中国智能电网发展

中国智能电网的发展齐智平、肖立业中国科学院电工研究所2012年11月,1、政府有关报告中，对电网和新能源发展的总体描述2、基础研究方面卢强院士的973项目（1999-2004）的主要研究成果周孝信院士973项目（2005-2009）主要研究成果余贻鑫院士973项目主要研究成果基金会重大项目资助研究主要情况3、国家863计划资助项目情况及主要研究进展4、国家电网公司智能电网研究情况包括其前期发展、智能电网总体思路，项目布局，试点（如风光储输项目、崇明岛示范项目等）5、南方电网公司包括其前期发展、智能电网总体思路，项目布局，试点6、中科院和高校的有关情况电工所（分布式、多能互补项目-延庆-青海、超导变电站、电力电子变压器等）、高等院及其他单位主要情况7、电气设备制造企业有关情况如西电集团智能变压器与智能开关、荣信的电力电子技术。8、其他有关思想：如武建东等人的有关设想（智能能源网、第三代互联网的概念等）香山会议。9、结束语,中国的国情与问题,地域广阔，能源资源主要集中在西部地区，而负荷资源主要集中在东部沿海及中部地区，远距离电力输送不可避免。这一国情决定了中国电力系统必然朝超大型电力系统方向发展。中国经济发展迅速，电力需求量增加快，近8年来建设的电力设施超过历史上所有电力设施的总和。得益于后发优势，中国电网基础设施的自动化程度比西方发达国家高。中国今后相当长时间内，电力需求增长仍然十分迅速，新能源与传统能源将齐头并进，尽管新能源发展速度高于传统能源，但总量上，传统能源仍然占据主导地位。因此，中国未来电网的建设，在相当长的时间内，不仅要解决大型电网的安全稳定性等问题，而且要解决新能源规模化接入所带来的问题，也要解决分布式电网的发展问题。,国家相关政策、规划,2006年，国家中长期科学和技术发展规划纲要和可再生能源法，到2020，年我国可再生能源在能源结构中比例争取达到16%。2007年，能源发展“十一五”规划和中华人民共和国节约能源法，提出“加快发展风能、太阳能、生物质能等可再生能源”。2011年，国家“十二五”科学和技术发展规划，针对七大战略新兴产业部署科技攻关任务。关于智能电网的科技规划：重点发展大规模间歇式电源并网与储能、高密度多点分布式电流并网、电动汽车充电设施与电网互动协调运行技术、分布式供能、大电网智能分析与安全稳定控制系统、输变电设备智能化等核心技术。建设百万千瓦级海上风电场送出、大电网智能调度与控制、智能变电站等示范工程，建成若干个智能电网示范园区和集成综合示范区。,国家相关政策、规划,2011年，国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要：适应大规模跨区输电和新能源发电并网的要求，加快现代电网体系建设，进一步扩大西电东送规模，完善区域主干电网，发展特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术，依托信息、控制和储能等先进技术，推进智能电网建设，切实加强城乡电网建设与改造，增强电网优化配置电力能力和供电可靠性。2012年，“十二五”国家战略性新兴产业发展规划，到2015年，累计并网风电装机超过1亿千瓦，年发电量达到1900亿千瓦时。太阳能发电装机容量达到2100万千瓦以上，光伏发电系统在用户侧实现平价上网；到2020年，累计并网风电装机2亿千瓦以上，年发电量超过3800亿千瓦时。海上风电装备实现大规模商业化应用。太阳能发电装机容量达到5000万千瓦以上，光伏发电系统在发电侧实现平价上网。,国家相关政策、规划,2012年，智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划，提出九大重点任务：大规模间歇式新能源并网技术、支撑电动汽车发展的电网技术、大规模储能系统、智能配用电技术、大电网智能运行与控制技术、智能输变电技术与装备、电网信息与通信技术、柔性输变电技术与装备、智能电网集成综合示范。