智能电网的发展现状与存在问题研究本科毕业设计论文.docx
《智能电网的发展现状与存在问题研究本科毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能电网的发展现状与存在问题研究本科毕业设计论文.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能电网的发展现状与存在问题研究本科毕业设计论文
题目：
智能电网的发展现状与问题研究
姓名：
学号：
学院：
物理与机电工程学院
专业：
自动化
年级班级：
10级
（2）班
指导教师：
张鸿辉讲师
2014年05月18日
毕业论文（设计）作者声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。
同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描等方式进行保存、摘编或汇编；同意本论文被编入有关数据库进行检索和查阅。
本毕业论文内容不涉及国家机密。
论文题目：
智能电网的发展现状与问题研究
作者单位：
物理与机电工程学院
作者签名：
年月日
目录
摘要1
引言1
1.绪论2
1.1智能电网的概念及特性2
1.2智能电网的发展现状3
2.智能电网与新能源发电4
2.1新能源概述4
2.2我国能源资源分布现状4
2.3智能电网在新能源发电中的作用5
2.4新能源接入与控制7
3.智能电网与能源资源优化配置8
3.1如何实现能源资源优化8
3.2智能电网与能源资源优化配置9
3.3特高压输电技术10
3.4高效节能输电技术11
4.智能电网与新能源可靠性供电12
4.1建设坚强电网网架12
4.2智能电网中的智能调度12
4.3装备的智能化13
5.智能电网的前景13
6.结语14
参考文献14
致谢15
智能电网的发展现状与存在问题研究
摘要：
智能电网是21世纪人类最重要的科技创新和伟大发明。
随着新能源资源的开发和利用，智能电网通过特高压、高效节能和智能调度等技术，有效解决了电力的大规模、远距离、低损耗传输问题，提高了新能源发电的可靠性。
从而实现了和新能源资源的优化配置，是协调经济发展和环境保护的新兴能源。
关键词：
智能电网；新能源发电；资源优化配置
TheSmartGridDevelopmentPresentSituationandExistingProblemsResearch
Abstract:
Thesmartgridisthemostimportantinthe21stcentury,humanscienceandtechnologyinnovationandinvention.Withthedevelopmentandutilizationofnewenergyresources,thesmartgridbyultra-highpressure,highefficiencyandenergysavingandsmartschedulingtechnology,effectivelysolvedtheproblemofmass,longdistance,lowlossofpowertransmission,andimprovethereliabilityofthenewenergypowergeneration.Soastorealizetheoptimizedconfiguration,andnewenergyresourcesisanewkindofenergytocoordinateeconomicdevelopmentandenvironmentalprotection.
KeyWords:
Smartgrid;Newenergypowergeneration;Optimalallocationofresources
引言
