智能电网的研究与探讨.docx
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智能电网的研究与探讨
毕业设计(论文)
题目:
智能电网的研究与探讨
学校:
*****学院
系别:
电气工程与自动化系
专业:
电力系统自动化
班级:
*******
学号:
******
姓名:
*****
智能电网的研究与探讨
摘要
随着科技的日新月异,人们的生活发生了翻天覆地的变化,进入21世纪,电力供应面临环境压力、购电能力、安全可靠和高效利用等重大挑战。
以美国和欧盟为代表的不同国家和组织不约而地提出要建设灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网,将智能电网视为未来电网的发展方向。
智能电网已成为近年来国内外有关未来电网发展趋势的热门话题。
文章简要分析了智能电网研究背景情况,智能电网的概念、特性以及国内外发展现状。
电网智能化是促进可再生能源发展、实现节能减排的重要手段。
随着电力电子、IT、通信等技术的不断发展,智能电网将成为电力工业的重要发展方向。
本文首先论证发展智能电网的必要性,介绍智能电网的性能要求,智能电网的基础知识:
智能变电站、智能线路、智能保护系统等,最后从电网性能、经济效益、社会效益等方面对智能电网前景进行了展望,并总结了其技术优势和存在的问题。
关键词:
智能电网,智能变电站,智能线路,电网性能,发展前景
Smartgridresearchanddiscussion
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,people'slifehasundergoneearth-shakingchanges.Inthe21thcenturyelectricitysupplyisfacingwithgreatchallengessuchasenvironmentalpressures,thecapacityofelectricitypurchase,safety,reliabilityandefficientuse.DifferentcountriesandorganizationssuchasUSandUEputforwardtobuiltaflexiblecleansafeeconomicalpowergridandmakesmartgridthefuturepowergrid’sdirection.Smartgridhasbecomeahottopicofthedevelopmenttrendofpowergridathomeandabroad.
Thepaperbrieflyanalyzetheresearchbackgroundofsmartgriditsconceptfeaturesandcurrentdevelopmentstatus.Powergridintellectualizationisanimportantmethordtopromotethedevelopmentofrenewableenergysourceandimplementenergyconservationandemissionreduction.Alongwiththeincreasingdevelopmentofpowerelectronics,ITandcommunicationtechnologies,theconstructionofsmartguidisbecominganimpantdevelopmentdirectionofelectricpowerindustry.Atfirstthenecessityofdevelopingsmartgridisdemonstrated,thentherequiredperformanceofsmartgridareintroduced.ThebasicknowledgeofintelligentpowergridincludingIntelligentsubstation,intelligentlines,intelligentprotectionsystem,etc.Finallyfromthepowergridperformance,economicbenefitandsocialbenefitoftheprospectsofintelligentpowergrid,andsumsupthetechnicaladvantagesandtheexistingproblems.
