清华大学智能电网与智能电器发展趋势140

智能电网与智能电器发展趋势——对智能电网建设给扬中市电力电器产业带来机遇与挑战的相关思考清华大学电机工程与应用电子技术系电工新技术研究所赵伟2011.03.25第一章智能电网及物联网1.1有关智能电网的基本概念1.1.1智能电网的来源（1）形成和发展智能电网概念的三个里程碑：（1）2006年美国IBM公司提出“智能电网”解决方案。主要内容：通过传感器连接资产和设备，提高电网数字化程度；构建电网信息数据整合体系和收集体系；提高对电网相关数据信息的分析能力——依据已掌握的电网数据信息进行相关分析，优化其运行和管理。IBM公司的智能电网方案，提供一大框架，旨在通过对电力生产、输送、零售各环节的优化管理，为相关企业提高运行效率、可靠性及降低成本等描绘了蓝图。第一章智能电网及物联网1.1.1智能电网的来源（2）（2）2009年，在奥巴马总统上台不久后提出的美国能源计划中，明确提出要建设智能电网。美国新一届政府提出建设智能电网有三个目的，一是因美国电网整体基础设施建设包括电力电器设备很早，已运行了很多年，明显已落后，造成事故甚至是重大事故频发，急需更新改造，以提高美国电网运营的安全可靠性；二是想通过智能电网的建设，将美国拉出此次金融危机的泥潭；三是要切实提高美国的能源利用效率。第一章智能电网及物联网1.1.1智能电网的来源（3）（3）我国能源专家武建东提出所谓“互动电网”。武建东：互动电网的概念已将智能电网的含义涵盖其中。具体表述为：在开放和互联信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程智能化、信息化、分级化互动管理，属于产业、技术和管理的综合性变革。它将再造电网信息回路，构建新型用户反馈方式，推动电网整体转型为节能性基础设施，提高能源利用率，降低用电成本，减少温室气体排放，实现电网价值最大化。第一章智能电网及物联网1.1.2智能电网的定义（1）经过学术研讨和论证，目前较多专家和业内人士认同的智能电网定义是：在开放和互联的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，提高产业、技术和管理等各方面效率。有多种不同的表述。第一章智能电网及物联网1.1.2智能电网的定义（2）报告人对智能电网的理解：以先进的传感、测量、控制、信息、通信、新型储能和输电等高新技术为依托，具有数字化、智能化、网络化、双向互动的运行特征，具备全要素、全方位、全过程的测量、监测、诊断、决策以及自愈等能力，允许多种可再生能源以电能形式接入，从而提高整个电力系统产生、输送、供应、耗用、调配电能的效率，实现整个电力系统安全、经济、优质、高效运行，推进电力市场运营更为合理有序，促进节能减排和低碳经济的发展。第一章智能电网及物联网第一章智能电网及物联网1.1.2智能电网的定义（4）国家电网公司提出，我国建设智能电网，要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，利用先进通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的统一、坚强智能化电网——我国智能电网建设发展目标，应该以特高压电网为骨干网架，促成各级电网协调发展，并使电网能适应且促进新一轮的能源变革。从我国电网较为薄弱及其要承担跨区域资源优化配置功能的实际出发，国家电网公司还提出：我国建设的智能电网首先应是坚强的，即认为坚强是智能电网的基础，而智能是坚强电网能否充分发挥作用之关键，两者相辅相成、协调统一。第一章智能电网及物联网1.1.2智能电网的定义（5）综合很多专家观点：智能电网是建立在先进数字技术和通信技术基础之上，能实现可靠、安全、经济、高效、环境友好的电网，且具有高效、清洁、灵活、坚强四大特征。高效——提高能源使用效率；清洁——减少污染物排放对环境的影响；灵活——多种有利于节能减排的技术均可灵活接入电网；坚强——在各种可能的扰动下，电网均能安全、可靠地运行。