智能电网技术综述

第33卷第8期电网技术Vol.33No.82009年4月PowerSystemTechnologyApr.2009文章编号：1000-3673（2009）08-0001-07中图分类号：TM7文献标志码：A学科代码：470·40智能电网技术综述陈树勇，宋书芳，李兰欣，沈杰（中国电力科学研究院，北京市海淀区100192）SurveyonSmartGridTechnologyCHENShu-yong，SONGShu-fang，LILan-xin，SHENJie（ChinaElectricPowerResearchInstitute，HaidianDistrict，Beijing100192，China）ABSTRACT:Inthispapertheconnotationofsmartgridisexpounded,thepresentresearchstatusofsmartgridhomeandabroadaswellasthepracticalsignificanceofdevelopingsmartgridinChinaaresummarized.Asareferenceforrelativeresearchers,thispaperanalyzestheconditionstodevelopsmartgridinChina,andpointsoutthekeytechnologicalproblemstobesolvedforthedevelopmentofsmartgridinthefieldsofpowernetworktopology,communicationsystem,meteringinfrastructure,demandsidemanagement,intelligentdispatching,powerelectronicequipments,distributedgenerationintegrationetc..KEYWORDS:smartgrid；intelligentdispatching；demandsidemanagement；advancedmeteringinfrastructure；energy-savingandpollutantemissionreducing；distributedgeneration摘要：阐述了智能电网的内涵和特点，总结了智能电网技术的国内外研究现状以及发展智能电网对中国的重要意义，分析了我国发展智能电网的条件，指出了建设智能电网在网络拓扑、通信系统、计量体系、需求侧管理、智能调度、电力电子设备、分布式电源接入等领域需要解决的关键技术问题。关键词：智能电网；智能调度；需求侧管理；高级计量体系；节能减排；分布式发电0引言当前，节能减排、绿色能源、可持续发展成为各国关注的焦点[1]。人类能源发展面临的第一挑战，是以可再生能源逐步替代化石能源，建造能源使用的创新体系，以信息技术彻底改造现有的能源利用体系，昀大限度地开发电网体系的能源效率。因此期望通过一个数字化信息网络系统将能源资源开发、输送、存储、转换(发电)、输电、配电、供电、售电、服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其它用能设施连接在一起，通过智能化控制实现精确供能、对应供能、互助供能和互补供能，将能源利用效率和能源供应安全提高到全新的水平，将污染与温室气体排放降低到环境可以接受的程度，使用户成本和投资效益达到一种合理的状态。这就是智能电网的思想[2-8]。智能电网是经济和技术发展的必然结果，具体是指利用先进的技术提高电力系统在能源转换效率、电能利用率、供电质量和可靠性等方面的性能。智能电网的基础是分布式数据传输、计算和控制技术，以及多个供电单元之间数据和控制命令的有效传输技术[9]。针对智能电网技术，美国和欧洲已经形成强大的研究群体，研究内容覆盖发电、输电、配电和售电等环节，许多电力企业也在如火如荼地开展智能电网建设实践，通过技术与具体业务的有效结合,使智能电网建设在企业生产经营过程中切实发挥作用，昀终达到提高运营绩效的目的[10-12]。随着我国特高压电网的建设和电力体制改革的不断深化，智能电网也将成为我国电网发展的一个新方向[13-16]。在宏观政策层面，电力行业需要满足建设资源节约型和环境友好型社会的要求；在市场化改革层面，电能交易手段与定价方式正在改变，市场供需双方的互动将越来越频繁，电网必须能够灵活地支持各种电能交易。本文将综述智能电网的概念以及国内外研究现状，结合我国能源分布及电网特点，分析我国发展智能电网的条件和需要解决的关键技术问题，以飨读者。1智能电网的概念1.1智能电网的含义智能电网并没有一个确定的概念，各个领域的2陈树勇等：智能电网技术综述Vol.33No.8专家从不同角度阐述了智能电网的内涵，并且随着研究和实践的深入对其不断细化。天津大学余贻鑫院士给出如下定义[3]：智能电网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实时监控，并保证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。智能电网通过广泛应用的分布式智能和宽带通信，以及自动控制系统的集成，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。文献[8]提出了“互动电网”的概念，指在创建开放的系统和建立共享的信息模式的基础上，以智能电网技术为基础，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，实现数据读取的实时、高速、双向的总体效果，实现电力、电信、电视、远程家电控制和电池集成充电等的多用途开发。互动电网可以整合系统中的数据，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。根据IBM中国公司高级电力专家MartinHauske的解释，智能电网有3个层面的含义[11]：首先是利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控；然后把获得的数据通过网络系统进行收集、整合；昀后通过对数据的分析、挖掘，达到对整个电力系统运行的优化管理。