目标：建成20-30项智能电网技术专项示范工程和3-5项智能电网综合示范工程，建设5-10个智能电网示范城市、50个智能电网示范园区。,973项目启动以来，在电力系统领域共立5项2012年国家自然科学基金重大项目,基础研究-973、国家自然科学基金项目,1998年-2002年：我国电力大系统灾变防治和经济运行的重大科学问题的研究成果：研究了我国电力大系统安全稳定理论体系和优化经济运行理论，建立发电厂与电网控制与调度的计算机实时信息系统，即电力大系统实时仿真决策系统，提出数字化电力系统概念,2004年-2008年：提高大型互联电网运行可靠性的基础研究成果：针对超大规模互联电网，建立安全风险评估、预警、决策及分布式计算理论，并提出大幅提高500kV超高压交流输电线路输电能力综合方案，解决西电东送的传输容量瓶颈问题,2009年-2013年：分布式发电供能系统相关基础研究2012年-2016年：大规模风力发电并网基础科学问题研究2012年-2016年：智能电网中大规模新能源电力安全高效利用基础研究,含大规模风电的随机-确定性耦合电力系统运行与控制基础理论研究,卢强院士：数字电力系统（DPS）,1999年，提出了数字电力系统的概念：实际电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科研活动等数字化、形象化、实时化的描述与再现。,数字电力系统主要包括：电力系统的物理结构、各个组成部件及其整体物理特性、运行方式、营销策略、管理模式、人员信息等。电力系统各个元件、网络、节点的实时状态变量（StateVariables）；发电厂和变电站主要设备的“健康”状态；经济结构、市场信息；影响电力系统安全运行的自然环境；科技管理阶层、技术人员管理信息；环保设备投入和运行情况；电力系统各个环节的实时效率；其它重要信息。,数字电力系统的主要功能：管理与决策的科学化；安全稳定性实时评估和改善；经济运行策略制定和实施；紧急控制实施；最适解列方案实施；最速恢复策略实施；科学研究与系统规划设计。,周孝信院士：大规模电力系统实时仿真系统,2000-2003硬件系统：并行PC机群(cluster)方案采用千兆以太网或高速Myrinet网络软件系统：网络软件和Linux操作系统软件电磁暂态计算：EMTP、MATLAB和自编程序为基础机电暂态计算：PSASP为基础人机界面控制及接口,计算机集群系统,联想深腾1800高性能服务器,10000节点级大规模电力系统,系统规模：,Myrinet网并行计算测试结果,余贻鑫院士（2006）：分布式智能微型电网技术,高级量测系统（AMR）；高级配电自动化（ADA）；快速配电系统仿真模块（DFSM）；电力电子技术；配电系统SCADA；电力质量管理系统（QMS）。,国家863计划、国家发改委产业化项目,863关键技术研发项目2010年，国家863计划先进能源技术领域部署“智能电网关键技术研发”重大项目共21个课题。研究重点：大规模集中接入间歇式能源并网技术、高密度分布式电源并网技术、支撑电动汽车发展的电网技术、大容量储能系统、智能配电与用电技术、大电网智能调度与智能输变电技术等。,2012年，国家863计划先进能源技术领域设立4个重点专项和6个优先主题。其中，智能电网专项重点支持：大规模间歇式新能源电源并网与储能、电网与电动汽车充电设施协调运行、智能配用电、大电网智能调度与控制、智能装备等智能电网核心关键技术，推动我国电网从传统电网向高效、经济、清洁、互动的现代电网的升级和跨越。,发改委智能电网示范工程与产业化项目智能电网领域的国家智能电网管理物联网应用示范工程支撑智能电网信息安全防护的安全接入平台产业化下一代互联网技术在智能电网应用关键技术研究与示范工程100座新能源示范城市,2005年，国家电网关于加快营销现代化建设的指导意见出台，国网计划投入800亿元（由原先的680亿元）大规模实施电力用户用电信息采集系统，推广电子表与载波抄表，为未来AMR奠定了前期基础；数字化变电站已经开展试点，500kV海宁变电站、徐行变电站等，为智能化变电站奠定了前期基础。