智能電網(wǎng)的研究與應(yīng)用

齊佳鑫

(廣西電網(wǎng)公司柳州供電局，廣西 柳州 545005)

1 前言

目前，電力行業(yè)的發(fā)展面臨投資效率低、供電可靠性差、應(yīng)變突發(fā)事故能力差、環(huán)境破壞嚴(yán)重等諸多問題。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家認(rèn)為解決這些問題的最佳辦法是建設(shè)一個(gè)基于全新技術(shù)和構(gòu)架的更可靠、更堅(jiān)強(qiáng)、更經(jīng)濟(jì)、更高效、更為環(huán)境友好、使用更安全的“智能電網(wǎng)”［1］。一時(shí)間，世界許多國(guó)家爭(zhēng)相開展智能電網(wǎng)的建設(shè)。我國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)的研究可以說是起步比較早的，文獻(xiàn)［2］在2000年就提出了數(shù)字電力系統(tǒng)這一概念，與智能電網(wǎng)如出一轍。文獻(xiàn)［3］在2007年提出了“數(shù)字南方電網(wǎng)”的構(gòu)想。在2009年特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議上，我國(guó)提出了統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)概念，它是以統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一建設(shè)為原則，以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的國(guó)家電網(wǎng)，其中堅(jiān)強(qiáng)是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，智能是堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)充分發(fā)揮作用的關(guān)鍵，兩者相輔相成，協(xié)調(diào)統(tǒng)一［4］。我國(guó)政府大規(guī)模的投資計(jì)劃保證了2020年前將全面建成智能電網(wǎng)。

2 智能電網(wǎng)的概念及功能

由于智能電網(wǎng)正處于開始研究和開發(fā)階段，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)、電力公司、專家等對(duì)其沒有統(tǒng)一而明確的定義。2001年，美國(guó)電科院最早提出“Intelligrid”概念。2005年，隨著“智能電網(wǎng)歐洲技術(shù)論壇”的正式成立，提出了SmartGrids(智能電網(wǎng))概念，并在2006年推出了研究報(bào)告［5］，全面闡述了智能電網(wǎng)的發(fā)展思路。2008年美國(guó)能源部也采用SmartGrids概念出版了一份報(bào)告［6］。目前SmartGrids這個(gè)稱謂已被全世界普遍采用。簡(jiǎn)單地說，它是一種以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成的新型電網(wǎng)，具有提高能源效率、減少對(duì)環(huán)境的影響、提高供電的安全性和可靠性、減少輸電網(wǎng)的電能損耗等諸多優(yōu)點(diǎn)［7］。一般來說，智能電網(wǎng)具有以下功能特點(diǎn)［5－13］。

2.1 堅(jiān)強(qiáng)

無論是電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)和故障還是計(jì)算機(jī)遭到外部攻擊，智能電網(wǎng)均能保持對(duì)用戶的供電能力，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

2.2 自愈

自愈智能電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)安全可靠運(yùn)行的主要功能，指對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線自我評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速診斷和消除故障隱患，避免對(duì)用戶的供電中斷。

2.3 兼容

傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)主要是面向遠(yuǎn)端集中式發(fā)電，智能電網(wǎng)能夠同時(shí)適應(yīng)集中發(fā)電與分布式發(fā)電模式，支持可再生能源的正確、合理的接入，從而滿足用戶多樣化的電力需求。

2.4 互動(dòng)

完全競(jìng)爭(zhēng)性的電力市場(chǎng)要求用戶側(cè)支持雙向通信，即用戶可以通過智能電表實(shí)時(shí)獲取用電信息和實(shí)時(shí)變化的不同供電商的電價(jià)，真正實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)電力市場(chǎng)完全競(jìng)爭(zhēng)，更好地激勵(lì)電力企業(yè)參與電網(wǎng)安全和質(zhì)量管理，從而提升電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平和電能質(zhì)量。

