智能电网全方位介绍

智能电网目录1 智能电网的概念和特点 11.1 概念 11.2 特点 12 智能电网的构造与特性 22.1 智能电网构造 22.2 智能电网特性 23 智能电网系统构成 43.1 发电系统 43.2 输电系统 63.3 配电系统 83.4 用电系统 94 智能电网的核心技术 134.1 通信技术 134.2 量测技术 144.3 设备技术 154.4 控制技术 154.5 支持技术 175 重视领域 195.1 智能规划 195.2 智能操作 195.3 智能管理 196 总结 20智能电网的概念和特点概念智能电网是指一种完全自动化的供电网络，其中的每一种顾客和节点都得到实时监控，并确保从发电厂到顾客端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。智能电网通过广泛的应用分布式智能和宽带通信，以及自动控制系统的集成，确保市场交易的实时进行和电网上各组员之间的无缝连接及实时互动。美国电力科学研究院对智能电网的定义为：运用传感器对发电、输电、配电、供电等核心设备的运行状况进行全方面的实时监控，然后把获得的数据通过网络系统进行收集、整合，最后通过对数据的分析、挖掘，实现对整个电力系统运行的优化管理。特点1．安全：更加好地对人为或自然发生的扰动作出辨识与反映。在遭遇自然灾害、人为破坏等不同状况下确保人身、设备和电网的安全。2．经济：支持电力市场竞争的规定，优化资源配备；提高设备传输容量和运用率，有效控制成本，实现电网经济运行。3．清洁：既能适应大电源的集中接入，也能对分布式发电方式和谐接入，做到“即插即用”。支持风电、太阳能等可再生能源的大规模应用。4．优质：实现与客户的智能互动，以和谐的方式、最佳的电能质量和供电可靠性满足客户的需求，向客户提供优质服务。智能电网的构造与特性智能电网构造从广义上来说，智能电网涉及能够优先使用清洁能源的智能调度系统、能够动态定价的智能计量系统以及通过调节发电、用电设备功率优化负荷平衡的智能技术系统。将来智能电网的基本构造，电能不仅从集中式发电厂流向输电网、配电网直至顾客，同时电网中还遍及多个形式的新能源和清洁能源：太阳能、风能、燃料电池、电动汽车等等；另外，高速、双向的通信系统实现了控制中心与电网设备之间的信息交互，高级的分析工具和决策体系确保了智能电网的安全、稳定和优化运行。图2.1中国特色智能电网总体示意图智能电网特性智能电网涉及八个方面的重要特性，这些特性从功效上描述了电网的特性，而不是最后应用的具体技术，它们形成了智能电网完整的景象。智能电网是自愈电网：“自愈”指的是把电网中有问题的元件从系统中隔离出来并且在极少或不用人为干预的状况下能够使系统快速恢复到正常运行状态，从而几乎不中断对顾客的供电服务。智能电网激励和涉及顾客：在智能电网中，顾客将是电力系统不可分割的一部分。激励和增进顾客参加电力系统的运行和管理是智能电网的另一重要特性。智能电网将抵抗攻击：智能电网的设计和运行都将制止攻击，最大程度地减少其后果和快速恢复供电服务。智能电网也能同时承受对电力系统的几个部分的攻击和在一段时间内多重协调的攻击。智能电网提供满足21世纪顾客需求的电能质量：智能电网将以不同的价格水平提供不同等级的电能质量，以满足顾客对不同电能质量水平的需求，同时要将优质优价写入电力服务的合同中。智能电网将减轻来自输电和配电系统中的电能质量事件：通过其先进的控制办法监测电网的基本元件，从而快速诊疗并精确地提出解决任何电能质量事件的方案。智能电网将允许多个不同类型发电和储能系统的接入：从小到大多个不同容量的发电和储能在全部的电压等级上都能够互联，涉及分布式电源如光伏发电、风电、先进的电池系统、即插式混合动力汽车和燃料电池。智能电网将使电力市场蓬勃发展：智能电网通过市场上供应和需求的互动，能够最有效地管理如能源、容量、容量变化率、潮流阻塞等参量，减少潮流阻塞，扩大市场，聚集更多的买家和卖家。智能电网优化其资产应用，使运行更加高效：智能电网将应用最新技术以优化其资产的应用。