智能电网未来图景（共6篇）
智能电网未来图景 篇1
0 引言
近些年国际上热议“Smart Grid”(参见http://www.smartgridnews.com)。它含有2个关键词:其一是Smart,可以译为聪慧、灵巧、智敏;其二是Grid,指电网,可以指配电网、输电网。目前国内通常将“Smart Grid”称为智能电网。
国际上认为智能电网是指这样的电网:利用现代测量、通信、计算机、自动化等IT技术,使得电网运行更可靠、更灵活、更经济,能为用户提供更优质的服务。这与熟知的电网运行的安全、经济、电能质量等三大目标一致,而其内涵更广泛、更丰富,还强调了电网的可扩展性、电源与用户的双向互动、适应接入可再生能源等。
西方国家的能源结构、电网状况、管理体制等与中国有很大不同,他们提出“Smart Grid”概念的初衷主要侧重于配电网的智能化和自动化[1],新近也提到智能输电网[2]。中国智能电网的提法可能更侧重智能输电网,本文侧重这方面的论述。
“Smart Grid”涉及一次物理电网这一主体,也涉及保证物理电网“Smart”的规划、设计、管理、调度、控制等各个环节配套的技术,是一个全局概念。建设智能电网是一个长期的过程。
过去谈论较多的电力系统数字化或者信息化侧重描述实现手段,而智能电网不明显指出具体的实现手段,突出的是电网最终的优美表现,因此该提法比较巧妙,更具生命力。
智能电网的优美表现是靠一次电网的坚强和二次系统的聪慧共同实现的。
发展智能电网首先要有需求,智能电网能带来什么好处,这是最重要的;另外,技术条件要可行。这2点决定了智能电网发展的程度和速度。
本文通过分析物理电网的表现和物理电网所服务的人类活动的需求,以及调控物理电网使之“Smart”的技术条件等,进一步认识智能电网,展望未来实现智能电网需要采取的技术路线,尤其是决定电网“Smart”的神经中枢和大脑的智能电网控制中心的技术发展。
1 进一步理解“Smart Grid”
电力系统是目前所知最大最复杂的人造物理系统。电网将特性表现相异的发电电源与用户负荷连接在一起,为人类需求的电力流动提供了通道。首先电网覆盖面应足够宽广,同时电网应足够坚强,能够送出需要传输的电力,才能满足人类基本生产和生活需求。很明显,为电力流提供通道的基础设施十分重要,就像高速公路、国道、省道、县道配合来满足人类对交通的需求一样,不同电压等级的电网的配合保证了用户的用电需求。
实现电力流的合理分布是智能电网的最终目标。要实现这一目标,需要一个对物理电网运行进行调控的神经中枢系统和大脑。神经中枢系统传递的是信息,涉及的是信息的流动,包括了信息的采集、传输、处理、挖掘、分配和展示等各个环节,表现为一个高度自动化的信息过程。为信息流提供通道的基础设施也十分重要,它是实现智能电网的技术保证。
智能电网传输的电力流是为人类的生产和生活服务的。电力的发、输、配、用等各个环节都有人类参与,人类在各个环节中提供自己的服务,同时得到回报,这体现为资金的流动。发电侧的电力市场、输电侧的输电权交易、用电侧的需求侧管理,这些都体现了人类参与电力服务的各个环节中的利益平衡。因此,资金流也是智能电网需要面对的重要问题。
电力流从发电侧流向配用电侧,资金流从配用电侧流向发电侧,而信息流是双向的,包括了信息的感知和控制[3]。
在电力流方面,智能电网对传统电力流基础设施的要求增加了许多新的内容:①中国正在发展的特高压输电,大大改善了电力流基础设施,使电网更坚强;②高压直流输电和灵活交流输电系统(FACTS)设备提供了灵活改变电力流的手段,增加了电力流的可控性和电网运行的弹性;③发电侧的大规模风电等可再生能源的接入,配用电侧的分布式电源接入,使电力流向更加多变,电力流的方向可能改变,这对电力流基础设施提出了更高的要求;等等。这些都是实现智能电网在电力流方面需要面对的新问题。
在信息流方面,发生的变化更为显著。信息过程包括了信息采集、传输、处理、挖掘、分配和展示等多个环节。在信息采集环节,带时标的广域测量、电力设备状态监测、新型光电互感器、用户侧的智能表计等都有了新的变化,使信息采集的准确性更高、频率更快;在信息传输环节,全光纤数据通信、无线通信等,使信息传输量更大、传输速度更快、传输成本更低;在信息处理环节,高性能计算机、高性能微处理器、集群计算机以及相应的支撑软件等,为信息快速处理创造了条件;在信息挖掘环节,通过对物理电力系统数学模型的分析,对物理电力系统的认识更深刻,创造出新的概念,产生了新的信息,实现智能预警和分析评估,预见性地对物理电力系统进行调控;在信息分配环节,在智能电网中将实现覆盖面更广的信息分配,并更多地实现自动闭环控制;在信息展示环节更加符合人类的认知规律,方便人类参与。
在资金流方面,资金流大小和流向的变化会改变人类参与电力发、输、配、用等各个环节的行为,这反过来又会影响电力流。这一双向的互动,需要通过信息流传递信息,通过信息分配环节传递控制信息,强制发电方或用电方改变行为;也传递电价信息,由发电方或用电方自己主动地改变自己的行为,这种双向互动成为国际上智能电网的核心特征[4]。
2 智能电网未来调度控制系统构架
电网运行的调度控制,需要满足2项制约因素:①调度管理体制约束;②电网运行的物理规律约束。两者都不能违背。智能电网更要满足这些要求。
由于各国经济社会制度不同,电网调度控制机构的结构也不同(中国电网的调度控制采用的是5级分层结构),而电网运行的物理规律又不能违背。因此,需要通过技术手段来兼顾两者,产生大量的学术问题和实现中的技术问题。
中国习惯将电网调度控制机构称为调度中心,国外习惯称控制中心。随着技术的发展,智能电网将更多地实现闭环控制,因此,本文称控制中心。
2.1 以信息流主导的系统总体构架
智能电网需要通过调控信息流实现对物理电网的更全面、更细致的调度和控制。
物理电网主要涉及由输配电线路连接的电网和以变电设备为特征的厂站。前者横跨广域空间,后者连接多电压等级。智能电网控制中心既要在宏观上把握全局电网潮流分布,又要调控厂站内种类繁多的控制设备,因此,面对的信息海量、信息种类繁多、信息变化速率快慢差异甚大。一股脑地将所有数据送到控制中心来处理几乎不可能。为达到总体最佳的调控效果,需要进行信息分层。控制中心统揽影响全局的信息,厂站负责局域信息,引入智能代理思想,在信息层面对控制中心和厂站进行封装,构筑智能电网的分层分布式调度控制系统框架。
调度控制系统构架取决于信息系统的组织和构架,调度控制信息的分层至关重要。这涉及控制中心之间的信息分层以及控制中心与厂站之间的信息分层。
2.2 智能电网调度控制系统的信息分层
2.2.1 控制中心之间的信息分层
在中国电网的5级调度机构中,电网运行涉及的大部分重要功能是在省、地两级调度机构实现的,大区级控制中心主要负责省间协调,国家级控制中心负责大区电网之间的协调。近些年,这两级协调机构的作用不断加强,协调力度不断加大,体现了对电网进行全局调控的作用。
智能电网要实现全局优化运行,各级控制中心之间需要协调互动,粗细有别地进行调控,这需要靠控制中心之间的信息分层实现[5]。
各级控制中心(上下级)之间,需要信息的纵向分层:
1)下级控制中心向上级控制中心汇报自己电网模型和自己电网的实时信息,上级控制中心汇总这些模型和实时信息,形成完整匹配的全局电网潮流模型;
2)上级控制中心跟踪电网变化,自动为下级生成外网等值模型,并下发到下级控制中心。
智能电网的上下两级控制中心之间双向传送信息,实现双向互动。一方发生的变化,立即会被对方感知和接受,指挥对方的下一步动作,以保证各级控制中心都是在全局电网模型上进行分析计算。各方之间传送信息的种类、数量、频度将根据各级控制中心的功能需求决定,不是越多越快越好,而是及时传送必要的信息。
各同级控制中心之间,也需要信息的横向交换。同级之间主要交换边界功率信息,而不是电网模型信息,而且交换的数据量较少。
2.2.2 控制中心与厂站之间的信息分层
传统能量管理系统(EMS)中,厂站拓扑分析和系统拓扑分析全部在控制中心完成。其缺点是:
1)厂站没有拓扑分析功能,厂站内大量与辨识开关错误有关的信息没有被利用,控制中心由于缺少旁证信息,拓扑错误辨识能力受限;
2)很多厂站的刀闸信息并不实时传送,默认的刀闸位置与实际情况有时并不吻合,导致由刀闸错位引发的拓扑错误;
