智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及其與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合

唐 忠，楊春旭，崔昊楊

(上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，上海 200090)

隨著燃料等非再生資源的大量消耗和地球環(huán)境的不斷惡化，新能源分布式發(fā)電得到了廣泛應(yīng)用，這也使得電網(wǎng)的復(fù)雜程度越來越高，為解決這些問題，智能電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生［1］.現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、測(cè)量、通訊、自動(dòng)化等先進(jìn)技術(shù)，也為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)提供了有力支持［2］.此外，飛速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)保證了智能電網(wǎng)為用戶提供更高的供電質(zhì)量和更優(yōu)質(zhì)的服務(wù).

1 智能電網(wǎng)發(fā)展和特征及研究目標(biāo)

1.1 智能電網(wǎng)概念的發(fā)展過程

到目前為止，智能電網(wǎng)的概念發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段:一是2006年美國(guó)IBM公司提出的“智能電網(wǎng)”解決方案，主要是解決電網(wǎng)安全運(yùn)行、提高可靠性;二是奧巴馬上任后提出的能源計(jì)劃，建立了橫跨美國(guó)4個(gè)時(shí)區(qū)的統(tǒng)一電網(wǎng)，發(fā)展智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，最大限度發(fā)揮美國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的價(jià)值和效率［3］;三是中國(guó)能源專家武建東提出的“互動(dòng)電網(wǎng)”，即在開放和互聯(lián)的信息模式下，通過加載系統(tǒng)數(shù)字設(shè)備和升級(jí)電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、輸電、供電、用電，以及客戶售電、電網(wǎng)分級(jí)調(diào)度、綜合服務(wù)等電力產(chǎn)業(yè)全流程的智能化、信息化、分級(jí)化互動(dòng)管理，是集合了產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和管理的綜合性的效率變革［3，4］.

1.2 智能電網(wǎng)在我國(guó)的發(fā)展階段

2009～2020年，我國(guó)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”將分為3個(gè)發(fā)展階段，從初期的規(guī)劃試點(diǎn)階段到“十二·五”期間的全面建設(shè)階段，再到“十三·五”時(shí)期的引領(lǐng)提升階段.其間智能電網(wǎng)建設(shè)總投資規(guī)模約為4×1012元.2011～2015年為規(guī)劃的全面建設(shè)階段，投資約為2×1012元，2016～2020年為智能電網(wǎng)基本建成階段，投資約為1.7×1012元.

1.3 智能電網(wǎng)的特征

(1)自愈 通過對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線評(píng)估，采取預(yù)防性的控制手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速診斷并消除故障隱患;故障發(fā)生時(shí)，在沒有或者少量人工干預(yù)下，能夠快速隔離故障、自我恢復(fù)，避免大面積停電［5］.

(2)互動(dòng) 系統(tǒng)運(yùn)行與批發(fā)、零售電力市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，支持電力交易的有效開展，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置;同時(shí)通過市場(chǎng)交易更好地激勵(lì)電力市場(chǎng)主體參與電網(wǎng)安全管理，從而提升電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平.

(3)堅(jiān)強(qiáng) 智能電網(wǎng)的安全性高，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的威脅通常有兩種:可抵制物理(爆炸、武器)攻擊和網(wǎng)絡(luò)(黑客)攻擊.

(4)優(yōu)質(zhì) 智能電網(wǎng)的高級(jí)組件應(yīng)用超導(dǎo)、材料、儲(chǔ)能、電力電子等方面最新的研究成果來提高電能質(zhì)量，其高級(jí)控制方法將監(jiān)測(cè)必要的組件，以實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量問題的快速診斷和完善解決.

(5)兼容 智能電網(wǎng)不僅能兼容大型集中的電廠，還能兼容不斷增加的分布式能源(DER)，包括可再生能源、分布式電源和儲(chǔ)能.

(6)優(yōu)化 實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等全壽命周期的優(yōu)化，合理安排設(shè)備的運(yùn)行與檢修，提高資產(chǎn)的利用效率，有效降低運(yùn)行維護(hù)成本和投資成本，減少電網(wǎng)損耗.

