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智能电网
阅读:8698时间:2010-12-17 10:37:49

  通过信息化手段,使能源资源开发、转换(发电)、输电、配电、供电、售电及用电的电网系统的各个环节,进行智能交流,实现精确供电、互补供电、提高能源利用率、供电安全,节省用电成本的目标。这样的电力网络,称为智能电网。

概念的由来

  一、智能电网概念的提出:

  1、背景:

  电网是国家能源产业链的重要环节,是国家综合运输体系的重要组成部分。

  各行业对电力的依赖增强,对供电可靠性及电能质量的要求日益提高。世界各国都对电网的发展模式进行思考和探索,以期提高电网运行水平。

  提出电网应该具备:高效、清洁、安全、可靠、交互的特征。

  2、各国的做法

  (1)2001 年,美国电力科学研究院(EPRI)提出“Intelligrid”(智能电网)的概念,并于2003年提出《智能电网研究框架》展开研究;美国能源部(DOE)随即发布Grid2030 计划,通过采用先进的材料技术、超导技术、电力电子技术,重点研究控制技术、广域测量技术、实时仿真技术、储能技术、可再生能源发电技术、微型燃气轮机发电技术等,以构建全美骨干电网、区域性电网、地方电网和微型电网(分布式电力系统)等多层次的电力网络,争取到2030 年建成完全自动化、高效能、低投资、安全可靠、灵活应变的输配电系统,以保障大电网的安全性、稳定性,提高供电的可靠性及电能质量。

  (2)2005 年欧洲提出类似的“smartgrid”概念,2006 年,欧盟智能电网技术论坛推出了《欧洲智能电网技术框架》,认为智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向,主要着重于输配电过程中的自动化技术

  (3)我国在智能电网概念的提出方面虽然稍晚,但之前就在相关技术领域开展了大量的研究和实践。1999 年进行的“我国电力大系统灾变防治和经济运行的重大科学问题研究”,就已经提出过“数字电力系统”的概念。近年来国内也在一直不断关注国内外智能电网方面的最新研究进展。2007 年10 月,华东电网正式启动了智能电网可行性研究项目,计划建成具有自愈能力的智能电网。

  3、小结:2008 年11 月11 日到13 日,中美清洁能源合作组织特别会议召开,在会上开始使用“Smart Grid”,中国将之翻译为“智能电网” ,并在国内统一推广这一概念,以指导相关研究的开展。在2009 年5 月召开的“2009 特高压输电技术国际会议”上,中国国家电网公司正式提出“坚强智能电网”的概念,并计划于 2020 年基本建成中国的坚强智能电网,正式拉开了中国坚强智能电网的研究与建设序幕。

必要性

  一、优化能源结构,保障能源安全供应

  我国一次能源结构不均衡,煤炭资源丰富而石油、天然气等资源相对匮乏。能源发展的供不应求、结构失衡、效率偏低、污染严重等突出问题和矛盾,推动了风力、太阳能等清洁能源的开发利用。这在客观上要求电网必须适应能源结构的调整,满足国家能源发展战略。

  建设智能电网,将为集中与分散并存的清洁能源发展提供更好的平台,促进清洁能源较快发展,进而有效增加我国能源供应总量;智能电网可促进电动汽车的规模化快速发展,优化我国能源供应和消费结构,降低对传统化石能源特别是石油的依赖,为经济社会可持续发展提供更加安全、更加优质的能源供应,保障国家能源安全。

  二、提升电网的大范围资源优化配置能力

  我国能源资源与能源需求呈逆向分布,80%以上的煤炭、水电和风能资源分布在西部、北部地区,而75%以上的能源需求集中在东部、中部地区。未来能源生产中心不断西移和北移,跨区能源调运规模和距离不断加大,能源运输形势更为严峻。

  一次能源资源与生产力布局不平衡的基本国情,客观上决定了我国能源供应的长期发展格局,促使我国必须在全国范围内实行资源优化配置。

  电网是科学合理能源资源利用体系的重要载体,为在更大范围内实现能源资源优化配置提供了平台。

  现有电网在跨区输电能力、安全稳定运行水平、抵御自然灾害能力等方面亟待提高。

  从中国国情出发,加快建设具有坚强骨干网架的智能电网,能够有效解决电力的大规模、远距离、低损耗传输问题,促进大型水电、煤电、核电、可再生能源基地的集约化开发,推动国际能源合作和跨国输电,实现全国乃至更大范围内能源资源优化配置。