3)大量开关信息送达控制中心由控制中心处理,导致通信压力增大,控制中心数据处理工作量很大。
实际上,厂站和控制中心两者功能的特点很不相同,采用统一的方法处理并不合理。需要进行信息分层,各自进行数据的封装、抽取和对外交换。
智能电网应增加厂站的高级应用功能,独立完成厂站拓扑分析[6]。采用智能代理的思想,由厂站和控制中心共同建立网络模型:
1)在厂站内部完成站级拓扑分析,将Node模型转换成Bus模型,并传送到控制中心;
2)在控制中心完成系统的拓扑分析,将厂站Bus模型转换成系统拓扑岛;
3)厂站内开关变位引发站级拓扑变化,厂站内立即生成新的Bus模型,传送到控制中心,启动控制中心的系统拓扑修正程序。
图1给出这种信息分层示意图。其优点是:厂站内有大量其他旁证信息,便于进行开关错误辨识,可大大提高厂站拓扑分析结果的正确性;减少了传送给控制中心的数据量,减轻了控制中心数据处理的工作量;也可以实现信息的双向互动。厂站将控制中心下达的控制命令转换成控制指令序列,实现对厂站设备的自动控制。
2.3 智能电网控制中心与厂站之间的互动
按照控制中心与厂站之间的信息分层,分别将两者看成相互独立的智能体,智能体内部完成复杂的功能,智能体之间只交换必要的、相对较少的协调信息,大量的数据处理和分析计算任务被封装在智能体内部,像一个黑匣子,外部感知不到。通过智能体之间的双向互动,实现调控全局电网的复杂功能。
在厂站级,实现全数字化和网络化。过去不同源的数据被同源化,过去分别独立的功能被集成、被融合,全部由当地的智能处理器和计算机完成;接收外部少量协调信息,厂站独立完成自身功能。厂站作为一个独立的系统,实现站内状态估计等高级应用功能,实现智能事件处理和智能报警,完成站内的分析决策,构成站级管理系统(station-level management system,SMS)。SMS与站级数据采集系统之间的关系,类似于控制中心的EMS与数据采集与监控(SCADA)系统之间的关系。
在控制中心级,接受厂站上传的经SMS处理的信息,进行复杂的全局电网分析和优化决策计算,最后将决策和控制信息下达厂站,实现全局电网的优化运行。控制中心对厂站,也可以看成一个黑匣子,内部复杂的分析决策计算,对外部(厂站)是感知不到的。
控制中心下达的控制命令包括:机组有功、无功调控指令,变压器分接头调控指令,电容器、电抗器投退指令;负荷侧的调控指令;保护定值在线修改指令,使变电站的保护定值能自动适应电网的变化;不同变电站继电保护之间配合的协调指令,实现广域保护方案;经系统级在线计算分析形成的决策表,指导安全自动装置的协调动作,实现系统级的动态紧急控制;等等。
控制中心与厂站之间是双向互动的,各自独立完成自己复杂的数据处理和分析计算功能,两者之间交换的是各自处理后的信息。该信息是精炼的、对全局有协调作用的,既保证了控制中心和厂站两者各自独立发挥功能,又保证系统全局的协调。不管发生的是厂站级还是系统级的扰动,通过这种双向互动保证电网安全稳定运行,保证电网在扰动下具有足够的弹性和韧性。
2.4 时间尺度不同信息之间的协调
除了空间分布广域,信息在时间尺度上也有很大差异,需要协调。根据信息响应快慢的时间尺度有如下分类:
1)毫秒级信息:
例如元件保护信息,局部就地,设备级;相量测量单元(PMU)信息,全局广域,系统级;
2)秒级信息:
远方终端单元(RTU)信息,自动发电控制(AGC)信息,广域,系统级;自动电压调节(AVR)控制信息,局域,发电厂级;
3)分钟级信息:
有功实时调度控制信息、二次电压控制信息,广域,系统级;
4)小时级信息:
运行计划信息,广域,系统级;
5)日级及更长时间尺度信息:
运行规划信息。
按照时间尺度的不同,信息处理任务之间的关系如图2所示。图中,时间尺度大的信息处理功能主要保证经济性,时间尺度小的信息处理功能主要保证安全性。
智能电网要达到安全经济的运行目标,就需要从时间尺度大的运行规划、运行计划做起,进行侧重经济目标的优化;实时运行中,进行超短期负荷预测,由运行调度功能来协调运行计划与运行控制之间的偏差,进行瞻前顾后的滚动修正,既保证不要偏离运行计划太远而丧失经济性,又保证为运行控制留有足够的裕度,以便应对系统运行中随时可能出现的功率不平衡。各种不同时间尺度应用功能的协调配合,实现智能电网安全与经济目标之间的协调,使电网在应对变化时的自适应调整能力大大提高,其运行更平稳。
2.5 智能电网调度控制系统的分布式建模
智能的前提是对所监控的对象有尽可能准确、及时、全面的描述,建立合适的模型。
建模深度需要适应各级调度部门各自的管辖范围、资产归属、职责界定和考核指标,这些是调度管理体制约束的强制性要求,必须满足;还需要适应应用目标的要求,不同层次的调度机构,需要分析和决策的内容不同,对电网建模的要求也不同,需要适应。
通过标准化技术以及模型拼接、潮流匹配、在线自适应等值等技术,实现电网的分层分布式建模,满足电网调度管理体制约束要求。根据前述控制中心之间信息分层中介绍的方法在上级电网控制中心建立全局电网模型,并为下级电网控制中心实时提供外网模型信息,使下级电网在自己内部电网所做的分析和决策与在全局电网模型上所做的结果一致。
3 智能电网控制中心的变革
智能电网控制中心的各种高级应用软件相当于大脑,其变革决定了智能电网控制中心的变革。而实现智能电网是一个长时间的理论和实践过程,涉及面广,不可能穷尽。下面对其中几个重要技术问题的发展加以探讨。
3.1 智能电网控制中心三维协调系统设计
智能电网的智敏表现是靠神经中枢联通大脑和被控对象,通过双向互动来实现的,而且这一双向互动有很强的自适应能力。这就需要大脑感知信息全面,分析决策快速,控制设备自治能力强。
由于电网在空间、时间、控制目标等3方面表现出复杂性,因此,作为大脑的高级应用软件就应该按照3维协调来设计[7,8]。
空间维上,管辖范围不同的上下级电网控制中心通过信息双向交互和分解协调计算,实现EMS网络分析在全局电网基础上的协调。空间维的协调解决对电网的全面知晓性问题,保证实时网络分析和决策的正确性。
时间维上,进行不同时间尺度运行计划、运行调度与实时控制之间的协调;智能电网EMS采用的是一种实时、跟踪、递归、滚动的运行模式;纵观历史、预测未来,瞻前顾后,弹性松弛地制定调度控制决策;考虑来龙去脉,考虑因、果,抑止相继开断,完成时间过程的协调。时间维的协调解决了电网应对随机扰动的适应性问题,保证电网运行更具弹性和韧性。
目标维上,综合考虑电网运行的多个目标,经过全面分析后才做出决策。既要考虑一次电网运行的安全经济目标,也要考虑一次电网与二次保护控制系统之间的协调配合,最终表现为电网能够安全、经济、连续地为用户提供质量合格的电力。除了极端情况,基本如此。目标维的协调解决电网运行调度控制的全面可靠性问题,保证万无一失。
3维协调思想在系统级的无功电压控制中得到很好的应用[9]。
3.2 基于PMU的高级应用软件
引入带时标的同步相量信息,改变了人们感知物理电网的手段,以便快速掌握全局电网动态变化过程,这是一项重要变革。需要利用这一变革,改善对电网全面快速调控水平。
过去几十年,人类利用RTU测量正弦交流基波分量的有效值,然后利用SCADA系统对实时采集的RTU数据进行管理,利用EMS高级应用软件在线进行电网稳态分析,实现了Dy-Liacco于40多年前构建的电网自适应安全控制构架[10],并一直沿用至今。Dy-Liacco提出的构架的主要特点是一个“预”字,即强调预测、预防、预控,实时监视、分析、评估的主要是稳态量,所涉及的紧急控制也只是静态紧急控制,任何涉及动态的分析基本上都依靠离线进行。这是RTU时代技术条件的必然结果。
20世纪80年代中期提出、近些年迅速发展的PMU,可以数毫秒的时间间隔快速感知电力系统动态过程,然后利用广域测量系统(WAMS)实时对PMU数据进行管理,发展了电网动态监视系统,并得到广泛应用[11]。但是,能不能像RTU-SCADA-EMS一样,利用已经发展的PMU-WAMS搭建电网动态自适应安全稳定控制构架,这个问题仍在研究中。发展有实用价值的基于PMU的高级应用,是智能电网面临的重要挑战性问题。
设想如果可以获取时间尺度小于10 ms的任何地点的PMU数据,可以实现即时完成的线性状态估计,可以实现小于秒级的快速安全稳定分析和决策,那个时代的EMS会是什么样子?
