新型电网和新型电力系统专题学习

新型电网和新型电力系统的技术思考1前言-背景一、新型电力系统的核心要义三、电网的数字化智能化--透明电网结语2主要的核心4截止2024年3月底，全国发电装机容量29.9亿千瓦，其中太阳能发电装机容量6.6亿千瓦、风电装机容量4.6亿干瓦、风光装机总容量达到11.2亿千瓦。预计“十四五”全国新能源装机超过15亿千瓦。随着沙戈荒大能源基地开发、海上风电开发、分布式光伏发展，我国风光新能源发展势头不减。新能源发展的意义在于减少对传统化石能源的依赖，提高能源安全，促进经济增长，保护环境，实现可持续发展。技术挑战：电网安全挑战，消纳挑战。59以新能源为主体的新型电力系统清洁能源逐渐成为主力能源，化石能源逐步减少。光伏7以新能源为主体的新型电力系统广域电气化电成为主力电能多元化转换终端电能消费大幅度提升，到2060年，达到70%左右。除了以电能作为直接能源外，目前尚未使用或者大规模使用电力的工业等领域将广泛使用电能。电能多元化转换(Electricpower-to-例如，电解水制氢，氢用于交通、工业的能源等；铁路电气化水平提高；电动汽车普及，电炉炼钢等等。电能除了直接使用，还间接制造能源，称为广域电气化，广域电气化背景下电能将在能源中占90%左右。源、网、荷、储、电能多元化转换协调互动，新型电力系统柔性化发展。89配电网与分布式电源协同发展，形成分布式配电网高渗透率接入新能源将深刻改变传统电力系统的形态、特性和机理>建立基于数字化智能化的透明新型电力系统>电力系统从刚性转变成柔性可控，智能灵活>可以“无条件”接受新能源>系统有“无限大”的功率、“无限多”的能量>系统的安全稳定依靠功率的动态平衡、能量的动态平衡：动态平衡理论>建立新型故障防御体系和故障分析理论犹如现在的配电网系统。传统电力系统，动作时间常数大(秒-分钟级),“慢速”的系统机电特性，稳定性高新型电力系统，电力电子弱惯性特点，动作时间常数小(微秒级),频域分布广(DC-数百Hz),波动性和随机性强传统电力系统，机电同步过程，模型等效，基于机电转动惯量的稳定理论新型电力系统，数据同步过程，数据驱动，基于数字化的信息与物理系统融合，基于电力电量的实时平衡的系统平衡理论传统电力系统，集中式，单体规模大(100MW级),数量较少新型电力系统，分布式，单体规模小(kW/MW级),数量庞大限的问题传统电力系统，确定性强，功能单一，易控制新型电力系统，不确定因素多，功能复杂，构建系统和元件的新型网络安全体系传统电力系统，依靠模型，着眼于物理电网本身特性新型电力系统，不完全依赖电网模型，数字数据海量，动态变化；以软件计算为基础CO2与H₂合成甲醇、甲烷装置H2CO2捕集分离装置电解水制氢电解水制氢装置氢燃料电池电燃煤发电电动汽车(储能)电电力系统电力系统新型电网是新型电力系统和新型能源体系的核心新型能源体系的核心是发展新能源新型能源生产电力化，能源消费电力化新能源的利用以电的形式为主要载体电力是每家每户不可或缺的能源，是推动经济和社会发展的支柱电力可以全面反映人类社会生产生活方式和发展诉求新能源的消纳和利用依靠新型电网新型电网作为能源转换利用和输送配置的枢纽平台，是新型能源体系的核心环节置和调控能力。”>电网形态：大电网+主动配电网+微电网√潮流计算，电流、电压、功率√功角稳定，发电机与电网的同步运行状态√电压稳定，电压保持在合理区间√频率稳定，频率保持在合理区间√热稳定，电流不超过限定值√模型驱动，仿真科学√通过数字仿真研究和认识电网运行规律，预测风险√离线分析、提前决策、在线控制未来电网技术亟需变革未来电网技术亟需变革口负荷变革：用户侧与主网互联互通，负荷侧管理、削峰填谷自如口新型电网呈现交直流泛在柔性混联的电网形态：新型电网的跨省跨区电力流达到或接近峰值水平，支撑高比例新能源并网消纳；新型电网全面柔性化发展，常规直流柔性化改造、柔性交直流输电等新型输电技术广泛应用，支撑“大电网”与“分布式智能口能源电力技术深度融合：新型电网稳步向柔性化、数字化、智能化方向转型，数字化智能化技术广泛应用；基于大数据、云计算、5G、数字孪生、人工智能等新兴技术，智慧化调控运行体系加快升级，满足新能源发电、储能、多元化负荷发展需求。口电力与能源输送耦合协同：新型电网是新型能源电力体系的核心，能够进行多形态、多主体的能源电力协同互动，实现大范围柔性互联、新能源广域时空互补、多类型电新能源发电易受自然条件影响，需要加速构建适应新能源快速发展的新型电网，深入推动能源电力体制机制创新，使得新能源发电发得出、并得上、用得好，有力保障电力安全可靠供应。