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：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，分析了我国开展智能电网的条件，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：智能电网；需求侧管理；高级计量体系；节能减排；分布式发电SurveyonSmartGridTechnologyZhoudingyong(NingboUniversityofTechnology,Electricalautomation,ZhejiangNingbochina)Abstract:Inthispapertheconnotationofsmartgridisexpounded,thepresentresearchstatusofsmartgridhomeandabroad.Asareferenceforrelativeresearchers,thispaperanalyzestheconditionstodevelopsmartgridinChina,andpointsoutthekeytechnologicalproblemstobesolvedforthedevelopmentofsmartgridinthefieldsofpowernetworktopology,communicationsystem,meteringinfrastructure,demandsidemanagement,powerelectronicequipments,distributedgenerationintegration.Keywords:smartgrid;demandsidemanagement;advancedmeteringinfrastructure;energy-savingandpollutantemissionreducing;distributedgeneration引言当前，节能减排、绿色能源、可持续开展成为各国关注的焦剧[1]。人类能源开展面临的第一挑战，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、效劳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给平安提高到全新的水平，将污染与温室气体排放降低到环境可以接受的程度，使用户本钱和投资效益到达一种合理的状态。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，最终到达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开展的一个新方向。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，分析我国开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”更能表达下一代电网的特征[21]。综合文献所述，智能电网应以现代输配电网为物理根底，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、平安、经济、优质、高效的电网运行和可持续开展。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。电力供给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本钱、实时电价、电网目前的状况、方案停电信息以及其他一些效劳的信息，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〕平安的电网。智能电网的平安策略包含应付威慑、实现预防、检测和反响，以尽量防止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平安风险，加强电网运行平安和网络平安等手段，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本钱及投资。〔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开展。〔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、企业资源方案等系统统一集合在智能电网大平台上，在此根底上实现各种业务的交互与集成。2各国智能电网开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开展条件的不同，各国都结合本国的特点来规划和开展智能电网，因此其开展重点和步骤也不相同。欧美等兴旺国家的高科技产业兴旺，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平安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、平安、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、平安、环保、灵活和互动的智能电网[20-21]。2009年1月，美国发布了《经济复兴方案进度报告》，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，重点包括开展高效电池、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方案，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》相应的工程，电力运营商等可在制定智能电网相关工程方案时向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〔SmartGridsTechnologyPlatform〕。2006年欧盟理事会的能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和平安的电能策略》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开展方向。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开展[28]。目前，英、法、意等国都在加快推动智能电网的规划和建设。欧洲智能电网方案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。在亚洲经济兴旺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。日本政府方案于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工程。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，并大力开展可再生能源发电的联网和存储技术，在不断降低本钱和提高效率的同时，提高整个电网的可靠性及可用性。韩国政府方案2011年前在济州岛建立一个智能电网综合性试点工程。该工程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给的在线实时监控，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，被认为是第一个局部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根底[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开展方案[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根底。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，要满足经济社会开展对电力的需求，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，开展特高压电网，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开展、送端电网和受端电网协调开展、城市电网与农村电网协调开展、一次系统和二次系统协调开展，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，电网的平安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平安的影响。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效劳。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工程的重要研究内容。智能电网的开展对网络平安提出了更高的要求，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平安问题的研究。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给机构精确得知用户的用电规律，从而对需求和供给有一个更好的平衡。目前我国的电表只是到达了自动读取，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。将来随着技术的开展，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根底，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工程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“非能源效劳”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开展智能电网时，如何平安、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开展。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拟弱，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，燃料电池技术开展非常快，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局部，都具有波动性和间歇性的特点，对可靠供电造成冲击。通过改良天气预报的准确性，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，并将最终实现平安、可靠、优质、高效运行和节能、环保、可持续开展目标。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IEEEPES学术会议新能源发电局部综述[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工程介绍[J]．电力系统自动化，2006，30(13)：99—104．[12]帅军庆．创新开展建设智能电网：华东高级调度中心工程群建设的实践[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开展的大好机遇[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]MOSLEHIK,KUMARABR,SHURTLEFFD,etal.FrameworkforaSelf-healingPowerGrid[C]//2005IEEEPowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,12−16June,2005,SanFrancisco,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]MOMOHJA.SmartGridDesignforEfficientandFlexiblePowerNetworksOperationandControlPowerSystemsConferenceandExposition[C]//2009，IEEE/PES，2009：1−8.[21]EuropeanCommission