智能电网系统构成发电系统光伏发电光伏发电是根据光生伏特效应原理,运用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不管是独立使用还是并网发电,光伏发电系统重要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分构成，它们重要由电子元器件构成，不涉及机械部件,因此,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术能够用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和铜铟镓硒薄膜电池等。一、太阳能光伏发电系统的设计原理图3.1独立发电系统独立发电系统由太阳能电池组件方阵、蓄电池组、控制器构成，可为直流负载供电。如负载为交流型的，发电系统还涉及逆变器。图3.2并网发电系统网发电系统由太阳能电池组件方阵、并网逆变器及连接器构成，可发电并把电能送上电网。并网发电系统还可觉得负载供电。二、系统各部分功效（一）太阳能电池组件方针：由若干太阳能电池组件串联或并联而成，重要功效为运用太阳能进行发电。（二）蓄电池组：普通采用免维护铅酸蓄电池作为储能装置，用来储蓄太阳能光伏组件发出的电能。（三）控制器：用来充、放电和其它方面的自动控制。（四）逆变器：是将直流和交流互相转换的设备。三、光伏系统监控光伏系统数据检测、远传是采用太阳能专用工控机、环境监测仪、数据采集器和显示装置及与其配套的太阳能专用监控软件来检测、远传太阳辐射量、温度、光伏组件直流输入电压、电流、逆变器输入/输出电压及电流及输出计量等。由于采集参数的多样性和分散性，系统可分布式数据采集的构造模式。所谓分布式数据采集，就是运用电量隔离变送器、温度传感器、太阳辐射测量仪等设备就近分散采集现场数据，通过智能数据采集模块的串行数据总线技术将采集到的数据传送至监测计算机进行集中的数据统计和解决。智能数据采集模块中设有独立的中央解决模块，能够在现场对采集的信号进行数字滤波和简朴的数据解决，然后通过数据总线将解决后的数据传送至监测计算机，监测计算机负责将各个现场的数据进行汇总和解决。图3.3光伏系统监控示意图输电系统智能柔性交流输电系统智能电网中的智能柔性交流输电系统(flexibleACtransmissionsystem,FACTS)面临装置平台有关性强和装置间差别性很大的问题,为此,建立智能FACTS装置的分层参考模型,如功率层、驱动层、实时层和应用层,通过层与层间的电气隔离和应用隔离,使具体的智能FACTS装置功效抽象成为软、硬件相结合的服务元并含有原则定义的服务;把智能FACTS中众多服务元进行组织,建立面对服务的智能FACTS构架,即含有统一服务接口的非层次构造,并定义响应服务时服务元与服务接口间、服务元与服务元间关系,大大提高整个系统对服务进行组织、管理和调用的效率。面对服务的智能FACTS构架智能电网中的智能FACTS不再是众多实体FACTS装置,而是一种虚拟的服务元集合。此时系统中还需要一种服务接口,用于连接上层调度控制系统和FACTS装置应用层。面对服务的智能FACTS构架构造如图3.4所示。图3.4面对服务的智能FACTS构架构造图3.4中,指向服务接口的实线箭头表达把智能FACTS中全部服务元的服务状态(涉及提供服务种类、服务与否可用等)注册到服务接口。上层调度控制系统能够通过服务接口查询服务元的服务状态,合理选择、组合一种或多个服务元提供服务。指向服务元的实线箭头表达服务请求由上层调度控制系统发出,服务接口程序接受到服务请求后,将对应的系统调用命令转发至对应的服务元。服务元间的虚线箭头表达在上层调度控制系统授权允许的状况下,服务元间能够进行协作请求,如果此时被请求服务元能够提供协作服务,则能够返回一种允许的协作响应,反之则为一种回绝的协作响应。设立服务元间的协作关系,能够优化智能FACTS装置的服务,在非正常运行时进行紧急协调控制。对于某些混合FACTS装置,能够将其划分为多个服务元,服务元间的协调控制通过服务元间的协作关系实现,这种实现方式如4.5所示。图3.5智能FACTS中的服务元在图3.5中,流经服务元的信息流规定其对电力流进行控制和协作请求,也涉及对服务状态进行反馈和协作响应。在这一系统中,构成最小单位的服务元含有层次构造,是服务的载体,通过面对服务的体系构造进行组织、管理和调用。