智能电网基础知识.docx
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智能电网基础知识
智能电网基础知识
二0一一年二月
一、智能电网概述
二、“智能电网关键设备（系统）研制规划”摘录及解读
三、配电自动化基础知识
附录：
物联网技术基础知识
一、智能电网（smartpowergrids）概述
智能电网就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、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。
智能电网是自愈电网。
1.智能电网激励和包括用户。
2.智能电网将抵御攻击。
3.提供满足21世纪用户需求的电能质量。
4.减轻来自输电和配电系统中的电能质量事件。
5.容许各种不同类型发电和储能系统的接入。
6.智能电网将使电力市场蓬勃发展。
7.优化其资产应用，使运行更加高效。
通信技术
量测技术
设备技术
控制技术
支持技术
标准体系
1.智能电网是自愈电网。
2.智能电网激励和包括用户。
3.智能电网将抵御攻击。
4.提供满足21世纪用户需求的电能质量。
5.减轻来自输电和配电系统中的电能质量事件。
6.容许各种不同类型发电和储能系统的接入。
7.智能电网将使电力市场蓬勃发展。
8.优化其资产应用，使运行更加高效。
美国电力科学研究院将智能电网定义为：
一个由众多自动化的输电和配电系统构成的电力系统，以协调、有效和可靠的方式实现所有的电网运作，具有自愈功能；快速响应电力市场和企业业务需求；具有智能化的通信架构，实现实时、安全和灵活的信息流，为用户提供可靠、经济的电力服务。
中国的智能电网的基本特征是在技术上要实现信息化、自动化、互动化。
1、基本简介
智能电网概念的发展有3个里程碑：
第一个就是2006年，美国IBM公司提出的“智能电网”解决方案。
IBM的智能电网主要是解决电网安全运行、提高可靠性，从其在中国发布的《建设智能电网创新运营管理－中国电力发展的新思路》白皮书可以看出，解决方案主要包括以下几个方面：
一是通过传感器连接资产和设备提高数字化程度；二是数据的整合体系和数据的收集体系；三是进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理。
该方案提供了一个大的框架，通过对电力生产、输送、零售的各个环节的优化管理，为相关企业提高运行效率及可靠性、降低成本描绘了一个蓝图。
是IBM一个市场推广策略。
第二个是奥巴马上任后提出的能源计划，除了已公布的计划，美国还将着重集中对每年要耗费1200亿美元的电路损耗和故障维修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；发展智能电网产业，最大限度发挥美国国家电网的价值和效率，将逐步实现美国太阳能、风能、地热能的统一入网管理；全面推进分布式能源管理，创造世界上最高的能源使用效率。
可以看出美国政府的智能电网有三个目的，一个是由于美国电网设备比较落后，急需进行更新改造，提高电网运营的可靠性；二是通过智能电网建设将美国拉出金融危机的泥潭；三是提高能源利用效率。
第三个是中国能源专家武建东提出的“互动电网”。
互动电网，英文为InteractiveSmartGrid，它将智能电网的含义涵盖其中。
互动电网定义为：
在开放和互联的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，是集合了产业革命、技术革命和管理革命的综合性的效率变革。
它将再造电网的信息回路，构建用户新型的反馈方式，推动电网整体转型为节能基础设施，提高能源效率，降低客户成本，减少温室气体排放，创造电网价值的最大化。
2、互动电网的作用
互动电网既是下一代全球电网的基本模式，也是中国电网现代化的核心
互动电网还可以通过电子终端将用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现电力数据读取的实时、高速、双向的总体效果，实现电力、电讯、电视、智能家电控制和电池集成充电等的多用途开发，实现用户富裕电能的回售；可以整合系统中的数据，完善中央电力体系的集成作用，实现有效的临界负荷保护，实现各种电源和客户终端与电网的无缝互连，由此可以优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，形成电网全新的服务功能，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。
实际上，互动电网的本质就是能源替代、兼容利用和互动经济。
从技术上讲，互动电网应是最先进的通讯、IT、能源、新材料、传感器等产业的集成，也是配电网技术、网络技术、通信技术、传感器技术、电力电子技术、储能技术的合成，对于推动新技术革命具有直接的综合效果。
