电 输电 变电 配电 用电和调度共六个环节, 具有信息化 数字化 自动化 互动化的 智能 技术特征 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

9 智能电网主要技术及相关上市公司 专注于电力行业的品牌媒体 我国智能电网整体产业链分析 智能电网产业链从技术层面上看, 依次分为发电 输电 变电 配电 用电 调度这六个环节, 智能电网的区别在于在各个环节上相对于传统电网都有着不同的变化和技术创新 总体上看, 智能电网的技术创新主要体现在三个方面 : 1 通过分布式接入使更多能源能够便捷的接入上网, 特别是清洁的新能源加入能够增加能源供给同时又不以牺牲环境为代价 2 通过使用一系列新材料的运用达到节能环保的作用 3 通过引入一系列如数字化变电站 智能电表 智能调度系统的 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

10 新技术不仅提高了电力产业的综合水平并使电力产业更加市场化 下面就通过各个环节的技术创新来更全面的诠释智能电网的概念 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

11 智能电网技术文章 浅析智能电网与智能能源网 摘要 : 美国总统奥巴马能源变革中发展统一的智能电网一时间成为全球能源界关注的焦点 而 智能电网 这一全新的词汇也如同当年的 互联网 一样迅速风靡全球 所谓智能电网, 就是电网的智能化, 也被称为 电网 2.0, 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, 其主要特征包括自愈 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 智能电网的核心内涵是实现电网的信息化 数字化 自动化和互动化, 简称为 坚强的智能电网 (Strong Smart Grid) [1] 而智能能源网是一个比智能电网层次更高 规模更大的新型能源网络 2009 年 11 月 27 日, 国家 十二五 中国智能能源网发展模式和实施方案课题组 在京成立, 意味着中国正式开始筹备智能能源网 本文通过对智能电网与智能能源网的比较, 分析了智能能源网技术 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

12 引言当初国家决定推出智能电网的一个重要背景就是为了解决由于新能源并网带来的调峰问题和电网适应性不够的问题, 所谓调峰, 是指电力系统中的负荷, 因用户负载的投入和切除而经常发生变化, 为了维持有功功率平衡, 保持系统频率稳定, 就需要电站随之改变方法, 以适应负荷的变化 可以理解为 : 城市用电往往有高峰期和低谷期, 不平衡, 为此, 电力有关部门采用价格或限电等措施, 使得峰谷趋于平衡, 叫调峰 [2] 但调峰不是光电力一家的事情, 水 电 气都有调峰需求, 这也是中国要打造更高层次的智能能源网的目的之一 据悉, 原规划中的智能电网只是未来这个庞大的智能能源网的一部分 今后, 水 电 气, 甚至热力等能源都要构建智能网络 就国内而言, 智能电网建设的推进是迅速和高效的, 但是这个智能电力网的建设仅仅是智能能源网的网架建设的主要部分而非全部, 我们不能以智能电网的局部竞争而放弃在智能网领域的整体创造, 而且, 这个体系建设所缺憾的就是还没有一个世界领先的技术标准体系 与智能电网不同, 中国正在筹备建设的智能能源网, 是将现有的电力 水务 热力 燃气等单向运转而且浪费巨大的能源网络改造为高效互动的创新网络 政府为解决由于新能源并网带来的调峰问题和电网适应性不够的问题, 十二五 期间将普遍推行智能能源网 核电 风电等新能源要 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

13 投入民用, 离不开智能能源网, 如果说核电 风电是 汽车, 智能电能源网就是 高速公路 作为中国互动电网学说奠基人, 武建东在谈到智能电网与智能能源网的区别时表示, 实际上目前我们使用的 智能电网 一词的英文原文为 Smart Grid, 原意应为智能网格或智能网, 这个概念又包括智能家电网格 智能电力网格 智能数据网格 智能热力网格 未来网格等多种涵义, 智能电网是其中的重要组成部分而非全部 由于有关外国公司的翻译问题, 误将 Smart Grid 翻译为智能电网 我国发展智能能源网建设必须以智能电网为主要网架建设, 智能电网的建设是智能能源网建设的核心 1 如何认识智能电网与只能能源网的体系模式之区别谁能够将现有的电力 水务 热力 燃气等单向运转而且浪费巨大的能源网络改造为高效互动的创新网络, 谁就能够优先于其他国家达到全球能源体系更高级别的顶端水平, 同时在这个历史的转型之中, 谁就能够把握和整合能源体系最新的国际标准 因此, 采用信息化集成技术营建一个与生产和输送侧相对称 相互动的需求侧 用户端的运转体系, 将是对工业革命以来缺陷性工业结构和社会管理的彻底匡正和颠覆性修复, 也是打开人类低碳化生产方式和生活方式的历史大通道 实现这个目标的路径有两个营建模式 [3] 1.1 分级登顶式 的渐进模式这个模式主要是通过智能电力网 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

14 智能热力网 智能水务网等条条块块的分行业改革, 通过多行业不断整合 体系不断叠加的架构原则推进, 其特点是分期 试错 分级追求变革目标 近二十年来移动通讯系统 电视视频系统等都曾通过不断试错而效准或提升产业空间, 消费者 特别是中国的消费者也为此不断支付了使用成本 实际上, 通过技术标准的超前设计和制定, 可以有效地减少产业转型的成本, 更合理地满足消费者需要, 也可以大幅减少电子垃圾 推动人类更为健康的生活 就国内智能电网的建设而言, 其体系渊源源自欧美国家智能电网思想和实践, 其标准之应用也在很大程度上受制于国际力量的影响 从组织目标运转而言, 其向更高级别的互动能源网络结构跃进之时, 也许架构的升级路线只有选择分级叠加的更换方式, 因此, 目前国内电力企业运转的智能电网改革模式和美国实施的智能电网建设应属相同的产业变革类型 1.2 制高点型 的大体系整合模式中国应跳出单纯建立智能电力网的狭窄基准, 集中发展有别于美国 具有中国优势 而且国际领先的综合性的互动能源网, 由此可以避免日后的重复建设和不必要的补课 这个模式需要将电力 水务 热力 燃气 数据 有线电视等资源捆绑为整体资源, 以制高点型的规则推动能源组织的管理变迁和产业目标置换, 其特点是跨越式 跨产业突变, 以集成化手段高速实现互 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

15 动式的能源网建设, 我们将这种网络也称作智能能源网 倘若以这种模式推进互动能源网络的建设, 应可将智能电网的行业变革提升为互动能源体系的集成改革, 并将由此诞生有更高制高点的智能网的发展路线图和国际技术标准, 有效推动中国能源用户端的互动能力 互动标准 互动资源和互动产业链的建设和运转, 推动中国能源经济加快实现升级转型 建构中国智能能源网的标准应该成为当代中国知识产权最高的创造性使命之一, 它也应该成为中国智能能源网建设的战略高点, 这个高点应该成为中国国家利益的核心要素 中国应该依靠自身的巨大市场成为主导全球智能网变革的领先国家, 建造影响未来百年的智能网标准, 在百年一遇的全球工业变革中发挥主导作用 2 如何把握智能电网与智能能源网的运转结构之区别和标准创造孙中山说过, 行之非艰, 知之惟艰, 一个强国不但需要创造强大的工业生产体系, 更需要创造新的生产力的发展思想和实施其行动的国际技术标准 工业革命以来产业标准的建造大多与中国无缘, 而智能能源革命却为中国提供了独特的机遇 奥巴马的能源变革之于传统变革不同之处就在于它实质上是催生了新的产业革命 技术革命和思想革命, 这三个革命的核心就是思想大革命 为此, 一个国家占领新的全球制高点的能力也就取决于它颠覆习惯的能力和思想的改变程度 对于中国而言, 这个革命的第一要务就是需要有效地调整三十年改革开放以来形成的诸多的经济运行习 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

16 惯和结构, 构建世界上最富活力的创新社会, 据此才能确保中国将新 的产业革命 技术革命和思想革命的宏大体系付诸实践, 建立适合自 身的发展战略, 改变中国公众和企业的能源消费方式和生产方式, 并 力争取得全球领导地位 由此, 智能能源网建设的核心是这个体系标 准的建造, 而且这个标准的建造也是当代知识产权的最高创造, 具有 无与伦比的回报价值, 同样是检验中国能源思想创新能力的标志 另外, 智能电网的技术与可再生能源有很大关系 只有当中国可再 生能源规模日益庞大, 电价摆脱固定模式, 与用户之间的互动逐步形 成, 智能电网才能发展起来 智能能源网的推出也是为中国可再生能 源和新能源的大发展奠定并网基础, 以便于实现更大程度地利用可再 生能源与新能源 参考文献 : [1] 李兴源, 魏巍, 王渝红, 穆子龙, 顾威. 坚强智能电网发展技术的研究 [J]. 电力系统保护与控制 2009 年 17 期. [2] 王振铭. 我国热电联产的发展 : 热电联产学术交流会论文集 : 面向智能电网的电力系统云计算引言美国 2001 年 EPR I 最早提出 Intelligrid ( 智能电网 ), 并开始研究, 欧洲 2005 年成立 智能电网 ( Smart Grids) 欧洲技术论 IBM 公司提出的 智能电网 解决方案 根据 IBM 中国公司高级电力 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

17 专家 Martin Hauske 的解释, 智能电网有 3 个层面的含义 [ 1 ] 中国能源专家武建东提出的 互动电网 [ 2 ] 互动电网, 英文为 Interactive Smart Grid, 它将智能电网的含义涵盖其中 互动电网定义为 : 在开放和互联的信息模式基础上, 通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统, 实现发电 输电 供电 用电 客户售电 电网分级调度 综合服务等电力产业全流程的智能化 信息化 分级化互动管理, 是集合了产业革命 技术革命和管理革命的综合性的效率变革 它将再造电网的信息回路, 构建用户新型的反馈方式, 推动电网整体转型为节能基础设施, 提高能源效率, 降低客户成本, 减少温室气体排放, 创造电网价值的最大化 文献 [ 3~5 ] 都是关于智能电网概念的描述, 所有的关于智能电网的描述都具有共同的思想 : 提高整个电力系统信息网络系统收集 整合 分析 挖掘数据的能力 ; 实现整个电力系统的智能化 信息化 分级化互动管理 ; 构建一个低成本的电力系统设备和信息网络 针对这些构想, 将 云计算 引入电力系统, 通过建立电力系统智能云可以在现有电力设备基本不变的情况下, 利用中国电力系统内网建立智能云, 可以充分的整合系统内部的计算处理和储存资源, 极大提高电网数据处理和交互能力, 成为智能电网在中国实现有力的技术组成 1 电力系统智能云分析 1.1 云计算基本原理 云计算 比较普遍的定义为 : 云计算 ( cloudcomputing) 是分 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

18 布式处理 并行处理和网格计算的发展, 或者说是这些计算机科学概念的商业实现, 是基于网络的超级计算模式 云计算是虚拟化 效用计算 IaaS( 基础设施即服务 ) PaaS( 平台即服务 ) SaaS( 软件即服务 ) 等概念混合演进并跃升的结果 狭义 云计算 是指 IT 基础设施的交付和使用模式, 指通过网络以按需 易扩展的方式获得所需的资源 ( 硬件 平台 软件 ) 提供资源的网络被称为 云 云 中的资源在使用者看来是可以无限扩展的, 并且可以随时获取, 按需使用, 随时扩展, 按使用付费 广义云计算是指服务的交付和使用模式, 指通过网络以按需 易扩展的方式获得所需的服务 这种服务可以是 IT 和软件 互联网相关的, 也可以是任意其他的服务 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

19 云计算的基本原理是 [ 6 ], 通过使计算分布在大量的分布式计算机上, 而非本地计算机或远程服务器中, 企业数据中心的运行将更与互联网相似 这使得企业能够将资源切换到需要的应用上, 根据需求访问计算机和存储系统 它把存储在众多分布式计算机中的大量数据资源和处理器资源整合在一起协同工作 云计算是一种新的共享基础架构的方法, 它可以将巨大的系统资源联合以提供各种不同的服务 这使得企业能够将资源切换到需要的当前应用上, 根据需求提供处理器和存储资源 在云计算平台中的服务器可以是物理的服务器或者虚拟的服务器 高级的计算云通常包含一些其他计算资源, 如存储区域网络 网络设备 防火墙以及其他安全设备等 1.2 云计算与网格计算的区别目前正在使用的网格计算技术是通过局域网或广域网提供的一系列分布式计算资源, 而对终端用户或应用来讲, 好像是一台大型虚拟计算机 通过在个人 组织和资源之间实现安全 协调的资源共享, 来创建虚拟动态的组织 网格计算是分布式运算的一方法, 不仅包括位置, 而且还涵盖组织 硬件和软件, 以提供无限的能力, 使连接到网格的每个人都可以进行合作和访问信息 网格计算同样也是应用于分布式运算的一种方法, 但是可以说从很多方面比较, 云计算同网格计算都有很大不同 [ 9 ] 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

20 1.3 智能云的提出电力系统是具有分布参数的超级系统, 由于电力本身的特点, 电能不能大规模储存, 发 输 配 用必须同时完成, 电力生产控制要求实时性强 可靠性高, 具有自然分布的特性, 电力的生产管理也就自然形成了一整套 分级管理 分层控制 分布处理 的体系, 多年的实践表明, 这是电力系统内在的本质特征的体现 [ 10 ] 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

21 智能云 透过电力系统内网将庞大的计算处理自动拆分成小计算块, 再交由多台服务器所组成的庞大系统进行计算分析, 之后将处理结果返回给用户 通过智能云, 极短的时间内可以处理巨大的信息, 达到超级计算机的服务水平 通过分布计算, 电力系统数据的运行与互联网相似, 电力系统智能云能够根据应用切换资源, 根据需求访问计算机和储存资源 智能云的目的是将运行的电网节点或单个计算机上的运算前移到系统内数量庞大的 智能云 内, 由云来处理该点或计算机的请求 利用电力系统智能云不在需要增强该点或计算机的额计算能力, 而直接从 智能云 里面获得计算能力和资源, 从而大大的提高整个系统各点的计算能力 目前, 各级电网都拥有一定的处理器资源和储存资源, 智能云的实现关键在于不改变现有的计算机分布而能最大限度利用当前电力系统信息网络的物理架构, 为当前的任务分配计算和储存资源 2 电力系统智能云 2.1 智能云组成中国现有电力系统的特点是电网分布的地域特征不同, 网络的拓扑结构不同, 电网的电气特点等将电网划分成多个子网, 各子网的调度 运行 监控 保护 输配 营销由各子网中心负责, 各中心拥有并维护着所辖电网的详细参数 [ 11 ] 各网络都针对所辖区域内的电网建立了较为详细的电力系统模型, 而对相邻电网的模型则在一定程度上进行简化和等值, 并在此系统模型的基础上进行计算机仿真, 为 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