  三、提升系统的清洁能源接纳能力

  电网是实现电力输送的载体,是促进清洁能源发展的重要组成部分,清洁能源电力转换、传输和使用都要通过电网瞬时完成。

  加强智能电网建设,可以提升电网适应不同类型清洁能源发展的能力,促进清洁能源开发和消纳,为清洁能源的广泛高效利用提供平台。

  通过智能电网平台,为风电、太阳能等清洁能源并网提供辅助服务,实现不同能源间的互补与均衡,提升其可用性,促进清洁能源高效利用和科学发展,促进能源综合利用效率的提高,促进节能减排。

  智能电网通过集成先进的信息、自动化及储能技术,能够对包括清洁能源在内的所有资源进行准确预测和统筹安排,有效解决因大规模清洁能源接入而产生的电网安全稳定运行技术问题,提升电网接纳清洁能源的能力。

  四、促进节能减排,推动低碳经济的发展

  2007 年,我国化石燃料燃烧产生的二氧化碳据估算约为61.6 亿吨,约占世界总量的五分之一。“富煤、少气、缺油”的能源资源条件,决定了我国以煤为主的能源结构在短期难以发生根本改变,未来二氧化碳排放增量依然巨大。

  当前应对气候变化形势严峻,2009 年底的哥本哈根会议讨论后京都时代全球减排规则,可能成为全球走向低碳经济的标志。我国经济社会发展既面临巨大减排压力,又面临着发展低碳经济和绿色经济的重大机遇。

  建设智能电网,首先可以提升电网适应不同类型清洁能源发展的能力,促进清洁能源开发和消纳,为清洁能源的广泛高效开发提供平台。其次,智能电网能够使电能在终端用户得到更加高效合理的利用,引领能源消费理念和方式的转变,从而适应低碳经济的发展要求。

  通过电网智能化建设,推动友好互动的用户服务,推动蓄能电池充电技术的发展,促进和加速低耗节能设备、电动汽车和智能家电等智能设备大规模应用,有效改变终端用户用能方式,提高电能在终端能源消费中的比重,减少化石燃料的使用,降低能耗并减少排放。

  通过加强用户与电网之间的信息集成共享,电动汽车接入、双向电能交换等应用将进一步改善电网运营方式和用户电能的利用模式,推动低碳经济和节能环保的长足发展。

  五、实现电网的可持续发展

  我国仍处在工业化、城镇化快速发展时期,在今后相当长一段时期内电力需求将保持较快增长的态势,电网正处于快速增长的发展阶段。

  由于长期的“重发轻供”,加上近年来发电装机持续大规模投产,目前我国电网发展严重滞后的矛盾没有根本缓解,电网发展的任务还相当艰巨。如何在电网向智能化方向发展的世界趋势下,既保证电网发展的技术先进性,又兼顾电网的发展速度、发展效率与可持续发展能力,成为我国电网发展亟待破解的战略问题。

  建设智能电网,在电网规模快速发展的同时,依靠现代信息、通信和控制技术,实现技术、设备、运行、管理各个方面的提升,可以促进电网发展方式转变,推动电网的跨越式发展,甚至引领世界电网向智能化方向发展。

  六、提升电工行业核心竞争力,促进技术进步及装备升级

  近年来,我国电工行业迅速发展,培养出一批大型企业和集团公司,具备了先进电工设备的大规模生产制造能力和一定的设备研制、设计能力,整体技术水平有了长足的进步,设备国产化率不断提高,直流输电和特高压设备水平国际领先。

  然而,我国电工设备制造业的核心竞争力仍有待提高。电工行业的整体研发水平较低,科研投入不足,自主创新能力弱,部分核心技术来源依靠国外,高科技含量产品与国际先进技术差距较大,在自主知识产权、设计技术、关键设备制造等方面有待进一步提升。

  智能电网将融合网络通信、传感器、电力电子和化学储能等高新技术,对于推动通讯信息、能源、新材料等高科技产业,推动新技术革命具有直接的综合效果。

  建设智能电网,一方面将带动其上下游和周边衍生产业链,推动电力和其他产业结构调整,促进技术和装备升级;另一方面,将为国内电动汽车和智能家电等相关行业提供友好、公平的竞争平台,促进关联产业良性发展和新产业的涌现。

