智能电网详细解析

摘要: 智能电网建设是一项长期而复杂的系统工程, 不仅涉及技术问题, 还需要全社会的参与。文 中分析了智能电网的概念成因、 发展需求及本质动因, 揭示智能电网的深层次内涵, 特别指出在智 能电网发展的初期, 不能一味强调 智能 的外向表现而忽视物理载体和支撑技术的建设, 必须遵循 可靠性原则, 夯实电网结构, 以全局视野实现电网安全性与经济性的高效优化协调。剖析了智能电 网建设的相关技术需求和关键突破点, 从本质动因层面对中国坚强智能电网建设进行有益探索。

0 引言

为了满足经济社会发展的新需求和实现电网的 升级换代, 以欧盟和美国为代表的一些组织和国家 提出了智能电网概念, 政府部门、 电力企业、 电气设 备生产商和 IT 业界厂商也纷纷响应 [ 1 4] 。智能电网 被认为是当今世界电力系统发 展变革的新的 制高 点, 也是未来电网发展的大趋势。

目前, 智能电网的研究和探索都处于起步阶段。 由于能源特点、 电网特质以及社会需求的差异, 各国 对智能电网的定义不尽相同 [ 5 9] 。如何正确认识智 能电网, 制定符合本国能源经济需要的电网发展路 线, 并明确具体的技术需求和突破点, 是建设智能电 网的关键。

智能化是电网发展的一个内涵丰富且长远的愿 景, 是电网发展的目标, 是一个过程。因此, 智能电 网建设是一项长期的系统工程, 不仅涉及技术问题, 还需要全社会的参与。

1 如何认识智能电网

1 1 智能电网的概念成因

21 世纪电力工业面临的巨大挑战: 一是环保压 力, 全球气候变暖问题日益严重, 电力工业节能减排 任务艰巨; 二是安全压力, 包括电力的安全生产及客 户的安全用电; 三是经济压力, 即新技术必须能够以 合理的成本被市场接受。

为了积极迎接挑战, 许多国家根据本国能源资 源和电力工业发展的特点, 形成了以智能电网为核 心内容的各具特色的电网发展模式。目的都是致力 于保障能源安全、 提高能源效率、 改善能源结构、 应对气候变化、 提升服务水平。但社会需求、 环境发展 及利益驱动等国情的差异, 又导致了各国对智能电 网研究和实践的内容不尽相同[ 10 11] 。

美国主要是对陈旧老化的电力设施进行更新改 造或依靠技术手段提高利用效率, 欧洲国家主要是 促进并满足风能、 太阳能和生物质能等可再生能源 快速发展的需要。从技术层面上看, 欧美所倡导的 智能电 网的主要特征是自愈、 互动、 优质、 兼容、 集 成、 经济, 更关注于源端及客户端的接入、 信息的获 取与传输、 新能源开发利用等[ 12] 。

1 2 智能的解读

与 Intellig rid 和 GridWise 相比, Sm art Grid 更 被电力业界和学术流派所认同。Smart 最传神的内 涵 是 巧 , 巧 具 有 聪 明 ( intellig ent ) 和 灵 活 ( f lexible) 2 方面含义。灵活是指具有坚强可靠特质 的灵活性, 富有可持续性和应变能力。坚强平台和 先进技术的有机协调才能充分提升 巧 的能力。因 此, 如果一味强调智能( int ellig ence) 而忽视对物理 基 础 的 夯 实, 智 能 电 网 建 设 将 会 走 向 误 区, intellig ence 也只能是一种 空中楼阁式的 梦想而缺 乏现实可行性。建设智能电网, 并不是说现在的电 网就不具备智能性, 事实上, 电力工作者一直在为电 网的智能化而努力。今后一段时间内, 信息化、 自动 化和互动化将作为智能电网的主要特征而为人们所 关注。

因此, 智能电网是适应未来发展并寄托了人们 美好愿望的现代先进电力系统的统称, 并且首先应 当是一个坚强的电网。坚强是智能电网的基础, 智 能是坚强电网充分发挥作用的关键, 两者相辅相成、 协调统一。灵活性贯穿于电力系统全过程, 如灵活 接入可再生能源( 包括大规模和分布式) 、 灵活安排 运行方式、 让用户灵活安排用电。同样, 坚强可靠网架也是电网安全灵活运行的保障。

智能电网建设是一项长期且复杂的系统工程。 技术层面上, 应通过各种现代的控制、 信息、 通信和 管理技术与传统电力系统的技术和业务相融合, 使 电网运行更加安全、 可靠、 经济和灵活, 为用户提供 更为优质的服务。社会层面上, 需要深入研究与之 配套的宏观政策、 发展战略、 市场机制、 经营管理等 方面的软科学。

