智能配电网的自愈控制技术.docx
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智能配电网的自愈控制技术
毕业设计论文
智能配电网的自愈控制技术
学生姓名:
权迅
班级学号:
输电082206080622
院、系、部:
电力工程学院
专业:
电气工程及其自动化(输配电工程)
指导教师:
葛乐讲师
2012年06月南京
UndergraduateDesign(Thesis)
IntelligentDistributionNetworkSelf-healingControlTechnology
BY
QuanXun
Supervisedby
ProfessorGele
SchoolofElectricPowerEngineering
NanjingInstituteofTechnology
June2012
摘要
阐述了智能电网的的概念、起源、特征、发展及其发展现状,总结智能电网的关键基础技术。
自愈能力是智能电网技术研究的重点,提高大型输电网的自愈能力,进而提高电网的安全稳定水平是现代电网的发展方向。
本文在研究分析自愈控制基础和技术要求,自愈技术的关键,过程,主要解决的问题及其作用,自愈控制体系的结构及其技术。
系统的对无线传感器网络、红外监测技术在智能电网中的应用进行了研究,并分析了相关关键性技术问题,并在自愈控制研究中引入动态序贯博弈相关理论,并对其在智能电网中的作用做了相关讨论。
关键字:
智能电网自愈配电网控制体系状态感知序贯博弈
Abstract
Elaboratedtheconceptofthesmartgrid,theorigin,characteristics,developmentanditsdevelopmentstatus,summaryofthekeyfoundationofsmartgridtechnology.Theself-healingabilityisthefocusofthestudyofsmartgridtechnologiestoimprovetheself-healingabilityofthelarge-scalepowergrids,therebyincreasingthelevelofgridsecurityandstabilityisthedevelopmentdirectionofmoderngrid.Inthispaper,researchandanalysistocontrolinfrastructureandtechnicalrequirementsforself-healing,self-healingtechnology,thekey,theprocess,themainproblemanditsrole,structureandtechnologyofself-healingcontrolsystem.Systemforwirelesssensornetworks,infraredmonitoringtechnologyinthesmartgridresearchandanalysisrelatedtokeytechnicalissues,theintroductionofdynamicsequentialgametheoryandtheself-healingcontrolstudy,anditsSmartGridroleinthediscussions.
Keywards:
SmartgridSelf-healingdistributionnetworkControlsystemsSituationalawarenessSequentialgames
摘要2
Abstract3
第一章绪论4
1.1智能电网4
1.2智能配电网7
1.3论文的主要研究内容及意义12
1.4小结15
第二章自愈电网的基础理论15
2.1配电网自愈控制理论15
2.2自愈控制技术体系17
2.3自愈能力的评价21
2.4小结23
第三章配电线路状态感知关键技术23
3.1配电线路运行状态分析24
3.2智能(无线)传感器检测技术24
3.3基于红外检测技术的应用26
3.4小结28
第四章配电网动态(序贯)博弈自愈控制方法28
4.1动态(序贯)博弈基本理论28
4.2配电网自愈控制过程的动态(序贯)博弈描述30
4.3自愈控制的动态(序贯)博弈模型31
4.4小结34
第四章总结与展望34
谢辞34
参考文献35
附录1:
外文资料翻译37
第一章绪论
1.1智能电网
1.1.1智能电网提出的技术与国家战略背景