国家电网公司推进特高压电网、一体化调度支持系统、资产全寿命周期管理、电力用户用电信息采集系统和电力通信等建设，打造坚强电网，强化优质服务，为智能电网建设奠定了扎实的基础。2007年，华东电网公司启动了高级调度中心、统一信息平台等智能电网试点工程；2008年，上海市电力公司开展了智能配电网研究，重点关注智能表计、配电自动化以及用户互动等。2008年，华北电网公司启动了数字电表等用户侧的智能电网相关实践；2009年，建设坚强智能电网的战略规划开始实施。,智能电网研究与实践-国家电网公司,国家电网智能电网框架：智能电网是以特高压为骨干，各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网。内涵：坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动。涵盖以下方面：运行控制、智能输电、智能设备、信息技术、通信技术、FACTS、能源发展与电源接入、智能配电以及智能用电。,智能电网研究与实践-国家电网公司,智能电网研究与实践-国家电网公司,智能电网研究与实践-国家电网公司,坚强智能电网规划2009至2020年国家电网总投资3.45万亿元，其中智能化投资3841亿元，占电网总投资的11.1%，未来10年将建成坚强智能电网2009至2010年为规划试点阶段，重点开展坚强智能电网发展规划工作，制定技术和管理标准，开展关键技术研发、设备研制及各环节的试点工作；2011至2015年为全面建设阶段，加快建设华北、华东、华中“三华”特高压同步电网，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用；2016至2020年为引领提升阶段，全面建成统一的坚强智能电网，技术和装备全面达到国际先进水平。,智能电网研究与实践-国家电网公司,国家风光储输示范工程,智能变电站在智能电网建设的“规划试点阶段”，共安排了两批74座智能变电站试点工程，覆盖66kV-750kV电压等级。目前已建成陕西750kV延安、河南220kV兴国寺等65个智能变电站。,智能电网研究与实践-国家电网公司,配电自动化2010年，在北京城区、浙江杭州、福建厦门和宁夏银川完成第一批配电自动化试点工程建设。2012年，完成福州、上海等19个城市的配电自动化试点工程建设。,开关站,配电终端,智能电网研究与实践-国家电网公司,大规模清洁能源并网,智能电网研究与实践-国家电网公司,输变电设备状态监测,建立统一的输变电设备状态监测系统。规范各类监测装置的数据处理、接入和控制实现重要输变电设备状态和关键运行环境的实时监测、预警、分析、诊断、评估和预测等功能集中向其它系统提供标准化状态监测数据,智能电网研究与实践-国家电网公司,智能小区除西藏外，已在26个省开展了33个智能小区建设,已在26个省开展了33个智能小区建设,跨能源和行业的资源整合全景式智能配电监控系统基于用电信息采集、95598平台的智能用电互动服务、智能家居涵盖居民、商户及物业管理公司的智能用电小区,智能电网研究与实践-国家电网公司与地方政府合作,智能电网综合示范工程,2009年至2011年，相继在上海、天津、北京、扬州和江西共青城等5个城市开展了智能电网综合建设示范工程。其中，上海世博园和天津生态城工程已建成投运。规划中的崇明岛智能电网综合集成示范，将于2015年实现风能、太阳能、生物质能、地热能、潮汐能5种可再生能源发电占总发电量的40%，到2020年实现“零碳输入”，全岛饱和负荷1200MW-1500MW.,天津生态城智能电网综合建设示范工程,2012年计划建设的17个智能电网综合示范工程,第28页,智能电网定位及实施方案南方电网智能电网建设的指导思想是实事求是地推进智能电网的建设，以需求引导、整体规划、有序推进、重点突破为原则，做好顶层设计，构筑一个合理的智能电网发展体系。