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1、智能电网研究现状与发展趋势,天津大学 曾沅,2010.04.11,Time For Change电力行业亟需变革亚力山大.贝尔,托马思.爱迪生,来源:美国能源部报告,“智能电网介绍”,I.智能电网原动力、范围,和特征,I-1 现代电网研究的原动力(目标),1）实现大系统的（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,最大化设备的使用率,大停电频繁发生-。一般地观点是：提高系统的可视化程度和预警能力，和 使用较好的、灵巧的和快速的控制,是增强电网的可靠性和避免系统崩溃的关键,2）高级市场化和需求侧管理,由于负荷曲线峰谷差比较大，致使现实电网的利用系数很低（据美国统计，约55%），一
2、年内只有少数时间资产是被完全使用的。解决办法是缩小负荷曲线峰谷差。,系统中存在着大量能与电网友好合作的可平移负荷,可平移的居民负荷,（电暖气，空调，热水器，,电冰箱）的比重超过运行储备,可平移的负荷如通过感知电网的频率漂移，而自动投切，则可担负起调频的任务，起到旋转储备的作用此事无通信要求！,需要开放零售电力市场和开发高透明度的用户界面，以促使电力公司与用户友好合作，实现双赢：,消减峰荷（同时减少了能源使用总量和能量损失）和获得更具弹性的负荷需求响应，提高现实电网的利用率,和支持电网安全运行,同时为用户提供多种选择性，不仅省钱，,而且舒适和方便。,通讯与信息技术已为此准备好了条件。,3）分布式
3、电源（DER）能源的压力与生态文明(Culture of Conservation)意识，驱使人类注意使用太阳能、风能等可再生能源。它们大多是分布式的间歇发电，因而强化了储能技术的需求。此外还有需求侧管理，它们一起构成了分布式电源。,Storage,DistributedGeneration,DemandManagement,如何处理数以万计的分布式电源和应对可再生的风能和太阳能发电的随机性和间歇性，同时确保电网的可靠性与人身和设备安全？,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）美国EPRI对未来 20-30 年对电网可靠性的预测,可靠性 Reliability
4、of 9 nine Reliability of 6 nine,比例0.6%增加到10%;8-10%增加到60%,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。仅扰动和断电（即，不计大停电）每年的损失就达790,亿美元。,少卖电的损失一年可达1.35亿美元。,纽约ISO,趸售电价中23是阻塞成本，它们全部转嫁给,用户。,August 2003 blackout:$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，而是没电的损失.Energy Director,Oracle Corporat
5、ion,2004,SG的特征,激励和包含用户,适应集中式电源和分布式电源新产品、服务和市场,高级资产利用和优化运行提高电能质量,减少停电次数和持续时间（自愈）抵御自然灾害和攻击,项目,2008年美国R&D Programs,The Modern Grid StrategySmart Grid activities at US,Department of Energy(including GridWise),Consortiumfor ElectricReliability,TechnologySolutions,California Energy,Commission PublicIntere
6、st Energy,Research Program,New York State Energy Research,and Development Authority,European Union Framework Programs,Power Systems Engineering Research Center,智能电网所考虑的范围,(基于美国2007年能源独立和安全法案的描述),“智能电网”一词指的是电力交换系统的现代化，以致它可以监控，保护和自动优化其内部互联元件的运行。这里所谓的“互联元件”是指，从集中的和分布式的发电机，通过高压网络和配电系统，到工业用户和楼宇自动化系统，到储能装
7、置，到终端用户和他们的温度调节装置、电动汽车、电器设施和其他家用设备。,智能电网的特点是电力和信息的双向流动性，以便建立一个高度自动化的和广泛分布的能量交换网络。为了实时的交换信息和达到设备层次上近乎瞬时的供需平衡，把分布式计算和通信的优势引入电网。,智能电网的经济学视角：,智能电网的核心原则：“我们所从事的工作是否适用于市场？是否激励用户？是否实现了资产优化？是否高效运行？”,智能电网的关键目标在于其可以应用新技术同时可以支持新的商业模式。由于技术涉猎广泛，智能电网的一个关键目标是要像十年前兴起的Internet一样催生新的技术和商业模式，实现产业革命。网络领袖思科预言，智能电网比Inter
8、net拥有更大的市场空间,智能电网还有国家能源安全视角,II.智能电网的技术组成和技术支撑,分时电价（送到用户）,用户户内网HAN,ISO,EMS,可视化变电站,高级计量体系AMI,计量数据,高级配电自动化ADA,高级配电运行ADO,自动化高级保护高级输,高级的输电运行ATO,输电系统仿真与模拟,管理系统,高级保护与控制,电网元,需求响应负荷控制远程开合,自动读表AMR,MDMS,配电快速仿真与模拟DFSM,配电AAM,件,输电AAM,输电 SCADA，WAMS,（按小时读,表，远方编程，电能计量，电能质量监视，负,DER运行AC/DC微网运,规划,输电 GIS,荷调查，停运捡出）,行新型电力
