智能配電網(wǎng)概述

標(biāo)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(shù)、高級傳感和監(jiān)視技術(shù)、信息與通信技術(shù)的輸配電系統(tǒng),具有更加完善的性能并且能夠?yàn)橛脩籼峁┮幌盗性鲋捣?wù)。”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(rèn)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(shí)上,智能電網(wǎng)是未來先進(jìn)電網(wǎng)的代名詞,我們可從技術(shù)組成和功能特征兩方面來理解它的含義。

1) 從技術(shù)組成方面講,智能電網(wǎng)是集計(jì)算機(jī)、通信、信號傳感、自動控制、電力電子、超導(dǎo)材料等領(lǐng)域新技術(shù)在輸配電系統(tǒng)中應(yīng)用的總和。這些新技術(shù)的應(yīng)用不是孤立的、單方面的,不是對傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)進(jìn)行簡單地改進(jìn)、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(shù)與傳統(tǒng)的輸配電技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地融合,使電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及保護(hù)與運(yùn)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(zhì)量、運(yùn)行效率、資產(chǎn)管理等方面較傳統(tǒng)電網(wǎng)有著實(shí)質(zhì)性的提高;支持各種分布式發(fā)電與儲能設(shè)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(shù)的發(fā)展最早可追溯到20 世紀(jì)60 年代計(jì)算機(jī)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。20 世紀(jì)80 年代發(fā)展起來的柔性交流輸電( FACTS) 與誕生于20 世紀(jì)90 年代的廣域相量測量(WAMS) 技術(shù),也都屬于智能電網(wǎng)技術(shù)的范疇。進(jìn)入21 世紀(jì),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(shù)與經(jīng)濟(jì)問題的關(guān)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(shè)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(yuǎn)景設(shè)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(jì)劃。在實(shí)際應(yīng)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(xiàng)目的實(shí)施或制定發(fā)展規(guī)劃;作為美國蓋爾文電力行動計(jì)劃( GEI) 的一部分,伊利諾斯工學(xué)院( IIT) 正在實(shí)施“理想電力( Perfect Pow2er) ”項(xiàng)目。

歐洲國家也在積極推動智能電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用工作。歐盟于2005 年成立了“智能電網(wǎng)技術(shù)論壇”;以歐洲國家為基礎(chǔ)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(shè)方面,意大利電力公司( ENEL) 在2002 年～2005 年投資了21 億歐元實(shí)施智能讀表項(xiàng)目,使高峰負(fù)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(shè)計(jì)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(shù)研發(fā)與應(yīng)用方面基本與世界先進(jìn)水平同步。我國地區(qū)級以上電網(wǎng)都實(shí)現(xiàn)了調(diào)度自動化,35 kV 以上變電站基本都實(shí)現(xiàn)了變電站綜合自動化,有200 多個地級城市建設(shè)了配電自動化。廣域相量測量系統(tǒng)(WMAS) 、FACTS 等技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用都有突破性進(jìn)展。最近,國家電網(wǎng)公司提出“建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)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(nèi)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(jìn)行相應(yīng)的糾正性操作,使其不影響對用戶的正常供電或?qū)⑵溆绊懡抵磷钚?。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(nèi)涵要大于供電可靠性。例如目前的供電可靠性管理不計(jì)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(shè)備損壞或長時間停運(yùn)。

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(zāi)害的破壞,避免出現(xiàn)大面積停電;能夠?qū)⑼獠科茐南拗圃谝欢ǚ秶鷥?nèi),保障重要用戶的正常供電。

3) 提供更高的電能質(zhì)量。SDG 實(shí)時監(jiān)測并控制電能質(zhì)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(shè)備的正常運(yùn)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(diǎn)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(hù)控制的自適應(yīng)以及系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化,支持DER 的“即插即用”。通過DER 的優(yōu)化調(diào)度,實(shí)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(yīng)用智能電表,實(shí)行分時電價、動態(tài)實(shí)時電價,讓用戶自行選擇用電時段,在節(jié)省電費(fèi)的同時,為降低電網(wǎng)高峰負(fù)荷作貢獻(xiàn);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(shè)備進(jìn)行可視化管理。SDG全面采集配電網(wǎng)及其設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)以及電能質(zhì)量擾動、故障停電等數(shù)據(jù),為運(yùn)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(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),克服目前配電網(wǎng)因“盲管”造成的反應(yīng)速度慢、效率低下問題。對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線診斷與風(fēng)險分析,為運(yùn)行人員進(jìn)行調(diào)度決策提供技術(shù)支持。

7) 更高的資產(chǎn)利用率。SDG 實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)設(shè)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(jìn)一步提高運(yùn)行效率;在線監(jiān)測并診斷設(shè)計(jì)的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)施狀態(tài)檢修,以延長設(shè)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(shí)時運(yùn)行與離線管理數(shù)據(jù)高度融合、深度集成,實(shí)現(xiàn)設(shè)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(shù)內(nèi)容

