標簽：智能電網(wǎng) 智能配電網(wǎng)

1 智能電網(wǎng)及其發(fā)展

1. 1 智能電網(wǎng)的定義

“智能電網(wǎng)”(Smart Grid) ,最早出自美國“未來能源聯(lián)盟智能電網(wǎng)工作組”在2003 年6 月份發(fā)表的報告。報告將智能電網(wǎng)定義為“集成了傳統(tǒng)的現(xiàn)代電力工程技術、高級傳感和監(jiān)視技術、信息與通信技術的輸配電系統(tǒng),具有更加完善的性能并且能夠為用戶提供一系列增值服務。”在此之后,陸續(xù)有一些文章、研究報告提出智能電網(wǎng)的定義;此外還有類似的“Intelli Grid”、“Modern Grid(現(xiàn)代電網(wǎng)) ”的稱謂。盡管這些定義、稱謂在具體的說法上有所不同,但其基本含義與以上給出的定義是一致的。

“智能”二字,很容易使人認為智能電網(wǎng)是一個屬于二次系統(tǒng)自動化范疇的概念。事實上,智能電網(wǎng)是未來先進電網(wǎng)的代名詞,我們可從技術組成和功能特征兩方面來理解它的含義。

1) 從技術組成方面講,智能電網(wǎng)是集計算機、通信、信號傳感、自動控制、電力電子、超導材料等領域新技術在輸配電系統(tǒng)中應用的總和。這些新技術的應用不是孤立的、單方面的,不是對傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)進行簡單地改進、提高,而是從提高電網(wǎng)整體性能、節(jié)省總體成本出發(fā),將各種新技術與傳統(tǒng)的輸配電技術進行有機地融合,使電網(wǎng)的結構以及保護與運行控制方式發(fā)生革命性的變化。

2) 從功能特征上講,智能電網(wǎng)在系統(tǒng)安全性、供電可靠性、電能質量、運行效率、資產管理等方面較傳統(tǒng)電網(wǎng)有著實質性的提高;支持各種分布式發(fā)電與儲能設備的即插即用;支持與用戶之間的互動。

1. 2 智能電網(wǎng)的發(fā)展

盡管智能電網(wǎng)的概念是在2003 年提出的,但智能電網(wǎng)技術的發(fā)展最早可追溯到20 世紀60 年代計算機在電力系統(tǒng)的應用。20 世紀80 年代發(fā)展起來的柔性交流輸電( FACTS) 與誕生于20 世紀90 年代的廣域相量測量(WAMS) 技術,也都屬于智能電網(wǎng)技術的范疇。進入21 世紀,分布式電源(Dist ributed Elect ric Resource ,DER ,包括分布式發(fā)電與儲能) 迅猛發(fā)展。人們對DER 并網(wǎng)帶來的技術與經(jīng)濟問題的關注,在一定程度上催生了智能電網(wǎng)。

近年來,國際上對智能電網(wǎng)的研究可謂方興末艾。2002 年,美國電科院創(chuàng)立了“Intelli Grid”聯(lián)盟(原名稱為GEIDS) ,開展現(xiàn)代智能電網(wǎng)的研究,已提出了用于電網(wǎng)數(shù)據(jù)與設備集成的Intelli2Grid 通信體系; 2003 年7 月, 美國能源部發(fā)表“Grid2030”報告,提出了美國電網(wǎng)發(fā)展的遠景設想,之后美國能源部先后資助了GridWise 、Grid2Works、MGI (現(xiàn)代電網(wǎng)) 等智能電網(wǎng)研究計劃。在實際應用方面,德克薩斯州的CenterPoint 能源公司、圣狄戈水電公司(SDG & E) 等都在著手智能電網(wǎng)項目的實施或制定發(fā)展規(guī)劃;作為美國蓋爾文電力行動計劃( GEI) 的一部分,伊利諾斯工學院( IIT) 正在實施“理想電力( Perfect Pow2er) ”項目。

