略論電力系統(tǒng)的發(fā)展方向

王興興

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院,上海 200093)

略論電力系統(tǒng)的發(fā)展方向

王興興

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院,上海 200093)

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,電能總消費日益增加,以及霧霾等環(huán)境問題不斷惡化,電網(wǎng)壓力進一步增加,以發(fā)展新能源為重點的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整正呈現(xiàn)加速趨勢。面對以上這些挑戰(zhàn),發(fā)展堅強智能電網(wǎng)已是大勢所趨本文就電力系統(tǒng)的發(fā)展以及智能電網(wǎng)的建設(shè)進行粗略分析。

電力系統(tǒng) 發(fā)展方向 智能電網(wǎng)

1 電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀

電是全世界最通用的能源形式。今天的電網(wǎng)主要是由大型發(fā)電廠、輸電線路和配電系統(tǒng)組成的，輸電線路連接大型發(fā)電廠并為配電系統(tǒng)供電。因此，電網(wǎng)的總體結(jié)構(gòu)仍然與過去相同，即潮流是單向的，由發(fā)電廠通過輸電線路和配電系統(tǒng)到達終端用戶。現(xiàn)代經(jīng)濟的運行體制告訴我們，工作要巧干，苦干往往導(dǎo)致事倍功半的效果。一般來說，花一些時間和精力分析我們的工作方式，比只增加工作強度的效果更好。對于個人來講是如此，對于大型系統(tǒng)亦是如此。目前我國電網(wǎng)，也同樣面臨如何最好地應(yīng)對這些變化的問題。我國的電力工業(yè)起步很早，幾乎與世界同步。近年來，我國電力行業(yè)發(fā)展迅猛，火電水平不斷提高，水電逐漸增大其開發(fā)強度，電源結(jié)構(gòu)不斷的調(diào)整，日益增強電網(wǎng)的建設(shè)水平，環(huán)保方面的成績?nèi)找嫱怀?，電力裝備技術(shù)不斷提高。截止2013年底，我國在繼電網(wǎng)規(guī)模、發(fā)電量世界第一之后，我國發(fā)電裝機容量已超越美國位居世界第一、達到12．47億千瓦。隨著我國電力系統(tǒng)及其自動化水平逐年提升，我國的電力系統(tǒng)供給能力逐步增強，電力供給結(jié)構(gòu)明顯改善。

由圖1-1可以看出，我國的總裝機容量逐年遞增。電力是保證經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，經(jīng)濟發(fā)展是電力發(fā)展的內(nèi)在動力。隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，對供電量的要求也與日俱增。由圖1-2可以看出我國近年來發(fā)電量與用電量基本持平。但是近來三年的用電量略大于發(fā)電量，說明我國的電力系統(tǒng)供給能力仍需加強。

由圖1-3可看出，到目前為止，煤炭等化石能源仍舊是中國發(fā)電所用的的主要能源。而對于這種非清潔性能源的過度依賴，需要付出巨大的代價，因此政府計劃加大力度利用核能、水電和天然氣等清潔的能源，以實現(xiàn)能源供應(yīng)的多樣化。盡管我國擁有豐富的能源生產(chǎn)所需的資源，但我國的資源存儲區(qū)域大多位于西北部地區(qū)，而能源主要的消耗中心則位于華北華中華東地區(qū)，相距甚遠。隨著我國經(jīng)濟的進一步發(fā)展，要求對發(fā)電和輸配電的基礎(chǔ)設(shè)施進行大量的投資改造。于此同時并網(wǎng)風(fēng)電以及并網(wǎng)太陽能發(fā)電發(fā)展迅速。未來將有更多的可再生能源電力并入電網(wǎng)，我國在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域很大發(fā)展空間與潛力。且目前來看我國的電力供給結(jié)構(gòu)已經(jīng)明顯改善。

