[工学]智能电网及其发展态势.ppt

智能电网及其发展态势 上海电力学院 * 提 纲 智能电网定义及特征 国外研究现状与成果2. 1. 3. 中国智能电网研究现状与发展趋势 2 4. 智能电网关键技术介绍 1、智能电网定义及特征 1.1 智能电网的定义 1.2 智能电网驱动力 1.3 智能电网的特征 1、智能电网定义及特征 1.1 智能电网的定义 智能电网的概念、定义和特征 v 以物理电网为基础,将现代先进的传感测量技 术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技 术与物理电网高度集成而形成的新型电网。 v 1)充分满足用户对电力的需求和优化资源配置 v 2)确保电力供应的安全性、可靠性和经济性 v 3)满足环保约束、保证电能质量、适应电力市 场化发展等为目的，实现对用户可靠、经济、清 洁、互动的电力供应和增值服务。 1.1 智能电网定义 1、智能电网定义及特征 1.2 智能电网的驱动力 1.2 智能电网驱动力 驱动因素： 美国美国: :年美加大停电后，美国电力行业决心利年美加大停电后，美国电力行业决心利 用信息技术对陈旧老化的电力设施进行彻底改造，用信息技术对陈旧老化的电力设施进行彻底改造， 开展智能电网研究，以期建设满足开展智能电网研究，以期建设满足智能控制、智能智能控制、智能 管理、智能分析管理、智能分析为特征的灵活应变的智能电网为特征的灵活应变的智能电网. . 美国智能电网驱动力 v改造老化的电网设备，提高供电的可靠性和安全性 v提高能源的利用效率和技术的先进性 v提高用户对电价的可承受能力 v适用环境和气候的变化，适用可再生能源的接入， 降低排放水平 v提高在全球的竞争性(经济危机产业) 关键点 美国智能电网驱动力 欧洲欧洲: :发展智能电网也有其独特的发展背景，欧洲智发展智能电网也有其独特的发展背景，欧洲智 能电网的兴起主要是能电网的兴起主要是大力开发可再生能源、清洁大力开发可再生能源、清洁 能源，以及电力需求趋于饱和后提高供电可靠性能源，以及电力需求趋于饱和后提高供电可靠性 和电能质量和电能质量等需求所决定的等需求所决定的。 驱动因素： 欧洲智能电网驱动力 （1）供电的安全性问题 一次能源的缺乏、 供电可靠性和电能质量 供电能力 （2）环境问题 京都协议 气候变化 保护自然 （3）国际电力市场 提供低廉的电价和提高 能效 进行创新和提高竞争能 力 有关垄断的规程修订 关键点 欧洲智能电网驱动力 智能电网的驱动力 驱动力 电力需求的增长与日益老化 的电网框架之间的矛盾。 运行成本控制与相应监管政 策的不确定性的矛盾 环境压力不可再生能源的过 度开采和利用，造成生态环 境破坏和能源枯竭 信息化、数字化等新技术的 驱动 美 欧洲各国的能源政策更加强调 对环境的保护和可再生能源发 展，尤其是鼓励风能、太阳能 和生物质能等可再生能源发展 欧盟和相关国家的政策鼓励和 支持，提倡低碳发电、可再生 能源电力和高效的能源利用方 式，用以减小碳化物的排放， 保护环境 现代新技术的驱动 欧 安全、可靠、价格 合理的电力供应是 国家繁荣、安全的 重要保证 转向了更加高效 、灵活、环保、 且有利于跨欧电 力市场建设等需 求 美国、欧洲智能电网驱动力 中国的情况不是特例，全球电力行业的发展都面临诸多挑战， 既有共性，也有各地区特有的问题。对中国的挑战是： v电力基础设施投资大 量增加 v温室气体减排的压力 越来越大 v快速增长的燃料价格 和负荷需求 中国智能电网驱动力 1、智能电网定义及特征 1.3 智能电网特征 智能电网的关键特性 埃森哲观点 智能电网利用传感、嵌入式处理、数字化通信和IT技术，将电网信息集成到电力公 司的流程和系统，使电网可观测（能够监测电网所有元件的状态），可控制（能够 控制电网所有元件的状态）和自动化（可自适应并实现自愈），从而打造更加清洁 、高效、安全、可靠的电力系统。 清洁：能够大规模利用可再生能源减少对环境的潜在影响 坚强：有能力抵御恶劣天气和外部攻击并确保信息安全 自愈：有能力实现电网的自我诊断，自我调整，自动隔离故障和自动快 速恢复 优化：能够优化资源，提高设备资产的利用率和电网的运行效率 交互：能够与电力市场和用户进行交互和实时响应，提升服务水平 经济：能够以最优成本向社会提供优质电力 智能电网 的特性 智能电网的关键特性 我国智能电网主要特征： 智能电网坚强性特征 （1）坚强性（Robust/Strong） 在电网发生小扰动和大扰动故障时，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； 在电网发生极端故障时，如自然灾害和极端气 候条件下、或人为的外力破坏，仍能保证电网的 安全运行； 二次系统具有确保信息安全的能力和防计算机 病毒破坏的能力。 （2） 自愈性（Self-Healing） 具有实时、在线连续的安全评估和分析 能力 具有强大的预警控制系统和预防控制能 力 具有自动故障诊断、故障隔离和系统自 我恢复的能力。 智能电网自愈性特征 智能电网自愈性特征 （3） 兼容性（Compatible） 能支持可再生能源的正确、合理地接入 适应分布式发电和微电网的接入 能使需求侧管理的功能更加完善 实现与用户的交互和高效互动。 智能电网兼容性特征 智能电网兼容性特征 （4）经济性(Economical) 支持火电和水火电联合经济运行 支持电力市场和电力交易系统 提供清洁和优质电力 实现资源的合理配置 降低电网损耗，提高能源利用效率。 智能电网经济性特征 智能电网经济性特征 （5）集成（Integrated） 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 智能电网集成性特征 智能电网集成性特征 （6）优化（Optimized） 优化资产的利用率 降低投资成本和运行维护成本。 智能电网优化特征 智能电网优化特征 2、国外研究现状与成果 2.1 发展目标与进度安排 2.2 现有研究成果与效益分析 2、国外研究现状与成果 2.1 发展目标与进度安排 美国智能电网发展里程碑 2001 2003 2004 DOE与 NETL合作发起了“现代电网(MGI)”研究,The Modern Grid Initiative : a Vision for the modern grid. Mar. 2007. NETL 2005 2009 2030 EPRI开始“Intelligrid”(智能电网）研究 布什总统要求美国能源部（DOE）致力于电网现代化，DOE发 布“Grid 2030” DOE启动电网智能化(GridWise）项目 之后，研究机构、信息服务商和设备制造商与电力 企业合作，纷纷推出自己的智能电网方案和实践 奥巴马将智能电网提升为美国国家 战略 年份 美国智能电网发展过程 第一步 第二步 2030 突破电网用户端与低压配网智能化 推行可再生能源和分布式电源系统的集成技术与电力储 能技术 发展高温超导电网 年份 美国智能电网发展目标 第三步 欧洲智能电网发展里程碑 成立“智能电网(SmartGrids)欧洲技术论坛” 提出智能电网愿景，制定（1）欧洲未来电网的 远景和策略（2）战略性研究议程战略部 署文件报告 20052006 各国开展自己的智能电网建设探索,应对21世纪的各种挑战和机遇 年份 （3）The SDD Strategic Deployment Document （1）European Smartagrids Technology Platform ：Vision and Strategy for Europes Electricity Networks of the Future 欧洲智能电网技术平台：欧洲 未来电网的远景和策略 （2）Strategic Research Agenda for Europes Electricity Network of the future 欧洲未来电网的战略研究议程 战略部署文件 欧洲智能电网发展过程 欧洲2020年及后续的电力发展目标： 未来欧洲电网应满足如下需求: v 灵活性(Flexible)，在适应未来电网变化与挑战的 同时，满足用户多样化的电力需求； v 可接入性(Accessible)，使所有用户都可接入电 网，尤其是推广用户对可再生、高效、清洁能源 的利用； v 可靠性(Reliable)，提高电力供应的可靠性与安 全性以满足数字化时代的电力需求； v 经济性(Economic)，通过技术创新、能源有效管 理、有序市场竞争及相关政策等提高电网的经济 效益。 2、国外研究现状与成果 2.2 现有研究成果与效益分析 在输电侧在输电侧: : 目前有目前有EPRIEPRI、ABBABB、PJMPJM等机构和企业开展研究。等机构和企业开展研究。 PJMPJM公司认为：公司认为：广域测量技术广域测量技术是保证大电网安全的重是保证大电网安全的重 要手段，也是实现智能输电网的基础，因此要手段，也是实现智能输电网的基础，因此PJMPJM目前主要目前主要 从从同步相量技术和高级控制中心的研究建设同步相量技术和高级控制中心的研究建设着手开展智能着手开展智能 输电网的工作。输电网的工作。 