智能配电网导论

智能配电网导论第一章概论第一节导言第二节智能电网与传统电网第三节智能配电网定义与特点第四节智能配电网的国内外发展情况第五节智能配电网的建设意义第一节导言电力系统是人类迄今为止制造的最复杂，最庞大的系统，是20世纪人类所取得的最辉煌的工程技术成就之一。但是，进入21世纪以来，随着电力系统的不断老化，线路扩容困难，系统运行效率降低，节能减排等环保压力增大，人们对供电可靠性和电能质量要求越来越高，大容量的风力发电、光伏发电等可再生发电接入电力系统的要求日益增强，特别是大面积停电的灾变事故频发，使传统电力系统已经不能满足现在信息社会发展的需求。世界对电力的需求正处在一个关键的转折点，未来的配电系统基础设施应当具备以下特点：1)很大的灵活性。2)多种功能性。3)安全、可靠、有效地向用户提供高质量的电能，以增强用户的满意度。4)用户可以方便选择不同的供电商。5)给经济和社会带来发展机会。未来的配电系统必须能应对越来越大的挑战：1)由于更多的分布式能源(分布式发电、分布式储能、需求侧管理)渗透在配电系统基础设施中，要求未来的配电系统具有新的灵活的可重构的网络拓扑、新的保护方案、新的电压控制和新的仪表。2)为了提高电网的利用系数，需要电力公司与用户友好合作，达到双赢。因此，需要开发高级的配电市场，实现更具弹性的负荷需求特性。随着更高级的用户界面的应用，使用户可根据价格、可靠性等来进行实时交易．这将需要高透明度的用户界面。3)由于技术与经济的发展对配电网各种约束的日益提高，即要求提高供电可靠性、提高电能质量和节能降损，配电网的运行人员需要有新的实时工具辅助他们决策，也需要有新的网络拓扑和智能电力电子装置。与此同时，通信技术、计算机技术、电力电子技术和传感技术的不断发展和日益成熟，为电网的现代化提供了技术手段。以美国为首的发达国家提出了“电网现代化”的号召，从而在全世界范围内掀起了一股研究“智能电网”的热潮。它被认为是改变未来电力系统面貌的电网发展模式。第二节智能电网与传统电网“智能电网”（SmartGrid），最早出自美国“未来能源联盟智能电网工作组”在2003年6月份发表的报告。报告将智能电网定义为“集成了传统的现代电力工程技术、高级传感和监视技术、信息与通信技术的输配电系统，具有更加完善的性能并且能够为用户提供一系列增值服务。”“智能”二字，很容易使人认为智能电网是一个属于二次系统自动化范畴的概念。事实上，智能电网是未来先进电网的代名词，我们可以从技术和功能特征两方面来理解它的含义。（1）从技术组成方面讲，智能电网是集计算机、通信、信号传感、自动控制、电力电子、超导材料等领域新技术在输配电系统中应用的总和。这些新技术的应用不是孤立的、单方面的，不是对传统的输配电系统进行简单地改进、提高，而是从提高电网整体性能、节省总体成本出发，将各种新技术与传统的输配电技术进行有机地融合，使电网的结构以及保护与运行控制方式发生革命性的变化。（2）从功能特征上讲，智能电网在系统安全性、供电可靠性、电能质量、运行效率、资产管理等方面较传统电网有着实质性的提高；支持各种分布式发电与储能设备的即插即用；支持与用户之间的互动。智能电网的系统图如图所示第三节智能配电网定义与特点智能配电网（SmartDistributionGrid，SDG）是智能电网的重要组成部分。它是以配电网高级自动化技术为基础，通过应用和融合先进的测量和传感技术、控制技术、计算机和网络技术、信息与通信等技术，利用智能化地开关设备、配电终端设备，在坚强电网架构和双向通信网络的物理支持以及各种集成高级应用功能的可视化软件支持下，允许可再生能源和分布式发电单元的大量接入和微网运行，鼓励各类不同电力用户积极参与电网互动，以实现配电网在正常运行状态下完善的检测、保护、控制、优化和非正常运行状态下的自愈控制，最终为电力用户提供安全、可靠、优质、经济、环保的电力供应和其他附加服务。与传统的配电网相比，智能配电网SDG具有以下功能特征：（1）自愈能力。