PMU是基于电网的物理响应。它快速感知的物理电网的变化是真实的、及时的,这对动态监控有利,但这只达到人类触觉快速反射的水平,反应速度足够快,但是缺少大脑的思维,无法做到按照人类意识来动作。因此,需要给PMU配瞬态管理系统(transient management system, TMS)“大脑”。
基于PMU的TMS,是给基于PMU的局域控制配置的“大脑”,以便实现系统级控制,就要利用TMS的快速分析决策能力,为基于PMU的局域控制器在线发送设定值。这相当于在局域控制之外设置一个外部控制环[7]。决策表的在线刷新,是一种成功的应用[12]。
为PMU配置的“大脑”是基于数学模型的。利用PMU数据改善数学模型的正确性,改善数字仿真结果的真实性,需要利用PMU的同步测量数据进行电网模型和参数的辨识,使得模型和参数逐渐逼近物理实际。
3.3 智能电网的实时闭环控制
智能电网的重要特点之一就是更多地实现闭环控制,计算机更多地将人类调度员从繁琐的下达调度命令的工作中解脱出来。通过闭环控制,使电力系统运行更经济、更安全。
按照Dy-Liacco的构架,在控制中心根据系统处于的不同运行状态,实施相应的安全控制。
1)电网正常安全运行状态下的优化控制
电网大多数情况处于这一运行状态。此时进行多空间区域、多时间尺度、多目标种类协调的全局优化闭环控制,通过运行计划、实时调度和实时控制之间的无缝衔接,连贯过渡、滚动消差,实现智能电网的优化控制目标。这些过程全部通过闭环控制自动完成[9,13]。
2)电网正常不安全运行状态下的预防控制
这时进行的自动故障筛选、多侧面综合安全稳定分析和评估、预防控制策略的形成,都可以自动完成,其结果或者通过修改优化控制的约束条件体现在优化控制之中,或者经过调度员确认直接下达到控制设备,在满足电网负荷需求情况下,提高电网的安全运行水平。通过风险评估,决定是采取预防控制措施,还是留给后续静态紧急控制来解决。
3)电网紧急运行状态下的校正控制
电网静态紧急控制可在控制中心决策并通过校正控制来实现,例如线路过负荷控制。这是时间尺度较大(数秒到分钟级)的系统级闭环控制。
电网动态紧急控制还是需要依靠局域闭环控制。例如早期基于离线计算决策表的就地实施的区域稳定控制,新近在线刷新决策表的系统稳定控制,基本都是在局域实现的闭环控制。决策表的在线刷新,体现了系统级的协调。
基于PMU进行系统级协调,实现全局电网阻尼控制[14]和系统级协调的广域保护[15]。
3.4 适应多种可再生能源的接入
由于环境和能源资源的限制,智能电网必然面临大量可再生能源的接入。可再生能源的运行具有间歇性和随机性,可控性也差,高比重接入电网带来的问题很多,需要其他可控电源和蓄能装置来缓冲和平衡。由于这种复杂运行方式将是未来智能电网运行的常态,人工调整几乎不可能,必须依靠自动闭环控制手段解决。大量表现各异的可再生能源接入电网,使得传统EMS的大部分高级应用软件都发生变化。这方面应用还在发展之中,经验需要积累,理论分析需要提升,实现技术需要创新。
3.5 适应FACTS设备的接入
FACTS作为快速灵活可控的静止电力元件,大量接入电网,给电网调控提供了新的手段,也带来了新问题。智能电网需要充分利用这一新的灵活调控手段进行电网控制。
3.6 智能电网的新型人机交互和可视化
智能电网控制中心自动化系统的人机交互将是全新的,不只是外表全新,而是有丰富的内涵,充分体现认知科学原理和人机工程技术的结合。
利用地理信息系统(GIS)进行可视化表达,形象直观;充分利用3维可视化表达(饼、柱、棒、流等,立体等高、轮廓、调控灵敏度、趋势等);充分利用声光和视频技术,充分调动人类的各种感觉器官。
智能技术更多地体现在人机交互中。系统是否脆弱以及脆弱程度,由不同的颜色划分等级预警;系统已经发生的事件,根据重要性和严重性由智能告警功能自动推出并展示出来。
智能电网控制中心自动化系统更像一个具有超级功能的机器调度员[16],它承担起大量繁琐的分析和数据处理任务,辅助调度员应对电网可能出现的任何扰动,维持电网平稳运行。
4 含特高压输电的智能电网控制中心技术
2008年底,中国第1条特高压输电线路投入了商业化运行。不久的将来,中国还将建设更多的特高压输电线路,形成含有特高压输电线路的互联电网。为了保证特高压电网的安全经济运行,需要发展智能化更高的控制中心。
智能电网技术是支持含特高压输电的智能电网运行的有力技术手段。特高压输电使得区域电网之间的电气联系更加紧密,电网在“空间、时间、目标”3个维度的耦合更强、更明显,更需要“Smart”技术来协调。
4.1 在空间维度上的协调
特高压输电使得大区电网之间电气距离缩短,控制视角需要上升到全国电网的高度,协调广域区域电网。
1)分层建模的技术创新
国家级电网控制中心(简称国控中心)需要建立国家级电网模型,管理500 kV以上交直流输电主网架。特高压电网的引入使得大区电网联系更加紧密,国控中心的功能会加强。各个大区电网控制中心(简称网控中心)或省级电网控制中心(简称省控中心)可以在本地、也可以通过远程登录,在国控中心的计算机服务器上维护自己的电网模型,在国控中心计算机服务器上自动形成国家级电网模型,这一模型也为下级电网使用。由于是分层分布式建模,使用的时候,不关心的内容可以自动隐掉。国家级电网模型可以作为详细的外网模型直接被网(省)控中心套用(主要用于离线计算),也可以经等值后利用(用于在线计算)。过去用内网在线、外网离线的建模方法和计算模式进行在线稳定评估,将被全局电网实时在线模型取代[17]。
2)基于AGC的广域潮流控制
特高压输电线的自动潮流控制需要在国控中心进行。由于特高压输电线的功率传输容量很大,不易过载,AGC和考虑安全约束的实时调度控制会变得容易。但另一方面,由于广域潮流控制范围扩大,具体实施区域电网之间协调,其难度会很大。
3)考虑空间耦合的安全控制
特高压和超高压两者情况在继电保护动作上没有本质不同。但是,一条特高压输电线的开断可能会引起更大的潮流转移,而且这种潮流转移可能是跨区域的,需要国控中心依靠电网校正控制方法来调控。智能电网控制中心EMS的安全评估和校正控制功能需要加强,过去给出的解除线路过载的校正对策只作为调度员参考,调度员下达调度命令(通常通过电话)才执行;将来需要更加智能化。经过计算机自动筛选,快速给出最有效的校正控制对策,经调度员确认后点击鼠标就能立即下达控制命令。
特高压输电使得大区电网之间的电气距离拉近,大区电网中多种电源互济效益提高。系统备用计划和水火电协调配合的发电计划需要提升到国家级电网的层面来考虑。
4.2 在时间维度上的协调
1)不同能源形式的接入与时间维的协调调度
特高压输电使得时间尺度表现不同的能源汇入电网的范围更大,种类更多,相互关联更紧密,更需要实现多时间尺度协调。特高压输电并没有改变电学定律,但是电力系统涉及的不只是电力,还涉及产生电力的水力、热力、风力和其他可再生能源动力,它们通过电网连在一起,互相支持,也互相制约。各种时间尺度不同的物理过程相互制约,形成复杂(用非线性微分代数方程描述)的动态过程。水的流动需要时间,不快;锅炉升负荷需要时间,也不快;而电却以30万km/s的速度即时到达,极快。但是电网却将它们连接在一起,产生了复杂的动态问题。需要如图2所示的不同时间尺度调度控制之间的协调。最终使得电网运行具有很强的韧性、弹性、鲁棒性,能随时应对任何可能发生的功率不平衡。
2)抑止相继开断在时间过程方面的协调
由于特高压电网在运行中,潮流转移在空间上范围会更广,转移量也会更大,所以相继开断是一个需要优先考虑的问题。相继开断是一个典型的时间过程,第1个开断是起源,第2个开断可能是第1个开断引起的后果,也可能是另一个偶然因素引起的开断,但可能导致第3个开断……发现开断源之后,需要实时决策,及时控制,抑止连锁反应的发生,而不是等到相继开断全部发生后,靠继电保护和安全自动装置的动作来收场。智能电网需要国控中心完成特高压输电线路开断引起的潮流转移的调控。智能电网控制中心的EMS需要通过风险分析,在开断集合中筛选出最可能造成严重后果的开断,并预先给出这些开断发生后的紧急控制的校正控制对策,这种适应电网变化实时给出的预案对调度员处理事故非常有利。
3)离线分析与在线控制的协调
尽管智能电网会更多地实现电网分析决策的在线化,但是,一些计算量极大、实时性要求不高的电网分析决策仍需要离线计算。离线分析与在线控制之间需要协调。离线进行更超前的分析,为在线计算提供指导;在线计算修正离线分析结果,使其更符合实际。
4.3 在目标维度上的协调
1)安全与经济目标之间的协调
特高压输电投运后,控制中心需要专门的技术进行安全与经济目标之间的协调。需要更长时间尺度的计划来优化经济目标,例如水火之间的协调、梯级电站之间的协调、风电与快速响应电源之间的协调。在考虑经济目标的优化中,需要在更广域的空间范围考虑安全约束目标,如大区间传输功率约束。
