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电网智能!关注智能电网

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策划/本刊编辑部

近日,“2010年信息技术与智能电网建设峰会”在京举行,以“变革与发展,机遇与挑战”为主题,全方位解读了电力信息化和智能电网建设中的热点、焦点,旨在启发电力企业及相关行业以创新性思维投入我国电力信息化和智能电网快速、健康和可持续发展.中国电力发展促进会秘书长姜绍俊表示,为保障安全、清洁、高效、可持续的能源和电力供应,积极发展智能电网已成为世界电力发展的新趋势.

智能电网是工业和信息业的一次新产业革命、技术革命和管理革命.信息技术作为发展统一智能电网的基础和保障,是建设现代智能电网的重要基础条件,是贯通智能电网发、输、变、配、用、调度六个环节的基础支撑平台,是智能电网实施的前提和必要条件.据有关人士透露,目前正在研究编制的电力行业“十二五”发展规划中,智能电网将是重要组成部分,可见智能电网在目前社会发展中的重要性.应广大读者要求,本期技术交流栏目特安排介绍智能电网的相关概念解读.

编者按:世博会开幕以来,如果认真参观上海世博园,细心的游客或许会发现:在展示人类未来美好生活的世博园中,一些全新科技项目的前景与发展,已然成为世界各国各地的共识,有一些甚至已经开始推广,逐渐走近我们的现实生活.其中有一项被人们称为“智能电网”的技术,甚至于整个上海世博园都成了它的实验场,成为中国首个智能电网的示范区.智能电网究竟是项什么样的技术?它到底“智能”在何处?

智能电网的含义

智能电网(Smart Power Grids),就是电网的智能化,也被称为“电网2.0”,它是建立在集成、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标,其主要特征包括自愈、激励和包括用户抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、允许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行.

举个例子,目前千家万户已使用的分时电表,就正是智能电网在用户端方面的第一步应用.当然,智能电网的覆盖范围远不止于此.在上海世博园国家电网馆的地下一层,有一个被称为世博园“能量之心”的110千伏蒙自变电站主变压器.这座智能的变电站,承担起了所有浦西园区的电力供应,它的信息采集、传输、处理和输出等都实现了数字化、智能化.这正是智能电网在上海世博园中具体应用的内容之一.

另外,在武宁路的上海电器科学研究院,走进一间看似普通的会议室,一进门的开关位置便有一个好像电脑屏幕般的触控屏,只需选择会议模式,整间会议室就顿时好像“活”了起来,电灯、窗帘、空调、投影仪全部自动打开,还能随时调节每个电器的状态,这也仅是智能电网在用户端方面应用技术的一项.

从概念上说,智能电网是以物理电网为基础,将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、决策分析技术和控制技术,与物理电网高度集成而形成的新型电网.现在,国家电网已提出构建以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网体系,对发电、输电、变电、配电、用电、调度六个环节进行全程建设.

智能电网概念发展的三个里程碑

第一个就是2006年,美国IBM公司提出的“智能电网”解决方案.IBM的智能电网主要是解决电网安全运行、提高可靠性,从其在中国发布的《建设智能电网创新运营管理一中国电力发展的新思路》白皮书可以看出,解决方案主要包括以下几个方面:一是通过传感器连接资产和设备提高数字化程度;二是数据的整合体系和数据的收集体系;三是进行分析的能力,即依据已经掌握的数据进行相关分析,以优化运行和管理.该方案提供了一个大的框架,通过对电力生产、输送、零售的各个环节的优化管理,为相关企业提高运行效率及可靠性、降低成本描绘了一个蓝图,是IBM一个市场推广策略.

第二个是奥巴马上任后提出的能源计划,除了已公布的计划,美国还将着重集中对每年要耗费1200亿美元的电路损耗和故障维修的电网系统进行升级换代,建立美国横跨四个时区的统一电网:发展智能电网产业,最大限度发挥美国国家电网的价值和效率,将逐步实现美国太阳能、风能、地热能的统一入网管理:全面推进分布式能源管理,创造世界上最高的能源使用效率.可以看出美国政府的智能电网有三个目的,一个是由于美国电网设备比较落后,急需进行更新改造,提高电网运营的可靠性;二是通过智能电网建设将美国拉出金融危机的泥潭;三是提高能源利用效率.

