智能电网

摘要：针对电力系统在新世纪面临的分布式电源并网、电网利用系数低以及数字化技术应用等诸多挑战，提出智能电网的概念，阐述了智能电网的特点、目标和主要组成，引用国外例证，估算了智能电网的投资和效益，指出智能电网是经济和技术发展的必然结果，应加快我国智能电网研究。
　　
关键词：智能电网；分布式电源；快速仿真与模拟；高级配电自动化；高级计量体系
　　
　　根据美国工程院的评估，20世纪人类取得的最伟大的技术成就是电气化。然而，与我们生活息息相关的电力系统却面临着越来越多的挑战：
　　
　　（1）基于环境保护、节能减排和可持续性发展的要求，越来越多的分布式电源（简记为DER,含分布式发电、分布式储能和需求侧管理）渗透在配电系统基础设施中。传统的只适合于单向潮流的配电系统由于需要集成数以万计的分布式电源的并网运行而面临双向潮流等问题。
　　
　　（2）现时电网的利用系数很低（据美国统计约为55%），浪费了大量的固定资产投入。因此，需要开发高级的配电市场，通过电力公司与终端用户的互动，实现更具弹性的负荷需求特性，优化资产管理和利用。
　　
　　（3）近２０年，通讯和信息技术得到了长足的发展，数字化技术及应用在各行各业日益普及。它对配电网的供电可靠性和电能质量提出了很高的要求。然而，目前的电网是按照模拟技术设计的，适应不了数字化社会的需要；同时，它在数字化技术的应用方面也相对落后，特别是在配电网方面，尽管技术的进步已经使得对电力系统的实时监控和资产管理进一步扩展到配电网络日益经济可行。
　　
　　为了解决这些问题，在北美和欧洲已经形成了强大的研究群体，开展IntelliGrid/SHG（SelfHealingGrid，自愈电网）/ModernGrid/SmartGrid[1-6]的研究。这些词具有相似的内涵，目前使用较多的是SmartGrid，在本文中我们将使用智能电网一词。由于目前在同发、输、配、用电这一链条中，同发电和输电环节相比，配电、用电以及电力公司和终端用户的合作等环节上相对薄弱，影响了系统的整体性能和效率，所以这些研究重点关注的是配电网。本文将主要针对智能配电网给出提纲式的简述。
　　
　　1智能电网的概念
　　
　　到目前为止，智能电网并没有统一的定义。它是指一个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都得到了实时监控，并保证了从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。通过广泛应用的分布式智能和宽带通讯及自动控制系统的集成，它能保证市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动[7]。
　　
　　1.1智能电网的特点和目标
　　
　　（1）自愈，不论发生什么事故，智能电网都能自身解决以保证电力系统的安全性;
　　
　　（2）鼓励和包括末端电力用户，使之与电网自适应交互；
　　
　　（3）防范网络攻击和抵御自然灾害；
　　
　　（4）提供21世纪所需要的电能质量；
　　
　　（5）优化，以使资产和设备得到最好的应用；
　　
　　（6）协调发电和储能选择；
　　
　　（7）使电力市场化可以进一步实现。
　　
　　1.2智能电网结构基本要求
　　
　　未来智能电网的结构必须能支持现在配电系统的结构所不能支持的两个基本要求：
　　
　　（1）综合考虑终端用户（分布式电源，电力调节设备，无功补偿设备和用户能量管理系统）控制和总体配电系统控制，以达到系统性能的优化，取得期望的稳定性和电能质量。
　　
　　（2）支持高比重的分布式电源，以提高系统的整体性、效率和灵活性。如，通过协同的、分布式的控制，可以利用分布式电源来优化系统性能；而在发生重大系统故障时可利用它们进行局部供电（微型电网）。
　　表1提供了目前电网和智能电网的一般比较。
　　
　　表1目前电网和智能电网的比较

	目前电网	智能电网
通讯	没有或单向	双向
与用户交互	很少	很多
仪表型式	机电的	数字的
运行与管理	人工的设备校核	远方监视
功率的提供与支持	集中发电	集中和分布式发电并存
潮流控制	有限的	普遍的
可靠性	倾向于故障和电力中断	自适应保护和孤岛化
供电恢复	人工的	自愈的
网络拓扑	辐射状的	网状的

