电力网格初探

电力网格初探主讲人：王大刚Email:[e-mail]序言、问题的提出计算网格（ComputationalGrid）技术是近年来国际上兴起的一种重要信息技术。它的目标是实现网络虚拟环境上的高性能资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。与它相关的技术包括:实时企业信息系统、网络化虚拟设计环境、因特网技术、知识管理、XML技术、ASP技术、万维网服务（WebService）、语义网（SemanticWeb）、数据网格、信息网格、计算网格、高性能计算等技术。而电力网格（ElectricalGrid）是从十九世纪发展起来的成熟的电力传输控制技术。正象徐志伟老师说的那样，电力网格的模式是计算网格努力的方向。几乎不会有人在打开电灯的时候考虑电是从哪个电站来的。因特网的情形如何呢？人们获取信息并不直接从因特网本身获取，必须告诉电脑去访问某一个网站，这就好比我们在打开电灯的开关时必须告诉它我们需要某一电站来的电一样笨拙。计算网格的目标就是让人们使用网络资源像用电一样简单。★电力网格模式介绍，主要有电网结构与控制、电网管理、电厂协作和安全检查等可供网格借鉴的技术。★电力网格和计算网格的比较★电力网实现通讯的历史------载波★电力网实现数据通讯----电力猫★电力网传输的未来---多元融合内容提要1801年伏特在巴黎法国国立大学向在场的拿破伦一世演示电池噢！好神奇呀。陛下，最重要的是，有了电池，全世界就¨¨1800年,意大利A.伏打公布了他于1795～1796年间已经发现的电池原理，并用铜片、浸盐水的纸片、锌片依次重叠起来，创制最早的获得连续电流的伏打电堆（gridbattery栅极电池）从1800年第一块电池的诞生到现在，电力网格技术不断成熟，已经形成了一套完整的体系。19世纪80年代末，·英国伦敦出现了最早的交流输电系统，发电厂安装了容量1000kW，电压为2500V的交流发电机,经升压变压器将电压升至10000V，通过12km输电线，送到伦敦市区4个变电所。一、电力网格的结构与控制在供电发展的最初阶段，所谓的电网只是“岛网”，也就是说，电网只把或多或少的耗电用户与同一座发电厂的一台或少数几台发电机连接在一起。今天这种孤立的岛网只存在于边远地区，或者用作轮船或飞机的供电系统。不过，在供电发生严重事故时，或严重事故之后，联合电网恢复工作时，也可能暂时出现这种形式的电网。今天，电网的典型形式是三相联合网络，它将辽阔地域上分布的所有电厂相互连接在一起，并向该地区的所有与它连接的用户供给电能。联合电网的特点---许多不同的电厂向用户供电。当某电厂发生事故或检修时，其他电厂可以相互支援，同时也可能在低负荷期间停止某些电厂的运行，以及将用户需要的功率合理地分配到工作的发电厂，使整个发电成本为最低。---多电压等级的多级结构。它可为从电厂（有时达若干吉瓦）直到小小的灯泡相差许多倍的电能提供合适的传输电路。通过网络互连和多重供电可作到，用户对一个运行装置的故障毫无觉察或者采取开关措施仅短时中断后又重新供电。电网结构图一级输送网由各发电厂供给电能，若要与其它地区或省交换电能，则在输送网中设有联络（桥接）站。传输电压为220~700kV（将来可为1200kV），单线可输送功率约为0.1~1GW。二级传输网通过变压器从输送网中吸取功率，相邻的传输网具有相互沟通的搭接线，不过搭接线是在紧急情况下才使用，一般情况下是断开的，以防止电能与输送网并行地流经弱负荷线。传输电压为110kV或220kV，单线可输送功率约为10~100MW。三级分配网的电能由传输网经供电站的变压器供给。从供电站的母线出发，许多电缆或导线引向配电站。多数情况下，配电站就像一串珍珠一样排列在一条支线上。