歐洲國家也在積極推動智能電網(wǎng)技術研發(fā)與應用工作。歐盟于2005 年成立了“智能電網(wǎng)技術論壇”;以歐洲國家為基礎的國際供電會議組織(CIRED) 于2008 年6 月召開了“智能電網(wǎng)”專題研討會。在智能電網(wǎng)建設方面,意大利電力公司( ENEL) 在2002 年～2005 年投資了21 億歐元實施智能讀表項目,使高峰負荷降低約5 %,據(jù)報道每年可節(jié)省投資近5 億歐元; 法國電力公司( EDF) 以智能電網(wǎng)作為設計方針,改造其配電自動化系統(tǒng)。

我國對智能電網(wǎng)的研究與討論起步相對較晚,但在具體的智能電網(wǎng)技術研發(fā)與應用方面基本與世界先進水平同步。我國地區(qū)級以上電網(wǎng)都實現(xiàn)了調度自動化,35 kV 以上變電站基本都實現(xiàn)了變電站綜合自動化,有200 多個地級城市建設了配電自動化。廣域相量測量系統(tǒng)(WMAS) 、FACTS 等技術的研發(fā)與應用都有突破性進展。最近,國家電網(wǎng)公司提出“建設堅強的智能化電網(wǎng)”,極大地推動了我國智能電網(wǎng)研究的開展。

2 智能配電網(wǎng)的功能特征

智能配電網(wǎng)(Smart Dist ribution Grid ,SDG)指智能電網(wǎng)中配電網(wǎng)部分的內容。與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相比,SDG具有以下功能特征。

1) 自愈能力。自愈是指SDG能夠及時檢測出已發(fā)生或正在發(fā)生的故障并進行相應的糾正性操作,使其不影響對用戶的正常供電或將其影響降至最小。自愈主要是解決“供電不間斷”的問題,是對供電可靠性概念的發(fā)展,其內涵要大于供電可靠性。例如目前的供電可靠性管理不計及一些持續(xù)時間較短的斷電,但這些供電短時中斷往往都會使一些敏感的高科技設備損壞或長時間停運。

2) 具有更高的安全性。SDG 能夠很好地抵御戰(zhàn)爭攻擊、恐怖襲擊與自然災害的破壞,避免出現(xiàn)大面積停電;能夠將外部破壞限制在一定范圍內,保障重要用戶的正常供電。

3) 提供更高的電能質量。SDG 實時監(jiān)測并控制電能質量,使電壓有效值和波形符合用戶的要求,即能夠保證用戶設備的正常運行并且不影響其使用壽命。

4) 支持DER 的大量接入。這是SDG 區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的重要特征。在SDG里,不再像傳統(tǒng)電網(wǎng)那樣,被動地硬性限制DER 接入點與容量,而是從有利于可再生能源足額上網(wǎng)、節(jié)省整體投資出發(fā),積極地接入DER 并發(fā)揮其作用。通過保護控制的自適應以及系統(tǒng)接口的標準化,支持DER 的“即插即用”。通過DER 的優(yōu)化調度,實現(xiàn)對各種能源的優(yōu)化利用。

5) 支持與用戶互動。與用戶互動也是SDG區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的重要特征之一。主要體現(xiàn)在兩個方面:一是應用智能電表,實行分時電價、動態(tài)實時電價,讓用戶自行選擇用電時段,在節(jié)省電費的同時,為降低電網(wǎng)高峰負荷作貢獻;二是允許并積極創(chuàng)造條件讓擁有DER (包括電動車) 的用戶在用電高峰時向電網(wǎng)送電。

6) 對配電網(wǎng)及其設備進行可視化管理。SDG全面采集配電網(wǎng)及其設備的實時運行數(shù)據(jù)以及電能質量擾動、故障停電等數(shù)據(jù),為運行人員提供高級的圖形界面,使其能夠全面掌握電網(wǎng)及其設備的運行狀態(tài),克服目前配電網(wǎng)因“盲管”造成的反應速度慢、效率低下問題。對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行在線診斷與風險分析,為運行人員進行調度決策提供技術支持。

7) 更高的資產利用率。SDG 實時監(jiān)測電網(wǎng)設備溫度、絕緣水平、安全裕度等,在保證安全的前提下增加傳輸功率,提高系統(tǒng)容量利用率;通過對潮流分布的優(yōu)化,減少線損,進一步提高運行效率;在線監(jiān)測并診斷設計的運行狀態(tài),實施狀態(tài)檢修,以延長設備使用壽命。

