智能電網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

黃炎

【摘 要】智能電網(wǎng)是以包括各種發(fā)電設(shè)備、輸配電網(wǎng)絡(luò)、用電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備的物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)化與智能控制技術(shù)等與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)可觀測(cè)（ 能夠監(jiān)測(cè)電網(wǎng)所有設(shè)備的狀態(tài)） 、可控制（ 能夠控制電網(wǎng)所有設(shè)備的狀態(tài)） 、完全自動(dòng)化（ 可自適應(yīng)并實(shí)現(xiàn)自愈） 和系統(tǒng)綜合優(yōu)化平衡（ 發(fā)電、輸配電和用電之間的優(yōu)化平衡） ，從而使電力系統(tǒng)更加清潔、高效、安全、可靠。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步、科技和信息化水平的提高以及全球資源和環(huán)境問題的日益突出，電網(wǎng)發(fā)展面臨著新課題和新挑戰(zhàn)。建設(shè)智能電網(wǎng)，充分發(fā)揮電網(wǎng)在資源優(yōu)化配置、服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。本文詳述分析并總結(jié)了智能電網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀，研究發(fā)展智能電網(wǎng)的性能要求發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

智能電網(wǎng)是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動(dòng)向，是新形勢(shì)下電網(wǎng)企業(yè)有效應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)的必然選擇。發(fā)展智能電網(wǎng)，將有力地帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升國內(nèi)電力裝備制造業(yè)自主創(chuàng)新能力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)。智能電網(wǎng)的運(yùn)行將大幅度提高發(fā)電、輸電和用電的效率，促進(jìn)節(jié)能減排，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

一、智能電網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，美國、加拿大、澳大利亞以及歐洲各國都相繼開展了智能電網(wǎng)相關(guān)研究，而其中最具代表性的是美國與歐洲。對(duì)于美國來說，對(duì)復(fù)雜大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制，即所謂的“自愈”能力，是其智能電網(wǎng)發(fā)展最初的驅(qū)動(dòng)；而對(duì)于歐洲智能電網(wǎng)的發(fā)展，嚴(yán)格的溫室氣體排放政策顯然起到了更大的推動(dòng)作用，分布式能源和可再生能源接入研究也相應(yīng)獲得了更多的支持。國網(wǎng)公司在加快推進(jìn)特高壓電網(wǎng)建設(shè)的同時(shí)，高度重視智能電網(wǎng)技術(shù)研究和工程實(shí)踐，取得了一大批世界領(lǐng)先、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要成果，在理論研究、裝備研制和工程應(yīng)用方面為發(fā)展智能電網(wǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在當(dāng)前的國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)社會(huì)形勢(shì)下，建設(shè)中國智能電網(wǎng)對(duì)于促進(jìn)節(jié)能減排，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，拉動(dòng)內(nèi)需，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，改善民生，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧發(fā)展具有重要意義，因此是國家能源戰(zhàn)略的必然選擇。

二、發(fā)展智能電網(wǎng)的性能要求

1.電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行對(duì)于任何一個(gè)國家的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。一個(gè)現(xiàn)代化的電網(wǎng)必須從根本上保證國家能源安全、優(yōu)化資源配置、帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、體現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)社會(huì)責(zé)任、提高電網(wǎng)企業(yè)資產(chǎn)利用率和投資效益、適應(yīng)能源結(jié)構(gòu)變化和體制改革要求。因此，在電網(wǎng)發(fā)展和建設(shè)過程中，有必要提高科技投入，早日實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化。智能電網(wǎng)的性能特征體現(xiàn)了它與傳統(tǒng)電網(wǎng)的區(qū)別，可以總結(jié)為以下六個(gè)方面： 自治和自愈能力、防御能力、電網(wǎng)兼容性、高效運(yùn)營和管理、優(yōu)質(zhì)和友好性、電力交易的方便性。

