可再生能源与智能电网是什么关系?
在发展可再生能源已成趋势的今日,中国能源领域谈论最热门的话题,就是足以推动可再生能源持续健康发展的国家智能电网建设。无论是太阳能和风能的转化与贮存,还是新能源汽车的电池,都需要动力电池的转换。正因如此,智能电网的接入和并网才受到了行业内外前所未有的关注。
所谓可再生能源,即包括太阳能、风能、水能、地热、潮汐、生物质能以及各种热泵技术。而智能电网的发展前景,则很大程度上取决于清洁能源、可再生能源利用的充分程度。当前,能源利用效率问题是全世界无法回避的共同课题。世界各国对于可再生能源利用的平均水平不足1%,即便在欧盟等发达地区,也不足10%。众所周知,我国长期采用较为粗放的经济发展模式,与美国、欧盟相比,我国创造相同的GDP,还要多消耗5至7倍的能源。对此,国家电网公司近年来一直在致力于破解这一困局,为智能电网的普及应用探索出一条新路。
那么,可再生能源与智能电网究竟是什么样的关系?
智能电网,是以物理电网为基础,将现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。当今世界各国因经济水平和发展战略不同,智能电网建设的水平和侧重目标亦不相同。美国侧重于利用可再生能源发电,以解决电网老化和设备更新升级等问题。欧盟扩大可再生资源利用,则将目标指向减少温室气体排放,提高能源利用效率。中国当前的目标,则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、互动化特征的坚强智能电网。
举例而言,位于河西走廊西段的酒泉市素有“世界风库”之称。甘肃省近年来在此建设了我国首个千万千瓦级风电基地——甘肃酒泉千万千瓦级风电场,2010年底实现装机容量550.45万千瓦,风电发电量突破20亿千瓦时,接近了三峡电站的发电量。但是风电的外送和并网问题一直是困扰风电发展的大难题,只有通过加快建设特高压智能电网,才能提升对可再生能源的接纳能力,为可再生能源的发展提供高效的发展平台。
风力发电机虽然直接产生三相交流电,但是频率会随风速变化。若把风电输进电网,第一步是把它整流成为直流电。在两种情况下,都需要用变流器把直流电变成与电网频率上严格同步、相位上准确匹配的交流电。这不但需要昂贵的设备,而且导致变流时能量损耗。由于风能的间歇性,特别风能的高峰时间与用电的高峰时间在大部分情况下不吻合,如果要使风能成为主要的能源,能量储存是不可缺少的。一般来讲,可再生能源发电的分布式供能具有不稳定和不连续的特点,当并网的分布式能源的系统数量越多时,对电网的冲击越大。而智能电网恰恰在这方面有着不可替代的优势,它实现了规模电能储存,做到了稳定、连续供电,其规模储能单元起到了“电能银行”的作用。
从上述稍显晦涩的描述中,我们可以大致想象出一个画面——以往城市中的锅炉、烟筒将不复存在,冬季取暖的热能和夏季空调的供电将绝大部分来自于太阳能、风能、地热等可再生能源,甚至屋顶的自然光也可以通过导管导入地下车库用来照明。人们将在智能电网的帮助下分享可再生能源对人类的厚爱。
恰如国际大电网组织秘书长科瓦尔在接受CBN记者采访时所说,可再生电源的发展和提高能效,被看作是智能电网发展的主要因素。目前,中国已经拥有世界上最先进的电网设备,需要探索的只是如何将可再生能源并入电网,并安全使用电网的问题,即以清洁、高效、分布式为推进核心。只有在引进消化最新智能电网技术的同时,创新推广最新智能电网产品,才是服务于未来、让中国站在世界智能电网发展最前沿的终极路径。文章来源OFweek智能电网
智能电网(smart power grids),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。智能电网的主要特征。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。
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。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。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。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。优化。优化资产的利用,降低投资成本和运行维护成本。
根据美国、欧盟和我国提出的一样设想,大致包含以下方面:
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。
但由于智能电网的研究与开发尚处于起步阶段,各国国情及资源分布不同,发展的方向和侧重点也不尽相同, 国际上对其还没有达成统一而明确的定义。根据目前的研究情况,智能电网就是为电网注入新技术,包括先进的通信技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术和电力工程技术等,从而赋予电网某种人工智能,使其具有较强的应变能力,成为一个完全自动化的供电网络。
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。——这一条其实与上一条密切相关。
(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。——与新能源接入比例受限、节能减排需求相联系,得到了政府的大力倡导与支持。
(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。
第二阶段,在点对点直流输电的基础上,采用新型直流输电技术扩建多端直输电网络,形成覆盖新疆、青海、甘肃、内蒙古等广阔地区的新能源直流骨干网架,实现新能源基地与受端系统落点的多端直流互联。