自动电压控制(AVC)可以降低网损。由于特高压输电的引入,使得线路充电无功大增,电网过电压问题更加突出,无功调压问题更加严峻,需要安全经济协调的全局电网AVC系统来解决。
2)安全方面的多目标协调
有多项安全目标需要协调。有功安全与无功安全之间、稳态安全与暂态安全之间、电压稳定与功角稳定之间都需要协调,不能顾此失彼。实时计算的输电断面传输功率极限是考虑了各种网络安全约束的[18]。由于特高压的引入,进行安全分析的电网规模扩大,为满足实时应用的要求,计算时间还不能增加,这就需要更高性能的计算机、更多计算机组成集群、更智能的多代理技术来实现[19]。
还需要实时进行一次电网与二次保护之间的协调配合。智能电网控制中心新一代EMS需要实时计算保护定值[20],将来可能发展为实时对现场的保护定值进行校准和更新。
与超高压电网相比,特高压输电引入后,电网潮流分布模式会发生很大的变化,原来的500 kV电网,有的地方潮流压力会变大,有的地方也可能变小;电压问题有的地方会变好,也有的地方会变差。原来控制目标之间的优先级,有的会变得更高,有的可能变低,退居次要地位,原来的规程也可能需要调整。智能电网控制中心技术需要有这种适应能力,适应当前电网状况,适时给出适当的评估和决策结果。
5 结语
本文分析了电力系统中电力流、信息流、资金流的变化规律和相互之间的制约关系,认为要实现智能电网,就需要通过对信息流的调控,改善电力流和资金流;并从信息这一基础性问题出发,研究了智能电网调度控制系统构架;探讨了作为“大脑”的智能电网控制中心应用软件可能发生的变革。认为需要在空间、时间、控制目标等3个方面进行协调,需要为PMU时代的到来配置相应的TMS“大脑”,需要更多地实现系统级的闭环控制,需要容纳可再生能源和快速FACTS控制设备,并实现生动的人机交互。特别针对中国正在大力发展的特高压输电可能带来的挑战,讨论了智能电网需要考虑的问题和解决这些问题的对策。
摘要：对智能电网控制中心技术进行了分析和展望。分析了电力系统中电力流、信息流、资金流的变化规律和相互之间的制约关系。通过对信息流的调控,改善电力流和资金流,实现智能电网。以信息流为基础,从信息分层、上下层信息互动、不同时间尺度信息之间的协调几个方面研究了智能电网调度控制系统构架。从空间、时间、控制目标等3维协调、发展,以及基于相量测量单元的动态管理系统、系统级的闭环控制等方面探讨智能电网控制中心应用软件可能发生的变革,并对如何适应特高压电网的智能电网控制中心技术进行了讨论。
关键词：智能电网,控制中心,能量管理系统,信息流,调度控制技术
超导电力技术在未来智能电网运用 篇2
1 增强电力系统稳定性能
以智能电网的发展来看, 具有独特的自治能力和自愈能力, 从根本上确保电网运行的安全性、稳定性。而智能电网的未来发展, 也必将实现能量双向流动, 通过更多新设备、新技术的运用, 可逐渐减少由于电力系统扰动而产生的影响, 满足智能电网的未来发展需求。作为控制大电网稳定性的重要手段, 可考虑采用超导储能装置, 以发挥一个独立输出、快速反应的电源功能, 加设到电力系统中, 有效确保系统的有功备用效率, 即使发生故障情况下, 也可快速反应, 将故障损失降到最低[1]。通过快捷、有效的有功调节或者无功调节, 可极大增强系统可控性能, 提高应对扰动能力, 进而确保整个系统的安全、稳定运行。与当前已经投入使用的电网稳定装置相比, 采用超导电力技术, 可更好地回收过剩能量, 提高反应速度, 满足智能电网对稳定性提出的更高要求。因此, 将超导储能技术当做功能强大的全新装置, 实现电能和电网之间有功功率的灵活交换, 由过去被动致稳转变为主动致稳, 效果良好。
另外, 若想保持电网运行的稳定性, 及时隔离故障部分也是有效方法之一。如果系统出现故障, 而电气系统不能及时隔离, 必然对暂态稳定不利。随着电网容量的进一步扩大发展, 短路电流水平随之增强, 但是由于电气设备设计时主要以短路容量为标准, 因此极大提高开关设备成本, 甚至难以准确选型。因此, 为了进一步控制短路电流, 以当前使用的方法来看, 无论是改变运行方式还是电网结构, 或者运用电气设备, 都将带来成本的增高, 也对电力系统的稳定性不利[2];如果采用超导故障限流器, 将有效控制短路电流现象, 通过实现超导体中常态和超导的转换, 将零电阻在最短时间内转化为高阻值, 控制短路电流现象;因此, 应用超导故障限流器, 可刚好地满足智能电网运行的快捷性、精准性、稳定性, 快速将故障隔离, 并利用超导储能装置实现有功功率的补偿, 双重保障稳定性, 确保智能电网顺利运行。
2 支持可再生能源的运用
在低碳经济发展的大背景下, 可再生能源已成为发展未来电力的重要一部分。若想提高可再生能源的应用效率, 必须采取必要的措施或方法, 改善可再生能源品质, 更好地与智能电网运行相结合, 实现能源系统互动、优化互补, 增强能源应用效率。应该认识到, 可再生能源具有不稳定性和间歇性等特征, 再加上光伏发电系统的运用与传统汽轮机组、水轮机组等有所不同, 而风力发电机组中的惯性与单机容量等也有所不同, 因此发电方式的变化, 必将带来电网结构、管理手段及控制方法的转变, 对电力系统如何安全、有效、稳定运行, 提出更多挑战[3]。超导电力技术的运用, 实现了电网备用储能需求, 可极大支持可再生能源的发电接入, 对增强电网运行安全性、可靠性具有重要意义。同时, 超导电力技术还可改善分布式发电系统的运行方式, 提高可再生能源发电的电能质量, 保障功率平衡。
3 增强智能电网的抗打击能力
对于电网运行来说, 可能受到各种外部打击作用, 如自然力、战争、人为因素等等;以我国2008年严重的冰冻灾害对电网造成的影响来看, 提高电网抗打击能力至关重要。以智能电网发展来看, 增强防御能力就是有力抵挡来自外部的破坏力, 即使电网受到一定的外部打击, 仍能确保安全、稳定运行, 尤其保障对关键负荷的有效电力输送。
增强智能电网的抗打击能力, 关键在于保护对重要负荷的供电能力。因此可以考虑在配电系统中, 应用中小型超导储能设备, 以发挥容量密度高、反应速度快等优势, 可作为紧急时期的备用电源, 发挥有力保护作用。增强电网防御能力, 就是在电网处于非正常运行的情况下, 仍能确保对重要负荷的大量电力输送工作。利用超导电力技术, 即使运行电压比常规电缆偏低, 仍能将强大的电能通过超导电缆传输到负荷中心[4]。因此, 即使输电走廊出现问题, 也可通过超导电力技术确保重要负荷的正常运行。通过应用超导储能备用技术或者超导电缆的大容量传输技术, 可全面确保智能电网的防御能力提升, 应用于突发情况中, 具有一定现实意义。
4 确保智能电网的电能质量
随着信息化社会的飞速发展, 电网电压与频率的波动作用可能给信息系统的稳定运行带来影响, 并对工业产品的质量与寿命产生危害。因此, 提高电网的电能质量, 应引起足够重视。一方面, 输电系统的质量控制。对于远距离、大功率的输变电系统来说, 通过应用超导电力技术, 可有效确保电网的电能质量。这样, 可以实现瞬间吸收或者释放能量的目标, 减少频率波动;同时通过超导电力技术的电压支持或无功支持, 也可确保电压的稳定性。
另一方面, 配电系统的质量控制。以中小型超导储能设备运行, 尤其是微型超导储能来看, 可以通过对速度的调节来优化有功特性或无功特性, 以此改善功率因数, 确保电网频率的稳定性, 减少电压波动, 实现电网谐波平衡, 提升供电质量, 满足工业、生产、生活等全方面需要[5]。
在优化电能质量过程中, 并不需要涉及较大的超导储能系统容量, 但是对功率要求较高。因此, 通过提升输电层面与配电层面的电能质量, 基本可确保智能电网的优质性发展。
5 实现集约型
通过应用智能电网, 具有高效性特征, 极大确保电网设备的使用效率, 降低线损, 优化运营成本。通过应用新技术、新设备、新手段, 可确保网络安全、稳定运行。使用超导电阻, 实现电流密度的无临界, 并以高温超导线作为主要导体, 可增强电流能量传输性能。由于超导电缆的损耗极低, 可有效控制供电网络的损耗问题, 与低碳经济发展目标相一致。另外, 超导电缆的结构非常紧凑, 即使不增加电缆的尺寸, 也可确保传输功率的有效提升, 同时对环境影响非常小, 基本可以忽略不计[6]。因此, 从电缆运行的安全性、经济性角度来看, 该技术的应用可确保供电稳定性, 节约安装空间与成本, 具有广泛的应用前景。
总之, 超导电力技术在智能电网的应用尚处于初级探索阶段, 结合我国电力系统发展的实际情况及运行特征, 超导电力技术必将在未来智能电网发展中, 发挥重要作用。
参考文献
[1]陈中, 肖立业, 王海风.超导电力技术在未来智能电网应用研究[J].电工文摘, 2010 (3) .
