中國智能電網發(fā)展深度剖析

進入21世紀后,美國電力科學研究院EPRI、美國能源部DOE以及歐盟委員會EC等紛紛提出各自對未來智能電網的設想和框架。

提出的概念IntelliGrid,Modern Grid,GridWise,Smart Grid等。這些不同的概念對未來電網的特點給出了相似的設想,即自愈、安全、兼容、交互、協(xié)調、高效、優(yōu)質、集成等。國際電工委員會IEC、國際大電網會議組織CIGRE等國際組織也給予智能電網高度關注,如IEC成立了智能電網國際戰(zhàn)略工作組SG3,IEEE啟動了智能電網制定標準與互操作性的項目P2030。

但是,目前智能電網還處于初期研究階段,國際上尚無統(tǒng)一而明確的定義。由于發(fā)展環(huán)境和驅動因素不同,不同國家的電網企業(yè)和組織都在以自己的方式對智能電網進行理解、研究和實踐;各國智能電網發(fā)展的思路、路徑和重點也各不相同。

近年來,中國學者在借鑒歐美智能電網研究的基礎上,對中國發(fā)展智能電網的特點、技術組成以及實現(xiàn)順序等進行了研究。在2009年5月21日—22日召開的“2009特高壓輸電技術國際會議”上,國家電網公司公布了對智能電網內涵的定義,即統(tǒng)一堅強智能電網是以堅強網架為基礎,以通信信息平臺為支撐,以智能控制為手段,包含發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度六大環(huán)節(jié),覆蓋所有電壓等級,實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務流”的高度一體化融合,是堅強可靠、經濟高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動的現(xiàn)代電網。

統(tǒng)一堅強智能電網在技術上包含4個基本特征:信息化、數(shù)字化、自動化、互動化。其中,信息化是指實時和非實時信息的高度集成、共享和利用;數(shù)字化是指電網對象、結構及狀態(tài)的定量描述和各類信息的精確高效采集與傳輸;自動化是指電網控制策略的自動優(yōu)選、運行狀態(tài)的自動監(jiān)控和故障狀態(tài)的自動恢復等;互動化是指電源、電網和用戶資源的友好互動和協(xié)調運行。

本文對中國電力工業(yè)發(fā)展中信息化、數(shù)字化、自動化和互動化的技術情況進行回顧,并結合智能電網的特點指出其發(fā)展過程中存在的問題,進而提出相應的建議。

1信息化

1.1電力工業(yè)信息化進展

中國電力工業(yè)信息化可以追溯到20世紀60年代。初期只是電子計算機應用起步階段,主要應用在電力實驗計算、工程設計與計算、科研計算、發(fā)電廠設備自動監(jiān)測、變電站自動監(jiān)測等方面;20世紀80年代以后,信息技術、計算機技術在電力工程領域得到廣泛應用,如電網調度自動化、發(fā)電廠生產自動化控制系統(tǒng)、電力負荷預測與控制、計算機輔助設計、計算機仿真系統(tǒng)等,各電力企業(yè)信息技術的應用由操作層向管理層延伸,從單機、單項目向網絡化、整體性、綜合性應用發(fā)展,從局部應用發(fā)展到全局應用,從單機運行發(fā)展到網絡化運行;在“十一五”期間,電力信息化建設已納入企業(yè)總體發(fā)展戰(zhàn)略,信息化進一步與電力企業(yè)的生產、管理與經營融合。

電力信息化的成果主要體現(xiàn)在:

1電力通信硬件設施的不斷完善。電力通信的傳輸方式從20世紀70年代的電力線載波、80年代的模擬微波、90年代的數(shù)字微波,到今天以光纖和數(shù)字微波為主,衛(wèi)星、電力載波、電纜、無線等多種通信方式并存,通信范圍已基本覆蓋了全國各個網、省公司,電力專用通信網已初具規(guī)模。

2電力工業(yè)軟件系統(tǒng)不斷升級。電力信息化可分為兩大類應用:一是電力生產控制,如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控SCADA系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)DCS、配電管理系統(tǒng)DMS、能量管理系統(tǒng)EMS、相量測量單元/廣域測量系統(tǒng)PMU/WAMS;二是電力企業(yè)管理,如管理信息系統(tǒng)MIS、企業(yè)資源規(guī)劃ERP、企業(yè)資產管理EAM、自動作圖/設備管理/地理信息系統(tǒng)AM/FM/GIS、電能計量TMR、電力營銷系統(tǒng)等。

