中国特色智能电网的探讨

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  【摘要】 智能电网是经济和技术发展的必然结果,是21世纪电力行业的重大科技创新和发展趋势。文中介绍了国内外智能电网发展情况,结合我国电网的历史背景和优势条件,概述了中国特色智能电网的内涵和特征,阐述了建设中国智能电网的战略措施,探讨了中国智能电网应解决的关键技术,提出了发展中国智能电网的几点建议。研究结果表明,坚持走以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展道路的坚强智能电网是中国未来电网的发展方向。
  【关键词】智能电网 电力 中国特色 坚强智能电网 能源资源
  
  0 引言
  
  进入21世纪以来,能源资源紧张、环境污染严重已经成为经济社会可持续发展的重大制约因素,保护共同的家园,提倡节能减排,发展新能源已成为各界共识。2009年初,美国奥巴马政府推出了以发展智能电网为重要突破口的能源新政,2009年5月,我国向社会公布了智能电网的发展计划,中国新兴能源振兴规划即将出台。智能电网正推动着全球向能源革命的深度扩散,成为继互联网之后新一轮改变世界的浪潮。在世界能源、电力变革中,我们不能置身于外,要勇于参与国际智能电网的战略竞争,抢占未来低碳经济制高点,让中国在新一代智能电网中领先于世界。
  
  1 智能电网发展现状
  
  1.1 国外发展现状
  早在2003年美国能源部就提出Grid 2030 Vision计划,描绘了美国未来电力系统的设想,并确定了各项研发和试验工作的分阶段目标。2009年1月,美国白宫宣布将铺设或更新3000英里输电线路,并为4000万美国家庭安装智能电表,同时投资40多亿美元推动电网现代化。从2008年起美国科罗拉多州波尔得(BOHlder)市成为全美第一个智能电网城市,每个家庭都安装了智能电表,家庭用户可以和电网互动,了解实时电价,电表帮助人们优先使用风电、太阳能等清洁能源;同时电网还可以根据实际情况进行电力的实时调配。
  美国发展智能电网重点在配电和用电侧,关注电力网络基础架构的升级更新,同时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。
  2005年欧盟成立了欧洲智能电网技术论坛,2006年欧盟理事会的能源绿皮书明确强调欧洲已经进入一个新能源时代,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,智能电网是欧盟实现其“20-20-20'’气候目标的先决条件。对环境保护的极度重视以及可再生能源并网发电的挑战,造成欧洲智能电网建设比美国更为关注可再生能源、分布式电源的接入及碳的零排放等环保问题。
  其他国家也纷纷启动智能电网相关研究和建设规划。日本政府于2010年开始在孤岛进行大规模的构建智能电网试验;韩国计划在2011年前建立一个智能电网综合性试点项目;澳大利亚政府在最新的预算案中已划拨
  
  1 亿澳元用于智能电网建设。
  
  1.2 国内发展现状
  作为示范,3年前奠基的中国自主研发、设计和建设的晋东南一南阳一荆门全长640kin、1000kV的高压交流试验工程,按商业化运营要求,从2009年初合闸到现在,一直稳定运行,这标志着中国成功掌握了世界上最先进的特高压建设核心技术。
  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。
  2009年12月底,由国家电网公司投资100亿元、占地1000亩的首个智能电网科研产业基地在南京奠基,基地将构建1个研究中心、8个研究所和10个研发实验室,实现智能电网的“发、输、配、变、用”全覆盖,从而为我国智能电网自主技术研发、核心装备制造、关键产品检测提供坚强的支撑;并向新能源、新材料、微电子等电工电气设备制造的上下游延伸和拓展,逐步形成体系完备、附加值高、竞争力强的新兴产业链。
  科技部和上海市政府将在智能电网世博示范工程的基础上,共同推进智能电网上海示范区,为深化国家智能电网总体发展战略提供应用示范。上海市民不仅有机会在今年世博会上一睹智能电网的风采,而且会在不久的将来亲身享受“善解人意”的电力服务。
  
