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我国智能电网市场机遇与建设方向

2009年5月22日,中国国家电网首次公布了智能电网计划,表明中国的电力改革已经步上正轨。
    什么是智能电网,智能电网和普通电网有什么不同?
    所谓智能电网即以物理电网为基础,将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。智能电网的核心内涵是实现电网的信息化、数字化、自动化和互动化。
    智能电网技术有哪些优点呢?
    可靠性——在电网发生大扰动和故障时,智能电网仍能保持对用户的供电能力,而不发生大面积的停电事故;在自然灾害和极端气候条件下、或人为的外力破坏下仍能保证电网的安全运行;具有确保信息安全的能力和防计算机病毒破坏的能力。
    自愈性——因为使用实时传感器和自动化的控制设备,智能电网可以对电力系统的故障进行预测和检测,进而做出反应,自动的避免停电和电力质量恶化。在智能电网里面,停电的事故永远不会发生,系统的局部故障并不会导致某些地区的停电。
    互动性——智能电网一个非常核心的理念就是试图通过双向的信息传递和分时电价,改变电力用户的用电行为,以削峰填谷,降低系统对电源容量的需求。实时、双向通讯的智能电网能鼓励用户节约能源,同时允许用户向电网卖电。家庭太阳能板、小型风电和电动汽车都可以接入电网,普通家庭和小型商业用户可以把他们富余的电能通过智能电网卖给邻居或是电网的其他用电方。
    兼容性——国内风电场开发地区一般都集中在边远地区,这恰恰是电网比较薄弱的地方,承受能力有限。并且,边远地区负荷相对较小,使得发出的电很难在当地被消纳。风电密度低、不稳定、不连续性使得发电量忽上忽下,对我国尚不坚强的电网构成冲击,电网不愿接入,使风电场利用小时数过低,无法形成规模效应,导致风电项目内部投资回报率低于8%的社会平均水平,缺乏投资吸引力。智能电网建成后除了能够输送传统煤电外,还能够输送可再生能源,比如风电和太阳能。我国之所以高调提出大力建设智能电网,主要原因是支持风电、太阳能等新能源接入,支持需求侧管理。
    节能环保——智能电网的首要作用是节能,我国一年社会用电总量近35000亿千瓦时,实现电网信息化之后,每年在配电输电用电等环节即可节约5%至10%的电力资源,节省价值近2000亿元人民币。建造智能电网还助于城市减排温室气体。
    智能电网发展历程
    2005年,坎贝尔发明了一种技术,利用的是(Swarm群体行为)原理,让大楼里的电器互相协调,减少大楼在用电高峰期的用电量。坎贝尔发明了一种无线控制器,与大楼的各个电器相连,并实现有效控制。比如,一台空调运转15分钟,以把室内温度维持在24℃;而另外两台空调可能会在保证室内温度的前提下,停运15分钟。这样,在不牺牲每个个体的前提下,整个大楼的节能目标便可以实现。这个技术赋予电器于智能,提高能源的利用效率。
    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》(AEuropeanStrategyforSustainable,CompetitiveandSecureEnergy)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。这时候的智能电网应该是指输配电过程中的自动化技术。
    2006年中期,一家名叫“网点“(GridPoint)的公司最近开始出售一种可用于监测家用电路耗电量的电子产品,可以通过互联网通信技术调整家用电器的用电量。这个电子产品具有了一部分交互能够,可以看作智能电网中的一个基础设施。
    2006年,美国IBM公司曾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。这一方案被形象比喻为电力系统的“中枢神经系统”,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。这个可以看作智能电网最完整的一个解决方案,标志着智能电网概念的正式诞生。
    2007年10月,华东电网正式启动了智能电网可行性研究项目,并规划了从2008年至2030年的“三步走”战略,即:在2010年初步建成电网高级调度中心,2020年全面建成具有初步智能特性的数字化电网,2030年真正建成具有自愈能力的智能电网。该项目的启动标志着中国开始进入智能电网领域。
    2008年美国科罗拉多州的波尔得(Boulder)已经成为了全美第一个智能电网城市,每户家庭都安装了智能电表,人们可以很直观地了解当时的电价,从而把一些事情,比如洗衣服、烫衣服等安排在电价低的时间段。电表还可以帮助人们优先使用风电和太阳能等清洁能源。同时,变电站可以收集到每家每户的用电情况。一旦有问题出现,可以重新配备电力。
    2008年9月Google与通用电气联合发表声明对外宣布,他们正在共同开发清洁能源业务,核心是为美国打造国家智能电网。
    2009年1月25日美国白宫最新发布的《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——美国行将推动互动电网的整体革命。2月2日能源问题专家武建东在《全面推动互动电网革命拉动经济创新转型》的文章中,明确提出中国电网亟须实施“互动电网”革命性改造。