从原始的煤炭发电，到风能、水能发电，再到生物能、热能、核能等技术；近年来，随着科技的迅猛发展，各种新型能源被开发和整合出来，并在不同领域扮演着重要的角色。
智能电网的出现，极大地丰富了新能源资源优化配置的内涵。
作为一项新兴的电力技术，智能电网和传统电网相比，在经济性、安全性、可靠性等方面有很大的优越性。
不但可以使智能供电的稳定性和可靠性得到提高、输电网的电能损耗得到降低、电力系统的性能得到提升，而且可以减少对环境的危害。
为了适应高度市场化的电力资源需求，提高新能源资源的整合和效率，满足顾客多样化的需求，许多国家都提出要建设具有可靠、安全、经济、高效、清洁、友好等性能的智能电网，并把智能电网视为未来电网的发展方向[1]。
能源和资源供需紧张已成为影响我国经济平稳较快发展的突出矛盾，因此本文主要从新能源资源的优化配置、新能源可靠性发电等方面全面阐述智能电网在实现能源资源优化、促进经济发展、满足人民生活需等方面的作用和实际意义。
1.绪论
1.1智能电网的概念及特性
所谓智能电网，就是电网的智能化。
它建立在物理电网的基础上，以集成、高速双向通信网络为平台，依靠先进的高科技设备技术、专业的传感和测量技术、精确的智能控制方法和发达的决策支持系统技术，达到电网的安全、可靠、高效、经济和友好的目标。
智能电网的主要特点包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供可靠的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行[2]。
1.1.1美国智能电网的概念
美国的智能电网有七大特点：
①自愈：
依靠自动化监测设备，及早发现电网在工作时出现的问题，预测可能发生的状况；而且能够在故障发生时，迅速隔离故障、自我修复，及时避免大规模停电的发生，降低因停电造成的经济损失
②互动：
广大消费者可以与电力公司互动，自由地选择适合自己的供电模式；还可以向电力公司提出自己的意见，以满足其特殊需求；
③兼容：
智能电网能接入多种分布式电源，如风能、太阳能等可再生能源；
④交易：
现代电网支持全国性交易，允许地方性与局部的革新。
⑤创新：
鼓励产品创新，满足市场发展；
⑥优质：
电压、频率波动等特征满足供电质量的需要，有效控制谐波污染，满足多种行业对电能的需求，保证用户用电质量，使电能质量差别定价得到实现；
⑦安全：
建设坚强的电网网络，提升电网面对网络攻击和物理攻击的性能，及时处理系统出现的故障，保障系统安全、可靠运行。
1.1.2中国智能电网的基本概念
改革开放后，我国首要任务就是以经济建设为中心，大力发展生产力。
目前，我国经济建设迅速发展，电网的建设面临着巨大的压力；而且地区能源资源的分布与经济发展不平衡:
用电负荷中心多在中东部地区，但是能源中心却分布在西部和北部等地区，太阳能资源主要分布于西藏、新疆等西部地区，占有大部分的风能资源主要分布在东北、西北以及部分沿海地区。
特殊的条件决定了我国电网必须以特高压输电网为基础，建设稳定的输电系统，实现能源资源的优化配置，实现电力系统更高层次的智能化。
我国提出的坚强智能电网定义是：
以特高压输电网为骨干网架、多级电网共同发展的网架为基础，依靠通信信息技术，具有高度信息化、智能化和互动化。
覆盖电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和智能调度各个环节和所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网。
1.2智能电网的发展现状
1.2.1美国智能电网发展现状
2001年,美国电力科学院提出了“Intelligrid”的概念，并在2003年提出《智能电网研究框架》作为研究指导；美国能源部随即提出了Grid2030计划,依靠先进的材料技术、领先的超导技术、发达的电力电子技术，把工作重心放在控制技术、储能技术、广域测量技术、新能源发电技术、仿真技术等，努力构建国家骨干电网、局部区域性电网、地方性电网和微型电网等多层次、多级别的电力网络。