由此，智能电网具备可靠、自愈、经济、兼容、集成和安全等特点。
互动电网学说的本质就是以信息革命的造发性标准和技术手段大规模推动工业革命最重要财产——电网体系的革新和升级，建立消费者和电网管理者之间的互动。
互动电网的功效包括：
一是智能电网能够实现双向互动的智能传输数据，实行动态的浮动电价制度；二是可以利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合，遇到电力供应的高峰期之时，能够在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口，从而达到对整个电力系统运行的优化管理；三是智能电网能够将新型可替代能源接入电网，比如太阳能、风能、地热能等，实现分布式能源管理；四是可以提高供电效率，减少能量损耗，改善供电质量，解决电网商业化运转；五是智能电表可以作为互联网路由器，推动电力部门以其终端用户为基础，进行通信、宽带业务或传播电视信号。
为此，IT产业的深度革命和能源革命将成为孪生兄弟，智能电网改革将推动全球能源革命的深度扩散。
通过建造互动的电网，将推进IT革命进入创新阶段；将为消费者提供更好的减少能源消耗的路径；将为整个社会节约成本、降低温室气体排放，并促进绿色经济占统治地位。
武建东认为，定义一个概念解放一个时代，把握一个概念焕发一个行业的潜能，而界定电网信息化的概念是确定一个国家电网现代化的基本前提。
中国电网升级化路线应该定义为互动电网的变革，互动电网的发展是全球工业和信息业的一次新产业革命、技术革命和管理革命，应该以此为基础制定中国高起点的电网现代化的战略发展路线。
3、主要特征
智能电网包括八个方面的主要特征，这些特征从功能上描述了电网的特性，而不是最终应用的具体技术，它们形成了智能电网完整的景象。
智能电网是自愈电网。
“自愈”指的是把电网中有问题的元件从系统中隔离出来并且在很少或不用人为干预的情况下可以使系统迅速恢复到正常运行状态，从而几乎不中断对用户的供电服务。
从本质上讲，自愈就是智能电网的“免疫系统”。
这是智能电网最重要的特征。
自愈电网进行连续不断的在线自我评估以预测电网可能出现的问题，发现已经存在的或正在发展的问题，并立即采取措施加以控制或纠正。
自愈电网确保了电网的可靠性、安全性、电能质量和效率。
自愈电网将尽量减少供电服务中断，充分应用数据获取技术，执行决策支持算法，避免或限制电力供应的中断，迅速恢复供电服务。
基于实时测量的概率风险评估将确定最有可能失败的设备、发电厂和线路；实时应急分析将确定电网整体的健康水平，触发可能导致电网故障发展的早期预警，确定是否需要立即进行检查或采取相应的措施；和本地及远程设备的通信将帮助分析故障、电压降低、电能质量差、过载和其他不希望的系统状态，基于这些分析，采取适当的控制行动。
自愈电网经常应用连接多个电源的网络设计方式。
当出现故障或发生其他的问题时，在电网设备中的先进的传感器确定故障并和附近的设备进行通信，以切除故障元件或将用户迅速地切换到另外的可靠的电源上，同时传感器还有检测故障前兆的能力，在故障实际发生前，将设备状况告知系统，系统就会及时地提出预警信息。
智能电网激励和包括用户。
在智能电网中，用户将是电力系统不可分割的一部分。
鼓励和促进用户参与电力系统的运行和管理是智能电网的另一重要特征。
从智能电网的角度来看，用户的需求完全是另一种可管理的资源，它将有助于平衡供求关系，确保系统的可靠性；从用户的角度来看，电力消费是一种经济的选择，通过参与电网的运行和管理，修正其使用和购买电力的方式，从而获得实实在在的好处。
在智能电网中，用户将根据其电力需求和电力系统满足其需求的能力的平衡来调整其消费。
同时需求响应计划将满足用户在能源购买中有更多选择的基本需求，减少或转移高峰电力需求的能力使电力公司尽量减少资本开支和营运开支，通过降低线损和减少效率低下的调峰电厂的运营，同时也提供了大量的环境效益。
在智能电网中，和用户建立的双向实时的通信系统是实现鼓励和促进用户积极参与电力系统运行和管理的基础。
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，同时用户也可以根据这些信息制定自己的电力使用的方案。
智能电网将抵御攻击。
电网的安全性要求一个降低对电网物理攻击和网络攻击的脆弱性并快速从供电中断中恢复的全系统的解决方案。
智能电网将展示被攻击后快速恢复的能力，甚至是从那些决心坚定和装备精良的攻击者发起的攻击。
智能电网的设计和运行都将阻止攻击，最大限度地降低其后果和快速恢复供电服务。
智能电网也能同时承受对电力系统的几个部分的攻击和在一段时间内多重协调的攻击。
智能电网的安全策略将包含威慑、预防、检测、反应，以尽量减少和减轻对电网和经济发展的影响。
不管是物理攻击还是网络攻击，智能电网要通过加强电力企业与政府之间重大威胁信息的密切沟通，在电网规划中强调安全风险，加强网络安全等手段，提高智能电网抵御风险的能力。
