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智能电网基础 1 国内外智能电网研究 1 1美国智能电网发展历程1 2欧洲智能电网发展历程1 3中国智能电网发展历程 1 1美国智能电网发展历程 2001年 美国电科院 epri 最早提出intelligrid 智能电网 并开始研究 2003年 电网智能化联盟由美国能源部牵头成立 最初由7家电力公司组成 目前已有90名成员 代表智能电网产业链中所有利益相关者 2004年 美国battelle研究所和ibm公司先后提出 智能化电网 2008年 美国科罗拉多州的波尔得成立全美第一个智能电网城市 2009年 美国众议院能源和商业委员会通过 美国清洁能源和安全法案 这个法案的第一章就明确规定 美国要发展智能电网 提高电力传输效率 1 2欧洲智能电网发展历程 2005年 智能电网 smartgrids 欧洲技术论坛 正式成立 并提出了智能电网概念 2006年 智能电网欧洲技术论坛 的顾问委员提出了smartgrids的愿景 之后又制定了战略研究议程 用于指导欧盟及其各国开展相关项目 促成智能电网的实现 2006年 欧盟理事会发布能源绿皮书 欧洲可持续的 竞争的和安全的电能策略 强调智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向 1 3中国智能电网发展历程 2007年 华东电网公司正式启动了智能电网可行性研究项目 并规划了从2008年至2030年的 三步走 战略 2009年2月 作为华北电网公司智能化电网建设的一部分 华北电网稳态 动态 暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在北京通过验收 2009年3月 由美国电气制造商协会 中国电力企业联合会和中国电器工业协会联合主办的智能电网标准与技术研讨会在北京举行 2009年5月 在2009特高压输电技术国际会议上 中国国家电网公司发布了建设以信息化 自动化 互动化为特征的 坚强智能电网 的研究成果 2 智能电网概念 2 1什么是智能电网2 2为什么需要建设智能电网2 3智能电网发展面临的障碍与应对措施2 4相关问题 2 1什么是智能电网 目前智能电网提法很多 但并不完全统一 智能电网是未来电网的代名词 从intelligrid gridwise到smartgrids smartgrid 所有人谈论的其实都是未来电网 只是使用名称不一致 智能电网欧洲技术论坛认为 未来电网应具有高灵活性 高可接入性 高可靠性 高经济性 美国国家能源技术实验室认为 未来电网应更可靠 更坚强 更经济 更高效 更为环境友好 更安全 智能电网是一个 共同愿景 2 1 1智能电网生态圈 问题 谁关心智能电网 发电企业 电网企业 包括输电公司和配电公司 电力用户等直接相关 研究者 技术提供者 监管者也与之有千丝万缕的关系 政府高层部门从宏观角度 如保证能源安全 提高电网等基础设施安全性 对应气候变化等角度 也关心智能电网的发展 2 1 2智能电网核心价值 愿景的核心 美国认为智能电网核心价值是 更可靠 无论何时何地 都可为其用户提供合格电能 更坚强 不用付出太大代价即可承受住物理或网络攻击 对自然灾害 安全电网将受到更少损害 且很快可以恢复 更经济 可用公平合理的价格与充足的供应来保证供需平衡 更高效 将运用多种策略 来控制成本 最小化网损 高效发电 并可通过给客户提供能源管理手段来优化资源利用率 环境更友好 可通过效率提升和可再生能源利用来减少对环境的负面影响 使用更安全 对公众和电网工作人员都不会带来任何伤害 欧盟智能电网核心价值是 高灵活性 满足用户需求 同时能应对未来变化和挑战 高可接入性 确保所有电网用户都能接入 高可靠性 确保和提高供电安全性和供电质量 以符合数字时代的需求 高经济性 通过创新 能效管理 平等竞争及监管 达到最高的经济性 总体看来 欧洲智能电网更加强调可再生能源电源接入 美国智能电网更加强调电网坚强可靠 2 1 3智能电网的主要特性和关键技术领域 主要特性新能源 包括可再生能源大型集中式发电 也包括可再生能源小型分布式发电 可再生能源在能源结构比例将日益增大 新客户 既指用户可通过需求侧响应主动参与到电网运行中来 