力求到2030年建设具有完全自动化、安全可靠、高效、灵活应变、低成本的输配电系统，提高电网的安全性和稳定性，提供给用户可靠性的供电网络及优质的电能质量，满足社会各方面的需求。
1.2.2我国智能电网的发展现状
虽然我国关于智能电网的研究稍晚，但在智能电网相关的技术领域展开了深入的研究和探索。
在1999年进行的“我国电力大系统灾变防治和经济运行的重大科学问题研究”会议上，就已经提出过“数字电力系统”的概念。
近年来国内也在一直不断关注国内外智能电网方面的最新研究进展。
2007年10月，华东电网正式启动了智能电网可行性研究项目，计划建成具有自愈能力的智能电网。
2008年11月11日到13日，中美清洁能源合作组织召开了特别会议，在会上首次使用“SmartGrid”这个概念，我们翻译为“智能电网”。
在2009年5月召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，中国国家电网公司正式提出“坚强智能电网”的概念，并计划到2020年基本完成建设具有中国特色的坚强智能电网，由此，中国智能电网的研究与建设正式拉开了序幕。
2.智能电网与新能源发电
2.1新能源概述
新能源是在新技术基础上系统地开发利用的一次能源，如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能等。
它们都属于可再生清洁能源。
但是无论从世界还是从中国来看，一次化石能源都是有限的，中国的一次化石能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10％。
从长远来看，新能源将是未来人类的主要能源来源[3]。
2.2我国能源资源分布现状
2.2.1石油资源分布
我国石油资源主要分布在黑龙江、新疆、山东、河北、陕西、辽宁、吉林等北部和西部地区。
我国的大中型油气田大都分布在长江以北的东北、华北和西北地区，油气产量占到全国的90%以上
2.2.2煤炭资源分布
据全国第3轮煤炭资源预测资料，全国垂深2000m以内浅煤炭资源总量为5.6万亿吨。
截至2005年底，全国煤炭保有资源量为11031亿吨，排在俄罗斯和美国之后，居世界第3位。
新疆、内蒙古、山西、陕西、贵州、宁夏6省（区）煤炭保有储量占全国的81.2%，是我国煤炭资源最富集的地区。
2.2.3水资源分布
我国水能资源总量丰富，在西南地区（四川、重庆、云南、贵州、西藏）分布较多，约占全国的70%左右。
其中河流和湖泊是淡水资源的主要集中地区，长江何黄河等主要河流蕴含的水能资源丰富，其含有的水能占经济可开发量的绝大多数，这些资源表明我国利用水资源发电有着极大的空间[4]。
2.2.4天然气资源分布
据新一轮油气资源评价结果，我国常规天然气资源量约为56万亿立方米.
主要分布在塔里木、四川、鄂尔多斯、柴达木、松辽、东海、琼东南、莺歌海和渤海湾等九大盆地。
其中，塔里木、四川、鄂尔多斯三大盆地天然气资源丰富，资源量约占全国52.3%。
2.2.5风能资源分布
我国风能开发潜力逾25亿kW，陆上离地面50m高度达到3级以上的风能资源的含量丰富，其潜在的开发量大概是23.8亿kW，在很多近海区域、离海平面50m高度的区域容量约2亿kW。
我国陆地风能资源主要分布在新疆、内蒙古和甘肃等西北地区。
2.2.6核能资源分布
我国铀矿资源丰富，第二轮勘查预测储量超过200万吨。
我国勘查程度低，已完成铀矿普查面积不到国土面积的1/3，具有良好勘探前景的500m-1500m深度的地层基本没有开展勘探工作。
我国铀矿资源主要分布在江西、新疆、内蒙的鄂尔多斯、广东、辽宁等地。
2.2.7生物质能资源分布
我国生物质能资源形式多样，主要有树木的枝桠、动物粪便、农作物的秸秆、排放的污水和垃圾等。