3進入“十一五”之后,國家電網公司開始實施“SG186”信息化工程,這是電力信息化建設新時期的標志性事件。許多示范工程成果已經紛紛上線,如華東電網企業(yè)級信息系統(tǒng)項目、華北電網企業(yè)級信息技術集成平臺項目、西北電網ERP項目、上海電力“SG186”示范工程等。

1.2問題與建議

在電力系統(tǒng)信息化建設中暴露出諸多問題:缺乏統(tǒng)一的標準體系,存在重復建設;信息孤島眾多,信息集成度低,無法相互協(xié)作發(fā)揮整合效益;企業(yè)管理信息系統(tǒng)與生產控制系統(tǒng)通常相互分離;信息化建設過程中,過多地投入到設備的自動控制、數(shù)據(jù)信息的收集共享,卻忽視了對信息的整理和挖掘。

針對上述問題,建議有步驟地開展以下工作:

1加快制定電力行業(yè)信息化標準。在《國家電網公司“十一五”信息發(fā)展規(guī)劃》的指導下,按照相關的成熟信息技術標準體系,統(tǒng)一數(shù)據(jù)編碼,統(tǒng)一制定軟件架構標準體系,統(tǒng)一制定電力業(yè)務標準、文檔標準和服務標準等相關規(guī)范。

2建設統(tǒng)一的電力信息平臺。以“SG186”工程為契機,整合現(xiàn)有各信息管理平臺,爭取盡早實現(xiàn)整個電力大企業(yè)的數(shù)據(jù)一體化、集成應用一體化、電力服務一體化。

3電力企業(yè)管理信息系統(tǒng)與電力生產控制系統(tǒng)有機結合。如MIS與EMS等系統(tǒng)之間實現(xiàn)信息雙向傳輸,形成綜合信息系統(tǒng)。

4加強數(shù)據(jù)深層挖掘研究和應用。在未來的統(tǒng)一信息平臺中,集成系統(tǒng)內各部門、各種業(yè)務的信息,甚至集成系統(tǒng)外的公共服務系統(tǒng)信息如天氣信息、地質災害信息等。但是隨著信息量的劇增,必須結合先進的信息存取機制和數(shù)據(jù)挖掘技術,才能真正有效地為電力系統(tǒng)服務。

2數(shù)字化

2.1電力系統(tǒng)數(shù)字化進展

1998年1月31日,美國前副總統(tǒng)戈爾在加利福尼亞科學中心講演時首次提出了“數(shù)字地球”的理念。隨后,各個行業(yè)也紛紛提出自己的數(shù)字化理念,如“數(shù)字城市”、“數(shù)字水利”、“數(shù)字電網”等。

2000年,盧強院士在國內首次提出了“數(shù)字電力系統(tǒng)digital power systems,DPS”的概念。

文獻將DPS定義為:“它是某一實際運行的電力系統(tǒng)的物理結構、物理特性、技術性能、經濟管理、環(huán)保指標、人員狀況、科教活動等數(shù)字地、形象化地、實時地描述與再現(xiàn)。”可見,電力系統(tǒng)數(shù)字化涵蓋系統(tǒng)運行、企業(yè)管理、外部環(huán)境等所有方面,實現(xiàn)對研究對象的實時描述與再現(xiàn)2個方面的功能。

“數(shù)字南方電網”有2層含義,即數(shù)字化南方電網和智能化南方電網。其中:數(shù)字化階段的目標是實現(xiàn)管理、安全、運行等信息的獲取、傳遞和使用的數(shù)字化;而智能化階段的目標則是在數(shù)字化的基礎上,實現(xiàn)全局性智能決策以及智能決策的自動分解、執(zhí)行。

綜上可見,數(shù)字化包括2個方面的工作:①對系統(tǒng)狀態(tài)、企業(yè)管理、外部環(huán)境等信息的數(shù)字表示,這與信息化建設密切相關;②基于數(shù)字仿真的高級應用系統(tǒng),這與自動化建設緊密聯(lián)系。這也從一個側面說明,智能電網的“四化”建設是一個有機的整體,相輔相成,互相促進。