22 电力调度 运行 监控 保护 输配电 营销提供重要依据 这种简化等值的方法克服了由于中国地域辽阔而导致电力系统数据资源广域分布所带来的数据难以收集的困难, 降低了系统仿真的复杂程度, 但是简化等值模型的适用范围有限, 智能云能较好地解决这一问题 鉴于电力系统数据的敏感性和中国电力系统内网的完整性, 在中国电力系统完全可以利用现有的系统内网的物理网络设备建立电力系统私有的云 利用这种云计算模式, 电力系统完全控制云计算方式, 这样的云储存和计算资源的访问可以完全由电力系统自己控制, 而不是公用的云计算服务的提供商, 相当于使用系统自己建立的内部云 面向智能电网的电力系统云计算就是为了实现智能电网各项智能模块而将云计算作为智能电网信息交互的底层技术 智能云的组成包括 : 智能调度 智能运行 智能监控 智能保护, 智能输配电 智能云就是智能电网各个智能环节信息整合 交互的技术实现 2.2 智能云的服务体系 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

23 智能云不是单层的服务, 而是一个多层服务的集合 [ 6 ] 底层是基础设施 ( Infrastructure as a Service,IaaS), 具有在特定服务质量约束的情况下提供计算机或数据中心的能力, 使之能执行任意操作系统和软件 中间层是服务平台 ( Platform as a Service,PaaS) 服务平台是在基础设施上加了一个用于给定应用的定制软件栈 其中包括操作系统和根据应用必须的服务 上层是应用程序 ( Software as a Service,SaaS), 是计量服务, 一个集中的系统部署软件在一台本地计算机上或者从智能云中远程运行的一个模型 2.3 智能云技术体系电力系统智能云通过集群应用 分布式计算等系统功能将电力系统内网络中的几乎所有网络和计算应用软件集合起来协同工作, 共同对各级电网和计算机终端提供数据储存和计算服务 将集群功能 分布式处理等功能联合起来, 通过软件接口, 为电力系统各级电网和计算机终端提供智能云服务 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

24 电力系统智能云结构层次如下 [ 6 ] 基本储存层 : 是电力系统智能云的储存基础 智能云储存中的存储设备大量分布在不同的地理位置, 之间通过电力系统内部广域网连接在一起 基础管理层 : 通过集群和分布式系统, 实现智能云中所有存储设备的协同工作, 对外围提供强大的存储服务 应用接口层 : 是智能云最灵活的部分, 不同的各级电网可以根据需要 权限, 提供不同的接口和服务 高级访问层 : 任何级电网可以通过智能云公共接口来登录, 获取计算需求 2.4 智能云权限 冲突和安全机制电力系统结构庞大, 并且分布广, 如果任何一个小节点或者计算机终端的计算要求都提交到需求分配的总中心的话, 中心压力很大, 对网络速度要求很高, 并且权限的判定也比较繁琐 在智能云体系的基础管理层中进行访问权限 冲突和安全机制的设置 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

25 1) 现有电力系统分级电网管理的层次很清晰, 通过电网的级别建立主云和子云来限定权限和资源分配, 从而减少系统内部不必要的权限管理和资源调配, 是智能云的资源和权限更为合理 当正常情况下, 电力系统智能云中某级电网只能在间接本级和直接上一级的子云系统中获取资源 当出现紧急情况 ( 如突发自然灾害 ) 时, 可以通过紧急调度的触发机制来获取更多级别的资源 2) 电力系统智能云中始终有多个任务同时提出资源申请, 必须建立一个合理的任务分配和提交机制, 才能最大限度地利用云资源和避免网络的堵塞和任务的排队 首先, 对整个系统内所有的任务进行分级, 按照任务所属电网级别和任务紧急程度进行任务优先度分级 ; 任务提出时, 首先在本地对任务的资源需求进行分析, 如果本地资源能够在本地或者以该级电网为云根的子云里在规定时间里面完成时, 该任务不向上级云资源提出资源请求 ; 不满足上面的情况时可以向同级的 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

26 云提出资源请求, 并且进行任务优先级进行比较, 如果继续不满足, 则向上级云提出资源请求, 进行任务优先级排队 以上只是初略方法, 通过建立一个详细的任务分配机制可以逐步按照任务的需求获得智能云的任意资源, 并且避免网络的阻塞, 最大限度利用云资源 3) 智能云的数据安全是智能云实现的核心 通过数据加密权限 数据备份 电网数据容灾的建立完整的智能云的数据安全机制 : 电力系统内网是一个物理上完全独立的广域网, 物理上的隔离保证了电力系统数据在网络上对于其他行业的安全保密性 ; 同级电网对数据没有访问权, 但是数据可以在同级资源中进行加密的存储和计算 ; 数据对上一级是完全可见的, 也就说该级完全拥有下级所有的数据访问权 通过安全机制可以保护各级数据的安全, 并且最大限度地提高资源的利用率 2.5 智能云特点 1) 良好的扩展性和经济性 即使建立电网中再小的节点或者计算机终端, 需要配置显示器 硬盘 CPU 内存等一整套设备, 并且确保其性能满足该节点或终端的计算和储存需要 但利用电力系统智能云, 可能只需要一个现实设备, 接入电力系统广域网, 就可以根据权限实现计算和储存功能, 而且不必担心自己购置的设备被淘汰, 因为智能云所采用的硬件设备是系统核心节点单位负责维护和更新, 这样电力系统在信息交互的这个层面就具有良好的扩展性和经济型 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

27 2) 强大的计算和存储能力 电力系统智能云将系统各节点和终端的计算和数据分布在大量的分布式计算机上, 云海中成千上万的计算机提供强大的计算能力, 针对中国巨大的电网规模和庞大的系统数据, 智能云提供强大的计算和储存能力 3) 系统数据高安全性 在智能云中, 数据集中存储, 因而更容易实现安全监测 尤其针对电力系统安全 I 区, 电力系统内部管理者对数据进行统一管理 分配资源 均衡负载 部署软件 控制安全, 并进行可靠的安全实时监测, 从而最大限度地保证各级电网的数据安全和数据权限 4) 计算和储存的虚拟化 虚拟化是电力系统智能云的技术基础, 它将底层的硬件, 包括服务器 存储与系统内网设备, 全面虚拟化, 以建立起一个共享的 可以按需分配的庞大的电力系统内部资源池 5) 资源动态扩展 分配 系统信息网的各种资源可以随需分配和自动增长, 而上层的数据及应用可以根据级别和重要程度的不同, 搭配出各种互相隔离的应用, 形成一个服务导向的内部智能云架构 6) 电力系统智能化 由于电力系统智能云的建立, 基于系统海量数据的数据挖掘技术来获得大量的系统知识 海量的数据加上海量的分析大于知识 3 基于智能云的数字化变电站实例电力系统数字化变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建, 建立在 IEC61850 通信规范基础上, 能够实现变电站内智能电 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

28 气设备间信息共享和互操作的现代化变电站 由于数字化变电站和智能云的特点, 两者相结合可以实现基于智能云的电力系统数字化变电站 [ 12 ] 根据 IEC 标准的描述, 结合系统的智能云结构, 基于智能云的数字化变电站的一 二次设备可以分为三层 : 站网控层, 间隔层, 过程层 过程层主要是指变电站内的变压器和断路器 隔离开关等一次设备 变电站在基于智能云的数字化系统主要指间隔层和站网控层 间隔层一般按断路器间隔划分, 具有测量 控制元件或继电保护元件 间隔层由各种不同间隔的装置组成, 这些装置直接通过局域网或者串行总线与智能云控层联系 ; 也可设有数据管理机或保护管理机, 分别管理各测量 监视元件和各保护元件, 然后集中由数据管理机和保护管理机与智能云控层通信 智能云控层包括本地的显示设备和智能云接 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

29 口等, 实现与智能云的数据流的互动 基于 IEC 标准的数字化变电站确立了电力系统智能云变电站的建模标准, 采用面向对象建模技术 软件复用技术 高速以太网技术 嵌入式系统技术和嵌入式实时操作系统 RTOS (Real Time Opera2 tion System) 技术, 以及 XML 技术等, 体现了 软件总线 的概念, 实现软件领域的 即插即用 满足了电力系统智能云的实时性 可靠性要求, 有效地解决了异构系统间的信息互通 数据内容与显示分离 自定义性和可扩展性等问题, 使得数字化变电站分层分布式方案的实施具备了可靠的技术基础 基于智能云的电力系统数字化变电站主要包两部分 : 一是对原有的变电站进行数字化改造 ; 二是随着电网建设需求新建数字化变电站 变电站一次设备中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替, 常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替 并且一次设备实现了故障的自动检测 诊断 信息上传, 减少了停电检修的机率, 提高了电网运行可靠性 [ 13 ] 变电站内常规的二次设备, 同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化 模块化的微处理机设计制造, 设备之间的连接全部采用高速的网络通信, 二次设备不再出现常规功能装置重复的 1 /0 现场接口, 通过网络真正实现数据共享 资源其享, 常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块 目前, 传统变电站的综合自动系统虽然基本实现了计算机化和网 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

30 络化, 但是由于缺乏统一的通信规约标准, 设备间互操作性差, 很难实现全站设备信息及操作一体化 ; 而基于智能云的数字化变电站采用的 IEC 标准对站内智能电子设备的信息描述与访问方法都进行了全面的定义和规范, 形成了统一的通信规约平台, 设备间可实现无缝连接, 具有互操作性, 便于维护和更新, 减少投运时间, 提高工作效率 4 智能云在电力系统的展望根据电力系统的基本特点, 智能云的建立不能完全的效仿普通的云计算, 而是要构建适合电力系统现有信息网络架构的电力智能云 (1) 电力系统结构庞大, 并且分布广, 如果任何一个小节点或者计算机终端的计算要求都提交到需求分配的总中心的话, 中心压力很大, 并且权限的判定也比较繁琐 但是电力系统分级管理的层次很清晰, 通过级别建立主云和子云来限定权限和资源分配, 从而减少系统内部不必要的权限管理和资源调配, 是智能云的资源和权限更为合理 (2) 目前, 电力系统已经有比较完整系统内部网络的物理架构和分布在整个电网各级的计算和储存资源, 只要通过软件和接口, 就能在现有的设备上建立电力系统智能云 (3) 当前, 电力系统的发展很快, 电网扩建很迅速 以前的扩建都需要很大的投资在处理器和储存设备上 而在电力系统智能云的体系架构下扩建电网, 信息设备只需要要很小的投资, 只需要投资显示和外设, 这样可以大大节省硬件投资 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

31 5 结论 电力系统智能云的提出和建立, 将对整个电力系统信息交互 计 算和储存带来巨大的影响 通过智能云的建立, 在完全不改变现有系 统内网和设备的情况下, 最大限度挖掘系统现有计算和储存资源能力, 提高当前系统的整体性能 并且通过基于智能云的数字化变电站, 极 大的提高了电网在智能云下的可扩展性, 为虚拟变电站的实现提供的 新方法, 减少了电网扩建的大量投资, 为智能电网在我国的建立和实 现提供强有力的技术支持 参考文献 [ 1 ] IBM 论坛 2009, 点亮智慧的地球 [ EB /OL ] [ 3 ] 肖世杰. 构建中国智能电网技术思考 [ J ]. 电力系统自动化, 2009,33(9) : 1-4. [ 4 ] 陈树勇, 宋书芳, 李兰欣, 等. 智能电网技术综述 [ J ]. 电网技术, 2009,33(8) :1-5. [ 5 ] 钟金, 郑睿敏, 杨卫红, 等. 建设信息时代的智能电网 [ J ]. 电网技术, 2009,33(13) : [ 6 ] 李雅轩, 杨春晖, 田军夏. 中小企业信息化建设的计算模式 云计算 [ J ]. 河北企业, 2009, (6) [ 7 ] 王龙, 万振凯. 基于服务架构的云计算研究和实现 [ J ]. 计算机与数字工程, 2009,37(7) : [ 8 ] 张敏, 陈云海, 林立宇. 带耐心运营商云计算数据中的构建分析 [ J ]. 规划与建设, 2009, (6) [ 9 ] 高岚岚. 云计算与网格计算的深入比较 [ J ]. 海峡科技,2009,(2) :56-57 [ 10 ] 辛耀中. 电力信息化几个问题的探讨 [ J ]. 电力信息化, 2003, 1 (3) : [ 11 ] 张伟, 沈沉, 卢强. 电力网格技术初探 ( 一 ) [ J ]. 电力系统自动化, 2004, 28 (22) : 1-4. [ 12 ] 王璐, 王步华, 宋丽君, 等. 基于 IECQ61850 的数字化变电站的研究与应用 [ J ]. 电力系统保护与控制,2008, 36 (28) : [ 13 ] 丁书文, 史志鸿. 数字化变电站的几个关键技术问题 [ J ]. 继电器, 2008, 36 (10) : 作者简介 : 潘睿 ( ), 男, 四川成都人, 硕士研究生 主要研究方向为电力系统稳定与控制 电力系统新技术 刘俊勇 ( ), 男, 四川成都人, 教授, 博士生导师 主要从事电力市场 分布式发电 灵活输电与电力系统可视化等方面的研究 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

32 新形势下智能电网技术应用的探讨 一 智能电网概念及其技术特征 1. 智能电网的概念 简单地说, 智能电网通过传感器把各种设备 资产连接到一起, 以先进的计算机 电子设备和高级元器件等为基础, 通过引入通信 自动控制和其他信息技术, 形成一个客户服务总线, 从而对信息进行整合分析, 以此来实现对电力网络的改造, 从而降低成本, 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 其核心内涵是, 在电力系统各业务环节, 实现新型信息与通信技术的集成, 促进智能水平的提高, 其覆盖范围包括从需求侧设施到广泛分散的分布式发电再到电力市场的整个电力系统和所有相关环节, 其中的每一个用户和节点都得到了实时监控, 并保证了从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信号的双向流动及实时互动 美国电力科学研究院提出的智能电网定义以及欧盟委员会关于智能电网的定义分别如图 1 图 2 所示 2003 年美加大停电后, 美国电力行业面对陈旧老化的电力设施 与数字信息技术脱节的二次控制系统及巨额的投资改造计划, 决心利用日新月异的信息技术对电网进行彻底改造, 以期建成一个高效能 低投资 安全可靠 灵活应变的电力系统, 其智能电网的定义就是在这一背景下提出的 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

33 在欧洲, 智能电网建设的驱动因素可以归结为市场 安全与电能质量 环境等三方面 欧洲电力企业受到来自开放的电力市场的竞争压力, 亟须提高用户满意度, 争取更多的用户 因此提高运营效率 降低电力价格 加强与客户的互动就成为了欧洲智能电网建设的重点之一, 而对环境保护的极度重视, 则使得欧洲智能电网建设十分关注可再生能源的接入 2. 智能电网的结构优势 智能电网的结构能支持目前配电系统的 结构所不能支持的两个基本要求 ( 1) 综合考虑终端用户 ( 分布式电源, 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