SDG集現(xiàn)代電力新技術(shù)于一體,具體內(nèi)容主要有以下幾個方面。

1) 配電數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。這是一個覆蓋配電網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)(控制中心、變電站、分段開關(guān)、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(shù),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(hù)、監(jiān)控與自動化技術(shù)帶來革命性的變化,并影響一次系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。

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

3) 先進(jìn)的保護(hù)控制技術(shù),包括廣域保護(hù)、自適應(yīng)保護(hù)、配電系統(tǒng)快速模擬仿真、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等技術(shù)。

4) 高級配電自動化。目前的配電自動化技術(shù)包括配電運(yùn)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(shè)備管理、檢修管理等) 以及用戶自動化這3 個方面的內(nèi)容。這些內(nèi)容都屬于SDG技術(shù)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(rèn)為是SDG 中的配電自動化。ADA 的新內(nèi)容主要支持DER 的“即插即用”,它采用IP 技術(shù),強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)模型與通信服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化與開放性。

為使SDG 技術(shù)概念更有針對性,筆者建議ADA 僅包括配電運(yùn)行自動化與配電管理自動化,將用戶自動化內(nèi)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(zhì),按需或以設(shè)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(guān)鍵技術(shù),是傳統(tǒng)AMR 技術(shù)的新發(fā)展,屬于用戶自動化的內(nèi)容。

6) DER 并網(wǎng)技術(shù),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(shù)內(nèi)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(shè)、DER 并網(wǎng)保護(hù)控制與調(diào)度管理、系統(tǒng)與設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行。

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

7) DFACTS 是柔性交流輸電( FACTS) 技術(shù)在配電網(wǎng)的延伸,包括電能質(zhì)量與動態(tài)潮流控制兩部分內(nèi)容。DFACTS 設(shè)備包括靜止無功發(fā)生器(SVC) 、靜止同步補(bǔ)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(fù)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(shù),指利用電力電子、高溫超導(dǎo)技術(shù)限制短路電流的技術(shù)。

綜上所述,SDG技術(shù)包含一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)兩方面的內(nèi)容。一個具體的SDG功能的實(shí)現(xiàn),往往涉及多項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用。以自愈功能為例,首先一次網(wǎng)架的設(shè)計(jì)應(yīng)該更加靈活、合理,并應(yīng)用快速斷路器、故障電流限制器等新設(shè)備;在二次系統(tǒng)中,應(yīng)用廣域保護(hù)、就地快速故障隔離等新技術(shù),以及時檢測出故障并進(jìn)行快速自愈操作。

4 建設(shè)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(dāng)年相比已有天壤之別,但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理并沒有很大的變化。進(jìn)入21 世紀(jì),面對當(dāng)今社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力系統(tǒng)提出的新要求和計(jì)算機(jī)、電力電子等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用,有必要重新審視過去電網(wǎng)建設(shè)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(jié)果。智能電網(wǎng)技術(shù)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(zhì)量、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、創(chuàng)新用戶服務(wù)的關(guān)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(zhì)量方面與國際先進(jìn)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(zhì)量惡化的主要因素;電力系統(tǒng)的損耗有近一半產(chǎn)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(jìn)行需求側(cè)管理的著眼點(diǎn)也在配電網(wǎng)。因此,建設(shè)智能電網(wǎng),必須給予配電網(wǎng)足夠的關(guān)注。結(jié)合我國配電網(wǎng)實(shí)際,積極研發(fā)應(yīng)用SDG技術(shù),對于推動我國配電網(wǎng)的技術(shù)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(dǎo)、單向供電、基本依賴人工管理的運(yùn)營模式向用戶參與、潮流雙向流動、高度自動化的方向轉(zhuǎn)變。隨著我國SDG建設(shè)的進(jìn)展,將產(chǎn)生越來越明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益,主要以下3 個方面。

1) 實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的最優(yōu)運(yùn)行,達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效。SDG應(yīng)用先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù),對運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并優(yōu)化管理,降低系統(tǒng)容載比并提高其負(fù)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(shè)備的投資,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2) 提供優(yōu)質(zhì)可靠電能,保障現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。SDG在保證供電可靠性的同時,還能夠?yàn)橛脩籼峁M足其特定需求的電能質(zhì)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(shè)備的正常運(yùn)行、為現(xiàn)代社會與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供可靠優(yōu)質(zhì)的電力保障。

3) 推動新能源革命,促進(jìn)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、保護(hù)控制與運(yùn)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(yùn)行,現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)或運(yùn)行導(dǎo)則對接入的DER 的容量及其并網(wǎng)點(diǎn)的選擇都做出了嚴(yán)格的限制, 制約了分布式發(fā)電的推廣應(yīng)用。SDG具有很好地適應(yīng)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(jìn)環(huán)保的同時,實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)方式與能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

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徐丙垠山東理工大學(xué)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