“智能電網(wǎng)建模與分析”教學(xué)內(nèi)容改革研究

當(dāng)前電力系統(tǒng)從業(yè)人員的基礎(chǔ)理論培訓(xùn)教材都是面向常規(guī)電力系統(tǒng)運(yùn)行，然而隨著西方國家和國內(nèi)都開始大力發(fā)展智能化電網(wǎng)，導(dǎo)致這些教材已不能很好地滿足未來電力系統(tǒng)高效操作和控制需求的新要求。未來的電網(wǎng)必須克服現(xiàn)有電網(wǎng)的缺點(diǎn)，因此需要電網(wǎng)是智能、持續(xù)供電、適應(yīng)性強(qiáng)并能抵御攻擊。例如，可再生能源、測量和控制工具、電力系統(tǒng)的通信系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算技術(shù)。由于智能電網(wǎng)是朝陽產(chǎn)業(yè)，還沒有形成成熟的體系，新教材《智能電網(wǎng)的建模與分析》旨在培養(yǎng)電力從業(yè)人員掌握電子和計(jì)算機(jī)工程學(xué)科方向上的智能電網(wǎng)電能生產(chǎn)方面的理論和實(shí)踐知識。

電力員工學(xué)習(xí)這門課程的前提是已有網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)知識和電磁學(xué)方面的理論基礎(chǔ)。但是，仍然需要靈活和模塊化的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)以及在智能電網(wǎng)電能生產(chǎn)的課程中增加能量轉(zhuǎn)換方面的概念，以防止電力員工在電力系統(tǒng)學(xué)科方面的基礎(chǔ)薄弱。課程不僅需要有大量算例、案例講解和習(xí)題的教材，而且需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)室用來讓電力員工親自實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)一些智能電網(wǎng)的功能。

現(xiàn)有電網(wǎng)的挑戰(zhàn)

（1）低效：當(dāng)今電網(wǎng)的總體效率大約只有40%。

（2）集中式發(fā)電：集中式發(fā)電，使分布式電源接入困難。

（3）參與度低：消費(fèi)者參與電力市場的機(jī)會受限。

（4）缺乏預(yù)測功能：電網(wǎng)缺乏預(yù)測不良電能質(zhì)量問題的能力，取而代之的是側(cè)重于研究系統(tǒng)故障保護(hù)的問題。

（5）集成度低：很少對操作數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理進(jìn)行整合，形成業(yè)務(wù)流程孤島。

這些原因以及老化的基礎(chǔ)設(shè)施和勞動力，更嚴(yán)格的環(huán)保和排放標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)荷的增長和復(fù)雜性增加，導(dǎo)致有必要發(fā)展擁有智能化的電網(wǎng)即智能電網(wǎng)。

智能電網(wǎng)的特點(diǎn)

智能電網(wǎng)是帶有智能和通信功能的自愈式電網(wǎng)。智能電網(wǎng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）在廣域網(wǎng)內(nèi)傳輸功率的能力。

（2）配有雙向通信網(wǎng)絡(luò)、自動化控制設(shè)備、智能測量設(shè)備和快速決策功能模塊。

（3）預(yù)防為主，擴(kuò)大電網(wǎng)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集量，以減小對用戶的影響。

（4）抵御攻擊和自然災(zāi)害能力以及快速恢復(fù)能力。

（5）互操作能力：新的電網(wǎng)需要能適應(yīng)舊式的集中式發(fā)電機(jī)和分布式發(fā)電，有存儲備用容量、為即插即用系統(tǒng)留有空間，如混合動力汽車。

（6）實(shí)時(shí)報(bào)價(jià)功能，為電力市場發(fā)展提供了廣闊空間。

（7）魯棒性和適應(yīng)多種類電源的能力，電源類型有集中式發(fā)電和分布式發(fā)電（如太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、熱電等）。