Keywords:
Intelligentpowernetwork,intelligentsubstation,intelligentlines,theelectricgridperformance,prospectsfordevelopment
目 录
前 言
电能已在人类能源利用方式中占有很高的比例,随着电力交通技术、可再生能源利用技术的发展,这一比例还将大幅提高。
全球范围内的能源、环境问题的突出,迫使人们对电网这个大规模、高密度、强动态的能源手机、传输与分配系统,提出更可靠、更高效、更可控的要求,智能电网的概念应运而生。
具体来讲,智能电网发展的驱动力与与以下因素密不可分:
①整合可再生能源、分布式能源、实现新能源发电的“友好”并网;②提高大电网安全性、可靠性、供电质量;③提高发电和用电效率;④满足电力负荷变化;⑤提高电网的经济型,降低电网建设和运行成本;⑥实现信息互动,提高服务水平。
总之,满足电能需求,保证供电的安全性、可靠性、经济性、电能质量、环保约束,实现与用户的互动和增值服务与成为对电网发展的基本要求。
智能电网正是通过不同层面、不同时间尺度对电能的控制满足上述要求的。
智能电网通过信息感知、信息分析、预测推演、指令执行形成完整的信息流与能量流的协调控制。
电能的高效、精确转换与控制构成智能电网实现其功能的基本环节。
本文主要通过对电网的探讨和分析最新的发展动态,论述智能电网控制技术的实现及其发展。
简要介绍智能电网的内涵与中国智能电网的理念,分析智能电网的控制体系,并针对未来智能电网建设、运行过程中能够发挥重要作用的控制技术进行探讨,以及从信息、控制、前景等方面对智能电网的前景及挑战进行论述。
第1章绪论
1.1智能电网介绍
1.1.1智能电网的定义
在20世纪,大电网作为工程领域的最大成就之一,体现了能源工业的战略布局,是实现各种一次能源转换成电力能源之后进行相互调剂、互为补充的迅速、灵活、高效和能源流通渠道。
然而,世界能源体系正面临着抉择,目前全球能源供应和消费的发展趋势从环境、经济、社会等方面来看具有很明显的不可持续性。
在当前世界能源短缺危机日益严重、电力系统规模的持续增长、气候环境变化加剧等因素的影响下,21世纪电力供应面临一系列新的挑战。
因此,在欧盟、美国和中国,政府、高校研究机构和企业共同参与,针对保证21世纪能源供应面临的技术问题、技术难点和技术路线开展了深入的研究,提出了智能电网的概念。
目前,这些国家和地区将智能电网提高到国家战略的高度,将发展智能电网视为关系到国家安全、经济发展和环境保护的重要举措。
智能电网是解决2l世纪电力供应面临问题的有效途径。
我国随着江苏沿海大开发的迅猛推进,盐城地区的风力发电、光伏发电等新能源产业发展迅速,其接入以及正常运行对电网的影响日益显现,电网面临着巨大挑战和机遇。
一方面,电网需要应对日益严峻的资源和环境压力,实现大范围的资源优化配置,提高全天候运行能力,满足能源结构调整的需要,适应电力体制改革;另一方面,输配电、发电、信息化、数字化等技术的进步也为解决这一系列问题提供了坚实的技术支持。
由此智能电网成为现代电力工业发展的方向。
2009年举行的特高压输电技术国际会议上提出,到2020年,我国将全面建成统一的坚强智能电网。
1.1.2智能电网的定义
在现代电网的发展过程中,各国结合其电力工业发展的具体情况,通过不同领域的研究和实践,形成了各自的发展方向和技术路线,也反映出各国对未来电网发展模式的不同理解。
近年来,随着各种先进技术在电网中的广泛应用,智能化已经成为电网发展的必然趋势,发展智能电网[1]已在世界范围内形成共识。
从技术发展和应用的角度看,世界各国、各领域的专家、学者普遍认同以下观点:
智能电网是将先进的传感测量技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合,并与电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。
由于智能电网的研究与开发尚处于起步阶段,各国国情及资源分布不同,发展的方向和侧重点也不尽相同,国际上对其还没有达成统一而明确的定义。
根据目前的研究情况,智能电网就是为电网注入新技术,包括先进的通信技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术和电力工程技术等,从而赋予电网某种人工智能,使其具有较强的应变能力,成为一个完全自动化的供电网络。