　　
　　2智能电网的主要组成
　　
　　智能电网需要6个主要的技术领域来实现上述的功能：
　　
　　（1）灵活的网络拓扑；
　　
　　（2）基于开放体系并高度集成的通讯系统，以便实现对系统中每一个成员的实时控制和信息交换，使得系统的每一部分都可双向通讯；
　　
　　（3）传感和测量技术，以便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；
　　
　　（4）高级电力电子设备、超导和储能技术；
　　
　　（5）先进的系统监控方法，以便实现快速诊断和事故下的准确解决；
　　
　　（6）高级的运行人员决策辅助系统。
　　
　　2．1灵活的网络拓扑
　　
　　灵活的可重构的配电网络拓扑，是未来智能电网的基础。它需使系统在经历故障时，把故障影响范围局限在最小范围，并可迅速通过其他连接恢复对其他部分的供电。
　　
　　2.1.1中压配电网发展趋势
　　
　　（1）市区电网:向高负荷密度区域供电,是典型的地下系统，并且可能已形成网状的结构。
　　
　　（2）郊区电网：向中等负荷密度区域供电，是由地下电缆和架空线路组成的混合系统，并且逐渐电缆化。这种电网一般将联络馈线打开运行，构成辐射状网络。
　　
　　（3）特殊电网：向优质电力区域、办公区域或其他的负荷供电。这些系统根据终端用户的需要应有一些特殊的设计（如微型电网）和技术（如用户定制的电力技术），且通常需要与相关用户签订专门合同。
　　
　　2.1.2配电网络拓扑新概念
　　
　　（1）环形的低压配电，新的重构选择；
　　
　　（2）DC环形母线，新的用户服务；
　　
　　（3）分布式能源的集成，故意的安全岛和灵活的微网；
　　
　　（4）双向潮流、电路间的功率交换等。
　　
　　2．2集成的能量与通讯体系
　　
　　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。而在系统中安放大量的监视传感器并把它们连接到一个安全的通讯网上去，是达到快速评估的关键。这个集成的能量与通讯体系（IECSA）包括分布式计算环境，需覆盖从发电机到末端电力负荷的全部范围，并满足以下要求：
　　
　　（1）数据通讯和分布式计算设施是开放式的和基于标准的；
　　
　　（2）兼容各种各样的物理媒介的通讯和嵌入的计算技术；
　　
　　（3）它把数据通讯网络和智能设备集成为一体。
　　2．3系统快速仿真与模拟
　　
　　快速仿真与模拟(FastSimulationandModeling,FSM）是含风险评估、自愈控制与优化的高级软件系统（包涵广义的EMS，DMS等功能）。它为智能电网提供数学支持和预测能力（而不只是对紧急情况做出反应的能力），以期达到改善电网的稳定性、安全性、可靠性和运行效率的目的。
　　
　　2.3.1FSM基本功能
　　
　　（1）提供实时的状态估计，供安全监视、评估与优化使用；
　　
　　（2）提供系统性能的连续优化（能量、需求功率、效率、可靠性、电能质量…）；
　　
　　（3）提供比实时还要快的预测仿真（安全分析），以期能够（通过自愈功能）避免可能对系统造成较大影响的预想事故一旦发生时的扰动；
　　
　　（4）从运行和规划的观点对电网进行“what-if”分析，并为运行人员推荐方案；
　　
　　（5）把市场、政策和风险分析聚合到系统模型中去，同时把它们对系统安全性和可靠性的影响定量化。
　　
　　2.3.2配电FSM配网运行模拟分析模式
　　
　　（1）闭环模式：按预先设置的间隔运行或由实时事件（如拓扑结构的变化）触发。推荐的运行方式将由SCADA自动执行。
　　
　　（2）学习模式：运行“what-if”学习方式，为运行人员推荐方案。
　　
　　（3）前瞻模式：使运行人员了解未来的1h到一周的状态。
　　
　　2.3.3配电FSM需要支持的自愈功能
　　
　　（1）网络重构；
　　
　　（2）电压与无功控制（VVC）；
　　
　　（3）故障定位、隔离和服务恢复(FLIR)；
　　
　　（4）当系统拓扑结构发生变化时继保再整定(RPR)，即实现电力系统更新运行方式后的保护。
　　
　　这4个主要功能是相互联系的，致使这一问题变得很复杂。例如电网的任一重构要求一个新的继电保护配合和新的电压调节方案。虽然电网重构不包含故障检测和保护继电器（由保护系统控制）跳闸功能，也不包含故障定位或隔离（FLIR）功能，但电网重构包含恢复供电功能。
　　