2.自治和自愈能力是指電網(wǎng)維持自身穩(wěn)定運(yùn)行、評(píng)估薄弱環(huán)節(jié)和應(yīng)對(duì)緊急狀態(tài)的能力。目前電網(wǎng)的安全穩(wěn)定計(jì)算和緊急預(yù)案制定仍以離線分析為主，其分析結(jié)果往往偏于保守，且無法在任何時(shí)刻都符合電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況。在智能電網(wǎng)中，電網(wǎng)將具備更強(qiáng)的自我管理和自我恢復(fù)能力，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）電網(wǎng)能夠自動(dòng)合理安排運(yùn)行方式，協(xié)調(diào)國家、大區(qū)、省級(jí)、地縣各級(jí)電網(wǎng)，根據(jù)潮流、負(fù)荷、氣象條件等情況確定運(yùn)行參數(shù)。

（2）電網(wǎng)具有在線安全穩(wěn)定分析能力，能快速對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，明確電網(wǎng)安全穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)并自動(dòng)提出解決方案。

（3）能針對(duì)實(shí)際情況修改或制定黑啟動(dòng)方案。電網(wǎng)兼容性是指電力系統(tǒng)能夠開放性地兼容各種類型設(shè)備的能力。電網(wǎng)涉及的產(chǎn)業(yè)鏈較長，包括發(fā)電、燃料、環(huán)保、需求側(cè)、裝備制造等領(lǐng)域，因此，一個(gè)開放的、高兼容性的電網(wǎng)對(duì)于各產(chǎn)業(yè)的充分發(fā)育、增加就業(yè)崗位、促進(jìn)節(jié)能減排具有重要意義。電網(wǎng)的兼容性應(yīng)包括以下三個(gè)方面： 第一，兼容一次設(shè)備，包括特高壓、FACTS、傳統(tǒng)能源、清潔能源、儲(chǔ)能裝置等；第二，兼容二次設(shè)備，包括保護(hù)、測(cè)量、控制和通信裝置、軟件等；第三，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)即插即用。高效運(yùn)營和管理是指電網(wǎng)提高設(shè)備利用率、減少線損、降低運(yùn)營成本的能力。

三、我國智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析預(yù)計(jì)，到2020年智能電網(wǎng)總投資將不低于2000億，2015年之前將完成主要框架建設(shè)。除儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)以外，配網(wǎng)自動(dòng)化和用戶側(cè)將40%，智能變電站占20%、智能調(diào)度占15%、柔性輸電系統(tǒng)（含清潔能源接入側(cè)設(shè)備）占10%，其他投資占15%。從國網(wǎng)公司的規(guī)劃來看，2012年前特高壓、數(shù)字化變電站是建設(shè)高峰期；2012-2015年智能調(diào)度將逐漸引入。近年用電信息采集和智能電表的需求將有較快增長，如圖所示。目前，國家電網(wǎng)與南方電網(wǎng)公司對(duì)于特高壓交流與直流的規(guī)劃已經(jīng)清晰，并在全國多個(gè)地區(qū)進(jìn)行了數(shù)字化變電站的試點(diǎn)工作。關(guān)于用戶側(cè)，短期內(nèi)國網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)用電信息采集系統(tǒng)，注重對(duì)用戶側(cè)的管理而無用戶互動(dòng)參與電力市場(chǎng)。

1.特高壓發(fā)展趨勢(shì)。“特高壓電網(wǎng)”，指交流1000千伏、直流正負(fù)800千伏及以上電壓等級(jí)的輸電網(wǎng)絡(luò)。目前中國的長距離輸電和世界其他國家一樣，主要用500千伏的交流電網(wǎng)，國外并沒有1000千伏交流線路在長距離運(yùn)行。特高壓電網(wǎng)能夠適應(yīng)東西2000-3000公里，南北800-2000公里遠(yuǎn)距離大容量電力輸送需求，有利于大煤電基地、大水電基地、大風(fēng)電基地和大型核電站群的開發(fā)和電力外送。按照國網(wǎng)規(guī)劃，2020前特高壓總投資將達(dá)6330億元，2011年步入全面建設(shè)智能電網(wǎng)階段，每年投資將超過1000億元，到2012年特高壓投資將超過3000億元，達(dá)到總投資的一半，再加上南網(wǎng)，預(yù)計(jì)到2020 年兩網(wǎng)的總投資規(guī)模將超過7000億元。