基于服务元和面对服务体系构造的智能FACTS构架,含有服务执行效率高、可靠性高的优点。配电系统智能配电网（SmartDistributionAutomation）是智能电网(SmartGrid)中配电网部分的内容。功效特性与传统的配电网相比,SDG含有下列功效特性。1)自愈能力；2)含有更高的安全性；3)提供更高的电能质量；4)支持DER的大量接入；5)支持与顾客互动；6)对配电网及其设备进行可视化管理；7)更高的资产运用率；8)配电管理与用电管理的信息化。智能配电网的重要技术内容：1)配电数据通信网络；2)先进的传感测量技术,如光学或电子互感器、架空线路与电缆温度测量、电力设备状态在线监测、电能质量测量等技术；3)先进的保护控制技术,涉及广域保护、自适应保护、配电系统快速模拟仿真、网络重构等技术；4)高级配电自动化；5)高级量测体系(AdvancedMeteringArchitecture,AMA)是一种使用智能电表通过多个通信介质,按需或以设定的方式测量、收集并分析顾客用电数据的系统；6)DER并网技术,涉及DER在配电网的“即插即用”以及微网(MicroGrid)两部分技术内容；7)DFACTS是柔性交流输电(FACTS)技术在配电网的延伸,涉及电能质量与动态潮流控制两部分内容；8)故障电流限制技术,指运用电力电子、高温超导技术限制短路电流的技术。用电系统智能用电系统由构成1.系统主站；2.远程信道；3.智能电表；4.本地信道；5.互动终端；6.智能开关构成。图3.6智能用电系统构成主站系统涉及：用电信息采集子系统；营销服务支持子系统；电力负荷预测子系统；电价方略制订、公布子系统构成。电力公司通过对顾客用电信息的全方面自动采集、实时监视，及时掌握顾客用电信息，全方面提高市场分析能力；大量顾客用电信息的采集和存储，为营销服务支持子系统和负荷预测子系统的正常运行提供了数据基础。为客户提供服务个性化、方式多样化、分析智能化以及高度集成化的全方位服务功效，涉及节能分析、用能咨询、委托管理等；对公司采用流程驱动模式，实现营销业务办理自动化，重要涉及业扩报装、抄表管理、电量电费、收费帐务、银电联网、电能计量、线损管理、购电管理、用电稽查、用电检查、需求侧管理。运用营销服务支持子系统存储的大量顾客用电信息，采用数据仓库、智能挖掘、联机分析等技术,以多维分析方式，精确地预测负荷，为公司制订有针对性的电价方略服务。运用负荷预测子系统对负荷预测的成果，综合发电信息、输送能力等有关信息，制订出含有针对性的日电价方略，并公布到全部电力顾客，同时含有定时公布结算电量、电费和电量、电费清单等功效。远程信道配用电侧通信手段的匮乏，是制约智能用电建设的重要瓶颈。要实现智能用电，必须解决配用电侧通信信道问题。考虑到各地经济发展水平的差别，智能用电的远程信道需要灵活配备。对于在运行的线路，电力公司应综合考虑经济、技术、发展等因素，结合现阶段可采用的技术综合评定后，加紧建设，现阶段可采用的技术重要有：光纤、无线电台、电力线载波、公用信道等；对新建的配网线路电力公司能够考虑采用OPPC技术在建设配电线路的同时，同时建设远程信道；电力公司还应对可用于远程信道建设的新技术加大科研的力度。智能电表智能电表的功效设计必须考虑中国的国情，以及现在用电侧的通信信道的实际状况，智能电表的设计应遵照下面三个原则：考虑分布式能源的接入；考虑通信信道的实际承受能力；考虑顾客互动的便捷。智能用电系统构成及功效：计量功效；费率和时段功效；控制功效预付费功效；数据存储功效；事件统计功效；顾客加密功效。本地信道及时将顾客关心的信息（具体内容见互动终端）传递给顾客。现在可采用的本地信道重要有：小无线和电力线载波。小无线可采用Zigbee技术。互动终端互动终端通过本地信道与智能电表通信，实时接受顾客关心的信息,并通过显示屏告知顾客，接受的信息有：顾客现在执行的日时段划分方略；顾客现在执行的具体电价；实时的电压/电流/；顾客现在的碳排放量；顾客现在剩余的电费（对预付费顾客）；顾客定制的增值信息等。智能用电系统构成及功效除了上述功效外，互动终端还应当是顾客用电范畴内的全部电器的综合控制中心。互动终端含有键盘，方便顾客通过编程设定家用电器参入营销互动的价格方略。互动终端在此基础上，还可通过本地信道按照顾客设定的编程方案，自动控制智能家电。