    2009年2月4日,地中海岛国马耳他在周三公布了和IBM达成的协议,双方同意建立一个“智能公用系统”,实现该国电网和供水系统数字化。IBM及其合作伙伴将会把马耳他2万个普通电表替换成互动式电表,这样马耳他的电厂就能实时监控用电,并制定不同的电价来奖励节约用电的用户。这个工程价值高达9100万美元(合7000万欧元),其中包括在电网中建立一个传感器网络。这种传感器网络和输电线、各发电站以及其他的基础设施一起提供相关数据,让电厂能更有效地进行电力分配并检测到潜在问题。IBM将会提供搜集分析数据的软件,帮助电厂发现机会,降低成本以及该国碳密集型发电厂的排放量。
    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。这是一个测试版在线仪表盘,相当于谷歌正在成为信息时代的公用基础设施。
    2009年2月28日,作为华北公司智能化电网建设的一部分——华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组的验收。这套系统首次将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成,调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换,便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。此外,该系统通过搭建并网电厂管理考核和辅助服务市场品质分析平台,能有效提升调度部门对并网电厂管理的标准化和流程化水平。
    美国谷歌2009年3月3日向美国议会进言,要求在建设“智能电网(SmartGrid)”时采用非垄断性标准。
    2010年1月12日,国家电网公司制定了《关于加快推进坚强智能电网建设的意见》,确定了建设坚强智能电网的基本原则和总体目标。
  中国建设智能电网的优势有哪些?
    从全球范围来看,中国智能电网建设的优势特别明显。
    第一,政策方面及体制上的优势;
    第二,近些年中国电网高速发展,包括美国电网因成型于几十年之前,其设备、技术基础反而不如中国。
    第三,中国高速增长的用电需求,中国本身即需加强电网建设和电源建设等,其他很多国家则是专门为了建智能电网而建智能电网。
    中美智能电网建设现状对比
    目前,美国、日本等国家都推出了类似的计划。由于不同国家的国情不同,所处的发展阶段及资源分布的不同,因而各个国家的智能电网在内涵及发展的方向、重点等诸多方面有着显而易见的区别。下面我们来看下中美两国智能电网的发展情况。
    中国——我国的智能电网与西方国家有所不同,是建立在特高压建设基础上的。中国式智能电网将以特高压电网为主干网架,在技术上实现信息化、数字化、自动化和互动化。
    三步走计划则是在2008年5月末召开的特高压国际大会上,国家电网公司公布,将分三个阶段推动坚强智能电网的建设:2009年至2010年为规划试点阶段;2011年至2015年为全面建设阶段,加快特高压电网和城乡配电网建设,初步形成智能电网运行控制和互动服务体系,关键技术和装备实现重大突破和广泛应用;2016年至2020年为引领提升阶段,全面建成统一的“智能电网”。
    此外,我国西部地区的电网建设水平低于东部,而西部有大量风电、太阳能等清洁能源等待接入电网,因此,预期我国清洁能源接入将在西部进行试点;而输配电网和农网将在中部试点,智能调度将在华北和华东地区试点。有很明显的区域特征。
    美国——全美范围内有3个交流输电网,由于投入不足,技术陈旧,美国在智能电网建设中更加关注电力网络基础架构的升级更新,以提高电网运行水平和供电可靠性,同时最大限度利用信息技术,实现系统智能对人工的替代。其发展智能电网的重点在配电和用电侧,注重推动可再生能源发展,注重商业模式的创新和用户服务的提升。
    从目前的有关规划来看,美国的智能电网已经不是停留在概念阶段,相关的建设环节已经陆续清晰。美国科罗拉多州首府丹佛附近的波尔得,已经成为全美第一个智能电网城市。
    智能电网相关技术
    通信技术——建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础,没有这样的通信系统,任何智能电网的特征都无法实现,因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持,因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统要和电网一样深入到千家万户,这样就形成了两张紧密联系的网络—电网和通信网络,只有这样才能实现智能电网的目标和主要特征。下图显示了电网和通信网络的关系。高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为一个动态的、实时信息和电力交换互动的大型的基础设施。当这样的通信系统建成后,它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率,繁荣电力市场,抵御电网受到的攻击,从而提高电网价值。