智能电网是能够监测分析客户、电网设备及网络节点上电力流与信息流,控制电力流与信息流双向流动,实现电网自主优化运行的新型电力系统。
随着特高压输电技术以及互联网、物联网、云计算、大数据技术的发展,人们对智能电网的内涵、构架、作用的认识不断深化。国家发改委、能源局的《意见》中提到:
智能电网是在传统电力系统基础上,通过集成新能源、新材料、新设备和先进传感技术、信息技术、控制技术、储能技术等新技术,形成的新一代电力系统,具有高度信息化、自动化、互动化等特征,可以更好地实现电网安全、可靠、经济、高效运行。发展智能电网是实现我国能源生产、消费、技术和体制革命的重要手段,是发展能源互联网的重要基础。
国家电网公司对坚强智能电网的表述是:以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础,以信息通信平台为支撑,具有信息化、自动化、互动化的特征,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”的高度一体化融合的现代电网。也就是说,人可远程指挥调度解决问题,如分析问题、解决问题、发出指令的主体,构建无人值守+集中管控变电站。
可采用图扑软件构建轻量化的 3D 可视化场景,建立动态的数字化变电站模型,数字孪生变电站可视化系统。多维度呈现变电站运维场景,实现变电站运行状态实时监测,运维设备、控制系统和信息系统的互联互通。加强变电站设备的全状态感知力与控制力,增强变电站安全生产保障能力,提高运检精益管理水平。
也提供结合 GIS 地图展示所有变电站点位的解决方案,HT for Web GIS 产品的定位在于运用产品强大的可视化技术,将地理信息系统( Geographic Information System,GIS )的数据进行丰富的可视化展示,实现将数量庞大的变电站点位数据呈现在三维地图上。使用 GIS 的好处是可以通过多细节层次( Levels of Detail , LOD )的方式加载出更多地图细节,可以直接了解到每座变电站所处具体位置。
采用轻量化三维建模技术,根据变电站现场的 CAD 图、鸟瞰图、设备三视图等资料进行还原外观建模,实现可交互式的 Web 三维场景,可进行缩放、平移、旋转,场景内各设备可以响应交互事件。
电网由电力网内各发电厂、变电所和开关站的布局,以及连接它们的各级电压
电力线路构成。从电网的概念中,我们可以把电力系统分成发电、输电、变电、调度四大环节,将发电到用电全过程智能化。
1.发电
发电环节的发展目标是: 以“一特四大”发展战略为导向,引导电源集约化发展,协调推进大煤电、大水电、大核电和大可再生能源基地的开发强化机网协调,提高电力系统安全运行水平实施节能发电调度,提高常规电源的利用效率优化电源结构和电网结构,促进大规模风电、光伏等新能源的科学合理利用。
相应的重点工程是建设风力发电技术研究中心和太阳能发电技术研究中心,加强抽水储能重点工程和大容量储能示范工程建设。还需开展钠硫电池、超导储能装置集成技术和成套技术的研究及试点工作,加快储能技术的产业化进程,开展兆瓦级和10兆瓦级储能系统在可再生能源柔性接入电网中的示范应用。
2.输电
线路环节的技术路线是全面掌握特高压交直流输电技术,形成特高压建设标准体系,加快特高压和各级电网建设开展分析评估诊断与决策技术研究,实现输电线路状态评估的智能化建立输电线路建设与运行的一体化信息平台,加快线路状态检修、全寿命周期管理和智能防灾技术研究应用加强灵活的交流输电技术研究。
重点工程是特高压后续交直流工程和跨区联网建设,同时开展特高压可控电抗器等关键技术研发并示范应用。这一过程中,需要全面实施线路状态检修和全寿命周期管理,实现基于航测和卫星定位等线路数字化、可视化设计。为了使寿命周期性能和指标达到最优,还需建立线路综合防灾和安全保障信息共享机制和技术平台,实现对线路影响较大的自然灾害信息的监测、分析、预报,提高线路综合防灾和安全变电保障能力。
3.变电
变电环节的重点是制定智能变电站及装备标准规范同时需建设智能电网全景信息采集系统,开展基础信息统一建模技术研究,构建区域、广域综合测控保护体系,研究各类电源及用户的接入、退出、保护及隔离技术。
4.调度
调度环节以服务特高压大电网安全运行为目标,开发建设新一代智能调度技术支持系统,实现运行信息全景化、数据传输网络化、安全评估动态化、调度决策精细化、运行控制自动化、机电协调最优化,形成一体化的智能调度体系,确保电网运行的安全可靠、灵活协调、优质高效和经济环保。
智能电网在目前学术层面没有统一的定义。它是以电力流、信息流为主线,涵盖电力系统。包括:发电、输电、变电、配电、用电、调度等各个环节整体的系统解决方案。与现有电网相比,智能电网体现出电力流、信息流和业务流高度融合的显著特点,其先进性和优势主要表现在:
具有坚强的电网基础体系和技术支撑体系,能够抵御各类外部干扰和攻击,能够适应大规模清洁能源和可再生能源的接入,电网的坚强性得到巩固和提升。
信息技术、传感器技术、自动控制技术与电网基础设施有机融合,可获取电网的全景信息,及时发现、预见可能发生的故障。故障发生时,电网可以快速隔离故障,实现自我恢复,从而避免大面积停电的发生。
柔性交、直流输电、网厂协调、智能调度、电力储能、配电自动化等技术的广泛应用,使电网运行控制更加灵活、经济,并能适应大量分布式电源、微电网及电动汽车充放电设施的接入。通信、信息和现代管理技术的综合运用,将大大提高电力设备使用效率,降低电能损耗,使电网运行更加经济和高效。
建立双向互动的服务模式,用户可以实时了解供电能力、电能质量、电价状况和停电信息,合理安排电器使用;电力企业可以获取用户的详细用电信息,为其提供更多的增值服务。