1.1.3智能电网的特征
(1)坚强。
在电网发生大扰动和故障时,仍能保持对用户的供电能力,而不发生大面积停电事故;在自然灾害、极端气候条件下或外力破坏下仍能保证电网的安全运行;具有确保电力信息安全的能力。
(2)自愈。
具有实时、在线和连续的安全评估和分析能力,强大的预警和预防控制能力,以及自动故障诊断、故障隔离和系统自我恢复的能力。
(3)兼容。
支持可再生能源的有序、合理接入,适应分布式电源和微电网的接入,能够实现与用户的交互和高效互动,满足用户多样化的电力需求并提供对用户的增值服务。
(4)经济。
支持电力市场运营和电力交易的有效开展,实现资源的优化配置,降低电网损耗,提高能源利用效率。
(5)集成。
实现电网信息的高度集成和共享,采用统一的平台和模型,实现标准化、规范化和精益化管理。
(6)优化。
优化资产的利用,降低投资成本和运行维护成本。
(7)自愈。
能够自动检测、分析故障,实现故障隔离和系统自我恢复。
(8)坚强。
能够有效抵御自然灾害或人为的外力破坏,保证电网安全可靠运行。
(9)互动。
用户将和电网进行自适应交互,成为电力系统的完整组成部分之一。
(10)优质。
提供2l世纪所需要的优质电能,用户的电能质量将得到有效保证。
(11)经济。
实现资源合理配置,提高能源利用效率,减少电能损耗,降低投资成本和运行维护成本。
(12)兼容。
可以容纳集中式发电、分布式发电等多种不同类型的电源,满足用户多样化的电力需求
(13)协调。
实现电力系统标准化、规范化、精细化管理,进一步促进电力市场化。
图1-1智能电网示意图
1.2智能电网的发展及现状
1.2.1国内外发展现状
早在2003年美国电力研究院(EPRI)就已经将未来电网定义为“智能电网”,同年6月,美国能源部输配电办公室发布的“Grid2030:
电力的下一个100年的国家设想”的报告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。
2004年美国Battelle研究所和IBM公司也先后提出自己对“智能电网”的理解。
美国PJM(宾夕法尼亚—新泽西—马里兰互联电网)公司在2006年底完成的战略规划将智能电网建设作为其发展愿景。
2008年美国科罗拉多州的波尔得(Boulder)宣布成为全美第一个智能电网城市,家庭用户可以和电网互动,了解实时电价,合理安排用电;同时电网还可以根据实际情况进行电力的实时调配,提高供电可靠性。
2001年意大利的电力公司就安装和改造了3000万台智能电表,建立起了智能化计量网络,欧洲其他国家也将智能网络作为一项革命进行推广。
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》(AEuropeanStrategyforSustainable,CompetitiveandSecureEnergy)明确强调欧洲已经进入一个新能源时代,而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。
其他国家也纷纷启动智能电网相关研究和建设规划。
日本政府计划在与电力公司协商后,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,届时能提高该国环保能源的能力;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。
随着我国经济的快速发展,对电力的需求日益增强,而国内能源结构不合理、能源分布不均衡严重制约电力行业的发展。
特高压电网解决了远距离、大容量输电问题,在一定程度上解决了能源输送问题,但“重电源轻电网”导致供电可靠性较低,同时网架结构薄弱则限制了新能源有效利用。
为了解决这些问题,国内电网企业也开始寻求利用信息技术提高电网运营能力,而智能电网则是一个重要的研究方向。
2007年10月,华东电网正式启动了以提升大电网安全稳定运行能力为目的的智能互动电网可行性研究项目。
2008年4月,在前期智能电网研究成果的基础上,华东电网启动高级调度中心项目群建设,该项目是智能电网建设蓝图“三步走”的第一阶段“巩固提升”的重点内容。
从2007年华北电网公司开始进行智能电网相关的研究和建设,致力于打造智能调度体系,为智能输电网奠定基础;建立企业级服务总线,搭建智能电网信息架构;超前研发清洁能源关键技术,做好可再生能源并网准备;结合客户信息采集系统,试点建设智能供电网。
