随着经济的发展, 电网负荷增长迅猛, 造成能源消耗猛增, 这给资源环境保护带来巨大的挑战, 世界各国对节能减排和可持续发展的呼声越来越高, 与此同时电力市场运行因素对电网运行的影响日益显现以及各种灾害造成的影响越来越严重.这些都对电网安全稳定工作提出了诸多新挑战, 为此欧美国家率先提出了“智能电网”并进行了相关研究, 引起了世界各国电力工业界的广泛关注, 智能电网也逐渐成为现代电网发展的新趋势和新潮流。什么是智能电网?首先可以明确的是, 智能电网是“未来电网”的代名词。智能电网欧洲技术论坛认为, 未来电网应具有高灵活性、高可接入性、高可靠性、高经济性;而美国国家能源技术实验室则认为, 未来电网应更可靠、更坚强、更经济、更高效、更为环境友好、更安全。智能电网涵盖了较多内容, 简短的定义不能使我们对其有一个清晰认识。应该说, 智能电网不是一件事物, 而是一个愿景, 一个必须从它的核心价值、主要特征、关键技术领域等多方面来进行描述的愿景。
1 世界主要国家智能电网现状
1.1 美国
美国已开始向部分家庭安装带有通讯功能的智能电表 (Smart Meter) , 目标是以家庭为单位, 随时监测电力消费和管理, 更加有效地实现输电和供电。为此, 对企业及地方团体实施的100个项目给予财政援助, 计划2013年前在2600万个家庭安装智能电表, 相当于2009年3倍。奥巴马总统强调说, “现在是建设绿色能源高速公路的时代”。新能源产业有望创造43000个就业岗位, 环保产业将成为拉动未来美国经济的重要支柱之一。
1.2 日本
东京电力和関西电力等电力公司开始投资构建第二代智能电网 (Smart Grid) , 目标除在所有家庭安装智能电表 (Smart Meter) 外, 还计划加强送变电设施及蓄电装置建设。2020年前相关电力设施投资预计超过1万亿日元。
智能电表作为第二代智能电网的核心设备, 主要测量每个家庭电力消费情况及随时掌握太阳能发电量等信息。东京电力2010年起主要面向家庭安装2千万部。関西电力2010年3月底前在40万个家庭安装, 并计划更换1200万部。预计2020年前日本智能电表需求量约5千万部, 每部成本近2万日元, 共计约1万亿日元。
日本智能电网与欧美不同, 主要特征是积极地利用家庭进行太阳能发电。太阳能发电长期目标是2020年发电2800万千瓦, 相当于现在20倍;2030年发电5300万千瓦, 相当于现在30倍。为此, 需要增设电压调整装置和变压器, 预计2030年前追加投资6千亿日元。
1.3 欧洲
英国目标是2020年在全国所有2600万个家庭安装智能电表, 此项工作主要通过电力公司完成。并且已正式进行了适应风力发电等可再生能源的智能电表等相关实验。
法国2009年秋天也发布了将再生能源纳入智能电网的计划, 并开始征集相关企业参与。
德国制定了“E—Energy”计划, 总投资1亿4千万欧元, 2009年至2012年4年时间内, 在全国6个地点进行智能电网实证实验。同时还进行风力发电和电动汽车实证实验, 并对互联网管理电力消费进行检测。德国西门子、SAP及瑞士ABB等大企业均参与了这一计划。西门子公司预测2014年智能电网年度市场规模将达300亿欧元, 并计划抢占20%市场份额, 每年确保60亿欧元订单。
1.4 中国
在世界各国进行智能电网建设的同时, 我国也在积极推进智能电网的发展, 2009年5月21日, 在2009特高压输电技术国际会议上, 国家电网发布了“坚强智能电网”的研究成果。国家电网提出了“一特四大”的电网发展战略, 即以大型能源基地为依托, 建设由1000千伏交流和±800千伏直流构成的特高压电网, 形成电力“高速公路”, 促进大煤电、大水电、大核电、大型可再生能源基地的集约化开发, 在全国范围内实现资源优化配置。同时, 将以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础, 将先进的传感测量技术、信息技术、通信技术、计算机技术、自动控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成的新型电网, 它具有可充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、提高电力供应的安全性、可靠性和经济性、减小对环境的影响、保证电能质量和减少电网的电能损耗等多个优点实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。
随着国家电网、南方电网制定了智能电网的标准体系, 2011年智能电网进入正式建设阶段, 意味着2011年将成为智能电网产业大发展的元年。据行业分析师预计2009至2020年我国智能电网投资将达到4.3万亿元, 年均3583亿元。