1 3 中国特色的坚强智能电网

中国能源资源分布和电力需求的发展 很不平 衡, 需要在更大范围内实现能源资源的优化配置, 这 是中国能源发展战略的出发点。 坚强 被赋予智能 电网的 中国特色 , 源于 2 个现实因素, 一是输电侧 尚处于 爬坡 发展阶段, 二是配电侧和用户侧基础 薄弱。

从输电侧看, 首先, 中国经济社会正处于快速发 展阶段, 作为国民经济基础产业的电力工业发展空 间巨大。而中国电网发展长期滞后, 以适度超前为 发展原则的输电网建设, 必须形成坚强的网架结构, 才能够具备优化能源资源配置的能力。其次, 中国 的能源结构以及能源资源与负荷中心分布相逆的特 性, 决定了能源的远距离、 大规模输送是必然趋势。 另外, 中国太阳能、 风能等资源大多远离能源消费中 心, 必须走 大规模集中开发 的发展道路, 通过大电 网在全国范围内消纳。

在配电侧和用户侧, 要求不断提高电力可靠性 和电能质量, 满足用户对供电性能和多元化的需求。 但是, 中国电力市场目前仅存在于发电与输电之间, 尚未形成以电价为反馈信号的电网与客户的互动机 制, 配电侧和用电侧形成有效的智能电网尚需时日。

电网不仅是电能输送的载体, 也是实现能源资 源优化配置的载体。智能电网应该从物理层面、 信 息通信支撑以及调度控制等环节全面建设。首先, 在物理层面应建设好输电网架, 配置适应新技术需 求的智能元件和良好的测量装置, 做到保护和控制 及时到位; 其次, 建立一个强大、 即时的通信信息网 络; 同时, 建立一个高级控制中心[ 13] , 实现调度的智 能分析和控制。

中国特 色 的 坚强 智 能 电 网 发展 的 总 体 目 标 是[ 14] : 以特高压电网为骨干网架, 以各级电 网协调 发展的坚强电网为基础, 利用先进的通信、 信息和控 制等技术, 构建以信息化、 自动化、 互动化为特征的 自主创新、 国际领先的坚强智能电网。特高压的投 运也大大推动了智能电网概念的成熟。在智能电网 探索之路上, 中国的步伐举足轻重, 将是各国关注的 焦点。然而, 在智能电网建设初期, 发电企业和电网企业必将面临成本上升的问题, 需要政府从提升全 社会资源利用率的角度, 对相关政策进行调整, 以保 证智能电网的健康发展。

2 智能电网的本质动因

智能电网概念的提出, 以及智能电网建设的不 断推进, 都有着特殊的推动因素。本文基于社会经 济发展的阶段性特征、 能源可持续发展的内在要求 以及电网发展的客观规律, 将智能电网建设的本质 动因归纳为以下 7 个方面:

1) 社会经济发展与全球金融危机

全球能源衰竭日益严重, 但社会经济快速发展 又促使能源消费急剧增加, 这对电力发展提出了更 高要求。一方面, 要加快各级电网建设, 构筑结构合 理、 能力强大、 运行灵活的电网系统; 另一方面, 要依 靠科技进步, 进一步提升电网调度管理水平, 提高供 电可靠性和电能质量, 实现安全可靠和经济高效的 电力供应。

本次全球金融危机爆发前, 智能电网的概念已 被提出, 人们开始设想未来电网应具备所期望的各 种智能化功能。金融危机的爆发促使许多国家纷纷 出台刺激经济复苏计划。电网作为不可或缺的基础 性社会设施, 容易与先进 的电子信息技术 相结合。 电网的改造升级及优化不仅关系国计民生, 而且还 能带动相关领域( 信息业、 材料业、 装备制造业等) 的 发展, 既有利于促进经济增长, 又能缓解就业压力。 因此, 金融危机成为了驱动智能电网热的标志性事 件, 如美国奥巴马政府提出的智能电网建设计划。

2) 能源安全与环保约束

能源需求的快速增长对能源资源的可供量、 承 载能力以及国家能源安全提出严峻挑战; 全球气候 变化使得环保约束日趋严格。资源节约型和环境友 好型的社会发展战略目标, 要求电力工业肩负起节 能减排、 发展低碳经济、 保障经济社会和谐发展的重 任。因此, 大力发展可再生清洁能源成为了必然选 择, 这对保障能源安全和缓解资源环境压力都具有 重大意义。有效解决风电、 太阳能等新型可再生能 源的大规模开发、 接入、 远距离输送以 及消纳等问 题, 要求电网更为坚强、 兼容, 具备更强的互动能力, 以真正实现能源资源在全国范围的统一高效配置。