口以超高压输电线路为骨干网架口以各级电网为有力支撑口以“大云物移智链”等现代信息技术为驱动口以充分适应大规模高比例新能源发展为目标口以数字化智能化为发展路径9、设备智能化新型电力系统的技术思考11从技术上看新能源(风、光)的波动性、间歇性、随机性风光等新能源发电的波动性、间歇性、随机性是资源的印象特性，但是从技术角度看可以定义为不可预测性。新能源发电高精度预测技术和成果为系统电力电量平衡成为可能。构网型、跟网型电力电子变换器对风光等高精度预测、电力电量平衡提供支持。输出参考值经输出参考值经生成控制脉冲电力电子电力电子电流控制虚拟同步机输出电压幅值构网型电力电子变换器控制原理示意图22传统电力系统新型电力系统传统电力系统新型电力系统电力人工智能系统电力人工智能系统电力电子设备不具备同步发电机的转动惯量，被认为是系统安全稳定运行的挑战；但电力电子设备系统。透明电网包含小微智能传感器、智能设备和设备智能化、智能软件系统三个要素，完成新型电力系27新型电力系统的技术思考新型电力系统的电网形态是“大电网+主动配电网+微电网”。分布式成为配电网、微电网发展的关键词，大电网作为主体支撑，配电网、微电网成为能源电力利传统的电气设备是功能型的，新型电力系统的智能电气设备应该是“设备功能+智能信息”。智能电气设备既完成功能，还能提供信息，是透明电网的重要组成元素。转移支路耗能支路电能质量也应该是电力保供的内容。发用电一体化，也是为了用。新型电力系统从理论到技术都有革命性的变化，现有技术改进优化不足以支持新型电力系统的建设。新型电力系统与信息化、数字化、智能化深度融合，建设透明电网、透明电力系统，实现系统透明化是必须坚持的方向。新型电力系统是柔性的。以新能源为主体的发电系统有大量的电子电力设备，系统的安全稳定依靠功新型电力系统的源、网、荷、储各个领域都有大量值得深入研究的科技课题，实现新型电力系统的技术革命需要共同努力。要有硬的技术措施发展配电网是重点提高风光等新能源发电的预测精度电能多元化转换(Electricpower-to-X)新型电力系统源、网侧的储能系统以抽水蓄能为主，提高新能源消纳能力。储能的质和量应该大力发展，特别要注重经济性和安全性。三、电网的数字化智能化一透明电网能源网互联网中国工程院重大咨询项目(2015年1月开题)“智能电网和能源网融合的技术发展方向和体系研究”以智能电网为核心网络，各种能源转换为电能供用户使用，互联网采集各种数据服务于智能电网的优化运行(单一主体)强调多种能源互联互通并同时为用户所选择使用，互联网采集各种数据服务于能源网的优化运行(多个主体)视角C:互联网+智能电网+能源网利用信息通信技术、互联网平台，让互联网与传统能源行业深度融合，创造新的发展生态和商业模式，实现能源产消者与其他用户的能源高效共享，互联网数据作用于能源网中的所有生产者、消费者和产消者的效益优化(无限主体)382015年中国工程院重大咨询项目：我国能源技术革命的技术方向和体系战略研究，其中“智能电网和能源网融合的技术发展方向和2017年在武汉大学樱花论坛报告"透明电网推动透明电网相关技术的研发和建设高20%左右。口启示：“以色列是科学家在种田，而中国是农民在种田”口联想：“现在管理水平?未来电网要体现科学家来管理”电网的数字化智能化--透明电网透明电网要素口信息技术、计算机技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能、互联网技术等有效地综合运用于电力系统。口基于透明电网，社会各方能够广泛深入参与电力生产、传输、消费等各个环节，协同促进能源电力的安全高效、绿色低碳发展。口透明电网(电力系统)的要素：小微智能传感器通过采用芯片技术、微机械电子技术等，实现传感器的小型小微智能传感器带微处理器的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆与逻辑判断功能的传感器。大量的传感器以自组织和多跳的方式构成无线网络，协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息。反铁磁辋合时(外加磁场为0)处于高阻态的导电输运特性，外加磁场使该磁性多层薄膜处于饱和状态时(相邻磁性层磁炬平行分布，而电阻处于低阻态的导电输运特性，电阻：R2*R3/金属纳米膜层叠而成，电阻变化率约为10%~20%的PeterGrünberg分别独立发现巨磁阻效应；由于GMR传感器南方电网公司数字电网研究院在粘贴型微型智能电流传感器研发上取得突破进展，已有卡扣式和抱箍式两种型号投入工业生产。