中国智能电网发展概况

中国智能电网发展概况王一鸣电气122120303038中国智能电网技术现状及发展进入21世纪后,美国电力科学研究院(EPRI)、美国能源部(DOE)以及欧盟委员会(EC)等纷纷提出各自对未来智能电网的设想和框架。提出的概念IntelliGrid,ModernGrid,GridWise,SmartGrid等。这些不同的概念对未来电网的特点给出了相似的设想,即自愈、安全、兼容、交互、协调、高效、优质、集成等。国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议组织(CIGRE)等国际组织也给予智能电网高度关注,如IEC成立了智能电网国际战略工作组SG3,IEEE启动了智能电网制定标准与互操作性的项目P2030。但是,目前智能电网还处于初期研究阶段,国际上尚无统一而明确的定义。由于发展环境和驱动因素不同,不同国家的电网企业和组织都在以自己的方式对智能电网进行理解、研究和实践;各国智能电网发展的思路、路径和重点也各不相同。近年来,中国学者在借鉴欧美智能电网研究的基础上,对中国发展智能电网的特点、技术组成以及实现顺序等进行了研究。在2009年5月21日—22日召开的“2009特高压输电技术国际会议”上,国家电网公司公布了对智能电网内涵的定义,即统一坚强智能电网是以坚强网架为基础,以通信信息平台为支撑,以智能控制为手段,包含发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节,覆盖所有电压等级,实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合,是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。统一坚强智能电网在技术上包含4个基本特征:信息化、数字化、自动化、互动化。其中,信息化是指实时和非实时信息的高度集成、共享和利用;数字化是指电网对象、结构及状态的定量描述和各类信息的精确高效采集与传输;自动化是指电网控制策略的自动优选、运行状态的自动监控和故障状态的自动恢复等;互动化是指电源、电网和用户资源的友好互动和协调运行。1信息化1.1电力工业信息化进展中国电力工业信息化可以追溯到20世纪60年代。初期只是电子计算机应用起步阶段,主要应用在电力实验计算、工程设计与计算、科研计算、发电厂设备自动监测、变电站自动监测等方面;20世纪80年代以后,信息技术、计算机技术在电力工程领域得到广泛应用,如电网调度自动化、发电厂生产自动化控制系统、电力负荷预测与控制、计算机辅助设计、计算机仿真系统等,各电力企业信息技术的应用由操作层向管理层延伸,从单机、单项目向网络化、整体性、综合性应用发展,从局部应用发展到全局应用,从单机运行发展到网络化运行;在“十一五”期间,电力信息化建设已纳入企业总体发展战略,信息化进一步与电力企业的生产、管理与经营融合。电力信息化的成果主要体现在:1)电力通信硬件设施的不断完善。电力通信的传输方式从20世纪70年代的电力线载波、80年代的模拟微波、90年代的数字微波,到今天以光纤和数字微波为主,卫星、电力载波、电缆、无线等多种通信方式并存,通信范围已基本覆盖了全国各个网、省公司,电力专用通信网已初具规模。2)电力工业软件系统不断升级。电力信息化可分为两大类应用:一是电力生产控制,如数据采集与监控(SCADA)系统、分散控制系统(DCS)、配电管理系统(DMS)、能量管理系统(EMS)、相量测量单元/广域测量系统(PMU/WAMS);二是电力企业管理,如管理信息系统(MIS)、企业资源规划(ERP)、企业资产管理(EAM)、自动作图/设备管理/地理信息系统(AM/FM/GIS)、电能计量(TMR)、电力营销系统等。3)进入“十一五”之后,国家电网公司开始实施“SG186”信息化工程,这是电力信息化建设新时期的标志性事件。许多示范工程成果已经纷纷上线,如华东电网企业级信息系统项目、华北电网企业级信息技术集成平台项目、西北电网ERP项目、上海电力“SG186”示范工程等。2数字化2.1电力系统数字化进展1998年1月31日,美国前副总统戈尔在加利福尼亚科学中心讲演时首次提出了“数字地球”的理念。随后,各个行业也纷纷提出自己的数字化理念,如“数字城市”、“数字水利”、“数字电网”等。2000年,卢强院士在国内首次提出了“数字电力系统(digitalpowersystems,DPS)”的概念。文献将DPS定义为:“它是某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地、形象化地、实时地描述与再现。”可见,电力系统数字化涵盖系统运行、企业管理、外部环境等所有方面,实现对研究对象的实时描述与再现2个方面的功能。