新形勢(shì)下智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的探討

一、智能電網(wǎng)概念及其技術(shù)特征

1. 智能電網(wǎng)的概念。

簡(jiǎn)單地說，智能電網(wǎng)通過傳感器把各種設(shè)備、資產(chǎn)連接到一起，以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備和高級(jí)元器件等為基礎(chǔ)，通過引入通信、自動(dòng)控制和其他信息技術(shù)，形成一個(gè)客戶服務(wù)總線，從而對(duì)信息進(jìn)行整合分析，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的改造，從而降低成本，提高效率，提高整個(gè)電網(wǎng)的可靠性，使運(yùn)行和管理達(dá)到最優(yōu)化。核心內(nèi)涵是，在電力系統(tǒng)各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)新型信息與通信技術(shù)的集成，促進(jìn)智能水平的提高，其覆蓋范圍包括從需求側(cè)設(shè)施到廣泛分散的分布式發(fā)電再到電力市場(chǎng)的整個(gè)電力系統(tǒng)和所有相關(guān)環(huán)節(jié)，其中的每一個(gè)用戶和節(jié)點(diǎn)都得到了實(shí)時(shí)監(jiān)控，并保證了從發(fā)電廠到用戶端電器之間的每一點(diǎn)上的電流和信號(hào)的雙向流動(dòng)及實(shí)時(shí)互動(dòng)。

美國(guó)電力科學(xué)研究院提出的智能電網(wǎng)定義以及歐盟委員會(huì)關(guān)于智能電網(wǎng)的定義分別如圖1、圖2所示。2003年美加大停電后，美國(guó)電力行業(yè)面對(duì)陳舊老化的電力設(shè)施、與數(shù)字信息技術(shù)脫節(jié)的二次控制系統(tǒng)及巨額的投資改造計(jì)劃，決心利用日新月異的信息技術(shù)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行徹底改造，以期建成一個(gè)高效能、低投資、安全可靠、靈活應(yīng)變的電力系統(tǒng)，其智能電網(wǎng)的定義就是在這一背景下提出的。在歐洲，智能電網(wǎng)建設(shè)的驅(qū)動(dòng)因素可以歸結(jié)為市場(chǎng)、安全與電能質(zhì)量、環(huán)境等三方面。歐洲電力企業(yè)受到來自開放的電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)壓力，亟須提高用戶滿意度，爭(zhēng)取更多的用戶。因此提高運(yùn)營(yíng)效率、降低電力價(jià)格、加強(qiáng)與客戶的互動(dòng)就成為了歐洲智能電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)之一，而對(duì)環(huán)境保護(hù)的極度重視，則使得歐洲智能電網(wǎng)建設(shè)十分關(guān)注可再生能源的接入。

2. 智能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

智能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)能支持目前配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所不能支持的兩個(gè)基本要求。( 1)綜合考慮終端用戶(分布式電源，電力調(diào)節(jié)設(shè)備，無功補(bǔ)償設(shè)備和用戶能量管理系統(tǒng))控制和總體配電系控制，以達(dá)到系統(tǒng)性能的優(yōu)化，取得期望的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。(2)支持高比重的分布式電源，以提高系統(tǒng)。的整體性、效率和靈活性。電網(wǎng)能夠同時(shí)適應(yīng)集中發(fā)電與分散發(fā)電模式，實(shí)現(xiàn)與負(fù)荷側(cè)的交互，支持風(fēng)電、太陽能發(fā)電等可再生能源的接入，擴(kuò)大系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的可選資源范圍，滿足電網(wǎng)與自然環(huán)境物和諧發(fā)展，通過協(xié)同的、分布式的控制，利用分布式電源來優(yōu)化系統(tǒng)性能，在發(fā)生重大系統(tǒng)故障時(shí)可利用分布式電源進(jìn)行局部供電(微型電網(wǎng)) 。 智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)將形成所謂的“神經(jīng)系統(tǒng)”， 將新的分布式技術(shù)———需求響應(yīng)、分布式發(fā)電以及存儲(chǔ)技術(shù)———與傳統(tǒng)的電網(wǎng)發(fā)電、輸電和配電設(shè)備相融合，一起協(xié)調(diào)控制整個(gè)電網(wǎng)。

3. 智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

( 1)分布式能源領(lǐng)域。分布式能源的主要研究對(duì)象是需求側(cè)響應(yīng)、分布式發(fā)電以及電力存儲(chǔ)技術(shù)。

( 2)通信技術(shù)。電網(wǎng)協(xié)作運(yùn)行的參與者之間的通信技術(shù)與機(jī)制，包括通信媒介，信息安全，私鑰與認(rèn)證，設(shè)備間的通信以及電子商務(wù)。