34 电力调节设备, 无功补偿设备和用户能量管理系统 ) 控制和总体配电系统控制, 以达到系统性能的优化, 取得期望的稳定性和电能质量 (2) 支持高比重的分布式电源, 以提高系统 的整体性 效率和灵活性 电网能够同时适应集中发电与分散发电模式, 实现与负荷侧的交互, 支持风电 太阳能发电等可再生能源的接入, 扩大系统运行调节的可选资源范围, 满足电网与自然环境物和谐发展, 通过协同的 分布式的控制, 利用分布式电源来优化系统性能, 在发生重大系统故障时可利用分布式电源进行局部供电 ( 微型电网 ) 智能电网的实现将形成所谓的 神经系统, 将新的分布式技术 需求响应 分布式发电以及存储技术 与传统的电网发电 输电和配电设备相融合, 一起协调控制整个电网 3. 智能电网技术应用特点 ( 1) 分布式能源领域 分布式能源的主要研究对象是需求侧响应 分布式发电以及电力存储技术 ( 2) 通信技术 电网协作运行的参与者之间的通信技术与机制, 包括通信媒介, 信息安全, 私钥与认证, 设备间的通信以及电子商务 ( 3) 控制与软件应用 主要的研究内容是如何利用通信技术和传感器等装置提供的信息, 对输配电网进行控制, 使整个系统融合在一起, 提供更加安全 可靠的电力和更低的电价 这方面的应用研究包括 : 用户信息入口 智能测量和自动读表装置 需求响应和能量管理系统 电网友好型装置 / 设备 / 程序 配电自动化 市场运行 电能买卖自助工具 负荷预测 输配电网交易控制以及紧急状况下的终端用户切除 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

35 二 新型能源管理系统在美国和欧洲, 已经有大量的电力企业正在开展智能电网建设实践, 内容覆盖发电 输电 配电和售电等环节 这些电力企业通过促成技术与具体业务的有效结合, 使智能电网建设在企业生产经营过程中切实发挥作用, 从而最终达到提高运营绩效的目的 目前, 已有的智能电网技术应用主要是在用电和配电领域 在用电系统, 由于这部分投资主要是以家庭安装智能设备为主, 投资不大, 因此运用就会比较容易, 可以很快看到有没有效率 而配电系统智能化就是不用人工管理, 完全交由智能控制系统负责, 目前应用不多 本文提出的新型能源管理系统设计方案就是智能电网技术在用电系统的一个典型应用, 可用于监测家用电路的耗电量, 还可以通过互联网通信技术调整家用电器的用电量 它的组成包括 : 与公共电网并网的分布式发电装置及其管理系统 1. 与公共电网并网的分布式发电装置 与公共电网并网的分布式发电装置由可再生能源发电装置 蓄电池 功率调节器组成 分布式发电装置产生的电能首先向系统区域内的负荷供电, 有剩余电能时向蓄电池充电, 可以期待实现削减电力系统用电高峰 ( 负荷平均化 ) 无停电电源系统以及灾害时的紧急用电源 若分布式发电装置产生的电能向蓄电池充电后仍有剩余, 则通过并网保护装置送往电力系统 ( 卖电 ) 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

36 分布式发电装置产生的电能不能满足负荷的需要时, 先由蓄电池供电, 仍不足时则从电力系统买电 除此之外, 鉴于非用电高峰时电价相对较低, 蓄电池还可在非用电高峰时充电, 减少用电高峰时从公共电网获取的电量, 既缓解了用电高峰时电网的压力, 又为用户节省了电费支出 这样, 电能可以在系统区域内得到有效利用, 提高了电能的利用率和供电可靠性, 节约了能源 同时也为电力系统运行提供了灵活性, 如在风暴和冰雪天气下, 当大电网遭到严重破坏时, 分布式发电装置可自行形成孤岛或微网向用户提供应急供电 功率调节器的构成如图 4 所示, 它由逆变器 并网装置以及蓄电池充放电控制装置等构成, 其中逆变器用来将可再生能源产生的直流电变成交流电, 它使转换后的交流电的电压 频率与电力系统向负载提供的交流电的电压 频率一致 ; 蓄电池的充放电控制装置主要用于避免蓄电池的过充电和深度放电 由于分布式发电装置与电力系统并网时会使电力系统的电能质量降低, 给其他的用户以及人身安全带来影响, 设置系统并网保护装置就是为了避免这些情况的出现, 同时系统并网保护装置可以自动检测出电力系统侧或用户侧的事故, 迅速将分布式发电装置与电力系统分离 分布式发电装置并网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, 要求使用新的仪表来满足双向潮流的需要 因此, 在此新型能源管理系统中, 智能电表取代了传统的电度 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

37 表 智能电表具有双向计量功能, 不仅能记录流入某一建筑物的电流, 还能监测从该建筑物流回电网的电流, 能同时实现多种计量 ( kw h, kvar, kw, V 等 ), 这将使电力企业能够很好地评估独立生产企业反馈回电网的有功功率和无功功率的数量 智能电表还具有双向通讯功能, 支持远程设置, 能让电力企业监测每家每户的电力波动, 可以更早发现风险正在增加的隐患, 从而改善超前模拟的效果 此外, 它还能让电力企业能够设置不同的分时电价, 鼓励家庭和企业将高耗电设备或机器安排在非高峰时段运转, 减少可能使电网运行不稳定的电力需求高峰的出现 2. 管理系统配置 新型能源管理系统的另一组成部分为一台联网的电脑, 系统利用传感器对关键用电设备的运行状况进行实时监控, 采集有关电力消耗和各种设备情况准确及时的数据, 并在电脑上显示出来, 通过对数据的分析 挖掘, 达到对整个系统运行的优化管理 人们可以利用互联网以远程的方式监视和控制各种智能设施, 用 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

38 户还可以根据预算调整使用, 例如人们能够通过在一定时间关闭一些不必要的家用电器比如电热水器, 或者调整空调的设定温度, 来降低电力消耗, 还可以按照电力收费的不同时间段, 进行计划用电 电力企业使用这种装置可以精确地知道用户的用电规律, 从而对需求和供应有一个更好的平衡 : 比如说, 在电力供应的高峰期或是需求超过供给的时候, 根据实时的客户用电量提高价格 这样, 明智的用户就会把自己家里可以替代能源的设备打开 ( 比如蓄电池 可再生能源发电装置等 ), 或者是选择错开用电高峰时段 这样就会形成比较灵活的供电模式, 避免在用电高峰期出现停电, 并提高电力企业的收益, 并达到需求侧管理的目的 与新型能源管理系统配套设计用户门户网站的示意 用户通过加密的账号登录该网站后, 可以看到自己的电量消费情况 分布式发电装置产生的电量 蓄电池的剩余可运行的时间等 当发生停电或蓄电池的剩余电量不足时, 网站上会有警告标示提醒用户, 当然, 用户也可以订制电量消费情况报告或警告的短信通知服务, 交电费等业务也可以在网上进行 通过这个网站, 用户还可以得到节能建议和实时的价格信息, 整合家用电器的使用时间和频率, 避开用电高峰期的高价格电力, 降低电费费用 三 结论与展望 对于未来能源来说, 能源节约和能源效率是关键点 智能电网下 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

39 的新型能源管理系统将允许我们来更好的管理 节约, 监控能源使用 :(1) 通过分布式发电装置提高供电系统的可靠性和效率, 提供对紧急功率 无停电电源系统和峰荷电力及其他一些辅助服务功能如无功支持 电能质量改善等的支持 ; (2) 通过将可再生能源发电设备整合进我们的能源基础设施中, 满足电力与自然环境 社会经济和谐发展的要求 ; ( 3) 通过支持智能电网双向电力供求的智能电表把暂时不用的电卖给其他需要电力的人, 使之供或需, 都由电力资源市场决定, 实现分时电价, 促进电力资源在需求侧的合理配置, 既节约了电能又为用户节省了电费支出 ; (4) 通过传感器和能源管理软件, 实现对用电设备的远程监控和负荷管理, 达到对整个系统运行的优化管理, 及时发现并处理不安全隐患 ; (5) 通过与用户的互动, 将用户的需求及时反映到电网的运行控制中, 将用户的需求及时反映到电网的运行控制中, 更加适应用户的自主选择需要, 而这一点正是智能电网的关键, 其目的是在不断降低成本和提高效率的同时, 提高整个电网的可靠性及可用性 应用于智能电网的广域继电保护 1 概述 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

40 经济和社会的发展使电力系统的电压等级升高 电网复杂程度增加, 给电力系统的安全稳定运行带来巨大挑战 作为保障电力系统安全稳定运行 三道防线 中第一道防线的继电保护也面临严峻的考验, 传统保护整定配合越来越困难 随着国家电网公司智能电网建设的开展, 智能电网的特征带来的网络重构 分布式电源接入 微网运行等技术, 对继电保护提出了新的要求, 基于本地测量信息及少量区域信息的常规保护在解决这些问题时面临较大的困难 ; 同时, 新技术 ( 如新型传感器技术 时钟同步及数据同步技术 计算机技术 光纤通信技术等 ) 的研究与应用也给继电保护的发展提供了广阔的发展空间 在以上因素的促进下, 基于广域测量信息, 从系统的角度综合考虑继电保护设计和配置的广域继电保护得到了越来越多的关注 2 广域保护技术的发展早在 1997 年, 瑞典学者 Bertil Ingel sson 就提出了广域保护的概念 [ 1 ], 用来预防长期电压崩溃等控制功能 国际大电网会议将广域保护的功能及控制手段和目标进行了定义, 具体定义参见文献 [ 2 ] 广域保护系统包含继电保护和安全自动控制两方面内容, 其中, 广域继电保护作为广域保护的重要组成部分, 对辅助传统主保护 提高保护定值的自适应能力 简化保护配合 缩短保护动作时间等方面起关键作用, 有助于从根本上切实解决现有继电保护存在的适应能力 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

41 差 整定配合复杂等难题, 提高保护的自适应能力 1998 年日本学者 Yoshizumi Serizawa 将广域思想与继电保护结合起来, 提出基于 GPS 通过光纤通道传送多点电流信息, 构成广域差动保护的观点 [3 ] 电流差动保护的范围不限于某电气元件, 而扩至该元件的相邻区域, 不仅能为元件提供快速的差动主保护, 还可为相邻区域提供动作延时小 选择性好的差动后备保护, 提高保护系统的性能 有学者提出了一种基于多 Agent 的广域电流差动保护系统 [4 ], 借助专家系统实现电流差动 后备保护区的动态在线划分, 然后通过 广域后备保护可利用专家系统方法实现 [ 5-8 ], 在给定网络的拓扑结构 相邻几级变电站中继电器的动作情况以及断路器的开合状态的前提下, 利用所定义的动作因子 AF (action factor) 的大小来判定故障位置 AF 描述了基于所有已动作了的保护设备判断某元件故障的可能性大小, 这种方法旨在保证主保护故障时能正确隔离故障 3 智能电网将对传统继电保护的影响智能电网一个重要的功能特性是自愈性 自愈 指的是把电网中有问题的元件从系统中隔离出来, 并且在很少或不用人为干预的情况下可以使系统迅速恢复到正常运行状态, 同时, 几乎不中断对用户的供电服务 运用本地和远程设备的通信帮助分析故障 电压降低 过载等系统运行状态, 并基于这些分析采取适当的控制行动 智能电网将安全 无缝地容许各种不同类型的发电和储能系统接入系统, 简化 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

42 联网的过程 未来智能电网中, 电网的自愈特征将会对继电保护的选择性 可靠性 速动性 灵敏性提出更高的要求, 对常规继电保护的配置方法提出新的要求, 常规保护在这几个方面根据实际情况的不同会有所侧重 特高压电网的建设 电网规模的扩大, 将导致短路电流增大很多, 因此, 应对短路电流增大造成的定值可靠系数降低 短路电流抑制设备的运行等问题进行分析研究, 提出相应对策 分布式电源的灵活接入 多变压器的运行方式带来的后备保护配合 双向潮流 系统阻抗的变化等问题均会给继电保护定值整定带来困难, 保护定值的适应能力也将受到严峻考验 同时, 智能电网将给继电保护的发展带来新的契机, 智能电网中所采用的新型传感器技术, 例如电子式或光电式互感器不受传统电磁式互感器饱和的影响, 对故障时电气量的采集更为精确, 简化了保护的数据算法, 缩短了数据处理时间 智能电网的数据同步技术 时钟同步技术 通信技术 计算机技术以及 IEC 标准的应用, 可以提供区域范围内数据采集的高精度同步, 满足数据采集传输的实时性, 保障数据传输过程的冗余和可靠性 ; 也可为新原理的实现 工业控制技术在电力系统的应用提供技术支持, 为广域保护的新原理 新算法和实际应用提供了基础支撑 4 智能电网下广域继电保护应采取的措施及技术考虑广域继电保护应用于实际时, 若在整个系统内实现集中保护, 由 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

43 于系统规模增大造成的大量数据采集点 海量数据 传输距离和速度等因素, 会增加广域继电保护实现的难度, 也将增加保护配置 运行和维护的难度, 保护可靠性难以得到保证 因此, 还应该结合实际系统进行广域继电保护区域结构的确立, 综合考虑 合理利用智能电网新技术, 使广域继电保护更有利于实际应用 4. 1 保证时间及数据同步常规微机继电保护将各个互感器的电气量二次模拟值通过二次电缆接入保护装置, 由装置内部唯一的系统时钟经控制总线驱动各个通道的模数转换器, 数据采集的同步精度很高 广域保护涉及到的保护将不局限于 1 个或 2 个装置, 不局限于 1 个或 2 个变电站, 如何在较大的范围内保持时间和数据的同步将是研究重点 变电站内现有的对时主要以 GPS 时间信号作为主时钟的外部时间基准, 采用 3 种对时方式 : 脉冲对时 串口对时 编码对时, 对时精度可达到 ms 级 网络化的变电站, 采用分布式电子式互感器及合并单元的数据采集模式, 数据经网络传送至保护等电子式设备的方式传输, 为了实现数据采集的同步以及各保护之间信息交互与相互配合, 需要一个统一精确的时钟作为系统的时钟源, 并通过精密对时技术实现各数据采集单元时钟 各保护装置的时钟的准确同步 目前工业领域的分布式系统对时技术及对时精度要求见表 1[10 ] 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

44 从表 1 可以看出, IEEE 1588 标准的精密时钟同步协议 [11 ] 更有利于实现高精度的时钟同步, 更有利于数据同步的实现 处于 第一道防线 中的保护系统要求的数据同步精度最高, 实现 IEEE 1588 在电力系统中的应用应满足保护系统的需求, 结合广域保护对数据同步的精度要求研究 IEEE 1588 协议的应用 : a. 根据 IEEE 1588 协议的核心原理研究 IEEE1588 标准的时钟同步误差, 量化分析时钟误差对数据同步的影响度, 寻找 IEEE 1588 同步算法及同步过程中影响同步精度的因素, 探索减小时钟晶振偏移影响的补偿算法 b. 制订 IEEE 1588 在数字化变电站内采用与数据通信同一的以太网应用方案, 根据 IEEE 1588 对时钟级别的定义给出时钟设备的配置方法及其功能实现, 研究其实际系统架构, 并从全网的角度探讨该协议的具体应用策略 c. 开发典型的 IEEE 1588 PTP 测试环境, 构建 IEEE 1588 测试 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

