智能电网

摘要：针对电力系统在新世纪面临的分布式电源并网、电网利用系数低以及数字化技术应用等诸多挑战，提出智能电网的概念，阐述了智能电网的特点、目标和主要组成，引用国外例证，估算了智能电网的投资和效益，指出智能电网是经济和技术发展的必然结果，应加快我国智能电网研究。
　　
   关键词：智能电网；分布式电源；快速仿真与模拟；高级配电自动化；高级计量体系
　　
　　根据美国工程院的评估，20世纪人类取得的最伟大的技术成就是电气化。然而，与我们生活息息相关的电力系统却面临着越来越多的挑战：
　　
　　（1）基于环境保护、节能减排和可持续性发展的要求，越来越多的分布式电源（简记为DER,含分布式发电、分布式储能和需求侧管理）渗透在配电系统基础设施中。传统的只适合于单向潮流的配电系统由于需要集成数以万计的分布式电源的并网运行而面临双向潮流等问题。
　　
　　（2）现时电网的利用系数很低（据美国统计约为55%），浪费了大量的固定资产投入。因此，需要开发高级的配电市场，通过电力公司与终端用户的互动，实现更具弹性的负荷需求特性，优化资产管理和利用。
　　
　　（3）近２０年，通讯和信息技术得到了长足的发展，数字化技术及应用在各行各业日益普及。它对配电网的供电可靠性和电能质量提出了很高的要求。然而，目前的电网是按照模拟技术设计的，适应不了数字化社会的需要；同时，它在数字化技术的应用方面也相对落后，特别是在配电网方面，尽管技术的进步已经使得对电力系统的实时监控和资产管理进一步扩展到配电网络日益经济可行。
　　
　　为了解决这些问题，在北美和欧洲已经形成了强大的研究群体，开展IntelliGrid/SHG（SelfHealingGrid，自愈电网）/ModernGrid/SmartGrid[1-6]的研究。这些词具有相似的内涵，目前使用较多的是SmartGrid，在本文中我们将使用智能电网一词。由于目前在同发、输、配、用电这一链条中，同发电和输电环节相比，配电、用电以及电力公司和终端用户的合作等环节上相对薄弱，影响了系统的整体性能和效率，所以这些研究重点关注的是配电网。本文将主要针对智能配电网给出提纲式的简述。
　　
　　1智能电网的概念
　　
　　到目前为止，智能电网并没有统一的定义。它是指一个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都得到了实时监控，并保证了从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。通过广泛应用的分布式智能和宽带通讯及自动控制系统的集成，它能保证市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动[7]。
　　
　　1.1智能电网的特点和目标
　　
　　（1）自愈，不论发生什么事故，智能电网都能自身解决以保证电力系统的安全性;
　　
　　（2）鼓励和包括末端电力用户，使之与电网自适应交互；
　　
　　（3）防范网络攻击和抵御自然灾害；
　　
　　（4）提供21世纪所需要的电能质量；
　　
　　（5）优化，以使资产和设备得到最好的应用；
　　
　　（6）协调发电和储能选择；
　　
　　（7）使电力市场化可以进一步实现。
　　
　　1.2智能电网结构基本要求
　　
　　未来智能电网的结构必须能支持现在配电系统的结构所不能支持的两个基本要求：
　　
　　（1）综合考虑终端用户（分布式电源，电力调节设备，无功补偿设备和用户能量管理系统）控制和总体配电系统控制，以达到系统性能的优化，取得期望的稳定性和电能质量。
　　
　　（2）支持高比重的分布式电源，以提高系统的整体性、效率和灵活性。如，通过协同的、分布式的控制，可以利用分布式电源来优化系统性能；而在发生重大系统故障时可利用它们进行局部供电（微型电网）。
　　表1提供了目前电网和智能电网的一般比较。
　　
　　表1目前电网和智能电网的比较