“数字南方电网”有2层含义,即数字化南方电网和智能化南方电网。其中:数字化阶段的目标是实现管理、安全、运行等信息的获取、传递和使用的数字化;而智能化阶段的目标则是在数字化的基础上,实现全局性智能决策以及智能决策的自动分解、执行。综上可见,数字化包括2个方面的工作:①对系统状态、企业管理、外部环境等信息的数字表示,这与信息化建设密切相关;②基于数字仿真的高级应用系统,这与自动化建设紧密联系。这也从一个侧面说明,智能电网的“四化”建设是一个有机的整体,相辅相成,互相促进。目前,电力系统离线仿真软件都是电磁暂态与机电暂态分离,实时仿真主要还是依靠数模混合仿真系统。电力系统实时数字仿真器(realtimedigitalsimulator)正得到越来越广泛的应用。电力系统仿真必然朝着全过程超实时全数字的方向发展。当前,调度侧基于SCADA、PMU/WAMS等数据采集传输系统开发了EMS、在线动态安全分析(DSA)系统以及广域监测分析保护控制系统WARMAP[27]等高级应用系统。这些可以看做是数字化电网的初级阶段。3自动化3.1电力系统自动化进展传统电力系统自动化按照领域可划分为调度自动化、厂站自动化和配电自动化。电网调度自动化系统发展迄今已经历3代:20世纪70年代基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统可以称为第1代;80年代基于通用计算机的EMS称为第2代;90年代基于RISC/UNIX的开放式分布式EMS/DMS称为第3代。“随着计算机和网络技术的飞速发展,第4代自动化系统的基础条件如Internet技术、面向对象技术、数据库技术、Java技术、中间件技术、多代理技术、厂站自动化技术、安全防护技术、电力市场运营技术等已经具备,预计新一代自动化系统将于21世纪初诞生。”厂站自动化随着计算机、自动化、通信和网络技术的发展,大体经历了集中式、分层分布式和现场总线式3个发展阶段。中国配电自动化的进程明显落后于世界先进水平。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。事实上,按照自动控制的功能可以将电力系统各项控制措施划分为“三道防线”。“三道防线”的概念是中国电力工作者对电力技术的重要贡献。随着电力系统越来越复杂,以及测量、通信技术的发展,“三道防线”必然朝着在线、优化、协调、自适应和综合防御的方向发展]。4互动化4.1电力系统互动化进展如果说信息化、数字化和自动化是实现智能电网的手段,那么,互动化则可以称为智能电网的目的和本质要求。智能电网中的互动化包含2层含义:①发电与电网之间的互动;②电网与用户之间的互动。电网为发电商提供透明公开的电价信息,发电商之间通过报价竞标参与博弈。同样的道理,用户也通过透明公开的电价信息决定用电量和自有分布式电源的使用情况。通过电力市场参与者之间的互动,实现社会效益最大化。电力工业市场化改革使得发电与电网之间的互动成为可能。1998年,国务院办公厅发文,首次正式明确要求电力工业实行“厂网分开、竞价上网”,并确定6省(市)电网为首批试点单位。2002年2月国务院颁布《电力体制改革方案》(国发[2002]5号文),标志中国电力市场改革的开始。国家电力监管委员会、国家电网公司、南方电网公司及五大发电集团公司相继挂牌成立。电力市场有3种交易方式,即现货交易、期货交易和远期合约交易。发电商通过博弈,合理地决定在各个市场中的投标发电量实现发电与电网之间的互动。用户参与是电力市场改革的必然趋势。发电侧开放和用户侧开放,是电力市场化改革的2个方面,缺一不可。但目前中国电力体制改革,仍然局限在行业内部,没有真正扩大到用户端。用户侧仍停留在大用户直购电的试点阶段。可再生能源发电是智能电网互动化面临的新问题。2005年颁布《中华人民共和国可再生能源法》之后,不仅大型并网风电场和光伏电站得到快速发展,而且与新能源密切相关的分布式发电也得到迅速发展,如光伏建筑一体化(BIPV)等。可见,在可再生能源发电快速发展的新的市场环境下,将赋予智能电网互动化新的内涵:①在《节能发电调度办法(试行)》的约束下,发电商之间的博弈与互动呈现新的格局;②用户侧同时拥有可并网的分布式发电设备,可以根据信息平台的实时电价信息,积极地参与到电力供需平衡中。综上所述,有以下几点需要特别注意:1)“四化”是一个相辅相成的有机整体。信息化、数字化、自动化是手段,互动化是目的。应该科学规划,保证“四化”建设齐头并进,才能确保智能电网更好、更快的建设。2)加强标准化建设。技术支撑体系(如统一信息平台)和智能应用体系(如高级调度中心)的建设都必须以标准规范体系为基础。3)积极推动全国电力市场建设。特高压输电以及全国联网使得全国电力市场建设成为必然。4)加强可再生能源发电及其并网研究。风力发电、光伏发电的随机性大,如何实现“即插即用”将是一个长期的研究课题。