8) 配電管理與用電管理的信息化。SDG 將配電網(wǎng)實時運行與離線管理數(shù)據(jù)高度融合、深度集成,實現(xiàn)設備管理、檢修管理、停電管理以及用電管理的信息化。

3 智能配電網(wǎng)的主要技術內容

SDG集現(xiàn)代電力新技術于一體,具體內容主要有以下幾個方面。

1) 配電數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。這是一個覆蓋配電網(wǎng)中所有節(jié)點(控制中心、變電站、分段開關、用戶端口等) 的IP 通信網(wǎng),采用光纖、無線與載波等組網(wǎng)技術,支持各種配電終端與系統(tǒng)“上網(wǎng)”。它將徹底解決配電網(wǎng)的通信瓶頸問題,給配電網(wǎng)保護、監(jiān)控與自動化技術帶來革命性的變化,并影響一次系統(tǒng)技術的發(fā)展。

2) 先進的傳感測量技術,如光學或電子互感器、架空線路與電纜溫度測量、電力設備狀態(tài)在線監(jiān)測、電能質量測量等技術。

3) 先進的保護控制技術,包括廣域保護、自適應保護、配電系統(tǒng)快速模擬仿真、網(wǎng)絡重構等技術。

4) 高級配電自動化。目前的配電自動化技術包括配電運行自動化(安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、變電所綜合自動化、饋線自動化) 、配電管理自動化(配電地理信息系統(tǒng)、設備管理、檢修管理等) 以及用戶自動化這3 個方面的內容。這些內容都屬于SDG技術的范疇。

為與目前大家熟知的配電自動化區(qū)分,美國電科院提出了高級配電自動化(Advanced Dist ri2bution Automation ,ADA) 的概念。ADA 是傳統(tǒng)配電自動化(DA) 的發(fā)展,也可認為是SDG 中的配電自動化。ADA 的新內容主要支持DER 的“即插即用”,它采用IP 技術,強調系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)模型與通信服務的標準化與開放性。

為使SDG 技術概念更有針對性,筆者建議ADA 僅包括配電運行自動化與配電管理自動化,將用戶自動化內容列入下面介紹的高級量測體系。

5 ) 高級量測體系( Advanced MeteringArchitecture ,AMA) 是一個使用智能電表通過多種通信介質,按需或以設定的方式測量、收集并分析用戶用電數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。AMA 是支持用戶互動的關鍵技術,是傳統(tǒng)AMR 技術的新發(fā)展,屬于用戶自動化的內容。

6) DER 并網(wǎng)技術,包括DER 在配電網(wǎng)的“即插即用”以及微網(wǎng)(Micro Grid) 兩部分技術內容。DER 的“即插即用”包括DER 高度滲透的配電網(wǎng)的規(guī)劃建設、DER 并網(wǎng)保護控制與調度管理、系統(tǒng)與設備接口的標準化等。微網(wǎng)是指接有分布式電源的配電子系統(tǒng),它可在主網(wǎng)停電時孤立運行。

DER 并網(wǎng)研究內容還包括有源網(wǎng)絡(ActiveNetwork) 技術。有源網(wǎng)絡指分布式電源大量應用、深度滲透,潮流雙向流動的網(wǎng)絡。

7) DFACTS 是柔性交流輸電( FACTS) 技術在配電網(wǎng)的延伸,包括電能質量與動態(tài)潮流控制兩部分內容。DFACTS 設備包括靜止無功發(fā)生器(SVC) 、靜止同步補償器( STA TCOM) 、有源電力濾波器(APF) 、動態(tài)不停電電源(UPS) 、動態(tài)電壓恢復器(DVR) 與固態(tài)斷路器( SSCB) 、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC) 等。

8) 故障電流限制技術,指利用電力電子、高溫超導技術限制短路電流的技術。

綜上所述,SDG技術包含一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)兩方面的內容。一個具體的SDG功能的實現(xiàn),往往涉及多項技術的綜合應用。以自愈功能為例,首先一次網(wǎng)架的設計應該更加靈活、合理,并應用快速斷路器、故障電流限制器等新設備;在二次系統(tǒng)中,應用廣域保護、就地快速故障隔離等新技術,以及時檢測出故障并進行快速自愈操作。