自愈是指SDG能够及时检测出已发生或正在发生的故障并进行相应的纠正性操作，使其不影响对用户的正常供电或将其影响降至最小。自愈主要是解决“供电不间断”的问题，是对供电可靠性概念的发展，其内涵要大于供电可靠性。例如目前的供电可靠性管理不计及一些持续时间较短的断电，但这些供电短时中断往往都会使一些敏感的高科技设备损坏或长时间停运。（2）具有更高的安全性。SDG能够很好地抵御战争攻击、恐怖袭击与自然灾害的破坏，避免出现大面积停电；能够将外部破坏限制在一定范围内，保障重要用户的正常供电。（3）提供更高的电能质量。SDG实时监测并控制电能质量，使电压有效值和波形符合用户的要求，即能够保证用户设备的正常运行并且不影响其使用寿命。（4）支持分布式电源DER(DistributedElectricResource)的大量接入。这是SDG区别于传统配电网的重要特征。在SDG里，不再像传统电网那样，被动地硬性限制DER接入点与容量，而是从有利于可再生能源足额上网、节省整体投资出发，积极地接入DER并发挥其作用。通过保护控制的自适应以及系统接口的标准化，支持DER的“即插即用”。通过DER的优化调度，实现对各种能源的优化利用。（5）支持与用户互动。与用户互动也是SDG区别于传统配电网的重要特征之一。主要体现在两个方面：一是应用智能电表，实行分时电价、动态实时电价，让用户自行选择用电时段，在节省电费的同时，为降低电网高峰负荷做贡献；二是允许并积极创造条件让拥有DER（包括电动车）的用户在用电高峰时向电网送电。（6）对配电网及其设备进行可视化管理。SDG全面采集配电网及其设备的实时运行数据以及电能质量扰动、故障停电等数据，为运行人员提供高级的图形界面，使其能够全面掌握电网及其设备的运行状态，克服目前配电网因“盲管”造成的反应速度慢、效率低下问题。对电网运行状态进行在线诊断与风险分析，为运行人员进行调度决策提供技术支持。（7）更高的资产利用率。SDG实时监测电网设备温度、绝缘水平、安全裕度等，在保证安全的前提下增加传输功率，提高系统容量利用率；通过对潮流分布饿优化，减少线损，进一步提高运行效率；在线监测并诊断设计的运行状态，实施状态检修，以延长设备使用寿命。（8）配电管理与用电管理的信息化。SDG将配电网实时运行与离线管理数据高度融合、深度集成，实现设备管理、检修管理、停电管理以及用电管理的信息化。第四节智能配电网的国内外发展情况世界上不同国家针对本国的能源和电网现状制定了不同的智能电网发展目标,其重心大部分都在配电侧。1.美国：美国侧重于对已有落后的电网基础设施进行改造升级、建设现代化电力系统,并注重需求侧管理和可再生能源的大力应用。美国是世界上最早提出智能电网概念的国家，也是最先进行智能电网研究和建设的国家。美国电科院在2002年时就己经在能源和信息集成构建工程中提出了智能电网的概念;2003年2月，美国政府提出“电网2030规划”，指出要建设现代化电力系统，以确保经济安全，同时促进电力系统自身的安全运行。该规划的主要内容有：为所有用户提供高度安全、可靠、数字化的供电服务，在全国实现成本合理、生产过程无污染、低碳排放的供电，经济实用的储能设备，建成超导材料的骨干网架。2006年，美国IBM公司提出的“智能电网”解决方案；2007年12月颁布“能源独立与安全法案2007”，确立了国家层面的电网现代化政策，设立新的专责联邦委员会，并界定其职责与作用，建立问责机制，同时建立激励机制，促进股东投资；2009年，美国政府制定了一系列智能电网建设和实施计划，大力投资智能电网，加快电网智能化进程。同时，美国生产力和质量中心(APQC)与全球智能电网联盟(GIUNC)在IBM支持下，制定了智能电网成熟度模型(SGMM)，以评估和衡量智能电网的进展状况、指导智能电网的建设。美国总统奥巴马为振兴经济，从节能减排、降低污染角度提出绿色能源环境气候一体化振兴经济计划，智能电网是其中的重要组成部分。在实践方面，美国德克萨斯州的奥斯汀市从2003年开始，通过安装智能电能表和采用无线通信网络，来实现与用户之间的互动。