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我国智能电网21世纪发展脉络深入解读

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摘要:我国智能电网21世纪发展脉络深入解读

智能电网是一个新趋势,也是一个新概念。目前,我国的很多科研单位和企业已经开始了智能电网的研究和开发。

面对国内火热的智能电网开发局面,天津大学余贻鑫院士认为,智能电网不是一个单纯的技术问题,它涉及许多基本理念,而国内目前在智能电网认识上的混乱恰恰发生在这些基本理念上。本文试图在基本理念层面厘清我国智能电网发展脉络。

智能电网是自动的和广泛分布的能量交换网络,它具有电力和信息双向流动的特点,同时能够监测从发电厂到用户电器之间的所有元件。智能电网将分布式计算和提供实时信息的通信的优越性用于电网,并使之能够维持设备层面上即时的供需平衡。

目前,以美国为首的西方国家正对智能电网的研究加大投入力度,在我国,相关研究和布局也已经启动。

但是,智能电网程序性的和技术性的挑战是巨大的。为推进智能电网,需要长期持续的研发,需要出台旨在激励智能电网的法规,并通过开放式的方式建立国家标准和鼓励众多相关产业积极参与。

智能电网的原动力

实施智能电网的原动力主要有五点,其中前四点是电网视角的思考,最后一点是出于国家经济和产业发展视角的思考。

1)实现大系统的安全稳定运行,降低大规模停电风险。

近年来世界上大面积连锁停电频繁发生,损失巨大。如2003年美国东北地区大停电所造成的经济损失约60亿美元,充分暴露了基于传统电网的脆弱性。一般认为,提高系统的全局可视化程度和预警能力,以及实现自愈,是增强电网的可靠性和避免因事故引起系统崩溃的关键。进而考虑到复杂大电网对自然灾害和人为恶意攻击的脆弱性,未来的电网会成为更鲁棒的——自治的和自适应的基础设施,能够通过自愈的响应减小停电范围和快速恢复供电。

2)分布式电源的大量接入和充分利用。

目前,世界上许多国家已把发展可再生能源技术提升到国家战略的高度。美国总统奥巴马更认为,“引领世界创造清洁能源经济的国家将引领21世纪的全球经济”。

分布式发电是靠近负荷端的小规模电力发电技术,它能够降低成本、提高可靠性。在可再生的清洁能源中,太阳能和风能由于其在地理上天然是分布式的,因此分布式的太阳能和风能的发电技术受到广泛的重视。

属于分布式电源的还有小型、微型燃气轮机(如冷热电联产系统,CHP),以及小规模储能和下边将介绍的需求响应等。未来的几万千瓦的微型核电也在视野当中。
随着技术的进步,可预见未来的电网会逐渐摆脱过去单一集中式发电的模式,而转向分布式发电辅助集中式发电的模式。如丹麦的电网在上世纪80年代中期还是一个集中式的系统,而今天则成了更为分散的系统。

当大量的分布式电源集成到大电网中时,多数是直接接入各级配电网,使得电网自上而下都成了支路上潮流可双向流动的电力交换系统,但现时的配电网络是按单向潮流设计,不具备有效集成大量分布式电源的技术潜能。从而难以处理分布式电源的不确定性和间歇性,难以确保电网的可靠性和安全问题。

3)峰荷问题和需求侧管理。

由于现时还没有经济有效的大容量能量存储手段,致使电的发生和消费必须随时保持平衡。而电力负荷是随时间而变化的,为满足供需平衡,电力设施必须根据全年的峰荷来规划和建造。

但由于系统处于峰荷附近的时间每年很短,所以电力资产利用率低下。美国现实电网资产的利用系数约为55%,而发电资产利用率也不高。其中占整个电网总资产75%的配电网资产的利用率更低,年平均载荷率仅约44%,浪费了大量的固定资产投入。