2 智能电网的特点
尽管各国根据自身的国情对智能电网建设有着不同的重点和目标, 但是智能电网建设的驱动都是基于市场、安全、电能质量和环境因素, 其特征可归结为:自愈、兼容、交互、协调、高效、优质、集成、绿色。
2.1 自愈
在电力供应中, 智能电网是“自愈电网”, 具备强大的“免疫功能”, 是智能电网的一个突出特征, 最大限度地保证供电质量。“自愈电网”进行连续不断的在线自我评估以预测电网可能出现的问题, 发现已经存在的或潜在的问题, 并立即采取措施加以控制或纠正。“自愈电网”确保了电网的可靠性、安全性、电能质量和效率, 能够最大限度地确保企业、个人用户的用电安全。
2.2 兼容
支持风电和太阳能发电等可再生能源的正确、合理的接人, 适应分布式发电和微电网的并网运行, 做到“即插即用”, 可以容纳包含集中式发电在内的多种不同类型电源甚至是储能装置, 满足用户多样化的电力需求。
2.3 交互
智能电网是“交互式电网”, 能实现电力公司与用户的双向交流, 以达到电力供给的相互适应。在智能电网中, 用户将根据其电力需求和电力系统满足其需求的能力的平衡来调整其消费。同时需求响应计划将满足用户在能源购买中有更多选择的基本需求, 减少或转移高峰电力需求的能力使电力公司尽量减少开支, 通过降低线损, 实现更大的环境效益。在智能电网中, 通知用户其电力消费的成本、实时电价、电网目前的状况、计划停电信息以及其他一些服务的信息, 同时用户也可以根据这些信息制定自己的电力使用的方案。
2.4 协调
与批发电力市场甚至是零售电力市场实现无缝衔接, 有效的市场设计可以提高电力系统的规划、运行和可靠性管理水平, 电力系统管理能力的提升促进电力市场竞争效率的提高。
2.5 高效
引人最先进的信息和监控技术。优化设备和资源的使用效益, 可以提高单个资产的利用效率, 从整体上实现网络运行和扩容的优化, 降低其运行维护成本和投资。
2.6 优质
在数字化、高科技占主导的经济模式下, 电力用户的电能质量能够得到有效保障, 实现电能质量的差别定价。
2.7
集成实现电网信息的高度集成和共享, 采用统一的平台和模型, 实现标准化、规范化和精细化管理
2.8 绿色
智能电网可将边远地区的清洁能源源源不断地输送到负荷中心, 为用户提供更多的绿色能源, 用户还可以利用太阳能、风能开发分布式清洁能源, 作为家庭用电补充形式, 同时可将多余能源向电网输送, 未来困扰我国的“各地区能源供需不平衡”问题将得到较大程度缓解, 使清洁能源在能源消费中的比重进一步提高, 有效减少温室气体排放。
3 智能电网的关键技术
3.1 先进的发电与储能技术
从能源的角度来看, 在电力生产中, 发、输、配、用四个阶段实际上完成的是能源转化、传输和使用的过程, 在这过程中, 排量最大, 同时也是最具减排潜力的无疑是发电环节。这也是智能电网非常强调风电水电等多种分布式新能源接入的原因。分布式能源 (DER) 包括分布式发电和分布式储能, 其中分布式发电技术包括:风力发电技术、、太阳能光伏发电技术、、燃料电池发电技术、潮汐能发电技术、生物质能发电技术、地热发电技术等;分布式储能装置包括机械蓄能 (包括抽水蓄能技术、飞轮蓄能技术、压缩空气蓄能等方式) 、电磁蓄能、蓄电池储能、超导储能等。配电网中的DER由于靠近负荷中心, 降低了对电网扩展的需要.并提高了供电可靠性, 因此被广泛采用, 特别是有助于减轻温室效应的分布式可再生能源, 在许多国家政府政策上的大力支持下, 得到了迅速增长。在我国以风能、太阳能发电的主要发展方式是在沙漠、戈壁滩等偏远地区大容量集中开发, 但其在地理位置上分布不均匀, 易受天气影响, 而且具有波动性和间歇性的特点, 会对可靠供电造成冲击, 当地电网无法适应可再生能源集中开发和利用, 这就需要解决风能、太阳能等可再生能源大规模开发的间歇性、不确定性问题, 保证电力的大规模接入和远距离送, 这将是接入各种可再生能源电源和分布式能源电源面临的一大挑战。
3.2 能够降低损耗的输配电技术
(1) 特高压输电技术。
特高压输电技术是指在500k V及750k V交流和500k V直流之上采用更高一级电压等级的输电技术, 包括交流特高压输电技术和直流特高压输电技术。国外研究特高压输电技术已有将近四十年的历史, 其目的仍然是继续提高输电能力, 实现大功率的中、远距离输电, 以及实现远距离的电力系统互连, 建成联合电力系统。
(2) 高温超导输电技术。
超导特性是指部分道题在某一特定温度下电阻为零的特性。1986年以前, 超导技术在电力系统的应用一直处于设想和实验阶段。直到1986年, IBM实验室科学家发现一转变温度高于30K的多合金超导材料, 随后美国、中国科学家相继发现转变温度高于90K的超导体, 开始了液氮温区超导体时代, 由于液氮价格相对较低, 这使得超导体有实验室走向了应用阶段。随着临界温度高于77K的高温超导材料的卡法及低温冷却技术的迅速发展, 高温超导体电缆已成为超导电缆发展的主流。与常规电缆相比, 高温超导体损耗少, 污染小, 占用走廊宽度低等优点, 有着广阔的发展前景。
