1、智能电网信息工程导论王保云2011年10月一、课程简介 本课程共8学时，四次课 成绩与考核方式：开卷考试 参考书：（1）许晓慧，智能电网导论，中国电力出版社，2009年。（2）何光宇，智能电网基础，中国电力出版社，2010年。二、本课程的主要内容与进度安排 第一次：智能电网技术概论 第二次：智能电网信息工程专业的内涵 第三次：智能电网信息工程专业的课程体系 第四次：智能电网信息工程专业学习的要求与建议三、智能电网技术概论 1)何谓智能电网技术 2）国家电网公司对智能电网的定义 3）智能电网的主要特征 4）智能电网中的关键技术 5）为什么要发展智能电网？6）智能电网的发展历史 7）我国发展智能电
2、网的策略1）何谓智能电网技术 能电网（smart power grids），就是电网的智能化，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。2）国家电网公司对智能电网的定义 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，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
3、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 3）智能电网的主要特征（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
4、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。3）智能电网的主要特征（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。4）智能电网中的关键技术-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。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。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
5、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。4）智能电网中的关键技术-通信技术 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
6、络化的通信，提高对电网的驾驭能力和优质服务的水平。4）智能电网中的关键技术-通信技术 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。参数量测技术是智能电网基本组成，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
7、电网的各个方面使用。它们可用于评估电网设备的健康状况和电网的完整性。4）智能电网中的关键技术-测量技术 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。4）智能电网中的关键技术-测量技术 未来的智能电网将取消所有目前形式的电表及其读取系统，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电表。基于微处理器的智能电表将有更多的功能，除了可以计
8、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。4）智能电网中的关键技术-测量技术 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
9、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。4）智能电网中的关键技术-控制技术 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。4）智能电网中的关键技术-控制技术（1）收集数据和监测电网元件）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
10、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。4）智能电网中的关键技术-控制技术（2）分析数据）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
11、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。4）智能电网中的关键技术-控制技术（3）诊断和解决问题）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）智能电网中的关键技术-控制技术（4）执行自动控制的行动）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。4）智能电网中的关键技术
12、-控制技术（4）执行自动控制的行动）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。4）智能电网中的关键技术-控制技术（5）为运行人员提供信息和选择）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。4）智能电网中的关键技术-控制技术 目前IEEE致力于制定一套智能电网的标准和互通原则（
13、IEEE P2030），主要内容在于以下三个方面：电力工程（power engineering），信息技术（information technology）和互通协议（communications）等方面标准和原则。除IEEE外，国际电工委员会（IEC），美国NIST（National Institute of Standards and Technology）协调各部门之间的合作。IEEE主要致力于互通入网过程的标准，如各个能量源头如何与整个智能电网链接，计量设备的接入（如电表）和时间同步性的标准等。美国机动车工程师学会（SAE）则主要关注机动车接入网络的标准，IEC则负责信息自动化的模式和环
14、境标准。4）智能电网中的关键技术-标准化 决策支持技术将复杂的电力系统数据转化为系统运行人员一目了然的可理解的信息，因此动画技术、动态着色技术、虚拟现实技术以及其他数据展示技术用来帮助系统运行人员认识、分析和处理紧急问题。4）智能电网中的关键技术-决策支持技术5）为什么要发展智能电网（1）智能电网是电网技术发展的必然趋势。近年来，通信、计算机、自动化等技术在电网中得到广泛深入的应用，并与传统电力技术有机融合，极大地提升了电网的智能化水平。传感器技术与信息技术在电网中的应用，为系统状态分析和辅助决策提供了技术支持，使电网自愈成为可能。调度技术、自动化技术和柔性输电技术的成熟发展，为可再生能源和分