智能电网具有可靠、优质、高效、兼容、互动等特点,是现代电网的发展方向,受到了国内外电力业界的高度关注。
“互联网”的普及、电子信息技术及计算机软件技术的飞速发展,大大推动了全球信息化进程。
“地球村”、“数字地球”等概念逐渐体现了人类信息交流的时空跨越,速度与效率的倍增[1]。
“物联网”应用趋势,建立人与物、物与物之间的联系,随着新一代互联网协议IPV6的部署,IP地址不再受限,为物联网扫除了网络容量的限制。
“智能电网”,电网设备的智能化、数字化与网络化为电网的信息化、互动化与自动化创造了条件。
中国最新定义为:
统一坚强智能电网,统一是前提,统一规划、统一标准、统一建设;智能为感知、自律、自主、自愈、自学习、自适应、自调节、分析与决策,体现安全可靠、经济高效、清洁环保、灵活互动、友好开放[5]。
1.1.2智能电网的概念、特征、内涵
智能电网具有可靠、优质、高效、兼容、互动等特点,是现代电网的发展方向,受到了国内外电力业界的高度关注。
到现在为止,智能电网还没有统一的概念,从美国、欧洲以及国内的研究来看,其核心就是要以现有物理电网为基础,通过利用现代先进的传感和测量技术、通讯和信息技术、计算机和网络技术、控制和设备等技术,以充分满足用户对电力的需求、优化资源配置、确保安全供电、适应电力市场发展、兼容分布式发电为目标,建设信息化、数字化、自动化和互动化的电网,实现对用户可靠、经济、高效、清洁、互动的电力供应和其它增值服务。
最终实现的智能电网应具有以下关键特征[5]:
1)自愈的电网(包括对事故的预测与决策)。
通过实时采集电力系统的动态信息,及时发现并快速诊断可能存在的隐患,预测故障及其可能引发的系统震荡和级联事件,进行风险评估并且采取预防和校正控制手段,如将大电网按照风险等级适当分区等;当故障发生后,迅速把电网中有问题的元件从系统中隔离出去,并自动进行必要的事故控制和恢复控制,保证用户供电的连续性,防止大面积停电的发生。
2)互动的电网。
与传统的“单向电网”相比,智能电网将实现需求侧响应功能,鼓励用户参与电力系统的运行和管理。
电力供应方与用户间建立双向实时的通信系统,可实时通知用户其电力消费的成本、实时电价、电网目前的状况、计划停电信息以及其他一些服务的信息,从而用户也可以根据这些信息制定自己的电力使用的方案,有助于平衡供求关系,确保系统的可靠性。
3)安全的电网。
智能电网的安全策略包含应付威慑、实现预防、检测和反应,以尽量避免和减轻事故对电网和经济的影响。
智能电网需要通过加强电力企业与
政府之间的密切沟通,并且在电网规划中强调安全风险,加强电网运行安全和网络安全等手段,提高智能电网抵御风险的能力。
4)优质的电网。
新型的智能电网可提供满足不同用户需求的优质电能,并且能对电能质量进行分级和价格联动。
5)高效的电网。
通过高速通信网络实现对运行设备进行在线状态监测,获取设备的运行状态,提高单个资源的利用效率,整体优化调整电网资产的管理和运行,实现最低的运行维护成本及投资。
6)市场化的电网。
智能电网通过市场上供给和需求的互动,将形成更为紧密与高效的市场行为模式;通过有效的市场设计可以提高电力系统的规划、运行和可靠性管理水平,从而促进电力市场的自由买卖以及公平竞争。
7)兼容的电网。
智能电网打破了传统单一的远端集中式发电,而实现集中发电与分散发电的兼容。
各种可再生能源分布式发电和储能系统以“即插即用”的形式接入,扩大了系统运行调节的可选资源范围,满足电网与自然环境的和谐发展。
8)多元化的电网。
以输配电网为物理实体,以集成、高速、双向的通信网络信息系统为平台的智能电网,将电力系统的监视、控制、维护、能量调度、配电管理、市场运营、企业资源计划等系统统一集合在智能电网大平台上,在此基础上实现各种业务的交互与集成。
1.1.3智能电网的优点和价值
(l)改善系统可靠性:
减少电网停电时间和降低停电频率、减少电网质量扰动因素、基本消除地区停电;
(2)改善电网可信赖性和安全性:
提高电网抵御自然灾害和外部破坏的能力、改善公众和电网作业人员安全;(3)改善电网运行的经济性:
为用户提供廉价电力、市场参与者拥有更多选择;(4)改善电网运营效率;(5)清洁、环保:
更多清洁能源接入、减少电网损耗。
从社会的观点来看,智能电网的效益和价值要远远超出它的原始投资。
根据美国电力科学研究院估计,智能电网的效益和投资比是4:
1,这还是比较保守的,如果再考虑到国家和经济安全,智能电网的效益更是无法衡量。
建设智能电网的价值是多方面的,其核心价值可以总结为更可靠、更坚强、更经济、更高效、环境更为友好、使用更为安全[1][2]。
1.1.4智能配电网的功能和要求
