智能电网技术综述

文献综述 论 文 题 目 智能电网技术综述 学 院 名 称 电子与信息工程学院 专 业 电气 09 1 班 学 生 姓 名 周定勇 学号 09401170119 指 导 教 师 骆再飞 日期 2012 年 11 月 18 日 智能电网技术综述 周定勇 宁波工程学院 电气自动化 浙江 宁波 315000 摘摘 要 要 阐述了智能电网的内涵和特点 总结了智能电网技术的国内外研究现状 分析了 我国发展智能电网的条件 指出了建设智能电网在网络拓扑 通信系统 计量体系 需求 侧管理 电力电子设备 分布式电源接入等领域需要解决的关键技术问题 关键词关键词 智能电网 需求侧管理 高级计量体系 节能减排 分布式发电 Survey on Smart Grid Technology Zhou ding yong Ningbo University of Technology Electrical automation Zhejiang Ningbo china Abstract In this paper the connotation of smart grid is expounded the present research status of smart grid home and abroad As a reference for relative researchers this paper analyzes the conditions to develop smart grid in China and points out the key technological problems to be solved for the development of smart grid in the fields of power network topology communication system metering infrastructure demand side management power electronic equipments distributed generation integration Key words smart grid demand side management advanced metering infrastructure energy saving and pollutant emission reducing distributed generation 引言 当前 节能减排 绿色能源 可持续发展成为各国关注的焦剧 1 人类能源发展面临 的第一挑战 是以可再生能源逐步替代化石能源 建造能源使用的创新体系 以信息技术 彻底改造现有的能源利用体系 最大限度地开发电网体系的能源效率 因此期望通过一个 数字化信息网络系统将能源资源开发 输送 存储 转换 发电 输电 配电 供电 售 电 服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其它用能设施连接在一起 通过智能 化控制实 现精确供能 对应供能 互助供能和互补供能 将能源利用效率和能源供应安全提高到全 新的水平 将污染与温室气体排放降低到环境可以接受的程度 使用户成本和投资效益达 到一种合理的状态 这就是智能电网的思想 2 8 针对智能电网技术 美国和欧洲已经形成强大的研究群体 研究内容覆盖发电 输电 配电和售电等环节 许多电力企业也在如火如荼地开展智能电网建设实践 通过技术与具 体业务的有效结合 使智能电网建设在企业生产经营过程中切实发挥作用 最终达到提高 运营绩效的目的 10 12 随着我国特高压电网的建设和电力体制改革的不断深化 智能电网也将成为我国电网 发展的一个新方向 在宏观政策层面 电力行业需要满足建设资源节约型和环境友好型社 会的要求 在市场化改革层面 电能交易手段与定价方式正在改变 市场供需双方的互动 将越来越频繁 电网必须能够灵活地支持各种电能交易 本文将综述智能电网的概念以及 国内外研究现状 结合我国能源分布及电网特点 分析我国发展智能电网的条件和需要解 决的关键技术问题 以飨读者 1 智能电网的内涵和特征 目前对于智能电网尚未有统一的定义 但一致认为智能电网是一个中长期的目标和愿 景 vision 文献 16 18 主要强调了突出自愈功能的智能电网 文献 19 20 提出了智能配 电网的定义 认为研究重点关注的应为配电网 文献 21 22 阐述了一种将信息与通信 控 制技术集成到电力系统所有相关环节 覆盖从需求侧到发电侧以及电力市场的全面智能电 力网络 但也有能源专家认为 互动电网 更能体现下一代电网的特征 21 综合文献所述 