2.5 優(yōu)化

使用先進(jìn)的信息和監(jiān)控技術(shù)優(yōu)化設(shè)備和資源的使用效益，合理地安排設(shè)備的運(yùn)行與檢修，提高資產(chǎn)的利用效率，降低投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。

2.6 集成

通過不斷的流程優(yōu)化、信息整合，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制、維護(hù)、能量管理(EMS)、配電管理(DMS)、市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)(MOS)、企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)等和其他各類信息系統(tǒng)之間的綜合集成，并實(shí)現(xiàn)在此基礎(chǔ)上的業(yè)務(wù)集成，不斷提升電力企業(yè)的管理效率。

3 我國(guó)發(fā)展智能電網(wǎng)的動(dòng)因及現(xiàn)狀

3.1 我國(guó)發(fā)展智能電網(wǎng)的動(dòng)因

隨著能源安全與氣候變化逐漸成為一個(gè)全球性問題，智能電網(wǎng)成為當(dāng)今電網(wǎng)發(fā)展變革的最新方向。我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)研究院副院長(zhǎng)胡兆光指出，推動(dòng)可再生能源的優(yōu)化配置是發(fā)展智能電網(wǎng)的主要目的之一。我國(guó)以火力發(fā)電為主，使得煤炭資源的消耗非常巨大，而廣泛分布于中西部的風(fēng)力、水力等可再生能源卻得不到有效利用，同時(shí)75%以上的能源需求又集中在東部、中部地區(qū)，一次能源資源與生產(chǎn)力布局非常不平衡，從此國(guó)情出發(fā)，建設(shè)具有堅(jiān)強(qiáng)骨干網(wǎng)架的智能電網(wǎng)，不但能解決各種大規(guī)模清潔能源的接入和輸出給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的諸多問題，而且可以最大限度地發(fā)揮電網(wǎng)資源的優(yōu)化配置，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率。此外，由于我國(guó)電工行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，發(fā)展智能電網(wǎng)將帶動(dòng)電力、電子、信息、通信、傳感器和儲(chǔ)能等諸多高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)加速我國(guó)技術(shù)創(chuàng)新、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有著深遠(yuǎn)的影響［14］。

3.2 我國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)的研究可以追溯到1999年，清華大學(xué)提出“數(shù)字電力系統(tǒng)”的理念。2005年國(guó)家電網(wǎng)公司實(shí)施“SG186”工程，開始進(jìn)行數(shù)字化電網(wǎng)和數(shù)字化變電站的框架研究和示范工程建設(shè);2007年10月，華東電網(wǎng)率先開展了智能電網(wǎng)可行性研究，并規(guī)劃了從2008年至2030年的“三步走”戰(zhàn)略，在2008年全面啟動(dòng)了以高級(jí)調(diào)度中心項(xiàng)目群為突破的第一階段工作，以整合提升調(diào)度系統(tǒng)、建設(shè)數(shù)字化變電站、完善電網(wǎng)規(guī)劃體系、建設(shè)企業(yè)統(tǒng)一信息平臺(tái)為4條主線，力爭(zhēng)到2010年全面建成華東電網(wǎng)高級(jí)調(diào)度中心［15］。同年，上海市電力公司在智能表計(jì)、配電自動(dòng)化以及用戶互動(dòng)等方面開展了智能配電網(wǎng)研究，華北電網(wǎng)公司也啟動(dòng)了數(shù)字電表等用戶側(cè)的智能電網(wǎng)相關(guān)實(shí)踐。2009年2月，華北電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài)三位一體安全防御及全過程發(fā)電控制系統(tǒng)在京通過專家組的驗(yàn)收［16］，該系統(tǒng)首次將以往分散的能量管理系統(tǒng)、電網(wǎng)廣域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、在線穩(wěn)定分析預(yù)警系統(tǒng)高度集成，調(diào)度人員無需在不同系統(tǒng)和平臺(tái)間頻繁切換，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)綜合運(yùn)行情況的全景監(jiān)視并獲取輔助決策支持。2009年5月，在2009特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議上，國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了建設(shè)中國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略，提出建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的通信、信息和控制等技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、數(shù)字化、互動(dòng)化為特征的國(guó)際領(lǐng)先、自主創(chuàng)新、中國(guó)特色的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)［4］。