国外智能化实践最新成果 在配电和用电侧在配电和用电侧: : 目前建设的智能电网主要有两个方面目前建设的智能电网主要有两个方面智能电表和智智能电表和智 能家电。能家电。 美国美国: :Xcel Energy Xcel Energy 公司在公司在BoulderBoulder建设全美第一个建设全美第一个 “ “智能电网智能电网” ”城市。城市。 意大利意大利: :安装和改造了安装和改造了30003000万台智能电表，建立起万台智能电表，建立起 了智能化计量网络，每年大约节省了智能化计量网络，每年大约节省5 5亿里拉。亿里拉。 法国法国: :将目前使用的将目前使用的27002700万只普通电表全部更新为万只普通电表全部更新为 “ “智能电表智能电表” ” 。 国外智能化实践最新成果 v Nation wide AMI deployment Italy (30M), Sweden, Finland, UK (in plan) v More than 150 jurisdictions around the world including 110 in North America are planning or implementing smart metering Here are some of AMI examples. It should be emphasized that in China we have implemented lots of Customer portal for large Customers called as “Load management system”. AMI/SG项目 PUC allows rate recovery TXU: 3M meters by 2011 w/ 265k installed to date Centerpoint: 2M meters by 2013 Austin Energy: 234k meters by 2008 AEP Indiana: Negative business case. Regulatory mandate to move forward AEP Ohio: Planning stages AEP Texas: Planning stages APS Electric: Upgrading to AMI meters Currently has older generation TOU meters for 330k residential customers 160k AMR meters installed by 3Q08 MDMS implementation in 2008 Northeast Utilities: filed plan with DPUC Piloted 500 meters 12/2007 10k meter test in 2008 450k meters in next phase 1.2 M meter deployment PUC allows rate recovery PHI: Strategy Planning and Design phase PUC allows rate recovery Georgia Power: 90k meters installed in 2007 2.2M by 2012 PUC allows rate recovery Solar and self-generation initiatives SCE: Business case requires DR PG&E: Initial business case positive with Base AMI Sempra: Business case requires DR PUC allows rate recovery Alliant Energy in planning and RFP phase PUC allows rate recovery Idaho Power: Deployed 25K meters and MDMS Will submit business case to PUC for approval PGN: 2.75M meters deployed Drive-by meter reading AMI Business Case under development AMI Strategy Planning Project SmartGrid Roadmap under development Virtual