智能电网的本质动因和技术需求(1)

摘要: 智能电网建设是一项长期而复杂的系统工程, 不仅涉及技术问题, 还需要全社会的参与。文 中分析了智能电网的概念成因、 发展需求及本质动因, 揭示智能电网的深层次内涵, 特别指出在智 能电网发展的初期, 不能一味强调 智能 的外向表现而忽视物理载体和支撑技术的建设, 必须遵循 可靠性原则, 夯实电网结构, 以全局视野实现电网安全性与经济性的高效优化协调。剖析了智能电 网建设的相关技术需求和关键突破点, 从本质动因层面对中国坚强智能电网建设进行有益探索。

0 引言

为了满足经济社会发展的新需求和实现电网的 升级换代, 以欧盟和美国为代表的一些组织和国家 提出了智能电网概念, 政府部门、 电力企业、 电气设 备生产商和 IT 业界厂商也纷纷响应 [ 1 4] 。智能电网 被认为是当今世界电力系统发 展变革的新的 制高 点, 也是未来电网发展的大趋势。

目前, 智能电网的研究和探索都处于起步阶段。 由于能源特点、 电网特质以及社会需求的差异, 各国 对智能电网的定义不尽相同 [ 5 9] 。如何正确认识智 能电网, 制定符合本国能源经济需要的电网发展路 线, 并明确具体的技术需求和突破点, 是建设智能电 网的关键。

智能化是电网发展的一个内涵丰富且长远的愿 景, 是电网发展的目标, 是一个过程。因此, 智能电 网建设是一项长期的系统工程, 不仅涉及技术问题, 还需要全社会的参与。

1 如何认识智能电网

1 1 智能电网的概念成因

21 世纪电力工业面临的巨大挑战: 一是环保压 力, 全球气候变暖问题日益严重, 电力工业节能减排 任务艰巨; 二是安全压力, 包括电力的安全生产及客 户的安全用电; 三是经济压力, 即新技术必须能够以 合理的成本被市场接受。

为了积极迎接挑战, 许多国家根据本国能源资 源和电力工业发展的特点, 形成了以智能电网为核 心内容的各具特色的电网发展模式。目的都是致力 于保障能源安全、 提高能源效率、 改善能源结构、 应对气候变化、 提升服务水平。但社会需求、 环境发展 及利益驱动等国情的差异, 又导致了各国对智能电 网研究和实践的内容不尽相同[ 10 11] 。

美国主要是对陈旧老化的电力设施进行更新改 造或依靠技术手段提高利用效率, 欧洲国家主要是 促进并满足风能、 太阳能和生物质能等可再生能源 快速发展的需要。从技术层面上看, 欧美所倡导的 智能电 网的主要特征是自愈、 互动、 优质、 兼容、 集 成、 经济, 更关注于源端及客户端的接入、 信息的获 取与传输、 新能源开发利用等[ 12] 。

1 2 智能的解读

与 Intellig rid 和 GridWise 相比, Sm art Grid 更 被电力业界和学术流派所认同。Smart 最传神的内 涵 是 巧 , 巧 具 有 聪 明 ( intellig ent ) 和 灵 活 ( f lexible) 2 方面含义。灵活是指具有坚强可靠特质 的灵活性, 富有可持续性和应变能力。坚强平台和 先进技术的有机协调才能充分提升 巧 的能力。因 此, 如果一味强调智能( int ellig ence) 而忽视对物理 基 础 的 夯 实, 智 能 电 网 建 设 将 会 走 向 误 区, intellig ence 也只能是一种 空中楼阁式的 梦想而缺 乏现实可行性。建设智能电网, 并不是说现在的电 网就不具备智能性, 事实上, 电力工作者一直在为电 网的智能化而努力。今后一段时间内, 信息化、 自动 化和互动化将作为智能电网的主要特征而为人们所 关注。

因此, 智能电网是适应未来发展并寄托了人们 美好愿望的现代先进电力系统的统称, 并且首先应 当是一个坚强的电网。坚强是智能电网的基础, 智 能是坚强电网充分发挥作用的关键, 两者相辅相成、 协调统一。灵活性贯穿于电力系统全过程, 如灵活 接入可再生能源( 包括大规模和分布式) 、 灵活安排 运行方式、 让用户灵活安排用电。同样, 坚强可靠网架也是电网安全灵活运行的保障。

智能电网建设是一项长期且复杂的系统工程。 技术层面上, 应通过各种现代的控制、 信息、 通信和 管理技术与传统电力系统的技术和业务相融合, 使 电网运行更加安全、 可靠、 经济和灵活, 为用户提供 更为优质的服务。社会层面上, 需要深入研究与之 配套的宏观政策、 发展战略、 市场机制、 经营管理等 方面的软科学。

1 3 中国特色的坚强智能电网

中国能源资源分布和电力需求的发展 很不平 衡, 需要在更大范围内实现能源资源的优化配置, 这 是中国能源发展战略的出发点。 坚强 被赋予智能 电网的 中国特色 , 源于 2 个现实因素, 一是输电侧 尚处于 爬坡 发展阶段, 二是配电侧和用户侧基础 薄弱。

