智能电网下的新型能源管理系统设计方案

智能电网下的新型能源管理系统设计方案

虞　斐,孔繁虹,许哲雄

(同济大学电气工程系,上海　201804)

摘　要:在介绍智能电网的定义、内涵、关键特征的基础上,提出了一种智能电网下的新型能源管理系统的设计方案,具体分析了该能源管理系统的组成及其各部分的功能特点。作为智能电网技术在用电系统的一个典型应用,新型能源管理系统为更好地管理、节约、监控能源使用提出了一种解决方案,将在未来得到广泛应用。关键词:智能电网;能源管理系统;可再生能源

作者简介:虞　斐(19852),女,硕士研究生,从事电网建设新技术方面的研究。中图分类号:TM732　　文献标志码:A　　文章编号:100129529(2009)0721175204

DesignofnewenergymanagementsystemsinsmartgridenvironmentYUFei,KONGFan2hong,XUZhe2xiong(Dept.ofElectricalEngineering,TongjiUniv.,Shanghai201804,China)Abstract:Thedefinition,content,andkeyfeaturesofthesmartgridwerepresented,andbasedonthatthedesignschemeofanewtypeofenergymanagementsysteminsmartgridenvironmentwaspresented,includingitscomposi2tionandfunctions.Thesystem,whichprovidesanewsolutiontobettermanaging,saving,andmonitoringenergyconsumption,isexpectedtobewidelyusedinfuture.

Keywords:smartgrid;energymanagementsystem;renewableenergy

　　随着全球资源的逐渐稀缺、环境压力的不断增大、电力市场化进程的不断深入以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升,电力行业正面临着前所未有的挑战和机遇,建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统已经成为全球电力行业的共同目标。

欧美许多发达国家的电网企业正积极推进技术革新和管理转变,普遍将智能电网作为未来电网的发展目标之一。我国电网公司在积极开展“数字化电网、信息化企业”建设的同时,也在密切关注全球电力行业发展的这一新动向

[1]

力系统各业务环节,实现新型信息与通信技术的集成,促进智能水平的提高,其覆盖范围包括从需求侧设施到广泛分散的分布式发电再到电力市场的整个电力系统和所有相关环节

[2]

,其中的每一

个用户和节点都得到了实时监控,并保证了从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信号的双向流动及实时互动。

美国电力科学研究院提出的智能电网定义以及欧盟委员会关于智能电网的定义分别如图1、图2所示。2003年美加大停电后,美国电力行业面对陈旧老化的电力设施、与数字信息技术脱节的二次控制系统及巨额的投资改造计划,决心利用日新月异的信息技术对电网进行彻底改造,以期建成一个高效能、低投资、安全可靠、灵活应变的电力系统,其智能电网的定义就是在这一背景下提出的。

在欧洲,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,争取更多的用户。因此提高运营效率、降低电力价格、加强与客户的互动就成

。

1　智能电网概念及其技术特征

1.1　智能电网的概念

简单地说,智能电网通过传感器把各种设备、资产连接到一起,以先进的计算机、电子设备和高级元器件等为基础,通过引入通信、自动控制和其他信息技术,形成一个客户服务总线,从而对信息进行整合分析,以此来实现对电力网络的改造,从而降低成本,提高效率,提高整个电网的可靠性,使运行和管理达到最优化。其核心内涵是,在电

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为了欧洲智能电网建设的重点之一,而对环境保护的极度重视,则使得欧洲智能电网建设十分关注可再生能源的接入。

中发电与分散发电模式,实现与负荷侧的交互,支持风电、太阳能发电等可再生能源的接入,扩大系统运行调节的可选资源范围,满足电网与自然环境物和谐发展,通过协同的、分布式的控制,利用分布式电源来优化系统性能,在发生重大系统故障时可利用分布式电源进行局部供电(微型电网)。

智能电网的实现将形成所谓的“神经系统”,将新的分布式技术———需求响应、分布式发电以及存储技术———与传统的电网发电、输电和配电

图1　美国电力科学研究院的智能电网定义

设备相融合,一起协调控制整个电网。1.3　智能电网技术应用特点

(1)分布式能源领域　

分布式能源的主要研究对象是需求侧响应、分布式发电以及电力存储技术。(2)通信技术　电网协作运行的参与者之间的通信技术与机制,包括通信媒介,信息安全,私钥与认证,设备间的通信以及电子商务。

(3)控制与软件应用　

图2　欧盟委员会的智能电网定义表1对传统电网与智能电网进行了一般比较

[2]