智能电网应以现代输配电网为物理基础 建立在集成和高速双向的通 信网络平台上 综合应用先进的传感和测量 计算机 微电子 电力电子 控制以及智能 决策等技术 利用电网实时全景信息 进行实时监控 灾变防护和用户互动 以实现可靠 安全 经济 优质 高效的电网运行和可持续发展 最终实现的智能电网应具有以下关键 特征 18 21 24 25 1 自愈的电网 包括对事故的预测与决策 通过实时采集电力系统的动态信息 及 时发现并快速诊断可能存在的隐患 预测故障及其可能引发的系统震荡和级联事件 进行 风险评估并且采取预防和校正控制手段 如将大电网按照风险等级适当分区等 当故障发 生后 迅速把电网中有问题的元件从系统中隔离出去 并自动进行必要的事故控制和恢复 控制 保证用户供电的连续性 防止大面积停电的发生 2 互动的电网 与传统的 单向电网 相比 智能电网将实现需求侧响应功能 鼓 励用户参与电力系统的运行和管理 电力供应方与用户间建立双向实时的通信系统 可实 时通知用户其电力消费的成本 实时电价 电网目前的状况 计划停电信息以及其他一些 服务的信息 从而用户也可以根据这些信息制定自己的电力使用的方案 有助于平衡供求 关系 确保系统的可靠性 3 安全的电网 智能电网的安全策略包含应付威慑 实现预防 检测和反应 以尽 量避免和减轻事故对电网和经济的影响 智能电网需要通过加强电力企业与政府之间的密 切沟通 并且在电网规划中强调安全风险 加强电网运行安全和网络安全等手段 提高智 能电网抵御风险的能力 4 优质的电网 新型的智能电网可提供满足不同用户需求的优质电能 并且能对电 能质量进行分级和价格联动 5 高效的电网 通过高速通信网络实现对运行设备进行在线状态监测 获取设备的 运行状态 提高单个资源的利用效率 整体优化调整电网资产的管理和运行 实现最低的 运行维护成本及投资 6 市场化的电网 智能电网通过市场上供给和需求的互动 将形成更为紧密与高效 的市场行为模式 通过有效的市场设计可以提高电力系统的规划 运行和可靠性管理水平 从而促进电力市场的自由买卖以及公平竞争 7 兼容的电网 智能电网打破了传统单一的远端集中式发电 而实现集中发电与分 散发电的兼容 各种可再生能源分布式发电和储能系统以 即插即用 的形式接入 扩大 了系统运行调节的可选资源范围 满足电网与自然环境的和谐发展 8 多元化的电网 以输配电网为物理实体 以集成 高速 双向的通信网络信息系 统为平台的智能电网 将电力系统的监视 控制 维护 能量调度 配电管理 市场运营 企业资源计划等系统统一集合在智能电网大平台上 在此基础上实现各种业务的交互与 集成 2 各国智能电网发展现状 目前智能电网建设正处在初始阶段 由于不同国家的经济与发展条件的不同 各国都 结合本国的特点来规划和发展智能电网 因此其发展重点和步骤也不相同 欧美等发达国家的高科技产业发达 负荷增长相对较小 输电网架构变化较小 电力 工业已步入成熟期 在过去一段时间内电力投资相对较少 但近年的大停电事故使政府对 电网安全可靠运行重新予以重视 21 23 同时为了最有效地利用资源 这些国家关注的重点 是停电时间最小化和市场效益最大化 更多地从市场 安全 电能质量和环境等方面出发 重点强调信息技术与电网的结合及基于信息的业务重整 许多研究侧重从用户端来考虑智 能电网的功能 来建立一个高效 安全 环保 灵活和互动的智能电网 20 21 2009年1月 美国发布了 经济复兴计划进度报告 宣布将铺设或更新4827km 3000 英里 输电线路 并在未来三年内为美国家庭安装4000万个智能电表 26 2009年2月 总 额达7870亿美元的 美国复苏与再投资法案 签署生效 其中新能源为主要领域之一 重 点包括发展高效电池 智能电网 碳储存和碳捕获 可再生能源如风能 太阳能等 27 此 后 美国政府又宣布了一项约40亿美元用于开发新的电力传输技术的计划 美国能源部 DOE 也宣布拟拨39亿美元资助 美国复苏与再投资法案 相应的项目 电力运营商等 可在制定智能电网相关项目计划时向DOE申请提供资金 28 美国的智能电网突出可再生能源和新技术应用 并力求将分散的智能电网集结成全国 性的先进电力网络 实现全国范围内的发输配和用电系统的优化运行和管理 同时进一步 考虑与加拿大 墨西哥等地电网互联和优化合作 欧盟于2005年启动建设智能电网技术平 台 Smart Grids Technology Platform 2006年欧盟理事会的能源绿皮书 欧洲可持续的 竞争的和安全的电能策略 明确强调欧洲已经进入一个新能源时代 智能电网技术是关键 技术和发展方向 同时欧盟拟成立智能电网协会 进一步加强智能电网的研发和协调 提 供权威信息并制定标准 2009年初 