智能电网技术与太阳能光伏应用

17．3．1．1 智能电网本身技术

图17．1所示展示了智能电网本身技术的组成［9］，这些技术包括高级量测体系（advanced metering infrastructure，AMI）、高级配电运行（advanced distribution operation，ADO）、高级输电运行（advanced transmission operation，ATO）和高级资产管理（advanced asset management，AAM）。其中AMI的主要功能是建立电网与负荷的联系；ADO使电网实现自愈功能；ATO用于大范围电力调配；AAM与AMI、ADO和ATO的集成应用将有效提升电网资产的利用率。

1）高级量测体系，AMI

主要功能是建立系统与负荷的联系，使用户能够参与电网的运行。其技术组成包括：①智能电表。可以实时双向计量用户电量、功率、电压、电流和其他信息；②通信网络。把计量信息实时地从电表传到数据中心；③计量数据数据库，处理和储存电表的计量值；④用户室内网（HAN）。把智能电表和用户电器或装置连接起来；⑤用户服务。

图17．1　智能电网本身技术组成与功能示意［9］

2）高级配电运行［10］ADO

主要的功能是使电网可自愈。其技术组成包括：①配电自动化；②保护与控制；③配电快速仿真与模拟；④新型电力电子装置；⑤分布式电源运行；⑥微电网运行。为了实现自愈，电网应具有灵活的可重构的配电网络拓扑和实时监视、分析系统状态的能力。

3）高级输电运行ATO

强调阻塞管理和降低大规模停运的风险，ATO与AMI，ADO和AAM的协同实现输电系统的安全、优化运行。其技术组成包括：①变电站自动化；②输电的地理信息系统；③广域量测系统；④高速信息处理；⑤输电保护与控制；⑥模拟、仿真和可视化工具；⑦先进输电网设备。

4）高级资产管理AAM

AMM与ATO，ADO，AMI的集成应用将显著提高电网设备的利用率。AAM依据电网中设备的运行参数和“健康”状况，优化资产使用、运行维护、工作与资源管理。

17．3．1．2 支撑智能电网的技术

实现智能电网自愈、互动、安全、高质量、容纳各种电源和储能方式、市场化和资产优化与高效运行等特征需要6个主要的支撑技术：①高度集成的通信系统；②系统快速仿真与模拟（fast simulation and modeling，FSM）；③先进电网设备技术；④先进传感和测量技术；⑤先进监控技术与控制理论；⑥各类电网友好型可再生电源、储能设备、分布电源技术。电网所及之处均有为其服务的双向通信网，以便实现对系统中每一个成员的实时控制和信息交换；智能电网快速仿真与模拟是智能电网的核心软件，其中包括风险评估、自愈控制与优化等高级软件系统，为智能电网提供预测能力；先进电力电子技术是融合信息流与能量流的载体，实现功率变换与交互；灵活高效的分布式电源是实现分布式电源友好嵌入配网与微网的前提条件；传感和测量技术实现对诸如远程监测、分时电价和用户侧管理等的更快速和准确的系统响应，是实现电网与用户互动、平移负荷和提升资产利用率的基础；电力系统是世界上最复杂的人造系统工程，使这样的系统智能化、自动化需要更先进的控制与决策。大量可再生电源融入电网不仅需要有高度接纳随机波动电源能力的电网，也需要对电网友好的随即不动电源。(www.xing528.com)

1）高度集成的通信技术

智能电网将集成各种通信技术，通过在系统中安放大量的传感器并把它们连接到一个安全的通讯网上去，形成集成的通讯体系，这个系统采用开放式的通信网架，具有高速、集成、兼容、双向的特质，可以动态响应实时信息，为智能传感器和控制装置、控制中心、保护系统和需求响应系统提供一个安全的“即插即用”的网络平台，它覆盖从发电机到末端电力负荷的全范围，把数据通讯网络和智能设备集成为一体。使电网中的每一个元件都具备实时控制和信息交换能力。在这个通讯体系中，信息安全是至关重要的，智能电网必须明确各利益主体的保密程度和权限，并保护其资料和经济利益。需要复杂大系统下的网络生存、主动实时防护、安全存储、网络病毒防范、恶意攻击防范、网络信任体系与新的密码等技术的支撑。

2）系统快速仿真与模拟［5］

快速仿真与模拟是含风险评估、自愈控制与优化的高级软件系统。它为智能电网提供分析支持和预测能力，以期达到改善电网的稳定性、安全性、可靠性和运行效率的目的。它支持以下四个主要的自愈功能：网络重构；电压与无功控制；故障定位、隔离和服务恢复；当系统拓扑结构发生变化时继保再整定，即实现电力系统更新运行方式后的保护。