  加快建设智能电网还将为我国占据世界智能电网技术、相关标准的制高点提供战略机遇。

  七、满足用户多元化需求,提升和丰富电网的服务质量及内涵

  电网作为联接电源与用户的重要载体,其未来发展需要更加注重与用户间的沟通和互动。

  随着生活水平的提高,居民对供电可靠性、电能质量、用电服务水平更加关注,对电力供应的开放性和互动性提出更高要求。

  电动汽车、储能装置和分布式电源的推广应用,也要求电网能够兼容各类电源和用户的接入与退出。

  建设智能电网,有利于提高电能质量和供电可靠性,创新商业服务模式,提升电网与用户双向互动能力和用电增值服务水平。智能电网将为用户管理与互动服务提供实时、准确的基础数据,从而实现电网与用户的双向互动,加大用户参与力度,提升用户服务质量,满足用户多元化需求。智能电网还能够友好兼容各类电源和用户的接入与退出,为电动汽车、用户侧分散式储能的应用推广提供广阔的发展空间,实现终端客户分布式电源的“即插即用”。

  未来的中国电网必须足够坚强,满足安全、可靠的供电要求,而且要更加智能,满足运行灵活、方便、开放的服务要求。

  其基本发展思路和技术路线,应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,通过传统电力技术与先进的信息、通信和控制技术的融合,通过电网资源与社会资源的融合,进一步拓展电网功能及其资源优化配置能力,大幅提升电网的服务能力,实现多元化电源和不同特征电力用户的灵活接入和方便使用,实现更加经济、高效的发展。通过科技创新和管理创新,带动电力行业及其它相关产业的技术升级,满足我国经济社会全面、协调、可持续发展要求。

  构建以信息化、自动化、互动化为特征的国际领先、自主创新、中国特色的坚强智能电网,是适应中国国情,满足未来各方面发展需求的战略性选择。

  智能电网是当今世界能源产业发展变革的最新动向,体现了社会的进步,代表着电网未来发展的方向。目前,建设智能电网的必要性已经在世界范围内被广泛接受,但由于各国间国情和发展现状的不同,对智能电网的概念和特征的总结不完全一致。随着智能电网技术研究和实践的推进,世界各国对智能电网的理解也在不断探索、完善的过程中。

目标

  智能电网的目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全,电网能够实现这些目标,就可以称其为智能电网。

  智能电网必须更加可靠—智能电网不管用户在何时何地,都能提供可靠的电力供应。它对电网可能出现的问题提出充分的告警,并能忍受大多数的电网扰动而不会断电。它在用户受到断电影响之前就能采取有效的校正措施,以使电网用户免受供电中断的影响。

  智能电网必须更加安全—智能电网能够经受物理的和网络的攻击而不会出现大面积停电或者不会付出高昂的恢复费用。它更不容易受到自然灾害的影响。智能电网必须更加经济—智能电网运行在供求平衡的基本规律之下,价格公平且供应充足。智能电网必须更加高效—智能电网利用投资,控制成本,减少电力输送和分配的损耗,电力生产和资产利用更加高效。通过控制潮流的方法,以减少输送功率拥堵和允许低成本的电源包括可再生能源的接入。

  智能电网必须更加环境友好—智能电网通过在发电、输电、配电、储能和消费过程中的创新来减少对环境的影响。进一步扩大可再生能源的接入。在可能的情况下,在未来的设计中,智能电网的资产将占用更少的土地,减少对景观的实际影响。智能电网必须是使用安全的—智能电网必须不能伤害到公众或电网工人,也就是对电力的使用必须是安全的。

发展趋势

  智能电网建设在欧美国家已逐步上升到国家战略层面,成为国家经济发展和能源政策的重要组成部分。目前,美国、欧洲等国家电网高速发展时期早已过去,电网架构趋于稳定、成熟,具备较为充裕的输配电供应能力。因此,如何进一步提高电网效率,积极应对环境挑战,提高供电可靠性和电能质量,完善电力用户服务,适应更加开放的能源及电力市场化环境需要,成为欧美等发达国家电网发展的主要关注点。