（8）快速解決電能質(zhì)量與各種質(zhì)量/價(jià)格之間優(yōu)先選擇的問題。

盡管智能電網(wǎng)的一些設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)存在，但是很少有電力從業(yè)人員能知道智能電網(wǎng)的構(gòu)架（見圖1）和具體功能。因此培養(yǎng)電力員工具備充足的理論知識，使從業(yè)人員在未來開展電力生產(chǎn)和智能電網(wǎng)時(shí)，具有解決智能電網(wǎng)技術(shù)難題的能力，這將是非常重要的。為此本教材旨在解決能源系統(tǒng)基本原理、可再生能源的接入技術(shù)、智能電網(wǎng)的存儲技術(shù)、智能電網(wǎng)的基本原理、智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)測量、智能電網(wǎng)的決策與控制、智能電網(wǎng)設(shè)備的通信、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)、安全和保護(hù)等問題。

方法介紹

為了讓從業(yè)人員更好的掌握這本教材的內(nèi)容，本課程分為兩部分：理論（分為7個(gè)模塊）和實(shí)驗(yàn)（旨在為電力員工提供一個(gè)動手實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)）。本節(jié)主要對每個(gè)器件進(jìn)行簡要說明。

能量轉(zhuǎn)換原理基礎(chǔ)

電力生產(chǎn)通常有不同的形式，而且通常是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，反之亦然。完成這些轉(zhuǎn)換的分別是發(fā)電機(jī)和電動機(jī)。電機(jī)通常是由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子和靜止的定子組成。電機(jī)中能量轉(zhuǎn)換來源于定子和轉(zhuǎn)子之間的傳導(dǎo)或電磁感應(yīng)。轉(zhuǎn)子的運(yùn)動可以是線性的（如線性電機(jī)或震動或往復(fù)運(yùn)動的剃須刀）。這些設(shè)備是智能電網(wǎng)集中式發(fā)電系統(tǒng)電能生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

由于集中式發(fā)電的大功率生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)的尺寸方面的優(yōu)勢，在未來的電網(wǎng)中仍將起到非常重要的作用。因?yàn)榧惺桨l(fā)電保證了可靠性和穩(wěn)定性，因此在智能電網(wǎng)中的優(yōu)勢是明顯的。從業(yè)人員必須了解當(dāng)前能源系統(tǒng)的一些概念和原則，因此《智能電網(wǎng)的建模與分析》教材給出了發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和變壓器的基本概念。這本教材是基于電路、電磁和電機(jī)編寫的。教材的詳細(xì)內(nèi)容涉及：電機(jī)及其等值模型、應(yīng)用范圍、測試程序、性能分析及限制條件、尺寸的標(biāo)準(zhǔn)要求、現(xiàn)有設(shè)備與未來電網(wǎng)的互聯(lián)、通過定期運(yùn)行和維護(hù)。

通過舉例和手算例題使電力員工掌握這些方面的基本知識：確定在不同連接負(fù)荷和功率因數(shù)下的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的終端電壓和相電壓;掌握電機(jī)空載和短路時(shí)的等效電路;掌握兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和速度關(guān)系以及調(diào)速器、勵磁和其他主要功能的作用;掌握換流器和逆變器的數(shù)學(xué)模型和特性。

可再生能源的接入技術(shù)

隨著負(fù)荷需求和維持當(dāng)前生活水平的能源成本的增加，急需使用靈活、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)、便捷和高效的新能源。為了減少集中式發(fā)電機(jī)的投入，需要可移動、可持續(xù)、獨(dú)立于電網(wǎng)連接的新電源。當(dāng)在這種形式的基本微型電網(wǎng)中加入自動化設(shè)備、通信工具和智能電網(wǎng)的其他功能后，其將適用于智能電網(wǎng)。