2009年华北电网将在前期工作的基础上,深度体会国网公司建设中国特色智能电网的概念、理论,结合华北特色大力建设智能电网,制定智能电网发展规划和实施方案,继续推进智能电网的研究和建设。
2009年初,国家电网公司启动了“坚强智能电网体系研究报告”、“坚强智能电网综合研究报告”和“智能电网关键技术研究框架”等重要课题的研究。
通过积极探索国内外智能电网技术发展动态,分析中国坚强智能电网技术需求,调研中国智能电网建设已有技术基础,揭示坚强智能电网的内涵与特征,制定了坚强智能电网总目标、技术框架体系与实施计划等。
2009年5月21日,在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上,国家电网公司正式宣布将建设“坚强的智能电网”,并公布了规划试点、全面建设、引领提升三阶段的建设方案。
随后国家电网公司将智能电网技术作为2009年科技重点工作领域之一,研究方向的确定和研究框架项目的实施,将会使智能电网脱离概念炒作阶段,正式进入规划建设阶段。
1.2.2美国研究现状
在美国,奥巴马政府的经济刺激计划中,有大约45亿美元贷款用于智能电网投资和地区示范项目。
智能电网采用数字技术收集、交流、处理数据,提高电网系统的效率和可靠性。
智能电网的倡导者要让客户相信,智能电网将帮助客户减少电费支出。
经济刺激方案规定,奖励高效率的电力公司。
智能电网联盟(由全球70家能源行业成员组成,该联盟认为智能电网对推动可再生能源利用和提高能源效率具有重要作用)近日发布了其成员荷兰KEMA企业撰写的2008年度《智能电网工作报告》。
《报告》指出:
智能电网技术将在未来几年内为美国直接创造出28万个新的就业机会。
另外,太阳能等分布式可再生能源、即插即拔式电动车等还将创造大量间接的工作机会,智能电网将带来数百万个“绿色就业机会”。
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。
美国还将集中对落后的电网系统进行升级换代,建立美国横跨四个时区的统一电网,逐步实现太阳能、风能、地热能的统一入网管理。
美国能源部西北太平洋国家实验室正在协助建立电网智能化联盟并进行实地示范,如近期完成的高级需求响应网络太平洋西北电网智能化试验台。
在该项目中,通过英维思控制器(InvensysControls)将家庭网关设备连接到装有IBM软件的新型高级仪表和可编程恒温器上,将112个家庭与实时电力价格信息联系起来。
最终结果表明,参与者节约了约10%的能源费用,并且需求响应良好。
加州已完成第一阶段试验性200万户小区先进电表系统(advancedmeteringinfrastructure,AMI)的安装,初步分析显示,节省电力可达16%~30%。
1.2.3欧洲研究现状
当前欧洲电网的基本结构,主要是满足大型传统化石燃料发电厂的远距离输电,而如今的能源问题使欧洲面临改变发电规划的现状。
低碳发电技术的发展和需求侧管理效率的大幅提高,将使用户能与电网互动。
以用户为中心的网络结构正朝我们走来,但这些根本性的改变,会给电网设计和控制带来很大影响。
在2004年12月召开的"国际可再生能源和分布式能源整合会议"上,电力工业和相关研究机构建议成立"未来电网欧洲技术论坛"(欧洲委员会下有近30个欧洲技术论坛)。
之后,欧洲委员会研究总局为该技术论坛制定了基本理念和指导原则。
2005年,"智能电网欧洲技术论坛"正式成立。
该论坛包括了来自制造、输配电系统运行、研究机构和监管部门的代表,主要目标是:
把当前的电网转换成一个用户和运营者互动的服务网,以提高欧洲输配电系统的效率、安全性及可靠性,并为分布式和可再生能源发电的大规模整合扫除各种障碍。
成立该技术论坛之前,在欧盟第5次框架计划中的"欧洲电网中的可再生能源和分布式发电整合"专题下,策划了50多个项目,分为分布式发电、输电、储能、高温超导体和其它整合项目五大类。
这些项目被认为是发展互动电网第一代构成元件和新结构的起点。
这些项目中有许多于2001年开始实施,并已成功达到了预期效果。
2006年4月,"智能电网欧洲技术论坛"的顾问委员提出了智能电网的愿景,之后又制定了战略研究议程,用于指导欧盟及其各国开展相关项目,促成了智能电网的实现。
欧洲于2005年启动了SmartGridsTechnologyplatform,它的目标是提出开发欧洲2020年的电力网络的愿景。
它分为4个工作组分别是:
NetworkAssets(网络资产)、NetworkOperations(网络运行)、Demand&Metering(需求与计量)、Generation&Storage。
