新形勢下智能電網(wǎng)技術(shù)應用的探討

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(shuō)，智能電網(wǎng)通過(guò)傳感器把各種設備、資產(chǎn)連接到一起，以先進(jìn)的計算機、電子設備和高級元器件等為基礎，通過(guò)引入通信、自動(dòng)控制和其他信息技術(shù)，形成一個(gè)客戶(hù)服務(wù)總線(xiàn)，從而對信息進(jìn)行整合分析，以此來(lái)實(shí)現對電力網(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，使運行和管理達到最優(yōu)化。核心內涵是，在電力系統各業(yè)務(wù)環(huán)節，實(shí)現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設施到廣泛分散的分布式發(fā)電再到電力市場(chǎng)的整個(gè)電力系統和所有相關(guān)環(huán)節，其中的每一個(gè)用戶(hù)和節點(diǎn)都得到了實(shí)時(shí)監控，并保證了從發(fā)電廠(chǎng)到用戶(hù)端電器之間的每一點(diǎn)上的電流和信號的雙向流動(dòng)及實(shí)時(shí)互動(dòng)。

美國電力科學(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，美國電力行業(yè)面對陳舊老化的電力設施、與數字信息技術(shù)脫節的二次控制系統及巨額的投資改造計劃，決心利用日新月異的信息技術(shù)對電網(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、靈活應變的電力系統，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)建設的驅動(dòng)因素可以歸結為市場(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(lái)自開(kāi)放的電力市場(chǎng)的競爭壓力，亟須提高用戶(hù)滿(mǎn)意度，爭取更多的用戶(hù)。因此提高運營(yíng)效率、降低電力價(jià)格、加強與客戶(hù)的互動(dòng)就成為了歐洲智能電網(wǎng)建設的重點(diǎn)之一，而對環(huán)境保護的極度重視，則使得歐洲智能電網(wǎng)建設十分關(guān)注可再生能源的接入。

2. 智能電網(wǎng)的結構優(yōu)勢。

智能電網(wǎng)的結構能支持目前配電系統的結構所不能支持的兩個(gè)基本要求。( 1)綜合考慮終端用戶(hù)(分布式電源，電力調節設備，無(wú)功補償設備和用戶(hù)能量管理系統)控制和總體配電系控制，以達到系統性能的優(yōu)化，取得期望的穩定性和電能質(zhì)量。(2)支持高比重的分布式電源，以提高系統。的整體性、效率和靈活性。電網(wǎng)能夠同時(shí)適應集中發(fā)電與分散發(fā)電模式，實(shí)現與負荷側的交互，支持風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源的接入，擴大系統運行調節的可選資源范圍，滿(mǎn)足電網(wǎng)與自然環(huán)境物和諧發(fā)展，通過(guò)協(xié)同的、分布式的控制，利用分布式電源來(lái)優(yōu)化系統性能，在發(fā)生重大系統故障時(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)現將形成所謂的“神經(jīng)系統”， 將新的分布式技術(shù)———需求響應、分布式發(fā)電以及存儲技術(shù)———與傳統的電網(wǎng)發(fā)電、輸電和配電設備相融合，一起協(xié)調控制整個(gè)電網(wǎng)。

3. 智能電網(wǎng)技術(shù)應用特點(diǎn)

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

( 2)通信技術(shù)。電網(wǎng)協(xié)作運行的參與者之間的通信技術(shù)與機制，包括通信媒介，信息安全，私鑰與認證，設備間的通信以及電子商務(wù)。

( 3)控制與軟件應用。主要的研究?jì)热菔侨绾卫猛ㄐ偶夹g(shù)和傳感器等裝置提供的信息，對輸配電網(wǎng)進(jìn)行控制，使整個(gè)系統融合在一起，提供更加安全、可靠的電力和更低的電價(jià)。這方面的應用研究包括:用戶(hù)信息入口、智能測量和自動(dòng)讀表裝置、需求響應和能量管理系統、電網(wǎng)友好型裝置/設備/程序、配電自動(dòng)化、市場(chǎng)運行、電能買(mǎi)賣(mài)自助工具、負荷預測、輸配電網(wǎng)交易控制以及緊急狀況下的終端用戶(hù)切除。

二、新型能源管理系統

在美國和歐洲，已經(jīng)有大量的電力企業(yè)正在開(kāi)展智能電網(wǎng)建設實(shí)踐，內容覆蓋發(fā)電、輸電、配電和售電等環(huán)節。這些電力企業(yè)通過(guò)促成技術(shù)與具體業(yè)務(wù)的有效結合，使智能電網(wǎng)建設在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中切實(shí)發(fā)揮作用，從而最終達到提高運營(yíng)績(jì)效的目的。目前，已有的智能電網(wǎng)技術(shù)應用主要是在用電和配電領(lǐng)域。在用電系統，由于這部分投資主要是以家庭安裝智能設備為主，投資不大，因此運用就會(huì )比較容易，可以很快看到有沒(méi)有效率。而配電系統智能化就是不用人工管理，完全交由智能控制系統負責，目前應用不多。 本文提出的新型能源管理系統設計方案就是智能電網(wǎng)技術(shù)在用電系統的一個(gè)典型應用，可用于監測家用電路的耗電量，還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)調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。