 目前电网智能电网通讯没有或单向双向与用户交互很少很多仪表型式机电的数字的运行与管理人工的设备校核远方监视功率的提供与支持集中发电集中和分布式发电并存潮流控制有限的普遍的可靠性倾向于故障和电力中断自适应保护和孤岛化供电恢复人工的自愈的网络拓扑辐射状的网状的
　　
　　2智能电网的主要组成
　　
　　智能电网需要6个主要的技术领域来实现上述的功能：
　　
　　（1）灵活的网络拓扑；
　　
　　（2）基于开放体系并高度集成的通讯系统，以便实现对系统中每一个成员的实时控制和信息交换，使得系统的每一部分都可双向通讯；
　　
　　（3）传感和测量技术，以便实现对诸如远程监测、分时电价和用户侧管理等的更快和准确的系统响应；
　　
　　（4）高级电力电子设备、超导和储能技术；
　　
　　（5）先进的系统监控方法，以便实现快速诊断和事故下的准确解决；
　　
　　（6）高级的运行人员决策辅助系统。
　　
　　2．1灵活的网络拓扑
　　
　　灵活的可重构的配电网络拓扑，是未来智能电网的基础。它需使系统在经历故障时，把故障影响范围局限在最小范围，并可迅速通过其他连接恢复对其他部分的供电。
　　
　　2.1.1中压配电网发展趋势
　　
　　（1）市区电网:向高负荷密度区域供电,是典型的地下系统，并且可能已形成网状的结构。
　　
　　（2）郊区电网：向中等负荷密度区域供电，是由地下电缆和架空线路组成的混合系统，并且逐渐电缆化。这种电网一般将联络馈线打开运行，构成辐射状网络。
　　
　　（3）特殊电网：向优质电力区域、办公区域或其他的负荷供电。这些系统根据终端用户的需要应有一些特殊的设计（如微型电网）和技术（如用户定制的电力技术），且通常需要与相关用户签订专门合同。
　　
　　2.1.2配电网络拓扑新概念
　　
　　（1）环形的低压配电，新的重构选择；
　　
　　（2）DC环形母线，新的用户服务；
　　
　　（3）分布式能源的集成，故意的安全岛和灵活的微网；
　　
　　（4）双向潮流、电路间的功率交换等。
　　
　　2．2集成的能量与通讯体系
　　
　　智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力：既包括识别故障早期征兆的预测能力，也包括对已经发生的扰动做出响应的能力。而在系统中安放大量的监视传感器并把它们连接到一个安全的通讯网上去，是达到快速评估的关键。这个集成的能量与通讯体系（IECSA）包括分布式计算环境，需覆盖从发电机到末端电力负荷的全部范围，并满足以下要求：
　　
　　（1）数据通讯和分布式计算设施是开放式的和基于标准的；
　　
　　（2）兼容各种各样的物理媒介的通讯和嵌入的计算技术；
　　
　　（3）它把数据通讯网络和智能设备集成为一体。
　　2．3系统快速仿真与模拟
　　
　　 快速仿真与模拟(FastSimulationandModeling,FSM）是含风险评估、自愈控制与优化的高级软件系统（包涵广义的EMS，DMS等功能）。它为智能电网提供数学支持和预测能力（而不只是对紧急情况做出反应的能力），以期达到改善电网的稳定性、安全性、可靠性和运行效率的目的。
　　
　　2.3.1FSM基本功能
　　
　　（1）提供实时的状态估计，供安全监视、评估与优化使用；
　　
　　（2）提供系统性能的连续优化（能量、需求功率、效率、可靠性、电能质量…）；
　　
　　（3）提供比实时还要快的预测仿真（安全分析），以期能够（通过自愈功能）避免可能对系统造成较大影响的预想事故一旦发生时的扰动；
　　
　　（4）从运行和规划的观点对电网进行“what-if”分析，并为运行人员推荐方案；
　　
　　（5）把市场、政策和风险分析聚合到系统模型中去，同时把它们对系统安全性和可靠性的影响定量化。
　　
　　2.3.2配电FSM配网运行模拟分析模式
　　
　　（1）闭环模式：按预先设置的间隔运行或由实时事件（如拓扑结构的变化）触发。推荐的运行方式将由SCADA自动执行。
　　
　　（2）学习模式：运行“what-if”学习方式，为运行人员推荐方案。
　　
　　（3）前瞻模式：使运行人员了解未来的1h到一周的状态。
　　
　　2.3.3配电FSM需要支持的自愈功能
　　
　　（1）网络重构；
　　
　　（2）电压与无功控制（VVC）；
　　
　　（3）故障定位、隔离和服务恢复(FLIR)；
　　
　　（4）当系统拓扑结构发生变化时继保再整定(RPR)，即实现电力系统更新运行方式后的保护。

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