也包括小型分布式发电 微网 电动汽车等新客户 智能电网中 客户可以主动对电网运行方式作出响应 既可从电网中吸纳电能 也可向电网供应电能 相比当前电网 智能电网的电流 金融流 信息流都可双向或多向流动 新电网 新能源与新客户决定了需要建设新的电网与之匹配 在新电网中 超导输电或特高压输电 高效变压器 数字变电站 紧凑型线路等技术将会广泛应用 电网的运行方式也将更加复杂多变 其优化也将带来更大效益 关键技术领域第一层次 一次侧的发输配用各个环节中应用的技术 第二层次 二次侧新技术 包括先进的测量技术 通信技术 智能电器等 第三层次 控制中心侧的电网运行控制与管理技术 包括先进的信息处理技术 先进控制理论 新型管理技术等 2 1 4智能电网所能具有的最高智能形式 智能电网是关于未来电网的美丽愿景 核心价值是愿景中最关键一环 未来使愿景更加明晰 智能电网核心价值需要用一系列指标来予以量化 智能电网的最高智能形式 具有多指标自趋优运行能力 多指标 有运行人员或研究人员最关心的一系列指标组成的多指标集合 自趋优 某个对象通过自身的自动调节 实现从不令人满意的状态到令人满意的状态的一个过程 智能电网的自趋优 电网能够依托完善统一的基础设施 包括一次设施 采集 通信 it平台等 在实现全面的自我检测和信息共享基础上 对自我状态 即电网运营指标评价体系 有准确的认知 并通过智能分析形成决策 借助完善统一的基础设施 自动对自身进行综合调控 使得电网自身状态趋向最优 自趋优 与 自愈 的区别 自愈 是实现电网安全可靠运行的主要功能 指无需或仅需少量人为干预 实现电力网络中存在问题元器件的隔离或使其恢复正常运行 最小化或避免用户的供电中断 区别 从针对的对象讲 自愈仅针对电网运行环节 自趋优针对整个电网运营 范围更广 从达到的目标讲 自愈仅能保证系统在即将发生异常情况或出现异常情况是实现对有问题设备的自动检测和隔离 为单一目标 自趋优是对所有不满意运行状态均采取比必要的动作 为多目标 即 自趋优涵盖自愈的概念 2 2为什么需要建设智能电网 原因 智能电网能给我们带来新的价值 从智能电网生态圈成员所期望的价值方面考虑 建设智能电网的原因 电力用户的理由 更高可靠性 更高电能质量 更多选择 电网企业的理由 更安全 运行成本更低 发电企业理由 吸纳更多可再生能源 国家和社会层面理由 提高能效 能源更安全 环境更友好 2 3智能电网发展面临的障碍与应对措施 智能电网发展面临的障碍主要集中在两方面 新技术研发与应用方面存在的风险包括 研发 应用新型智能能源技术需要大量资金投入 在研发和应用过程中又具有很高的风险 但当前情况下 高风险并不能得到高额回报 新技术应用具有规模效益 而目前智能电网的用户接纳程度尚不足以获得足够的收益解决方法 为采用新智能能源技术 分布式发电 热电联供 负荷管理 终端利用效率等 提供更高的回报 管理者应将新技术与地方纳税人的利益视为一体 充分考虑应用智能电网技术带来的其他收益 应许可或向公用事业公司提供财政激励 以充分的应用新技术 克服风险因素 电网企业动力方面当前运营模式下 电力企业收益依赖于生产和输送电量的多少 因此很多电力企业缺乏足够的动力和回报 去投资并推动分布式发电 可再生能源和环境友好型电网的建设 短期经营压力与长期收益间矛盾 在当前的监管模式下 对智能电网的投资尽管会使长期成本下降 但电力企业的短期成本却上升 对其经营造成压力 解决方面 打破能源产量和利润间的联系采用基于绩效的费用制定方法 提供正面激励 采取措施 激励电网企业降低线路损耗 在输电体系推行最低成本计划 使电网企业将气候变化和其他风险纳入考虑中 3 智能电网相关技术之一 一次与二次侧新技术 3 1先进发电与储能技术3 2二次侧方面新技术3 3智能电网信息支撑平台 3 1先进发电技术 在电力生产中 发 输 配 用四个阶段中发电环节是最具减排潜力的 因此智能电网非常强调新能源的介入 3 1 1风力发电3 1 2太阳能发电3 1 3清洁煤发电技术3 1 4其他新能源发电技术 3 1 1风力发电 优点 清洁无污染 可再生 缺点 不稳定 分布不均衡 大规模风电接入对电网运行和控制的影响 对系统频率的影响风能具备随机性和不可控性 所以风电场的出力主要由风电场所处位置的风力大小决定 当系统中风力发电达到一定比例后 必须考虑风电波动对系统频率的影响 