3) 高度灵活可靠的电网安全性要求

随着现代电网的快速发展和互联大电网的逐步 形成, 特高压、 远距离输电、 交直流混联、 大送端及大 受端、 电源形式多元化等特征日趋明显, 电网运行工 况极具复杂性, 如何有效抵御各类严重故障, 降低事 故风险, 对电力系统的规划、 运行与管理等各个环节都提出了极大的安全性挑战。未来电网应具备多级 一体化协调的高度灵活可靠性, 以提升驾驭大电网 安全运行的能力。

4) 清洁高效的电网经济性要求

面对资源节约和环境友好的社会发展需求, 电 网既要充分提高能源效率, 又要节能环保, 实现清洁 高效的经济运行。因此, 积极采用先进技术, 推广使 用高效节能的发电及输电设备, 改进发电调度方式, 加强电力需求侧管理, 是未来电网建设的要求。

智能电网建设初期阶段, 绿色电力成本较高, 另 外, 随着人们用电习惯的改善, 电费支出将减少。可 以预见, 同一时间段内电网公司的经济效益将会下 降, 但可以带来全社会效益的最大化。

5) 高度信息化与自动化的调度需求

调度是电网安全运行和资源优化配置的关键。 一方面, 电网层级增多, 电气联系增强, 电网运行特 性更加复杂; 同步运行的设备数量和用户数量大幅 增长, 交换功率容量显著提高, 加剧了电网运行工况 和潮流的多变性; 交直流混联加大了电网运行控制 的难度; 大型水电、 火电、 核电、 风电基地加快开发, 机网协调矛盾更加凸显, 全局统一协调控制成为电 网调度的必然, 而这一目标又强烈依赖于高度信息 化与自动化的技术支撑。另一方面, 电力运行要求 功率实时平衡的特性导致电网中大量的发输变配资 产的投入仅是为了满足峰荷需求, 设备利用小时数 不高。如果通过合理调配, 所有发电机都运行在其 最优出力附近, 则可以大大减少装机容量, 既节约了 社会资源, 又减少了碳排放。

6) 高质量及多元化的用电需求

随着生活水平的不断提高, 用户对用电安全性、 电能质量及电力多元化服务的需求会越来越高。然 而, 目前的电网状况还远未能满足人们对用电服务 的期 望。此外, 风电、 光伏发电等分布式能 源的接 入, 要求配用电网络能够满足双向兼容性, 亟需智能 化的配用电技术予以支撑。

7) 新技术和新设备的广泛应用

现代化的新理念、 新技术和新设备的不断涌现, 先进的信息、 通信、 网络、 新能源、 新材料、 传感器、 储 能、 电力电子等新型技术及设备在电力系统中的广 泛应用, 为电网的智能化运行和控制提供了技术保 障, 使智能电网有了实现的可能。

3 智能电网的技术需求

智能电网要求具备高度的安全可靠性和灵活互 动性, 能够充分提高能源利用效率, 促进绿色电力发 展, 提高电能质量, 满足多元化的用电需求。智能电网建设的本质 动因直接驱动了其技术 的需求和发 展。

安全可靠供电是电网运行的第一要义, 对于智 能电网更应如此, 既要求物理结构的可靠性, 又要求 支撑技术的先进性。因此, 应采用新型先进的发输 变配电设备, 构建坚强可靠的网架; 研究灵活交直流 输电技术, 提高电网输送能力和控制灵活性; 开展大 电网安全稳定、 智能调度、 状态检修、 全寿命周期管 理、 智能防灾和应急技术, 提高大电网的安全稳定运 行水平及综合防御能力。

提高能源资源的利用效率, 应从 3 个方面开展: 一是提高发电资源利用效率, 需要研究先进的发电 和储能技术、 多能源联合协调优化技术; 二是提高电 网运行和输送效率, 降低电网全局损耗, 需要研究电 网优化分析与运行技术, 安排合理的运行方式; 三是 提高用户侧能源资源利用效率, 研究需求侧智能化 管理技术。

发展绿色电力能 够降低能源消耗和污染物排 放, 需要研究可再生能源并网、 监视、 预测、 分析、 控 制等相关技术; 研究节能环保的优化调度技术, 促进 绿色能源发展与利用; 研究分布式电源接入技术和 微电网技术、 微透平技术, 促进用户侧可再生能源的 利用, 提升用电可靠性。

要实现电网的灵活互动, 应促进电源、 电网及用 户之间的协调互动运行。因此, 需要研究机网协调 运行控制技术, 推进机网信息双向实时交互; 推广发 电厂辅助服务考核技术, 提高发电企业主动参与电 网调节的积极性; 研究互动营销和智能电表技术, 提 高电网与用户间的互动水平和用户服务质量。