[2]杨公安, 蒲永平, 王瑾菲, 等.超导材料研究进展及其应用[J].陶瓷, 2009 (7) .
[3]徐建, 邱晓燕, 汪兴旺.超导储能技术对智能电网电压稳定的影响[J].四川电力技术, 2009 (z1) .
[4]胡炜, 王璐, 王晶晶, 王清.智能电网技术框架下的节能降耗技术若干思考[J].2010年中国电机工程学会年会, 2010.
[5]胡毅, 唐跃进, 任丽, 等.超导电力技术的发展与超导电力装置的性能检测[J].高电压技术, 2007 (7) .
智能电网:未来经济增长的新引擎 篇3
电网2.0时代
对于许多人来说, 智能电网 (smart grid) 还是一个并不熟悉甚至备感陌生的词汇。实际上, 智能电网如同互联网一样, 也是一张真正互联、互通、互动的网络, 只不过除了数据的传输与运算外, 智能电网还传递实实在在的能量。与传统电网相比, 业界往往将智能电网称为第二代电网或电网2.0时代。
从字面上理解, 智能电网就是电网的“智能化”, 其关键就是电力的供给与需求、电能的配给与使用同电子信息技术的联接。如同互联网引起了人类生活与生产方式的显著变化一样, 智能电网也将引发现实世界与日常生活中电力配置与使用的全新革命。
对于发电企业和输电系统而言, 智能电网意味着实时在线监测系统, 他们不仅可以轻松了解用户用电情况, 还能远程监视和控制各种电力设施。如当1根大电力动脉发生故障, 电能就能立刻从备选线路传输, 保证停电永远不会发生。还有, 传统的输电系统发生事故后, 通常需要消费者打电话去电力公司报修, 然后电力公司再进行检查并维修, 这种被动的局面在智能电网中是不可能发生的。因为, 智能电网系统能够实时采集电网输电信息, 经过计算、处理、分析之后识别事故隐患, 从而提前发出报警, 确保系统的安全运行;另外, 由于电网公司、住宅、企业间的网络是互联的, 智能电网建成后, 电力公司再也不会上门或委托他人查电表, 这样就可以大大降低客服成本。
对于消费者而言, 智能电网所创造的神奇则远远超出了人们的想象。首先, 家用电的电价会根据一天中不同时段来自动定价, 居民可以避开用电高峰期的高价电力, 降低用电费用;其次, 消费者可以看到整个城市、不同地区的用电情况, 实现异地买电, 如果对当地电价或者服务不满意, 居民完全可以选择千里之外的异地供电;再次, 居民还可以通过计算机网络了解家庭或个人的电力消费状况以及实时的价格与服务信息;最后, 居民可以像买卖股票一样买进和抛售电量, 普通家庭和小型商业用户富余的电能通过智能电网可以卖给邻居或是电网的其他用电方。更加令人关注和惊喜地是, 由于智能电网的投入运营意味着所有电动车都可以入网, 因此, 在智能电网模式下, 人们在马路两边就可以看到很多的充电站, 它们就如同现在的汽车加油站一样, 可以为电动汽车、油电混合动力车进行充电。驾驶这两种新能源汽车的人们, 完全可以避免因无法及时充电而不能长途驾驶的苦恼。
为此, 我们可以梳理出智能电网的基本特征: (1) 坚强, 即在电网发生大扰动和故障时, 电网仍能保持对用户的供电能力, 而不发生大面积的停电事故;在自然灾害和极端气候条件下、或人为的外力破坏下仍能保证电网的安全运行。 (2) 自愈, 即通过强大的实时预警控制系统和预防控制能力, 自动故障诊断、故障隔离和系统的自我恢复。 (3) 兼容, 即能支持可再生能源的正确、合理地接入。 (4) 互动, 即实现与用户的交互和高效互动。 (5) 经济, 即支持电力市场和电力交易的有效开展, 实现资源的合理配置。 (6) 集成, 即实现电网信息的高度集成和共享, 采用统一的平台和模型, 实现标准化、规范化和精细化的管理。
国家的战略追逐
传统电网已在世界各国运行了100多年, 而人们对于智能电网的关注与研究只是最近几年才发生的事。2006年, 美国IBM公司与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。这一方案被形象地比喻为电力系统的“中枢神经系统”。在这一系统中, 电力公司可以通过使用传感器、计量表、数字控件和分析工具, 自动监控电网, 优化电网性能、防止断电、更快地恢复供电, 消费者对电力使用的管理也可细化到每个联网的装置。这一结果可以看做是智能电网概念正式诞生的标志。
在全球范围内, 美国政府对于智能电网的重视非其他国家所能比拟。2007年, 布什政府制定和颁布了《美国能源独立和安全法》, 首次把美国国家电网输配系统的现代化与智能电网的概念直接挂钩。奥巴马上台后, 首先签署《美国复苏和重新投资法》, 该法明确规定将为智能电网发展提供45亿美元的启动资金;无独有偶, 在白宫出台的经济刺激方案中, 用于智能电网研究和建设的政府直接投资资金达到了110亿美元;同时, 奥巴马政府声称, 将投入大量的财力集中对每年要耗费1200亿美元的电路损耗和故障维修的电网系统进行升级换代。而就在不久前, 美国商务部与能源部联合宣布了美国智能电网建设的第一批标准, 这被认为标志着美国智能电网建设已正式迈步。
实际上, 作为美国政府对智能电网建设的一个重要步骤, 美国科罗拉多州的博尔德市在2008年已经成为了全球第一个智能电网城市。该市的每个家庭都安装了智能电表, 人们可以直观地了解即时电价, 优先使用风电和太阳能等清洁能源, 而安装的变电站又可以收集到每家每户的用电情况, 一旦有问题出现, 便可以重新配备电力。
与美国几乎同时, 欧洲也开始了一项超级智能电网的工程, 欧盟理事会在能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》强调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。而就在前不久, 欧盟进一步明确, 将依靠智能电网技术, 将北海和大西洋的海上风电、欧洲南部和北非的太阳能融入欧洲电网, 以实现可再生能源大规模集成。
在亚洲, 日本政府已从2010年开始在孤岛进行大规模的构建智能电网试验, 韩国成立了具有官方性质的智能电网协会。特别是在中国, 官方高层和企业推进智能电网的工作风生水起。目前, 中国国家电网公司正在抓紧制定智能电网建设规划, 实践中的中国智能电网建设分三步走:2009-2010年为规划试点阶段;2011-2015年为全面建设阶段;2016-2020年为引领提升阶段。
值得注意地是, 对于智能电网的称呼各国可能并不一样, 如中国倾向于用“互动智能电网”, 欧洲的说法是“超级智能电网”, 美国使用的是“统一智能电网”。另外, 有些国家智能电网所依托的资源也有差异, 如中国的智能电网以特高压电网为核心环节, 而美国则以高温超导电网为核心;与此同时, 美国的智能电网更多的是从终端客户入手, 注重智能电表等配件产品和服务, 而中国的智能电网是一个涉及配电和用户需求两侧更全面的管理方案, 即包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度六个环节。
能源新革命
如果说电力技术的发明是人类对能源开发与利用的一次标志性革命, 那么智能电网在能源领域所引发的变革也不亚于前者。
实现对清洁能源的稳定而有效使用是智能电网的最显著的功用。智能电网的本质就是能源替代和兼容, 而从利用角度看, 清洁能源只有转化为电力, 才能实现更有效的利用。但是, 与化石能源不同, 太阳能和风力发电具有不稳定、不连续的特性, 而且并网会引起电能质量的下降, 这样, 风电入网的效率就低, 从而制约了风能的开发和利用。而在智能电网的基础上, 太阳能和风力发电的弱点得到了有效的消除与屏蔽, 实现了能源资源的有效优化配置。以中国为例, 到2020年, 中国风电装机将分别达到3500万千瓦和1.5亿千瓦, 太阳能发电装机分别达到100万千瓦和2000万千瓦, 核电装机分别达到1050万千瓦和8600万千瓦, 3项装机容量占电力总装机的16%左右。如果有了智能电网的支持, 这部分新能源电能将得到最大程度的利用。