4 建設智能配電網(wǎng)的作用與意義

電力系統(tǒng)已誕生一百多年了,盡管其電壓等級與規(guī)模與當年相比已有天壤之別,但系統(tǒng)的結構與運行原理并沒有很大的變化。進入21 世紀,面對當今社會與經(jīng)濟發(fā)展對電力系統(tǒng)提出的新要求和計算機、電力電子等新技術的廣泛應用,有必要重新審視過去電網(wǎng)建設的模式,探討未來電網(wǎng)的發(fā)展新方向,而智能電網(wǎng)正是人們對這一問題思考、研究的結果。智能電網(wǎng)技術的發(fā)展正在給電力系統(tǒng)帶來一場深刻的變革。

配電網(wǎng)直接面向用戶,是保證供電質量、提高電網(wǎng)運行效率、創(chuàng)新用戶服務的關鍵環(huán)節(jié)。在我國,由于歷史的原因,配電網(wǎng)投資相對不足,自動化程度比較低,在供電質量方面與國際先進水平還有一定的差距。目前電力用戶遭受的停電時間,95 %以上是由于配電系統(tǒng)原因造成的(扣除發(fā)電不足的原因) ;配電網(wǎng)是造成電能質量惡化的主要因素;電力系統(tǒng)的損耗有近一半產生在配電網(wǎng);分布式電源接入對電網(wǎng)的影響主要是對配電網(wǎng)的影響;與用戶互動、進行需求側管理的著眼點也在配電網(wǎng)。因此,建設智能電網(wǎng),必須給予配電網(wǎng)足夠的關注。結合我國配電網(wǎng)實際,積極研發(fā)應用SDG技術,對于推動我國配電網(wǎng)的技術革命具有十分重要的意義。

SDG將使配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的供方主導、單向供電、基本依賴人工管理的運營模式向用戶參與、潮流雙向流動、高度自動化的方向轉變。隨著我國SDG建設的進展,將產生越來越明顯的經(jīng)濟效益與社會效益,主要以下3 個方面。

1) 實現(xiàn)配電網(wǎng)的最優(yōu)運行,達到經(jīng)濟高效。SDG應用先進的監(jiān)控技術,對運行狀況進行實時監(jiān)控并優(yōu)化管理,降低系統(tǒng)容載比并提高其負荷率,使系統(tǒng)容量能夠獲得充分利用,從而可以延緩或減少電網(wǎng)一次設備的投資,產生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

2) 提供優(yōu)質可靠電能,保障現(xiàn)代社會經(jīng)濟的發(fā)展。SDG在保證供電可靠性的同時,還能夠為用戶提供滿足其特定需求的電能質量;不僅可以克服以往故障重合閘、倒閘操作引起的短暫供電中斷,而且可以消除電壓聚降、諧波、不平衡的影響,為各種高科技設備的正常運行、為現(xiàn)代社會與經(jīng)濟的發(fā)展提供可靠優(yōu)質的電力保障。

3) 推動新能源革命,促進環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)的規(guī)劃設計、保護控制與運行管理方式基本上不考慮SER 的接入,而且為不影響配電網(wǎng)的正常運行,現(xiàn)有的標準或運行導則對接入的DER 的容量及其并網(wǎng)點的選擇都做出了嚴格的限制, 制約了分布式發(fā)電的推廣應用。SDG具有很好地適應性,能夠大量地接入DER 并減少并網(wǎng)成本,極大地推動可再生能源發(fā)電的發(fā)展,大大降低化石燃料使用和碳排放量,在促進環(huán)保的同時,實現(xiàn)電力生產方式與能源結構的轉變。

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徐丙垠山東理工大學教授,科匯電力自動化公司董事長

李天友高級工程師,福建省電力公司副總工

薛永端教授級高工,科匯電力自動化公司總工

金文龍教授級高工,國家電網(wǎng)公司原發(fā)輸電部處長