45 系统 d. 进行继电保护装置应对对时系统异常时钟信息的算法原理研究, 使保护装置具有识别防误功能 4. 2 划分区域结构区域的划分有利于广域继电保护的应用研究, 对站域 小区域内广域继电保护应用的可行性进行分析, 同时分析系统内继电保护配置现状 广域测量系统配置现状 网络通信设备及通信技术 ; 制订系统内的广域保护区域结构划分, 从电网结构冗余度 保护配置冗余度 通信冗余度等方面进行可行性研究 参照经典变电站结构模型, 在系统范围内形成分层分布式的区域保护配置方案 使广域继电保护具备区域决策功能, 适应具有决策功能的智能变电站建设的形势 可利用多代理 (Multi Agent ) 技术 [12 ] 实现,Agent 是一种具有知识 目标和能力, 并能单独或在人的少许指导下进行推理决策的能动实体, 一些 A2gent 通过协作完成某些任务或达到某些目标而构成的系统 Agent 具有不同的问题求解能力,Agent 之间按照约定协议进行通信和协调, 使得整个系统成为一个性能优越的整体, 可以解决单个 Agent 难以解决的问题 多 Agent 技术应用于广域保护区域划分时应注意以下几点 : a. 区域结构的扩展性, 应能够适应电网结构的扩充 ; b. 区域主站保护的决策能力 ; 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

46 c. 区域内保护之间的通信压力 ; d. 区域内 区域间的协作机制 4. 3 调整后备保护或研究应用新保护利用区域信息的采集, 根据后备保护配置现状, 综合考虑网络拓扑变化造成的后备保护适应, 综合利用网络节点开关信息 区域内保护动作信息, 研究后备保护新原理, 使保护应对主保护拒动 开关拒动等现象具有快速反应能力, 制订区域内各保护之间的协作机理, 对区域内故障的快速隔离研究保护跳闸策略, 使本地保护跳区域内开关策略具有可行性 基于新传感原理电子式互感器的特性, 对原有基于传统互感器特性的保护判据进行调整或进行新保护判据的研发 : a. 电磁式电流互感器在区外故障时, 由于饱和可能会造成保护误动, 保护判据中具有区外故障躲 TA 饱和判据, 电子式互感器不易受饱和的影响,TA 饱和判据应作适当调整 b. 保护装置针对数据异常的处理, 模拟式互感器数据异常判据包括电压电流正负序分量的断线判据等, 保护判据可利用的信息量不丰富 采用电子式互感器数据采集和通信网络数据传输, 保护可利用的信息不仅包含了范围更广的电气量, 还包含了合并单元等采集和传输介质的异常信息, 需要对这些信息综合进行新的保护判据研究 4. 4 与传统保护的配合智能电网建设过程及建成后, 不可避免遇到传统微机保护与数字化变电站内保护实现保护配合及协作问题, 应考虑不同类型保护之间 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

47 的互操作问题, 包括 : a. 线路差动保护中, 一侧保护采用电磁式电流互感器, 另一侧保护采用电子式互感器, 当区外发生故障时, 电磁式电流互感器一端很可能发生单端饱和现象, 因此, 线路两端的差动保护应具有判单端饱和和防止保护误动的功能 b. 原有线路差动保护数据同步的算法基于两侧都是模拟式互感器, 存在两侧不同互感器类型的数据同步问题, 需要进行新保护算法的研究 4. 5 在线调整保护定值保护定值在复杂运行方式及复杂电网结构下可能存在定值无法整定的现象, 解决方案是参照几种典型运行方式分别进行保护定值整定, 在保护装置内部将定值存放于不同定值区, 在区域主站的站控层构建保护定值专家系统库 当系统的运行方式发生变化时, 本地保护能够根据本地参量 ( 开关节点信息 电气量信息等 ) 判断此时的运行方式, 向区域主站发出定值是否调整的申请信息, 由区域主站综合区域内系统运行方式判断是否调整 采用哪种典型方式定值, 并向区域内需要调整定值的各个保护给予调整授权, 实现在线调整 5 结束语传统的保护系统成为各个互联电网不可缺少的保护稳定 避免灾难性事故的保护手段 智能电网新形势新特点给传统保护带来了机遇 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

48 和挑战, 可善传统保护的广域继电保护应用逐渐受到关注 广域继电 保护 ( 稳控 ) 系统已有近 20 年的历史, 新形势下广域继电保护的研究 重点有所变化, 随着智能电网的建设, 广域继电保护将得到进一步拓 展 深化和应用, 将在智能电网中发挥重要作用 参考文献 : [ 1 ] Bertil Ingelsson, Per2Olof Lindst rom,daniel Karl sson, et al.wide2area protection against voltage collapse [J ]. IEEE Com2 puter Appli2cations in Power,1997, 10 (2) : [ 2 ] 蔡运清, 汪磊,Kip Morison, 等. 广域保护 ( 稳控 ) 技术的现状及展望 [J ]. 电网技术, 2004,28 (8) : [3 ] Y. Serizawa,M. Myoujin,K. Kitamura,et al. Wide2area current differential backup protection employing broadband communi2 cations and time t ransfer systems [ J ]. IEEE Transactions on Power Delivery,1998,13 (4) : [ 4 ] 苏盛, 段献忠, 曾祥君, 等. 基于多 Agent 的广域电流差动保护系统 [J ]. 电网技术,2005, 29(14) : [5 ] J. C. Tan, P. A. Crossley,D. Kirschen, et al. An expert system for t he back2up 15 (2) : [ 6 ] J. C. Tan,P. A. Crossley,I. Hall,et al. Intelligent wide area back2up protection and It s role in enhancing t ransmission net2 work reliability[ C]/ / Proceedings of IEE 7 International Con2 ference on Development s in Power System Protection,Amster2 dam, Net herlands :2001. [ 7 ] J. C. Tan, P. A. Crossley, P. G. Mclaren, et al. Sequential t rip2 ping st rategy for a t ransmission network back2up protection expert system [ J ]. IEEE Transactions on Power Delivery,2002,17 (1) : [ 8 ] J. C. Tan,P. A. Crossley,P. G. McLaren, et al. Application of a wide area back2up protection expert system to prevent casca2 ding outages[j ]. IEEE Transactions on Power Delivery,2002, 17 (2) : [ 9 ] 徐天奇, 尹项根, 游大海, 等. 广域保护系统功能与可行结构分析 [J ]. 电力系统保护与控制,2009,37 (3) : [10 ] 蒋荣金, 尚群立, 余善恩. EPA 工业测控网络的时钟同步分析与改进 [J ]. 机电工程,2009, 26 (1) : [11] IEEE ,Standard for a Precision Clock Synchronzation Protocol for Networked Measurement and Control Systems. [ 12 ] 陈艳霞, 尹项根, 张哲, 等. 基于多 Agent 技术的继电保护系统 [J ]. 电力系统自动化, 2002,26 (12) : 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

49 智能电网的无功电压控制技术 1 智能电网近几年在世界范围内兴起的智能电网, 是指用先进的通信 信息 网络 传感器 分布式电源 分布式计算技术等一切可以为我们所应用的先进技术和传统的电网技术相结合, 使电网具有一种思维 分析 判断 决策 控制的功能, 无论在什么情形下, 电网都能自动快速准确的进行自控, 因而电网就能更安全 稳定 高质 高效, 更人性化的运行, 能够自如的应对 21 世纪来自各方面的挑战, 这就是智能电网, 也称为绿色电网, 可持续发展的电网, 社会各方面都能受益的电网 智能电网应该涵盖电网的发 输 变 配 用电各个环节, 涵盖各级电压的电网 2 智能自动电压控制电网有三大控制系统, 安全稳定控制系统 自动发电控制系统 ( Automatic Generation Control-AGC ) 和自动电压控制系统 (Automatic Voltage Control -AVC) 因此按照智能电网的标准建设的 AVC, 是智能 AVC (SmartAVC), 是智能电网的重要内容之一 Smart AVC 把我国独有的经济压差 ( UJ) 无功潮流计算技术与先进无功动态补偿装置相结合组成 SmartASVC ASVC 是无功就地平衡补偿 电压波形对称补偿与谐波补偿一体化装置 Smart AVC 是使电网无功电压 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

50 控制的全过程达到智能化的过程 2.1 Smart AVC 的目标 (1) 实现电网安全稳定运行, 降低电压崩溃事故大规模停电风险 ; (2) 提高电能的电压质量, 全网全方位电压合格率统计达到 95% 以上 ; (3) 提高输电效率, 最大限度的降低线路损失, 全网线损率达到 5.5%, 年节约线损电量 700 亿 kwh; (4) 提高用户的用电的效率 可靠性 ; (5) 提高供电设备利用率 10%~15%; (6) 实现绿色电网, 年减少工业粉尘及二氧化硫 二氧化氮 二氧化碳等气体排放量 2 亿吨左右, 节约电网无功补偿投资 300 亿元 2.2 Smart AVC 的特征 (1) 无功优化 无功实时就地平衡特征 即组成电网的发电厂 输电线路 变电站与用户等 4 个元件的发电厂 变电站与用户各自做到无功实时就地平衡, 输电线路的过剩无功在本线两侧等量补偿 (2) 柔性控制 变电站与用户均使用先进无功动态补偿装置进行无功实时平衡与电压正弦波形控制 (3) 高质量 高效率 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

51 电压质量与线路损失率同时抵达最佳状态 电能质量 供电电压偏差及波形同时高质量 (4) 先进的预防机制 实时无功平衡机制 U J 无功潮流提高了全网平均电压水平, 提高了电压稳定储备系数 ; 消除了局部低电压运行发生电压崩溃的隐患 (5) 自适应功能 分布式计算功能 就地计算结果达到全网无功优化要求, 且不受通道或电网发生故障等影响, 结果适应于任何变化了的运行方式需要的功能 (6) 自愈功能 电网电压水平降低时, 无功负荷自动减少的功能是电网具有的自愈功能, 但是仅凭这点自愈功能还不足以保护电网不发生电压崩溃 自愈功能实际上就是电网具备的自动实现无功实时就地平衡的能力 自愈功能是自适应计算功能加先进无功动态补偿装置的调节能力 (7) 人性化互动 发电厂与电网之间, 变电站与电网之间, 电网分层之间, 和谐互动, 相互制约, 相互促进 (8) 市场化 发电厂上网电价 变电站下网电价 供电公司销售电能实施电压质量差别电价 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

52 3 Smart AVC 过程 3.1 按电压分层控制 Smart AVC, 实施按电压分层控制原则, 即 1000(750) 500(330) (66) kV 分层控制 各级调度各管一层 管好下级电网及发电厂注入本级电网的无功值为优化值 ; 照此实施电压质量差别电价政策 智能 AVC 控制全程见图 1 计算网络 : 例如 220kV 计算电网, 包括从 500kV 变压器的 220kV 母线开始的 220kV 网络, 加上接入 220kV 网络 220kV 变压器 ; 以此类推 3.2 宏观电压水平控制 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

53 电网的电压水平取决于直接接入电网的全部, 起码是大多数变压器的使用变比 对已经正常运行的电网来说, 基本上不存在什么问题 我国电网由于无功补偿布局不科学, 无功长距离 大功率从高压电网向低压电网输送, 从发电厂向需求侧输送, 因而从高压电网到低压电网, 从发电厂到需求侧, 变压器的标幺变比呈减小趋势 随着电网无功优化调控过程的展开, 变压器的标幺变比的差别会趋于减小 电网无功优化过程中的调控过程主要无功就地平衡的控制 3.3 智能化控制过程 传统的大闭环控制图 2 是在控制端 ( 调度中心 ) 与执行端 ( 现场 ) 之间形成的大闭环控制体系示意图 依赖通道传送实时数据, 控制端进行状态估计 优化计算与发布指令的大闭环控制体系 智能化控制 分布式就地计算与控制体系 安装在变电站的 ASVC 或发电厂的微 机励磁控制器, 加分布式无功补偿计算模块, 构成 Smart AVC SCADA 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

54 从现场采集实时计算需要的数据, 计算注入电网要求的实时无功优化目标值, 与实时无功值进行比较, 得出偏差调控量,ASVC 进行偏差纠正调控, 只要每一个场站不断的进行这种闭环调控, 调控一次, 电网迭代一次, 电网中的无功潮流就会逐步自趋优化 这种跟踪电网负荷不断变化调控的闭环控制过程显示了 Smart AVC 智能控制功能, 体现出 Smart AVC 的一切特征 图 3 示出了就地分布式的闭环控制过程, 不受通道限制, 不依赖状态估计, 不受调度中心是否具备计算条件限制, 显示了它的自适应能力与自愈功能 电网发生故障情况后, 运行电压自动恢复到安全控制线以上的能 力叫自愈能力 自愈能力实际上就是在所有功率突增的线路两侧都能 快速科学的增加补偿无功容量的能力, 科学的计算显示了自适应能力 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

55 例如美加 8 14 大停电, 在开始的 62min 内, 有 5 条线路相继开断, 且先后的相继开断过程愈来愈快, 加上发生了通道故障, 已经不再可能经过正常的控制程序进行无功补偿, 只能通过分布式计算与就地闭环紧急控制体系, 阻止停电范围的扩大 4 人性化互动与市场化人性化互动与市场化是智能电网的重要特征之一 体现在发电厂与电网之间, 变电站与电网之间, 电网分层之间, 电网与用户之间, 和谐互动, 相互制约, 相互促进, 走向市场化, 多方共建智能电网的愿望 特征是公平 公开 公正, 电价质量透明 用户按电价选择用电时间, 电能质量按质论价 目的是相互促进无功功率实时就地平衡, 共同打造智能电网, 共享无功就地平衡效益 4.1 供电公司与用户实施实时功率因数考核办法 例如, 分功率因数电能表抄录的总电量及不同功率因数分段的有功电量分别为 A,A1,A2,A3,,An, 不同功率因数分段所对应的电费调整率相应分别为 λ 1,λ 2,λ 3,, λ n, 则可得出对应的调整电费与总电费为 W=k[A+(A1λ 1+A2λ 2 +A3λ 3+ +Anλ n)] 实施电压质量差别电价, 按质论价 如果电压质量差别电价电能表抄录的有功电量与不合格的有功电量分别为 A,A1, 它对应的电价分别为 λ,λ 2, 则可得出总电费为 W=Aλ +A1λ 1 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

56 4.2 电网调度与发电厂或供电公司为了保证电网中电能量的正常交易, 电网调度与发电厂或供电公司之间实施以给定电压约束下的注入电网的实时无功值合格与否的电量差别电价 但是, 判定电能的供电电压偏差质量是否合格的量值不是单纯的电压有效值, 而是电压有效值约束下的实时无功值合格 调度局对发电厂或变电站的上 ( 下 ) 网合格电量按质付费 5 实现步骤根据我国电网电容器无功补偿布局倒置等实际情况, 实施 Smart AVC 有 2 个重点, 一个是建设电网 U J 无功补偿布局, 图 4 示出 Smart AVC 建设步骤 另一个是逐步推行动态跟踪无功补偿装置 6 先进无功动态补偿装置 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

57 采用无功动态补偿装置建设 Smart AVC 是人类适应大电网与智能电网发展的自适应能力的体现 停步不前的采用电容器组的电网, 不具备预防电压事故的预防机制 自适应与自愈能力, 应对不了 21 世纪来自各方面的挑战, 建设不好智能电网 ASVC 就是无功就地补偿 对称补偿与谐波补偿的一体化装置 ASVC 发展很快, 基于 TCR 的 SVC 基于 MCR 的 SVC SVG, 技术经济指标很好, 仅计及电网降损一项指标,4~5 年就可收回成本 7 结束语 Smart AVC 是智能电网的重要组成部分, 全新概念, 内涵丰富, 需要以科学发展观为指导进行建设, 需要发 供 用三方 以及学术界与工业界的共同努力, 与时俱进的改革过时的法规政策与行业规程, 自主创新的 SmartAVC 必将在中国建成 各行各业, 助力推进我国智能电网的建设, 以应对 21 世纪的各种挑战 智能电网各项功能的实现 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 智能需求侧管理等 5 个角度介绍智能电网的功能 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

