智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究

【摘要】智能電網(wǎng)具有安全、經(jīng)濟(jì)、靈活、清潔、友好等性能，是電網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢。本文對智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，對這一體系結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了較為詳細(xì)的剖析，并對智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；信息系統(tǒng)體系；結(jié)構(gòu)研究

1.前言

智能電網(wǎng)是把現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成從而形成的一種新型電網(wǎng)[1]。所以，在構(gòu)建智能電網(wǎng)時(shí)需要全新一代的大容量、具有業(yè)務(wù)感知能力、高速實(shí)時(shí)的信息系統(tǒng)作為支撐。再加上在環(huán)境方面?zhèn)鹘y(tǒng)的電網(wǎng)對能源的利用效率以及環(huán)保性都存在諸多問題，嚴(yán)重不符合健康經(jīng)濟(jì)環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。因此，構(gòu)建一個(gè)智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系便顯得萬分重要。

2.智能電網(wǎng)的概念

智能電網(wǎng)是通過融入現(xiàn)代信息系統(tǒng)到傳統(tǒng)的能源網(wǎng)絡(luò)中從而形成一個(gè)新的電網(wǎng)系統(tǒng)，使得電網(wǎng)可以擁有更佳的可觀性與可控性，這樣不僅有利的解決了在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中互動性差、能源利用率低、安全穩(wěn)定分析困難等一系列的難題，而且還可以在能量源的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的調(diào)控，從而讓新能源發(fā)電與儲能系統(tǒng)的接入與使用可以更加方便的實(shí)現(xiàn)分布。

智能電網(wǎng)還具有三大傳統(tǒng)電網(wǎng)無法比擬的優(yōu)勢，首先是具有良好的可觀性，可以通過信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對電力系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息實(shí)施實(shí)時(shí)的監(jiān)控。其次是在發(fā)電時(shí)用電雙方可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)交互，換言之也就是通過及時(shí)得到的電網(wǎng)發(fā)電信息與用戶信息之間進(jìn)行一個(gè)優(yōu)化的調(diào)度。對于終端用戶來說，對所有的電力資源進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)度是智能電網(wǎng)的目標(biāo)，使得提供給終端用戶的電力可以更加便宜，更加穩(wěn)定。最后智能電網(wǎng)還具有較高的可靠性，可以通過系統(tǒng)震蕩來完成自動回復(fù)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)失穩(wěn)的趨勢時(shí)可以提前發(fā)出警報(bào)并做適時(shí)地調(diào)整[2]。

3.智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 智能電網(wǎng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

美國的EPRI（電力研究院）與DoD（國防部）在2001年正式啟動了CIN/SI項(xiàng)目并提出了為建立一個(gè)高適應(yīng)性、高魯棒性及控制可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化電力系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)施，開發(fā)出一個(gè)仿真、建模、分析與綜合工具，并與2001年6月在《Wired》中對這個(gè)工具進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。這篇文章是比較早的涉及到構(gòu)建智能能源網(wǎng)絡(luò)設(shè)想的文獻(xiàn)。之后，美國EPRI又在2004年對Intelligrd項(xiàng)目做出了進(jìn)一步的行動努力，發(fā)布了該體系的架構(gòu)計(jì)劃，參與這項(xiàng)項(xiàng)目研發(fā)的還有思科、GE、朗訊等多家企業(yè)。研發(fā)這項(xiàng)項(xiàng)目的目的就是要對電力系統(tǒng)中的能源系統(tǒng)以及控制信息系統(tǒng)進(jìn)行有效的繼承，通過服務(wù)模型與電力信息系統(tǒng)兩個(gè)方面對構(gòu)建智能電網(wǎng)提出科學(xué)、合理的實(shí)施步驟及技術(shù)引導(dǎo)[3]。美國Xcel能源公司于2008年3月正式宣布將在科羅拉多州的波爾多試點(diǎn)，使其建立成為智能電網(wǎng)城市，目前已經(jīng)安裝好的智能控制設(shè)備已達(dá)兩萬多臺，極大的為用戶提供了便宜、方便、穩(wěn)定的電力。

歐洲國家對于智能電網(wǎng)的開發(fā)與利用起源于2004年召開的第一屆國際可再生能源和分布式能源一體化的會議上，相關(guān)的研究人員與產(chǎn)業(yè)人員對建立歐洲未來電力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺提出了自己的設(shè)想。在得到歐盟委員會的支持后，歐洲于2005正是成立了智能電網(wǎng)歐洲技術(shù)平臺，并規(guī)劃好了2020年及之后的歐洲電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展戰(zhàn)略。2006年該組織又對歐洲智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)藍(lán)圖進(jìn)行了公布，提出了智能電網(wǎng)必須包含的四個(gè)目標(biāo)，即可介入性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性[4]。后經(jīng)過長期的規(guī)劃與執(zhí)行，歐洲基本上實(shí)現(xiàn)了在分布式的環(huán)境下解決了電網(wǎng)的安全、運(yùn)營與以市場作為導(dǎo)向的能量流控制問題。

2009年4月日本公布了“日本發(fā)展戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)增長計(jì)劃”，有太陽能發(fā)電并網(wǎng)，也有電動汽車快速充電裝置等和智能電網(wǎng)密切相關(guān)的內(nèi)容，而后在7月份，日本電氣事業(yè)聯(lián)合會明確表示將會對“日本版智能電網(wǎng)”進(jìn)行全面的開發(fā)。2008年韓國也公布了“綠色能源工業(yè)策略”，提出了“韓國版智能電網(wǎng)”的設(shè)想。