Generator Project BC Hydro: 1.9M meters Significant theft detection benefits Low DR benefit Consumers Energy: 1.9M Meters Business Case requires DR AC2 Boulder（伯德市） to become first Smart Grid City 美国美国: : Xcel Energy Xcel Energy 公司在公司在BoulderBoulder建设全美第一个建设全美第一个“ “智能电网智能电网” ”城市城市 案例概述 Boulder的实施优势 理想规模（5万名用户） 理想的地理位置选址（可很便捷地进入所 需的电网设备） 理想的智能电网用户 用户很早就精通网络的使用 关注环境问题 愿意接受因正当理由带来的一些短期 的不便 有机会与以下单位进行合作: 科罗拉多大学 美国国家大气研究中心 美国国家标准及技术研究院 市县领导人 Boulder项目范围 合作伙伴模式 工程的四个阶段（2008年3月2009年 12月） l前三个阶段主要是工程的开发 l最后一个阶段重点放在工程分析 5万个可应用智能电网技术的试点场所 2万5千只新电表 5座变电站配备了相应馈线 多种家庭内部解决方案 涉及居民和小型工商业用户 Xcel EnergyAccentureCurrentGroup GridPoint OSIsoftSchweitzer Engineering Smart SynchVentyx 参与智能电网城 市建设的合作伙 伴 案例概述-BoulderBoulder市市 智能电网城市的亮点 基于先进信息技术的动态系统 高速、实时、双向通信 遍布全网的传感器能够进行快速诊断并采取行动 提高高峰时段效率的决策数据和支持 分布式发电技术（例如风电、太阳能和PHEV) 自动化的“智能变电站” 家用能源控制装置 自动化的家庭能源利用 BoulderBoulder市市- -智能电网城市的亮点 1 美国EPRI2004年所做的初步估计 建设智能电网需追加总成本为1650亿美元(其中输电 380亿美元，配电1270亿美元） 效益为6380到8020亿美元 效益与投资比为4.15.1 实例效益分析1 2.东京电力公司配电系统(唯一智能配电网雏形 ） 实例效益分析2 85A 85A 85A 85+85A 85A 510+17085 = 595/600A 170A 85A 510/600A 85A 85A 85A 85A 85A 510+85=595/600A 510+85=595/600A ：section switch ：interconnecting switch ：feeding cable 配电自动化系统的投资收益率（投资资收益）0.77 投资: 254 亿日元年 收益: 328 亿日元年 缩短了供电恢复时间 （与三分段相比）得到快速供电恢复的用户增加了 2.5 倍 平均用户断电时间减少到先前的十分之一 当到达现场时间和开关操作时间延长时，效果会更好 断路器 4min 24min 42min 73min 到达现场 恢复时间 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 客户数 18 min (开关操作 ) 在配电自动化系统应用前 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 4min 6min 24min 55min 到达现场 恢复时间 在配电自动化系统应用后 客户数 在2005年 系统平均停电时间指 标（SAIDI） 东京电力: 2分钟 法国:45分钟 英国:70分钟 美国:80分钟 我国：超过100分钟 系统平均停电频率指 标（SAIFI） 东京电力: 0.05次 系统供电可靠性指标 3、中国智能电网研究现状与发展趋势 3.1 中国智能电网定义、目标及主要特征 3.2 中国智能电网结构体系 3.3 中国智能电网已有基础 3.4 中国智能电网发展思路 3.5 中国智能电网关键技术 3、中国智能电网研究现状与发展趋势 3.1 中国智能电网的定义、内涵与发展目标 3.1 中国智能电网定义、内涵与发展目标 名称：坚强的智能化电网（Strong&Smart Grid ） 总体发展目标：以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚 强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化 、数字化、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。 