9、电子装置配电 SCADA,（带有高级传感器的）运行管理系统 停运管理系统,设计/建设基于条件（如可靠性水平）维护,阻塞管理,配电 GIS,资产利用记录,AMI,ADO,AAM,ATO,高级计量体系AMI和高级配电市场授权给用户，使系统同负荷建立起联系，使用户能够支持电网的运行分时电价,（送到用户）,用户户内网HAN,高级计量体系AMI计量数据管理系统MDMS,需求响应负荷控制远程开合,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）,高级配电运行（ADO）使“自愈（SelfHealing）”成为可能,并同AMI,ATO 和 AAM的密切配合实现配电系统（运行和
10、资产管理）优化高级配电运行ADO高级配电自动化ADA高级保护与控制配电快速仿真与模拟DFSMDER运行AC/DC微网运行（带有高级传感器的）,新型电力电子装置,运行管理系统,停运管理系统配电 SCADA配电 GIS,高级输电运行ATO阻塞管理和降低大规模停运的风险同 AMI,ADO and AAM的密切配合实现输电系统的（运行和资产管理）优化ISO,变电站自动化,EMS,高级保护高级输电网元件,高级的输电运行ATO,输电系统仿真与模拟,输电 SCADA，WAMS输电 GIS由于许多研究都在进行中，,大家多不提及“智能电网”这个词。,阻塞管理,高级资产管理(AAM)同 AMI、ADO和ATO 过
11、程的集成将大大改进电网的运行和管理效率,配电AAM高级传感器把系统参数设备（资产）“健康”等实时信息同如图示的过程相集成。,电网规划工程设计/建设基于条件（如可靠性水平）维护资产利用(运行）工作与资源管理,输电AAM,欧洲各国将智能电网的发展重点放在解决可再生能源、分布式电源的接入以及碳的零排放等环保问题上。不少国家拥有较高的分布式电源的渗透率。其中丹麦，更是接近于40%，集中反映了电力系统所面临的由传统的集中式发电向分布式发电辅助集中式发电的发展趋势。许多工作都集中于分布式电源的并网及灵活运行和协调控制策略上。,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
12、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，,绿色箭头代表测量。红色箭头代表cell控制器的控制行为,由联网运行转为可控的孤岛运行。,在北美由于资产老化等问题则更加注重电力网络基础架构的升级更新。同时，为了实现节能减排，鼓励采用电力市场和需求侧响应等措施以提高电力资产利用率，最经济的满足供需平衡。,美国联邦能源管制委员会（FERC）指出了智能电网的优先开发领域是：广域情景知晓（Wide-Area,Situational Awareness，简记为WASA），需求响应，电能存储，电力车
13、辆；而国家标准和技术学会（NIST）又追加了：信息安全，网络通讯，AMI和配电网管理项目。,顺序有价值,AMI 同用户建立通讯联系 提供带时标的系统信息（Provides time stampedsystem information）ATO 使用 ADO 信息改善运行和管理输电阻塞 AMI 使用户能够访问市场顺序会影响成本和效益,ADO 使用 AMI 的通讯收集配电信息 使用 AMI 信息改善运行AAM 使用 AMI,ADO,and ATO的信息与控制，改善:运行效率资产使用,北美认为：一般情况下 AMI 是电网智能化的第一步，也是目前主要的具体实施项目ATO/AAM,效益,ADO/AAM,A
14、MI成本顺序会影响成本和效益,在日本：东京中压配电网，采用多分段多连接的网络拓扑，至2000年已实现了配电自动化。,从2004年起，为了应对因为发电市场的开放而日益增多的分布式电源可能引起的电能质量和公众安全问题，开始实施高级配电自动化。采用先进的传感器技术和基于IP的宽带光纤通讯网络，它正在逐步实施对6 KV配网系统范围的实时和连续的量测（每分钟把量测点处三相电流、电压以及到高达25次的谐波信息传回控制中心）及控制。大量的系统实时信息使得一些高级应用（如故障预警等）得以实现，被认为是目前世界上唯一的智能电网雏形。,而同时在日本配电自动化系统中广泛使用的光纤通讯网路已经为AMI的实施准备了良好
15、的条件。目前日本的一些电力公司已经开始计划AMI的实施。,同时，世界上其它一些地区，如澳洲，也在大力实行对配电网的监测44和AMI的实施40。可以看出，尽管国际上智能电网研究侧重点不同，重点关注都是与配电相关的问题。,实现智能电网，由于其本身的复杂性和涉及广泛的利益相关者，需要漫长的过渡、持续的研发和多种技术的长期共存。美国正在抓紧标准制定工作,Report to NIST on the Smart Grid Interoperability Standards,Roadmap,June 17,2009,Prepared by the EPRI,Project Manager DonVon D