提供满足21世纪用户需求的电能质量。
电能质量指标包括电压偏移、频率偏移、三相不平衡、谐波、闪变、电压骤降和突升等。
由于用电设备的数字化，对电能质量越来越敏感，电能质量问题可以导致生产线的停产，对社会经济发展具有重大的损失，因此提供能满足21世纪用户需求的电能质量是智能电网的又一重要特征。
但是电能质量问题又不是电力公司一家的问题，因此需要制定新的电能质量标准，对电能质量进行分级，因为并非所有的商业企业用户和居民用户，都需要相同的电能质量。
电能质量的分级可以从“标准”到“优质”，取决于消费者的需求，它将在一个合理的价格水平上平衡负载的敏感度与供电的电能质量。
智能电网将以不同的价格水平提供不同等级的电能质量，以满足用户对不同电能质量水平的需求，同时要将优质优价写入电力服务的合同中。
减轻来自输电和配电系统中的电能质量事件。
通过其先进的控制方法监测电网的基本元件，从而快速诊断并准确地提出解决任何电能质量事件的方案。
此外，智能电网的设计还要考虑减少由于闪电、开关涌流、线路故障和谐波源引起的电能质量的扰动，同时应用超导材料、储能以及改善电能质量的电力电子技术的最新研究成果来解决电能质量的问题。
另外，智能电网将采取技术和管理手段，使电网免受由于用户的电子负载所造成的电能质量的影响，将通过监测和执行相关的标准，限制用户负荷产生的谐波电流注入电网。
除此之外，智能电网将采用适当的滤波器，以防止谐波污染送入电网，恶化电网的电能质量。
容许各种不同类型发电和储能系统的接入。
智能电网将安全、无缝地容许各种不同类型的发电和储能系统接入系统，简化联网的过程，类似于“即插即用”，这一特征对电网提出了严峻的挑战。
改进的互联标准将使各种各样的发电和储能系统容易接入。
从小到大各种不同容量的发电和储能在所有的电压等级上都可以互联，包括分布式电源如光伏发电、风电、先进的电池系统、即插式混合动力汽车和燃料电池。
商业用户安装自己的发电设备（包括高效热电联产装置）和电力储能设施将更加容易和更加有利可图。
在智能电网中，大型集中式发电厂包括环境友好型电源，如风电和大型太阳能电厂和先进的核电厂将继续发挥重要的作用。
加强输电系统的建设使这些大型电厂仍然能够远距离输送电力。
同时各种各样的分布式电源的接入一方面减少对外来能源的依赖，另一方面提高供电可靠性和电能质量，特别是对应对战争和恐怖袭击具有重要的意义。
智能电网将使电力市场蓬勃发展。
在智能电网中，先进的设备和广泛的通信系统在每个时间段内支持市场的运作，并为市场参与者提供了充分的数据，因此电力市场的基础设施及其技术支持系统是电力市场蓬勃发展的关键因素。
智能电网通过市场上供给和需求的互动，可以最有效地管理如能源、容量、容量变化率、潮流阻塞等参量，降低潮流阻塞，扩大市场，汇集更多的买家和卖家。
用户通过实时报价来感受到价格的增长从而降低电力需求，推动成本更低的解决方案，并促进新技术的开发，新型洁净的能源产品也将给市场提供更多选择的机会。
优化其资产应用，使运行更加高效。
智能电网优化调整其电网资产的管理和运行以实现用最低的成本提供所期望的功能。
这并不意味着资产将被连续不断地用到其极限，而是有效地管理需要什么资产以及何时需要，每个资产将和所有其他资产进行很好的整合，以最大限度地发挥其功能，同时降低成本。
智能电网将应用最新技术以优化其资产的应用。
例如，通过动态评估技术以使资产发挥其最佳的能力，通过连续不断地监测和评价其能力使资产能够在更大的负荷下使用。
智能电网通过高速通信网络实现对运行设备的在线状态监测，以获取设备的运行状态，在最恰当的时间给出需要维修设备的信号，实现设备的状态检修，同时使设备运行在最佳状态。
系统的控制装置可以被调整到降低损耗和消除阻塞的状态。
通过对系统控制装置的这些调整，选择最小成本的能源输送系统，提高运行的效率。
最佳的容量、最佳的状态和最佳的运行将大大降低电网运行的费用。
此外，先进的信息技术将提供大量的数据和资料，并将集成到现有的企业范围的系统中，大大加强其能力，以优化运行和维修过程。
这些信息将为设计人员提供更好的工具，创造出最佳的设计来，为规划人员提供所需的数据，从而提高其电网规划的能力和水平。
这样，运行和维护费用以及电网建设投资将得到更为有效的管理。
4、通信技术
建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统，任何智能电网的特征都无法实现，因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持，因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。
同时通信系统要和电网一样深入到千家万户，这样就形成了两张紧密联系的网络—电网和通信网络，只有这样才能实现智能电网的目标和主要特征。