调查表明:我国目前10kV配电资产利用率比美国还低。多数城市10kV配电线路和变压器的年平均载荷率低于30%;在电网出现一个主要元件故障后还可保证安全的条件下,峰荷时的线路载荷率全部在50%以下。解决上述问题的办法之一,是缩小负荷曲线峰谷差。

同时为了应对电网偶然事件和电力负荷的不确定性,电力系统必须随时保持(10%~13%)发电容量裕度(又称旋转备用),以确保可靠性和峰荷需求,这也增加了发电成本和对发电容量的需求。

幸运的是,现实系统中存在着大量能与电网友好合作的负荷。如空调、电冰箱、洗衣机等电器在电力负荷高峰(电价高)的时段可以暂停使用,而适当平移到供电不紧张(电价低)的电力负荷的低谷时段再使用,帮助电网实现电力负荷曲线的削峰和填谷。

在美国典型峰荷日的峰荷时刻,居民用电功率占到峰荷的30%,而其中2/3,即20%属于可与电网友好合作的负荷,其值超过占峰荷13%的旋转备用容量。如果能够提供相应的技术支撑,通过电力公司与终端用户的互动(需求响应或用电管理),则可实现电力负荷曲线的削峰填谷。

我国城市中居民用电在年典型峰荷日的峰荷时大多占到峰荷的15%~20%,其中约有一半是可以与电网友好合作的可平移负荷。应该注意到,如果我们能消减6%~8%的峰荷,其所节约的电力资产额已是十分巨大的。更何况,商业用户和工业用户负荷,均具有与电网友好合作的潜力。

这种需求侧用户与电网之间的友好合作,在必要时,也可取代旋转备用,支持系统的安全运行。比如,在2008年初的一天下午,美国得克萨斯州经历了风力发电突然的、未预料到的急剧下降:在3个小时里发电下降130万kW。此时一个紧急起动了的需求响应程序,使大型工业和商业用户在10分钟内恢复了大部分失去的供电,起到了对此类间歇性电源波动性缓冲的作用。这一紧急需求响应程序的前提是电网公司与用户之间预先签订了协议。

4)对电网各种约束(提高可靠性、提高电能质量、节能降损和环保)日益严格。

近20年,通信和信息技术得到了长足的发展。美国在20世纪80年代,内嵌芯片的计算机化的系统、装置和设备,以及自动化生产线上的敏感电子设备的电气负载还很有限。而在今天,这部分电力负荷的比重已升至40%以上,预计2015年将超过60%,对电网的供电可靠性和电能质量提出了很高的要求。

调查表明,每年美国企业因电力中断和电能质量问题所耗掉的成本超过1000亿美元,相当于用户每花1美元买电,同时还得付出30美分的停电损失。其中,仅扰动和断电(不计大停电)每年的损失就达790亿美元。表1给出了美国电力科学院(EPRI)对未来20~30年用户对供电可靠性需求的预测。目前的电网不仅满足不了数字化社会的这些需要,而且它在数字化技术的自身应用方面也相对落后,特别是在配电网方面。

随着产业结构的调整和产业升级,我国会有日益增多的数字化企业对供电可靠性和电能质量提出更高的要求。

事实上,配电网也是提高用户供电可靠性的颈瓶。调查表明,我国10kV以下电网对用户停电时间的影响占到70%~80%以上。即使减去计划停电时间,我国大城市用户年平均停电时间也大都在1个小时以上,多数为几个小时,甚至更长。而日本东京由于配电网的网络拓扑结构灵活和实现了配电自动化,其用户的年平均停电时间仅为2~5分钟; 在电网出现一个主要元件故障后还可保证安全的条件下,峰荷时的线路载荷率可达75%~85%(如前所述我国该值小于50%)。

5)尤其值得我们注意的是:由于技术涉猎广泛,智能电网的一个关键目标是要催生新的技术和商业模式,为经济和科技发展提供新的支撑点,实现产业革命。思科预言,智能电网比互联网络拥有更大的市场空间。

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