传感器体积小、性能优，功耗均为40μW左右，体积分别为6.0cm*2.7cm*6.8cm和3.0cm*2.5cm*1.5cm,重量分别为72g和11.5g,量测范围100mA-一座500kV变电站需安装80~100套电蓝牙电流互感器蓝牙传输维护量程大体积小维护量程大体积小◆数字量输出◆精准对时继保设备◆无源自取能继保设备应用示意图◆实时无线传输应用示意图测量系统由自取能电流传感器与地面数据接收装置组成，其中测量、取能、通信为传感器的核心模块。来测量10倍的短路电流。为了确保测量的可靠性，还采用了一个全差分双绕布线的PCB罗氏线圈作为冗余的测量元件3.通信模块，光电协同多信道通信方案，多种通信方式并行提高可靠性，我们在电磁波的频谱上从低频到高频，分别选取868MHz,2.4GHz,6.8GHz,和可见光的650nm红光，选了4个频段同时做通信，达到可靠通信的效果。PCB罗氏线圈取能础可剩角度胜光头支架可剩角度胜光头支架激光头锂离子电容锂离子电容3.量程(当前水平):500V4.自取能4220200电3600A温度2789℃20027Dp1.电流测量：精度0.5S级，量程600A2.电压测量：误差≤0.5%,量程500V3.自取能+备用电池，带电卡扣式安装4.相间百纳秒级无线低功耗对时，可测量序分量非电气量集成传感器1.温度测量范围：-20℃~125℃3.图像分辨率：≥1280*720 √设备功能+智能信息(例如：断路器、变压器，,.)智能断路器：故障自诊断、自触发启动，状态感知、预测智能材料嵌入智能元件参数可调可控行为智能化在变压器内部植入微纳智能机器人(传感器),自动巡检变压器油和内部绝缘状态，并将信息发送到外部决策系统，实现变压器内部状态的数据获取和精准预测，由停电测试、监测走向实时状态呈现。实现全状态监测，输电线路管理由人巡、机巡走向无需巡，实时呈现线路状态■√振动传感(线路舞动、撞击等)■√温度传感(山火等)口体积缩小40倍，功耗降到原来的1/6口关键数据不出芯片。元器件数量从近万个降低成800个口保护速动段动作时间压缩了20%口实现了装置无防护安装数字化保护跳闸逻辑coocE开入.保护算法G00SE解析；共享内存低通动波基于数据的强大的软件系统62●镜像/数字孪生电网统示范示范节目中的超脑少年用程序将拥堵车流全部疏通，实现全自动道路交通管理，电力系统也可以基于程序构建数字孪生的软件平台，对设备、潮流等进行全自动实时监测和管理，实现系统透明化。软件系统一电网的“超级大脑”透明电网需要强大的软件系统这个“超级大脑”对海量的数据进行管理，这是核心。镜像/数字孪生信息物理电网，基于数据建立的物理电网系统在数字空间的映射。基于物理电网中的传感器和智能设备的数据，应用强大的算力算法构建电网运行导航决策系统。设备系统设备系统线路线路设备实时主网、配电网、微电网主网+配电网+微电网一全息镜像系统主网、配电网、微电网电力人工智能系统电力人工智能系统智能软件系统的内涵智能软件系统的内涵智能软件系统的特征智能软件系统的特征智能软件系统对电力系统的调控满足实时性要求，实时监控、实时反馈、实时响应。实现源网荷储智能软件系统的开发需要电力企业与人工智能、IT企业的合作，各自发挥自身实现高效合作的关键是系统规范书，由电力企业基于物理规律和原则，以及系统需求进行主导编制，重点阐明新型电力系统所需要的智能软件系统是什么样的，有怎样具体的要求。人工智能、IT领域企业依据规范书能够开展高效、有针对性的透明电网—3、智能软件系统(电力人工智能系统AIEPS)电力人工智能AIEPS要对标国际先进人工智能范例，突破思维局限，跳出自动化、数字化、智能化的“圈”,敢想敢干，踏实钻研。口运行导航决策：透明电网运行决策关键技术口数字孪生：透明电网运行数字数据关键技术口数字孪生：透明电网运行数字数据关键技术控制信息电力智能调度(人工智能+大数据)负荷预测等控制信息全景控制透明电力系统透明电力系统能量大规模新能源发电数量庞大的机组系统动态平衡从稳定理论过渡到平衡理论电力电力能量柔性负荷，既消耗电,也生产电。广域电气化源网荷储，工业领域,交通领域，电动汽车的V2G。广域电气化传统电力系统基本是刚性的。传统电力系统电源的主体是同步发电机，同步发电机基于电磁感应原理，建立稳定的电压源；不同的发电机之间通过电功率与功角的比例关系、电功率与机械功率在转子上的平衡作用等基本机制保持同步运行。系统的稳定以惯量平衡为基础。新型电力系统是柔性的。以新能源为主体的发电系统，例如光伏和风电，他们与同步发电机有本质的区别，是非同步机电源，有大量的电子电力设备。系统的稳定已