信息和通信技术是坚强智能电网建设的支撑技 术, 是坚强智能电网各环节运行的重要基础, 是智能 电网实现互动开发的载体。需要深入 开展信息采 集、 传输、 存储、 处理、 集成及安全等多方面技术的研 究; 研究坚强智能电网的通信 体系架构, 建立大容 量、 高速实时、 具有时间同步和业务感知能力的下一 代光传输网, 满足坚强智能电网对信息和通信技术 的要求。

4 智能电网建设的突破点

智能电网涉及发电、 输电、 变电、 配电、 用电及调 度等环节的全过程, 因此, 建设智能电网是一项复杂 的系统工程, 需要夯实基础, 寻找突破点, 逐步提升 和完善。

发电环节应着重于提升大规模可再生能源的消 纳能力, 研究可再生能源( 风电、 光伏发电) 的调峰调 频技术, 提升可再生能源的机网协调运行水平; 研究 常规机组深度调峰技术, 适应大规模间歇式新能源的接入; 推动大容量储能技术研究, 研究风光储协调 控制技术; 分析直流输电对新能源的影响与作用, 将 直流输电的快速调节能力运用 于大范围的功 率调 配。

在加快建设各级电网协调发展的坚强网架的同 时, 输电环节应广泛采用灵活交流输电技术, 提高线 路输送能力和电压、 潮流控制的灵活性; 需要大力加 强输电线路防灾减灾和抵御风险的能力。因此, 需 要重点突破输电线路在线监测技术, 解决监测手段、 通信方式和信息处理等关键技术。

变电环节需要制定智能变电站和智能装备的技 术标准和规范; 建设智能电网完整、 准确、 及时、 一致 和可靠的信息采集系统, 开展基础信息统一信息建 模及工程实施技术研究, 构建就地、 区域、 广域综合 测控保护体系。因此, 需要重点突破各类电源规范 接纳技术, 满足各类用户的多样化服务需求; 完善智 能设备的自诊断和状态预警能力。

配电环节需要强化配电网基础信息管理, 构建 智能配电技术架构体系, 加强技术评估与标准化建 设。重点突破在分布 式电源接入、 集中/ 分散式 储 能、 电动汽车充电站、 智能调度和通信、 实用型配电 网自动化等方面的关键技术研究并全面推广应用。

在用户服务环节构建智能用户管理与服务体系 架构, 建立相应的标准规范。研究智能电能表等高 级量测装置关键技术和功能规范, 形成智能用户管 理与服务标准规范 体系。广泛 推动智能电能 表应 用, 推广建设高级计量管理体系, 开展用户能效诊断 等增值服务。重点突破智能用户管理与服务技术支 持平台和双向互动平台的建设, 研制客户电源及储 能元件接入监控系统。推动智能电器技术研发和广 泛应用。

调度环节在已有调度支持技术的基础上, 应重 点突破主动式全景可视化技术 和在线并行计 算技 术、 多级协调安全校核技术、 大规模新能源接入的运 行控制技术, 以及大范围水电、 火电、 风电等的联合 优化调度技术。实现电网调度安全防御、 运行优化、 高效管理等实用功能, 切实提升调度驾驭大电网能 力、 资源优化配置能力、 科学决策管理能力和灵活高 效调控能力。

为了适应高峰负荷, 必须安装足够的机组, 建设 足够的输配电网架, 但是会造成发输变配电设备利 用效率较低和社会资源浪费。因此, 要大力发展先 进储能技术。目前的储能装置存在容量低、 冲放电 效率不高、 寿命短等缺陷, 远未达到大规模商业化运 行的需求, 需要材料、 物理、 化学、 电工等领域共同着 手, 寻求突破。

5 结语

电网不仅是电能输送的载体, 更是实现能源资 源优化配置的载体。由于中国能源资源和电力需求 的逆向分布, 需要在更大范围内实现能源资源的优 化配置。具备坚强可靠、 经济高效、 清洁环保、 灵活 互动、 友好开放等性能的坚强智能电网为实现这一 目标提供了可行途径。然而, 智能电网建设是一项 长期而复杂的系统工程, 需要全社会参与。因此, 必 须遵循可靠性原则, 夯实电网结构, 从全局角度实现 电网安全性与经济性的高效优化协调。必须以特高 压电网为骨干网架, 以各级电网协调发展的坚强电 网为基础, 利用先进的通信、 信息和控制等技术, 构 建以信息化、 自动化、 动化为特征的 坚强智能电网。

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