可再生能源可作為電能和熱能的來源。大部分可再生能源是綠色能源，是環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展的必要條件。現(xiàn)在的電力員工應(yīng)該了解可再生能源是環(huán)境友好型能源，也應(yīng)明白可再生能源的潛力和局限性。根據(jù)可再生能源的類型（太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、小水電），在本模塊中對其優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、設(shè)計(jì)模型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。同時(shí)給出了可再生能源占有率的表達(dá)式

（1）

為了完善可再生能源的知識，還需要在本模塊中討論成本優(yōu)勢、互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)、效率、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性（成本效益分析）和安全要求。

智能電網(wǎng)的儲能技術(shù)

由于負(fù)荷的波動性特點(diǎn)，基于電力系統(tǒng)的可再生能源儲能技術(shù)有著巨大的潛在效益。同時(shí)由于在負(fù)荷需求高峰時(shí)，儲能系統(tǒng)可在短時(shí)間內(nèi)作為直接動力源并彌補(bǔ)發(fā)電機(jī)啟動時(shí)的能量缺口的能力，可提高輸電和配電系統(tǒng)的魯棒性。因此，儲能技術(shù)對于智能電網(wǎng)的發(fā)展是不可或缺的。本文的重點(diǎn)是研究和比較各種儲能技術(shù)（如大功率電池、大電容器、抽水蓄能、氫能、大功率風(fēng)輪等）在額定功率、充放電時(shí)間、容量、可靠性、成本和環(huán)境影響方面的特點(diǎn)。通過在本模塊中給出有關(guān)儲能問題求解方法、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)、不同儲能設(shè)備尺寸的選擇等實(shí)際問題，確保從業(yè)人員掌握本模塊的基本內(nèi)容。

智能電網(wǎng)的基本原理

當(dāng)今的電力網(wǎng)絡(luò)是垂直操作結(jié)構(gòu)，包括發(fā)電機(jī)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及控制和維持電網(wǎng)可靠性、穩(wěn)定性和效率的設(shè)備。盡管當(dāng)前的電網(wǎng)能滿足電力需求，但是隨著可再生能源使用普及率的提高，電力運(yùn)營商正面臨著技術(shù)更新快和電力市場動力源改變的新挑戰(zhàn)。這就需要智能電網(wǎng)具備通信保障方案、實(shí)時(shí)監(jiān)測能力，提高智能彈性、可持續(xù)性、魯棒性和安全性的能力。因此當(dāng)前的從業(yè)人員應(yīng)該掌握未來電網(wǎng)設(shè)計(jì)、操作和控制的方法以適應(yīng)未來的工作。

智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)測量

智能電網(wǎng)的功能包括對網(wǎng)絡(luò)中的各種器件進(jìn)行有效控制，因此有必要對各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)監(jiān)測。通過對系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)如電壓、相角和頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。利用新工具（如同步相角測量單元（PMU）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、需求側(cè)管理（DSM）、遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、雙向數(shù)字通信）進(jìn)行監(jiān)測、測量和分析。本模塊將深入講述PMUs、智能儀表、智能電子設(shè)備（IEDs）、SCADA、RTUs、EMS、DMS的工作原理和應(yīng)用范圍。同時(shí)需要通過測量所得的數(shù)據(jù)來判斷電壓和相角的穩(wěn)定性和故障評估?？赏ㄟ^仿真以及案例分析來自我檢查對本模塊的掌握程度。

智能電網(wǎng)的決策與控制

電力消費(fèi)者希望不斷減少支出，因此未來的電網(wǎng)需要更強(qiáng)大的控制功能。未來電網(wǎng)不僅需要能控制電氣和機(jī)械系統(tǒng)，而且還應(yīng)能夠控制負(fù)荷，從而減少電力需求和相關(guān)成本。本模塊主要討論電力系統(tǒng)控制設(shè)備的功能和控制技術(shù)，同時(shí)還討論了局域和廣域電網(wǎng)的控制和狀態(tài)估計(jì)。培養(yǎng)電力員工具備設(shè)計(jì)和操作未來電力系統(tǒng)控制方案的必要技能這是極其重要的。另外，除了學(xué)習(xí)本模塊的綜合研究外，電力員工還應(yīng)設(shè)計(jì)并提供解決方案以區(qū)別未來電網(wǎng)的實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)。