2.數(shù)字化變電站發(fā)展趨勢(shì)。第一，數(shù)字化變電站將使用智能化一次設(shè)備，具備電子式互感器與智能開關(guān)生產(chǎn)能力的企業(yè)將占領(lǐng)相關(guān)一次設(shè)備市場(chǎng)。第二，數(shù)字化變電站的進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用可以使得設(shè)備和系統(tǒng)具有自描述、自適應(yīng)、自診斷、自愈、智能告警等功能，進(jìn)一步為智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)建設(shè)做好準(zhǔn)備。智能化應(yīng)用是數(shù)字化變電站的最終目標(biāo)。第三，數(shù)字化變電站系統(tǒng)需求將由傳統(tǒng)變電站的數(shù)字化改造與新建數(shù)字化變電站兩部分構(gòu)成，預(yù)計(jì)到2015年，平均每年傳統(tǒng)電站數(shù)字化改造約4000座，新建數(shù)字化變電站2500座。

3.智能調(diào)度發(fā)展趨勢(shì)。第一，分區(qū)、分級(jí)調(diào)度結(jié)構(gòu)。目前我國已建立了較完備的五級(jí)調(diào)度體系，即國調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、地調(diào)和縣調(diào)，每年調(diào)度自動(dòng)化市場(chǎng)的需求大約在4.5億元，預(yù)計(jì)到2013年期智能調(diào)度將替代傳統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化，其市場(chǎng)需求可達(dá)每年5億元。第二，智能調(diào)度更重視信息的反饋和基于信息的自動(dòng)化處理。智能調(diào)度則采用IEC61970國際標(biāo)準(zhǔn)接口，系統(tǒng)信息的反饋能力和自動(dòng)化處理能力提升，機(jī)組具有較高的“自適應(yīng)”水平，對(duì)現(xiàn)有調(diào)度控制中心功能的重大擴(kuò)展，增強(qiáng)了電網(wǎng)在遇到事故時(shí)快速自動(dòng)排除故障和保障供電的能力。

4.用戶信息采集系統(tǒng)。

（1）用戶用電信息采集系統(tǒng)是通過對(duì)配電變壓器和終端用戶的用電數(shù)據(jù)的采集和分析，實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)控、推行階梯定價(jià)、負(fù)荷管理、線損分析，最終達(dá)到自動(dòng)抄表、錯(cuò)峰用電、用電檢查（防竊電）、負(fù)荷預(yù)測(cè)和節(jié)約用電成本等目的。建立全面的用戶用電信息采集系統(tǒng)需要建設(shè)系統(tǒng)主站、傳輸信道、采集設(shè)備以及電子式電能表（即智能電表）。國家電網(wǎng)公司電信息采集系統(tǒng)逐步建設(shè)了負(fù)荷管理、集中抄表等用電信息采集系統(tǒng)，在公司經(jīng)營管理和安全生產(chǎn)中發(fā)揮了積極作用。國網(wǎng)公司將全面建設(shè)用電信息采集系統(tǒng)，系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集終端的采購資金約230億元。國網(wǎng)電能表設(shè)備建設(shè)規(guī)劃投資近400億元，其中波表約占270億元。

（2）隨著能源問題的緊張，電網(wǎng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。到2020年，我國將全面建成統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，建立高速、雙向、實(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，沒有這樣的通信系統(tǒng)，任何智能電網(wǎng)的特征都無法實(shí)現(xiàn)，電力通信系統(tǒng)是電力自動(dòng)化的重要組成部分。與此同時(shí)，光纖通信以其信息容量大、保密性好、重量輕、體積小、無中繼、傳輸距離長等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，光纖收發(fā)器正是利用了光纖這一高速傳播介質(zhì)很好地解決了以太網(wǎng)在傳輸方面的問題。

智能電網(wǎng)的研究與建設(shè)是一項(xiàng)高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，我國智能電網(wǎng)的研究與建設(shè)工作應(yīng)在集思廣益、充分汲取國際領(lǐng)先技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)揮主觀能動(dòng)性、創(chuàng)造性，因地制宜建設(shè)我國特色的智能電網(wǎng)。雖智能電網(wǎng)的概念尚未統(tǒng)一，各國發(fā)展智能電網(wǎng)的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同，但對(duì)采取的先進(jìn)的控制、通信、信息等技術(shù)來提高智能化的程度已達(dá)成共識(shí)，分布式協(xié)調(diào)、控制、仿真與決策，分布式能源系統(tǒng)集成等相關(guān)技術(shù)是未來智能電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。

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