第三个是中国能源专家武建东提出的“互动电网”.互动电网,英文为Interactive Smart Grid,它将智能电网的含义涵盖其中.互动电网定义为:在开放和互联的信息模式基础上,通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统,实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理,是集合了产业革命、技术革命和管理革命的综合性的效率变革.它将再造电网的信息回路,构建用户新型的反馈方式,推动电网整体转型为节能基础设施,提高能源效率,降低客户成本,减少温室气体排放,创造电网价值的最大化.

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智能电网的结构

从广义上来说,智能电网包括可以优先使用清洁能源的智能调度系统、可以动态定价的智能计量系统以及通过调整发电、用电设备功率优化负荷平衡的智能技术系统.未来智能电网的基本结构,电能不仅从集中式发电厂流向输电网、配电网直至用户,同时电网中还遍布各种形式的新能源和清洁能源:太阳能燃料电池、风能、电动汽车等等:此外,高速、双向的通信系统实现了控制中心与电网设备之间的信息交互,高级的分析工具和决策体系保证了智能电网的安全、稳定和优化运行.

智能电网的特点

智能电网是一个由众多自动化输电和配电系统组成的电力系统,能根据电力市场和企业业务需求的变化,积极做出响应;具有智能化的通信架构,实现实时、安全和灵活的信息流,为用户提供可靠、经济的电力服务.

目前,很多国家都在建设智能电网.美国政府计划出资34亿美元,民间融资46亿美元,建立智能电网投资基金,整个投资基金将达80亿美元.此外,西欧等国的智能电网也在有条不紊地建设中. “欧美版”智能电网研发重点集中在3个方面:可再生能源和分布式电源并网技术、电动汽车与电网协调运行技术、电网与用户的双向互动技术.我国计划建设的“坚强智能电网”,包含了电力系统发电、输电、变电、配电、用电和调度6个环节,链条更长、覆盖的范围更广.业内专家认为,我国的智能电网具有“坚强”和“智能”两个特征.“坚强”如同人的体魄,要有过硬的网架等硬件,如建设特高压电网,传输能力从现有的500千伏提高到1000千伏; “智能”如同人的智力,就是具有更多功能,变得越来越“聪明”.

我国的智能电网与传统电网相比,除了能传输电力能源,还具有三个显著特点:首先,网架“坚强”.我国的煤炭等资源集中在西部地区.有了坚强的网架,能将西部煤炭转换的电能远距离安全输送到东部沿海经济较发达的地区.

其次,可以实现绿色电网.虽然我国的风能资源充沛,但其间隙性、随机性的特点给电网的运行造成影响,多余的风电也无法储存.有了智能电网,就能实现电网的即时动态平衡,安全接纳“电能家族”的新成员,储存也不再是难题.

最后,具有智能化功能.如果电站出现跳闸现象,工组人员可以在实时监控中进行调节.在生活用电方面,每家装上一个芯片,和插座相联,就能自动感知电网电价的实时变化情况,选择用电时间,十分方便.

智能电网中的通信技术

建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础,没有这样的通信系统,任何智能电网的特征都无法实现,因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持,因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步.同时通信系统要和电网一样深入到千家万户,这样就形成了两张紧密联系的“网络一电网”和“通信网络”,只有这样才能实现智能电网的目标和主要特征.

高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为一个动态的、实时信息和电力交换互动的大型的基础设施.当这样的通信系统建成后,它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率,繁荣电力市场,抵御电网受到的攻击,从而提高电网价值.

高速双向通信系统的建成,智能电网通过连续不断地自我监测和校正,应用先进的信息技术,实现其最重要的特征——自愈特征.它还可以监测各种扰动,进行补偿,重新分配潮流,避免事故的扩大.高速双向通信系统使得各种不同的智能电子设备(IEDs)、智能表计、控制中心、电力电子控制器、保护系统以及用户进行网络化的通信,提高对电网的驾驭能力和优质服务的水平.