3.3 先进的电力电子技术
随着电力电子技术的不断发展和电力系统运行要求的不断提高, 电力电子在电力系统发、输、配、用等各个环节都得到了广泛的应用。现代电力系统应用的电力电子装置几乎全部使用了全控型大功率电力电子器件、各种新型的高性能多电平大功率变流器拓扑和DSP全数字控制技术, 包括可控硅并联电抗器、多功能固态开关、智能电子装置 (I E D s) 、静止同步补偿器 (STATCOM) 、有源滤波器 (APF) 、动态电压恢复器 (DVR) 、故障电流限制器 (FCL) 以及高乐直流输电 (HVDC) 所用装置和配网用的柔性输电系统装置 (如SVC和D-Statcom) 等。
3.4 智能调度技术
智能调度是智能电网建设中的重要环节, 调度的智能化是对现有调度控制中心功能的重大扩展, 智能电网调度技术支持系统则是智能调度研究与建设的核心, 是全面提升调度系统驾驭大电网和进行资源优化配置的能力、纵深风险防御能力、科学决策管理能力、灵活高效调控能力和公平友好市场调配能力的技术基础。
调度智能化的最终目标是建立一个基于广域同步信息的网络保护和紧急控制一体化的新理论与新技术, 协调电力系统元件保护和控制、区域稳定控制系统、紧急控制系统、解列控制系统和恢复控制系统等具有多道安全防线的综合防御体系智能化调度的核心是在线实时决策指挥, 目标是灾变防治, 实现大面积连锁故障的预防。
3.5 高级读表体系和需求侧管理
智能电网的核心在于构建具备智能判断与自适应调节能力的多种能源统一入网和分布式管理的智能化网络系统, 可对电网与用户用电信息进行实时监控和采集, 且采用最经济与最安全的输配电方式将电能输送给终端用户, 实现对电能的最优配置与利用, 提高电网运营的可靠性和能源利用效率。所以电网的智能化首先需要电力供应机构精确得知用户的用电规律, 从而对需求和供应有一个更好的平衡。因此目前国外推动智能电网建设, 一般以构建高级量测体系为切人点。
高级读表体系由安装在用户端的智能电表、位于电力公司内的计量数据管理系统和连接它们的通信系统组成, 近来, 为了加强需求侧管理, 又将其延伸到用户住宅内的室内网络 (HAN) 。这些智能电表能根据需要设定计量间隔, 并具有双向通信功能, 支持远程设置、接通或断开、双向计量、定时或随机计量读取。同时, 高级读表体系为电力系统提供了系统范围的可观性。不但可以使用户参与实时电力市场。而且能够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, 构建智能化的用户管理与服务体系, 实现电力企业与用户之问基本的双向互动管理与服务功能以及营销管理的现代化运行。
随着技术的发展.将来的智能电表还可能作为互联网路由器, 推动电力部门以其终端用户为基础, 进行通信、运行宽带业务或传播电视信号的整合。
3.6 高级配电自动化
高级的配电自动化 (ADA) 将包含系统的监视与控制、配电系统管理功能和与用户的交互 (如负荷管理、量测和实时定价等) 。通过与智能电网的其他组成部分的协同运行, ADA既可改善系统监视、无功与电压管理、降低网损和提高资产使用率, 也可辅助优化人员调度和维修作业安排等。
西方发达国家的配电自动化已经经历了3个阶段:第1阶段是20世纪70年代实现重要线路故障自动隔离、自动抄表等;第2阶段从20世纪80年代开始, 进行了大量的配电自动化试点工作及馈线自动化、营业自动化、负荷控制的试点工作;第3阶段从20世纪末开始, 伴随计算机与网络通信技术发展以及电力工业市场化改革, 以配电管理系统、配电自动化、用户自动化为主要内容的综合自动化成为配电网自动化的发展方向。1999年原国家电力公司《配电系统自动化规划设计导则》正式对“配电系统自动化”的概念进行了定义。中国从20世纪90年代中后期开始了配电自动化的试点工作, 目前基本处于发达国家发展历程中的第2阶段。
4 结语
智能电网作为电网发展一项革命性的新技术应用运动, 各国都在投入人力物力逐步推进, 在我国也将建设中国特色的智能电网, 这是一项高度复杂的系统工程, 也是我国电网发展的目标。本文通过介绍智能电网的定义、特征、应用和现状, 详细讨论了智能电网的关键技术, 希望可以增进更多的人对智能电网的了解。
摘要：本文介绍了智能电网的概念, 阐述了智能电网的内涵和特点, 总结了智能电网技术在国内外的研究现状与发展状况。
关键词：智能电网,技术,特点,现状,发展
参考文献
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