58 智能控制中心随着电网的发展, 电网控制中心装备的系统种类不断增多, 从调度自动化系统 (SCADA/EMS) 到电能计量系统 (TMR) 各类系统的有机配合, 使控制中心成为电网运行不可或缺的 大脑 然而面对日益复杂的电网和不断新增的系统, 传统的电网控制中心已无法满足监控电网 维护电网安全的需要 中国输电网对控制中心提出的主要挑战如下 : 1 特高压电网调度和控制 : 随着举世瞩目的特高压骨架电网建设的快速推进, 未来中国互联电网的运行特性将发生深刻变化, 各级输电网的联合调度和控制将是一项重大挑战, 在世界上无先例可循 2 大型风电基地接入后的调度和控制 : 中国计划将建成若干个千万千瓦级的风电基地, 这些大容量 间歇性的绿色电源接入后, 输电网的调度和控制同样是一项重大挑战 3 控制中心信息可靠性 : 输电网控制中心自动化程度越来越高, 功能也越来越复杂, 导致对信息基础的依赖达到了一个前所未有的高度, 现有信息基础存在可靠性等瓶颈问题, 亟待突破 4 输电网和控制中心的运行风险 : 输电网互联规模的扩大, 电力设施的老化, 以及各类自然灾害 ( 台风 地震 冰灾等 ) 频发, 致使输电网及其控制中心的运行风险不断加大 智能控制中心 (scc) 是现有的 EMS DMS SCADA 虚拟电厂(virtual power plant) 等技术的再升级和结合 国智能输电网的 SCC 的概念, 必须即具备可靠 弹性 协调 绿色 高效和智能等特征, 其特征分 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

59 析如下 : 1 可靠 (Reliability): 指信息基础的高可靠性和控制中心自身的强自愈能力, 是控制中心决策可靠性和正确性的基础保证 ; 2 弹性 (Resilience): 提高防御严重事故 自然灾害和人为打击的能力, 提高电网和控制中心自身的风险防范意识和风险决策能力 ; 3 协调 (Coordination): 解决国家 区域 省等多级控制中心的协调控制问题, 支持未来全国跨区特高压骨干网的可靠高效运行 ; 4 绿色 (Green): 支持接入风能和太阳能等绿色能源, 解决中国大规模风电基地接入后的电网调度和控制问题, 节约能源, 降低 CO 和污染物排放 ; 5 高效 (Efficiency): 支持分步 自治的控制决策, 支持综合 PMU 信息和 RTU 信息的协调控制决策, 提高对电网事故扰动的快速反应和决策能力 ; 6 智能 (Intelligence): 具备机器自学和自适应能力, 降低快速发展中的巨型复杂输电网的运行调度对人工经验的依赖 智能变电站智能变电站系统可分为站控层 间隔层和设备层, 各层之间的联系均采用光缆 智能变电站系统融入了现代计算机技术 现代通信技术 光电技术及具有丰富运行经验的 GIS 技术 测控技术和继电保护技术 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 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

60 1 自治能力 变电站能在必要时调整 AVR(automaticvoltage 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 2009 年 9 月, 华北电网第一座 220 千伏数字化智能变电站 郭家屯变电站正式投入运行, 实现了由传统变电站向数字化智能变电站转型的重大革命, 华北电网公司在建设统一坚强智能电网的道路上又向前迈进了一步 郭家屯 220 千伏数字化智能变电站位于唐山玉田县, 占地面积 38.8 亩, 远景规划 18 万千伏安变压器 3 台,220 千伏出线 4 回,110 千伏出线 14 回,10 千伏出线 12 回 与国内同类变电站相比, 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

61 郭家屯变电站是首座完全意义上的数字化智能变电站, 首次在 220 千伏电压等级实现了测控 保护一体化, 首次以分散录波方式解决集中录波难题, 首次实现全站一 二次设备顺序控制, 首次实现分步分散就地布置的数字化变电站, 首次以网络化方式实现变压器非电量保护, 首次实现对一次设备的智能化集成改造和完善, 首次实践过程层采样值组网传输, 首次实现过程层设备分布式就地安装, 首次实现保护自动闭环测试, 首次实现电能计费功能 继电保护信息管理系统与监控系统一体化设计 郭家屯变电站的数字化智能设计, 使传统的操作模式发生了根本性改变, 启动中, 由于站内的所有硬压板全部被软压板取代, 运行值班人员在进行倒闸操作时无需去现场进行压板投退, 而是远程遥控操作, 这样不仅节省了大量人力, 更可以避免以往由人为因素造成的压板接触不好等二次回路的问题 ; 同时, 站内设备的运行工况可全部上传至站控层的监测后台, 值班员可随时全面了解设备的运行状况 数字化变电站是智能电网的基础 数字化变电站是要求信息用统一的规约去达到互联 互通 互操作的目标, 这个信息会延伸出更多的效益, 减少工作人员的运行维护, 提高工作效率 现在数字化变电站处于科技项目或者试点阶段, 各大电网公司还没有大面积推广, 特别是一次设备智能化的实现都没有哪一公司把它作为强制性政策去实施 而电力系统是一个很保守的行业, 更注重的是安全性和可靠性, 新技术的使用到了决策层, 要慢慢消化接受, 等待更成熟的技术和产 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

62 品出现才会逐步推广 现在南方电网在数字化变电站的建设方面主要偏重二次设备网络化的建设, 如新建的变电站, 在间隔层 / 变电站层等二次设备上面做一些尝试, 电子式互感器的大规模推广仍然有待时日 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 线路巡检管理是有效保证电力输配电线路及其设备安全稳定运行的一项基础工作 传统的巡检监督管理方法难以有效监督巡检人员, 导致经常出现由于巡检不到位 处理不及时而引发的线路事故 因此, 现场迫切需要一种实用 方便 有效的线路巡检管理系统 近年来出现的智能线路巡检管理系统, 是通过在杆塔上安装信息钮 信息螺栓或条形码等自动识别器件, 后台采用计算机进行集中管理, 以有效杜绝人为因素影响, 有利于及时 客观地考核巡检人员的工作 日常巡 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

63 检的整个流程如图 1 所示 但仍存在以下局限性 :1 安装较为复杂, 而且长期暴露在野外, 容易遭到损坏 2 填写缺陷票仍由巡检人员现 场手工完成, 费时 费力且缺陷票填写内容不规范 智能保护系统 传统保护装置的定值大多采用人工现场设置的方式 而智能保护 装置能实时接收控制中心的整定结果, 从而更及时准确地配合电网的 运行, 并节省人力成本 此外, 多代理技术也有望得到应用 导致电网大面积停电的原因很多, 涉及电网结构 运行管理 自 动装置和人员培训等多个方面 其中, 由级联事件和人为处理不当而 演变成的大停电事故, 日益引起人们的关注 级联事件的演变与人为 处理密切相关, 许多小停电事故发展到大停电事故往往是人为处理不 当所致 随着大电网的发展, 旨在保证大电网安全运行, 由美国电力 研究院 ( EPRI ) 参与研发的 突出自愈功能的智能电网结构 (IntelliGrid Architecture) 应运而生 SPID 是由美国国防部牵头, 有 EPRI 和华盛顿大学等单位参与, 投资 3000 万美元 历时 5 年完成的一项前期工作 它是美国就电力 电信 金融 交通等影响国民经济的巨大的复杂系统所开展的政府 工业 大学协同研究项目 (GICUR) 之一 整个项目将于 2025 年完成, 中灵活分区配置图 SPID 是通过事件响应 网络重构和自适应卸负荷, 来实现 SHG 的战略目标 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

64 为制止级联跳闸, 快速实现恢复控制的大电网灵活分区战略现已被推广使用 如加拿大魁北克电网把全网分成 5 个子系统, 巴西国家电网则把全网分成 34 个子系统 此外, 从最近召开的俄美研讨班上获悉, 俄罗斯的统一动力系统也已有了灵活分区计划 SPID 的自愈战略理念, 在 SHG 的研发中得到继承和发展 由自动输电和配电系统组成 支持高效可靠提供和传输电力的智能电网体系结构, 其目标是构建一个具有处理紧急和灾变能力的 SHG, 并能适应当前和今后的电力公用事业环境 市场要求和用户需要 事件响应的快速仿真决策, 既不同于传统的预防性控制的静态安全分析和安全对策, 也较由基于 PMU 的 WAMS 所组成的动态安全性评估 (DSA) 有所发展, 主要增加了故障发展快速仿真的实时预测功能, 为调度员提供紧急状态下的决策支持 预测功能包括故障引发的系统震荡和级联事件的发展, 如存在可能导致大面积停电的高风险时, 将实施主动解列灵活分区 以及有关系统的分布协调 / 自适应控制 研发实现快速仿真的预测方法有两个方向, 一是静态模型和动态特性相结合的分析计算, 二是基于信号分析的实时直接测量推算 这两个方向对量测信号的精度 数据交换的速度和分析计算方法都提出了较高要求, 且都有许多研究课题, 如模型分析应能实现并行计算 信号分析要求 PMU 的精度达到 Hz 等 SHG 主要是从用户角度出发, 提供安全 优质和廉价的电力供应 因此, 大电网的建设运行与 SHG 的理和方法相结合, 将能实现目标一 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

65 致的功能互补 特别是当前较为成熟 业已推广的灵活分区 故障发展预测 新能源开发 协调 / 自适应控制 电力电子技术的应用, 以及从需求侧管理走向需求侧竞价 充分发挥负荷的潜在功率产品价值, 对大电网的规划建设和运行管理, 不无启示和借鉴作用 智能需求侧管理智能电网的主要功能体现在两大方面, 一个是电力需求侧管理, 另一个是电网可靠性管理 需求侧管理是需要有技术和设备投入的, 需要一个投资机制的支撑, 需要创建一种盈利模式, 需要一个专业化管理团队来执行 就需求侧管理的技术而言, 分布式能源是最主要的技术构成 所谓分布式能源技术就是分布在需求侧的能源梯级利用, 以及资源综合利用 可再生能源和储能技术 通过在需求现场根据用户对各种能源配置状况和不同的能源需求, 实现温度对口供能, 将输送环节的损耗降至最低, 从而实现能源利用效能的最优化 24 年以前, 中国著名的能源动力专家, 中国科学院工程热物理研究所所长吴仲华院士在为中共中央书记处进行题为 中国的能源问题及其依靠科学技术解决的途径 的科学讲座中提出 : 能源利用必须 分配得当 各得所需 温度对口 梯级利用, 才能达到最有效利用的目标 并强调只有如此才能 解决中国经济高速发展能源供应不足的重要课题 而分布式能源技术能够实现吴院士生前的希望 分布式能源是能源需求侧管理的主要技术手段, 也正是需求侧管 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

66 理催生了分布式能源技术的发展, 而分布式能源又进一步将需求侧管 理推进到一个更高的境界, 使需求侧管理不仅能够 节流, 而且还能 开源, 进一步扩大了它的盈利空间, 使其更加富有吸引力 智 能 需 求 侧 管 理 融 合 了 高 级 量 测 体 系 (advancedmeteringinfrastructure) 微网 定制电力 (custompower) 等技术 1 高级量测体系 高级量测体系 (AMI) 是一个用来测量 收集 储存 分析和运用用户用电信息的完整的网络和系统 AMI 技术的四 大组成部分 ( 即智能电表 广域通信网络 量测数据管理系统和用户户 内网络 ) AMI 的作用及其和智能电网的关系 通过广域通信网络,AMI 把用户和电力公司紧密相连, 为将来配电自动化等智能电网功能的实 现奠定了基础 AMI 实现的系统范围的测量和可视性能够大幅提升现 有电力公司的运行机制和资产管理流程 电力公司应抓住 AMI 技术开 发和实施这一难得的机会, 规划和建立通用的满足未来系统高级应用 的通信基础设施和集成信息系统, 以便提升产业和引导电网向智能电 网方向发展 2 微网 微型电网是为整合分布式发电的优势, 削弱分布式发电 对电网的冲击和负面影响, 而提出的一种新的分布式能源组织方式和 结构, 由美国首先发明的一个名称 国际上对微型电网的定义不尽相 同, 但各种方案均认为 : 微型电网应该是由各种微能源 ( 风力 太阳能 柴油发电机组 燃料电池 微型燃气轮机 微水电等 ) 储能装置 ( 蓄 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

67 电池 超级电容器 飞轮等 ) 负荷以及控制保护系统组成的集合; 具有并网运行和独立运行能力, 能够实现即插即用和无缝切换 ; 根据实际情况, 系统容量一般为数千瓦至数兆瓦 ; 通常接在低压或中压配电网中 3 定制电力 定制电力是将电力电子装置或称静态控制器用于配电系统, 向电能质量敏感的用户提供的电力达到用户所需可靠性水平和电能质量水平 这些用户电力设备 ( 或称控制器 ) 采用先进的大功率电力电子器件以及基于计算机的测控技术, 使用户供电可靠性和电能质量提高到所要求的水平 定制电力技术又称为用户电力 ( CP, Custom Power) 技术或配电灵活交流输电 (DFACTS) 技术 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

68 智能电网关键技术及其与传统电网的比较 随着市场化改革的推进 数字经济的发展 气候变化的加剧 环境监管要求日趋严格与国家能源政策的最新调整, 电力网络与电力市场 电力用户之间的协调和交换越来越紧密, 电能质量水平要求逐步提高, 可再生能源等分布式发电资源数量不断增加, 气候变化初露端倪, 以单向通信 集中发电 辐射状拓扑网络为特点的传统网络已经难以支撑如此多的发展要求, 面临着越来越多的挑战 [ 122 ] 为了解决这些问题, 必须在发电 输电 变电 配电 用电和调度等环节逐步实现智能化, 建设智能电网体系 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

69 1 我国智能电网的特点由于国情 发展阶段及资源分布的不同, 我国的智能电网与美国的智能电网在内涵 发展方向等方面有显著的区别 美国智能电网的建设侧重于配电侧和用户侧, 重点研发可再生能源和分布式电源并网技术, 电动汽车与电网协调运行技术以及电网与用户的双向互动技术 我国智能电网是在建设坚强电网的基础上, 以建设距离长 容量大等输电特征的特高压电网为核心, 包含电力系统的发电 输电 变电 配电 用电和调度共 6 个环节, 具有信息化 数字化 自动化 互动化的智能技术特征 并重点关注智能输电领域, 结合特高压建设与运营, 提升驾驭大电网安全运行的能力, 同时统筹配电网智能化建设工作, 逐步建设独具特色的智能电网 [ 324 ] 总之, 我国的智能电网是一个涉及多学科 多技术领域的战略性概念, 发展智能电网必须以通信技术为基础 量测技术为手段 设备技术为支撑 控制技术为方法 支持技术为导向, 循序渐进的开展 2 智能电网关键技术 2. 1 智能化信息技术智能化信息技术贯穿发电 输电 变电 配电 用电 调度各环节, 是智能电网建设的重要内容和坚强支撑 基于智能电网的信息技术具有三大特征 : 一是数字化程度更高, 内含各种智能的传感器 电力 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