　　 FSM通过分布式的智能网络代理(IntelligentNetworkAgents，INAs)来实现跨地理边界和组织边界的智能控制而使系统具有自愈功能。这些智能网络代理，能收集和交流系统信息并对（诸如继电保护操作这样的）局部控制做出决策，同时根据整个系统要求协调这些决策。目前电力交换系统中的大多数代理（保护、自动控制等）是按预先确定的方法整定，并对扰动做出反应的。例如，在一定限值断开继电器。如此的动作在某些情形下会恶化系统的运行，乃至造成系统范围的连锁反应和停电。对２００６年１１月４日发生的欧洲大停电分析表明，风力发电和其他分布式发电装置的基于保护的（而非全系统范围的协调性的）投切，是加剧大系统崩溃的原因之一[8]。如果使用来自广域INAs的实时数据，通过创造更好的系统模型，FSM将从全系统的利益出发，协调这些INAs的控制功能，防止类似的连锁效应。
　　
　　2．4灵活的分布式电源
　　
　　分布式电源（DER）的种类很多，包括小水电、风力发电、光伏电源、微型透平、燃料电池和储能装置（如飞轮、超级电容器、超导磁能存储和钠硫蓄电池等）。一般来说，其容量从1kW到10MW。配电网中的DER由于靠近负荷中心，降低了对电网扩展的需要，并提高了供电可靠性，因此得到广泛采用。特别是有助于减轻温室效应的分布式可再生能源，在许多国家政府政策上的大力支持下，迅速增长。目前，在北欧的几个国家，DER已拥有３０％以上的发电量分额。在美国DER目前只占总容量的7％，而预期到2020年时这一份额将达25％。
　　
　　与此同时，由于民用洁净电源技术的日益成熟，使得一些分布式电源已经或有望在不久的将来走入千家万户，例如太阳能光伏电源和可作为民用储能装置的充电式混合动力汽车（目前见报的汽车用电池可储能３５kW•h，足以提供大部分居民用户一昼夜的用电量）。
　　
　　大量的分布式电源并于中压或低压配电网上运行，彻底改变了传统的配电系统单向潮流的特点，要求系统使用新的保护方案、电压控制和仪表来满足双向潮流的需要。然而，通过高级的自动化系统把这些分布式电源无缝集成到电网中来并协调运行，将可带来巨大的效益。除了节省对输电网的投资外，它可提高全系统的可靠性和效率，提供对电网的紧急功率和峰荷电力支持，及其他一些辅助服务功能，如无功支持、电能质量改善等；同时，它也为系统运行提供了巨大的灵活性。如在风暴和冰雪天气下，当大电网遭到严重破坏时，这些分布式电源可自行形成孤岛或微网向医院、交通枢纽和广播电视等重要用户提供应急供电[9-10]。
　　 与DER应用相关的工作包括:
　　
　　（1）为了便于集成和实时调度DER（包括分布式发电和分布式储能装置），必须提供安全的通讯、监视和控制设施，并实施系统范围内ＤＥＲ的协同控制策略；
　　
　　（2）为了评估DER对稳定性和电力系统控制的影响，需要改进模拟方法并实时量测用户需求；
　　
　　（3）必须确保DER装置同电力交换系统集成时的兼容性；
　　
　　（4）安全和环境影响。
　　
　　2．5高级配电自动化
　　
　　高级的配电自动化（ADA）将包含系统的监视与控制、配电系统管理功能和与用户的交互（如负荷管理、量测和实时定价）。
　　
　　通过与智能电网的其他组成部分的协同运行，ADA既可改善系统监视、无功与电压管理、降低网损和提高资产使用率，也可辅助优化人员调度和维修作业安排等。如：一个配电系统在紧急状态下可以自行变成可控的安全岛，而使用它本地的分布式能源；DER可以辅助实施电压与无功优化，且当并联电容器停运时，系统可以从DER获得电压支持；可以通过实时电价，激励电力用户参与到电力系统的削峰、填谷中来。
　　
　　为此，ADA需要更复杂的控制系统：
　　
　　（1）系统全部元件必须在一个开放式的通讯体系结构内并具有协同工作能力；
　　
　　（2）将使用经由分布式计算的局部分布式控制；
　　
　　（3）使用传感器、通讯系统和分布式的计算主体,对电力交换系统上的扰动快速做出反应，以使其影响最小化。
　　
　　在局部分布式控制的概念中，在全配电系统层面上使用分布式的配电运行中心和中央配电控制中心。中央配电控制中心将监视全配电系统（包括遍布配电系统和其他局部代理的嵌入智能电力电子装置IEDs）的微处理器，协调其分布式的控制能力。中央配电控制中心将同输电层面的控制相协调，监视全系统的潮流；它也负责协调在配电层面上DER与在输电层面上的大型发电机的电压、无功管理、应急处理和系统恢复等。而局部的配电运行中心将控制局部系统实现传统的配电自动化功能，如故障定位、隔离和服务恢复(FLIR)、多重网络重构(MFR）、继保再整定(RPR)和电压/无功优化控制（VVC）等。