在我國，國家電網(wǎng)公司于2009年5月提出了我國智能電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，并將我國智能電網(wǎng)的建設(shè)劃分為3個(gè)階段，并計(jì)劃在2020年統(tǒng)一建立智能電網(wǎng)。2009年4月華北電網(wǎng)公司發(fā)布了關(guān)于華北電網(wǎng)建設(shè)智能電網(wǎng)的規(guī)劃，并于2010年9月在河北省廊坊市的新奧高爾夫花園小區(qū)內(nèi)建成了我國點(diǎn)一個(gè)智能電網(wǎng)的試點(diǎn)小區(qū)[5]。

3.2 我國現(xiàn)行電網(wǎng)信息系統(tǒng)的主要問題

我國現(xiàn)行的電網(wǎng)信息系統(tǒng)主要是電力二次系統(tǒng)，通常存在四大問題難以解決：一是電力系統(tǒng)中隨機(jī)、不可觀、時(shí)變的重要參數(shù)，使得對電力系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測與調(diào)度比較困難；二是真正的輸電極限在輸電線路中是未知的，因此就需要憑借大保守度來換取一定的可靠性，使得可以利用的度非常低；三是無法準(zhǔn)確的獲取來自遠(yuǎn)距離輸電中的故障信息，通常只能通過試探性的方法來應(yīng)對突來的故障，使得設(shè)備大量的冗余；四是有功無法存儲的電力系統(tǒng)，使得動態(tài)無法平衡，在負(fù)荷的情況下無法實(shí)現(xiàn)互動，造成一定的熱備用浪費(fèi)。而通過建立智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系，則可以很好的解決這四大問題。

4.構(gòu)建智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系的基礎(chǔ)設(shè)施

4.1 控制和量測電力系統(tǒng)的設(shè)備

發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及調(diào)度是電力系統(tǒng)的六個(gè)構(gòu)成部分，在進(jìn)行發(fā)電的時(shí)候，有傳統(tǒng)的水電、風(fēng)能、太陽能發(fā)電以及火電與新的核能發(fā)電。構(gòu)建智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)是電力系統(tǒng)的量測設(shè)備。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)就必須通過傳感器的應(yīng)用及部署。從當(dāng)前的技術(shù)來看，應(yīng)用與智能電網(wǎng)中的傳感器有個(gè)人用戶量測系統(tǒng)與電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)量測系統(tǒng)兩大類，其中主要用于采集電力系統(tǒng)的是電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)量測系統(tǒng)，如輸配電線、電動機(jī)側(cè)及電廠的電氣信息等。主要用于測量個(gè)人使用電力的情況是個(gè)人用戶量測系統(tǒng)，如通過智能電表來得到用戶的各項(xiàng)不同用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù)，然后再對電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的分析，在省電節(jié)能方面給予用戶一些建議等。

實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)目標(biāo)的載體是電力的控制設(shè)備。電壓、有功功率與無功功率等是電網(wǎng)系統(tǒng)的主要工作參數(shù)，而要對這些參數(shù)實(shí)施有效的控制，就要把電網(wǎng)系統(tǒng)中的輸變電系統(tǒng)、各級發(fā)電單位等列為控制對象，運(yùn)用各種智能電子設(shè)備或者RTU單元等控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的控制。

4.2 電力系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)

實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)及視頻圖像三網(wǎng)合一的綜合，需要信息通信系統(tǒng)的支持。在智能電網(wǎng)方面，通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)其非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施。在廣域保護(hù)系統(tǒng)、廣域量測系統(tǒng)以及廣域控制系統(tǒng)中都離不開通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架。

個(gè)人用戶量測單元通常是經(jīng)過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接，然后再接入廣域網(wǎng)。而通過智能電表連接的局域網(wǎng)有領(lǐng)域局域網(wǎng)與家庭局域網(wǎng)，寬頻電力線傳輸與無線網(wǎng)絡(luò)，其中無線網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)出來的智能電網(wǎng)在個(gè)人用戶局域網(wǎng)上已經(jīng)有了成型的協(xié)議。而在主干通信網(wǎng)方面，智能電網(wǎng)則有兩種組網(wǎng)的方式：一是通過信息網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)構(gòu)架，也就是說通信載體的本身就是電力網(wǎng)絡(luò)中的元素；二是通過分離電力網(wǎng)絡(luò)與構(gòu)架職能電網(wǎng)信息網(wǎng)的形式實(shí)現(xiàn)，也就是說可以通過獲取額外的網(wǎng)絡(luò)來對電力系統(tǒng)信息網(wǎng)進(jìn)行構(gòu)架。

5.結(jié)語

綜上所述，從目前形勢來看，智能電網(wǎng)對于數(shù)據(jù)存儲的性能、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅芤约皵?shù)據(jù)分析處理的性能都有比較高的要求，在一定程度上也使得對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行控制具有一定的復(fù)雜性。但智能電網(wǎng)在研究的過程中涉及到的領(lǐng)域比較多，應(yīng)用起來也是十分的方便、快捷、穩(wěn)。因此，智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系勢必成為各國電網(wǎng)的主力操作體系。

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