16、ollen,智能电网技术支撑用户网关,集成的和分布式可再生能源高级输、配电自动化高级的传感器,IECSAD-FSMT-FSM,高级电力电子（IEDs FACTS）电能质量,IECSA系统集成的能量与通讯系统,智能电网的基础设施,灵活的可重构的电网结构是智能电网的基础 电网所及之处均有为其服务的双向通讯网,目的是使电力交换系统具有：依据早期征兆进行予测的能力 对扰动做出实时响应的能力,必须把数量巨大量的监视传感器连接到一个安全的通讯网上去。物联网Ubiquitous Sensor Network,高级传感器和量测举例,继电保护WAMS线路动态定额技术导线连接传感器绝缘污染漏电流传感器电子仪用变压
17、（流）器其他监视系统：光纤温度监视系统；断路器监视系统；电缆监视器；电池监视器和各种复杂的（如油气体，变压器分接头，设备局部发热）监视器。,III.智能电网实施举例,纵观电力供应网络，在发、输、配、用电这几个环节中，电力公司长期以来一直把侧重点放在发电和输电系统上，至今在许多方面已开展了大量的研发工作，使得其可靠性和智能化方面远远高于配电和用电。当然，也存在一些急需关注的问题，如在ATO方面包括模型准确化问题、可视化预警与WAMS/PMU的应用等广域情景知晓问题、以及集约式的可再生的风能和太阳能等间歇性发电入网运行等问题，大家是有共识的。,目前在ATO技术组成的各个方面虽然大都已开,展R&D,
18、但也有新涌现的问题：,大规模凤能和太阳能等不确定性间歇发电入网运行问题。至少需要：调频手段（大容量储能装置目前唯一可行的是抽水蓄能），以确保频率；受端大容量无功调节设备，以确保电压质量。（中国特色）,TFSM（基础性工作）,广域情景认识：基于WAMS/PMU的广域安全监视（预警）、评估、优化与控制（如抑制低频振荡和基于安全域的安全监控，中国特色）,变电站自动化(数字化变电站）,所以下边举例说一说AMI和ADO,AMI/SG项目,Consumers Energy:1.9M,AEP Indiana:Negative,BC Hydro:1.9M meters Significant theft de
19、tection,Meters Business Case requires,business case.Regulatorymandate to move forward,benefits Low DR benefit,PUC allowsrate recovery,DR,AEP Ohio:Planning stages AEP Texas:Planning stages,Alliant Energy,PUC allows rate recovery,in planning andRFP phase,Northeast Utilities:filed planwith DPUC,Idaho P
20、ower:Deployed 25Kmeters and MDMS Will submit business case toPUC for approvalPUC allows rate recoverySolar and self-generation initiativesSCE:Business case requires DRPG&E:Initial business case positive withBase AMI Sempra:Business case requires DR,PUC allows rate recovery Georgia Power:90kmeters in
21、stalled in 2007 2.2M by 2012,Piloted 500 meters 12/2007 10k meter test in 2008 450k meters in next phase 1.2 M meter deployment PUC allows rate recovery PHI:Strategy Planning andDesign phase PGN:2.75M meters deployed Drive-by meter reading AMI Business Case under,APS Electric:Upgrading to AMI meters
22、 Currently has older generation TOU metersfor 330k residential customers 160k AMR meters installed by 3Q08 MDMS implementation in 2008,PUC allows rate recovery TXU:3M meters by 2011 w/265kinstalled to date Centerpoint:2M meters by 2013 Austin Energy:234k meters by 2008,development AMI Strategy Plann
23、ing Project SmartGrid Roadmap underdevelopment Virtual Generator Project,表2 对北美30家公司智能量测配置的调研（单位：百万）,Capgemini IEEE PES T&D 2008 Apr/2/2008,预计到2050 年，PHEV 的市场占有率可达到20%到80%之间(PHEV 预计到2050年可达到62%)。家用智能设备:带有通信模块的温度调节装置，空间加热器，冰箱，洗衣机，烘干机和热水器等设备将配备通信软件或相关的硬件，依据电价和电网状态对上述设备的能量消耗进行动态控制。,高级配电自动化（ADO）,分布式（非中央