射线型分布的缺点是当一个配电站或两个配电站之间的连线出现故障时，所有随后连接的各站均将受到影响，因此，多数情况下，支线又引回同一个供电站或引向相邻的站，在一个供电站的两根母线之间或两个供电站之间形成的环形网通常并不是闭合的，而是在环路的某一位置（分离点）断开，以便有可能更好地断定故障范围，应该用简单的保护（无方向过电流保护）并防止电能与传输网并行地流经弱负荷线。传输电压为6~20kV，单线可输送功率约为1~10MW。四级接入网直接供给用户电能，采用的电压为220V/380V或110V/190V，居民用户通过电缆或明线获得电能，一般这些支线沿街道架设，各建筑物通过配电箱与它们相接。在工业用电网中接有若干耗能电器组，因此，低压电能常常还要进一步分配。电力总动员---电网控制中心复杂电网的多级电压结构首先具有按电网的物理关系划分工作的可能性。从属于输送网的下属电网的区域是有限的，因而按照地理区域划分工作不存在什么困难，按这一方式便获得电网控制中心的理想形式。由图可见，输送网有一个控制中心，每一个有限区域的传输网有一个控制中心，同样区域有限的分配网和接入网也有许多控制中心。与复杂电网的多级结构相对应，这些控制中心构成了运行组织上的多级结构。输送网控制中心是电厂协作及电厂与其它输送网相接的联络站分配电荷的任务和与此相关的大量运行计划任务，因此这一控制中心也常称为“联合负荷调度”。电网的这一控制中心具有联系输送网中所有电厂和变电站的远动联络，通过远动联络对所有开关信号、保护及功能信号、测量值信号以及相反方向的开关命令、发电整定值实现遥远传输，变电站一般无人值守。传输网控制中心不承担电厂协作的任务，它所负担的任务是所属有限区域电网的管理，这一控制中心到所有从属的变电站都具有远动联络，变电站无人值班，受远方控制。分配网控制中心到变电站有远动联络，而到配电站则没有。这方面的故障信号主要靠用户通知断电的报告。这一报告必须加以分析，以便能区分分配网或是接入网中故障的位置。电网控制中心的任务局限于对故障采取反应措施的开关操作或按计划切除部分电网满足维修作业和网络扩展的需要。这时对电网存在着一个计划拓扑，偏离计划拓扑后总要重新复原。配电站的开关处理总是由派往那里的人来完成，操作人员与控制中心间采用流动无线通信，它们从控制中心接受指示并将监视信号送回控制中心。在控制中心将这些监视信号记入档案，以便掌握电网的开关状态。接入网控制中心的工作与上述相类似，这时故障信号仍然仅依靠用户的报告而获得。中国七大电网分布我国电网的控制电网总的运行组织属于水利电力部（现为能源部---编者注），下分若干大区电业管理局，每一电管局均设有一大区电网控制中心。目前电网的实际运行管理主要由各大区控制中心分别完成。全国电网的运行组织分为四级管理体制---全国控制中心（1个）---大区控制中心（共7个）---省级控制中心（每大区3~5个）---地区控制中心（每省若干个）各级控制中心的任务划分可简述如下：全国控制中心履行行政管理及运行协调，以保证全国整个电网在经济上、技术上均达到最佳运行；大区控制中心（总调）的任务是按照电能经济性与可靠性的观点负责管理该大区内输送网的负荷调度，重要的大型发电厂、变电站；省级控制中心（省调）的任务与总调的任务相似，只不过其职责范围仅限制于输送网的管理，负责控制该省范围内的负荷调度和较小型的发电厂、变电站。地区控制中心（地调）的任务是管理分配网的负荷调度，可靠地向该地区用户直接提供电能。二、电网管理、电厂协作和安全检查电网管理----三种拓扑方式的划分电网管理所关心的是电网的开关状态以及变电站和线路的运行状态。电网所具有的连接可能性是有限的，但却是非常大量的。电网中所有一切可能的连接称为“潜在拓扑”。部分连接经由线路和变压器到达其它变电站或开关系统，但绝大部分为开关系统内可进行开关操作的短连接，在一个给定的状态下，这种可能的连接只有其中一部分被利用，总是将所有可能的连接都接通，对许多运行状态都不是最佳的，甚至是危险的或有害的（如所有接地开关接通）。在某一确定时刻接通的连接决定所谓电网的“当前拓扑”。在下属电网（如分配网）中，人们力求在一个较长的时间（如一年）内保持一个确定的网络拓扑，只是在出现故障或电网有人作业期间才偏离这一拓扑，并在随后重新回到原始的拓扑，这一网络拓扑就是所谓的“计划拓扑”。