目前,電力系統(tǒng)離線仿真軟件都是電磁暫態(tài)與機電暫態(tài)分離,實時仿真主要還是依靠數(shù)模混合仿真系統(tǒng)。電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真器real time digital simulator正得到越來越廣泛的應用。電力系統(tǒng)仿真必然朝著全過程超實時全數(shù)字的方向發(fā)展。

當前,調度側基于SCADA、PMU/WAMS等數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)開發(fā)了EMS、在線動態(tài)安全分析DSA系統(tǒng)以及廣域監(jiān)測分析保護控制系統(tǒng)WARMAP[27]等高級應用系統(tǒng)。這些可以看做是數(shù)字化電網的初級階段。

2.2問題與建議

在電力系統(tǒng)數(shù)字化建設過程中暴露出如下問題:

1廠站側的數(shù)字化進程滯后于調度側。調度側的高級應用系統(tǒng)已經相對較為豐富和先進,但是廠站側大多停留在數(shù)據(jù)采集、傳輸階段;當前的“數(shù)字化變電站”仍然處于示范階段,離實際的規(guī)模應用還有一段距離。

2調度側的高級應用系統(tǒng)缺少集成和統(tǒng)一的標準。

3對某些元件的數(shù)學模型有待進一步深入研究,如負荷模型、風電機組控制模型、風速模型、光伏系統(tǒng)模型等。

4缺少系統(tǒng)以外的重要信息,如光照、風力、地質運動等。

針對上述問題,建議有步驟地開展以下工作:

1積極推進廠站側數(shù)字化進程。具體來說有:

①在IEC 61850標準的指導下,推動數(shù)字化變電站建設;②實現(xiàn)輸電元件的測量、保護、控制、通信一體化,實現(xiàn)對輸電元件的數(shù)字化監(jiān)測以及分散式的智能決策;③實現(xiàn)發(fā)電廠的數(shù)字化生產,如汽機/鍋爐的效率管理、發(fā)電機的調頻/調壓管理等。

2加強調度側高級應用系統(tǒng)的集成和標準化建設?！叭A北電網穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)三位一體安全防御及全過程發(fā)電控制系統(tǒng)”首次將以往分散的EMS、電網廣域動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、在線穩(wěn)定分析預警系統(tǒng)高度集成,調度人員無需在不同系統(tǒng)和平臺間頻繁切換,便可實現(xiàn)對電網綜合運行情況的全景監(jiān)視并獲取輔助決策支持。該方面的經驗值得借鑒和推廣。

3加強系統(tǒng)元件數(shù)學模型研究,尤其是一些傳統(tǒng)難點如負荷模型或新興元件如風電機組、光伏電站、柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS設備等的數(shù)學模型分析。精確且物理意義明確的數(shù)學模型,可以更好地指導數(shù)字化過程中的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、安全控制等。

4積極與公共服務系統(tǒng)配合,將對系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響較大的外部信息如天氣、地質等數(shù)字化,并集成到相應的決策分析系統(tǒng)中,為電力系統(tǒng)避免自然災害導致的大停電提前做好準備。

3自動化

3.1電力系統(tǒng)自動化進展

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)自動化按照領域可劃分為調度自動化、廠站自動化和配電自動化。

電網調度自動化系統(tǒng)發(fā)展迄今已經歷3代:20世紀70年代基于專用計算機和專用操作系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)可以稱為第1代;80年代基于通用計算機的EMS稱為第2代;90年代基于RISC/UNIX的開放式分布式EMS/DMS稱為第3代。 “隨著計算機和網絡技術的飛速發(fā)展,第4代自動化系統(tǒng)的基礎條件如Internet技術、面向對象技術、數(shù)據(jù)庫技術、Java技術、中間件技術、多代理技術、廠站自動化技術、安全防護技術、電力市場運營技術等已經具備,預計新一代自動化系統(tǒng)將于21世紀初誕生?！?