农作物秸秆、畜禽粪便、生活和工业垃圾主要分布在东部地区，农林业的废弃物等主要分布在西部、北部和西南地区。
2.2.8太阳能资源分布
据估算，每年太阳辐射能在我国陆地表面占有量约为1.47×108亿kWh，相当于4.9万亿吨标准煤，相当很多发电站的发电总和。
我国西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古、山西、陕西、河北、山东、辽宁、吉林、云南、广东、福建、海南等地区的太阳辐射能量较大，属于太阳能利用条件较好的地区，尤其是青藏高原地区太阳能资源最为丰富。
2.3智能电网在新能源发电中的作用
目前，新能源的开发和利用主要以生产电能的形式进行，由新能源转换而来的电能必须在电网调度系统的指挥与控制下，经过电网的输、变、配、用等环节，才能最终给用户带来光明。
而现在传统的电网结构并不能满足大规模新能源接入的要求，从全国各地纷至沓来的新能源在接入电网的时候陷入了“车多路少、拥堵不畅”的尴尬局面。
因此，必须加强智能电网建设，才能满足大规模新能源接入的需要。
此时，智能电网这一接纳新能源的高速公路也就应运而生。
2.3.1智能电网让新能源发电“送得出”
由于新能源发电大多地处偏远地区、荒漠地带，在电网结构上也是位于电网线路的末端，距离负荷中心较远，因此需要通过远距离输电线路输送。
智能电网输电新技术的研究与应用满足了大规模新电力的输送要求。
2.3.2智能电网让新能源发电“送得准”
新能源大多与当地的气候条件紧密相连，风电离不开风、太阳能发电更是离不开晴空万里。
而天气变化、风云莫测，阴晴不定的气候条件使得新能源发电大多具有间歇性、周期性、波动性等特点。
智能电网的调度系统作为电网运行的神经中枢在为大规模间歇式新能源输送保驾护航的同时，保证了电网的安全稳定运行。
在电网的智能调度系统中，利用天气预报的方式预测新能源发电，将让不可捉摸的间歇式新能源尽在智能电网调度的掌握之中[5]。
根据新能源的分布特性以及许多风力发电、光伏发电基地之间的相互关联特性的新能源调度运行控制技术将充分利用电网的储能、蓄能设施，协调配合其它发电能源，平抑风力发电、光伏发电等新能源发电的功率波动，实现电网稳定控制，以及新能源与常规电源的智能协调优化运行。
2.3.3智能电网让新能源发电“落得下、用的好”
目前我国的新能源发电呈现出“大规模集中开发、中高压接入”与“分散开发、低电压就地接入”并举的发展趋势。
表现在电站形式上一种是大型电站，另一种则是分布式电源，而大规模新能源的分布式接入相对于传统的配用电系统有着新的革新。
智能配电网技术根据新能源分布式接入，影响了配电网在布局、工作、控制等方面，成功开发了智能化的配用电系统，保障了新能源资源的分布式接入。
这些研究成果将保证广大用户用电的安全、可靠。
智能用电服务系统为电力企业和电力用户之间提供了友好、可视的交互平台，是电力公司联接客户的桥梁。
广大用户可以通过简便的操作获知自己使用的用电信息，而电力系统也可以通知用户供电的信息等。
所有的这些智能化的设备将推动着智能电网的发展，掌控着分布式新能源的接入与控制，使配电网供电更加可靠，广大用户可以获得优质、安全的新电力[6]。
2.3.4智能电网要使新能源发电“发得稳”
电网是连接电源和用户的桥梁，负责将各种不同类型的电源发出的电力输送到最终用户。
同时，电源又必须严格满足电网安全可靠运行的要求，服务大局，根据电网调度的指令实施发电调节与控制。
因此，在智能电网－这一接纳新能源的高速公路上，尽管新能源一个个秉性各异，对电网的影响也是各不相同，但定位却要一样。
即新能源发电接入电网后必须具备接近常规水火电机组的优良性能、能够支撑电网的安全稳定运行，与电网实现良性互动。
目前智能电网在发电环节一方面通过完善新能源发电接入电网的技术标准，规范新能源电站必须具备的性能指标，引导新能源发电先进技术与先进装备的开发与应用。