对系统电压稳定性的影响风力发电机组既向电网输出有功功率 又从电网吸收滞后的无功功率 对于无功难于做到连续补偿 这将影响风机接入点附近电网电压 对电能质量的影响风力发电机组出力受风速影响大 容易造成电压闪变和电压波动 风机本身和入网所需电力电子设备对系统产生谐波污染 3 1 2太阳能发电 优点 分布广泛 清洁 安全 缺点 太阳能能量密度小 利用成本高 转化效率低 受气象条件影响大 在夜间无法使用 3 1 3清洁煤发电技术 火力发电是世界上最重要的电力来源 在20世纪90年代 世纪总发电量中煤电比重在63 左右 考虑到我国煤炭资源丰富的实际情况 即便在大力发展可再生能源的背景下 在我国发电量构成中 火电仍将占到70 75 因此 为达到智能电网节能减排目标 必须大力发展清洁煤发电技术 尽量降低煤炭燃烧造成污染 减少温室气体排放 将火力发电的不利因素降至最低 整体煤气化联合循环机组 igcc 增压流化床燃烧联合循环机组 pfbc cc 整体煤气化联合循环机组 igcc igcc被称为 世界上最清洁的燃煤电站 工作原理 将煤气化 将净化后的清洁煤气作为燃料 驱动燃气轮机发电机组发电 燃气轮机的排气送入余热锅炉生产蒸汽 用蒸汽驱动汽轮发电机组发电 igcc的优势 和常规煤发电技术相比 igcc技术可将氮氧化合物的排放量减少90 减少co2排放量35 其联合循环热效率最高达52 以上 同时机组的燃煤后废物处理量少 耗水量比常规汽轮机少30 50 制约其大规模应用的因素 投资过大 发电费用较常规机组高 示范工程项目 2009年7月 华能天津igcc示范电站在天津临港工业区开工 增压流化床燃烧联合循环机组 pfbc cc pfbc cc是在常压流化床基础上发展起来的 在较高压力下进行燃烧的一种燃煤发电技术 具有热效率高 污染排放低 能组成蒸汽燃气联合循环等特点 增压流化床的燃烧效率达99 联合循环发电效率达40 42 sox nox和粉尘排放量低 增压流化床设备模块化程度高 结构紧凑 锅炉体积是同容量常规锅炉的1 4 适合于老旧电厂设备改造时应用 3 1 4其他新能源发电技术 燃料电池原理 在一定条件下使氢气 天然气或煤气与氧化剂发生电化学反应 将化学能直接转化为电能的过程 特点 能量转换效率高 功率密度高 响应速度快 启动时间短 洁净 无污染 噪声低等 制约其大规模商业应用的技术问题 原材料成本 电极工艺和燃料的储存和运输 潮汐能发电因月球引力变化引起潮汐现象 潮汐导致海水平面周期性升降 因海水涨落及潮水流动所产生的能量称为潮汐能 目前 我国正在运行发电的潮汐电站共8座 总装机容量为6000kw 每年发电量1000万余kwh 必须解决的问题 设备锈蚀和海洋生物附着问题 尽量降低对海洋生态环境的影响 生物质能发电指蕴藏在生物质中的能量 是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量 包括几个方面 木材及森林工业废弃物农业废弃物水生植物油料植物城市和工业有机废弃物动物粪便 3 2二次侧方面新技术 3 2 1先进传感技术3 2 2wams3 2 3ami 3 2 1先进传感技术 scada supervisorycontrolanddataacquisition 系统 即是数据采集与监视控制系统 是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统 它可以对现场的运行设备进行监视和控制 以实现数据采集 设备控制 测量 参数调节以及各类信号报警等功能 在电力系统中称为远动系统 3 2 2wams pmu phasormeasurementunit 相量测量单元以gps为采样基准 能全网同步采集机组和线路的电压 电流以及重要的开关保护信号 并能计算得到电压和电流相量 频率和频率变化率 机组和线路功率 发电机内电势以及根据机组间信号实测机组功角 同时还能提供扰动触发的暂态记录 wams wide areameasurementsystem 广域测量系统可将带时标的相量数据打包并通过高速通信网络传送到数据中心 数据中心对各子站的相量进行同步处理和存储 并可计算系统惯性中心相角及各机组 母线的相对相角 3 2 3ami advancedmeteringinstracture 先进量测体系 目的 