廠站自動化隨著計算機、自動化、通信和網絡技術的發(fā)展,大體經歷了集中式、分層分布式和現(xiàn)場總線式3個發(fā)展階段。

中國配電自動化的進程明顯落后于世界先進水平。西方發(fā)達國家的配電自動化已經經歷了3個階段:第1階段是20世紀70年代實現(xiàn)重要線路故障自動隔離、自動抄表等;第2階段從20世紀80年代開始,進行了大量的配電自動化試點工作及饋線自動化、營業(yè)自動化、負荷控制的試點工作;第3階段從20世紀末開始,伴隨計算機與網絡通信技術發(fā)展以及電力工業(yè)市場化改革,以配電管理系統(tǒng)、配電自動化、用戶自動化為主要內容的綜合自動化成為配電網自動化的發(fā)展方向。1999年原國家電力公司《配電系統(tǒng)自動化規(guī)劃設計導則》正式對“配電系統(tǒng)自動化”的概念進行了定義。中國從20世紀90年代中后期開始了配電自動化的試點工作,目前基本處于發(fā)達國家發(fā)展歷程中的第2階段。

事實上,按照自動控制的功能可以將電力系統(tǒng)各項控制措施劃分為“三道防線”?！叭婪谰€”的概念是中國電力工作者對電力技術的重要貢獻。

隨著電力系統(tǒng)越來越復雜,以及測量、通信技術的發(fā)展,“三道防線”必然朝著在線、優(yōu)化、協(xié)調、自適應和綜合防御的方向發(fā)展]。

3.2問題與建議

在電力系統(tǒng)自動化發(fā)展過程中存在如下問題:

1調度側各種控制系統(tǒng)或輔助決策系統(tǒng),種類較多,缺少集成和統(tǒng)一標準;另外,調度側仍需人工參與才能實現(xiàn)閉環(huán)控制,缺少智能專家系統(tǒng)支持。

2廠站端的自動控制裝置依然以PID控制為主。PID有簡單、可靠的優(yōu)點,但在某些場合下,已不能滿足智能電網對自動化的要求。

3相對于調度自動化處于世界領先水平,中國的廠站自動化,尤其是配電自動化水平仍較低。

4各種控制措施以分散、獨立控制為主,缺少彼此間的協(xié)調優(yōu)化。

針對上述問題,建議有步驟地開展以下工作:

1類似于數(shù)字化與信息化中的標準化建設,統(tǒng)一調度側各控制系統(tǒng)的功能、接口、數(shù)據(jù)庫等。

2加快智能控制方法的工程化進程,如專家系統(tǒng)、多代理系統(tǒng)等。依靠智能控制方法,減少人工參與,實現(xiàn)實時在線的定值修改、策略搜索、在線自動控制等功能。

3借鑒國外在綜合自動化方面的經驗,積極發(fā)展配電自動化。配電自動化是實現(xiàn)用戶與電網互動的重要環(huán)節(jié),是智能電網建設的重要組成部分,需引起高度重視。

4深入研究各種安全穩(wěn)定問題的機理和控制措施原理,達到全局范圍內的自動控制措施的優(yōu)化協(xié)調,如“三道防線”間的協(xié)調、有功/無功控制間的協(xié)調、頻率/電壓控制間的協(xié)調等。

4互動化

4.1電力系統(tǒng)互動化進展

如果說信息化、數(shù)字化和自動化是實現(xiàn)智能電網的手段,那么,互動化則可以稱為智能電網的目的和本質要求。

智能電網中的互動化包含2層含義:①發(fā)電與電網之間的互動;②電網與用戶之間的互動。電網為發(fā)電商提供透明公開的電價信息,發(fā)電商之間通過報價競標參與博弈。同樣的道理,用戶也通過透明公開的電價信息決定用電量和自有分布式電源的使用情況。通過電力市場參與者之間的互動,實現(xiàn)社會效益最大化。

電力工業(yè)市場化改革使得發(fā)電與電網之間的互動成為可能。1998年,國務院辦公廳發(fā)文,首次正式明確要求電力工業(yè)實行“廠網分開、競價上網”,并確定6省市電網為首批試點單位。2002年2月國務院頒布《電力體制改革方案》國發(fā)[2002] 5號文,標志中國電力市場改革的開始。國家電力監(jiān)管委員會、國家電網公司、南方電網公司及五大發(fā)電集團公司相繼掛牌成立。電力市場有3種交易方式,即現(xiàn)貨交易、期貨交易和遠期合約交易。發(fā)電商通過博弈,合理地決定在各個市場中的投標發(fā)電量實現(xiàn)發(fā)電與電網之間的互動。