  2 中国特色智能电网
  
  2.1 能源背景
  预测到2020年,中国电力需求将达到7.7万亿kW·h,发电装机达到16亿kW,均在现有基础上翻一番,未来电力发展空间巨大。同时我国能源资源与生产力逆向分布,煤炭资源保有储量的76%分布在西部与北部地区,80%的水能资源分布在西南地区,但75%以上的能源需求集中在东中部地区。西部大煤电、大水电基地距离东部负荷中心一般为800~3000km,并且中间缺乏电源支撑,而现有输电走廊利用率较低、网损较大,较难实现500kV交流接力送电,不能适应国家能源政策及行业发展需要。面临负荷迅速增长的形势,有必要进一步提高现有电网的输送能力。因此,具有长距离、大容量、低损耗功效输电特征的特高压电网成为中国智能电网的理想选择。
  处于“三北”地区的风能、太阳能等大型可再生能源基地,由于当地电力需求有限,难以实现电力就地消纳,需要通过电网远距离输送到负荷中心地区。可再生能源一般具有间歇性和波动性,无法快速大规模接入电网,因此对电网的接纳能力和资源优化配置能力提出了更高的要求。
  
  2.2 发展优势
  中国电力在总量上可以满足本国经济社会发展的需求,中国煤电、水电、输变电及电力系统信息化水平已相当或超过世界发达国家。
  “西电东送”战略已取得明显成效;特高压远距离输电试点成功;超超临界火电机组成功投入商业运营;可再生能源应用开始起步;
  “大代小”、大容量循环硫化床和各种脱硫技术广泛应用等节能、环保举措取得重大成效,中国特高压输电技术、电网频率控制技术、电网广域相量测量、超导技术等多项技术的研究和成果属世界领先地位。
  中国电力系统安全稳定运行水平相当或高于发达国家,已形成了六大分区、直流联网的“分层分区结构”和“三道防线”较为坚强的一次网架结构和系统二次合理的配置,跨大区域的统一电网正在逐步形成,二、三十年来电力系统稳定运行状况有力地证明了其有效性。
  中国近十几年通过推动“配电自动化系统”工作,部分地区供用电侧的信息数字化、
  “智能”管理水平、双向互动已有了一定基础,对提高供电可靠性、降低供电网线损、接纳用户侧电力已有了一定成效。
  
  2.3 内涵
  中国特色智能电网是以统一规划、统一标准、统一建设为原则,以特高压电网为主干网架,各级电网协调发展,利用先进的通信信息和控制技术,构建以信息 化、数字化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网。坚强智能电网包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度六个环节,覆盖所有电压等级,实现了“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合,同时在管理上实现集团化、集约化、精益化、标准化。
  
  2.4 性能特征
  坚强可靠——具有坚强的网架结构、强大的电力输送能力和安全可靠的电力供应。
  经济高效——提高电网运行和输送效率,降低运营成本,促进能源资源和电力资产的高效利用。
  清洁环保——促进可再生能源发展与利用,降低能源消耗和污染物排放,提高清洁电能在终端能源消费中的比重。
  透明开放——电网、电源和用户的信息透明共享,电网无歧视开放。
  友好互动——实现电网运行方式的灵活调整,友好兼容各类电源和用户的接入与退出,促进发电企业和用户主动参与电网运行调节。
  
  2.5 “一特四大”能源新战略
  以大型能源基地为依托,建设由1000kV交流和+800kV专家论坛。直流构成的特高压电网,形成电力“高速公路”,促进大煤电、大水电、大核电、大型可再生能源基地的集约化开发,在全国范围内实现资源优化配置。
  建设大煤电基地,可以实现煤炭资源集约开发,有助于电力企业、煤炭企业成为利益共同体,从而有利于解决煤电矛盾,缓解铁路运力紧张;大水电、大核电基地建设周期长,可为下一轮经济快速发展带来的电力需求增长做好充分准备;建设大的可再生能源和绿色能源基地,是能源结构调整的必由之路。
  
  2.6 战略举措
  坚强智能电网的建设将通过三个阶段实现,总投资预计超过4万亿。2009~2010年为规划试点阶段,重点开展“坚强智能电网”发展规划工作,制定技术和管理标准,开展关键技术研发和设备研制,及各环节试点工作;2011~2015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;2016-2020年为引领提升阶段,全面建成统一的“坚强智能电网”,技术和装备全面达到国际先进水平。
  有关专家测算,2020年我国清洁能源容量将达到5.7亿kW,占总装机容量的35%,每年可减少煤炭消耗4.7亿t标准煤,减排二氧化碳13.8亿t,这也正是坚强智能电网大功告成之际。
  
  3 实现中国智能电网的关键技术
  
  3.1 基于开放式通信的电网互动架构系统
  包括变电站自动化、需求侧管理、输配电自动化、建立有效的监控和数据采集系统、建立灵活交流输电、可视化辅助决策、完善电力无线网络系统、解决电力线载波通讯、建立复合光纤电缆系统等等。实时监视和控制电网运行,清晰掌握电网的状态,预防事故发生和及时清除故障,将信息在各种测量装置、控制设备和执行元件之间进行相互传递,以保证电网安全、可靠、经济地运行。
  
