智能电网述评

第29卷第34期中国电机工程学报Vol.29No.34Dec.5,20092009年12月5日ProceedingsoftheCSEE©2009Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号：0258-8013(2009)34-0001-08中图分类号：TM85文献标志码：A学科分类号：470⋅40智能电网述评余贻鑫1，栾文鹏2(1．智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市南开区300072；2．加拿大卑诗省水电公司，卑诗V3N4X8，加拿大)SmartGridandItsImplementationsYUYi-xin1,LUANWen-peng2(1.KeyLaboratoryofSmartGrid(TianjinUniversity),MinistryofEducation,NankaiDistrict,Tianjin300072,China;2.BCHydro,B.C.,V3N4X8,Canada)ABSTRACT:Thispaperdescribesthedrivers,characteristicsandmajortechnicalcomponentsofsmartgrid.Theassociatedsmartgridbenefits,challengesandworldwideimplementationsarealsosummarized.Itisemphasizedthatalthoughthesmartgridimplementationispromising,itfaceshugechallenges.Themigrationtosmartgridisalongjourneywhenvarioustechnologieswillcoexistwhichrequiresthoughtfulplanning.Demandresponseanddistributedrenewableresourceintegrationcanservetheneedsofsustainabilityandrelievethedemandfortransmissionandgenerationcapacities.Whilemanyinterestsandeffortshavebeentakingonadvancedtransmissionoperations(ATO),othersmartgridcomponentsasadvancedmeteringinfrastructure(AMI),advanceddistributionoperations(ADO)andadvancedassetmanagement(AAM)shouldbeinvestigatedaswell.Reconfigurabledistributionnetworkandintegratedenergyandcommunicationsystemarchitecture(IECSA)arethefoundationoffuturesmartgrid,sotheyshouldbeintegratedinsystemplanningfromnow.Smartgridimplementationwillboostthedevelopmentsofvarioustechnologiesandwiderangeofindustrialparticipantsshouldbeencouraged.KEYWORDS:smartgrid;distributedgenerations;demandresponse;bi-directionalcommunications;cultureofconservation摘要：对智能电网的原动力、特征、主要技术组成、意义和挑战及具体实施等方面进行了述评。强调指出，智能电网的优势是明显的，但也存在巨大的挑战。向智能电网的过渡将是一个漫长的过程，其间存在多种技术的长期共存，必须认真规划。需求响应和分布式洁净能源的并网运行不仅是可持基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973项目)(2009CB219700)。TheNationalBasicResearchProgramofChina(973Program)(2009CB219700)续发展的要求，也可以有效地缓解对输电容量和发电容量的需求。我国智能电网的研究在重视高级输电运行(advancedtransmissionoperations，ATO)的同时，应对高级量测体系(advancedmeteringinfrastructure，AMI)、高级配电运行(advanceddistributionoperations，ADO)、和高级资产管理(advancedassetmanagement，AAM)给予足够重视；灵活的、可重构的配电网络拓扑和集成的能量与通信系统(integratedenergyandcommunicationsystemarchitecture，IECSA)是未来智能电网的基础，在电网规划中宜尽早考虑，以适应分布式电源的接入和未来的数字化社会对供电可靠性和电能质量的严格要求。智能电网的实施能带动众多产业发展，我国应鼓励广泛的企业参与。关键词：智能电网；分布式电源；需求响应；双向通信；生态文明0引言近年来，与我们生活息息相关的电力系统正面临着越来越多的挑战，其中包括全球暖化、能源压力和生态文明意识的提升，以及数字化社会对供电可靠性和电能质量的严格要求。为此，在北美和欧洲已经形成了强大的研究群体，开展“智能电网”的研究和实践[1-8]。“智能电网”指的是现代化的电力供应系统[9-11]，它能够监控、保护和自动优化其内部互联元件的运行。这些“互联元件”包括，从集中的和分布式的发电机，通过输、配电系统，到工业用户和楼宇自动化系统、储能装置、终端用户及其温控装置、电动汽车及电器设施等。