区分上述拓扑十分重要，因为在电网信息系统中，有时必须对所有三种形式的拓扑：潜在拓扑，当前拓扑及计划拓扑加以存储和管理。电厂协作---按负荷划分电厂级别每日用电负荷曲线通常可以划分三个区：基本负荷，腰负荷和尖峰负荷。基本负荷电站始终以恒定的输出功率运行；腰负荷电站白天随日负荷变化以适当的输出功率运行，夜间就停机；尖峰负荷电站只是在尖峰负荷出现时短时输出功率。安全检查---（n-1)原则除了上面所述两个部分之外，还有一个部分---隶属于电网管理及电厂协作的安全检查，它清楚地表明了电网运行的典型情况，即所有操作行动不仅仅以可行性观点来考虑，而必须同时始终加以检查。这是因为，电网运行中的错误操作可能立即产生一系列大的故障或设备损坏。即使很快更正，其损失亦不可能挽回。如果上述情况出现，则在错误位置将释放巨大的能量，如电弧；或者由于电能中断，使生产过程陷入混乱，生产出大量废品。同时进行的安全检查需要回答下面三个问题：1）操作行动会造成人身危险吗（如电网维修作业人员）？2）操作行动会造成设备损坏吗（如操作一个不应操作的开关装置或过载操作）？3）操作行动会对未预先给予警告的用户，特别是关键用户（如医院、工业企业）造成停电事故吗？上述安全检查的依据是电网的当前拓扑，并且每操作一步均影响下一步的操作。此外，必须考虑到电网或电厂中偶尔会出现故障和事故，因而还必须检查当前的网络状态或力求达到的网络状态具有足够的富裕度，以便能够对付上述偶然出现的情况，在二次处理，根据电网的数据模型，也要对故障情况进行模拟计算，检查电网是否能够经受得住故障的考验。运行管理中，总是希望实现（n-1)原则，这意味着，每次允许任意一个网络元件偶然发生故障，而不致引起一连串故障，甚至全网瓦解。电力网格的里程碑1800年，意大利A.伏打公布了他于1795～1796年间已经发现的电池原理，并用铜片、浸盐水的纸片、锌片依次重叠起来，创制最早的获得连续电流的伏打电堆1831年，法拉第发表了著名的电磁感应定律，并制作了第一台发电机模型。几个月后，意大利人S.S.内格罗制成往复式发电机模型1881年，在伦敦，法国人L.戈拉尔和英国人J.吉布斯设计建立了当时最成功的交流输电设备1882年，纽约市珍珠街发电厂开始发电，装有6台直流发电机，总容量900马力（约670千瓦）,这是世界上第一座较正规的火电厂1883年，戈拉尔和吉布斯发明具有实用价值的变压器，称为“二次发电机”，其容量为5千伏安1888年，美国建成世界上第一座水电站1889年，英国伦敦出现了最早的交流输电系统，发电厂安装了容量1000kW，电压为2500V的交流发电机,经升压变压器将电压升至10000V，通过12km输电线，送到伦敦市区4个变电所1900年，上海斐伦路电厂的输电线路全长已达18km，用铝皮橡胶绝缘电缆架空敷设,输电电压最高2500V，全市共有12个配电站，这是中国最早的输配电网1908年，中国云南省石龙坝水电站至昆明万钟街变电所之间架设了中国最早的一条22kV中压输电线路1911年，中国兴建上海杨树浦发电厂，这是当时最大的火电厂，至1928年成为远东第一大电厂1925年，中国自行设计、施工的第一座水电站──四川泸县洞窝水电站开始发电，安装一台175kVA机组，后又增装一台300kVA机组1954年，苏联建成世界第一座核电站(5000kW)，浓缩铀为燃料，采用石墨水冷却堆，建在莫斯科附近的奥布宁斯克1964年，联邦德国西门子公司制成220kV的SF6断路器；瑞士BBC公司制成第一台750kV、60000MVA空气断路器1967年，苏联在堪察加半岛建成5000kW的帕乌热特克地热电站1973年，中国上海电缆研究所、上海电缆厂和沈阳电缆厂协作,经一次试制成330kV充油超高压电力电缆，应用于刘家峡水电站1978年，中国京津唐电网在线调度控制用的SD-176型计算机投入运行，这是一套应用微程序技术，具有彩色屏