  进入21 世纪以后,随着信息技术和互联网技术的广泛应用,尤其是美加大停电和其它停电事故所带来的强大冲击,美国、欧盟等国家对电力供应的安全性、灵活性以及电能质量等问题愈加关注,围绕与用户之间的双向互动、可再生能源和分布式电源发展与管理、电力供应商业模式和技术手段创新等方面,重点着眼于配电和用户环节,陆续启动了一系列相关研究和实践,有关智能电网的建设和应用理念由此逐步形成。

  国内外经济社会发展对我国未来电网建设提出了“量”与“质” 两方面的高标准要求。一方面,需要电网加快外延式发展,强化输配电能力,为满足持续大幅度增长的电力需求提供坚强的输配平台;另一方面,要求电网运行要具有更高的综合能源效率、环境效益和经济效益,能够进一步提升供电的安全可靠性、经济性,促进节能减排、实现清洁环保,且具有灵活互动、友好开放等特性,具备更强的服务经济社会发展的能力。因此,我国未来的电网发展,必须以科学发展观为指导,借鉴国外发展经验,结合我国的现实情况,走一条适合中国国情的发展道路,以适应现实国情和未来各方面的综合发展需求。

建设面临的问题

  世界范围内的电力改革浪潮始于英美,其特点是由政府组织改革,放松电力管制,通过私有化引入市场竞争 1。早在 20 世纪 70 年代末,英国政府就开始就着手对一系列国有行业进行私有化改革,并于80 年代颁布《能源法》取消了非公共企业进入电力行业的限制,90 年代实现了国有电力企业的私有化和电力市场全面的零售竞争。几乎在同一时期,美国也逐步放松了电力管制,陆续开放发电、输电及电力批发市场,引入竞争 。经过二十余年的改革与发展,英美的电力行业已经实现成熟的市场化运营,电力企业也已实施规范的公司化运作,目前正处在向新型能源公司转型的过程中。相比之下,中国的电力改革以政企分开、打破垄断为核心,自20 世纪90 年代至今大致经历了三个阶段(见图1)。

  1. 电力需求增长强劲

  与国外相对成熟稳定的电力市场不同,中国仍是一个发展中的电力市场。过去十多年来,持续快速增长的中国经济成为世界经济的一大亮点。经济和社会的飞速发展带来持续强劲增长的电力需求。据估计,到2010 年,中国国内生产总值将由1995 年的58478 亿元人民币增长为224000 亿元人民币,复合年均增长率达到9.37%;而同期全社会电力消费总量将由10103 亿千瓦小时增长为36300 亿千瓦小时,复合年均增长率达到8.90%5。据估计,2006 年夏季高峰时段中国电力缺口约达1200 万千瓦6。除了总量的压力外,随着城市化及发达地区城乡一体化的发展,用电需求和负荷模式正在发生着重大变化,这也对原有的电力生产和传输系统提出了新的挑战。

  2. 资源与环境压力日益增大

  随着中国经济和社会的发展,资源和环境问题给电力企业带来的压力也越来越大。以电煤为例,2005 年国家取消煤炭“计划价格”和“市场价格”双轨制后,当年前三季度电煤价格比2004 年底每吨上涨35 元左右,涨幅约15%7。此外,土地资源紧张增加了线路走廊和站址选择的困难,电力企业征地费用大幅增加8。从政府的政策导向来看,“十一五”期间为建设节约型社会,GDP 能耗要比“十五”降低20%9,对电力产业发展提出了新的要求;而环境保护问题也首次成为五年规划的约束性指标10,环评工作对电力项目的核准与建设的影响更为重大。

  3. 区域差异与普遍服务

  在电力需求高速增长的同时,正如中国宏观经济发展不平衡的状况一样,中国不同地区间的电力消费量也存在较大的差异.中国各地区电力消费量比较总体而言,水在西南、煤在“三西”(山西、陕西、内蒙古西部)、主要负荷分布于东部沿海地区,这是中国电力供给与需求分布的特点。同时,区域间经济、人口及电力供需的不均衡性对电力供给的可获得性、非歧视性及可承受性提出挑战,在电力体制改革过程中社会保障体系尚未建立健全的情况下,这为电力企业带来了普遍服务的社会责任及经营压力。