( 3)控制與軟件應(yīng)用。主要的研究?jī)?nèi)容是如何利用通信技術(shù)和傳感器等裝置提供的信息，對(duì)輸配電網(wǎng)進(jìn)行控制，使整個(gè)系統(tǒng)融合在一起，提供更加安全、可靠的電力和更低的電價(jià)。這方面的應(yīng)用研究包括:用戶信息入口、智能測(cè)量和自動(dòng)讀表裝置、需求響應(yīng)和能量管理系統(tǒng)、電網(wǎng)友好型裝置/設(shè)備/程序、配電自動(dòng)化、市場(chǎng)運(yùn)行、電能買賣自助工具、負(fù)荷預(yù)測(cè)、輸配電網(wǎng)交易控制以及緊急狀況下的終端用戶切除。

二、新型能源管理系統(tǒng)

在美國(guó)和歐洲，已經(jīng)有大量的電力企業(yè)正在開展智能電網(wǎng)建設(shè)實(shí)踐，內(nèi)容覆蓋發(fā)電、輸電、配電和售電等環(huán)節(jié)。這些電力企業(yè)通過促成技術(shù)與具體業(yè)務(wù)的有效結(jié)合，使智能電網(wǎng)建設(shè)在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程中切實(shí)發(fā)揮作用，從而最終達(dá)到提高運(yùn)營(yíng)績(jī)效的目的。目前，已有的智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用主要是在用電和配電領(lǐng)域。在用電系統(tǒng)，由于這部分投資主要是以家庭安裝智能設(shè)備為主，投資不大，因此運(yùn)用就會(huì)比較容易，可以很快看到有沒有效率。而配電系統(tǒng)智能化就是不用人工管理，完全交由智能控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)，目前應(yīng)用不多。 本文提出的新型能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案就是智能電網(wǎng)技術(shù)在用電系統(tǒng)的一個(gè)典型應(yīng)用，可用于監(jiān)測(cè)家用電路的耗電量，還可以通過互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)調(diào)整家用電器的用電量。它的組成包括:與公共電網(wǎng)并網(wǎng)分布式發(fā)電裝置及其管理系統(tǒng)。

1. 與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的分布式發(fā)電裝置。

與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的分布式發(fā)電裝置由可再生能源發(fā)電裝置、蓄電池、功率調(diào)節(jié)器組成。分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能首先向系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷供電，有剩余電能時(shí)向蓄電池充電，可以期待實(shí)現(xiàn)削減電力系統(tǒng)用電高峰(負(fù)荷平均化) 、無停電電源系統(tǒng)以及災(zāi)害時(shí)的緊急用電源。若分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能向蓄電池充電后仍有剩余，則通過并網(wǎng)保護(hù)裝置送往電力系統(tǒng)(賣電) 。分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)荷的需要時(shí)，先由蓄電池供電，仍不足時(shí)則從電力系統(tǒng)買電。除此之外，鑒于非用電高峰時(shí)電價(jià)相對(duì)較低，蓄電池還可在非用電高峰時(shí)充電，減少用電高峰時(shí)從公電網(wǎng)獲取的電量，既緩解了用電高峰時(shí)電網(wǎng)的壓力，又為用戶節(jié)省了電費(fèi)支出。這樣，電能可以在系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)得到有效利用，提高了電能的利用率和供電可靠性，節(jié)約了能源。同時(shí)也為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供了靈活性，如在風(fēng)暴和冰雪天氣下，當(dāng)大電網(wǎng)遭到嚴(yán)重破壞時(shí)，分布式發(fā)電裝置可自行形成孤島或微網(wǎng)向用戶提供應(yīng)急供電。

功率調(diào)節(jié)器由逆變器、并網(wǎng)裝置以及蓄電池充放電控制裝置等構(gòu)成，其中逆變器用來將可再生能源產(chǎn)生的直流電變成交流電，它使轉(zhuǎn)換后的交流電的電壓、頻率與電力系統(tǒng)向負(fù)載提供的交流電的電壓、頻率一致;蓄電池的充放電控制裝置主要用于避免蓄電池的過充電和深度放電。由于分布式發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)會(huì)使電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量降低，給其他的用戶以及人身安全帶來影響，設(shè)置系統(tǒng)并網(wǎng)保護(hù)裝置就是為了避免這些情況的出現(xiàn)，同時(shí)系統(tǒng)并網(wǎng)保護(hù)裝置可以自動(dòng)檢測(cè)出電力系統(tǒng)側(cè)或用戶側(cè)的事故，迅速將分布式發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)分離。分布式發(fā)電裝置并網(wǎng)于中壓或低壓配電網(wǎng)上運(yùn)行，徹底改變了傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)單向潮流的特點(diǎn)，要求使用新的儀表來滿足雙向潮流的需要。因此，在此新型能源管理系統(tǒng)中，智能電表取代了傳統(tǒng)的電度表。

智能電表具有雙向計(jì)量功能，不僅能記錄流入某一建筑物的電流，還能監(jiān)測(cè)從該建筑物流回電網(wǎng)的電流，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種計(jì)量( kWmiddot;h，kvar， kW， V 等) ，這將使電力企業(yè)能夠很好地評(píng)估獨(dú)立生產(chǎn)企業(yè)反饋回電網(wǎng)的有功功率和無功功率的數(shù)量。

