2009年5月余院士在湖南大学关于智能电网讲座

智能电网天津大学余贻鑫2009.05提纲I.智能电网原动力和功能比较II.智能电网的主要技术组成和智能电网的实现顺序III.成本与效益IV.天津大学的相关工作V.结论I.智能电网的目标、定义和功能中国的情况不是特例，全球电力行业的发展都面临诸多挑战，既有共性，也有各地区特有的问题。对中国的挑战是：•电力基础设施投资大量增加•温室气体减排的压力越来越大•快速增长的燃料价格和负荷需求市场与竞争安全、可靠、效率环境战略与制度革新与竞争价格与效率多种能源及DER可靠性和质量资产管理环境保护气候变化社会信息化1）实现（以抵御事故扰动为目的）安全稳定运行，降低大规模停电的风险大停电频繁发生---用较好的、灵巧的和快速的控制增强电网的可靠性，是避免系统崩溃的关键I-1现代电网研究的目标2）分布式电源（DER）DistributedGenerationStorageDemandManagementPowerDistributionSystemPowerDeliverySystem如何处理数以万计的分布式电源？3）高级市场化•现实电网的利用系数很低（据美国统计，约55%）需要电力公司与用户友好合作，达到双赢：•开发高透明度的用户界面，以便实现负荷消减和更具弹性的负荷需求，提高现实电网的利用率。而通讯与信息技术已为此准备好了条件。一年内只有少数时间资产被完全使用•美国对未来20-30年对电网可靠性的预测可靠性比例•Reliabilityof9nine0.6%增加到10%;•Reliabilityof6nine8-10%增加到60%4）对电网各种约束日益严格（提高可靠性、提高电能质量、节能降损和环保）什么事都不做时的花费•每年美国不可靠的电力所造成的损失多于1000亿美元...相当于花一美元买电，同时还得付出30美分的停电损失。(GalvinElectricityInitiative,2005)•仅扰动和断电（即，不计大停电）每年的损失就达790亿美元。(LBNL,2004)•少卖电的损失一年可达1.35亿美元。(Primen,2004)•纽约独立系统运行员（ISO),趸售电价中23％是阻塞成本，它们全部转嫁给用户。(PNNL,2006)•August2003blackout:$40-60亿,5000万人受影响。驱使人们研究智能电网的，不是电能的成本，而是电能不合格的成本.EnergyDirector,OracleCorporation,2004常见名词：IntelliGridSHG(selfhealinggrid)SmartGrid(SmartGrids)ModernGrid为了解决这些问题，国际上形成了一些大型科研群体,开展面向21世纪电网的研究•SHG主要是对配网而言•由于Smart不好译，中文大家多用“智能电网”一词项目R&DProgramsTheModernGridStrategySmartGridactivitiesatUSDepartmentofEnergy(includingGridWise)PowerSystemsEngineeringResearchCenterConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutionsNewYorkStateEnergyResearchandDevelopmentAuthorityCaliforniaEnergyCommission–PublicInterestEnergyResearchProgramEuropeanUnionFrameworkPrograms•Atransformedelectricitytransmissionanddistributiongridthatusesrobusttwo-waycommunications,advancedsensors,anddistributedcomputerstoimprovetheefficiency,reliabilityandsafetyofpowerdeliveryanduse.I-2.智能电网定义•TheSmartGridistheapplicationofmoderninformation,communication,andelectronicstechnologytotheelectricitydeliveryinfrastructure.DGInterconnectDemandResponseSmartGrid工业化自动化信息化智能化¼¼现代社会发展的技术特征将来的智能电网和目前电网功能的比较特征目前将来激励/包括电力用户电价不透明，缺少实时定价，选择很少充分的电价信息，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,储能或可再生能源大量“即插即用”的分布式电源补助中央发电（节能、环保）使市场化成为可能有限的趸售市场，未很好的集成成熟、健壮、很好集成的趸售市场满足电能质量需要关注停运，不关心电能质量电能质量需保证，有各种各样的质量/价格方案可供选择特征目前将来优化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自愈扰动发生时保护资产（保护跳闸）防止断电，减少影响抵御攻击对恐怖袭击和自然灾害脆弱具有快速恢复能力智能电网是促进电力行业全价值链生产、运行、经营各环节根本性转变的解决方案高级计量体系AMI用户户内网HAN计量数据管理系统MDMS•需求响应•负荷控制•远程开合分时电价（送到用户）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，停运捡出）配电SCADA配电快速仿真与模拟DFSM高级配电运行ADODER运行高级配电自动化ADA高级保护与控制•（带有高级传感器的）运行管理系统•停运管理系统配电GISAC/DC微网运行新型电力电子装置•变电站自动化•高级保护•高级输电网元件阻塞管理输电系统仿真与模拟高级的输电运行ATOISOEMS可视化输电SCADA，WAMS输电GIS配电AAM基于条件（如可靠性水平）维护规划设计/建设资产利用输电AAM记录AMIADOAAMATOII.