在網(wǎng)架建設(shè)方面，2009年1月初，中國(guó)首個(gè)特高壓輸變電工程—晉東南－南陽－荊門1000kV特高壓交流試驗(yàn)示范工程投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，該工程全長(zhǎng)640km，是目前世界上運(yùn)行電壓最高、輸送能力最大、代表國(guó)際輸變電技術(shù)最高水平的特高壓交流輸變電工程。2009年12月，南方電網(wǎng)±800kV云廣特高壓直流輸電示范工程單極順利投產(chǎn)，形成了“五條直流、八條交流”13條500kV西電東送大通道，每條都在1000公里及以上，最大輸電能力超過2300萬kW，是國(guó)內(nèi)西電東送規(guī)模最大、效益最好、發(fā)展后勁最強(qiáng)的電網(wǎng)。按照規(guī)劃，國(guó)家電網(wǎng)公司將在2020年前后基本形成覆蓋華北、華中、華東地區(qū)的特高壓電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“西電東送，南北互供”［17］。

4 智能電網(wǎng)的組成

智能電網(wǎng)作為一個(gè)完整的電網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)包含智能發(fā)電系統(tǒng)、智能輸電系統(tǒng)、智能配電系統(tǒng)、用戶側(cè)智能電表全部環(huán)節(jié)。

4.1 智能發(fā)電系統(tǒng)

傳統(tǒng)火力發(fā)電消耗了大量的煤炭資源，運(yùn)行成本高、損耗大，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，然而廣泛分布于中西部的風(fēng)力、水力等可再生能源卻得不到有效利用，在發(fā)電過程中造成了浪費(fèi)。智能發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)在提高火力發(fā)電效率、降低火力發(fā)電比例的基礎(chǔ)上，增加核電比例，并接入風(fēng)電、水電、太陽能等可再生的分布式電源，以提高系統(tǒng)的整體性、效率和靈活性，可以通過協(xié)同的、分布式的控制來優(yōu)化系統(tǒng)性能，從而在發(fā)生重大系統(tǒng)故障時(shí)可利用它們進(jìn)行局部供電(微型電網(wǎng))［12］。

4.2 智能輸電系統(tǒng)

在我國(guó)，80%以上的煤炭、水電和風(fēng)能資源分布在西部、北部地區(qū)，而75%以上的能源需求則集中在東部、中部地區(qū)，一次能源資源與需求側(cè)布局非常不平衡，這就決定了我國(guó)將來的能源供應(yīng)要形成在全國(guó)范圍內(nèi)資源優(yōu)化配置的發(fā)展格局，所以對(duì)于我國(guó)來說建設(shè)智能輸電系統(tǒng)更為重要。智能輸電系統(tǒng)應(yīng)包括智能變電站，智能輸電線路，智能輸電通訊系統(tǒng)，智能控制中心。

4.2.1 智能變電站

智能變電站作為智能輸電系統(tǒng)的重要組成部分，在電力系統(tǒng)中起到變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的作用。近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進(jìn)步和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生了重大技術(shù)變革，數(shù)字化變電站試點(diǎn)建設(shè)在國(guó)內(nèi)迅速展開，為我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。智能變電站應(yīng)在此基礎(chǔ)上向高度集成化、數(shù)字化、信息化和標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化的方向發(fā)展［18］。

(1)變電站集成化

數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、大容量Flash和可編程邏輯器件CPLD等以及模塊化技術(shù)的應(yīng)用，使得保護(hù)和測(cè)控裝置能力更強(qiáng)、更加集成。

(2)變電站數(shù)字化

智能變電站的數(shù)字化平臺(tái)既可以使變電站獨(dú)立于控制中心和其他變電站運(yùn)行，又可以與其他站以及控制中心互相通信，并可實(shí)現(xiàn)智能測(cè)量。