24、化）的智能体系结构,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,Cell IA 是整个配电的智能代理,东京电力公司的配电系统三分割三连接馈线设计的负荷水平持续负荷容量:450A，负荷率:75%(450/600)故障时通过联络开关由其它馈线供电150A,450/600A,150A,150A,450+150=600/600A,150A,150A150A：变电站出线：区间开关：区间分隔开关,150A,450+150=600/600A,采用六分割三连接馈线 配电自动化系统通过对全部开关的遥控，协调多条馈线间的负荷转移，提高线路负荷水平至51
25、0A，负荷率达85%,85A,85A,85A,85A,85A,85A,：feeding cable：section switch：interconnecting switch,510/600A,85+85A,85A,85A,510+85=595/600A,510+17085=595/600A,170A,85A,85A510+85=595/600A,配电自动化系统的投资收益率（投资收益）0.77,投资:,254 亿日元年 收益:,328 亿日元年,效益,停电间隔和停电频率的大幅度降低少得多的电能质量扰动有效地消除区域性大停电,大大地减轻对恐怖主义和自然灾害的脆弱性改善公众和工人的人身安全降低或缓
26、解电价,为市场参与者提供新的选择,更有效地运行和以很低的成本改善资产管理降低网损,更广泛地开发环境友好的资源,系统供电可靠性指标,在2005年,系统平均停电时间指标:SAIDI,东京电力:2分钟（0.9999962）0.999999法国:45分钟(0.9999144)英国:70分钟(0.99986680美国:80分钟（0.9998478),系统平均停电频率指标:SAIFI,东京电力:0.05次,可见,DA和ADA对供电可靠性的贡献很大,但是要达到更高可靠性需要分布式的电源；,ADA是革命，而不只是传统配电自动化的扩展；,ADA可为用户提供新的服务,最突出效益是配电管理。,配电自动化系统投入使用
27、范围,(%)100,96.0,99.2,99.2,90,84.1,99.2,99.2,80,706050403020,16.7,25.4,33.3,41.3,55.6,69.8,DAS 的安装和实施大致花费年时间（从1990到 2000年）,10.3,10,4.0,4.0,4.0,4.0,4.0,0,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,00,01,02,03,(FY),硬件成员内置传感器的线路开关,内置传感器的线路开关,以量测（相），（相），,与高级配合使用,Micro-Grids:,是为满足一群用户（邻居或城镇，或单个用户，,如大学）能量需求的
28、一种集成的解决方案。,同传统电力系统相比，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；研究工作应该强调与微网的成本和效益相关的问题。,可以看出，尽管国际上智能电网研究侧重点不同，重点关注都是与配电相关的问题。我国虽然有自己的特点，但同样应对配电和用电给予充分重视。,四个环节均衡时行为和效率最高！,目前，四个环节中，配电和它与用户间的互动相对较弱,线路负载率（%）,配变平均负载率（%）,线路负载率（%）,配变平均负载率,率（%）,1）我国配电资产利用率比美国还低下数据由天大求实公司提供,1009080706050403020100,汕头10kV线路利用率,100908
29、0706050403020100,汕头10kV配变利用率,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,1009080706050403020100,运行时间（%）郑州10kV线路利用率,1009080706050403020100,运行时间（%）郑州10kV配变利用率,0,10,21,30,40,50,60,70,80,90,100,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,运行时间（%）,运行时间（%）,工业,民用不,商业不可调配,可调配5%,备用容量10%,商业可调配民用可调配民
30、用不可调配备用容量,民用可调配13%,工业和其他45%,商业可调配16%商业不可调配11%我国某大城市的夏大负荷组成比例示意图可平移的负荷所占比例也很大,3）我国城市10kV以下电网对用户供电可靠性的影响在7080以上,年份,供电可靠率,用户平均停电时间,10kV及以下电 10kV及以下网影响的用户 电网影响比,（%）,（时/户）,平均停电时间,例（%）,（时/户）,深圳城网深圳城网佛山城网佛山城网佛山城网贵阳城网遵义城网遵义城网,20072008200620072008200720072008,99.77499.92499.95999.91099.95899.79499.53499.757,
31、19.786.693.597.883.6818.0440.8321.33,13.866.003.076.673.2516.7140.5220.27,70.0789.6985.5284.6488.3292.6499.2595.06,要提高对用户的供电可靠性指标，必须下功夫提高配电网的可靠性,4）配电网网损占总网损的80以上，其进其进一步降低的潜力仍然很大，可望通过网络重构和电压/无功优化得到。,下述几点更是不言而喻的：,用户电能质量问题多数起源配电网；需求响应可以改善频率；,电压稳定又称负荷稳定，与配电网的电压水,平密切相关；,电动车充电接于配电网;,与新产品、新服务、新市场关系十分密切。,谢谢！,