70 设备 控制系统 应用系统等, 连接更多的设备, 深化发电 输电 变电 配电 用电和调度环节的数据采集 传输 存储和利用 ; 二是利用面向服务架构体系 (Service2Oriented Architect ure, SOA) 整合相关业务数据和应用, 建立统一的信息平台, 自动完成数据和应用 的整合, 实现全部业务系统的集成 [5 ] ; 三是深入应用生产管理 人 力资源 电力营销 调度管理等辅助决策数据, 构建一个数据集中 业务整合 符合模型标准 应用可扩展的辅助分析系统, 实现生产 营销 调度 人财物等业务数据的集中存储 统一管理 系统分析, 形成智能决策, 满足跨业务系统的综合查询, 为管理决策层提供有效的数据分析服务 2. 2 智能化通信技术建立高速 双向 实时 集成的通信系统是实现智能电网的基础, 一方面, 智能电网的数据获取 保护和控制都需要通信系统的支持 ; 另一方面, 建立以电网和通信紧密联系的网络是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基础设施, 可以提高电网供电的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, 从而提高电网自身的价值 以通信技术为基础的智能电网通过连续不断地自我监测和校正, 并利用先进的信息技术, 实现电网各系统的自愈功能 通信系统还可以监测各种扰动, 并进行补偿, 重新分配潮流, 避免事故的扩大 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

71 2. 3 智能化量测技术智能化量测技术是实现智能电网的手段 参数量测技术是智能电网基本的组成部分, 可以获得相关数据并将其转换成数据信息, 提供给智能电网的各个系统使用 智能化量测技术可以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, 防止窃电 缓减电网阻塞等 基于微处理器的智能表计将有更多的功能, 除了可以计量不同时段的电费外, 还可储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率, 并通知用户实施的费率政策, 用户可以根据费率政策, 自行编制时间表, 自动控制电力的使用 2. 4 智能化设备技术智能电网将广泛应用先进的设备技术, 以提高输配电系统的性能 智能电网中的设备将充分应用材料 超导 储能 电力电子和微电子技术等方面的最新研究成果, 以提高功率密度 供电可靠性 电能质量和电力生产的效率 通过采用新技术以及在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点, 来提高电能质量 ; 通过应用和改造各种各样的先进设备, 如基于电力电子技术和新型导体技术的设备, 来提高电网输送容量和可靠性 配电系统中需要引进新的储能设备和电源, 同时应利用新的网络结构, 如微电网 2. 5 智能化控制技术智能化控制技术是指智能电网中分析 诊断和预测电网状态, 并确定和采取适当的措施以消除 减轻和防止供电中断和电能质量扰动 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

72 的控制方法 智能化控制技术将优化输电 配电和用户侧的控制方法, 实现电网的有功功率和无功功率的合理分配 智能化控制技术的分析和诊断功能, 将引进预设的专家系统, 在专家系统允许的范围内, 采取自动控制措施, 而且措施的执行将在秒一级水平上, 这一自愈电网的特性将极大地提高电网的可靠性 先进的控制技术需要一个集成的高速通信系统以及对应的通信标准, 以处理大量的数据 先进控制技术将支持分布式智能代理软件 分析工具以及其它应用软件 先进控制技术不仅给控制装置提供动作信号, 而且也为运行人员提供信息 2. 6 智能化决策支持技术智能化决策支持技术将复杂的电力系统数据转化为系统运行人员可理解的信息, 利用动画技术 动态着色技术 虚拟现实技术以及其他数据展示技术, 帮助系统运行人员认识 分析和处理紧急问题, 使系统运行人员做出决策的时间从小时级缩短到分钟级, 甚至到秒级 3 智能电网与传统电网的比较我国的智能电网是在传统电网的基础上发展起来的, 是以特高压电网为基础的多学科 多领域 多层次的一种电网模式 智能电网与传统电网相比有明显的完善, 主要表现在通信技术 量测技术 设备技术 控制技术和决策支持技术等几个方面 智能电网与传统电网的比较, 见表 1 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

73 4 结束语以上在探讨智能电网关键技术的基础上, 对比分析传统电网与智能电网在通信技术 量测技术 设备技术 控制技术和决策技术等方面存在的差距 智能电网相对传统电网的主要优势在于实现了电网与用户之间的双向互动, 实现了电网故障的自愈功能, 进一步提高了电网供电的可靠性和高效性 在建设智能电网的过程中只有不断深化认识传统电网与智能电网的差距, 逐渐找出建设智能电网的突破口 切入点, 才能少走弯路, 确保建设智能电网的顺利进行 参考文献 : 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

74 [1] 谢开, 刘永奇, 朱治中, 等. 面向未来的智能电网 [J ]. 中国电力,2008,41 (6) : [2] VADARI M. Demystifying intelligent networks[j ]. Public U2tilities Fortnightly, 2006,145 (11) : [3] 陈树勇, 李树芳, 李兰欣, 等. 智能电网技术综述 [J ]. 电网技术,2009,33 (8) :127. [4] 郝悍勇. IBM 眼中的 智能电网 [J ]. 电力信息化,2006,4(7) : [5] 乔苏蒂斯. SOA 实践指南 - 分布式系统设计的艺术 [M]. 程桦, 译. 北京 : 电子工业出版社, 中国式智能电网的构成和发展规划研究 0 引言电力工业是涉及到国计民生的基础性产业, 是经济和社会发展的重要保障 目前, 世界电力行业面临着两大转变 :1) 大机组集中发电模式向集中和分布式发电相结合的模式转变 ;2) 由供方主导的电网模式向用户和供方共同参与的互动电网模式转变 这两大转变决定了未来电力系统发展的 2 个方向 :1) 支持新能源接入的统一联合的特高压输电与分布式电源相结合的智能电网 ;2) 分布发电与交互式供电相结合的智能电网 由此可见, 智能电网将是未来电力工业的核心内容 智能电网不仅是现代电网的结构升级, 更是全球电力行业的深刻性变革 各个国家都根据自身的实际, 制定了适应本国的智能电网发展规划 [1], 不同电力企业对智能电网的各个方面也进行了相关研究 [2-4] 由于我国能源和负荷分布的特殊性, 为了适应我国能源发展的战略需求, 我国的智能电网建设必须结合特高压电网和电力体制改革来进行 [5-6] 在宏观政策方面, 电力行业需要满足建设资源节约型和 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

75 环境友好型社会的要求 ; 在市场化改革层面, 电能交易手段与定价方式正在改变, 市场供需双方的互动将越来越频繁, 电网必须能够灵活地支持多类型电能交易 [6] 本文将简要分析我国电力系统的现状和智能电网的定义, 研究智能电网对我国现行电力系统各环节的影响, 指出我国发展智能电网的基础条件和面临的挑战, 并给出相应的切实可行的建议, 最后初步提出中国式智能电网的中期和远景结构简图 1 中国电力系统现状简析进入 21 世纪以来, 我国电力建设事业快速发展, 装机容量和发电量持续增长, 电源结构调整和技术升级取得了一定成就 ; 电网规模不断扩大, 输变电容量和电压等级不断提高, 网络架构不断加强, 已经初步实现了全国联网 ; 同时, 新能源发电技术也取得了很大进步, 城乡电网改造成绩显著, 电力市场的改革初见成效 但仍然存在以下问题 : 1) 尽管发电能力有很大提高, 但还是以传统意义的火电为主, 电源结构亟待调整和优化 这主要表现在 : 电源的快速调节能力不足, 电网的调峰平谷矛盾突出, 各种新型清洁能源接入电网的技术还不完善成熟 2) 特高压电网建设仍处于起步阶段, 特高压线路的规划 设计 建设 运行与控制等方面的技术还没有形成一个标准的体系 区域电网之间的同步性还没有完全实现, 大电网的动态监测 评估诊断与辅 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

76 助决策的技术手段不够完善, 柔性交流输电技术有待进一步应用 这使得电网的控制手段灵活性有限, 输电网的应灾能力和供电恢复能力较弱 3) 配电网的网架结构相对薄弱 这主要表现在 : 部分城市的配电网供电能力不足, 配网自动化覆盖率低, 电力通信设施落后, 配电网网损过高, 供电可靠性和电能质量问题仍然严峻 ; 配电网相关技术和管理制度亟待完善, 配电网对用户的双向互动支持不足 ; 微电网的技术应用研究还不成熟 4) 负荷发展不平衡, 信息化程度差异大 现有的电能计量主要是完成电费计算, 对客户计量数据的采集精细度不够, 数据没有得到充分的深度利用 城市电网和农村电网的设备水平和管理水平以及与用户的双向互动难以满足现代化电网的要求 5) 在工业化 城镇化进程以及人民生活水平提高的影响下, 负荷将会持续增长, 所以城网改造还需要进一步深入 ; 并且, 随着电力汽车 储能设备的接入, 负荷的类型和性质也发生了一定的变化 6) 变电站自动化系统整体技术水平较为先进, 但综合利用效益还未充分发挥 数字化变电站的试点尽管已经完成, 但是还没有进行全面的推广 7) 高级调度中心的建设已经起步, 但是在特高压互联电网运行与控制 运行状态的实时监控与预警 调度计划的经济协调 全网和区域电网协调控制等方面仍需进行深入的研究 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

77 8) 我国电力通信发展不平衡, 输电通信基本实现主干通道光纤化 数据传输网络化, 建设了覆盖全国的电力综合通信业务网, 但配电网缺乏可靠 经济 实用化的通信方式 [7] 2 中国式智能电网的定义我国电力系统的专家学者已经对智能电网的各个方面进行了深入的研究, 由于研究的侧重点不同, 对智能电网的定义也有所区别 文献 [8] 提出了数字电力系统的概念, 并指出智能电网是数字电力系统概念的升级 文献 [9] 指出智能电网通过分布式智能通信和高度集成的自动制系统, 保证市场交易的实时进行和电网各个环节的实时监控和双向互动, 是一个完全智能化的供电网络 文献 [10] 将智能电网定义为 互动电网, 并指出智能电网是集合产业革命 技术革命和管理革命的综合性效率变革 文献 [11] 详细分析了智能配电网的结构特点, 指出智能配电网是通信 控制 传感 计算机等技术在配电系统中应用的总和 国家电网公司综合世界各国对智能电网的研究成果, 并根据我国电力发展水平 能源和负荷分布的特点, 提出中国智能电网的发展总思路为 : 以统一规划 统一标准 统一建设为原则, 以特高压电网为骨干网架, 各级电网协调发展, 建设具有信息化 自动化 互动化特征的国家电网 统一坚强智能电网包括 5 大区域电网, 涵盖所有电压等级, 由发电 输电 变电 配电 用电 调度等环节有机组成, 是坚强可靠 经济高效 清洁环保 透明开放 友好互动的电网 [12] 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

78 3 中国式智能电网的结构分析 3.1 智能电网的内涵智能电网的核心内涵是在电力系统各环节实现新型信息与通信技术的集成, 以促进智能水平的提高 智能电网的覆盖范围, 包括从需求侧设施到广泛分散的分布式发电, 再到电力市场的整个电力系统及所有的相关环节 由此可以看出, 智能电网不是电网设备的技术升级, 而是电力系统的根本性变革, 而这种变革必将对我国现行电力系统各个环节产生深远的影响 [13-17] 3.2 发电系统截至 2008 年底, 我国装机容量和全口径发电量构成见如表 1 所示 [18] 目前我国正在推进 一特四大 的电网发展战略, 即以大型能源 基地为依托, 建设由 kv 交流和 ±800 kv 直流构成的特高压 再生能源基地的集约化开发, 在全国范围内实现资源优化配置 其中, 发电系统的基本构成如图 1(a) 所示 由此可见, 发电系统仍然是集约 化发展 随着中国智能电网建设的不断深入, 新能源和分布式发电有 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

79 很大的发展空间, 但这并不能从根本上改变我国的装机结构 随着环保意识的增强和国家能源政策的实施, 装机结构的内部将会发生变化, 传统 低效的能源转化方式将被优质高效的转化方式代替, 并在火电的装机容量中占有相当大的份额 我国未来能源构成的比例 [19] 如图 1(b) 所示 智能电网将会在发电计划 机组调度等方面发挥优势, 实现全国范围内的电力资源调配, 实现电力与自然的和谐发展 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

80 3.3 输电系统智能输电运行是智能电网的重要组成部分 我国能源与负荷分布的矛盾决定了发展特高压是实现能源转移最为经济有效的方式 国家电网公司特高压骨干网规划的总体思路为 : 以构建华中 华北坚强的同步电网为核心, 以晋 陕 蒙 宁煤电基地和西南水电开发为契机, 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

81 在华北与华中电网率先建设贯通南北的百万伏级交流通道, 将华中与华北构筑成为联系紧密的同步电网 华中 华北同步电网的范围将通过交流特高压扩大到华东电网 在华北 华中和华东建设成坚强的特高压网架 ; 西南水电外送采用特高压交流或直流, 共同形成覆盖大电源基地和负荷中心的特高压电网 全国电网电力流向总体上呈现西电东送 北电南送的格局 智能输电运行优化管理系统包括同步数据采集处理系统 广域动态监测系统 实时在线报警系统和故障诊断分析系统 目前, 各个区域电网都建立了广域测量保护系统, 初步实现了电网的动态监控, 部分区域电网已经开始了高级调度中心的建设, 这些都为智能输电的实现创造了条件 我国高级输电运行优化管理系统的建设应以广域测量系统为基础 [20-21] 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

82 3.4 配电系统配电网的智能化是智能电网的核心部分, 灵活可重构的配电网络拓扑结构和自动愈合功能是未来智能电网的基础 我国独特的城市结构限制了分布式发电在城市的发展, 这与欧美国家有着本质的区别 我国城市的平均负荷密度高, 并且高楼大厦林立, 限制了太阳能等分布式电源的发展 并且, 随着城市化率的增高, 中等城市的负荷密度也呈现快速增长的趋势 20 kv 在提高线路输电能力, 增大供电半径 提高供电质量 减小电能损耗等方面具有明显的优势 [22-23] 因此, 智能配电网的建设必须结合配电网的电压等级改造进行 图 3 为我国配电网电压等级改造的过程示意图 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

83 智能配电网供电可靠性高 电能质量好 支持大量的分布式电源接入和用户的能源管理, 能够提高电网资源利用率和有效降低网损 文献 [9] 和文献 [11] 提出了智能配电网的基本结构 高级配电运行 (ADO), 在此基础上提出了智能化配电网的规划结构, 如图 4 所示 智能化配电网在运行时能够提高电网的资产利用率, 并且能对配 电网设备进行可视化管理, 实现配电网运行管理和停运管理的自动化 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