(3)變電站信息化

基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的PMU在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，形成了電網(wǎng)的WAMS。通過高速通信網(wǎng)絡(luò)，WAMS能夠?qū)崿F(xiàn)廣域電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的在線同步測(cè)量和相量數(shù)據(jù)的匯總，進(jìn)而為電網(wǎng)全局電壓穩(wěn)定性在線同步監(jiān)測(cè)創(chuàng)造了條件。

4.2.2 智能輸電線路

智能輸電線路需要新型復(fù)合導(dǎo)線技術(shù)、柔性交流輸電技術(shù)、柔性直流輸電技術(shù)以及特高壓輸電技術(shù)的應(yīng)用。新型復(fù)合導(dǎo)線技術(shù)主要包括高溫超導(dǎo)技術(shù)和碳纖維復(fù)合材料技術(shù);柔性交流輸電技術(shù)(FACTS)是將電力電子技術(shù)、微機(jī)處理技術(shù)和控制技術(shù)應(yīng)用與輸變電系統(tǒng)，以提高輸電系統(tǒng)的可靠性、可控性、運(yùn)行性能和電能質(zhì)量，我國(guó)已成功自主開發(fā)了固定串補(bǔ)裝置(FSC)、可控串補(bǔ)裝置(TCSC)、靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)、可控并聯(lián)電抗器(CSR)和靜止同步補(bǔ)償裝置(STATCOM)等裝置;柔性交流輸電技術(shù)相比傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)具有設(shè)計(jì)緊湊化、模塊化，易于調(diào)試、維護(hù)和擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)［19，20］。

4.2.3 智能輸電通訊系統(tǒng)

高速、全面集成的雙向通信構(gòu)架使智能輸電系統(tǒng)成為動(dòng)態(tài)、交互、實(shí)時(shí)的功率交換網(wǎng)絡(luò)。智能輸電通信系統(tǒng)應(yīng)具有如下特征［21］。

高速率——支持輸電系統(tǒng)新的保護(hù)和控制應(yīng)用所需要的高速、實(shí)時(shí)通訊。

高帶寬——支持輸電系統(tǒng)開展新業(yè)務(wù)和新功能所需求的高帶寬和高數(shù)據(jù)傳輸速率。

高覆蓋——支持所有相關(guān)場(chǎng)所的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制功能。

高可靠——部分網(wǎng)絡(luò)損壞后，通訊網(wǎng)仍能繼續(xù)運(yùn)行。

大容量——為滿足電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求，智能裝置對(duì)信息的抽樣必須在幾ms內(nèi)完成，導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)的容量和抽樣速率大幅增加。

開放性——具有即插即用功能，使電網(wǎng)元件之間能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化通訊。

統(tǒng)一性——可實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備之間、設(shè)備和系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的互操作功能。

4.2.4 智能控制中心

智能控制中心是智能輸電系統(tǒng)的中樞，它將通過結(jié)合智能化的 EMS、DMS、SCADA、虛擬電廠、微型電網(wǎng)等技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)以下功能:廣域同步信息采集、可視化互操作平臺(tái)、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)功能、交易與調(diào)度功能、快速安全穩(wěn)定分析功能、智能保護(hù)整定、預(yù)警報(bào)警與事故處理和控制中心的鏡像備用等。在實(shí)際研究中，以分層分區(qū)的原則，根據(jù)不同級(jí)別的控制中心的權(quán)責(zé)和需求，對(duì)國(guó)家、大區(qū)、省地市的控制中心功能進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)［18］。目前，我國(guó)已經(jīng)開始了高級(jí)調(diào)度中心建設(shè)。