2 電力系統(tǒng)發(fā)展方向

現(xiàn)如今，一場針對于電網(wǎng)功能的根本性的變革正在發(fā)生。電能已成為全球最重要的能源之一，放眼全球，已經(jīng)開始逐漸形成了以電為中心的能源的開發(fā)利用格局，并且這已經(jīng)成為全球能源發(fā)展的戰(zhàn)略方向。變革的一大原因是由于風(fēng)能、太陽能等可再生能源使用量的增加。一方面由于我國國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，但是能源供應(yīng)基地和主要的用電負荷中心均距離很遠，并且這些主要的能源供應(yīng)地大量位于西北部地區(qū)，當(dāng)?shù)氐脑须娋W(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施十分落后，對于新增輸電量無力承擔(dān)；另一方面由于風(fēng)能、太陽能這些能源的供應(yīng)的不連續(xù)性以及難以預(yù)測性，因此大家都希望能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離輸電。綜合以上幾點，故我國將以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各電壓等級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)建設(shè)作為發(fā)展智能電網(wǎng)的物理基礎(chǔ)[1]。

在未來20年內(nèi)，用戶將可能看到電力系統(tǒng)的一些特性：概率幾乎為零的大面積停電；非常少的本地區(qū)域電力供應(yīng)中斷，以及在電力中斷下的快速電力恢復(fù)；優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量；用戶能根據(jù)價格信息和其他經(jīng)濟刺激方式(比如需求相應(yīng))來多方面選擇買電和用電服務(wù)，或通過DER進行儲能；增強的低成本電能輸送能力；高效的電網(wǎng)運行能力；控制系統(tǒng)、電力電子以及分布式電源的即插即用；提升的對外部物理攻擊或者自然災(zāi)害的抵御能力；更加環(huán)保。這種未來的電力系統(tǒng)稱為“智能電網(wǎng)”。

3 堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)

電網(wǎng)是現(xiàn)代社會的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。對電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施進行換代的傳統(tǒng)做法主要是興建新的發(fā)電廠，架設(shè)新的輸電線路，建造新的變電站，添加其他相關(guān)設(shè)備等。但現(xiàn)在從取得授權(quán)到選擇路徑到建設(shè)新線路的每一步都已變得極其困難、昂貴和費時。許多電網(wǎng)正在老化，并受到各種運行方案的困擾，幾十年前建設(shè)這些電網(wǎng)時還從未考慮到這些挑戰(zhàn)。從根本上說，智能電網(wǎng)是一種輸配電系統(tǒng)，其本質(zhì)就是能源代替和兼容利用。

我國所發(fā)展的智能電網(wǎng)的理念，是堅強智能電網(wǎng)。其具有網(wǎng)架堅強、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動等顯著特點?，F(xiàn)代電網(wǎng)所提煉的智能電網(wǎng)主要有以下7個主要特征：自愈、互動、堅強、優(yōu)質(zhì)電能供應(yīng)、兼容各種發(fā)電和儲能系統(tǒng)、活躍市場、優(yōu)化資產(chǎn)和高效運行[2]。

智能電網(wǎng)的發(fā)展和實現(xiàn)對現(xiàn)有技術(shù)提出了一系列新的要求。主要涉及四個關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域。下面進行淺略分析。

3.1 集成通信

集成通信建立智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，配電自動化也在一定程度上發(fā)展起來了，低速的SCADA系統(tǒng)以及EMS的應(yīng)用已經(jīng)成功集成了區(qū)域輸電組織、發(fā)電廠等部分，但是這些應(yīng)用還是缺少全面的系統(tǒng)集成，高速的通信體系才是智能電網(wǎng)所需要的。電力載波技術(shù)已經(jīng)使用很多年了。電力寬頻通信技術(shù)目前也已經(jīng)發(fā)展起來并成功得到應(yīng)用。同時，無線技術(shù)也被應(yīng)用到不同領(lǐng)域。但是這些技術(shù)在電網(wǎng)通信體系中并未得到很好應(yīng)用，在用戶側(cè)得也未得到充分的應(yīng)用。