　　
　　2．6电力电子技术
　　
　　电力电子技术和产品是未来配电系统的主要组成部分，包括多功能固态开关、智能电子装置（IEDs）和配网用的柔性输电系统装置（如SVC和D-Statcom）等。目前，基于使用硅开关装置的多种控制器已可以在市场上买到，但它们都是独立控制的。未来电网将可使用新的系统控制逻辑，使它们协同运行，以便实现多重电力电子装置的集成控制，实现电网最大的可用传输能力。
　　
　　在智能电力电子装置中，值得一提的是智能万用变压器（IUT）。不同于传统的线圈式变压器，它是基于电力电子技术（由多级逆变器组成）的变压器。作为美国EPRIADA项目中的一个基础性的装置，IUT已接近市场化。见于报道的IUT的额定功率为20kV•A,输入相电压为2.4kV,输出的额定电压为120V/240V。同传统变压器相比，IUT提供了很多附加功能和益处：
　　
　　（1）可向用户提供可选择的服务项目。如直流或400Hz的电力，由单相到三相的转换、调压、谐波过滤，下陷校正；
　　
　　（2）改善系统运行效益。如：设计标准化（减少了备件的库存量），消除了危险的液体介质（油），减小了重量和尺寸，具有内植传感器（具有远方通讯能力，可辅助配网远程监控），也可作为可控开关折断潮流。
　　
　　2．7高级计量体系和需求侧管理
　　
　　高级计量体系[11]由安装在用户端的智能电表、位于电力公司内的计量数据管理系统（MDMS）和连接它们的通讯系统组成。近来，为了加强需求侧管理，该体系又延伸到了用户住宅之内的室内网络（HAN）。这些智能电表，能根据需要，同时实现多种计量（如kW•h，kvar，kW，V等），设定计量间隔（如５min，１５min，１h等），并具有双向通讯功能，支持远程设置、接通或断离、双向计量、定时或随机计量读取。同时，有的也可以作为通向用户室内网络的网关，起到用户端口（CustomerPortal）的作用，提供给用户实时电价和用电信息，并实现对用户室内用电装置的负荷控制，达到需求侧管理的目的。
　　
　　由于能实现带有时标的多种计量，智能电表实际上成为分布于网络上的系统传感器和量测点。因此，高级计量体系不仅能为电力公司提供遍及系统的通讯网络和设施，也能提供系统范围的量测和可观性，被视为是实现智能电网的第一步。它既可以使用户直接参与到实时电力市场中来，也可为系统的运行和资产管理带来巨大效益。
　　其他的功能包括：
　　
　　（1）用户可得到连续即时的计量信息；
　　
　　（2）支持灵活的分时电价；
　　
　　（3）对参与市场的用户提供实时电价，并实现同实时电价相结合的自动负荷控制；
　　
　　（4）降低负荷峰值，提高系统资产利用率，降低应对需求增长所需的固定投资成本；
　　
　　（5）集成用户侧的分布式发电；
　　
　　（6）远程监视电能质量与实施电压控制；
　　
　　（7）快速的系统故障定位和响应；
　　
　　（8）非技术性能量损耗的检测；
　　
　　（9）为系统调度、规划和运行提供精确的系统负荷信息；
　　
　　（10）在新一代的智能设备和高级服务之间实现信息共享。
　　
　　3投资与效益
　　
　　美国电科院估计在美国实现智能电网需要在未来２０a投资2650亿美元。而在未来的智能电网工程实现后，由于系统降低了的能耗和阻塞、较高的能量效率、较高的电能质量和供电可靠性、较低的系统运行和维护费用、系统利用系数提高而减少的对发电和输配电的资产投入、较大的系统安全性、清洁的环境和较低的能量成本，其综合社会效益可达6380亿～8020亿美元，投资收益率为４００％[12]。
　　
　　4结语
　　
　　智能电网是经济和技术发展的必然结果，不是可选择或可不选择的。其预期效益也相当可观。
　　
　　目前，日本东京电力公司的电网被认为是世界上唯一的接近于智能电网的系统。通过光纤通信网络，它正在逐步实现对系统范围的６kV中压馈线（已呈网络拓扑）的实时量测和自动控制（采样率每分钟一次）[13]。在２００７年１２月份通过的美国能源独立和安全法（EISA）[14]中，美国也已明确把智能电网工程列入计划之中。而我国的城市电网本来就相对薄弱，需要强化（2008年冰冻灾害导致我国多个省市电网大规模长时间停电的事实更加凸现了这一需要），开展智能电网的研究对我国社会经济发展具有重大意义。智能电网包含着众多的研发课题，宜尽早计划、组织和实施这一领域的研发工作。
　　
　　参考文献