  3.2 基于电网的智能测量系统
  包括先进的微传感器、远程抄表设备、监测系统和负荷管理技术等,进行电力消费预测,实现电力系统互动、自动控制管理,评估电网设备的健康状况和电网的完整性,防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。
  
  3.3 基于超导技术的新型电网设备
  包括电网冲击保护设备、超导限流器、储能装置、超导稳定电压系统等组件。利用不断发展的超导电力技术和先进的数字化设计,生产出高功率密度、供电可靠性和改善实时诊断性能的新一代的电力系统设备,将解决电力系统稳定性、电能质量、大容量输送、短路故障保护和降低网络损耗等方面问题。例如,目前的dSVC解决方案就是一种解决柔性交流输电技术(FACTS)的方案,这个方案可以动态实时地调节输出,快速地处理电能质量问题,实现动态无功补偿以保持电压恒定,有效保护系统免受电压快速下降和闪变的影响。
  
  3.4 其他系统
  包括智能电表和电光终端管理设备、相量测量技术和同步相量测量装置、广域测量系统、其他智能网组合设备、中央数据管理和分级调度系统、电力光纤复合线缆终端及网络管理体系、国际化的互动电力管理软件系统、电力线通讯系统管理和控制、符合国际标准的电网体系运转、与其他数据库系统重新匹配优化组合和运转等,从而构成比较完备的互动电网流程体系。
  
  4 发展中国智能电网的建议
  
  4.1 积极稳妥推进智能电网建设
  立足于世界电力发展技术的前沿,以国家宏观政策为导向,依托科技创新和管理创新,调动系统内外资源,形成前瞻研究、试点应用、逐步推广梯级推进机制,建设贯穿于电力行业全领域、全过程、全寿命的广域全景分布式一体化架构,建成符合我国能源战略和企业发展要求的智能电网。
  
  4.2 开展智能电网架构设计
  立足我国电网自身的特点和现有的信息、控制、管理系统发展水平,综合考虑未来相关技术的发展方向,提出我国发展智能电网的构架和体系,满足电网规划建设、运行控制、资产管理、用户管理等方面的需要。
  
  4.3 建立智能电网试点
  初步建成高级调度中心,统一网络数据模型,实现具有可视化功能的电网在线监测与预警系统,提升辅助决策能力;选择规模适度、技术设备先进的城市配电网开展智能电网试点,对相关科研成果、设备装置以及政策措施等进行实践检验,评估效果,积累经验。
  
  4.4 输、配电网与用电的协调调度与控制
  研究利用信息系统和智能终端控制,通过提高负荷功率因数、优化电源及用电负荷安排等,实现从发电、输电、配电到终端用户的协调调度与优化运行,提高系统的安全稳定水平,满足可靠供电的要求。
  4.5 注重理论和技术的创新与应用
  研究超导输电、FACTS等新型输电技术提高系统运行灵活性和经济性;研究广域通信技术实现网络自动化、在线服务和需求侧管理;研究DVR、SSTS等用户电力技术提高供电可靠性和供电质量;研究电力储能技术解决可再生能源间歇性供电问题;研究参数量测技术监视设备健康状态与网络状态、计量电能;研究电网在线监测、预警新技术,为智能电网分析提供科学的理论依据;研究利用决策支持技术增强各级运行人员的决策能力。
  
  4.6 建立电网综合知识支撑体系
  实现与电网各智能应用系统协同,辅助实现知识创新、协同工作、问题解决和决策支持,提高决策效率,提升服务质量,实现电网综合资源利用和增值服务。
  
  4.7 形成智能电网规范和标准体系
  将电力工业的标准、通信标准集成到电力系统的架构中,形成完整的智能电网规范和标准体系。最终目标是实现从发电到用电各个环节中相关信息的集成与共享。
  
  5 结束语
  
  建设智能电网是对电网未来发展的一种美好愿景,也是一场有关新产业革命的世界竞赛。因此,我们必须站在跨行业的高度,立足我国电网自身的特点和现有的信息、控制、管理系统发展水平,充分强调自主创新、创新发展的意识,综合考虑未来相关技术的发展方向,博采众家之长,坚持走符合中国国情的发展道路,建设具有中国特色的坚强智能电网。
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