传统电网所造成能源浪费与流失是不争的事实。据IBM公司的研究报告称, 由于很少或完全未使用智能设备来平衡负载并监控电力, 全球每年损失的电力足够印度、德国和加拿大使用。无独有偶, 中国国家电网公司的分析报告指出, 由于中国全社会用电量约80%来自煤电, 以每千瓦平均损失20克计算, 相当于每年浪费7676万吨原煤。但是, 在美国, 智能电网的投入和使用将使该国能耗降低10%, 并每年节省800亿美元新建电厂的费用。同时, 美国能源部西北太平洋国家实验室的研究结果表明, 仅使用数字工具设定家庭温度及融入价格信息, 能源消耗每年可缩减15%。若推广使用需求侧监控系统20年, 则在建设、维护、运营电厂、变电站和电网方面节省700亿美元。同样, 如果中国实现了智能电网的转型, 每年可以节省2.26亿吨原煤。
不仅如此, 在节约能耗的基础上, 智能电网对于有效地控制和减少温室气体排放具有明显的功效。应当说智能电网的推广是提高能源独立性的重要步骤, 它可以降低人类对化石燃料的依赖, 减少温室气体的排放量。据美国“智能电网联盟”的研究结果显示, 美国国家电网的使用效率每提高5%, 就相当于减少5300万辆汽车的燃料消耗和碳排放。而在中国, 到2020年, 智能电网技术预计将帮助电力企业减少14%的二氧化碳排放量。
经济强引擎
传统能源的有限性与开发使用过程的不经济极大地制约了全球经济的正常增长脚步, 而智能电网实现了能源的替代, 不仅拓展了人类能源利用的空间, 而且也带来了相关产业的勃兴, 其对经济的牵引力不言而喻智能电网首先催发和拉动的是新能源产业。除了能够拉动电力、通讯等传统产业发展外, 智能电网在构建过程中将发展衍生出新兴技术并推进新兴产业如风电产业、太阳能产业以及新能源汽车产业的演化形成。因此, 围绕智能电网建设的未来新能源产业将成为各国经济竞争的焦点。
经济发展节奏的快速提升是智能电网的必然结果。美国政府的智囊机构信息技术创新基金会与IBM公司共同提交的研究报告指出, 如果一年投资100亿美元建设可提高供电效率的智能电网和密切监控电力行业输变电设备, 可创造23.9万个工作岗位。而另一个类数据表明, 目前美国大约有1.3亿块电表, 倘若包括计算机、传感器和网络系统的投资在内, 实现市场转型, 这项改革将拉动超过万亿美元以上的投资。如果美国大力发展智能电网产业, 8-10年内产业规模将超过5万亿美元;如果美国发展超导电网产业, 8-10年内产业规模将超过30万亿美元。同样, 由于特高压和智能电网的需要, 预计今后几年中国每年电网投资都将在2000亿元以上, 如果2009年就启动智能电网的改造, 每年有可能拉动国民经济增长一个百分点左右。
具体到市场而言, 智能电网无疑为企业创造了新的经营与竞争空间。应当说, 智能电网第一次为互联网时代的巨头们提供了参与工业时代最大遗产改造的机会, 也正是如此, 国际IT巨头都已披挂上阵。如IBM公司已领先开发出了智能电表, 该电表可实时进行用电量和电费的计算;谷歌公司已开发成功利用电表节约电费的应用软件, 并且开始在公司员工家庭中试用。当然, 传统产业在智能电网的商机面前也不甘示弱。如通用电气 (GE) 正在开发利用无线通信技术将各地电力消耗的信息传输给供电公司的先进技术, 同时, GE即将在年底推出配合智能电网的电器产品, 包括干衣机、烧水壶、烤炉等。据悉, 这些产品都可以在三种耗电模式下工作:当整个电网用电量处在高峰的时候, 会自动选择低耗电模式工作。洗碗机的显示面板上, 更会显示当前电费价格, 让用户选择电价便宜的时候洗碗。
难题有待破解
鉴于对能源领域的革命性作用以及对经济发展的强大牵引, 智能电网在全球走红已不成问题。然而, 从目前来看, 智能电网的许多环节基本处于构想阶段, 某些关键性技术还没有完全解决, 因此, 单就美国而言, 实现智能电网的普及至少需要10到20年时间, 其他国家所花费的时间可能更长。
——投资方式问题。智能电网既牵涉到原有电路网络的改造与升级, 又必须对新的设备进行投入, 是一项耗资巨大、耗时长久的工程。鉴于所需要资本的庞大和回报周期漫长, 完全由企业投资可能性不大, 而由政府单方面投入也会受到财政资金的制约, 甚至会对民间资本形成“挤出效应”。因此, 即使在美国, 不同的城市也采取不同的投资方式, 有的由政府完全投入, 有的部分引进民间资本。不过, 无论采取哪种方式, 对于一些发展中国家而言, 智能电网所需要的巨大资本将是一个不小的压力, 智能电网的“全球化”也可能因为资金的约束而止步。
——商业模式问题。即使投资问题解决了, 智能电网建成后采取怎样的商业模运营模式也是一个棘手的难题。在美国, 80%的智能电网准备由私人部门拥有并运营, 而博尔德市的电力供应从发电、输电到零售的企业都是由市政府所有的。至于其他国家是采取政府所有统一运营还是主要由企业管理运营、抑或是政府与企业联手运营, 既要取决于前期投资方式, 又要具体分析市场环境状况。在没有统一的商业运营模式前提下, 可以通过各种不同的示范项目和工程寻找可行的操作模式。
——统一标准问题。智能电网具有全球化特征, 因此其应该拥有一套国际化的标准。但是, 目前不同的国家对于智能电网标准的制定存在诸多分歧, 而且智能电网涉及许多电气产品和技术、供应商的利益, 不同产品供应商会采用不同的技术、标准, 选用某种产品有时会出现不同的发展方向和走势。基于此, 美国“智能电网联盟”目前正与联合国15家机构和国际标准组织 (ISO) 进行合作, 致力于制定一套智能电网的标准和互通原则, 同时, 中国与美国也在积极联合制定一项国际化的智能电网技术标准。
智能电网未来图景 篇4
社会发展中对于电能需求越来越大, 促进了电力企业的长足发展, 当前的技术还不能满足电力工业的发展。电力企业开始尝试使用新技术设备, 其中超导电力技术的应用具有显著成效, 对于提高电力系统的运行效率、提升运行的安全稳定性发挥了不可替代的重要作用。
1 超导电力技术概述
超导电力技术是应用物理学中的电力原理, 利用超导体材料的物理性质, 与电力工程相结合的一门新技术。近些年来超导电力技术得到了西方国家的高度重视, 美国把这门技术纳入到制定的电网规划当中, 计划借助其技术在全美进行骨干电网的建设, 由此将其技术摆在了突出位置。众多学者一致认可在21 世纪中超导电力技术会成为电力工业一种为数不多的高新技术储备, 一些发达国家也一致认为高温超导电力技术将会是未来电力工业发展的一大趋势, 具有重要的经济战略意义[1]。
我国对于超导电力技术同样给予了高度重视, 各大高校极力研究超导技术, 并取得了很大进步, 但是仍然与发达的国家在技术水平上有很大的差距。但是无论怎样, 发展超导电力技术已经成为电力工业的发展趋势, 无论如何我国都不会放弃对这项技术的研究。
超导电力技术研究内容纷繁复杂, 与多种学科领域有着紧密的联系, 对于研究工作还存在着很大的困难。在未来高温超导产品是在其技术发展而来的主要产品, 对于保证供电系统的安全可靠性, 提高电网电能质量都有着意义深远的作用。
2 超导电力技术在未来智能电网中的应用
2.1 提高系统小干扰稳定性
尽管在未来可再生能源是世界工业生产最主要的使用方向, 将会有更多的可再生能源应用到智能电网当中, 我国还是按照大电网、大机组的发展方向, 远距离大容量的电能输送是我国智能电网主要处理的建设工作, 使得系统运行的动态安全性大为降低。
小干扰是否稳定与在一定区域内联络线的功率振荡有着很大关系。如果超出功率限制的部分在输电系统中能够得到实时补偿, 能够做到当过低的功率时释放一定的功率, 当过高的功率时吸收一定的功率, 这样就可以使得联络线功率达到平稳状态, 小干扰稳定性也就会得到相应的提高。在大规模互联系统中有储能系统的设置, 储能系统起到在短时间内快速充电和放电的作用, 支持有功与无功功率的提供, 可以实时地对线路功率通过附加阻尼控制器来完成, 阻尼系统振荡[2]。