用戶參與是電力市場改革的必然趨勢。發(fā)電側開放和用戶側開放,是電力市場化改革的2個方面,缺一不可。但目前中國電力體制改革,仍然局限在行業(yè)內部,沒有真正擴大到用戶端。用戶側仍停留在大用戶直購電的試點階段。

可再生能源發(fā)電是智能電網互動化面臨的新問題。2005年頒布《中華人民共和國可再生能源法》之后,不僅大型并網風電場和光伏電站得到快速發(fā)展,而且與新能源密切相關的分布式發(fā)電也得到迅速發(fā)展,如光伏建筑一體化BIPV等。

可見,在可再生能源發(fā)電快速發(fā)展的新的市場環(huán)境下,將賦予智能電網互動化新的內涵:①在《節(jié)能發(fā)電調度辦法試行》的約束下,發(fā)電商之間的博弈與互動呈現(xiàn)新的格局;②用戶側同時擁有可并網的分布式發(fā)電設備,可以根據(jù)信息平臺的實時電價信息,積極地參與到電力供需平衡中。

4.2問題與建議

在電力系統(tǒng)互動化發(fā)展過程中存在如下問題:

1在發(fā)電商競價上網的過程中,“三公”公開、公正、公平原則的力度不夠,其主要原因是市場透明度不夠,還不能真正實現(xiàn)發(fā)電與電網的互動。相信隨著統(tǒng)一信息平臺的建設,市場透明度會得到有效改善。

2可再生能源發(fā)電尤其是風力發(fā)電和光伏發(fā)電的裝機容量快速增長。但是,目前對可再生能源發(fā)電并網的相關研究如對系統(tǒng)影響、并網技術規(guī)范等相對滯后。

3用戶側硬件裝置和軟件配置還不具備與電網互動的智能化條件。

針對上述問題,建議有步驟地開展以下工作:

1建立公開、透明的統(tǒng)一電力市場信息平臺,并逐步納入電網統(tǒng)一信息平臺之中。另外,隨著特高壓全國聯(lián)網的實現(xiàn),有必要加快全國電力市場的建設進程。

2加快可再生能源并網對系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響的研究,并制定、完善相應的并網標準。目前,現(xiàn)行的風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定已過有效期,且內容缺乏對具體技術性能指標的明確規(guī)范,對風電機組的低電壓穿越能力也未明確規(guī)范要求。國家電網公司2009年4月頒布了風電場接入電網技術規(guī)定的修訂版在技術上比較全面合理,但僅作為企業(yè)標準缺乏有效的約束力,應考慮將其升級為國家標準。國家電網公司于2009年7月公布的光伏電站接入電網技術規(guī)定開始試行。實際上,這些標準都需要在實踐中不斷地檢驗和完善,最終目標是實現(xiàn)分布式電源的“即插即用”。

3著力開展雙向互動營銷技術、高級量測技術等研究,并開展智能電器和智能電表研發(fā)。作為電力系統(tǒng)的終端設備,智能電表應該能夠為用戶提供當前的市場信息、電能質量信息、系統(tǒng)安全穩(wěn)定性信息等;智能電器可以根據(jù)智能電表提供的各種信息,并結合用戶設定的規(guī)則進行工作。

5結語

綜上所述,有以下幾點需要特別注意:

1“四化”是一個相輔相成的有機整體。信息化、數(shù)字化、自動化是手段,互動化是目的。應該科學規(guī)劃,保證“四化”建設齊頭并進,才能確保智能電網更好、更快的建設。

2加強標準化建設。技術支撐體系如統(tǒng)一信息平臺和智能應用體系如高級調度中心的建設都必須以標準規(guī)范體系為基礎。

3積極推動全國電力市場建設。特高壓輸電以及全國聯(lián)網使得全國電力市場建設成為必然。

4加強可再生能源發(fā)電及其并網研究。風力發(fā)電、光伏發(fā)電的隨機性大,如何實現(xiàn)“即插即用”將是一個長期的研究課題。

來源：互聯(lián)網

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