要保证配电网安全、可靠、经济地运行和向用户供电,不仅需要有电力网络和通信网络的物理支持,还需要有集成各种高级应用功能的软件支持。
(l)从网架结构上来讲,智能配电网应该具有可靠而灵活的分层、分布局的
拓扑结构,满足配电系统运行控制、故障处理、系统通信的要求;
(2)从运行控制上来讲,智能配电网应该既具有正常运行时实时可靠地系统监视、隐患预测、智能调节、优化运行的能力,又具有系统非正常运行时的预防校正、紧急恢复、检修维护控制能力;
(3)从通信上来讲,智能配电网应该具有建立在开放的通信架构和统一的技术
标准基础之上的高速、双向、集成的通信网络设施,以实现电力流、信息流、业
务流的一体化统一;
(4)从软件组成上来讲,智能配电网应该是基于uNix、DowSNT平台的完整系统,高度集成SEAoA(safeAcquisitionandsupervisoryControl)、PAS(PackageofAdvancedSoftware)、DA(DistributionAutomation)既满足配电系统安全运行的要求,又满足各类用户方便使用的要求[5.2]。
1.1.5智能电网历程(大事记要):
2003年美国电科院首先提出《智能电网研究框架》,能源部随即发布2030智能电网计划(Grid2030计划-Itelligrid)。
2006年,欧盟智能电网论坛推出了《欧洲智能电网技术框架》-Smartgrid。
2008年,华东电网公司和华北电网公司分别提出了建设智能电网的远景和实施方案。
2009年1月,奥巴马宣布全面启动新能源与智能电网项目,全世界随之掀起了一股智能电网热潮。
2009年3月,国家电网公司首提“建设坚强智能电网”,拉开中国建设智能电网的序幕。
2009年4月17日美国白宫公布首批40多亿智能电网资助计划。
2009年4月下旬,国家电网公司组织三个智能电网考察团赴美国和欧洲考察,回国后开始组织编写国家电网智能电网综合研究报告。
2009年5月中旬,中国电科院建立智能电网研究中心。
2009年5月18日,美国商务部、能源部汇集业界主要机构与公司,讨论并通过第一批16个智能电网行业标准,美国智能电网建设进入全面启动阶段。
2009年5月21日,国网公司提出“加快建设以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展的统一坚强智能电网的目标”。
2009年6月,国家电网科技部组织智能配电和数字化变电站技术研讨。
下旬,国家电网总部成立“智能电网部”。
2009年7月,总投资25亿元的全国首家智能电网产业园项目在扬州正式启动,下旬,国家电网正式确认在上海世博园区建立智能电网综合示范工程[6.3]。
1.1.3国家规划与行业动态
中国在09年开始快速布局智能电网建设,有经济与政治的综合考量,一方面为应对金融危机、推动新的经济需求、刺激经济发展;另一方面为发展低碳经
济、推动节能环保,加速弱电与强电的集约发展,形成新的技术制高点,使宏大统一的智能电网系统服务国计民生、提升国家综合实力。
意义重大、任务紧迫。
中国国家电网智能电网规划的三个发展阶段:
第一阶段(~2011年)为研究标准制定与试点阶段,重点在于建设特高压网络架构,开展智能变电站试点工程以及智能配电网等示范性工程;
第二阶段(~2015年)为全面建设阶段,主要完成特高压网架建设,枢纽变电站实现智能化并初步建成智能调度中心,开展双向互动和分布式能源试点;
第三阶段(~2020年)为完善提升阶段,其目标基本与欧美的最终目标相近。
自从智能电网提出以来,世界各国积极响应,特别是业内企业(甚至是业外的企业,也把研发力量投入到智能电网领域)更是认真对待、积极备战。
国网公司、电科院、西高所、上海电器所等牵头组织各科研院所及龙头企业研讨制定相关标准及实施细则,其中西安交大王建华书记应两院邀请提出智能电网中长期战略规划及产业建议,各电力设备一二次企业积极解读国家政策及行业技术标准,着手产品研发及技术储备。
可以说智能电网是传统电力产业的一次革命,是对二次企业的重新洗牌,引起了业内高度重视[6.4]。
1.2智能配电网
1.2.1各国建设发展现状
目前智能电网建设正处在初始阶段。
由于不同国家的经济与发展条件的不同,各国都结合本国的特点来规划和发展智能电网,因此其发展重点和步骤也不相同[5]。
欧美等发达国家的高科技产业发达,负荷增长相对较小,输电网架构变化较小,电力工业已步入成熟期,在过去一段时间内电力投资相对较少。
但近年的大停电事故使政府对电网安全可靠运行重新予以重视。