智能電網(wǎng)的通信、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)、安全和保護(hù)

隨著公共線路和用戶不斷要求降低成本，能源企業(yè)正在慢慢調(diào)整以提高效率和操作的靈活性。通過引入通信系統(tǒng)，試圖改善智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)的配電和輸電系統(tǒng)的需求?？紤]到用戶和公共線路之間傳輸信息的靈敏度，通信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該是高效和安全的。在本模塊中將討論用戶和公共線路之間用于收集和傳遞信息的不同標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和安全選項(xiàng)。同時(shí)本節(jié)給出了習(xí)題和案例分析用來檢測知識的掌握情況。

實(shí)驗(yàn)操作

本教材包括用計(jì)算機(jī)仿真包（NEPLAN、PSAT、MATLAB）和運(yùn)用實(shí)時(shí)實(shí)用的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的電力系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)。

（1）電力網(wǎng)絡(luò)的測量技術(shù)工具，例如功率表、智能儀表實(shí)驗(yàn)。

（2）介紹電力仿真工具以及其他潮流計(jì)算工具，如NEPLAN、PSAT、MATLAB。

（3）用不同可再生能源和不同負(fù)荷類型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（4）動力機(jī)械和交直流的控制設(shè)備以及感應(yīng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)。

實(shí)驗(yàn)案例

本模塊針對目前在為從業(yè)人員提供動手練習(xí)而開發(fā)的各種實(shí)驗(yàn)和仿真的一些原則進(jìn)行討論。在本小節(jié)通過一個(gè)例子討論實(shí)驗(yàn)應(yīng)有的如下目標(biāo)：

（1）了解可再生能源的發(fā)電過程。

（2）研究儲能系統(tǒng)如何并入電力系統(tǒng)。

（3）探究可再生能源系統(tǒng)（如光伏發(fā)電系統(tǒng)）的多變性和隨機(jī)性。

（4）開發(fā)一種兼容AC和DC電源的系統(tǒng)。

（5）三相系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

（6）用圖2的配置進(jìn)行系統(tǒng)研究，如潮流計(jì)算、最優(yōu)潮流計(jì)算和故障研究等。

結(jié)論

電力員工現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)明白能源方面的趨勢，尤其是關(guān)于可再生能源和儲能設(shè)施接入電網(wǎng)問題，也應(yīng)體會到未來電力系統(tǒng)的組成是跨學(xué)科的。最后，電力員工應(yīng)該復(fù)習(xí)電子、電網(wǎng)絡(luò)、信號和系統(tǒng)方面的教材，因?yàn)樵诒窘滩乃麄兡芸吹竭@些知識對電網(wǎng)發(fā)展的直接作用及重要性。

《智能電網(wǎng)的建模與分析》這本教材適合作為電力企業(yè)從業(yè)人員培訓(xùn)教程。本教材給出了可再生能源通過經(jīng)典裝置進(jìn)行電能生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換的基本原理，同時(shí)介紹了儲能技術(shù)及其效益。為了解決智能電網(wǎng)的基本問題，還介紹了一些不同測量工具，如PMU、智能儀表。此外，針對本地和廣域電網(wǎng)的智能控制，還提出了不同的控制策略，如電壓頻率控制、無功功率控制等。為了便于電力員工動手實(shí)驗(yàn)，電力企業(yè)可適當(dāng)建立用于測試能量轉(zhuǎn)換元件、測試技術(shù)、控制技術(shù)及智能電網(wǎng)技術(shù)和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室。（作者李江供職于東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院;劉偉波系東北電力大學(xué)碩士研究生;王彬供職于安徽省長豐縣供電公司;歐陽斌供職于江西贛西供電公司）