主要特征：技术上实现信息化、数字化、自动化、互动化；管理上 实现集团化、集约化、精益化、标准化 基本内涵：坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动 4个主要技术特征（Strong Smart Grid ） （1）数字化： 数字化电网、数字化电表与数字化用电设备 （2）信息化： 市场信息、电网信息、用户信息与宽带通信形成的信 息平台 （3）自动化： 大电网安全稳定控制（高级智能调度），变电站自动 化与用户用电系统智能控制 （4）互动化： 电网、发电与用户以信息为基础的互动 2009- 2010 2011- 2015 研究阶段：标准与规划制定；特高压电网建设；智能变电站试点；智能配 电网示范工程 全面建设阶段：完成特高压网架建设；枢纽变电站实现 智能化；初步建成智能调度中心；开展双向互动与分布式 能源试点 完善提升阶段：全面建成统 一的坚强智能电网，技术与 装备达到国际先进水平 年份 我国智能电网发展目标（三步走） 2016- 2020 智能电网与当前电网的不同 特征目前将来 激励/包括电力用户 电价不透明，缺少实 时定价，选择很少 充分的电价信息，实时 定价，有许多方案和电 价可供选择 提供发电/储能 中央发电占优，少量 DG, DR, 储能或可再 生能源 大量“即插即用”的分 布式电源补助中央发电 （节能、环保） 使市场化成为可能 有限的趸售市场，未 很好的集成 成熟、健壮、很好集成 的趸售市场 满足电能质量需要 关注停运，不关心电 能质量 电能质量需保证，有各 种各样的质量/价格方 案可供选择 特征目前将来 优化很少计及资产管理 电网的智能化同资产 管理软件深度集成 自愈 扰动发生时保护资产 （保护跳闸） 防止断电，减少影响 抵御攻击 对恐怖袭击和自然灾 害脆弱 具有快速恢复能力 智能电网是促进电力行业全价值链生产、运行、经营各环节 根本性转变的解决方案 智能电网与当前电网的不同 今天的电网是线性和低效的 发电输电配电用户/表计 发电厂 输电线路变电站配电线路 用户 根据 Lawrence Berkeley 国家实验室的一项研究 ，每年因为短暂和持续停电造成的损失高达790亿 美元 智能电网与当前电网的不同 今天的电网运营呈现条块分割和人工密集型特征 电力企业垂直集成，每家 电力企业各自独立运作 发电集中在大型发电厂 用户对于发电来源和付费 方式等缺乏选择 人工读表或估算用电量 人工方式处理停电，恢复 供电常常较慢 二十世纪后期以来，这一 切都将开始改变 来源: Electric Power Distribution Reliability 智能电网与当前电网的不同 未来的电力系统 互联更紧密、更高效 发电输电配电用户/表计 集中发电厂 集中发电厂 输电变电站配电变电站 智能电表 高效能电器 需求侧管理 插电式混合动 力车 屋顶太阳能 板 屋顶太阳能板 微型发电 动态管理空 调和电冰箱 潮流控制 太阳能发电 厂 风力发电厂 电网储电装 置 电网储电装置 嵌入式风力 发电 电网储电装置 本地 CHP 电能质 量装置 电能质 量装置 电网储电装置 电能质 量装置 自愈装置 自愈装置 智能建筑潮流控制 潮流控 制 智能电网与当前电网的不同 智能电网为用户带来的价值 管理和控制成本的能力 通过改变使用电网电力的时间来 降低电费 通过监测实时家庭电器能源消耗 来管理成本 通过允许电网自动调节家庭电器 配置来降低费用 通过主动参与高峰用电节能来降 低费用 提供可靠电能 更少停电 更信任停电时恢复预测的可靠性 通过“按使用收费”的电池和备 用设备来降低停电的影响 更准确的费用 不再估算电力使用 更信任读表准确度 准确费用预测 减少环境影响 确定通过改变用电行为而节 约的碳排放值 智能电网为用户带来的价值 电力企业必须转变其运营方式 v从 w电网集中控制而且缓慢 w用户反映电能质量/可靠性 w周期性检修 w预测为基础的系统规划 w“鎏金（Gold-plating）”基础设施 w信息获取依照“循需”的原则 w用户是被动和使用电能的 w管理电能流向用户 w工作人员以手工和个人技能来完成工作 v至 w电网控制是分布式，快速的自主平衡和负荷变 化响应 w主动对电网中的质量和可靠性问题进行确认和 反应 w主动监测和状态检修 w数据为基础的系统规划 w资产投资优化 w对用户和政策制定者透明 w用户是能源价值链中的主动积极伙伴 w管理“多向”潮流 w工作人员通过数据和资讯进行分析和获得结果 电力企业必须转变其运营方式 3、中国智能电网研究现状与发展趋势 3.2 中国智能电网结构体系 智能电网贯穿发、输、配、用全过程，通过智能电网的建设，电力系统各 领域都将产生质的飞跃。 