另一方面通过重点研究先进的新能源发电核心控制技术，如自动电压控制、自动发电控制、故障穿越技术等，使新能源电站在向电网提供优质电能的同时，具备支撑电网运行的能力，实现与电网的灵活互动。
另外，储能技术是改善新能源电站输出功率稳定性的有效措施，在电网中增加储能电源，通过合理控制储能电源的运行，对于抑制新能源的功率波动，提高电网接纳新能源能力，降低电网运行风险具有重要作用。
2.4新能源接入与控制
2.4.1接入方式及要求
规模大的风能、太阳能等可再生能源资源需要走集中开发、规模外送、中高压接入输电网，大范围消纳的发展道路。
小规模的新能源作为分布式能源接入配电网，就地消纳。
为了规范新能源电站必须具备的性能指标，引导新能源发电先进技术与先进装备的开发与应用，保证电网的安全与稳定，实现新能源与电网的灵活互动，必须制定新能源发电接入智能电网的技术标准。
国家电网公司于2009年分别针对风电场和光伏电站接入电网出台了相关的技术规定，并在所辖电网区域里推行。
技术规定分别对风电场和光伏电站在接入电网之后的电能质量、功率控制和电压调节、电网异常时的响应特性等方面进行了具体的规定，并要求风电场、大型和中型光伏电站必须具备与电网调度机构进行通信的能力。
2.4.2新能源自动控制功能
（一）有功功率控制
新能源电站应具有有功功率调节能力，并能根据电网调度机构指令控制其有功功率输出。
为了实现对新能源电站有功功率的控制，电站需要安装有功功率控制系统，能够接收并自动执行电网调度机构远方发送的有功出力控制信号，根据电网频率值、电网调度机构指令等信号自动调节电站的有功功率输出，确保电站最大输出功率及功率变化率不超过电网调度机构的给定值，以便在电网故障和特殊运行方式时保证电力系统稳定性[7]。
（二）电压/无功调节
新能源电站应具备电压/无功调节能力，参与电网电压调节的方式包括调节电站的无功功率、调节无功补偿设备投入量以及调整电站升压变压器的变比等。
新能源电站的功率因数应能够在允许范围内连续可调，有特殊要求时，可以与电网企业协商确定。
在其无功输出范围内，新能源电站应具备根据并网点电压水平调节无功输出，参与电网电压调节的能力，其调节方式、参考电压、电压调差率等参数应可由电网调度机构远程设定。
（三）启动
新能源电站能够按照电网调度机构的启动指令执行，但启动时需要考虑电站的当前状态和本地测量的信号。
新能源电站启动时应确保输出的有功功率变化不超过所设定的最大功率变化率。
（四）停机
新能源电站能够按照电网调度机构的停机指令执行或发生电气故障时自动停机。
正常停机情况下，新能源电站同时切除的功率应在电网允许的最大功率变化率范围内[8]。
3.智能电网与能源资源优化配置
3.1如何实现能源资源优化
当前，能源和资源供需紧张已成为影响我国经济平稳较快发展的突出矛盾。
电网是实现我国能源战略布局的重要手段、能源产业链的重要环节和国家综合运输体系的重要组成部分，电网的发展与我国的能源资源优化密切相关。
加快建设具有坚强骨干网架的智能电网，能够有效解决电力的大规模、远距离、低损耗传输问题，促进大型水电、煤电、核电、可再生能源基地的集约化开发，从而实现全国乃至更大范围内能源资源优化配置。
3.2智能电网与能源资源优化配置
我国一次能源分布及区域经济发展的不均衡性和人均资源匮乏短缺，决定了我国能源资源大规模跨区域调配和全国范围优化配置的必然性。
智能电网是科学合理能源资源利用体系的重要载体，为在更大范围内实现能源资源优化配置提供了平台[9]。
我国现有电网的跨区域输电能力、安全稳定运行水平、抵御自然灾害能力等方面亟待提高。
因此，必须建设智能电网，推进新能源资源的整合和利用，为大范围的能源资源优化提供可靠的保障。
3.2.1电力远距离大容量传输
根据国家能源发展战略，规划建设的西部和北部大型煤电基地、西南水电基地与中东部负荷中心地区的距离在800～3000km，要实现能源基地的大规模电力外送，必须依托先进的特高压输电技术，建设电力输送的“高速公路”，提升电网的资源优化配置能力。