从输电侧看, 首先, 中国经济社会正处于快速发 展阶段, 作为国民经济基础产业的电力工业发展空 间巨大。而中国电网发展长期滞后, 以适度超前为 发展原则的输电网建设, 必须形成坚强的网架结构, 才能够具备优化能源资源配置的能力。其次, 中国 的能源结构以及能源资源与负荷中心分布相逆的特 性, 决定了能源的远距离、 大规模输送是必然趋势。 另外, 中国太阳能、 风能等资源大多远离能源消费中 心, 必须走 大规模集中开发 的发展道路, 通过大电 网在全国范围内消纳。

在配电侧和用户侧, 要求不断提高电力可靠性 和电能质量, 满足用户对供电性能和多元化的需求。 但是, 中国电力市场目前仅存在于发电与输电之间, 尚未形成以电价为反馈信号的电网与客户的互动机 制, 配电侧和用电侧形成有效的智能电网尚需时日。

电网不仅是电能输送的载体, 也是实现能源资 源优化配置的载体。智能电网应该从物理层面、 信 息通信支撑以及调度控制等环节全面建设。首先, 在物理层面应建设好输电网架, 配置适应新技术需 求的智能元件和良好的测量装置, 做到保护和控制 及时到位; 其次, 建立一个强大、 即时的通信信息网 络; 同时, 建立一个高级控制中心[ 13] , 实现调度的智 能分析和控制。

中国特 色 的 坚强 智 能 电 网 发展 的 总 体 目 标 是[ 14] : 以特高压电网为骨干网架, 以各级电 网协调 发展的坚强电网为基础, 利用先进的通信、 信息和控 制等技术, 构建以信息化、 自动化、 互动化为特征的 自主创新、 国际领先的坚强智能电网。特高压的投 运也大大推动了智能电网概念的成熟。在智能电网 探索之路上, 中国的步伐举足轻重, 将是各国关注的 焦点。然而, 在智能电网建设初期, 发电企业和电网企业必将面临成本上升的问题, 需要政府从提升全 社会资源利用率的角度, 对相关政策进行调整, 以保 证智能电网的健康发展。

2 智能电网的本质动因

智能电网概念的提出, 以及智能电网建设的不 断推进, 都有着特殊的推动因素。本文基于社会经 济发展的阶段性特征、 能源可持续发展的内在要求 以及电网发展的客观规律, 将智能电网建设的本质 动因归纳为以下 7 个方面:

1) 社会经济发展与全球金融危机

全球能源衰竭日益严重, 但社会经济快速发展 又促使能源消费急剧增加, 这对电力发展提出了更 高要求。一方面, 要加快各级电网建设, 构筑结构合 理、 能力强大、 运行灵活的电网系统; 另一方面, 要依 靠科技进步, 进一步提升电网调度管理水平, 提高供 电可靠性和电能质量, 实现安全可靠和经济高效的 电力供应。

本次全球金融危机爆发前, 智能电网的概念已 被提出, 人们开始设想未来电网应具备所期望的各 种智能化功能。金融危机的爆发促使许多国家纷纷 出台刺激经济复苏计划。电网作为不可或缺的基础 性社会设施, 容易与先进 的电子信息技术 相结合。 电网的改造升级及优化不仅关系国计民生, 而且还 能带动相关领域( 信息业、 材料业、 装备制造业等) 的 发展, 既有利于促进经济增长, 又能缓解就业压力。 因此, 金融危机成为了驱动智能电网热的标志性事 件, 如美国奥巴马政府提出的智能电网建设计划。

2) 能源安全与环保约束

能源需求的快速增长对能源资源的可供量、 承 载能力以及国家能源安全提出严峻挑战; 全球气候 变化使得环保约束日趋严格。资源节约型和环境友 好型的社会发展战略目标, 要求电力工业肩负起节 能减排、 发展低碳经济、 保障经济社会和谐发展的重 任。因此, 大力发展可再生清洁能源成为了必然选 择, 这对保障能源安全和缓解资源环境压力都具有 重大意义。有效解决风电、 太阳能等新型可再生能 源的大规模开发、 接入、 远距离输送以 及消纳等问 题, 要求电网更为坚强、 兼容, 具备更强的互动能力, 以真正实现能源资源在全国范围的统一高效配置。

3) 高度灵活可靠的电网安全性要求

随着现代电网的快速发展和互联大电网的逐步 形成, 特高压、 远距离输电、 交直流混联、 大送端及大 受端、 电源形式多元化等特征日趋明显, 电网运行工 况极具复杂性, 如何有效抵御各类严重故障, 降低事 故风险, 对电力系统的规划、 运行与管理等各个环节都提出了极大的安全性挑战。未来电网应具备多级 一体化协调的高度灵活可靠性, 以提升驾驭大电网 安全运行的能力。

4) 清洁高效的电网经济性要求

面对资源节约和环境友好的社会发展需求, 电 网既要充分提高能源效率, 又要节能环保, 实现清洁 高效的经济运行。因此, 积极采用先进技术, 推广使 用高效节能的发电及输电设备, 改进发电调度方式, 加强电力需求侧管理, 是未来电网建设的要求。

智能电网建设初期阶段, 绿色电力成本较高, 另 外, 随着人们用电习惯的改善, 电费支出将减少。可 以预见, 同一时间段内电网公司的经济效益将会下 降, 但可以带来全社会效益的最大化。