定位是要构筑一个智能高效可靠的绿色电网，以提高电力系统安全稳定水平，提高系统和资产的运用效率，提高用户侧的能效管理和优质服务水平，提高资源优化配置和高效运用能力，促进资源节约型、环境友好型社会发展为目标。实施方案，南方电网未来10年大概分两个阶段，第一个阶段是规划、研究和示范，第二个阶段是示范、推广和完善。目前规划已经通过了专家审查。实际上智能电网从发输配用电，把它划分为5个关键领域，17个研究方向，50多项关键技术的研究。同时配送电关键技术研究安排了50多项标准，也包括国家标准，行业标准，企业标准，还包括有些示范工程，有专项示范和综合示范，构成了一个整体。通过技术研究来进一步编写标准，通过示范来验证技术研究，并且通过示范工程进一步指导关键技术研究的深化。,智能电网研究与实践-南方电网公司,智能电网研究与实践-南方电网公司,智能电网发展思路新能源接入：重点开展集中式风力发电，分布式电源、储能设备、电动汽车等新能源设备制造与接入技术研究，制定与颁布相关技术标准，建立国家级试验与检测平台。输变配电：重点开展灵活输电技术、设备状态监测与状态检修、资产全寿命管理。以提高供电可靠性和电能质量、支持分布式能源与电动汽车大规模接入为主线，重点开展配电智能化与分布式能源、储能设备与电动汽车接入技术研究等。用电领域：以提高供电企业营销管理水平和客户服务水平为主线，研究可靠、优质与多元化的智能用电服务关键技术，重点包括AMI(高级量测体系)研究，需求侧响应、基于智能计量体系架构的用户侧节能服务技术，制定智能表计与智能用电终端设备的技术标准，梯级和分时电价政策研究等。调度领域：重点开展区域大电网智能调度支撑关键技术研究。重点包括广域监测与控制、在线安全防御体系、节能调度技术。,智能电网研究与实践-南方电网公司,建成世界上第一个800kV云广特高压直流输电示范工程，目前南方电网已经形成“五条直流、八条交流”13条500千伏西电东送通道，每条都在1000公里及以上，最大输电能力超过2300万千瓦；开展了广域测量系统（WAMS）研究与开发，研发并投运了基于PMU的广域闭环控制系统，提升电网对于功率振荡的抵抗能力，有助于安全运行，探索了新一代大电网控制技术；开展了灵活输电技术研究与设备状态监测技术的综合应用，依托广东电网公司开展了200Mvar链式静止无功补偿器STATCOM研制工作，在广东电科院建设电力设备状态监控诊断中心，主要进行输变电设备智能化监测、诊断及综合信息采集等关键技术的研究和集成。建成中国第一座110kV数字变电站（云南曲靖）和中国第一座500kV全数字变电站（桂林）；建成中国南方电网输电线路灾害预警系统、广东电网远程监测中心、建成广西输电线路监视系统；开展了配电自动化与智能化示范；建成并投运了调峰调频锂离子电池储能站深圳宝清电池储能站，工程规模为4MW/16MWh，可实现配网侧削峰填谷、调频、调压、孤岛运行等多种电网应用功能。,智能电网研究与实践-南方电网公司与地方政府合作,智能电网综合示范工程2010年7月提出“建设一个覆盖城乡的智能、高效、可靠的绿色电网”，包括大力发展智能电网技术，支持新能源、分布式能源、电动汽车等新技术发展。近年来提出的示范规划包括：生态海南岛中新知识城智能配网珠海横琴新区智能配网永兴岛智能微电网，建成岛屿型多能互补微型电网，以配电站和环网柜为网络枢纽点的10千伏单环网主干输电网络，同时充分利用太阳能等新能源，综合利用柴油或LNG的发电余热实现冷、热联供，实现微网供电与供能的可持续发展，最大限度地促进能源资源综合利用，保障三沙用电。,高校开展的智能电网研究与实践活动,我国高校对智能电网的研究均十分重视；在国家973计划项目和国家自然科学基金重大项目针对智能电网的研究方面，高校发挥了重要作用，如：清华大学、天津大学、华北电力大学、华中科技大学、武汉大学等；在国家电网公司、南方电网公司针对智能电网的国家技术攻关，以及与地方政府联合开展的智能电网综合示范工程中，高等院校广泛积极参与，发挥了重要作用。