3.2 傳感與測量

參數(shù)測量對用戶、公共事業(yè)包括保護系統(tǒng)的推進應(yīng)用主要表現(xiàn)在用戶所在地設(shè)備和電力服務(wù)商之間的通信；高級計量；分時電價、實時電價；負荷控制；基于網(wǎng)頁的計量信息和能源分析；停電檢測和通知；多個地點或設(shè)備的計量集合；用戶發(fā)電裝置的集成；遠程電能質(zhì)量監(jiān)測和服務(wù)；遠程設(shè)備信息診斷；竊電控制；建立能量管理系統(tǒng)；基于實時電價的自動負荷控制；總電能消耗監(jiān)測等方面。我國已有的電力監(jiān)視系統(tǒng)，部分已經(jīng)商業(yè)化，部分目前正在研究中。在目前發(fā)展的傳感和測量技術(shù)中，廣域測量系統(tǒng)(WAMS)可能是最有潛力增強電網(wǎng)穩(wěn)定的技術(shù)。

3.3 高級電力設(shè)施

電網(wǎng)的耳目股肱莫過于是高級電力設(shè)施，最前沿的研究成果如超導(dǎo)、儲能和電力電子等技術(shù)均將會在下一代的電力設(shè)備中應(yīng)用，這將使電網(wǎng)的更大輸電量，更穩(wěn)定的系統(tǒng)，更好的電能能力，更高效的電力效率和實時的系統(tǒng)診斷這些目標得以實現(xiàn)。將高級電力設(shè)施連接在一起，便可以構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)，例如微網(wǎng)。高級電力設(shè)施都是基于電力電子學(xué)技術(shù)的，柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS，包括UPFC，DVAR，SVC等)就是很好的例子。高級電力設(shè)施主要分以下幾類：有電力電子裝置、超導(dǎo)裝置、分布式發(fā)電、復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)合導(dǎo)線以及電網(wǎng)友好型裝置[3]。

3.4 高級控制方法和決策支持

智能電網(wǎng)不僅僅要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集，更重要的是需要對收集的信息進行分析與決策。智能電網(wǎng)一方面要滿足個人終端用戶與電網(wǎng)系統(tǒng)的交互需求，另一方面也要滿足電網(wǎng)控制系統(tǒng)供電穩(wěn)定的要求。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定兩種類型。通過智能電表獲取到用戶用電數(shù)據(jù)后，進行靜態(tài)和動態(tài)預(yù)想事故分析。智能電網(wǎng)能對用戶用電行為進行預(yù)測和建議。還可以通過對電力系統(tǒng)的進行數(shù)據(jù)分析，保證智能電網(wǎng)的決策具有科學(xué)性和實踐性。

4 結(jié)語

本文在對電網(wǎng)現(xiàn)狀進行分析之后，闡述了現(xiàn)在電網(wǎng)發(fā)展所遇到的挑戰(zhàn)以及今后的發(fā)展方向，最后對電網(wǎng)未來的發(fā)展方向——堅強智能電網(wǎng)進行了淺略介紹?？偠灾粋€現(xiàn)代化的堅強智能電網(wǎng)將為電力系統(tǒng)帶來以下變革：降低高峰負荷和發(fā)電設(shè)備容量；消除用于新建輸配電基礎(chǔ)設(shè)施和電廠的投資費用；降低輸配電線路損耗，并同時降低運行和維護費用；改變負載模式，調(diào)整潮流方向，改善電壓水平和系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]；允許負載側(cè)的能量儲存系統(tǒng)和分布式發(fā)電參與系統(tǒng)的調(diào)度和運行；通過廣域監(jiān)視系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和運行反饋控制，進行實時的預(yù)想故障分析；為電力公司提供先進的可視化手段，以提升其監(jiān)視整個系統(tǒng)的能力。

[1]關(guān)敬東.智能電網(wǎng)與低碳經(jīng)濟的認識與思考.供電企業(yè)管理,2010.

[2]趙巍.基于數(shù)字化通信技術(shù)的智能電網(wǎng)應(yīng)用前瞻.科技信息,2012.

[3]羅明志.智能電網(wǎng)綜述.中國電力教育:上.2010.

[4]馬寧.我國智能電網(wǎng)探析.建材技術(shù)與應(yīng)用,2012.