3）先进的电网设备技术

先进的电网一次设备是智能电网实现的物理基础。包括：再生能源发电和运行技术；电力电子技术；大容量储能技术；高效能源材料与超导技术；直流输电和灵活交流输电（FACTS）技术。电源技术将集中于核能、风能、太阳能、生物质能、氢能、燃料电池等清洁能源技术，以及洁净煤燃烧技术、高参数超超临界机组、超临界大型循环流化床、多联产系统技术。分布式电源（DER）的种类很多，包括小水电、风力发电、光伏电源、微型透平、燃料电池和储能装置（如，飞轮、超级电容器、超导磁能存储和钠硫蓄电池等）。配电网中的DER，由于靠近负荷中心，降低了对电网扩展的需要，并提高了供电可靠性，因此得到广泛采用。电力电子装置是未来电网的主要组成部分。在强化优化电网及保障大电网安全方面有高压直流输电HVDC，静止同步补偿器（static synchronous compensator，STATCOM）、统一潮流控制器（unified power flow controller，UPFC）、分级可控并联电抗器（stepped control shunt reactor，SCSR）等灵活交流输电装置FACTS；在促进可再生能源有效利用方面有风电变流器、光伏逆变器、新能源功率变换器、储能接入变流器和轻型直流输电；在改善电网电能质量方面有配网静止同步补偿器、电力有源滤波器（active power filter，APF）、动态电压调节器（dynamic voltage restorer，DVR）、统一电能质量控制器（unified power quality controller，UPQC）等；在用电与节能减排方面有变频调速器、电动车驱动器、先进照明驱动器等。智能电网将可使用新的系统控制逻辑，使它们协同运行，以便实现多重电力电子装置的集成控制，实现电网最优化运行。高效能源材料主要包括太阳能电池相关材料，燃料电池关键材料，高效二次电池材料，超导关键材料及制备技术。

4）先进传感和测量技术及需求侧管理

该技术是智能电网信息的基础，主要用于智能仪表、广域测量系统和电网设备在线监测方面。需要把大量的传感器连接到一个安全的通信网，形成一个典型的传感器网络。这些传感器包括继电保护、广域量测系统（wide area measurement system，WAMS）、设备在线监测传感器以及监测系统。广域测量系统是由基于全球定位系统（GPS）的同步相量测量装置及其通信系统组成。它可以动态地测量和计算电力系统的运行状态相量和发电机功角。在WAMS基础上结合先进的控制理论和智能技术开发的广域保护和控制系统可以快速分析系统状态，鉴别其安全性。电网设备的在线监测，包括电气量以及非电气量的监测。电气量监测主要通过监测电网设备的电流、电压、相角、功率、功率因数等运行状态量；非电气量监测则包括监测电气设备中的介质的压力、流量、气体成分、温度等。采用先进的传感器通过对以上各状态量的监视，可完成电网设备的在线诊断，为实施电网设备的状态检修和管理提供必要的信息。高级计量体系包括安装在用户端的智能电表、位于电力公司内的计量数据管理系统、联接它们的通信系统，甚至用户住宅之内的室内网络（HAN）。智能电表可同时实现多种计量，设定计量间隔，并具有双向通信功能，支持远程设置、接通或断离、双向计量、定时或随机计量读取。也可以作为通向用户室内网络的网关，起到用户关口（customer portal）的作用，提供给用户实时电价和用电信息，并实现对用户室内用电装置的负荷控制，达到需求侧管理的目的。

5）先进监控技术与控制理论

在智能电网中决策与控制对以下几方面技术提出新的需求：①快速负荷和气象预测技术；②快速安全稳定计算方法、判据和控制策略；③高性能计算方法和设备；④故障定位；⑤人工智能技术，如分散式智能代理、智能感知技术、自组织网络技术、虚拟现实技术等；⑥人机交互界面及融合了多媒体、计算机图形学、数据库设计、生物特征识别技术等内核技术，；⑦决策支持和可视化技术等。

6）电网友好型电源

大规模集中式风电场、光伏电站，在电网正常运行时要具备较为准确的发电功率预测能力和功率调节能力，电网发生故障时不仅要具备电网故障穿越能力，还要具备提供无功电压支撑甚至有功频率支撑的能力。这些能力的需求将催生出新一代风电场、光伏电站和新型分布光伏发电设备、分布式风电、储能设备及更高性能的微网系统，带动一系列新技术的推广应用。