    高速双向通信系统的建成,智能电网通过连续不断地自我监测和校正,应用先进的信息技术,实现其最重要的特征—自愈特征。它还可以监测各种扰动,进行补偿,重新分配潮流,避免事故的扩大。高速双向通信系统使得各种不同的智能电子设备(IEDs)、智能表计、控制中心、电力电子控制器、保护系统以及用户进行网络化的通信,提高对电网的驾驭能力和优质服务的水平。
    在这一技术领域主要有两个方面的技术需要重点关注,其一就是开放的通信架构,它形成一个“即插即用”的环境,使电网元件之间能够进行网络化的通信;其二是统一的技术标准,它能使所有的传感器、智能电子设备(IEDs)以及应用系统之间实现无缝的通信,也就是信息在所有这些设备和系统之间能够得到完全的理解,实现设备和设备之间、设备和系统之间、系统和系统之间的互操作功能。这就需要电力公司、设备制造企业以及标准制定机构进行通力的合作,才能实现通信系统的互联互通。
    量测技术——参数量测技术是智能电网基本的组成部件,先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息,以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性,进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。
    未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统,取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计将有更多的功能,除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外,还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率,并通知用户实施什么样的费率政策。更高级的功能有用户自行根据费率政策,编制时间表,自动控制用户内部电力使用的策略。
    对于电力公司来说,参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持,包括功率因数、电能质量、相位关系(WAMS)、设备健康状况和能力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电能消费和预测等数据。新的软件系统将收集、储存、分析和处理这些数据,为电力公司的其他业务所用。
    未来的数字保护将嵌入计算机代理程序,极大地提高可靠性。计算机代理程序是一个自治和交互的自适应的软件模块。广域监测系统、保护和控制方案将集成数字保护、先进的通信技术以及计算机代理程序。在这样一个集成的分布式的保护系统中,保护元件能够自适应地相互通信,这样的灵活性和自适应能力将极大地提高可靠性,因为即使部分系统出现了故障,其他的带有计算机代理程序的保护元件仍然能够保护系统。
    设备技术——智能电网要广泛应用先进的设备技术,极大地提高输配电系统的性能。未来的智能电网中的设备将充分应用在材料、超导、储能、电力电子和微电子技术方面的最新研究成果,从而提高功率密度、供电可靠性和电能质量以及电力生产的效率。
    未来智能电网将主要应用三个方面的先进技术:电力电子技术、超导技术以及大容量储能技术。通过采用新技术和在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点来提高电能质量。通过应用和改造各种各样的先进设备,如基于电力电子技术和新型导体技术的设备,来提高电网输送容量和可靠性。配电系统中要引进许多新的储能设备和电源,同时要利用新的网络结构,如微电网。
    经济的FACTS装置将利用比现有半导体器件更能控制的低成本的电力半导体器件,使得这些先进的设备可以广泛的推广应用。分布式发电将被广泛地应用,多台机组间通过通信系统连接起来形成一个可调度的虚拟电厂。超导技术将用于短路电流限制器、储能、低损耗的旋转设备以及低损耗电缆中。先进的计量和通信技术将使得需求响应的应用成为可能。
    新型的储能技术将被应用为分布式能源或大型的集中式电厂。大型发电厂和分布式电源都有其不同的特性,它们必须协调有机地结合,以优化成本,提高效率和可靠性,减少环境影响。
    控制技术——先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这些技术将提供对输电、配电和用户侧的控制方法并且可以管理整个电网的有功和无功。从某种程度上说,先进控制技术紧密依靠并服务于其他四个关键技术领域,如先进控制技术监测基本的元件(参数量测技术),提供及时和适当的响应(集成通信技术;先进设备技术)并且对任何事件进行快速的诊断(先进决策技术)。另外,先进控制技术支持市场报价技术以及提高资产的管理水平。
    未来先进控制技术的分析和诊断功能将引进预设的专家系统,在专家系统允许的范围内,采取自动的控制行动。这样所执行的行动将在秒一级水平上,这一自愈电网的特性将极大地提高电网的可靠性。当然先进控制技术需要一个集成的高速通信系统以及对应的通信标准,以处理大量的数据。先进控制技术将支持分布式智能代理软件、分析工具以及其它应用软件。
    (1)收集数据和监测电网元件
    先进控制技术将使用智能传感器、智能电子设备以及其他分析工具测量的系统和用户参数以及电网元件的状态情况,对整个系统的状态进行评估,这些数据都是准实时数据,对掌握电网整体的运行状况具有重要的意义,同时还要利用向量测量单元以及全球卫星定位系统的时间信号,来实现电网早期的预警。