第一章智能电网及物联网1.1.2智能电网的定义（6）智能电网作为当前全世界电力系统或称电网改造、建设和发展的大潮流、大趋势，在认识上经历了不清晰、有分歧，到逐渐清晰和越来越趋同的认识过程。现在来看，智能电网应该是指涵盖发电、输电、变电、配电、用电、调度、信息通信等领域的一个完整、有机的智能化系统。这种整体性共识，与各国根据本国实际制定自己的智能电网建设发展计划并无矛盾。第一章智能电网及物联网1.1.3建设智能电网的原动力从电网的视角思考，建设智能电网的原动力主要有以下四点：（1）实现电力系统的安全稳定运行，降低大规模停电风险；（2）能源变革呼唤电网发展；（3）峰负荷问题和需求侧管理；（4）对电网的约束（增强可靠性、提高电能质量、节能降损和低碳环保等）日益严格。第一章智能电网及物联网1.1.4智能电网的主要特征（1）智能电网的本质，就是能源替代、兼容利用和互动经济。从技术上讲，智能电网应该是最先进的通信、信息、能源、新材料、传感器、电器制造等产业的集成，也是配电网技术、网络技术、通信技术、传感器技术、电力电子技术、储能技术的整合，它的建设和发展，对推动新技术革命具有直接的、综合的效果。归纳起来，智能电网具有以下八个方面的主要特征：（见下页）第一章智能电网及物联网1.1.4智能电网的主要特征（2）1）智能电网是自愈电网——“自愈”指的是将电网中有问题的元器件或电力电器设备从系统中隔离出来，并且在较少或无人为干预情况下，可使系统迅速恢复到正常运行状态，从而几乎不中断对用户的供电服务。本质上讲，自愈就是智能电网的“免疫系统”。这是智能电网最重要的特征之一。第一章智能电网及物联网1.1.4智能电网的主要特征（3）2）智能电网对用户有激励引导作用——在智能电网中，用户将是不可分割的一部分。鼓励和促进用户参与电网的运行管理，是智能电网的重要特征之一。从智能电网角度，用户的需求是另一种可管理的资源，它将有助于平衡电能供求关系，确保电力系统可靠性。而从用户角度考虑，电力消费是一种经济性选择，通过参与电网运行管理，调整使用和购买电力的方式，可实实在在地少花钱、多用电。第一章智能电网及物联网1.1.4智能电网的主要特征（4）3）智能电网能抵御攻击——电网的安全性要求，是一个降低电网遭受物理攻击和网络攻击脆弱性，并使其快速从被中断状态恢复供电的系统性解决方案——智能电网将具备被攻击后快速恢复供电的能力，甚至可抵御那些装备精良攻击者发起的攻击。智能电网的设计和运行都将能阻止攻击，并最大限度地降低攻击造成的负面后果、快速恢复供电服务。智能电网也应能承受同时对其内部几个部分的攻击，以及在一段时间内的多重协调攻击。（也是对智能电器设备的要求）第一章智能电网及物联网1.1.4智能电网的主要特征（5）4）能提供满足用户需求的电能质量——电能质量指标包括电压偏移、频率偏移、三相不平衡、谐波、闪变、电压骤降和突升，等等。接入供电系统中的数字化用电设备不断增多，其对电网供电电能质量十分敏感。供电电能质量不合格，可能导致生产线停产，开关误动作、产品质量波动，用电能耗上升，甚至给工业生产等造成重大损失。因此，提供能满足各种用户需求的质量合格的电能，是智能电网应具有的重要性能特征。而引起电能质量问题的绝非仅电力生产供应公司，还直接涉及电力电器设备制造厂商以及电力用户。如此，需要制定并严格执行相应等级的电能质量标准。第一章智能电网及物联网1.1.4智能电网的主要特征（6）5）可减轻来自输电和配电网中电能质量事件——智能电网会以先进控制方法和手段监测电网基本元器件和电力电器设备，从而快速诊断并准确提出解决电能质量事件的可行方案。此外，在智能电网设计上，要会考虑减少因闪电、开关涌流、线路故障和谐波等引起的电能质量扰动；同时，智能电网还会应用超导材料、储能装置以及电力电子技术相关最新研究成果来解决电能质量问题。再者，智能电网将采取高新技术和现代管理手段，使电网免受非线性负荷对电能质量造成负面影响，将通过监测和严格执行相关标准，限制用户负荷产生的谐波电流注入电网。