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、功率調節器組成。分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能首先向系統區域內的負荷供電，有剩余電能時(shí)向蓄電池充電，可以期待實(shí)現削減電力系統用電高峰(負荷平均化) 、無(wú)停電電源系統以及災害時(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(guò)并網(wǎng)保護裝置送往電力系統(賣(mài)電) 。分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能不能滿(mǎn)足負荷的需要時(shí)，先由蓄電池供電，仍不足時(shí)則從電力系統買(mǎi)電。除此之外，鑒于非用電高峰時(shí)電價(jià)相對較低，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(hù)節省了電費支出。這樣，電能可以在系統區域內得到有效利用，提高了電能的利用率和供電可靠性，節約了能源。同時(shí)也為電力系統運行提供了靈活性，如在風(fēng)暴和冰雪天氣下，當大電網(wǎng)遭到嚴重破壞時(shí)，分布式發(fā)電裝置可自行形成孤島或微網(wǎng)向用戶(hù)提供應急供電。

功率調節器由逆變器、并網(wǎng)裝置以及蓄電池充放電控制裝置等構成，其中逆變器用來(lái)將可再生能源產(chǎn)生的直流電變成交流電，它使轉換后的交流電的電壓、頻率與電力系統向負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(guò)充電和深度放電。由于分布式發(fā)電裝置與電力系統并網(wǎng)時(shí)會(huì )使電力系統的電能質(zhì)量降低，給其他的用戶(hù)以及人身安全帶來(lái)影響，設置系統并網(wǎng)保護裝置就是為了避免這些情況的出現，同時(shí)系統并網(wǎng)保護裝置可以自動(dòng)檢測出電力系統側或用戶(hù)側的事故，迅速將分布式發(fā)電裝置與電力系統分離。分布式發(fā)電裝置并網(wǎng)于中壓或低壓配電網(wǎng)上運行，徹底改變了傳統的配電系統單向潮流的特點(diǎn)，要求使用新的儀表來(lái)滿(mǎn)足雙向潮流的需要。因此，在此新型能源管理系統中，智能電表取代了傳統的電度表。

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

智能電表還具有雙向通訊功能，支持遠程設置，能讓電力企業(yè)監測每家每戶(hù)的電力波動(dòng)，可以更早發(fā)現風(fēng)險正在增加的隱患，從而改善超前模擬的效果。此外，它還能讓電力企業(yè)能夠設置不同的分時(shí)電價(jià)，鼓勵家庭和企業(yè)將高耗電設備或機器安排在非高峰時(shí)段運轉，減少可能使電網(wǎng)運行不穩定的電力需求高峰的出現。

2. 管理系統配置。

新型能源管理系統的另一組成部分為一臺聯(lián)網(wǎng)的電腦，系統利用傳感器對關(guān)鍵用電設備的運行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，采集有關(guān)電力消耗和各種設備情況準確及時(shí)的數據，并在電腦上顯示出來(lái)，通過(guò)對數據的分析、挖掘，達到對整個(gè)系統運行的優(yōu)化管理。

人們可以利用互聯(lián)網(wǎng)以遠程的方式監視和控制各種智能設施，用戶(hù)還可以根據預算調整使用，例如人們能夠通過(guò)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，或者調整空調的設定溫度，來(lái)降低電力消耗，還可以按照電力收費的不同時(shí)間段，進(jìn)行計劃用電。電力企業(yè)使用這種裝置可以精確地知道用戶(hù)的用電規律，從而對求和供應有一個(gè)更好的平衡:比如說(shuō)，在電力供應的高峰期或是需求超過(guò)供給的時(shí)候，根據實(shí)時(shí)的客戶(hù)用電量提高價(jià)格。這樣，明智的用戶(hù)就會(huì )把自己家里可以替代能源的設備打開(kāi)(比如蓄電池、可再生能源發(fā)電裝置等) ，或者是選擇錯開(kāi)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停電，并提高電力企業(yè)的收益，達到需求側管理的目的。

與新型能源管理系統配套設計用戶(hù)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站的示意。用戶(hù)通過(guò)加密的賬號登錄該網(wǎng)站后，可以看到自己的電量消費情況、分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的電量、蓄電池的剩余可運行的時(shí)間等。當發(fā)生停電或蓄電池的剩余電量不足時(shí)，網(wǎng)站上會(huì )有警告標示提醒用戶(hù)，當然，用戶(hù)也可以訂制電量消費情況報告或警告的短信通知服務(wù)，交電費等業(yè)務(wù)也以在網(wǎng)上進(jìn)行。通過(guò)這個(gè)網(wǎng)站，用戶(hù)還可以得到節能建議和實(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(kāi)用電高峰期的高價(jià)格電力，降低電費費用。

三、結論與展望

對于未來(lái)能源來(lái)說(shuō)，能源節約和能源效率是關(guān)鍵點(diǎn)。智能電網(wǎng)下的新型能源管理系統將允許我們來(lái)更好的管理、節約，監控能源使用

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

(2)通過(guò)將可再生能源發(fā)電設備整合進(jìn)我們的能源基礎設施中，滿(mǎn)足電力與自然環(huán)境、社會(huì )經(jīng)濟和諧發(fā)展的要求;

( 3)通過(guò)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(mài)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)現分時(shí)電價(jià)，促進(jìn)電力資源在需求側的合理配置，既節約了電能又為用戶(hù)節省了電費支出;

(4)通過(guò)傳感器和能源管理軟件，實(shí)現對用電設備的遠程監控和負荷管理，達到對整個(gè)系統運行的優(yōu)化管理，及時(shí)發(fā)現并處理不安全隱患;

(5)通過(guò)與用戶(hù)的互動(dòng)，將用戶(hù)的需求及時(shí)反映到電網(wǎng)的運行控制中，將用戶(hù)的需求及時(shí)反映到電網(wǎng)的運行控制中，更加適 應用戶(hù)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。