4.3 智能配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)直接面向終端用戶，它的完善與否直接關(guān)系著廣大用戶的用電可靠性和用電質(zhì)量，智能配電系統(tǒng)是綜合了傳統(tǒng)和前沿配電工程技術(shù)、高級(jí)傳感和測(cè)控技術(shù)、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的配電系統(tǒng)，它比傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)更加安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、高效，而且支持分布式電源的大量接入。智能配電系統(tǒng)應(yīng)包含系統(tǒng)的監(jiān)視與控制、配電系統(tǒng)管理功能和與用戶的交互(如負(fù)荷管理、量測(cè)和實(shí)時(shí)定價(jià))。通過與智能電網(wǎng)的其他組成部分的協(xié)同運(yùn)行，智能配電系統(tǒng)既可改善系統(tǒng)監(jiān)視、無功與電壓管理、降低網(wǎng)損和提高資產(chǎn)使用率，也可輔助優(yōu)化人員調(diào)度和維修作業(yè)安排等。比如，一個(gè)智能配電系統(tǒng)在特定情況下可以形成一個(gè)微電網(wǎng)，它可以使用它本地的分布式電源，在數(shù)秒鐘內(nèi)反應(yīng)來滿足外部輸配電網(wǎng)絡(luò)的需求;對(duì)用戶來說，微電網(wǎng)可以增加本地可靠性，降低饋線損耗，保持本地電壓，提供更高的效率，保證電壓降的修正或者提供不問斷電源［22－24］。

4.4 用戶側(cè)智能電表

我國(guó)對(duì)智能電表的研究和應(yīng)用雖然取得一些成績(jī)，但也只是停留在簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程用電數(shù)據(jù)信息采集，這與智能電網(wǎng)高級(jí)計(jì)量的要求還有很大差距。在智能電網(wǎng)中的智能電表應(yīng)具有以下基本功能［24］。

數(shù)據(jù)獲取功能:一方面用戶可以通過智能電表獲取用戶各用電設(shè)備的實(shí)時(shí)用電信息(包括有功、無功、功率因數(shù)、電壓、電流)和工作狀態(tài);另一方面還可以通過電表的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)時(shí)接收電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)、電網(wǎng)頻率、諧波情況等信息。

用戶能量管理功能:用戶根據(jù)不同電器的具體情況進(jìn)行分級(jí)，在系統(tǒng)負(fù)荷高峰期、電價(jià)較高的情況下優(yōu)先保證實(shí)時(shí)性強(qiáng)、耗電量低，對(duì)用戶影響大的電器用電;在系統(tǒng)負(fù)荷低谷，電價(jià)較低的時(shí)候開啟熱水器、烘干機(jī)等大容量設(shè)備。

數(shù)據(jù)分析功能:根據(jù)各用電設(shè)備的歷史用電記錄進(jìn)行分析，給用戶提供詳盡的分析報(bào)告。

遙控、遙調(diào)功能:通過內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)各類用電設(shè)備下達(dá)遙控、遙調(diào)的指令，使其能夠根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)調(diào)整用電情況。

遠(yuǎn)程管理功能:在用戶不在家，可以啟用遠(yuǎn)程管理功能查看用電狀態(tài)，調(diào)整用電策略。

高級(jí)功能:利用人工智能技術(shù)構(gòu)建家庭電力消耗模型，利用優(yōu)化技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，最終給出家庭用戶電力使用建議。

此外在用戶同意的前提下，智能電表所收集的用戶用電數(shù)據(jù)還可上傳至智能配電系統(tǒng)，用于分析本區(qū)域用戶用電情況、特性和模態(tài)。這些分析結(jié)果可用于配電網(wǎng)絡(luò)檢修計(jì)劃的制定，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以及電價(jià)定價(jià)策略等方面，這對(duì)電網(wǎng)公司提高電網(wǎng)的使用效率，減少損耗起到了重要的作用。

5 結(jié)語

智能電網(wǎng)建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排等具有重大意義。我國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)的研究和實(shí)踐正處于起步階段，有很多技術(shù)問題有待解決，應(yīng)在吸取歐美等國(guó)家先進(jìn)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)自身?xiàng)l件，建設(shè)符合我國(guó)電網(wǎng)構(gòu)架的智能電網(wǎng)。

［1］ Smart grid working group.Challenge and opportunity:charting a new energy future，appendix A:working group report［R］.USA:Energy Future Coalition，2003.

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