智能电网的技术组成EnergyDeliveryChain•四个环节均衡时行为和效率最高•四个环节中，配电和它与用户间的互动相对较弱，尤其缺少可视化和控制•信息技术和通信技术的进步，已使实现AMIandADO的花费可以接受.GenerationTransmissionDistributionCustomerAMI－AdvancedmeteringinfrastructureII-1.高级计量体系（AMI）的技术与功能AMI授权给用户，使系统同负荷建立起联系，使用户能够支持电网的运行同电网友好的电器（GFAs）可帮助电网提高设备利用率和防止停电事故的发生美国的典型峰荷日的负荷与备用饼图:•GFAs的电器包括：电暖气，空调，热水器，电冰箱•GFAs的潜力超过运行备用的需要同电网友好的电器GFAs感知电网的频率漂移，自动担负调频的任务，起到旋转储备的作用─此事无通讯要求！高级计量体系AMI用户户内网HAN计量数据管理系统MDMS•需求响应•负荷控制•远程开合分时电价（送到用户）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，停运捡出）SmartMetersSmartMeterTransformerMeterFeederMeter(energy)FeederMeter(current)FeederMeter(energy)结算(2-4%)系统控制(4-11%)帐单和客户服务(2-7%)资产管理(4-19%)收费标准与管制(1-4%)停运与恢复(3-8%)植被管理(3-7%)需求管理(2-22%)读表(2-4%)负荷预测(9-14%)人身安全(2-5%)现场工作管理(3-7%)收款(15-25%)标准与建造(15-20%）效益AMI和DAO(配电资产优化）可带来的效益受影响的企业功能AMR的效益•减少抄表开销（如，PG&E为800人和车，BCHydro为200人和车）•通过电压观察，防盗电（如，BCHydro的损失为$5000-8000万/年）•到用户的故障定位和部分恢复供电，减少用户服务人员和停电时间•在用户室内装可由电力部门无线控制的自动室内控制器（如可调节空调整定温度到26度以上—事先有协议），达到消峰的目的，可使居民区峰荷下降1/3，节省的容量按每kVA约50加币定价.II-2.高级配电运行（ADO）的技术与功能高级配电运行（ADO）功能使“自愈”（“SelfHealing”）成为可能ADO同AMI,ATOandAAM的密切配合实现配电系统（运行和资产管理）优化配电SCADA配电快速仿真与模拟DFSM高级配电运行ADODER运行高级配电自动化ADA高级保护与控制•（带有高级传感器的）运行管理系统•停运管理系统配电GISAC/DC微网运行新型电力电子装置用户端口电能质量高级的传感器高级电力电子分布式能源高级配电自动化•把积极的电力用户集成到配电网中•使用户参与到（削峰的）输电运行辅助服务中来•配电灵活输电DFACTS和配电静止无功补偿安置的计算•使DFACTS参与到网络重构中来•使中压与低压配电网的电能质量优化•使电能质量可以评估•把分布式能源单元接入配电网•使参与者能够提供辅助服务(带有企业EMS的电网传感器)•把分布式能源单元集成入配电网•使分布式能源能够提供辅助服务IECSAIECSA—能量与通讯系统集成的智能电网－此图概括了下边介绍的全部D-FSMT-FSM设想中的未来电网•状态估计•连续优化系统性能•提供比实时还要快的预测仿真，以期能够进行“what-if”分析，为运行人员推荐方案•把市场、政策和风险分析聚合到系统模型中去，使市场和政策对系统安全性和可靠性的影响定量化FSM－的基本功能要求每一部分都有新要求，现举例说明如下（可省）FSM需要适应以下四个主要自愈功能的需要：•网络重构•电压与无功控制（VVC）•故障定位和隔离(FLIR，对减少停电时间意义大)•（当系统拓扑结构发生变化时）继保再整定RPR－实现电力系统更新运行方式后的保护•四个主要功能是相互联系的，例如，电网的任一重构要求一个新的电压方案和继电保护的配合。因此，这一问题是很复杂的。•电网重构包含恢复供电功能。IA能够发送与接受信号的基本的智能代理：•保护、分布式发电和储能单元•具有分布式电源的配电调度、等值机等•CellIA是整个配电的智能代理分布式（非中央化）的智能体系结构•智能网络代理INAs（intelligentnetworkagents）通过FMS从全系统要求出发协调决策。-目前电力系统中的大多数代理是按预先确定的方法整定、并对扰动做出反应的（例如，在一定条件下断开继电器），其动作可能使系统情况恶化，乃至造成连锁停电。ADA轮廓•ADA用于电力交换系统—将使用电力电子、信息技术、分布式计算与仿真方面的新技术•ADA可为用户提供新的服务ADA－是革命，而不只是传统配电自动化的扩展，因为：•系统监视•停运检出、定位和管理•供电恢复•人员调度和工作安排•维修作业和区分先后顺序•排除事故后的自动切换与事故管理•无功与电压管理•降低网损•资产利用同传统电力系统相比，图示的DC微网,具有改善能量传输效率、可靠性、安全性、电能质量，以及运行成本的潜力丹麦Cell控制试点工程的目标为：（1）初级目标：全系统崩溃后，cell自己黑启动，进入可控的孤岛运行状态。（2）最终目标：当系统发生严重故障处于不可挽回的紧急状态(如即将出现电压失稳)时，cell单元主动与高压电网（150kV）解列，由联网运行转为可控的孤岛运行。绿色箭头代表测量。红色箭头代表cell控制器的控制行为II-3.高级输电运行（ATO）的技术与功能ATO强调阻塞管理和降低大规模停运的风险ATO同AMI,ADOandAAM的密切配合实现输电系统的（运行和资产管理）优化•变电站自动化•高级保护•高级输电网元件阻塞管理输电系统仿真与模拟高级的输电运行ATOISOEMS输电SCADA，WAMS输电GIS凤