智能电网也将在负荷附近采用适当滤波器等设备，防止谐波电流污染电网，恶化整个供电系统的电能质量。（也是对智能电器设备的要求）第一章智能电网及物联网1.1.4智能电网的主要特征（7）6）允许不同类型发电储能设备平滑接入——智能电网将允许各种不同类型的发电和储能设备安全、无缝地接入其中，并且能简化接入联网过程，做到“即插即用”。这个技术性能特征，对电网改造提出严峻挑战。改进的互联标准和相应的新技术，将使各种发电和储能设备容易接入电网。从小到大，各种不同容量的发电和储能设备应可在所有电压等级上均能互联，包括分布式电源如太阳能发电、风电、先进电池系统、即插式混合动力汽车及燃料电池，等等。第一章智能电网及物联网1.1.4智能电网的主要特征（8）7）智能电网会促使电力市场健康发展——在智能电网中，先进电力电器设备和广泛的通信系统，会在每个时间段都支持市场运作，并能为市场参与者提供充分的数据信息。电力市场的基础设施及其技术支持，是电力市场蓬勃发展的关键要素（智能电器设备）。智能电网通过市场上供需的互动，可最有效管理如能源、容量、容量变化率、潮流阻塞等参量，降低潮流阻塞，扩大电力市场，汇集更多电能买和卖家。用户通过实时报价感受价格增长，从而减少电力需求，推动形成更低成本方案，并促进新技术开发；新型清洁可再生能源的供应，也将给电力市场提供更多选择。第一章智能电网及物联网1.1.4智能电网的主要特征（9）8）可优化资产应用，使运行更加高效——智能电网能优化调整电网资产的管理和运行，可为实现最低成本提供期望的功能。这并非意味资产将被连续不断用至极限，而是有效管理需要什么资产以及何时需要这些资产，以使每类资产将与所有其他资产更好整合，以最大限度发挥功效，同时降低成本。例如，借助动态评估技术，使资产发挥最佳能力；通过连续不断监测和评价其能力，使资产能在更大负荷下使用。智能电网通过高速通信网络，实现对运行设备状态的在线监测，获取设备实时运行状态，从而在最恰当时间给出需要维修设备的信息，实现设备的状态检修，且同时保证使设备运行在最佳状态。第一章智能电网及物联网1.1.5我国智能电网建设的目标（1）研发并实现大规模间歇式新能源电源并网、储能、智能配用电、大电网智能调度和控制等核心关键技术，建成一批智能电网示范工程，形成具有自主知识产权的智能电网技术体系和标准体系，建立较为完善的智能电网产业链，推动我国电网从传统电网向高效、经济、清洁、互动的现代化电网升级。建设5-10个智能电网示范城市、50个智能电网示范园区，并通过投资和技术辐射，带动能源、交通、制造、材料、信息、通信、传感、控制等产业技术创新、发展和产品升级换代，培育战略性新兴产业，建成一批具有国际竞争力的高新技术企业。第一章智能电网及物联网1.1.5我国智能电网建设的目标（2）智能电网是一系列高新技术的有机集合，是一个现代化、智能化的电力网络，也是一个可以与用户协调发展的供电网络。它基于传统的电力网络，利用最新数字化技术、信息技术和通信技术，对其进行技术升级和电器设备改造。智能电网是传统配电网和输电网的升级，其发展建设目标，是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效及环境友好——能实现这些目标的电网，就可称为智能电网。第一章智能电网及物联网1.1.5我国智能电网建设的目标（3）不管用户在何时何地，智能电网都能提供可靠的电力供应。它对自身可能出现的各种问题，能及时发出警告，并能忍受大多数扰动而不会断电。在电力用户受到断电影响前，它就能采取有效校正措施，可使电力用户免受供电中断影响。它所具有的可实现以抵御事故扰动为目的的电网安全稳定运行能力，可降低大规模停电风险。第一章智能电网及物联网1.1.5我国智能电网建设的目标（4）智能电网能经受物理的和网络的攻击而不会出现大面积停电，或不会付出高昂的恢复费用。它更不容易受到自然灾害的影响。智能电网将在供求平衡的基本规律下运行，且价格公平、供应充足。智能电网