高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为一个动态的、实时信息和电力交换互动的大型的基础设施。
当这样的通信系统建成后，它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率，繁荣电力市场，抵御电网受到的攻击，从而提高电网价值。
高速双向通信系统的建成，智能电网通过连续不断地自我监测和校正，应用先进的信息技术，实现其最重要的特征—自愈特征。
它还可以监测各种扰动，进行补偿，重新分配潮流，避免事故的扩大。
高速双向通信系统使得各种不同的智能电子设备（IEDs）、智能表计、控制中心、电力电子控制器、保护系统以及用户进行网络化的通信，提高对电网的驾驭能力和优质服务的水平。
在这一技术领域主要有两个方面的技术需要重点关注，其一就是开放的通信架构，它形成一个“即插即用”的环境，使电网元件之间能够进行网络化的通信；其二是统一的技术标准，它能使所有的传感器、智能电子设备（IEDs）以及应用系统之间实现无缝的通信，也就是信息在所有这些设备和系统之间能够得到完全的理解，实现设备和设备之间、设备和系统之间、系统和系统之间的互操作功能。
这就需要电力公司、设备制造企业以及标准制定机构进行通力的合作，才能实现通信系统的互联互通。
5、量测技术
参数量测技术是智能电网基本的组成部件，先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。
它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性，进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。
未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统，取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。
基于微处理器的智能表计将有更多的功能，除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外，还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并通知用户实施什么样的费率政策。
更高级的功能有用户自行根据费率政策，编制时间表，自动控制用户内部电力使用的策略。
对于电力公司来说，参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，包括功率因数、电能质量、相位关系（WAMS）、设备健康状况和能力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电能消费和预测等数据。
新的软件系统将收集、储存、分析和处理这些数据，为电力公司的其他业务所用。
未来的数字保护将嵌入计算机代理程序，极大地提高可靠性。
计算机代理程序是一个自治和交互的自适应的软件模块。
广域监测系统、保护和控制方案将集成数字保护、先进的通信技术以及计算机代理程序。
在这样一个集成的分布式的保护系统中，保护元件能够自适应地相互通信，这样的灵活性和自适应能力将极大地提高可靠性，因为即使部分系统出现了故障，其他的带有计算机代理程序的保护元件仍然能够保护系统。
6、设备技术
智能电网要广泛应用先进的设备技术，极大地提高输配电系统的性能。
未来的智能电网中的设备将充分应用在材料、超导、储能、电力电子和微电子技术方面的最新研究成果，从而提高功率密度、供电可靠性和电能质量以及电力生产的效率。
未来智能电网将主要应用三个方面的先进技术：
电力电子技术、超导技术以及大容量储能技术。
通过采用新技术和在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点来提高电能质量。
通过应用和改造各种各样的先进设备，如基于电力电子技术和新型导体技术的设备，来提高电网输送容量和可靠性。
配电系统中要引进许多新的储能设备和电源，同时要利用新的网络结构，如微电网。
经济的FACTS（柔性交流输电系统）装置将利用比现有半导体器件更能控制的低成本的电力半导体器件，使得这些先进的设备可以广泛的推广应用。
分布式发电将被广泛地应用，多台机组间通过通信系统连接起来形成一个可调度的虚拟电厂。
超导技术将用于短路电流限制器、储能、低损耗的旋转设备以及低损耗电缆中。
先进的计量和通信技术将使得需求响应的应用成为可能。
新型的储能技术将被应用为分布式能源或大型的集中式电厂。
大型发电厂和分布式电源都有其不同的特性，它们必须协调有机地结合，以优化成本，提高效率和可靠性，减少环境影响。
7、控制技术
先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。
这些技术将提供对输电、配电和用户侧的控制方法并且可以管理整个电网的有功和无功。