优化的电厂选址 鼓励可再生能源投资 严格的排放管理 有效的成本管理 可靠经济的设备管理 灵活的竞价策略 发电 优化的电网规划 具有“自愈”特征的 坚强电网 安全、可靠、节能、 经济的优化调度 适应各种类型的发电 资源 更高的设备利用水平 更低的传输网损 可靠经济的设备管理 更可靠的电力传输 输电 科学经济的配网规划 自适应的故障处理能力 更迅速的故障反应 更可靠的电力供给 更出色的电能质量 可靠经济的设备管理 支持分布式能源和储能 元件 与用户的更多交互 配电 更具竞争力的市场营 销策略 针对用户需求定制服 务 允许用户向电网提供 多余的电力 根据用户的信用控制 电力的供给 用电 六大业务环节 发电领域：主要包括常规大电源基地（大煤电、 大水 电、大核电）、大规模可再生能源、分布式能源、光伏 发电等电源的接入和协调运行技术。 输电领域：主要包括大电网规划技术、电力电子技术、 输电线路运行维护技术、输电线路状态检修技术和设备 全寿命周期管理技术等。 调度领域：主要包括大电网安全稳定分析技术、仿真建 模技术、经济运行技术、综合预警和辅助决策技术、大 电网控制技术、安全防御技术、运行管理技术等。 六大业务环节 变电领域：主要包括变电站信息采集技术、智能传感技 术、实时监测技术、状态诊断技术、自适应/自优化保护 技术、广域保护技术、协调控制技术和站内智能一次设 备技术等。 配电领域：主要包括配电网经济运行、智能预警、辅助 决策、安全控制、设备管理、电能质量、智能配网设备 、大规模储能、电动汽车变电站等技术。 用电领域：主要包括高级量测技术、双向互动营销技术 、用户储能技术、用电仿真技术等。 三大支撑技术 信息技术：主要包括信息体系、信息架构、信息模型、 信息存储、信息集成、信息展示、信息安全、应用平台 、国产化核心软件和设备、信息运维等技术。 通信技术：主要包括通信体系、通信架构、通信标准、 评估模型、通信安全、时钟同步、智能变电站/配电/用 电/家庭通信、无线通信、载波通信、载波通信、通信管 理等技术。 发展战略：主要开展发展环境、战略价值、政策体系、 推进机制、经营管理、绩效评估、电网规划等方面的研 究 4、智能电网关键技术介绍 智能用电与智能需求侧管理技术 Smart Meter Transformer Meter Feeder Meter (energy) Feeder Meter (current) Feeder Meter (energy) Smart Meters 3）智能电表 智能电表和现时电表的比较 功能智能电表现时电 表 自动读 表是不，现时 是人工读表 定时间 隔计量是不，单一累计值 远程接通和断开是不，需要人工接通和断开 即时读 取是不 支持电力公司和电表间双向 通讯 是不 故障检测 和报警是不，需要用户打电话 通报故 障 电表干扰检测 和报警是不，需要现场检查 支持灵活的电价，如分时电 价 是不 可以远程设定和进行软件升 级 是不 与用户户 内网络（HAN）连 接 是不 智能电表 每一个用户处 记录双向间隔信息 小时、30分钟、15分钟或5分钟等 kwh、kvarh、v、kw等 其他功能如远程断开和重接、即时读表、断电报警、表计干扰检测、远程设 变压器表计 记录双向间隔消费信息和电压信息 数据可用于变压器管理和负荷研究 馈线表计 记录双向间隔消费信息和电压信息 15分钟、5分钟、或更短 支持系统实时运行、电压优化、系统分析和规划、负荷研究和预测等 双向间隔量测数据 定和软件升级 多层次的通讯网络 v 把用户账单和用电 信息集成在一起 可读前一天的用电 v 为用户提供详细的 用电曲线和费用信息 分析TOU或CPP对账单的影响 推荐策略以助减少费用 v 减少用户服务成本 网上自助服务减少高额账单抱怨 电话 呼叫中心的显示有助于一次解答 用户的疑问 4）用户信息网站 AMI技术概要 表计 测量、采集 、传输和存 储用户的用 电量 可远程配置 局域网 (LAN) 在表计与采集 器之间传输数 据 正在形成协议 标准 集中器 在计量点采集、 存储和传输信息 根据方案制定相 应的设备 广域网 (WAN) 前置机 连接AMI 与后台应 用系统 根据方案 选择相应 的系统 在集中器与 前置机间传 输数据 根据方案制 定传输协议 终端设备 家域网 (HAN) MDMS 抄表数据的 中心库，可 以被大