欧盟有关圆桌会议进一步明确要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 规模集成的跳跃式发展 28 目前 英 法 意等国都在加快推动智能电网的规划和建设 欧洲智能电网计划将广 域电力输送网络技术与智能电网结合形成广域智能网络 最终范围将覆盖到欧盟 北非 中东等国家和地区 在亚洲经济发达的日本和韩国相继开展了智能电网的研发 日本政府所定义的智能电 网重点在大规模开发太阳能等新能源 确保电网系统稳定 日本政府计划于2010年开始在 孤岛进行大规模的智能电网建設试验 主要硏究在大规模利用太阳能的情况下 如何统一 控制电力和频率的波动 以及储能技术等课题 29 2009年3月 东京工业大学成立了 综 合研究院 并拟进行可再生能源如何与电力系统相融合的智能电网项目 韩国把智能电网的重点定为电力产业供求双方的用户互动系统 并大力发展可再生能 源发电的联网和存储技术 在不断降低成本和提高效率的同时 提高整个电网的可靠性及 可用性 韩国政府计划2011年前在济州岛建立一个智能电网综合性试点项目 该项目将融 合新型信息技术以及卫星定位技术 实现对电力需求和供应的在线实时监控 并可作为未 来智能电网建设的测试基地 30 并在2030年成为世界上第一个真正意义上的智能电网国家 各国政府积极推进智能电网建设 一些小型的智能电网已先后建成 早在2001年 意 大利的电力公司就安装和改造了3000万台智能电表 建立了智能化计量网络 2005年在意 大利EnelS p A建设的智能电网 采用了自主研发的测量仪表及软件系统 被认为是第一 个部分采用智能电网技术的商用网络 东京电力公司的电网通过光纤通信网络 逐步实现 对系统范围内已呈网状结构的6kV中压馈线进行实时量测和自动控制 成为未来智能配电 网的基础 18 2008年4月 美国科罗拉多州波尔得市已经建成全美第一个智能电网 与此 同时美国还有10多个州正在开始推进智能电网发展计划 31 3 智能电网关键技术 3 1 坚强而灵活的网络拓扑 坚强 灵活的电网结构是未来智能电网的基础 我国能源分布与生产力布局很不平衡 无论从当前还是从长远看 要满足经济社会发展对电力的需求 必须走远距离 大规模输 电和大范围资源优化配置的道路 特高压输电能够提高输送容量 减少输电损耗 增加经 济输电距离 在节约线路走廊占地 节省工程投资 保护生态环境等方面也具有明显优势 因此 发展特高压电网 构建电力 高速公路 成为必然的选择 如何进一步优化特高压和各级电网规划 做好特高压交流系统与直流系统的衔接 特 高压电网与各级电网的衔接 促进各电压等级电网协调发展 送端电网和受端电网协调发 展 城市电网与农村电网协调发展 一次系统和二次系统协调发展 成为需要解决的关键 问题 随着电网规模的扩大 互联大电网的形成 电网的安全稳定性与脆弱性问题越来越突 出 对主网架结构的规划设计要求相应地提高 只有灵活的电网结构才能应对冰灾 战争 等突发灾害性事件对电网安全的影响 3 2 开放 标准 集成的通信系统 智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力 既包括识别故障早期征兆的 预测能力 也包括对已经发生的扰动做出响应的能力 智能电网也需要不断整合和集成企 业资产管理和电网生产运行管理平台 从而为电网规划 建设 运行管理提供全方位的信 息服务 因此 宽带通信网 包括电缆 光纤 电力线载波和无线通信 将在智能电网中 扮演重要角色 14 这也是GridWise和IntelliGrid项目的重要研究内容 智能电网的发展对网络安全提出了更高的要求 这一问题需要格外注意 目前美国EP 砧的合作伙伴PowerWec EEl NERC以及爱达荷州实验室正致力于信息安全问题的研究 3 3 高级计量体系和需求侧管理 电网的智能化需要电力供应机构精确得知用户的用电规律 从而对需求和供应有一个 更好的平衡 目前我国的电表只是达到了自动读取 是单方面的交流 不是双方的 互动 的交流 由智能电表以及连接它们的通信系统组成的先进计量系统能够实现对诸如远程监 测 分时电价和用户侧管理等的更快和准确的系统响应 将来随着技术的发展 智能电表还可能作为互联网路由器 推动电力部门以其终端用 户为基础 进行通信 运行宽带业务或传播电视信号的整合 这里涉及到用户门户 customer portal 技术 作为美国Intelligrid项目的重要研究内容之一 该项研究致力于设计 与目前用户使用的提供 非能源服务 的协议相连接的接口 3 4 高级电力电子设备 电力电子技术在发电 输电 配电和用电的全过程均发挥着重要作用 15 现代电力系 统应用的电力电子装置几乎全部使用了全控型大功率电力电子器件 