。

表1　传统电网与智能电网的比较

传统电网

没有或单向

少机电的人工的设备校核

集中发电有限的倾向于故障和电力中断人工的辐射状的

智能电网双向多数字的远方监视集中和分布式发电并存普遍的自适应保护和孤岛化自愈的网状的

项目通讯与用户互动仪表型式运行与管理功率的提供与支持

潮流控制可靠性供电恢复网络拓扑

主要的研究内容是如何利用通信技术和传感器等装置提供的信息,对输配电网进行控制,使整个系统融合在一起,提供更加安全、可靠的电力和更低的电价。这方面的应用研究包括:用户信息入口、智能测量和自动读表装置、需求响应和能量管理系统、电网友好型装置/设备/程序、配电自动化、市场运行、电能买卖自助工具、负荷预测、输配电网交易控制以及紧急状况下的终端用户切除。

2　新型能源管理系统

在美国和欧洲,已经有大量的电力企业正在开展智能电网建设实践,内容覆盖发电、输电、配电和售电等环节。这些电力企业通过促成技术与具体业务的有效结合,使智能电网建设在企业生产经营过程中切实发挥作用,从而最终达到提高运营绩效的目的。

目前,已有的智能电网技术应用主要是在用电和配电领域。在用电系统,由于这部分投资主要是以家庭安装智能设备为主,投资不大,因此运用就会比较容易,可以很快看到有没有效率。而配电系统智能化就是不用人工管理,完全交由智能控制系统负责,目前应用不多。

本文提出的新型能源管理系统设计方案就是

1.2　智能电网的结构优势

智能电网的结构能支持目前配电系统的结构所不能支持的两个基本要求。

(1)综合考虑终端用户(分布式电源,电力调节设备,无功补偿设备和用户能量管理系统)控制和总体配电系统控制,以达到系统性能的优化,取得期望的稳定性和电能质量。

(2)支持高比重的分布式电源,以提高系统的整体性、效率和灵活性。电网能够同时适应集

虞　菲,等　智能电网下的新型能源管理系统设计方案1177

智能电网技术在用电系统的一个典型应用,可用

于监测家用电路的耗电量,还可以通过互联网通信技术调整家用电器的用电量。它的组成如图3所示,包括:与公共电网并网的分布式发电装置及其管理系统。

可以自动检测出电力系统侧或用户侧的事故,迅速将分布式发电装置与电力系统分离。

图4　功率调节器的构成

图3　新型智能能源管理系统

2.1　与公共电网并网的分布式发电装置

与公共电网并网的分布式发电装置由可再生

能源发电装置、蓄电池、功率调节器组成。分布式发电装置产生的电能首先向系统区域内的负荷供电,有剩余电能时向蓄电池充电,可以期待实现削减电力系统用电高峰(负荷平均化)、无停电电源系统以及灾害时的紧急用电源。若分布式发电装置产生的电能向蓄电池充电后仍有剩余,则通过并网保护装置送往电力系统(卖电)。

分布式发电装置产生的电能不能满足负荷的需要时,先由蓄电池供电,仍不足时则从电力系统买电。除此之外,鉴于非用电高峰时电价相对较低,蓄电池还可在非用电高峰时充电,减少用电高峰时从公共电网获取的电量,既缓解了用电高峰时电网的压力,又为用户节省了电费支出。这样,电能可以在系统区域内得到有效利用,提高了电能的利用率和供电可靠性,节约了能源。同时也为电力系统运行提供了灵活性,如在风暴和冰雪天气下,当大电网遭到严重破坏时,分布式发电装置可自行形成孤岛或微网向用户提供应急供电。

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功率调节器的构成如图4所示,它由逆变器、并网装置以及蓄电池充放电控制装置等构成,其中逆变器用来将可再生能源产生的直流电变成交流电,它使转换后的交流电的电压、频率与电力系统向负载提供的交流电的电压、频率一致;蓄电池的充放电控制装置主要用于避免蓄电池的过充电和深度放电。

由于分布式发电装置与电力系统并网时会使电力系统的电能质量降低,给其他的用户以及人身安全带来影响,设置系统并网保护装置就是为了避免这些情况的出现,同时系统并网保护装置

分布式发电装置并网于中压或低压配电网上运行,彻底改变了传统的配电系统单向潮流的特点,要求使用新的仪表来满足双向潮流的需要。因此,在此新型能源管理系统中,智能电表取代了传统的电度表。智能电表具有双向计量功能,不仅能记录流入某一建筑物的电流,还能监测从该建筑物流回电网的电流,能同时实现多种计量(kW・h,kvar,kW,V等),这将使电力企业能够很好地评估独立生产企业反馈回电网的有功功率和无功功率的数量。

智能电表还具有双向通讯功能,支持远程设置,能让电力企业监测每家每户的电力波动,可以更早发现风险正在增加的隐患,从而改善超前模拟的效果。此外,它还能让电力企业能够设置不同的分时电价,鼓励家庭和企业将高耗电设备或机器安排在非高峰时段运转,减少可能使电网运行不稳定的电力需求高峰的出现。2.2　管理系统配置