    (2)分析数据
    准实时数据以及强大的计算机处理能力为软件分析工具提供了快速扩展和进步的能力。状态估计和应急分析将在秒级而不是分钟级水平上完成分析,这给先进控制技术和系统运行人员足够的时间来响应紧急问题;专家系统将数据转化成信息用于快速决策;负荷预测将应用这些准实时数据以及改进的天气预报技术来准确预测负荷;概率风险分析将成为例行工作,确定电网在设备检修期间、系统压力较大期间以及不希望的供电中断时的风险的水平;电网建模和仿真使运行人员认识准确的电网可能的场景。
    (3)诊断和解决问题
    由高速计算机处理的准实时数据使得专家诊断来确定现有的、正在发展的和潜在的问题的解决方案,并提交给系统运行人员进行判断。
    (4)执行自动控制的行动
    智能电网通过实时通信系统和高级分析技术的结合使得执行问题检测和响应的自动控制行动成为可能,它还可以降低已经存在问题的扩展,防止紧急问题的发生,修改系统设置、状态和潮流以防止预测问题的发生。
    (5)为运行人员提供信息和选择
    先进控制技术不仅给控制装置提供动作信号,而且也为运行人员提供信息。控制系统收集的大量数据不仅对自身有用,而且对系统运行人员也有很大的应用价值,而且这些数据辅助运行人员进行决策。
    支持技术
    决策支持技术将复杂的电力系统数据转化为系统运行人员一目了然的可理解的信息,因此动画技术、动态着色技术、虚拟现实技术以及其他数据展示技术用来帮助系统运行人员认识、分析和处理紧急问题。
    在许多情况下,系统运行人员做出决策的时间从小时缩短到分钟,甚至到秒,这样智能电网需要一个广阔的、无缝的、实时的应用系统、工具和培训,以使电网运行人员和管理者能够快速的做出决策。
    (1)可视化—决策支持技术利用大量的数据并将其裁剪成格式化的、时间段和按技术分类的最关键的数据给电网运行人员,可视化技术将这些数据展示为运行人员可以迅速掌握的可视的格式,以便运行人员分析和决策。
    (2)决策支持—决策支持技术确定了现有的、正在发展的以及预测的问题,提供决策支持的分析,并展示系统运行人员需要的各种情况、多种的选择以及每一种选择成功和失败的可能性。
    (3)调度员培训—利用决策支持技术工具以及行业内认证的软件的动态仿真器将显著的提高系统调度员的技能和水平。
    (4)用户决策—需求响应(DR)系统以很容易理解的方式为用户提供信息,使他们能够决定如何以及何时购买、储存或生产电力。
    (5)提高运行效率—当决策支持技术与现有的资产管理过程集成后,管理者和用户就能够提高电网运行、维修和规划的效率和有效性。
    标准体系——目前IEEE致力于制定一套智能电网的标准和互通原则(IEEEP2030),主要内容在于以下三个方面:电力工程(powerengineering),信息技术(informationtechnology)和互通协议(communications)等方面标准和原则。
    除IEEE外,国际电工委员会(IEC)也在发挥重要作用,美国国家标准与技术研究院NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)协调各部门之间的合作。参与标准制定的15家机构分别负责标准制定的不同环节。
    IEEE主要致力于互通入网过程的标准,如各个能量源头如何与整个智能电网链接,计量设备的接入(如电表)和时间同步性的标准等。美国机动车工程师学会(SAE)则主要关注机动车接入网络的标准,IEC则负责信息自动化的模式和环境标准。
    2009年5月18日,美国商务部长骆家辉和能源部长朱棣文联合宣布了美国智能电网建设的第一批标准(见表1)
    发展一种新的模式,一定要立足于实际,要比过去更好用,更便捷,更高效,立足于发展中国自已的标准。绝不能为了概念的哗众取宠,取个新名词,弄几个功能拼凑一下,这不叫新技术。
    目前由于智能电网包含内容较多,各电网和设备厂家都要根据实际情况,采用总体规划、分步实施的策略,逐步实现智能电网。
    智能电网将会带来哪些市场机会?
    思科曾说过,美国的智能电网将带来1000亿美元的商机,其中仅通讯部分就高达200亿美元。智能电网的规模将比互联网大100或1000倍。那中国的智能电网建设将会给我们带来哪些市场机会呢?
    按照我国国家电网公布的我国智能电网三个阶段发展目标,预计第一阶段,全数字化变电站大面积试点,数字化开关、互感器等元器件的试用,用电管理系统开发,分布式电源接入方案等。这一阶段仅特高压电网投资就达到830亿元左右。
    第二阶段,高级调度系统全面推广,原有系统更新、升级。配电自动化管理、分布式电源接入开始试点。这一阶段预计总投资约2万亿元。
    第三阶段,全数字变电站全面普及,柔性输电技术全面应用,智能电表进一步推广。这一阶段预计投资达到1.7万亿元。
    由于智能电网具有极强的兼容性,因此还会带动太阳能、风能、地热能等新能源产业加速发展。届时,国家电网优化配置资源能力将大幅提升,清洁能源装机比例达到35%。

来自:创E时代

 

 
 
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