[1] EPRI. Power Delivery System and Electricity Markets of the Future [R]. EPRI, Palo Alto, CA,2003.1009102.

[2] EPRI.Technical and System Requirements of Advanced Distribution Automation [R]. EPRI, Palo Alto, CA, 2004.1010915.

[3] EPRI.Profiling and Mapping of Intelligent Grid R&D Programs [R].EPRI, Palo Alto, CA and EDF R&D, Clamart, France,2006. 1014600.

[4] Paul Haase. IntelliGrid: A Smart Network of Power [J].EPRI Journal, 2005:17-25.

[5] U.S. Department of Energy, National Energy Technology Laboratory. Modern Grid Initiative：A Vision for Modern Grid [EB/OL]. March 2007.[2007-06-01]. http://www.netl.doe.gov/moderngrid/docs/.

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[7] Research Reports International.Understanding the Smart Grid [R]. Research Reports International, Aug. 2007.

[8] UCTE .Final Report - System Disturbance on 4 November 2006[EB/OL]. 2006-11-04.[2007-01-01].http://www.ucte.org.

[9] Richard Fulton, Chad Abbey. Planned Islanding of 8.6 MV?A IPP for BC Hydro System Reliability[C] // First International Conference on the Integration of RE and DER，1-3 Dec. 2004, Brussels, Belgium.

[10] Research Reports International. Understanding the Microgrid[R]. Research Reports International, Feb. 2008.

[11] Research Reports International. Advanced Metering Infrastructure[R]. Research Reports International, June 2007.

[12] U.S. Department of Energy, National Energy Technology Laboratory. Modern Grid Benefits[EB/OL]. Aug. 2007.[2007-08-30].http://www.netl.doe.gov/moderngrid/docs/.

[13] Kasajima T, Endo R, Wada Y, Kudo Y，Kanawa H. The Development of the Advanced Distribution Automation System with Optical Fiber Network of Tokyo Electric Power Co., Inc[C] // 200４IEEE Power Engineering Society General Meeting，2004： 1441-1445.

[14] U.S. Energy Independence and Security Act of 2007 s[EB/OL].2007.[2007-12-30]. http://www.thomas.gov/cgi-bin/query/z?c110:H.R.6.ENR.

来源：中国工控网

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