84 与信息化, 实现电力运营商与电力终端用户的信息互动 3.5 用户系统经济和社会的发展对电力营销的精细化提出了更高的要求 如何全面地采集用户信息, 掌握用户侧的电网运行状态是中国式智能电网首先要解决的问题, 因此建设智能化的计量体系是我国智能电网的第一步 它不仅能为电力公司提供遍及全部用电系统的通信网络, 也能提供系统范围内的测量和可观测性 ; 既可以使用户参与到实时电力市场中来, 也可以为系统的运行和资产管理带来显著的经济效益 [8] 智能计量体系通过在用户侧安装智能电表, 采集更为全面和详细的计量信息, 与分时电价措施相配合, 抑制峰值负荷, 从而减少用电高峰负荷需求的增长 ; 根据对负荷情况更细致 实时的掌握, 指导电网建设, 减少电网扩容和建设费用 ; 同时, 智能计量管理还可以帮助电网企业有效定位和防止窃电 我国城市和农村负荷水平以及信息化水平差异悬殊, 智能计量体系的建设 ( 见图 5) 必须首先从负荷密度高 信息化程度高 电网结构坚强的大城市开始, 以智能电表的安装为切入点, 结合用户通信系统和计量数据管理系统的建设, 逐步发展到用户动态的可视化管理, 从而实现用户电网动态的全监控 智能电网通过智能计量体系, 将用户之间 用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接, 实现电力数据读取的实时 高速 双向的总体效果, 实现电力 电讯的有效结合, 可以整合系统中的数据, 完善中央电力体系的集成作用, 实现有效的 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

85 临界负荷保护 ; 实现各种电源和客户终端与电网的无缝互连, 由此可以优化电网的管理, 将电网提升为互动运转的全新模式, 形成电网全新的服务功能, 提高整个电网的可靠性 可用性和综合效率 [24-25] 3.6 负荷系统和变电站在智能电网条件下, 接入电网的电力负荷发生了一定程度的变化, 在原有无源负荷存在的同时, 出现了一种有源负荷, 它既可以作为负荷也可以作为电源 图 6 为智能电网的负荷构成图 有源负荷的出现从根本上改变了传统负荷格局, 其在降低能耗 提高电力系统可靠性和灵活性等方面具有巨大的潜力 世界上很多国 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

86 家都参与到各种类型的有源负荷研究和开发中, 但是关于如何实现各种有源负荷的最优控制和提高各种有源负荷的可靠性等方面有待深入研究 [14] 随着智能电网研究的深入, 即插即用 的储能电器和储能电池应该成为我国智能负荷研究的重点, 而电动汽车作为一种特殊的负荷的大规模应用, 应该成为我国负荷峰谷平衡的重要手段之一 智能化电气的发展和计算机网络在实时系统中的开发应用为变电站信息采集和传输系统的智能化提供了技术支持 文献 [26] 提出了具有高可靠性的数字化变电站系统结构, 并通过探讨在数字化变电站中接入常规系统的技术方案, 提出了智能变电站的简单模型 文献 [27] 总结了智能化变电站的技术特征, 初步描述了智能化变电站的自动化系统结构和网络选型, 并指出了建设智能化变电站面临的技术问题 智能变电站的建设必须以数字变电站为基础, 华东电网已经开展了数字化变电站的建设 [5] 我国智能化变电站的建设可以分为如图 7 所示的 3 个发展阶段 [28-29] 3.7 智能调度中心 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

87 智能调度中心是智能电网建设中的一个重要环节, 但是其建设必须依赖于其他技术的发展 可视化技术 智能通信技术 广域同步监测技术 协调优化运行技术 智能预警控制技术 调度安全防御技术和智能算法应用技术可为智能调度中心的建设提供技术支持 ; 同时智能调度中心应该与电力系统实时动态监控系统以及同步信息传输系统相连接, 形成对发电 输电 配电 用电系统的同步监控 [30] 图 8 所示为智能调度的基本架构 其中, 发电调度应侧重于大型能源基地和清洁能源的装机接入与发电调度 ; 输电调度应侧重于电网的经济评估和优化协调特高压输电线路的传输容量 ; 配电调度应侧重于分布式电源的控制和配电网的灵活重构 ; 用户调度是智能电网建设的出发点, 其中包括微电单元的运行 负荷协调投入 智能负荷的控制 虚拟电厂接入以及混合机车的调荷功能 智能调度中心应该能优化协调资源配置并灵活高效地控制电网状态, 同时具有智能决策能力和智能市场调配能力 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

88 目前, 华东电网公司以提升大电网安全稳定运行水平为目标, 已经开始了高级调度中心的建设, 完成了高级调度中心整体架构和实施方案研究 [5] 中国发展智能电网层级增多, 交直流混联, 运行控制难度大, 因此应该首先建立协调统一的大电网调度中心, 实时监控电力系统内所有电源和电网的运行状态, 并为各个区域调度中心提供实时信息 在此基础上, 区域调度中心根据实时信息, 进行电网的控制 ; 市县配电调度中心可以灵活控制用户的调度系统, 从而实现电力系统的分层分区调度和需求侧管理的有效结合 4 关于我国智能电网发展的几点看法 4.1 智能电网建设的基础条件我国智能电网的建设应该首先满足日益增长的负荷用电需求, 这 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

89 与美国 欧洲 日本等发达国家智能电网建设的出发点有所不同 目前我国发展智能电网的基本条件如下 : 1) 宏观政策上, 国家电网公司已经指定了 一特四大 的能源规划和电网结构, 为智能电网的发电和输电环节进行了初步的规划 2) 华东电网公司开展了高级调度中心 数字化变电站的研究以及统一数据平台的规划 3) 江苏电网公司开展了 20 kv 配电电网等级的研究, 并建立了 20 kv 的配电系统技术导则 4) 三华 同步电网的建设已经起步, 到 2012 年, 三华 特高压同步电网将形成 两纵两横 格局 两纵 即陕北 晋东南 南阳 荆门 长沙, 锡盟 北京东 天津 济南 徐州 南京 ; 两横 即荆门 武汉 芜湖 南京, 蒙西 晋北 石家庄 济南 潍坊 5) 各个区域电网都在建设广域测量系统 (wide area measurement system,wams), 为电网的动态监控创造了基本条件 6) 各种新型负荷的研究已经起步, 但是远远不能达到智能电网的要求 4.2 智能配电网试点城市的选择我国电网的特点和负荷增长的趋势决定了智能电网建设不能搞 一刀切, 应结合我国国情, 选择合适的城市对智能配电网运营进行试点 试点范围应满足以下条件 : 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

90 1) 该区域内用户的智能化程度高, 各种通信设备完善, 智能建筑和智能小区建设已经完成 ; 2) 试点规模适中, 配电网自动化和电力通信水平高, 技术比较成熟 ; 3) 该区域现有负荷密度适中, 负荷增长速度快 ; 4) 电网运行灵活, 供电可靠性高 ; 5) 电网设施接入性好, 支持各种新型负荷和分布式电源的接入 4.3 我国智能电网应优先建设的方面根据我国电网的现状和智能电网发展的基础条件, 我国智能电网的建设应优先在以下几个方面开展 : 1) 首先建设双向 实时 可靠的全网双向通信系统, 以承载智能电网的发展需求 2) 在我国特高压电网的总体架构下, 将现有的 WAMS 系统扩展改造成功能强大 动态实时的输电网监控系统, 并通过通信网络向调度中心和配电网络提供实时的输电网信息 3) 制定具有中国特色并与国际智能电网发展相接轨的标准规范, 指导我国智能电网建设 4) 在终端用户侧安装智能电表和负荷优化管理系统, 以实现家庭能源消费的自动化 5) 在数字化变电站的基础上, 建设具备远程监控 实时数据发布等优化性能的智能变电站 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

91 6) 积极开展配电网的电压升级改造和配电自动化的建设 7) 完善高级调度中心的功能, 实现全网的动态监控和优化调度 8) 研制新型超导电力材料和各种储能设备 5 中国智能电网的结构预测目前, 我国城市化的步伐正在加快, 对于用户系统, 通过在用户端通过安装智能仪表来建设智能家庭, 在此基础上建设智能建筑, 进而形成智能小区和智能城市 ; 随着新能源并网技术的不断成熟, 将会有越来越多的新能源接入到高压配电网中, 并且不断有新的新型能源基地通过输电网接入电力系统 ; 在 WAMS 的基础上建设特高压 ( 高压 ) 输电网的实时动态监控和保护系统 ; 在建设数字化变电站的基础上建设智能的控制中心 智能电网的中期规划预测如图 9 所示 通过对现代智能电网的结构, 以及智能电网对我国电力系统各个环节影响的分析, 可初步规划符合我国国情的, 以特高压为大区电网输电骨架 以高压输电为区域电网核心, 配电网的电压等级改造和用户智能设备的换代相结合的中国式智能电网远景基本结构, 如图 10 所示 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

92 6 结论本文从现代电力系统发电 输电 配电 用户系统 负荷种类 变电站建设以及电力调度等环节对我国智能电网的现状与发展进行了系统分析 其中, 发电系统的新能源和清洁能源发电体的接入将会对现有的电源结构产生深远影响 ; 输电系统主要涵盖了广域动态监测 实时在线报警 故障诊断分析等方面 ; 配电系统主要包括配网电压等级的升级改造 配电网同步检测 可视化和负荷管理系统 快速仿真模拟系统以及优化控制和协调系统 ; 用户系统重点在于智能营销系统 智能计量体系 用户优化管理体系 ; 负荷系统主要包括新型储能设备的研制 分布式电源的接入 用户友好型电器的设计 新型电力汽车的研发等 ; 智能变电站的建设集合了智能网络通信 信息共享集成以及智能实时保护系统 ; 智能调度中心在可视化术 协调优化运行技术 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

93 智能预警控制和调度安全技术的基础上, 实现电网的优化 经济 协 调 安全调度 我国智能电网的发展需要科学谋划电网发展布局, 大型能源基地 建设和分布式电源的开发相结合, 特高压输电网的建设和配电网升级 改造相结合, 全网的动态监控管理和新型储能设备的研制相结合, 智 能化变电站和一体化调度中心的建设与电网信息采集系统的建设相结 合, 以实现我国电网运行的安全 自愈 兼容 高效 优质的目标 参考文献 [1] 胡婧. 国外智能电网的研究与应用 [J]. 国家电网,2009(6):46.Hu Jing.Investigation and application of smart grid in overseas[j].state Grid,2009(6):46(in Chinese). [2] 世界能源电力网. 法国电力公司试验智能电网提高风电使用率 [EB/OL] [3] 蒋明桓. 关于 智能电网 与 智慧能源 情况汇编 [EB/OL] [4] 马丰敏. 智能电网将拉动 IT 领域投资 [EB/OL] [5] 帅军庆. 创新发展建设智能电网 : 华东高级调度中心项目群建设的实践 [J]. 中国电力企业管理,2009(4): [6] 何华峰. 电网的智能革命 [EB/OL] [7] 汤效军. 改革开放 30 年电力线载波通信的回顾与展望 [J]. 电力系统通信,2009,30(195): Tang Xiaojun. Review and prospect of power line carriercommunication during the 30 years of reform and opening up[j]. Telecommunications for Electric Power System,2009,30(195): 26-32(in Chinese). [8] 卢强. 智能电网成本高回报更高 [EB/OL] [9] 余贻鑫, 栾文鹏. 智能电网 [J]. 电网与清洁能源,2009,25(1), 7-11.Yu Yixin,Luan Wenpeng.Smart grid[j].power System and CleanEnergy,2009,25(1):7-11(in Chinese). [10] 武建东. 全面推互动电网革命拉动经济创新转型 [EB/OL] [11] 徐丙垠. 智能电网与配电自动化技术讲座 [EB/OL] [12] 刘振亚.2009 年国家电网公司 2009 年年中会议上的讲话 [N]. 国家电网报, [13] 康重庆, 陈启鑫, 夏清. 低碳电力技术的研究展望 [J]. 电网技术,2009,33(2):1-7. [14] 王明俊. 突出自愈功能的智能电网 [J]. 动力与电气工程师,2007(2): [15] 李亚楼, 周孝信, 林集明, 等.2008 年 IEEE PES 学术会议新能源发电部分综述 [J]. 电网技术,2008,32(20):1-7. [16] 陈树勇, 宋书芳, 李兰欣, 等. 智能电网技术研究综述 [J]. 电网技术,2009,33(8):1-7. [17] 谢开, 刘永奇, 朱治中, 等. 面向未来的智能电网 [J]. 中国电力,2008,41(6): [18] 中国电力企业联合会.2008 年电力工业统计资料汇编 [M]. 北京 : 中国电力企业联合会,2009. [19] 叶雷.2020 年中国电力可持续发展战略研究 [C]. 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

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95 能解决未来电网发展所面临的一些关键问题, 比如特大电网的安全稳 定问题 ; 电网支持大规模可再生能源运行的能力问题 ; 电网应用现代电 力前沿技术的能力问题等 从研究现状和产业化进程来看, 美国侧重于 在需求侧管理 配电网重构 分布式发电管理等方面 ; 欧洲侧重于推广 分布式发电 ; 中国的研究起步相对较晚, 从大电网和中低压电网 2 个角 度同时切入, 在华东电网 华北电网都得到了较大的发展, 但完全成熟 并产业化的成果相对较少 智能电网的建设和发展是一个多学科交叉 的崭新学术领域, 需要从多角度统揽问题, 更需要新技术 新设备应用, 以适应未来电网的要求 超导电力技术将是 21 世纪具有经济战略意义的高新技术 [ 7213 ] 超导技术的实用化 产业化会对电力领域产生巨大影响 国际超导技术界普遍为, 新一代高温超导带材 ( 钇系高温超导带材 ) 有 望在 5 年后商品化, 之后超导电力技术将会出现一个快速增长的时期, 在 2010 年 2015 年期间, 各种高温超导电力装置将会陆续进入实用化 阶段 据国际超导工业界预测 : 2010 年, 全球超导电力技术产业的产 值将达到 75 亿美元 ; 2020 年, 将达到 750 亿美元以上 目前, 超导电 力技术已进入高速发展时期 [ 729 ], 若干超导电力设备, 如超导电缆 超导变压器 超导限流器 超导磁储能系统等已在电力系统试运行 采用超导电力技术, 可以大大提升电力工业的发展水平 促进电力工业的重大变革 智能电网对电网安全稳定性 经济性 可再生能源的包容性 电 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

96 能质量都有根本性的提高 ; 而超导电力技术的进步为应对这一挑战带来了重大机遇并有可能提供解决方案 然而, 由于电力系统的特殊性 电力设备运行条件的复杂性, 如何应对超导电力装置应用会给电力系统带来新的挑战, 目前在理论研究还是设备运行方面都没有充分的准备 本文考虑未来能源结构的重大变化及超导技术的迅速发展, 基于我国目前电力系统现状, 从系统角度出发, 对超导电力技术在智能电网的应用做出具有前瞻性的探讨, 重点讨论了超导储能技术 超导电缆技术 超导限流器技术等超导新技术在智能电网的应用前景及其主要研究发展方向 2 超导电力技术简介西方政府和工业界对超导电力技术的研究开发和产业化非常重视 美国最近提出的 美国电网 2030 计划, 把超导电力技术放在一个十分重要的位置上, 并计划采用超导电力技术建设骨干电网 美国能源部认为超导电力技术将是 21 世纪电力工业唯一的高技术储备, 发展高温超导电力技术是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践, 而日本新能源开发机构 (NEDO) 则认为发展高温超导电力技术是在 21 世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在 可以认为 : 超导电力技术将是 21 世纪具有经济战略意义的一种高新技术 我国一直重视超导技术的研究, 中国科学院电工研究所, 清华大学 华中科技大学和华北电力大学正在开展超导技术的研究, 且取得了较 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