在现阶段，互动终端能够通过本地信道采用控制智能开关的方式实现智能用电。智能开关在现阶段，智能开关能够通过本地信道接受互动终端的指令方式实现普通家电的智能用电。智能用电系统构成及功效从发展的角度看，将来的智能开关不仅仅是普通开关与本地信道的融合，还应当与多个传感器融合，智能开关本身就能够实现用电与控制的优化并能为电力公司对多个用电设备的用能状况提供更多的基础数据。图3.7智能用电系统信息流程图智能电网的核心技术通信技术建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统，任何智能电网的特性都无法实现，由于智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持，因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统要和电网同样进一步到千家万户，这样就形成了两张紧密联系的网络—电网和通信网络，只有这样才干实现智能电网的目的和重要特性。下图显示了电网和通信网络的关系。高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为一种动态的、实时信息和电力交换互动的大型的基础设施。当这样的通信系统建成后，它能够提高电网的供电可靠性和资产的运用率，繁华电力市场，抵抗电网受到的攻击，从而提高电网价值。高速双向通信系统的建成，智能电网通过持续不停地自我监测和校正，应用先进的信息技术，实现其最重要的特性—自愈特性。它还能够监测多个扰动，进行赔偿，重新分派潮流，避免事故的扩大。高速双向通信系统使得多个不同的智能电子设备（IEDs）、智能表计、控制中心、电力电子控制器、保护系统以及顾客进行网络化的通信，提高对电网的驾驭能力和优质服务的水平。在这一技术领域重要有两个方面的技术需要重点关注，其一就是开放的通信架构，它形成一种“即插即用”的环境，使电网元件之间能够进行网络化的通信；其二是统一的技术原则，它能使全部的传感器、智能电子设备（IEDs）以及应用系统之间实现无缝的通信，也就是信息在全部这些设备和系统之间能够得到完全的理解，实现设备和设备之间、设备和系统之间、系统和系统之间的互操作功效。这就需要电力公司、设备制造公司以及原则制订机构进行通力的合作，才干实现通信系统的互联互通。量测技术参数量测技术是智能电网基本的构成部件，先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评定电网设备的健康状况和电网的完整性，进行表计的读取、消除电费预计以及避免窃电、缓减电网阻塞以及与顾客的沟通。将来的智能电网将取消全部的电磁表计及其读取系统，取而代之的是能够使电力公司与顾客进行双向通信的智能固态表计。基于微解决器的智能表计将有更多的功效，除了能够计量每天不同时段电力的使用和电费外，尚有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并告知顾客实施什么样的费率政策。更高级的功效有顾客自行根据费率政策，编制时间表，自动控制顾客内部电力使用的方略。对于电力公司来说，参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，涉及功率因数、电能质量、相位关系（WAMS）、设备健康状况和能力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、核心元件的温度、停电确认、电能消费和预测等数据。新的软件系统将收集、储存、分析和解决这些数据，为电力公司的其它业务所用。将来的数字保护将嵌入计算机代理程序，极大地提高可靠性。计算机代理程序是一种自治和交互的自适应的软件模块。广域监测系统、保护和控制方案将集成数字保护、先进的通信技术以及计算机代理程序。在这样一种集成的分布式的保护系统中，保护元件能够自适应地互相通信，这样的灵活性和自适应能力极大地提高可靠性，由于即使部分系统出现了故障，其它的带有计算机代理程序的保护元件仍然能够保护系统。设备技术智能电网要广泛应用先进的设备技术，极大地提高输配电系统的性能。