埃森哲认为，智能电网利用传感、嵌入式处理、数字化通信和IT技术，将电网信息集成到电力公司的流程和系统，使电网可观测(能够监测电网所有元件的状态)、可控制(能够控制电网所有元件的状态)和自动化(可自适应并实现自愈)，从而打造更加清洁、高效、安全、可靠的电力系统。总之，智能电网就是通过传感器把各种设备、资产连接到一起，形成一个客户服务总线，从而对信息进行整合分析，以此来降低成本，提高效率，提高整个电网的可靠性，使运行和管理达到昀优化。1.2智能电网的特点根据相关文献[2-4,7-8,13]，智能电网的特点如下：1）自愈和自适应。实时掌控电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患；在尽量少的人工干预下，快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生。2）安全可靠。更好地对人为或自然发生的扰动做出辨识与反应。在自然灾害、外力破坏和计算机攻击等不同情况下保证人身、设备和电网的安全。3）经济高效。优化资源配置，提高设备传输容量和利用率；在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口；支持电力市场竞争的要求，实行动态的浮动电价制度，实现整个电力系统优化运行。4）兼容。既能适应大电源的集中接入，也支持分布式发电方式友好接入以及可再生能源的大规模应用，满足电力与自然环境、社会经济和谐发展的要求。5）与用户友好互动。实现与客户的智能互动，以昀佳的电能质量和供电可靠性满足客户需求。系统运行与批发、零售电力市场实现无缝衔接，同时通过市场交易更好地激励电力市场主体参与电网安全管理，从而提升电力系统的安全运行水平。2国内外研究现状2.1国外研究现状2.1.1概述2005年，一位名叫马克⋅坎贝尔的加拿大人发明了一种无线控制器，这种控制器与大楼的各个电器相连，让大楼里的电器互相协调，减少了大楼在用电高峰期的用电量[14]。坎贝尔实际上利用了群体行为(Swarm)原理。该技术仅是目前热门的智能电网技术中的一种。欧美各国对智能电网的研究开展较早，且已经形成强大的研究群体。由于各国的具体情况不同，其智能电网的建设动因和关注点也存在差异。美国主要关注电力网络基础架构的升级更新，同时昀大限度地利用信息技术，实现系统智能对人工的替代。主要实施项目有美国能源部和电网智能化联盟主导的GridWise项目和EPRI发起的Intelligrid项目。欧洲则重点关注可再生能源和分布式能源的发展，并带动整个行业发展模式的转变。2005年智能电网欧洲技术论坛成立。欧盟第5次框架计划(FP5)(1998—2002)中的“欧洲电网中的可再生能源和分布式发电整合”专题下包含了50多个项目，分为分布式发电、输电、储能、高温超导体和其他整合项目5大类，其中多数项目于2001年开始实施并达到了预期目的，被认为是发展互动电网第一代构成元件和新结构的起点。其中主要项目有Dispower、CRISP和Microgrids。第33卷第8期电网技术32008年3月，美国科罗拉多州一座小城波尔得建成了美国第一座智能电网城市[14]。目前美国多个州都对此项技术表示出浓厚的兴趣，并开始设计智能电网系统，通用电气、IBM、西门子、谷歌、英特尔等信息产业龙头也瞄上了此间的商机，都已投入智能电网业务。英国、瑞典均在积极规划推动智能电网，意大利及美国已率先试行。2.1.2美国的研究及实践2006年，美国IBM公司与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案[15]。电力公司可以通过使用传感器、计量表、数字控件和分析工具，自动监控电网，优化电网性能、防止断电、更快地恢复供电，消费者对电力使用的管理也可细化到每个联网的装置。2009年2月，IBM与地中海岛国马耳他签署协议——双方将建立一个“智能公用系统”，以实现该国电网和供水系统的数字化，其中包括在电网中建立一个传感器网络[15]。IBM将提供搜集分析数据的软件，帮助电厂发现机会，降低成本及碳排放量。谷歌已宣布了一个与太平洋煤气和电力公司(PG&E)的测试合作项目。2008年9月，谷歌与通用电气对外宣布共同开发清洁能源业务，核心是为美国打造国家智能电网，同时强调，21世纪的电力系统必须结合先进的能源和信息技术，而这正是通用电气和谷歌的优势领域[8]。2009年2月10日，谷歌表示已开始测试名为谷歌电表(PowerMeter)的用电监测软件。该公司还向美国议会进言，要求在建设智能电网时采用非垄断性标准[15]。2009年1月25日，美国白宫昀新发布的《复苏计划尺度报告》宣布：将铺设或更新3000英里输电线路，并为4000万美国家庭安装智能电表。美国还将集中对落后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，逐步实现太阳能、风能、地热能的统一入网管理[15]。美国能源部西北太平洋国家实验室正在协助建立电网智能化联盟并进行实地示范，如近期完成的高级需求响应网络太平洋西北电网智能化试验台。在该项目中，通过英维思控制器(InvensysControls)将家庭网关设备连接到装有IBM软件的新型高级仪表和可编程恒温器上，将112个家庭与实时电力价格信息联系起来。昀终结果表明，参与者节约了约10%的能源费用，并且需求响应良好[15]。加州已完成第一阶段试验性200万户小区先进电表系统(advancedmeteringinfrastructure，AMI)的安装，初步分析显示，节省电力可达16%~30%[15]。2.1.3欧洲的研究及实践2006年欧盟理事会的能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》明确强调，智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。目前英、法、意等都在加快推动智能电网的应用和变革，意大利的有关电网2001年已经率先实现了智能化。文献[10]提到，法国电力公司日前正在美国诺福克试验一种特动态能源储存系统，它有助于电网协调来自北海的间歇性风电，法国电力公司同意与瑞士ABB公司之间的交易，即使用ABB公司SVCLight的“聪明电网”技术。该系统将