同时为了最有效地利用资源,这些国家关注的重点是停电时间最小化和市场效益最大化,更多地从市场、安全、电能质量和环境等方面出发,重点强调信息技术与电网的结合及基于信息的业务重整。
许多研究侧重从用户端来考虑智能电网的功能,来建立一个高效、安全、环保、灵活和互动的智能电网[29]。
2009年1月,美国发布了《经济复兴计划进度报告》,宣布将铺设或更新4827km(3000英里)输电线路,并在未来三年内为美国家庭安装4000万个智能电表。
2009年2月,总额达7870亿美元的《美国复苏与再投资法案》签署生效,其中新能源为主要领域之一,重点包括发展高效电池、智能电网、碳储存和碳捕获、可再生能源如风能、太阳能等。
此后,美国政府又宣布了一项约40亿美元用于开发新的电力传输技术的计划,美国能源部(DOE)也宣布拟拨39亿美元资助《美国复苏与再投资法案》相应的项目,电力运营商等可在制定智能电网相关项目计划时向DOE申请提供资金[30]。
美国的智能电网突出可再生能源和新技术应用,并力求将分散的智能电网集结成全国性的先进电力网络,实现全国范围内的发输配和用电系统的优化运行和管理,同时进一步考虑与加拿大、墨西哥等地电网互联和优化合作。
欧盟于2005年启动建设智能电网技术平台(SmartGridsTechnologyPlatform)。
2006年欧盟理事会的能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》明确强调欧洲已经进入一个新能源时代,智能电网技术是关键技术和发展方向。
同时欧盟拟成立智能电网协会,进一步加强智能电网的研发和协调,提供权威信息并制定标准。
2009年初,欧盟有关圆桌会议进一步明确要依靠智能电网技术将北海和大西洋的海上风电、欧洲南部和北非的太阳能融入欧洲电网,以实现可再生能源大规模集成的跳跃式发展[31]。
目前,英、法、意等国都在加快推动智能电网的规划和建设。
欧洲智能电网
计划将广域电力输送网络技术与智能电网结合形成广域智能网络,最终范围将覆盖到欧盟、北非、中东等国家和地区。
在亚洲经济发达的日本和韩国相继开展了智能电网的研发。
日本政府所定义的智能电网重点在大规模开发太阳能等新能源,确保电网系统稳定。
日本政府计划于2010年开始在孤岛进行大规模的智能电网建設试验,主要硏究在大规模利用太阳能的情况下,如何统一控制电力和频率的波动,以及储能技术等课题。
2009年3月,东京工业大学成立了“综合研究院”,并拟进行可再生能源如何与电力系统相融合的智能电网项目。
韩国把智能电网的重点定为电力产业供求双方的用户互动系统,并大力发展可再生能源发电的联网和存储技术,在不断降低成本和提高效率的同时,提高整个电网的可靠性及可用性。
韩国政府计划2011年前在济州岛建立一个智能电网综合性试点项目。
该项目将融合新型信息技术以及卫星定位技术,实现对电力需求和供应的在线实时监控,并可作为未来智能电网建设的测试基地,并在2030年成为世界上第一个真正意义上的智能电网国家。
各国政府积极推进智能电网建设,一些小型的智能电网已先后建成。
在2001年,意大利的电力公司就安装和改造了3000万台智能电表,建立了智能化计量网络。
2005年在意大利EnelS.p.A建设的智能电网,采用了自主研发的测量仪表及软件系统,被认为是第一个部分采用智能电网技术的商用网络。
东京电力公司的电网通过光纤通信网络,逐步实现对系统范围内已呈网状结构的6kV中压馈线进行实时量测和自动控制,成为未来智能配电网的基础。
2008年4月,美国科罗拉多州波尔得市已经建成全美第一个智能电网,与此同时美国还有10多个州正在开始推进智能电网发展计划[5]。
1.2.2我国智能电网历程(大事记要):
2003年美国电科院首先提出《智能电网研究框架》,能源部随即发布2030智能电网计划(Grid2030计划-Itelligrid)。
2006年,欧盟智能电网论坛推出了《欧洲智能电网技术框架》-Smartgrid。
2008年,华东电网公司和华北电网公司分别提出了建设智能电网的远景和实施方案。
2009年1月,奥巴马宣布全面启动新能源与智能电网项目,全世界随之掀起了一股智能电网热潮。
2009年3月,国家电网公司首提“建设坚强智能电网”,拉开中国建设智能电网的序幕。
2009年4月17日美国白宫公布首批40多亿智能电网资助计划。
2009年4月下旬,国家电网公司组织三个智能电网考察团赴美国和欧洲考察,回国后开始组织编写国家电网智能电网综合研究报告。
2009年5月中旬,中国电科院建立智能电网研究中心。
2009年5月18日,美国商务部、能源部汇集业界主要机构与公司,讨论并通
过第一批16个智能电网行业标准,美国智能电网建设进入全面启动阶段。