(7)集成 通過不斷的流程優(yōu)化及信息整合，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理、生產(chǎn)管理，以及調(diào)度自動(dòng)化與電力市場(chǎng)管理業(yè)務(wù)的集成，形成全面的輔助決策支持體系，不斷提升電力企業(yè)的管理效率.

1.4 智能電網(wǎng)的研究目標(biāo)

智能電網(wǎng)的研究目標(biāo)包括以下4點(diǎn):

(1)以抵御事故擾動(dòng)為目的，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn);

(2)使分布式電源(包含分布式發(fā)電、分布式儲(chǔ)能和電力用戶的需求響應(yīng))得到有效利用;

(3)提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率;

(4)提高用戶用電效率、可靠性和電能質(zhì)量［6］.

2 智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 智能電網(wǎng)依賴的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)施

實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)，需要獲得以下技術(shù)及設(shè)施的支持.

(1)集成通信 是智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ).首先必須全面地定義每個(gè)集成通信所需要的技術(shù)指標(biāo)，如帶寬、冗余、可靠性等.其次在發(fā)展集成通信的同時(shí)要加快統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制訂［7］.

(2)傳感與測(cè)量 在智能電網(wǎng)中要對(duì)大量的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，需根據(jù)實(shí)際需要選擇傳感器，傳感器應(yīng)滿足智能電網(wǎng)的要求，如高性價(jià)比、易安裝維護(hù)等.

(3)高級(jí)電力設(shè)施 在智能電網(wǎng)中起著非常重要的作用，它將應(yīng)用超導(dǎo)、儲(chǔ)能、電力電子和微電子等技術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果，為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)更大的輸電容量、更優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的電能質(zhì)量、更高的電力效率和更準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)發(fā)揮積極的作用［8］.

(4)高級(jí)控制方法 是用來分析、診斷和預(yù)測(cè)智能電網(wǎng)狀況的裝置和算法，同時(shí)能決策和采用正確的動(dòng)作去排除、緩解或避免電力短缺和電能質(zhì)量問題.

(5)決策支持 智能電網(wǎng)需要廣闊、無(wú)縫、實(shí)時(shí)的電力設(shè)備信息以幫助管理人員快速作出決定.

2.2 智能電網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成

智能電網(wǎng)主要由高級(jí)量測(cè)體系(AMI)、高級(jí)配電運(yùn)行體系(ADOI)、高級(jí)輸電運(yùn)行體系(ATOI)和高級(jí)資產(chǎn)管理體系(AAMI)［9］4 大部分構(gòu)成.

(1)AMI 其工作原理及工作過程見圖1.

圖1 AMI結(jié)構(gòu)示意

(2)ADOI和ATOIADOI包括高級(jí)配電自動(dòng)化，配電快速仿真與模擬，分布式電源運(yùn)行，AC/DC微網(wǎng)運(yùn)行，新興電力電子裝置，配電SCADA，配電地理系統(tǒng)(GIS)7個(gè)部分.ATOI主要包括輸電阻塞管理，輸電SCADA，輸電GIS技術(shù)，EMS高級(jí)報(bào)警可視化，輸電系統(tǒng)仿真與模擬，WAMS等6個(gè)部分.文獻(xiàn)［10］詳細(xì)分析了高級(jí)配電和輸電運(yùn)行體系各部分間的關(guān)系.

(3)AAMT 主要實(shí)現(xiàn)電力資產(chǎn)管理，大大改進(jìn)了電網(wǎng)的運(yùn)行和效率，主要分為用戶層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用服務(wù)層和系統(tǒng)服務(wù)層等4個(gè)層次.另外，其主要的管理分為設(shè)備資產(chǎn)管理、缺陷管理、發(fā)電計(jì)劃及項(xiàng)目管理、檢修管理，以及備品備件管理等.

綜上所述，構(gòu)成智能電網(wǎng)的4個(gè)體系的主要功能包括:AMI授權(quán)給用戶，使系統(tǒng)與負(fù)荷建立起聯(lián)系，并使用戶能夠支持電網(wǎng)運(yùn)行;ADOI可使系統(tǒng)自愈;ATOI強(qiáng)調(diào)阻塞管理;AAMI可以大大改善資產(chǎn)管理.