将来的智能电网中的设备将充足应用在材料、超导、储能、电力电子和微电子技术方面的最新研究成果，从而提高功率密度、供电可靠性和电能质量以及电力生产的效率。将来智能电网将重要应用三个方面的先进技术：电力电子技术、超导技术以及大容量储能技术。通过采用新技术和在电网和负荷特性之间谋求最佳的平衡点来提高电能质量。通过应用和改造多个各样的先进设备，如基于电力电子技术和新型导体技术的设备，来提高电网输送容量和可靠性。配电系统中要引进许多新的储能设备和电源，同时要运用新的网络构造，如微电网。经济的FACTS装置将运用比现有半导体器件更能控制的低成本的电力半导体器件，使得这些先进的设备能够广泛的推广应用。分布式发电将被广泛地应用，多台机组间通过通信系统连接起来形成一种可调度的虚拟电厂。超导技术将用于短路电流限制器、储能、低损耗的旋转设备以及低损耗电缆中。先进的计量和通信技术将使得需求响应的应用成为可能。新型的储能技术将被应用为分布式能源或大型的集中式电厂。大型发电厂和分布式电源都有其不同的特性，它们必须协调有机的结合，以优化成本，提高效率和可靠性，减少环境影响。控制技术先进的控制技术是指智能电网中分析、诊疗和预测状态并拟定和采用适宜的方法以消除、减轻和避免供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这些技术将提供对输电、配电和顾客侧的控制办法并且能够管理整个电网的有功和无功。从某种程度上说，先进控制技术紧密依靠并服务于其它四个核心技术领域，如先进控制技术监测基本的元件（参数量测技术），提供及时和适宜的响应（集成通信技术；先进设备技术）并且对任何事件进行快速的诊疗（先进决策技术）。另外，先进控制技术支持市场报价技术以及提高资产的管理水平。将来先进控制技术的分析和诊疗功效将引进预设的专家系统，在专家系统允许的范畴内，采用自动的控制行动。这样所执行的行动将在秒一级水平上，这一自愈电网的特性将极大地提高电网的可靠性。固然先进控制技术需要一种集成的高速通信系统以及对应的通信原则，以解决大量的数据。先进控制技术将支持分布式智能代理软件、分析工具以及其它应用软件。（1）收集数据和监测电网元件先进控制技术将使用智能传感器、智能电子设备以及其它分析工具测量的系统和顾客参数以及电网元件的状态状况，对整个系统的状态进行评定，这些数据都是准实时数据，对掌握电网整体的运行状况含有重要的意义，同时还要运用向量测量单元以及全球卫星定位系统的时间信号，来实现电网早期的预警。（2）分析数据准实时数据以及强大的计算机解决能力为软件分析工具提供了快速扩展和进步的能力。状态预计和应急分析将在秒级而不是分钟级水平上完毕分析，这给先进控制技术和系统运行人员足够的时间来响应紧急问题；专家系统将数据转化成信息用于快速决策；负荷预测将应用这些准实时数据以及改善的天气预报技术来精确预测负荷；概率风险分析将成为例行工作，拟定电网在设备检修期间、系统压力较大期间以及不但愿的供电中断时的风险的水平；电网建模和仿真使运行人员认识精确的电网可能的场景。（3）诊疗和解决问题由高速计算机解决的准实时数据使得专家诊疗来拟定现有的、正在发展的和潜在的问题的解决方案，并提交给系统运行人员进行判断。（4）执行自动控制的行动智能电网通过实时通信系统和高级分析技术的结合使得执行问题检测和响应的自动控制行动称为可能，它还能够减少已经存在问题的扩展，避免紧急问题的发生，修改系统设立、状态和潮流以避免预测问题的发生。（5）为运行人员提供信息和选择先进控制技术不仅给控制装置提供动作信号，并且也为运行人员提供信息。控制系统收集的大量数据不仅对本身有用，并且对系统运行人员也有很大的应用价值，并且这些数据辅助运行人员进行决策。支持技术决策支持技术将复杂的电力系统数据转化为系统运行人员一目了然的可理解的信息，因此动画技术、动态着色技术、虚拟现实技术以及其它数据展示技术用来协助系统运行人员认识、分析和解决紧急问题。在许多状况下，系统运行人员做出决策的时间从小时缩短到分钟，甚至到秒，这样智能电网需要一种广阔的、无缝的、实时的应用系统、工具和培训，以使电网运行人员和管理者能够快速的做出决策。（1）可视化—决策支持技术运用大量的数据并将其裁剪成格式化的、时间段和按技术分类的最核心的数据给电网运行人员，可视化技术将