增强互联系统中的电气联系同样能够提高系统动态稳定性, 通常采用大于500k V的特高压输电系统来增强电气联系。但是特高压输电系统的设计制造较为困难, 特别是在电缆上设计制造的要求极为严格苛刻, 因此超导材料制成的电缆为增强电气联系, 从而提高系统动态稳定性发挥了重要作用。由超导材料制成的电缆具有损耗小、传输容量大等优点, 是提高电能传输切实可行的解决方法。在超导情况下超导电缆技术的阻抗很小, 由此增强了互联系统的电气联系, 大大提高了小干扰安全性。
2.2 提高系统暂态稳定性
智能电网的“智能”重点体现在针对影响电力系统的不安全因素具有自治与自我治愈的能力, 能够从根本上保证安全稳定可靠的电网运行。在未来为了更好地促进电网发展, 要求在智能电网中能量流动具有双向性, 这就要求新技术设备能够对电力系统扰动起到良好地缓解消除作用。
大型超导储能装置在大型电网系统中以其反应快速的特点, 对于控制暂态稳定起到了很重要的作用。在发生故障情况下迅速进行有功与无功, 增加了系统的可靠性, 与大电网稳定装置相比, 还具有过剩能量回收的优点, 不至于使过多的资源流失。超导储能系统被看做是一种具有灵活性的交流输电系统, 具有强大的功能, 使暂态稳定性大为提升。
当发生故障的时候, 暂态稳定性能够及时将故障部分隔离, 当故障不能及时得到隔离, 对于暂态稳定性的研究是无稽之谈。短路电流水平随着电网容量逐渐扩大而提高, 如果按照短路水平进行对电气设备的设计, 设计制造的成本将会增加, 严重情况下会影响到选型。现今从运行方式与电网结构方面考虑降低短路电流, 势必会花费一笔巨大的费用, 产生系统运行不稳定的问题。近年来针对短路电流现象的限制, 采用了超导故障限流器进行对其限制, 是一种新兴的技术设备, 可以在短时间内将零电阻转换成高阻值, 使短路电流现象得到有效地控制, 体现出对于保证快速准确性的暂态稳定要求。
所以针对上述对于系统暂态稳定性的论述中可以知道, 超导故障限流器对于保证暂态稳定性具有重要的作用, 该技术设备犹如坚固的天然屏障能够将故障问题很好地隔绝, 以免系统运行不再受故障的打扰, 能够对不平衡的有功功率进行补偿, 极大地促进了系统暂态安全稳定性能的长久性。
2.3 提升电网的抗打击能力
电网系统的正常运行也会受到外界因素的影响, 外界因素包括自然环境与人为因素的影响, 这就要求电网要对外界因素有良好地抵御能力, 在受到外部打击的情况下, 仍然能够保持系统的正常稳定运行。
对于抗打击能力, 重要一点是重要负荷的供电, 中小型的超导储能系统在配电系统中具有很多优势, 如反应速度快等特点, 可以在特殊紧急情况下作为备用的电源保护敏感负载。针对电网的抗打击能力, 在系统受到外部因素的影响下, 重要负荷还能够进行大量电力的输送。超导电缆技术运行电压比较低, 所以运行中低电压的情况下, 超导电缆充当起了搬运工的角色, 将巨大的电能传入城市负荷中心。即使输电走廊受到了较为严重的破坏, 也能够维持重要负荷正常持续的供电。所以超导电缆对突如其来的情况, 对外界因素的抗打击方面有着广阔的应用前景。
2.4 提升电网的电能质量
在信息化技术快速发展的今天, 电网电压不稳定的波动对于信息系统的正常运行, 对工业产品的质量都有着不可小觑的影响。超导储能设备起到了调节有功和无功功率, 通过功率的调节功率因数进行调节, 对瞬时波动起到很好地控制作用, 促使电网频率稳定下来, 电网次谐波振荡达到平衡状态, 这使得供电质量得到了改善, 这是超导储能设备在配电方面发挥重要作用的体现[3]。在输电方面, 大型超导储能装置对于提升大功率远距离输变电系统的电网电能质量也具有重要作用。为了避免频率波动, 其装置进行瞬时吸收与释放能量, 促使电压波动小, 保证电压的稳定性。
3 结束语
综上所述, 文章从两个方面对超导电力技术在未来智能电网应用展开了论述。第一部分是对超导电力技术基本概念的论述, 可以知道超导电力技术是超导材料与电学工程相结合发展而来的一种重要技术。第二部分从四个方面对其技术在未来智能电网中的应用, 可以看出超导电力技术在未来智能电网中的应用体现在提高系统小干扰稳定性等。作为一种经济战略意义的高新技术, 未来在外界因素抵御能力等方面将会有很大的改观。目前其技术的应用还处于探索阶段, 不过对此应抱以十足的信心, 相信通过长期夜以继日的深入研究, 其技术将会更加成熟, 得到更广泛的应用。
参考文献
[1]姚永嘉.浅析智能电网在电力技术及电力系统规划中的应用[J].山东工业技术, 2014, 22:231.
[2]张利.智能电网中的电力设计技术分析[J].科技展望, 2015, 4:101.
智能电网未来图景 篇5
1 目前国内外用电技术发展现状
1.1 国内用电技术现状
1.1.1 智能用电技术普及范围小
随着我国用电技术的不断提高, 直流示范点工程相继运行, 2009年国家电网公司也明确提出了关于智能电网的工作计划, 国内的智能用电技术发展领域以开展了实践和研究, 其中相对较发达的国家已达到国际领先水平, 智能用电技术较为普及, 而且范围较广, 低压集中抄表系统安装使用客户众多, 大客户负荷管理比例占多数, 实现了指标监管功能和报表自动生成功能。
1.1.2 智能用电检测机制不完善
我国检测仿真技术正在不断完善, 智能用电检测研究中心不断筹建和规划。国网公司实施了有序分类的科学编制和用电预案实施工作。促成政府出台蓄热蓄冷电价、可中断负荷电价、尖峰电价等激励措施, 用经济手段规避客户用电高峰期。我国经济城市试行了绿色电力机制, 提高了电能在终端能源消费的比重, 有效引导新能源产业的发展, 部分网省公司开展多种收费方式, 制定了自助服务终端化建设规范和电费收缴工作标准。
1.2 国外用电技术的优势
1.2.1 开展分布式储能技术和电源监控模式
一方面, 研究储能装置技术是充放电自动控制技术的核心内容, 国网用电研究储能装置是利用电能质量监测、双向电能计量设备的信息采集, 实现电网的互动和储能装置, 完成填谷、移峰填谷以及电网削峰的目的;另一方面, 开展分布式电源监控模式, 可以规范装置配置原则和各类理论计算方式, 以便于智能电源接入时的电网能经济、稳定、安全的运行。
1.2.2 实施负荷响应控制机制
美国是较早实施“电网智能化”工程的国家, 主要是通过让用电客户自主设置电器的使用时间和功率, 人性化、合理化, 舒适不浪费而且节省电费;另一方面利用监控地区的电网使用状况, 逐渐完善用电自动化, 鼓励用电客户使用太阳能和风电等天然能源, 获得最大峰荷电价信息, 调整用电方式。发达国家的智能用电服技术服务实践采用用电设备自动控制为主, 利用智能自动抄表采集用电信息, 主要集中在用户和配电方面, 并开始实施能源分布式链接, 能够优化用电安分类分工工作, 提高电网用电效率。
2 智能用电技术的不足分析
(1) 智能系统产品链滞后。
(2) 是分布式电源接入分配不合理。
(3) 是智能用电技术的弊端。
3 智能电网在建设过程中所需要关键技术
3.1 建设完善的集成、标准的通信系统
随着对智能电网应用的不断深入, 现代化的智能电网就要求不仅能够分析系统本身的状态和运行情况, 还要对系统进行实时的监控, 以方便当智能电网发生波动时好及时做出调整。同时为了使智能电网在电网的规划、运行、建设、管理过程中可以提供更加全面的信息服务, 这就需要智能电网进行整合企业资产管理以及电网运行的通信系统。因此宽带通信网在智能电网中建设开放、集成的通信系统具有重要的作用, 同时还应注意在智能电网的发展过程中对网络安全的控制。
3.2 建设灵活、稳定的主网架结构
智能电网的发展过程中最基础的环节就是建设一个坚强、灵活的电网结构。由于我国资源分布不均衡, 为了使电力生产满足我国社会经济的发展, 这就要求实行大规模输送电的方式, 通过对电资源的整合和优化配置, 来提高对电力的使用。在输送电的过程中, 为了提高对电力生产的使用率及减少电力在传输过程中的损耗, 我国重在发展特高压电网。
当前阶段随着我国智能电网规模的进一步扩大, 所产生丞待解决的问题也在不断增多, 首先就需要处理好特高压和各级电网的规划, 使得特高电网和各级电网之间的更好地衔接, 从而进一步的促进各电压等级电网的协调发展。