3 智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)(又名傳感網(wǎng))被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第3次數(shù)字技術(shù)革命，備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注.它是通過射頻識(shí)別(RFID)、傳感器、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)手段，按約定的協(xié)議，把物品與網(wǎng)絡(luò)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤監(jiān)控和管理.

智能電網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)最主要的應(yīng)用對(duì)象之一，受到業(yè)界廣泛關(guān)注.物聯(lián)網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)提供有力的通信技術(shù).將物聯(lián)網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的主要技術(shù)手段是21世紀(jì)電力科技創(chuàng)新與發(fā)展的重要趨勢(shì).

2009年9月，國(guó)家電網(wǎng)信息通信有限公司開始全面部署物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用的研發(fā)，并組建了專門的研發(fā)團(tuán)隊(duì).

3.2 物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)的異同

物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)的相同之處包括:一是以翔實(shí)可靠的信息傳輸為基礎(chǔ);二是以海量信息的智能處理為手段;三是以終端設(shè)備實(shí)時(shí)響應(yīng)處理為初期目標(biāo);四是支撐技術(shù)大部分趨向成熟.

物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)的不同之處在于:一是智能電網(wǎng)的建設(shè)以能源的節(jié)約與替代為目標(biāo)，而物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)目的是信息傳遞的處理與控制;二是智能電網(wǎng)的建設(shè)主體為政府與電力企業(yè)，而物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)主體為政府與通訊電子企業(yè);三是智能電網(wǎng)主要應(yīng)用在電信息采集控制及用電服務(wù)系統(tǒng)等方面，而物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用在實(shí)體屬性信息及控制信息交互等方面.

3.3 面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略

針對(duì)智能電網(wǎng)的需求和發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和發(fā)展的方向.在未來幾年，將通過聯(lián)合開發(fā)、共同攻關(guān)，依托重大科技專項(xiàng)和示范工程，打造智能電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的5大技術(shù)體系［11］.

(1)電力智能感知基礎(chǔ)體系 其目的在于提高面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)信息感知能力，推動(dòng)電力信息采集裝備的智能化，引導(dǎo)智能感知裝備制造技術(shù)的發(fā)展，研制并推出具有更多種類，更高級(jí)、可靠、靈活的智能感知裝備［12］.

(2)電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐體系 其目的在于建設(shè)滿足未來智能電網(wǎng)需求的可靠通信平臺(tái).

(3)智能電網(wǎng)應(yīng)用體系 其目的在于配合我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)，建立涵蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及電力資產(chǎn)管理的面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系［13］.

(4)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系 大力開展面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)研究，積極跟蹤國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，推動(dòng)電力物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定［14-17］.

(5)建立物聯(lián)網(wǎng)的邊界安全 將其接入規(guī)范體系，保證發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等環(huán)節(jié)傳感節(jié)點(diǎn)及信息的統(tǒng)一安全接入［18］.

因此，物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)應(yīng)用過程中，依托關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與成熟，必將具備多種特色服務(wù)功能［15］.見表 1.

表1 物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)建設(shè)過程中的典型應(yīng)用展望

2010年12月30日，我國(guó)首座將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與高壓強(qiáng)電控制技術(shù)全面融合的220 kV新建智能變電站——西涇智能變電站在江蘇無(wú)錫竣工投運(yùn)，標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)智能電網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用階段［18］.

4 結(jié)論

(1)智能電網(wǎng)發(fā)展迅速，目前已經(jīng)經(jīng)歷了3個(gè)階段，我國(guó)將在“十二五”期間大力發(fā)展智能電網(wǎng).與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)具有自愈、互動(dòng)、堅(jiān)強(qiáng)、優(yōu)質(zhì)、兼容等優(yōu)點(diǎn).

(2)集成通訊、傳感與測(cè)量、高級(jí)電力設(shè)施、高級(jí)控制方法、決策支持等相關(guān)技術(shù)和設(shè)施為智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了支持.AMI，ADOI，ATOI，AAMI 4大體系的配合實(shí)現(xiàn)了智能電網(wǎng)高效、優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行.

(3)物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)的結(jié)合，無(wú)論是從技術(shù)上還是從體系上都可以為智能電網(wǎng)提供強(qiáng)大的支持.

(4)智能電網(wǎng)是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是電力系統(tǒng)發(fā)展的必由之路，應(yīng)大力發(fā)展.

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