2008年8月，科罗拉多州波尔得市己经完成其智能电网的第一期工程。这两个智能电网项目都把智能电能表作为家域网(HomeAreaNetwork，HAN)的入口和电网智能化的窗口，从而实现对各种智能装置的控制和对用户的双向服务。2.欧洲及美洲欧盟为应对气候变化、对能源进口依赖日益严重等挑战，向客户提供可靠便利的能源服务，正在着手制定一整套能源政策。这些政策将覆盖资源侧、输送侧以及需求侧等方面，从而推动整个产业领域深刻变革，为客户提供可持续发展的能源，形成低能耗的经济发展模式。欧洲智能电网技术研究主要包括网络资产、电网运行、需求侧和计量、发电和电能存储四个方面。意大利在2005年就完成了世界规模最大的Telegestore智能电网工程，被世界上普遍认为实现智能电网最早的国家。目前，加拿大安大略也通过采用标准化的基础设施和智能表计，正在实施智能电网建设，预计到2010年，其智能电网系统能够为安大略的130万人口提供服务。3.日本日本构建智能电网以新能源为主日本政府通过深入比较与美国电力工业特征的不同，结合自身国情，决定构建以对应新能源为主的智能电网。（1）.日本政府关于智能电网的看法根据3月17日日本《电气新闻》报道，针对美国提出的智能电网，日本经济产业部副部长望月晴文指出，美国脆弱的电网系统与日本坚强的电网系统无法单纯地进行比较，日本将根据自身国情，主要围绕大规模开发太阳能等新能源，确保电网系统稳定，构建智能电网。日本政府计划在与电力公司协商后，于明年开始在孤岛进行大规模的构建智能电网试验，主要验证在大规模利用太阳能发电的情况下，如何统一控制剩余电力和频率波动，以及蓄电池等课题。日本政府期待智能电网试验获得成功并大规模实施，这样可以通过增加电力设备投资拉动内需，创造更多就业机会。（2）.共同进行智能电网模式研究为配合企业技术研究，东京工业大学于3月初成立“综合研究院”，其中，赤木泰文教授主持的关于可再生能源如何与电力系统相融合的“智能电网项目”备受瞩目。除东京电力公司外，东芝、日立等8家电力相关企业也积极参与到该项目研究中。该项目计划用3年时间开发出高可靠性系统技术，使可再生能源与现有电力系统有机融合的智能电网模式得以实现。4.中国在欧洲、美国等发达国家和地区进行了大量的智能电网研究且初见成效后，我国也启动了智能电网项目研究。余贻鑫院士较早将智能电网概念引入中国,从配电网角度出发,分析实现智能化的关键技术问题。能源经济专家武建东教授在全面解读美国大力推进智能电网战略意图的基础上,指出中国应发展有别于欧美模式的智能电网,提出“互动电网”，“电网2.0”的概念华东电网公司在2007年启动了高级调度中心、统一信息平台等智能电网试点工程,目前,高级调度中心项目一期工作已通过验收。此外,华北电网公司也于2008年启动了数字电表等用户侧的智能电网相关实践。2009年5月，国家电网公司正式发布统一坚强智能电网的研究报告。国家电网公司立足于实际国情和特高压实践,提出中国应全面建设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,以信息化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网。将分成3个阶段逐步推进,到2020年可全面建成统一的坚强智能电网。智能配电网是统一坚强智能电网的重要组成部分，关系到我国电网的智能化是否能够顺利实现。目前，虽然我国在大力推进和实施配电自动化项目，但由于我国各配电地区设备水平、配电自动化水平参差不齐，造成配电网架相对薄弱，不能解决大量的可再生能源接入对电网影响的问题，还远未达到智能配电网所要求的鼓励用户参与电网互动、支持新型混合动力电动汽车、支持需求侧管理，还不能够做到配电网优化运行、自愈控制，配电网自愈控制关键技术、可再生能源发电的政策和市场运行问题也有待于进一步研究。因此，加快配电网的智能化工作，建设坚强智能配电网，己经显得刻