为了完成用户侧和电网调度侧的双向 互动的交流和控制 组成 智能电能表和位于电力公司内部的量测数据管理系统以及连接它们的通信系统 功能 远程监测 分时电价 需求侧管理等 3 3智能电网信息支撑平台 信息来源更广泛 信息量更大 智能电网中 信息来源包括电气设备 用户侧信息 气象信息 人员信息 ami 智能用电设备等 支持信息的双向流动 传统电网中 信息通常由设备侧流向调度中心 即单向信息流动 智能电网中 信息不仅从设备和用户侧流向调度中心 同时设备和用户侧也需要同时获得调度中心以至于其他设备和用户的相关信息 统一的数据共享机制 整合各类数据来源 形成统一的数据共享平台 并根据智能电网的各类不同应用对数据的具体要求提供相应的数据服务 4 智能电网相关技术之二 控制与管理新技术 4 1适应智能电网的管理调度模式4 2智能调度中心技术4 3智能用电管理技术4 4智能电网实现面临的主要技术挑战 4 1适应智能电网的管理调度模式 4 1 1虚拟发电厂4 1 2微电网4 1 3需求侧管理 4 1 1虚拟发电厂概念 一系列分布式发电及可控负荷的集合 该集合由一个中央控制中心统一调控 作用 通过这种管理和调度方式 交易中心和调度中心不再需要知道每个分布式发电资源的信息 而只需对虚拟发电厂的中央控制中心进行统一调控 由虚拟发电厂的中央控制中心对各个分布式发电电源进行调整 交易中心也仅需与虚拟发电厂进行交易 这种方式还可以减轻调度中心和交易中心的压力 而不同类型的分布式发电资源之间的互补性也使得虚拟发电厂具备一定的可控性 更适于参与电力系统调度和交易 优势 1 不需对现有电力系统调度模式和发电资源进行全面更新 只需对现有资源进行有效整合 对其控制系统进行更新 这仅需较小的投入 但收益显著 2 对电网侧来讲 虚拟发电厂将大量分布式发电资源整合在一起 将其作为传统电厂进行调度 降低了可再生能源的不可控性 提高了系统稳定性 3 对拥有分布式发电的用户来讲 由于可根据具体情况选择合适的虚拟发电机供电 同时也可通过虚拟发电厂参与电力市场的交易 因此可提高用户的收益 示范工程 欧盟在英国渥金和西班牙阿拉瓦开始了两个示范工程 4 1 2微电网概念 通过在配电网建立单独发电单元对重要负荷进行供电 这些发电单元和负荷及相应的配电线路组成一个相对独立的微型电网 即 微电网将发电机 负荷 储能装置及控制装置等结合 形成一个相对独立的可控单元 在完成向用户供电和供热的同时 接受电力系统的调度和管理 建设微电网的目标将其建成为电力系统可控的 细胞 即微电网可根据调度中心的需求在短时间内作出响应以满足电网需求 对用户来讲 可根据用户的实际需求提供相应的电源供应 微电网与大电网间的连接通过pcu powerconditioningunit 连接 因此微电网入网标准并不针对各个具体微电源 只需考虑整个微电网 因此微网可较好的解决分布式电源的接入问题 4 1 3需求侧管理dsm demandsidemanagement 通过采取有效地激励措施 引导电力用户提高用电效率 优化用电方式 在不影响用户正常用电需求的情况下减少电力消耗和电能需求 达到保护环境和节约能源目的的用电管理活动 目的通过调整售电价格机制 引导用户的用电行为 更加高效地利用电能 高效地利用发电 输电和配电设备 全面提高电力行业的投资效率 降低成本 提升发电 输配电和用户间的资源优化配置的水平 分类能效管理通过用户采用先进技术和高效设备提高终端用电效率 减少用电消耗 取得节约电量和减少排放的效果 负荷管理通过负荷调整技术改善用户的用电行为和用电方式 从而达到降低电网最大负荷 取得节约电能 减少系统装机容量的效果 4 2智能调度中心技术 与传统电力调度中心的区别 在二次侧技术方面的新进展使电网的可观测性增强 传统电网的监测装置常装设于变电站或馈线处 对用户侧的信息了解仅限于用电量等非实时信息 智能电网可实时获取用户的用电情况 甚至可包括其有功 无功 电流 电压等信息 智能电网中可控资源由原来以发电资源为主转变为发电 负荷 储能装置以及基于电力电子技术的可控输变电设备 智能电网支持分布式发电大规模接入 支持能量的双向自由流动 传统电网能量是单向流动 运行和调控更为灵活 4 3智能用电管理技术 传统电网中 用户仅具备消费者的智能 并不能参与到电力系统的运营中来 智能电网强调用户的参与 鼓励用户和电