新型能源管理系统的另一组成部分为一台联网的电脑,系统利用传感器对关键用电设备的运行状况进行实时监控,采集有关电力消耗和各种设备情况准确及时的数据,并在电脑上显示出来,通过对数据的分析、挖掘,达到对整个系统运行的优化管理。

人们可以利用互联网以远程的方式监视和控制各种智能设施,用户还可以根据预算调整使用,例如人们能够通过在一定时间关闭一些不必要的家用电器比如电热水器,或者调整空调的设定温度,来降低电力消耗,还可以按照电力收费的不同时间段,进行计划用电。

电力企业使用这种装置可以精确地知道用户的用电规律,从而对需求和供应有一个更好的平

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衡:比如说,在电力供应的高峰期或是需求超过供给的时候,根据实时的客户用电量提高价格。这样,明智的用户就会把自己家里可以替代能源的设备打开(比如蓄电池、可再生能源发电装置等),或者是选择错开用电高峰时段。这样就会形成比较灵活的供电模式,避免在用电高峰期出现停电,并提高电力企业的收益,并达到需求侧管理的目的。

与新型能源管理系统配套设计用户门户网站的示意。用户通过加密的账号登录该网站后,可以看到自己的电量消费情况、分布式发电装置产生的电量、蓄电池的剩余可运行的时间等。当发生停电或蓄电池的剩余电量不足时,网站上会有警告标示提醒用户,当然,用户也可以订制电量消费情况报告或警告的短信通知服务,交电费等业务也可以在网上进行。通过这个网站,用户还可以得到节能建议和实时的价格信息,整合家用电器的使用时间和频率,避开用电高峰期的高价格电力,降低电费费用。

电表把暂时不用的电卖给其他需要电力的人,使之供或需,都由电力资源市场决定,实现分时电价,促进电力资源在需求侧的合理配置,既节约了电能又为用户节省了电费支出;

(4)通过传感器和能源管理软件,实现对用电设备的远程监控和负荷管理,达到对整个系统运行的优化管理,及时发现并处理不安全隐患;

(5)通过与用户的互动,将用户的需求及时反映到电网的运行控制中,将用户的需求及时反映到电网的运行控制中,更加适应用户的自主选择需要,而这一点正是智能电网的关键,其目的是在不断降低成本和提高效率的同时,提高整个电网的可靠性及可用性。

未来的电网必须更加适应多种能源类型发电方式的需要,更加适应高度市场化的电力交易的需要。为此,不同的国家和组织都提出要建设具有灵活、清洁、安全、经济、友好等性能的智能电网,将智能电网视为未来电网的一个发展方向。尽管智能电网的研究与实践还处于初级阶段,但是建设智能电网已经成为世界电力行业的一个美好愿景,必将进一步推动电力工业的改革与进步。

参考文献:

[1][2][3][4]

3　结论与展望对于未来能源来说,能源节约和能源效率是关键点。智能电网下的新型能源管理系统将允许我们来更好的管理、节约,监控能源使用:

(1)通过分布式发电装置提高供电系统的可靠性和效率,提供对紧急功率、无停电电源系统和峰荷电力及其他一些辅助服务功能如无功支持、电能质量改善等的支持;

(2)通过将可再生能源发电设备整合进我们的能源基础设施中,满足电力与自然环境、社会经济和谐发展的要求;

(3)通过支持智能电网双向电力供求的智能

帅军庆.瞄准世界前沿　发展智能电网　为建设“一强三优”现代公司再立新功[N].中国电力报,2008.丁民丞,王　靖,朱治中.方兴未艾的智能电网[J].国家电网,2008(5):86288.

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(1):7211.

车孝轩.太阳能光伏系统概论[M].武汉:武汉大学出版社,2006.

收稿日期:2009202216本文编辑:王延婷

电力简讯

国家电网公司首次航拍±500kV龙政线大跨越

国家电网公司对7月22日±500kV龙政线大跨越及龙政线部分线段进行航拍,为输电设备数据库积累影像资料。±500kV龙政线大跨越位于安徽省芜湖市郊大桥镇与和县西梁山镇境内,于2002年12月建成投运,由芜湖供电公司负责运行管理,担负着西电东输的重要任务,是三峡电能输入华东的第一条骨干通道。该大跨越跨越长江1910m,全耐张段长度为3050m。跨越塔和锚塔均采用塔身风荷载效应较小且抗震性能较好的钢管塔结构型式,主、斜材均采用法兰连接,跨越塔塔高229m,根开46m。

(本刊讯)