  4. 电力改革尚未完成

  中国电力行业的市场化改革相对于其他行业起步较晚。现阶段虽然实现了政企分开、厂网分离,但在输电、配电、售电领域仍然缺少市场竞争和用户选择。电价仍由行政审批,电网企业购售电价空间有限,且电网企业主辅业尚未完全分离,这些都增加了企业经营的困难。此外,由于电力改革中社会普遍服务的机制尚未建立,电网企业实际承担了无限服务的社会责任(如“村村通电”工程、落后地区的城网/农网改造、居民用电维修的无偿服务等),负担沉重。

我国发展方向

  中国电力改革目前所处的阶段及中国电力市场环境的特点给中国电网企业带来生产建设和经营管理等多方面的挑战。我们认为,中国电网企业应立足自身的实际,通过运营管理的创新,提升竞争实力。

  1. 提高电网投资决策和规划水平,缓解资金压力和建设难度

  为满足高速增长的电力需求,支持中国经济和社会的发展,中国电网企业需要加大对电网资产的投资。然而实际情况是,一方面电网企业收益水平较低,自我资金筹措能力不足;另一方面电网企业目前的资产负债率已经很高,加快电网发展带来的债务融资需求将进一步增加企业的财务风险。此外,土地资源制约和环保压力也不断增加电网规划和建设的难度及费用。

  在此情况下,如何合理利用资金和相关资源,保证电网规划和建设的科学性、合理性和投资有效性,对于电网企业至关重要。企业需要掌握更加精确详细的电网运行历史数据,根据客户需求制定投资决策,更为精细化地设计规划新增或更换设备,以满足用电需求的增长。另外,作为解决电力供需矛盾的重要途径,分时电价、削峰填谷可以减少为了保证高峰负荷而付出的高昂投资和代价。

  2. 加强设备状态检测,提高故障处理水平,确保电网运行的安全性和可靠性

  随着电力需求的增长,电网主网的规模不断扩大,复杂度不断提高,需要综合运用先进的技术和管理手段,保证安全运行。在配网方面,总体上看,中国的配网设备相对于输电网落后,老化现象严重,且结构不合理,难以应对用户对可靠性越来越高的要求。

  中国电网企业可以通过远程设备监视,有效预防和避免故障的发生;同时,优化检修计划,减少计划停电;在故障发生后,基于充分的信息支持,提高故障处理水平,实现对故障的快速定位、隔离和恢复供电。3. 向状态检修过渡,提高资产运维和管理水平

  设备健康是保证电网安全可靠的重要基础。中国电网企业传统上执行的是周期检修的方式,但随着越来越多新设备投入使用,老规程与新设备之间的矛盾日益突出。如何创新资产运维和管理模式,既能准确合理的评价设备的健康水平,又能避免或减少“过修、过试” 现象,在资产规模不断扩大而运维人员规模不变甚至缩减的情况下确保运维质量、降低运维成本?为了解决这一难题,电网企业的努力方向是:获得设备状态数据,实时掌握资产健康状态,由目前传统的计划检修向状态检修过渡,优化延长设备使用寿命,减少资产运维的人员需求和成本。

  4. 加强需求侧管理,提高客户服务水平

  中国经济和社会的发展,对电力营销的精细化提出了更高的要求。电网企业应当采集更为全面和详细的客户计量信息,掌握更大范围内更详细的电网运行状态,加强需求侧管理,缩短电费回收时间,减少窃电损失,提高客户服务水平,降低客服成本。

  5. 完善公司治理,提高人员素质

  由于中国整个电力行业尚未完成市场化改革,原有体制的“惯性”成为中国电网企业公司化治理的障碍:组织结构条块分割严重,缺乏面向服务、以供应链为基准的横向协同,业务流程亟待整合、优化;管理粗放,标准及制度缺乏或执行不到位;与国外先进电网企业相比,人员总量偏多而素质和效率偏低。

  中国电网企业需要梳理组织体系和治理结构,优化业务流程,建立符合现代化企业要求的组织结构和管控体系;同时完善管理制度,加强标准化管理;还要通过主辅业分离的改革调整人员规模,并优化人员结构,提高人员素质。

  BM与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案,并已经在欧美多家先进电网企业成功实施和应用。我们希望将先进的智能电网解决方案与中国电力行业实际情况结合,构建智能化的中国电网,推动中国电网企业的创新和发展。

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