智能電表還具有雙向通訊功能，支持遠(yuǎn)程設(shè)置，能讓電力企業(yè)監(jiān)測(cè)每家每戶的電力波動(dòng)，可以更早發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)正在增加的隱患，從而改善超前模擬的效果。此外，它還能讓電力企業(yè)能夠設(shè)置不同的分時(shí)電價(jià)，鼓勵(lì)家庭和企業(yè)將高耗電設(shè)備或機(jī)器安排在非高峰時(shí)段運(yùn)轉(zhuǎn)，減少可能使電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定的電力需求高峰的出現(xiàn)。

2. 管理系統(tǒng)配置。

新型能源管理系統(tǒng)的另一組成部分為一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的電腦，系統(tǒng)利用傳感器對(duì)關(guān)鍵用電設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集有關(guān)電力消耗和各種設(shè)備情況準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)，并在電腦上顯示出來，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析、挖掘，達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化管理。

人們可以利用互聯(lián)網(wǎng)以遠(yuǎn)程的方式監(jiān)視和控制各種智能設(shè)施，用戶還可以根據(jù)預(yù)算調(diào)整使用，例如人們能夠通過在一定時(shí)間關(guān)閉一些不必要的家用電器比如電熱水器，或者調(diào)整空調(diào)的設(shè)定溫度，來降低電力消耗，還可以按照電力收費(fèi)的不同時(shí)間段，進(jìn)行計(jì)劃用電。電力企業(yè)使用這種裝置可以精確地知道用戶的用電規(guī)律，從而對(duì)求和供應(yīng)有一個(gè)更好的平衡:比如說，在電力供應(yīng)的高峰期或是需求超過供給的時(shí)候，根據(jù)實(shí)時(shí)的客戶用電量提高價(jià)格。這樣，明智的用戶就會(huì)把自己家里可以替代能源的設(shè)備打開(比如蓄電池、可再生能源發(fā)電裝置等) ，或者是選擇錯(cuò)開用電高峰時(shí)段。這樣就會(huì)形成比較靈活的供電模式，避免在用電高峰期出現(xiàn)停電，并提高電力企業(yè)的收益，達(dá)到需求側(cè)管理的目的。

與新型能源管理系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)用戶門戶網(wǎng)站的示意。用戶通過加密的賬號(hào)登錄該網(wǎng)站后，可以看到自己的電量消費(fèi)情況、分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的電量、蓄電池的剩余可運(yùn)行的時(shí)間等。當(dāng)發(fā)生停電或蓄電池的剩余電量不足時(shí)，網(wǎng)站上會(huì)有警告標(biāo)示提醒用戶，當(dāng)然，用戶也可以訂制電量消費(fèi)情況報(bào)告或警告的短信通知服務(wù)，交電費(fèi)等業(yè)務(wù)也以在網(wǎng)上進(jìn)行。通過這個(gè)網(wǎng)站，用戶還可以得到節(jié)能建議和實(shí)時(shí)的價(jià)格信息，整合家用電器的使用時(shí)間和頻率，避開用電高峰期的高價(jià)格電力，降低電費(fèi)費(fèi)用。

三、結(jié)論與展望

對(duì)于未來能源來說，能源節(jié)約和能源效率是關(guān)鍵點(diǎn)。智能電網(wǎng)下的新型能源管理系統(tǒng)將允許我們來更好的管理、節(jié)約，監(jiān)控能源使用

1) 通過分布式發(fā)電裝置提高供電系統(tǒng)的可靠性和效率，提供對(duì)緊急功率、無停電電源系統(tǒng)和峰荷電力及其他一些輔助服務(wù)功能如無功支持、電能質(zhì)量改善等的支持;

(2)通過將可再生能源發(fā)電設(shè)備整合進(jìn)我們的能源基礎(chǔ)設(shè)施中，滿足電力與自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展的要求;

( 3)通過支持智能電網(wǎng)雙向電力供求的智能電表把暫時(shí)不用的電賣給其他需要電力的人，使之供或需，都由電力資源市場(chǎng)決定，實(shí)現(xiàn)分時(shí)電價(jià)，促進(jìn)電力資源在需求側(cè)的合理配置，既節(jié)約了電能又為用戶節(jié)省了電費(fèi)支出;

(4)通過傳感器和能源管理軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和負(fù)荷管理，達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理不安全隱患;

(5)通過與用戶的互動(dòng)，將用戶的需求及時(shí)反映到電網(wǎng)的運(yùn)行控制中，將用戶的需求及時(shí)反映到電網(wǎng)的運(yùn)行控制中，更加適 應(yīng)用戶的自主選擇需要，而這一點(diǎn)正是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵，其目的是在不斷降低成本和提高效率的同時(shí)，提高整個(gè)電網(wǎng)的可靠性及可用性。