研究表明，到2020年，坚强智能电网可使电网跨区域输送能力从2亿kW提升到4亿kW。
届时将基本可以做到输煤输电并举，相互促进，相互补充，能够较好地满足各地区能源电力发展和经济社会用电需要。
3.2.2提高能源输送经济性
从我国西部、北部煤电基地输煤输电到中东部负荷中心，无论是基于落地电价还是基于输送环节价格进行比较，输电均比输煤更经济可行。
输电到受端的落地电价比输煤到受端建电厂的上网电价低0.02～0.11元/kWh，输电价与输煤折算电价之比为1:
1.3～1:
3.1[10]。
因此建设坚强智能电网，可提高西部和北部能源基地外送的输电比重，并有效提高能源输送经济性。
3.2.3提高电力系统对清洁能源的消纳能力
“低碳环保、节约能源”已成为当今时代发展的主题，所以发展清洁能源已成为我国能源战略调整的核心内容，是推进节能减排、应对气候变化的重要举措。
我国在“三北”地区规划建设的千万kW级风电基地、西北地区规划建设的百万kW级太阳能光伏电站基地。
由于风电、太阳能发电出力具有随机性和间歇性，西北地区负荷规模有限，本地消纳风电和太阳能电力的能力有限，需要远距离外送到中东部负荷中心地区，在更大范围内消纳。
通过建设坚强智能电网，通过跨区联网扩大清洁能源的消纳市场，采用智能化调度运行等举措，到2020年全国的风电开发规模可达到1亿kW以上。
3.3特高压输电技术
特高压输电网是相对于超高压和高压输电网的一种更高电压的输电技术，是一种多层次、多区域、多结构的智能化大电网[11]。
3.3.1特高压输电的优越性
（1）输送容量大
1000kV特高压交流按自然功率输送能力是500kV交流输电的5倍，在采用同种类型的杆塔设计的条件下，1000kV特高压交流输电线路单位走廊宽度的输送容量约为500kV交流输电的3倍。
（2）节约土地资源
±800kV直流输电方案的线路走廊宽度约76m，单位走廊宽度输送容量约为84MW/m，是±500kV直流输电方案的1.3倍，溪洛渡、向家坝、乌东德、白鹤滩水电站送出工程采用±800kV级直流与采用±600kV级直流相比，输电线路可以从10回减少到6回。
总体来看，特高压交流输电可节省约2/3的土地资源，特高压直流可节省约1/4的土地资源。
（3）输电损耗低
与超高压输电相比，特高压输电线路损耗大大降低,特高压交流线路损耗是超高压线路的1/4；±800kV直流线路损耗是±500kV直流线路的39％。
（4）工程造价省
采用特高压输电技术可以节省大量导线和铁塔材料，以相对较少的投入达到同等的建设规模，从而降低建设成本。
在输送同容量条件下，特高压交流输电与超高压输电相比，节省导线材料约一半，节省铁塔用材约2/3。
1000kV交流输电方案的单位输送容量综合造价约为500kV输电的3/4。
3.4高效节能输电技术
为了解决对输电容量的需求持续增长与建设新线路困难的矛盾，近年来人们开始将更多的注意力从电网的扩张转移到挖掘现有网络的潜力上，研究利用其他高效节能输电新技术来均衡电网的潮流和提高输电线路的输送容量，从而提高输电网的输送能力。
3.4.1柔性输电技术
柔性输电技术是基于现代大功率电力电子技术及信息技术的现代输电技术。
柔性输电技术可提高输配电系统的可靠性、可控性、可观性、运行性能及电能质量，是一项对未来电力系统的发展可能产生巨大变革性影响的新技术。
柔性输电技术分为柔性直流输电技术和柔性交流输电技术[12]。
（1）柔性直流输电技术
柔性直流输电技术自身灵活控制直流和交流电压的功能，可将它放置在系统薄弱环节以增强系统的稳定性，适合向远地负载、小岛、海上钻井等孤立网络供电，尤其适合用于风力发电系统。
（2）柔性交流输电技术
柔性交流输电技术（FlexibleAlternatingCurrentTransmissionSystems，FACTS）又称为灵活交流输电技术。
FACTS技术是基于电力电子技术改造交流输电的系列技术，它可以对交流电的无功功率、电压、电抗和相角进
升级会员 