97 大的成果, 目前超导电力技术与国际一流水平总体上仍然存在着一定的差距 超导电力技术涉及多学科 多领域 多工业背景, 其研究内容纷繁复杂 本文从电网系统的角度出发, 着重阐述超导电力技术在未来智能电网的系统级的应用探讨 超导电力技术的应用, 包括输电电缆 限流器 电动机 发电机 变压器 超导储能系统等在内的一系列高温超导产品 [ 7211 ], 对提高电网容量 电能质量 供电可靠性和安全性 [ ] 具有重要意义, 将给电力技术的发展 智能电网的结构和特点产生深远的影响 3 超导技术在未来智能电网的应用 3. 1 提高电力系统暂态稳定性智能电网所具有的自治和自愈能力从根本上保证大电网的运行的安全稳定性, 未来智能电网的能量流动的双向性, 决定了必须有新技术 新设备的应用以缓和甚至消除电力系统扰动所造成的影响, 以适应未来电网发展的要求 作为对大电网暂态稳定的控制手段, 大型超导储能装置作为一个独立 反应快速 可独立输出有功及无功的电源, 加入到电力系统中, 可以提高系统的有功备用率, 提高了系统在故障情况下的应急能力 快速的有功及无功调节, 使得系统的可控性增强, 应对大扰动的能力增强, 从而强化了系统的稳定性 与现有大电网稳定装置 ( 如电气制动等 ) 相比, 有响应速度快 过剩能量能回收等优点, 能适应智能电网对暂态稳 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

98 定的要求, 提升了电网的暂态稳定性 因此可以将超导储能看成是一种能与电网交换有功功率的灵活交流输电系统 ( FACTS) 装置, 功能更加强大, 可以实现电力系统暂态稳定由被动致稳转变为主动致稳 提高暂态稳定性的另一个重要因素是故障部分的及时隔离, 如果电气设备不能及时隔离故障, 暂态稳定则无从谈起 而随着电网的容量在不断地扩大, 使得其短路电流水平迅速提高, 由于电气设备须按短路容量水平来设计, 这就使得开关设备的成大大升高, 甚至无法选型 为了降低短路电流, 目前方法不管是从电网结构还是从运行方式上或者在电气设备方面考虑, 费用均非常高, 容易导致电力系统运行的不稳定 ; 超导故障限流器是近年来发展起来的限制短路电流的新技术装备, 超导故障限流器, 利用超导体的超导 / 常态转变特性, 由零电阻迅速转变为高阻值, 从而达到降低系统的短路电流的目的 超导故障限流器能满足智能电网对暂态稳定的快速性和准确性的要求 因此, 通过超导故障限流器及时快速隔离故障, 通过超导储能装置补偿不平衡有功功率, 均能提高电网暂态稳定性, 以满足智能电网的对系统暂态安全稳定的基本要求 3. 2 提高电力系统小干扰稳定性我国未来智能电网虽然有可再生能源的加入, 但仍然遵循着大电网 大机组的发展发向, 远距离大容量输送电能不可避免, 降低了系统运行的动态安全性 大规模互联系统小干扰稳定与否主要表现在区域联络线的功率振 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

99 荡 如果在输电系统中, 能对功率越限部分进行实时补偿, 在功率过高时吸收功率, 在功率过低时释放功率, 以平稳联络线功率, 则能有效提高系统小干扰稳定性 超导储能系统具有能快速充 放电的功能, 并且可对系统提供瞬时有功功率与无功功率的支持, 通过附加阻尼控制器, 可以对线路功率进行实时补偿, 阻尼系统振荡 提高系统动态稳定性的另一个方面是增强互联系统的电气联系, 为了加强互联系统的电气联系, 采用特高压 ( > 500kV) 输电系统是较好的解决的方法 但是在特高压中, 特别是传输大容量电能的电缆, 在设计和制造上存在很多技术上的难点, 对绝缘和对空间使用有很苛刻的要求 使用超导电缆进行输电是基于超导技术的可行的解决方法 超导电缆具有传输容量大 损耗小 灵活性高 占地空间小 无污染等显著优点, 是解决电能传输 瓶颈 的较好选择 采用超导电缆技术, 由于其在超导状态下阻抗很小, 采用超导电缆技术可以大大加强互联系统之间的电气联系, 提高电网的小干扰安全性 因此, 通过超导储能技术提高系统阻尼, 通过超导电缆技术加强系 统电力联系, 均能提高电力系统第 1 期陈 中, 等 : 超导电力技术在未 来智能电网应用研究 5 1 的小干扰稳定性, 以满足智能电网对小干扰 安全稳定的基本要求 3. 3 提升电网的抗打击能力电网的外部打击包括自然力 人为 恐怖主义 战争等因素, ( 2008 年冰冻灾害导致我国多个省市电网大规模长时间停电, 以及 2009 年大 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

100 雪导致安徽电网的停电事故, 更加凸现了这一需要 ) 智能电网的防御能力是指电网抵御外部破坏的能力, 其目的是电网在遭受一系列的外部打击后, 仍能维持稳定运行并向关键负荷稳定地输送电力 提高电网的抗打击能力, 最重要的保证重要负荷 ( 军事负荷 信息商业中心等 ) 的供电, 因此在配电系统中, 中小型的超导储能系统, 由于其反应速度快 容量密度高等优点, 可以作为紧急备用电源保护敏感负载 提高电网的防御能力, 表现在非正常工况下仍然能对重要负荷输送大量电力 超导电缆技术可以在比常规电缆较低的运行电压下将巨大的电能利用超导电缆传输而进入城市负荷中心 因此在输电走廊遭受大量破坏时, 可以利用超导电缆保证重要负荷的供电 因此, 超导储能能量备用技术和超导电缆大容量能量输送技术均能有效增强智能电网的防御能力, 对于应付极端情况有积极的应用前景 3. 4 对可再生能源的包容性可再生能源是未来电力能源的重要组成部分, 要使这种能源得到充分有效的利用, 必须采用新的技术措施改善其品质并使其能更为有效地与大电网联结, 能与其它能源系统互动, 实现动态综合优化平衡, 提高能源系统的总体效率 智能电网所具有的兼容性是指电力系统能够开放性地兼容各种类型能源的能力, 也正是契合了可再生能源的发展要求 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

101 由于可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点, 且光伏发电系统不具有传统水轮机组或汽轮机组的机械惯性, 风力发电机组的单机容量及惯性与传统发电机组相比也有很大的差别 这种发电方式的重大变化将导致电网的结构 运行 管理 控制方式发生变革, 电力系统的高效 安全 可靠和灵活性将会受到极大的限制 超导储能系统将为电网提供高效的储能备用 为提高可再生能源发电接入电网的比例和提高电网的安全可靠性起到至关重要的作用, 并对分布式发电系统稳定运行 改善可再生能源发电电能质量和功率平衡方面有重要意义 因为可再生能源不稳定, 所以系统需要在任时候都能够提供所需要的能量和消耗过剩的能量 解决方法包括使用很大的能量缓存 与邻近电网进行能量互补交换 高温超导电缆和超导储能装置的综合应用能够使电网健壮, 有助于实现与相邻电网的电能交换 对于大容量的风力发电站群, 各台发电机之间的连接以及和主电网的连接, 必须考虑电气联系的紧密型对周围环境的影响, 内部冷却的超导电缆则适用于风力发电站之间部分的互联, 不仅加强了风机之间的电气联系, 而且完全不会影响到周围的生态环境 因此, 分布式中小型超导储能技术以及与超导电缆技术的综合应用契合了智能电网的兼容性要求, 提高了智能电网对可再生能源的包容性, 具有重要的应用价值 3. 5 提升电网的电能质量在信息化社会, 电网电压和频率的波动会带来信息系统发生故障 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

102 的严重后果, 同时对工业产品质量产生致命的影响 智能电网所具有的优质和友性能力, 是指电网与需求侧 发电商 环境和谐相处的能力, 也是电网能充分满足负荷侧的要求, 因此提高系统供电品质是智能电网必须重视的课题 在输电层面, 对于大功率远距离输变电系统, 可以通过大型超导储能装置提升电网电能质量 超导储能可以瞬时吸收和释放能量, 避免频率的波动 ; 同时超导储能通过电压 / 无功支持, 可使电压极为稳定, 波动很小 在配电层面, 对于中小型超导储能, 特别是微超导储能, 可利用其高速调节有功 无功特性来改善功率因数, 稳定电网频率, 控制电压的瞬时波动, 平衡电网次谐波振荡, 从而大大改善供电质量, 满足军事 工业 民用电力的需要 在改善电能质量时, 超导储能系统的储能容量不一定需要很大, 但功率容量一般很大 因此, 超导储能技术能在输电和配电两个层面上提高电网电能质量, 以满足智能电网的电能优质性要求 3. 6 建立 集约型 电力系统智能电网所具有的高效性, 是指电网提高设备利用率 减少线损 降低运营成本的能力, 通过新型技术和设备的应用以提高网络的经济性 超导电缆使用无阻和高临界电流密度的高温超导线材作导体, 极大的提高了电流能量传输能力 超导电缆具有低损耗的特点, 即使计及低温冷却所需的电力, 其电力损耗仍比常规电缆要小 因此大大减少了网 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

103 络损耗 超导电缆具有结构紧凑的特点, 能够在不增大电缆尺寸和不增大损耗的条件下增加传输功率 并且对环境影响小 所以从电缆安装空间有限和安全角度出发, 更适合给大城市和特殊场合供电, 节约了安装空间, 节约了土地和资金 因此, 超导电缆具有的大容量 低损耗 结构紧凑的特点满足智能电网高效性 经济性的要求, 具有重要的应用前景 超导变压器和超导电机由于其容量有限, 但是具有占地面积小, 能量密度高 损耗小等特点, 适用于对自然环境要求特别高的场合 4 超导技术在智能电网的研究方向与传统电力装置相比, 超导电力装置具有许多完全不同的特性, 这种特性必会对电力系统特性产生影响 在这种系统和装置相互作用下, 会在已形成的现代大规模电力系统的高阶非线性复杂动态模型中引入完全不同类型的数学方程, 二者结合将带来许多新的学科问题, 对传统的电力系统理论提出了新的挑战 因此, 必须从系统角度出发, 对超导电力系统理论开展研究 研究方向主要包括 : (1) 超导电力装置的动力学建模研究 由于超导电力装置具有许多完全不同的特性, 特别表现在时间尺度和动作特性等方面 因此与传统的元件类似, 要对超导电力装置进行动力学建模, 以分析其对电力系统稳态和动态稳定的影响 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

104 (2) 超导电力系统的分级建模和控制 超导电力应用大功率电力电子能量变换 控制装置, 其动态行为和模型具有其特殊性, 在装置级和系统级两个层次上对建模和控制提出更高的要求 (3) 含超导电力装置的智能电力系统建模理论 超导电力装置对电气运行方式 温度 电磁环境等非常敏感, 其状态变换也非常迅速, 而传统的电力系统理论已不适应, 需要扩展至超导电力装置理论体系才能满足超导技术在智能电网应用要求 (4) 超导电力装置与智能电网的协调运行 超导电力装置特性可能对电力系统具有完全陌生的环境, 因此, 对于传统的电网运行方式 保护 控制等要随之调整, 只有两者协调运行, 才能最大化地发挥超导的优越性, 才能适应未来电网运行要求 (5) 超导电力系统智能控制策略 智能电网决策与控制的实时性 易用性和互操作性都大大提高, 要求超导电力系统满足其控制要求, 包括故障的快速检测 判断和预测 电能质量和系统实时同步跟踪等 研究超导电力系统相应的应对措施及装置的控制策略 控制方式和拓扑结构 (6) 快速可控装置的智能协调控制 超导电力装置的应用将改变传统电力系统中快速可控元件主要集中于电网端部节点的发电机和负荷的局面, 使电网各环节都会出现快速可控元件, 这对各类快速可控装置的协调控制提出更高的要求和新的挑战 5 结语 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

105 超导电力技术将是 21 世纪具有经济战略意义的高新技术 超导技 术在智能电网的有效应用, 可大幅度提高系统抗打击能力 提高系统稳 定性 改善电能质量 建立集约型系统, 为未来智能电网的发展提供一 种全新的思路 超导技术在智能电网的应用在各个方面尚处于摸索阶段, 我国电力 系统的发展和特点决定了超导电力技术将在智能电网中发挥重要作用 参考文献 (References) : [ 1 ] DVON2Dollen. Enabling energy efficiency2 intelligent grid[r /OL ]. [ ]. http: / / archive. ep ri. com /intelligrid. [ 2 ] Vision and strategy for europe s electricity networks of thefuture [ EB /OL ]. [ ]. http: /www. smartgrids.eu /documents. [ 3 ] 肖立业, 林良真 (Xiao L iye, L in L iangzhen). 构建全国统一的新能源电网, 推进我国智能电网的建设 (Con2struction of unified new energy based power grid and p ro2motion of China s smart grid) [ J ]. 电工电能新技术 (Adv. Tech. of Elec. Eng. & Energy), 2009, 28 (4) : [ 4 ] 陈树勇, 宋书芳, 李兰欣, 等 (Chen Shuyong, Song Shu2fang, L i Lanxin, et al. ). 智能电网技术综述 ( Survey on smart grid technology) [ J ]. 电网技术 ( Power SystemTech. ), 2009, 33 (8) : 127. [ 5 ] 谢开, 刘永奇, 朱治中, 等 (Xie Kai, L iu Yongqi, ZhuZhizhong, et al. ). 面向未来的智能电网 (Vision of fu2 ture smart grid ) [ J ]. 中国电力 ( Electric Power),2008, 41 (6) : [ 6 ] 余贻鑫 (Yu Yixin). 面向 21 世纪的智能配电网 ( Intel2li2D2Grid for the 21 st century) [ J ]. 南方电网技术研究 ( Southern Power System Tech. Research), 2006, 2 (6) : [ 7 ] 肖立业 (Xiao L iye). 超导电力技术的现状和发展趋势 ( Present status and development trend of superconductingpower tech. ) [ J ]. 电网技术 ( Power System Tech. )2004, 28 (9) : [ 8 ] 林良真, 肖立业, 王秋良, 等 (L in L iangzhen, Xiao liye,wang Qiuliang, et al. ). 超导电工技术发展及应用 (Development and app lication of superconducting technol2ogies for elec. eng. ) [A ]. 第十届全国超导学术研讨会 ( 10 th National Conf. on Superconductivity) [ C ].Beijing, [ 9 ] 胡毅, 唐跃进 (Hu Yi, Tang Yuejin). 超导电力技术的发展与超导电力装置的性能检测 (Development of su2 perconducting power technology and performance test ofsuperconducting power device) [ J ]. 高电压技术 (HighVoltage Eng. ), 2007, 33 (7) : 126. [ 10 ] 肖立业, 王子凯, 赵彩宏, 等 (Xiao L iye,wang Zikai,Zhao Caihong, et al. ). 基于超导磁体和电力电子的新型桥路超导限流器 (New type bridge SFCL based on su2perconductingmagnet and power electronic 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107

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107 北极星智能电网专题 : 合作联系 : / 107