智能电网拥有双向流动的电力潮流和数字信息流，是高度自动化的和分布广泛的电能供应网络。它利用遍及系统的双向通信、高级传感器、电2中国电机工程学报第29卷力电子装置、自动化设备和分布式计算以实时优化系统的运行和资源运用。1智能电网的原动力和主要特征从电网的角度看，智能电网的原动力至少包含下述4个方面：1）实现大系统的安全稳定运行(以抵御事故扰动为目的)，降低大规模停电的风险,最大程度地提高设备的使用率。近年来世界上大停电[12-13]频繁发生，一般的观点是，提高系统的全局可视化程度和预警能力，与使用较好的、灵巧的和快速的控制是增强电网的可靠性和避免系统崩溃的关键[14]。2）分布式电源(包括储能)的大量接入和充分利用。基于环境保护、节能减排和可持续性发展的要求，人类更加深入地研究和利用洁净能源，电网中的太阳能、风能等可再生能源发电日益增多。它们大多是不确定的间歇性分布式发电(distributedgeneration，DG)，而且直接接入配电系统。此时电网自上而下都成了支路上潮流可能双向流动的电力交换系统，从而提出了，如何处理数以万计的分布式电源和应对其发电的间歇性，以确保电网的可靠性和人身与设备安全的问题。3）高级市场化和需求侧管理。生态文明和环保意识的提升，使电力公司积极寻求不同于传统的方式来满足供需平衡。除了分布式的发电外，鼓励用户进行需求侧响应(demandresponse，DR)和节能也被认为是有效的方法[15-18]。现实电网的利用系数很低(据美国统计，约为55%)，一年内只有少数时间资产是被完全使用的，浪费了大量的固定资产投入。解决办法是缩小负荷曲线峰谷差，而现实系统中存在着大量能与电网友好合作的可平移负荷(电暖气、空调、热水器、电冰箱等)，其比重超过运行储备。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，同时为用户提供多种选择性。“我们所从事的工作是否适用于市场？是否激励用户？是否实现了资产优化？是否高效运行？”应该成为智能电网的核心原则[11]。4）近20年，通信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，目前的电网不仅满足不了数字化社会的这些需要；同时，它在数字化技术的自身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。而从广义层面来看，由于技术涉猎广泛，智能电网的一个关键目标是要像十年前兴起的国际互联网络(Internet)一样催生新的技术和商业模式[11]，实现产业革命。网络领袖思科预言，智能电网比国际互联网络拥有更大的市场空间[19]。智能电网的原动力决定了它的特征。表1给出了智能电网和目前电网功能的比较。表1智能电网和目前电网功能的比较Tab.1Smartgridversusexistinggrid特征目前电网智能电网使用户能够积极参与电网优化运行电价不透明，缺少实时定价，选择很少。提供充分的电价信息，分时/实时定价，有许多方案和电价可供选择。提供发电/储能中央发电占优，少量DG、DR、储能或可再生能源。兼容所有发电和储能方式。除大型集中发电外有大量“即插即用”的分布式电源(发电和储能)辅助集中发电。开发新的产品、服务和市场有限的趸售市场，未很好的集成。建立成熟、健壮、集成的电力市场。能够确保供电可靠性、为市场参与者带来利益、为供应商创造市场机会、为消费者提供用电管理的灵活工具。为数字经济提供高质量的电能关注停运，不关心电能质量。保证电能质量，有各种各样的质量/价格方案可供选择。优化资产利用和高效运行很少计及资产管理。电网的智能化同资产管理软件深度集成，以确保资产使用的最优化、提高运行效率、降低成本和在更少人为参与的情况下设备运行时间更长。预测及应对系统干扰(自愈)扰动发生时保护资产(保护跳闸)。防止断电，减少影响：在没有或很少人为参与的情况下独立地识别系统干扰并加以应对；进行持续的预测分析来检测系统中存在的和可能存在的问题并执行主动的预防性控制。灵活应对袭击和自然灾害对恐怖袭击和自然灾害脆弱。具有快速恢复能力，可抵御外界对系统物理设施(变电站、电杆、变压器等)和信息网络(市场、软件系统、通信)的侵袭：在系统遇到威胁时，其大量的传感器和智能设备可以进行预警和反应；其自愈能力能够帮助抵抗自然灾害；通过持续监测和自我测试可以减轻恶意软件和黑客的攻击。2智能电网的主要技术组成目前智能电网的相关研究主要体现在4个方面[5,10,20]，包括高级量测体系(AMI)、高级配电运行(ADO)、高级输电运行(ATO)和高级资产管理(AAM)。各部分的技术组成示于图1，用不同的灰度来区分，其中：AMI的主要功能是授权用户，使系统同负荷建立起联系，使用户能够支持电网的运第34期余贻鑫等：智能电网述评3分时电价(送到用户)用户户内网HAN高级量测体系AMI高级配电运行ADO—需求相应—负荷控制—远程开合计量数据管理系统MDMS自动读表AMR(按小时读表，远方编程，电能计量，电能质量监视，负荷调查，停运检测)—变电站自动化—高级保护—高级输电网元件高级配电自动化高级保护与控制配电快速仿真与模型DER运行AC/DC微网运行新型电力电子装置配电SCADA配电GIS—带有高级传感器的运行管理系统—停运管理系统配电AAM输电AAM规划设计、建设基于条件(如可靠性水平)维护资产利用记录阻塞管理输电GIS输电SCADA，WAMS输电系统仿真与模拟EMS可视化高级的输电运行ATOISO图1智能电网的主要技术组成Fig.1Technicalcompositionofsmartgrid行；ADO可以使电网实现自愈功能；ATO强调阻塞管理，并降低大规模停运的风险；AAM与AMI、ADO和ATO的集成将大大改进电网的运行和资产使用效率。文献[20]介绍了这几部分的内容和实现顺序，此处不再赘述。下文仅做几点注释。1）智能电网需要6个主要的技术支撑来实现其功能[21-22]。它们是：①