,中科院智能电网相关科技布局,传感与测量,超导输电,分布式电力,信息层面,物理层面,电网数学建模、优化与仿真,网络与通讯,预测与预报,数字电力设备,储能技术,电力电子技术,智能用电终端,可再生能源并网,信息平台与处理,国家能源风电叶片监测中心应用超导重点实验室国家燃料电池及氢能技术工程中心5个太阳能技术研发平台3个可再生能源院重点实验室电力电子院重点实验室,半导体照明,超级计算中心,传感器及网络,超导电力,储能电池,半导体照明,电力电子,分布式智能电网,传感技术国家重点实验室微系统技术研究发展中心中国物联网研究发展中心信息安全国家重点实验室,智能电网,专用芯片技术,智能电网研究与实践-中国科学院传感器网络,技术牵头国内传感器网络标准制定，并代表我国组织编写传感器网络国际标准提案与无锡合作建立了中国物联网研究发展中心，全面推动相关技术及产业发展,上海市公共安全传感网平台,ITS智能交通传感网,浦东机场防入侵传感网系统,防入侵传感网进入世博应用,动态北仑智能传感网覆盖系统,智能电网研究与实践-中国科学院实用化传感器装置,多传感器协同分布式数据融合系统终端实现视频监控以及输电线舞动、倾角、温度、风偏等数据统一监测管理,电力设备绝缘在线监测与智能诊断装置330kV变电站试运行系统,智能电网用全光纤电流传感器110kV等级下0.2精度，目前正在西安高压电器研究院进行型式试验，同时正在准备批量化生产。,智能电网研究与实践-中国科学院新型传感器,输电线舞动/倾角/导线温度复合监测系统实现输电线的舞动、微风振动、导线倾角、弧垂与温度的复合监测分布式光纤测温系统实现电力输变电的全程温度监测和电缆载流量估算，以优化调度输电线路在线监测结冰传感器体积小、成本低、功耗低，适合输电线路覆冰实时监测绝缘子缺陷在线监测分布式、微小型传感器，可实现绝缘子非接触式、在线检测,绝缘子检测芯片,复合监测系统技术方案,谐振式传感芯片,分布式光纤测温系统技术方案,研制成功大容量钠硫电池的成套技术自主研制成功国内2MW钠硫电池中试线，运行正常，实现批量制备完成了电池模块到储能系统的跨越10千瓦储能系统稳定运行超过4000小时百千瓦储能系统将在世博会期间展示。,650安时单体电池,5千瓦电池模块,现有电池性能：单体容量：650Ah能量：1300Wh开路电压：2.0V重量：7.5Kg直径：93mm长度：557mm工作温度：300-350oC比能量：157Wh/Kg,2009年11月28日温家宝总理视察上海钠硫电池研制基地，指出“要推动蓄能电池的发展，第一条就是刻苦钻研，攻克关键技术，掌握自己的知识产权；第二点就是要把科技与应用结合起来，改变科技与产业的两张皮的现象。”,智能电网研究与实践-中国科学院钠硫电池储能技术,10kW飞轮储能系统,基于超级电容器的动态电压恢复器70kW,10kW电动汽车双向智能充放电系统,列车制动能量回收系统，功率500kW、储能量18MJ,智能电网研究与实践-中国科学院储能系统,智能电网研究与实践-中国科学院电力电子技术,国内首次研制出GaN基电子电子器件，击穿电压大于740V,器件方面：研发出数十款VDMOS器件军用产品。研制成功20A/600V、15A/1200V、50A/1200V等IGBT芯片，经用户试用合格后，正转入批产阶段.模块方面：功率等级涵盖几百瓦、几十千瓦到几百千瓦；涉及AC-DC、DC-AC和DC-DC功率变换；应用的功率管包括MOSFET、IPM、FRD和IGBT。,智能电网研究与实践-中国科学院电力电子技术,7.5MVA新型高压大功率变流系统,500kVA并网逆变器，并网运行,3MW变速恒频风电机组变流器,浙江义乌1.295MW并网光伏电站,第41页,智能电网研究与实践-中国科学院分布式智能电网,第42页,智能电网研究与实践-中国科学院太阳热-风-光互补发电,第43页,电力电子变压器,电力电子故障限流器,直流微网,智能电网研究与实践-中国科学院分布式智能电网,数据仓库,44,抽取、转换、装载,数据分析工具(利用润乾报表和WEKA包等进行统计分析和数据挖掘）,支持决策应用（制定和优化智能用电策略规则、能效分析