15、布式电源的开发利用提供了基本保障。通信网络的完善和用户信息采集技术的推广应用，促进了电网与用户的双向互动。随着各种新技术的进一步发展、应用并与物理电网高度集成，智能电网应运而生。5）为什么要发展智能电网（2）发展智能电网是社会经济发展的必然选择。为实现清洁能源的开发、输送和消纳，电网必须提高其灵活性和兼容性。为抵御日益频繁的自然灾害和外界干扰，电网必须依靠智能化手段不断提高其安全防御能力和自愈能力。为降低运营成本，促进节能减排，电网运行必须更为经济高效，同时须对用电设备进行智能控制，尽可能减少用电消耗。分布式发电、储能技术和电动汽车的快速发展，改变了传统的供用电模式，促使电力流、信息流、业务流
16、不断融合，以满足日益多样化的用户需求。智能电网建设对于应对全球气候变化，促进世界经济社会可持续发展具有重要作用。主要表现在：（1）促进清洁能源的开发利用，减少温室气体排放，推动低碳经济发展。（2）优化能源结构，实现多种能源形式的互补，确保能源供应的安全稳定。（3）有效提高能源输送和使用效率，增强电网运行的安全性、可靠性和灵活性。（4）推动相关领域的技术创新，促进装备制造和信息通信等行业的技术升级，扩大就业，促进社会经济可持续发展。（5）实现电网与用户的双向互动，革新电力服务的传统模式，为用户提供更加优质、便捷的服务，提高人民生活质量。5）为什么要发展智能电网6）智能电网发展历史-智能电网概念的
17、三个里程碑 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。6）智能电网发展历史-智能电网概念的三个里程碑 第二个是奥巴马上任后提出的能源计划，除了已公布
18、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。6）智能电网发展历史-智能电网概念的三个里程碑 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Interactive S
19、mart Grid，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。坚强智能电网的提出：坚强智能电网5月21日国家电网公司在“2009特高压输电技术国际会议”上提出了名为“坚强智能电网”的发展规划。规划提出，将分三个
20、阶段推进“坚强智能电网”的建设：2009年至2010年为规划试点阶段，重点开展规划、制定技术和管理标准、开展关键技术研发和设备研制，及各环节试点工作；2011年至2015年为全面建设阶段，加快特高压电网和城乡配电网建设；2016年至2020年建成统一的“坚强智能电网”。7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网 坚强智能电网的特点：“坚强智能电网”以坚强网架网架为基础，以通信信息平台通信信息平台为支撑，以智能控制智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚强
21、可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。“坚强坚强”和和“智能智能”是坚强智能电网的基本内涵。是坚强智能电网的基本内涵。只有形成坚强网架结构，构建“坚强”的基础，实现信息化、数字化、自动化、互动化的“智能”技术特征，才能充分发挥坚强智能电网的功能和作用。特高压就为发展智能电网提供了坚实的基础。7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网 发展坚强智能电网的原因：（1）坚强的内涵是指具有坚强的网架结构、强大的电力输送能力和安全可靠的电力供应。坚强的网架结构是保障安全可靠电力供应的基础和前提；（2）以坚强为基础来发展智能电网，可以提高电网防御多重故障、防止外力破坏和防灾抗灾的能力，能够
22、增强电网供电的安全可靠性；可以提高电网对新能源的接纳能力，推动分布式和大规模新能源的跨越式发展；可以提高电网更大范围的能源资源优化配置能力，可充分发挥其在能源综合运输体系中的重要作用。我国建设坚强智能电网的基础：（1）在电网网架建设方面，网架结构不断加强和完善，特高压交流试验示范工程和特高压直流示范工程成功投运并稳定运行；全面掌握了特高压输变电的核心技术，为电网发展奠定了坚实基础。7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网 我国建设坚强智能电网的基础：（2）在大电网运行控制方面，具有“统一调度”的体制优势和丰富的运行技术经验，调度技术装备水平国际领先，自主研发的调度自动化系统和继电保护装置获得广
23、泛应用。7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网 我国建设坚强智能电网的基础：（3）在通信信息平台建设方面，建成了“三纵四横”的电力通信主干网络，形成了以光纤通信为主，微波、载波等多种通信方式并存的通信网络格局。7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网 我国建设坚强智能电网的基础：（4）在大规模可再生能源并网及储能方面，深入开展了集中并网、电化学储能等关键技术的研究，建立了风电接入电网仿真分析平台，制定了风电场接入电力系统的相关技术标准。7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网 我国建设坚强智能电网的基础：（5）在电动汽车充放电技术领域，我国在充放电设施的接入、监控和计费等方面开展了大量研究，
24、并已在部分城市建成电动汽车充电运营站点。7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网 我国建设坚强智能电网的基础：（6）在试验检测手段方面，已根据智能电网技术发展的需要，组建了大型风电网、太阳能发电和用电技术等研究检测中心；在智能电网发展实践方面，各环节试点工作已全面开展，智能电网调度技术支持系统、智能变电站、用电信息采集系统、电动汽车充电设施、配电自动化、电力光纤到户等试点工程进展顺利。7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网 我国建设坚强智能电网的必要性与意义：（1）对于电力系统：能有效地提高电力系统的安全性和供电可靠性；特高压可减少线损；（2）对于能源配置：能源资源与能源需求分布不平衡的基本
25、国情，要求在全国范围内实行能源资源优化配置。建设坚强智能电网，为能源资源优化配置提供了一个良好的平台；7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网 我国建设坚强智能电网的必要性与意义：（3）对于清洁能源发展：建设坚强智能电网可以显著提高电网对清洁能源的接入、消纳和调节能力，有力推动清洁能源的发展；（4）对于节能减排：坚强智能电网建设对于促进节能减排、发展低碳经济具有重要意义：支持清洁能源机组大规模入网，加快清洁能源发展，推动能源结构的优化调整；引导用户合理安排用电时段，降低高峰负荷，稳定火电机组出力，降低发电煤耗；降低输电损失率；实现电网与用户有效互动，提高用电效率。7）中国发展智能电网的策略-坚强智能电网