从某种程度上说，先进控制技术紧密依靠并服务于其他四个关键技术领域，如先进控制技术监测基本的元件（参数量测技术），提供及时和适当的响应（集成通信技术；先进设备技术）并且对任何事件进行快速的诊断（先进决策技术）。
另外，先进控制技术支持市场报价技术以及提高资产的管理水平。
未来先进控制技术的分析和诊断功能将引进预设的专家系统，在专家系统允许的范围内，采取自动的控制行动。
这样所执行的行动将在秒一级水平上，这一自愈电网的特性将极大地提高电网的可靠性。
当然先进控制技术需要一个集成的高速通信系统以及对应的通信标准，以处理大量的数据。
先进控制技术将支持分布式智能代理软件、分析工具以及其它应用软件。
（1）收集数据和监测电网元件
先进控制技术将使用智能传感器、智能电子设备以及其他分析工具测量的系统和用户参数以及电网元件的状态情况，对整个系统的状态进行评估，这些数据都是准实时数据，对掌握电网整体的运行状况具有重要的意义，同时还要利用向量测量单元以及全球卫星定位系统的时间信号，来实现电网早期的预警。
（2）分析数据
准实时数据以及强大的计算机处理能力为软件分析工具提供了快速扩展和进步的能力。
状态估计和应急分析将在秒级而不是分钟级水平上完成分析，这给先进控制技术和系统运行人员足够的时间来响应紧急问题；专家系统将数据转化成信息用于快速决策；负荷预测将应用这些准实时数据以及改进的天气预报技术来准确预测负荷；概率风险分析将成为例行工作，确定电网在设备检修期间、系统压力较大期间以及不希望的供电中断时的风险的水平；电网建模和仿真使运行人员认识准确的电网可能的场景。
（3）诊断和解决问题
由高速计算机处理的准实时数据使得专家诊断来确定现有的、正在发展的和潜在的问题的解决方案，并提交给系统运行人员进行判断。
（4）执行自动控制的行动
智能电网通过实时通信系统和高级分析技术的结合使得执行问题检测和响应的自动控制行动成为可能，它还可以降低已经存在问题的扩展，防止紧急问题的发生，修改系统设置、状态和潮流以防止预测问题的发生。
（5）为运行人员提供信息和选择
先进控制技术不仅给控制装置提供动作信号，而且也为运行人员提供信息。
控制系统收集的大量数据不仅对自身有用，而且对系统运行人员也有很大的应用价值，而且这些数据辅助运行人员进行决策。
二、“智能电网关键设备（系统）研制规划”摘录及解读
1、前言
受全球气候变化、生态环境恶化及化石能源快速消耗等问题影响，当今世界能源格局正在发生重大而深刻的变革。
近年来，美国、欧洲等发达国家提出了智能电网发展理念，赋予其承载保障能源安全、促进能源清洁高效利用和提振经济发展等重要使命。
智能电网已经成为当今世界电网发展的新趋势、新方向。
我国政府高度重视智能电网发展。
2010年3月，国务院总理温家宝在政府工作报告中指出“大力开发低碳技术，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网建设”。
面对新形势、新挑战，国家电网公司坚决贯彻党中央、国务院的决策部署，结合中国实际，提出了建设“坚强智能电网”的发展目标，并已开展了一系列卓有成效的工作。
国家电网公司智能电网的总体发展目标是：
“建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网。
”坚强智能电网将主要围绕发电、输电、变电、配电、用电、调度等六大环节及通信信息平台进行建设，全面覆盖传统电力系统的所有领域。
根据“三步走”的部署，将分三个阶段推进坚强智能电网建设，分别是：
规划试点阶段（2009-2010年）、全面建设阶段（2011-2015年）和引领提升阶段（2016-2020年）。
到2020年，坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的坚强智能电网将基本建成。
从2009年8月开始，国家电网公司在26个省市开展了21类共228项智能电网试点项目的建设。
目前，试点工作进展顺利。
智能电网在世界范围内是新生事物，当前，我国现有关键设备（系统）对智能电网建设支撑不足的矛盾日渐突出，而国际上多数智能电网关键设备也还处于研究起步阶段。
因此通过关键设备研制规划的编制，可有效指导智能电网规划、设计、建设、运行、设备制造等领域智能电网工作的开展，促进智能电网和相关新兴产业有序、健康发展。
同时，组织关键设备研制攻关，研制成功一批具有完全自主知识产权、国际一流的智能电网关键设备，积极参与和组织实施国际重大合作项目，有利于增强我国在国际智能电网关键设备技术领域的话语权，有利于提高我国相关产业参与未来智能电网领域国际竞争的成功率。
2009年6月，国家电网公司组织二十多位专家，成立专项研究工作组，正式启动了智能电网关键设备研制规划研究工作。
通过近一年的不懈努力，于2010年6月编制完成了国家电网公司《智
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