）,智能电网研究与实践-中国科学院智能电网信息系统,智能电网研究与实践-中国科学院多类型储能互补,飞轮阵列储能电站,蓄电池储能单元,超级电容器储能单元,智能电网研究与实践-中国科学院电动汽车充电,交流充电桩,直流充电桩,快速充电机,智能电网研究与实践-中国科学院智能用电技术,智能电表,综合控制终端,智能用电管理控制界面,第48页,智能电网研究与实践-中国科学院分布式智能电网技术,微型电网稳定性分析与控制方法微型电网能量管理微型电网仿真平台电源并网控制技术及装备,微型电网能量管理体系结构,80kVA分布式电源逆变器,微型电网仿真模型,智能电网研究与实践-中国科学院园区微网示范,微网示范系统结构,系统运行监控界面,能量路由器,光伏发电系统,第50页,智能电网研究与实践-中国科学院微型电网实验系统,第51页,智能电网研究与实践-中国科学院16-30MW多能互补发电系统,第51页,满足我国有水无电边远地区的用电需求，削弱大规模光伏并网对电网的冲击和负面影响，提高光伏电站供电安全性和可靠性。项目目标：西藏阿里10MW+6MW水光互补系统、青海玉树水光互补系统20MW+10MW；技术突破：10MW级自同步电压源型控制逆变技术及多台并联组网技术；10MW级DC/DC高效充电控制技术；水光互补发电的能量管理技术；光伏电站自动化及调度系统技术。,青海玉树巴塘6000亩退化草场地形图,西藏阿里狮泉河光伏电站拟建场址,智能电网研究与实践-中国科学院超导电力技术,10.5kV/1.5kA超导限流器,75m/10.5kV/1.5kA高温超导电缆,1MJ/0.5MVA高温超导储能系统,630kVA/10.5kV/0.4kV高温超导变压器,380m10kA高温超导直流电缆,1MJ/0.5MVASMES,10kVHTSFCL,10kV/400V/630kVAHTSTransformer,75m/10kV/1.5kAHTSPowerCable,10千伏全超导变电站（IEE-CAS,2011年十大科技进展）,发电,清洁能源接入大容量储能装置常规电源网厂协调设备,配电,变电,发电,用电,输电,配电,调度与通信,柔性交直流输电特高压交流输电特高压直流输电输电线路监测装置,智能变电站一次设备智能化二次设备网络化,智能配电设备分布式电源接入,大功率节能用电设备用户信息采集与互动电动汽车充放电站,智能电力调度系统电力通信网络,许继电气思源电气国电南自,中国西电平高电气南瑞集团,荣信股份平高电气许继电气理工监测,南瑞集团荣信股份,荣信股份科陆电子南瑞集团,南瑞集团四方股份,智能电网研究与实践-智能电网关键设备和代表性企业,智能电网研究与实践-中国西电集团智能变压器,产品现状：综合应用了智能风冷却器专利技术、绕组光纤测温技术等，并使用电子式互感器代替传统电磁式互感器；已经应用于延安750kV智能变电站。该智能变压器是世界上电压等级最高、容量最大的智能变压器。,智能变压器单个相的内部组成,应用于延安750kV智能变电站的智能变压器,智能电网研究与实践-中国西电集团电子互感器,配126kVGIS电子式电流电压互感器,500kV交流电子式电流互感器,800kV直流电子式电流互感器,产品现状：具有户外独立式电子式电流、电压互感器成熟产品，并进一步研发了与PASS、GIS和开关柜等配套的电子互感器产品；配GIS的126kV、252kV电子式电流互感器已经在工程上大面积应用；LELB-258kV直流电子式电流互感器2010年3月初开始应用于宝德直流联网工程。,智能电网研究与实践-中国西电集团智能开关,产品现状：实现了交、直流互感器、断路器、隔离开关等产品一、二次设备的有机结合；在智能断路器和隔离开关方面实现了产品的挂网运行和自制供货。,ZNK系列开关智能控制器应用连接图,智能电网研究与实践-荣信股份动态无功补偿,产品现状：提供全系列SVC和SVG产品；SVC总装机量超1000套，世界装机容量第一；东莞200MVASTATCOM世界单机容量最大；积极开拓在风电场低电压穿越、ITER等新方向的应