2009年5月21日,国网公司提出“加快建设以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展的统一坚强智能电网的目标”。
2009年6月,国家电网科技部组织智能配电和数字化变电站技术研讨。
下旬,国家电网总部成立“智能电网部”。
2009年7月,总投资25亿元的全国首家智能电网产业园项目在扬州正式启动,下旬,国家电网正式确认在上海世博园区建立智能电网综合示范工程[6]。
1.2.3国家规划与行业动态
中国在09年开始快速布局智能电网建设,有经济与政治的综合考量,一方面为应对金融危机、推动新的经济需求、刺激经济发展;另一方面为发展低碳经济、推动节能环保,加速弱电与强电的集约发展,形成新的技术制高点,使宏大统一的智能电网系统服务国计民生、提升国家综合实力。
意义重大、任务紧迫。
中国国家电网智能电网规划的三个发展阶段:
第一阶段(~2011年)为研究标准制定与试点阶段,重点在于建设特高压网络架构,开展智能变电站试点工程以及智能配电网等示范性工程;
第二阶段(~2015年)为全面建设阶段,主要完成特高压网架建设,枢纽变电站实现智能化并初步建成智能调度中心,开展双向互动和分布式能源试点;
第三阶段(~2020年)为完善提升阶段,其目标基本与欧美的最终目标相近。
自从智能电网提出以来,世界各国积极响应,特别是业内企业(甚至是业外的企业,也把研发力量投入到智能电网领域)更是认真对待、积极备战。
国网公司、电科院、西高所、上海电器所等牵头组织各科研院所及龙头企业研讨制定相关标准及实施细则,其中西安交大王建华书记应两院邀请提出智能电网中长期战略规划及产业建议,各电力设备一二次企业积极解读国家政策及行业技术标准,着手产品研发及技术储备。
可以说智能电网是传统电力产业的一次革命,是对二次企业的重新洗牌,引起了业内高度重视[6]。
1.2.4国外研究现状
欧美各国对智能电网的研究开展较早,且已经形成强大的研究群体。
由于各国的具体情况不同,其智能电网的建设动因和关注点也存在差异[6][13]。
美国主要关注电力网络基础架构的升级更新,同时最大限度地利用信息技术,实现系统智能对人工的替代。
主要实施项目有美国能源部和电网智能化联盟主导的GridWise项目和EPRI发起的Intelligrid项目。
欧洲则重点关注可再生能源和分布式能源的发展,并带动整个行业发展模式的转变。
2005年智能电网欧洲技术论坛成立。
欧盟第5次框架计划(FP5)(1998—2002)中的“欧洲电网中的可再生能源和分布式发电整合”专题下包含了50多个项目,分为分布式发电、输电、储能、高温超导体和其他整合项目5大类,其中多数项目于2001年开始实施并达到了预期目的,被认为是发展互动电网第一代构成元件和新结构的起点。
其主要项目有Dispower、CRISP和Microgrids。
2008年3月,美国科罗拉多州一座小城波尔得建成了美国第一座智能电网城市。
目前美国多个州都对此
项技术表示出浓厚的兴趣,并开始设计智能电网系统,通用电气、IBM、西门子、谷歌、英特尔等信息产业龙头也瞄上了此间的商机,都已投入智能电网业务。
英
国、瑞典均在积极规划推动智能电网,意大利及美国已率先试行[29]。
美国的研究及实践
2006年,美国IBM公司与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。
电力公司可以通过使用传感器、计量表、数字控件和分析工具,自动监控电网,优化电网性能、防止断电、更快地恢复供电,消费者对电力使用的管理也可细化到每个联网的装置。
2009年2月,IBM与地中海岛国马耳他签署协议——双方将建立一个“智能公用系统”,以实现该国电网和供水系统的数字化,其中包括在电网中建立一个传感器网络。
IBM将提供搜集分析数据的软件,帮助电厂发现机会,降低成本及碳排放量。
谷歌已宣布了一个与太平洋煤气和电力公司(PG&E)的测试合作项目。
2008年9月,谷歌与通用电气对外宣布共同开发清洁能源业务,核心是为美国打造国家智能电网,同时强调,21世纪的电力系统必须结合先进的能源和信息技术,而这正是通用电气和谷歌的优势领域。
2009年2月10日,谷歌表示已开始测试名为谷歌电表(PowerMeter)的用电监测软件。
该公司还向美国议会进言,要求在建设智能电网时采用非垄断性标准。
2009年1月25日,美国白宫最新发布的《复苏计划尺度报告》宣布:
将
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