在这一技术领域主要有两个方面的技术需要重点关注,其一就是开放的通信架构,它形成一个“即插即用”的环境,使电网元件之间能够进行网络化的通信;其二是统一的技术标准,它能使所有的传感器、智能电子设备(IEDs)以及应用系统之间实现无缝的通信,也就是信息在所有这些设备和系统之间能够得到完全的理解,实现设备和设备之间、设备和系统之间、系统和系统之间的互操作功能.这就需要电力公司、设备制造企业以及标准制定机构进行通力的合作,才能实现通信系统的互联互通.

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智能电网的作用

智能电网还可以通过电子终端将用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接,实现电力数据读取的实时、高速、双向的总体效果,实现电力、电讯、电视、智能家电控制和电池集成充电等的多用途开发,实现用户富裕电能的回售:可以整合系统中的数据,完善中央电力体系的集成作用,实现有效的临界负荷保护,实现各种电源和客户终端与电网的无缝互连,由此可以优化电网的管理,将电网提升为互动运转的全新模式,形成电网全新的服务功能,提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率.智能电网解决的一个很重要的问题,就是可再生能源的接入,给风能、太阳能等新能源发电并网创造了条件.因为风电、光电等新能源的发电方式与传统能源不同,目前能够并网的新能源电力仅有约20%0通过智能电网,使新能源发电并网,不仅是低碳、环保的发展方式,也能更从容应对未来的化石能源危机.

智能电网的目标

智能电网的目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全,电网能够实现这些目标,就可以称其为智能电网.

智能电网必须更加可靠:智能电网不管用户在何时何地,都能提供可靠的电力供应.它对电网可能出现的问题提出充分的告警,并能忍受大多数的电网扰动而不会断电.它在用户受到断电影响之前就能采取有效的校正措施,以使电网用户免受供电中断的影响.

智能电网必须更加安全:智能电网能够经受物理的和网络的攻击而不会出现大面积停电或者不会付出高昂的恢复费用,更不容易受到自然灾害的影响.

智能电网必须更加经济:智能电网运行在供求平衡的基本规律之下,价格公平且供应充足.

智能电网必须更加高效:智能电网利用投资控制成本,减少电力输送和分配的损耗,电力生产和资产利用更加高效.通过控制潮流的方法,以减少输送功率拥堵和允许低成本的电源包括可再生能源的接入.

智能电网必须更加环境友好:智能电网通过在发电、输电、配电、储能和消费过程中的创新来减少对环境的影响,进一步扩大可再生能源的接入.在可能的情况下,在未来的设计中,智能电网的资产将占用更少的土地,减少对景观的实际影响.

智能电网必须是使用安全的:智能电网必须不能伤害到公众或电网工人.

发展一种新的模式,一定要立足于实际,要比过去更好用、更便捷、更高效,立足于发展中国自己的标准.目前由于智能电网包含内容较多,各电网和设备厂家都要根据实际情况,采用总体规划、分步实施的策略,逐步实现智能电网.

智能电网的实际应用请参见本刊“数字社区”栏目中《基于电力光纤到户的智能用电小区介绍》.

美国电力科学研究院将智能电网定义为:

一个由众多自动化的输电和配电系统构成的电力系统,以协调、有效和可靠的方式实现所有的电网运作,具有自愈功能;快速响应电力市场和企业业务需求;具有智能化的通信架构,实现实时、安全和灵活的信息流,为用户提供可靠、经济的电力服务.

据国家电网的智能电网规划,我国智能电网计划分三个阶段:2009-2010年,是研究试点阶段;2011-2015年,是全面建设阶段;2016-2020年,是完善提升阶段,总投资将超过4万亿元.目前,与智能电网相关标准信息收集工作的第一阶段基本结束,现在开始制定智能电网发展框架.

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