各种新型的高性能多 电平大功率变流器拓扑和DSP全数字控制技术 目前我国在电力电子技术领域与国外的主要差距是 国内不能制造全控电力电子器件 大功率变流器制造技术水平较低 装置可靠性差 电力电子全数字控制技术水平还处于初 级阶段 应用系统控制技术和系统控制软件水平较低 缺乏重大工程经验积累等 15 3 5 可再生能源和分布式能源接入 在发展智能电网时 如何安全 可靠地接入各种可再生能源电源和分布式能源电源也 是面临的一大挑战 分布式能源包括分布式发电和分布式储能 在许多国家都得到了迅速发展 分布式发 电技术包括 微型燃气轮机技术 燃料电池技术 太阳能光伏发电技术 风力发电技术 生物质能发电技术 海洋能发电技术 地热发电技术等 分布式储能装置包括蓄电池储能 超导储能和飞轮储能等 15 风能 太阳能等可再生能源在地理位置上分布不均匀 并且易受天气影响 发电机的 可调节能力比较弱 需要有一个网架坚强 备用充足的电网支撑其稳定运行 随着电网接 入风电量的增加 风电厂规划与运行研究对风电场动态模型的精度和计算速度提出了更高 的要求 9 文献 9 介绍了分布式能源领域的最新进展 在过去的十几年中 燃料电池技术发展非 常快 但要使燃料电池成为一种可靠的能源 还需要解决很多问题 风能和太阳能作为分 布式能源的重要组成部分 都具有波动性和间歇性的特点 对可靠供电造成冲击 通过改 进天气预报的准确性 可以更加准确地预测分布式发电的变化情况 通过合理调度减小其 波动对电网的影响 4 结束 本文通过对智能电网有关的大量文献综述 阐述了智能电网的历史 核心思想 功能 特征等内容 介绍了几个国家建设智能电网的情况 文章的最后还给出了关于智能电网技 术的一些关键点 随着智能电网的建设 电力系统必将实现数字化 信息化 自动化和智 能化 并将最终实现安全 可靠 优质 高效运行和节能 环保 可持续发展目标 5 参考文献 1 康重庆 陈肩鑫 夏清 低碳电力技术的研究展望 J 电网技术 2009 33 2 1 7 2 谢开 刘永奇 朱治中 面向未来的智能电网 J 中国电力 2008 4l 6 19 22 3 余贻鑫 栾文鹏 智能电网 J 电网与清洁能源 2009 250 7 11 4 余贻鑫 面向2l世纪的智能配电网 J 南方电网技术研究 2006 2 6 14 16 5 陈建民 周健 蔡霖 面向智能电列愿景的变电站二次技术需求分析 J 华东电力 2008 36 11 37 38 6 王明俊 自愈电网与分布式电源 J 电网技术 2007 31 6 1 7 7 王明俊 突出自愈功能的智能电网 J 动力与电气工程师 2007 2 12 16 8 武建东 全面推互动电网革命拉动经济创新转型 EB OL 2009 02 03 9 李亚楼 周孝信 林集明 2008年IEEE PES学术会议新能源发电部分综述 J 电网技 术 2008 32 20 1 7 10 法国电力公司试验智能电网提高风电使用率 EB OL 2009 0l 19 11 柳明 何光宇 沈沉 IECSA项目介绍 J 电力系统自动化 2006 30 13 99 104 12 帅军庆 创新发展建设智能电网 华东高级调度中心项目群建设的实践 J 中国电力 企业管理 2009 4 19 21 13 刘文博 张伯明 吴文传 在线静态电压稳定预警与预防控制系统们 电网技术 2008 32 17 6 11 14 丁道齐 一体化的电力与通信系统体系结构 J 电力系统通信 2008 29 183 1 9 15 钱照明 我国电力电子与电力传动发展的大好机遇 J 变频器世界 2008 7 40 60 16 王明骏 自愈电网与分布能源 J 电网技术 2007 31 6 1 7 17 MOSLEHI K KUMAR A B R SHURTLEFF D et al Framework for a Self healing Power Grid C 2005 IEEE Power Engineering Society General Meeting 12 16 June 2005 San Francisco CA USA IEEE 2005 3 3027 18 余贻鑫 栾文鹏 智能电网 J 电网与清洁能源 2009 25 1 7 11 19 余贻鑫 新形势下的智能配电网 J 电网与清洁能源 2009 25 7 1 3 20 MOMOH J A Smart Grid Design for Efficient and Flexible Power Networks Operation and Control Power Systems Conference and Exposition C 2009 IEEE PES 200