(发电与储能)。
欧洲拟准备成立智能电网协会,进一步加强智能电网的分析和协调,提供权威信息并制定标准。
法国电力公司日前正在美国诺福克试验一种特动态能源储存系统,它有助于电网协调来自北海的间歇性风电。
法国电力公司网络同意与瑞士ABB公司之间的交易,即使用ABB公司SVCLight的“聪明电网”技术。
该系统将使用高技术的锂离子电池和超导体电力晶体管均衡连接风电场配电网络负荷。
SVC设施预计将在2009年末投入使用。
它允许更多新能源电力与现有电网连接,它还将展示其能源储藏功能。
意大利EnelS.p.A于2005年安装了最早也是最大的智能电网,该项目采用了自己的测量仪表并开发了自己的软件系统,该项目被广泛认为是第一个部分采用智能电网技术的商用网络。
项目大约投资21亿里拉,每年大约节省5亿里拉。
欧洲智能电网建设的驱动因素可以归结为市场、安全与电能质量、环境等三方面。
欧洲电力企业受到来自开放的电力市场的竞争压力,亟须提高用户满意度,争取更多用户。
因此提高运营效率、降低电力价格、加强与客户互动就成为了欧洲智能电网建设的重点之一。
欧洲电力用户也对电力供应和电能质量提出了更高的要求,又对环境保护的极度重视,造成欧洲智能电网建设比美国更为关注可再生能源的接入,适应可再生电源和分布式电源发展要求,实现电源“即插即用”的更友好、更灵活的接入方式,以及与用户互动,提出智能电网建设目标。
1.3中国智能电网的发展及现状
沉睡的财富:
中国输电系统是世界上最浪费的网络资源。
国家电网、南方电网两个公司应该是国家控制力最强的资源和企业,也是拥有世界上最“沉睡”财富的企业。
根据中国电力企业联合会的统计:
截至2008年年底,全国电网220千伏及以上输电线路回路长度已达36.48万千米,220千伏及以上变电设备容量达到138714万千伏安。
这个庞大的输电系统是世界上最“沉睡”的财富,也是最浪费的网络资源,其已利用的输电、变电和供电的功能仅相当于开发了整个网络功能的一半而已。
如同5尺的身高衣长却20尺;如同6车道的路面却只准单车道行驶,不但行动不便,而且浪费。
这就需要对中国电网进行信息化升级,它的任务就是将这个单车道变为双向双车道、双向四车道,使我们的电网进入计算机和即时通信系统时代,同时也使人类发现网络新大陆。
这将是自蒸汽机使用以来最伟大的工业革命成就之一,也是可再生能源替代化石能源作为主力能源的必然选择。
现在这个革命已经在欧美展开,中国迫切需要调整国家能源战略,成为电网革命的主力国家。
如果我们现在不推进智能电网的整体改造,中国能源生产体系将再次落后美欧等先进国家10年,这个失着也相当于在能源革命中的战败。
领跑的魅力:
中国应该成为电网革命的主力国家。
面对国际电网业如此之大的变革,应该说,我们还没有确定将现有的国有电网升级为智能电网的总体战略和推进超导电网商业化的试点安排,而且,国内智能电网的技术发展基本上还属于国际上的较低水平,也没有一个城市全面运营智能电网。
2007年10月,中国的华东电网等正式启动了智能电网的可行性研究项目,这是中国目前推进的最大的智能电网技术开发项目。
2009年1月20日,华东电网公司又进一步强调:
“聚焦高级调度中心项目群建设,开展智能电网前瞻性研究,开展企业一体化信息平台建设,全面推进创新型企业建设,提升公司引领发展的能力。
”由此说明华东电网的智能电网技术也只处于起步状态,还没有深入到国际智能电网技术的核心体系。
“十一五”期间,中国电力信息化每年约有超过100亿元的投资,如果从现在开始就着眼于智能电网的建设,效益将是巨大的;如果扩大这个投资规模,中国将可能成为主导全球智能电网变革的领先国家。
应该说,我们正有可能与主导国际电网革命的主力国家的身份擦肩而过,也极有可能失去自工业革命以来唯一一次中国在生产方式方面领先革命的机遇。
为此,必须加快制定中国电网体系变革的转型战略。
与欧美电网发展的区别。
按照国网,“统一坚强智能电网”是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的、具有“四化”功能的坚强电网。
“四化”的概念就是指电网的数字化、信息化、自动化、互动化,这是一个比较大的概念和框架。
欧美智能电网的概念与此有一定区别,像美国GRID2030计划,其主要的目标是要建设一个坚强的电网,提高服务水平。
GRID2030计划从三个方面来达到
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