3.3 调度智能化的关键技术
调度智能化主要是指通过建立一个信息网络保护和金及控制一体化的新技术和新理论, 并以此来实现协调电力系统元件的控制和保护、紧急控制系统、恢复控制系统等综合性的防御体系。因此未来智能化电网的发展趋势是实现电网的智能化调度, 从而保证能够及时进行决策指挥以及预防智能化电网发生大面积故障。实现电网智能化调度的关键技术主要包括: (1) 智能预警。
(2) 系统仿真。
(3) 调度优化。
(4) 数据处理。
(5) 智能优化调度。
(6) 应急指挥系统。
(7) 高级配电自动化。
4 智能用电技术的合理化建议
4.1 智能用电仿真技术
研究智能用电的网架模型构架方式, 建立智能用电模拟环境;研究双向分布式电源接入技术和基于智能需求侧响应的需求响应仿真技术、负荷预测和仿真算法等。
4.2 智能用电装置检测技术
对大量各种智能用电装置, 建立智能用电装置的检测标准, 研究相关的检测检验技术和手段。
4.3 智能用电系统检测技术
对智能用电服务体系的建设需要的大量支持系统, 建立相应的检测检验标准和检测平台的建设工作, 研究系统的相关检测技术。
5 结论
本文通过对智能用电技术的国内外发展现进行分析, 发现智能用电技术在我国仍然处于初级阶段, 要解决的问题很多。随着智能电网发展的不断改进, 智能将实现商业化、整体化模式, 作为发展中国家的我们, 更应该把握好机会, 实现智能化、人性化服务, 满足用电户的多元化需求, 面向经济高效、技术先进、灵活互动、服务多样的方向前进, 为未来用电服务技术的发展提供发展目标和方向。
参考文献
智能电网未来图景 篇6
1 超导电力技术
从理论上来讲, 超导电力技术就是利用超导体的特殊物理性质与电力工程相结合而发展起来的一门新技术。超导体具有自身电阻突然消失的电阻特性, 超导电力技术主要借助超导体的特性, 将其应用到电力系统中[1]。目前, 超导电力技术的研究已成为我国重点研究项目之一。
2 超导电力技术在未来智能电网中的应用
国际超导技术领域专家普遍认为, 新一代的超导技术, 如钇系高温超导带材, 在未来将很快商品化并全面引入应用。美国的“电网2030计划”已经将超导技术放在了重要位置, 将引发全世界范围内对超导技术的应用创新。继美国之后, 欧洲、日本、韩国等也相继宣布了发展超导技术的相关计划, 全世界正式进入了超导技术竞争态势。面对这一世界形势, 我国应及时部署超导技术应用战略, 充分发掘和利用国内各种资源优势, 鼓励超导技术创新, 加大超导技术科研投入力度, 将其作为关系国计民生的重大战略来看待, 以抢先占领世界超导技术高地。
具体而言, 将超导技术应用于未来电网, 有以下好处。
2.1 降低电力系统线损率
当前我国电网规模和容量正在快速增长, 整个电力系统运行过程中的短路容量也在不断增加。大量的短路电流如果得不到限制, 必将对电气设备产生破坏性影响, 超导电力技术的引入为解决此类问题提供了方向, 使电力系统的安全性得到提高, 线损率得以降低。
智能电网在供电过程中具有高效性、降低运营成本、减少线损等能力, 这是提高电力系统运行水平的关键。尤其是应用超导电力技术后, 智能电网的运行效率得到了提高, 如使用高温超导线材后, 电缆能够超导无阻, 更有效地提高了电流能量的传输能力[2]。
在一些大城市以及一些特殊场合的供电中, 电缆极易产生线损, 线损量过大会对电力系统造成一定的影响。将超导电力技术有效地应用到这些大城市以及一些特殊场合供电中, 能够大幅度降低电缆的损耗率, 同时还能有效地提升电缆的传输功率。而且, 相比于传统电缆, 超导电缆受环境影响极小。从整体上看, 超导电缆更适合大城市以及特殊场合的供电, 不仅能够有效节约土地的占用率和建设资金的消耗量, 更能节约安装空间, 与传统的电缆线路相比安装也极为方便, 有效地节省了人力、物力和财力。
2.2 有效提升电网输送电能的质量
电能存取是电网输送过程中一个重要的环节, 是确保电网平稳安全可靠运行的关键。目前采用的技术主要是抽水储能技术, 这种技术可提供长时间的大功率, 但反应速度过慢, 难以应对瞬态电能质量与功率失衡造成的冲击, 无法及时对失衡状态进行必要的补偿, 这就使电网输送电能的质量大打折扣。超导技术的引入, 可以较好地解决这个瓶颈问题。
电网输送电质量是一直困扰电力企业的主要问题之一, 电网系统在运行过程中, 输送电质量可能会受到内部和外部因素的影响, 致使电网输送电质量不高, 尤其是一些大功率远距离输变电系统, 输送电质量更是受到极大的影响[3]。将超导电力技术应用于智能电网, 能够有效改善这方面存在的缺陷, 可以利用大型超导储能装置实现大功率远距离输变电系统的稳定运行, 在此过程中超导储能装置能够瞬时吸收或释放能力, 避免了传统电网输送电过程中出现的频率波动现象, 而且超导储能装置还能沟通电压的无功支持, 确保电压的稳定性, 从而有效提高电网输送的电能的质量。
2.3 提高可再生能源的利用性
随着社会经济的不断发展, 能源的开发和利用率也在逐渐提升, 而能源枯竭问题是世界各国所关注的焦点。电力企业的发展虽然能够进一步满足人们对电能的需求, 但是也消耗了大量的能源。为了减缓化石能源消耗, 可以采用可再生能源来进行发电, 这是未来智能电网发展的必然趋势。新技术、新设备、新产品的不断应用, 对提高电网的运行效率有极大的作用[4]。但是, 在可再生能源利用和开发过程中发现, 由于可再生资源具有不稳定性、间歇性等特点, 电力系统的工作状态不稳定, 使得电力系统运行的安全性、高效性、可靠性、灵活性等受到了一定的限制。应用超导储能系统能有效地改善电网的储能备用, 对提高可再生能源的接受和储存率有极大的作用, 可充分提高可再生能源的利用率。而且在利用超导储存装置对配网进行供电的过程中, 也会增加电网供电的稳定性, 进而提高配网系统的运行效率, 确保为客户提供稳定、可靠、安全的用电环境。
2.4 提升电网对外部影响因素的抗性
现有的电力系统存在多电压等级现象和交直流电共存现象, 加上采用传统的铝线铜线作为导材, 设备易老化, 易超载, 受天气等外部因素影响大, 对整个电网的运行安全造成了极大的影响。超导技术的引入可在一定程度上减小这种影响。
智能电网在运行的过程中可能会受到外部因素的影响, 自身线路会受到一定的损伤和破坏, 例如, 暴风雪、不可抗拒自然力的影响, 人为的影响等都会对电网系统的安全运行造成一定的影响。要彻底解决这类问题, 必须从电缆线路的防御能力入手。在输送电过程中, 防御能力较好的电缆能够承受大量电力负荷, 而且在较低的电压下超导电缆的传输效率比普通电缆要高很多。一般情况下, 超导电缆线路主要应用在输电路径较长的路段, 在电力系统输电走廊受到破坏的情况下, 可以保证重要负荷的供电, 进一步提高智能电网运行的可靠性和安全性。
3 结语
超导电力技术在智能电网中的应用是21世纪极具战略意义的大事, 对新世纪我国电力技术的发展与改革起着决定性的作用。超导应用成功, 我国将立即成为世界电力技术领先国, 否则就会落后于人, 处处受制。联系我国电力发展实际, 加大超导技术投入力度及推广应用力度, 是当前我国电力领域的重要工作。
综上所述, 超导电力技术是未来智能电网发展中的主流技术, 对提高电力系统的运行效率也有着极大的作用, 如提升电力系统运行的稳定性、抗性、电能质量等。当然, 现阶段超导电力技术的发展还不成熟, 需要我们不断地去研究、探索, 以期为智能电网的发展提供可靠的帮助, 保障我国电力事业的可持续发展。
参考文献
[1]肖立业, 王子凯, 赵彩宏, 等.基于超导磁体和电力电子的新型桥路超导限流器[J].低温物理学报, 2005 (S1) :1106-1112.
[2]胡毅, 唐跃进, 任丽, 等.超导电力技术的发展与超导电力装置的性能检测[J].高电压技术, 2007 (7) :1-8.
[3]林晓明, 郭进利, 肖勇.智能电网建设中加强电力需求侧管理研究[J].科技创新导报, 2011 (22) :61.