城市電網(wǎng)智能化發(fā)展關鍵技術:
1.更友好的新型配用電設備
傳統(tǒng)城市電網(wǎng)智能化工作的開展重點關注低損耗、可靠性高、免維護的新型變壓器、開關等設備的應用和升級,對國內(nèi)近二十年的城市電網(wǎng)建設改造和可靠性提升起到了非常重要的支撐作用?,F(xiàn)代城市生活對城市電網(wǎng)的低碳環(huán)保需求和不斷繁榮的現(xiàn)代科技,特別是通信和信息技術的發(fā)展,共同推動了城市電網(wǎng)配用電設備的更新?lián)Q代,設備的種類和設備的功能相比傳統(tǒng)電網(wǎng)正發(fā)生質(zhì)的飛越。
首先,世界范圍內(nèi)日益嚴峻的能源環(huán)境問題要求城市電網(wǎng)更加低碳,催生了現(xiàn)代城市電網(wǎng)中大量新元素的出現(xiàn)。例如,分布式光伏發(fā)電、小型風機、微燃機、儲能、電動汽車等。其次,為適應和管理上述設備的并網(wǎng)連接與可靠協(xié)調(diào)運行,城市電網(wǎng)中電力電子裝置開始大量出現(xiàn),城市電網(wǎng)呈現(xiàn)出電力電子化的發(fā)展趨勢。此外,計算機、電子、通信技術的快速發(fā)展也促使傳統(tǒng)城市電網(wǎng)設備的全面升級換代和大量新技術新設備的應用,如智能變電站、配網(wǎng)潮流管理器、SOP軟開關等。
為支撐對各類分布式能源和靈活負荷的廣泛接入,未來的城市電網(wǎng)設備將沿著標準化即插即用接口、高度電力電子化、物理信息控制高度融合的方向發(fā)展。
2.更靈活的電力網(wǎng)架結構
網(wǎng)架結構是支撐整個城市電網(wǎng)智能化發(fā)展的關鍵和基礎。傳統(tǒng)的城市電網(wǎng)在網(wǎng)絡拓撲上一般采取“閉環(huán)設計、開環(huán)運行”的建設運行模式,以輻射狀交流供電為主。由于地理條件、地方政策、電網(wǎng)歷史沿革、負荷構成、用戶要求等不同,世界范圍內(nèi)的城市電網(wǎng)表現(xiàn)出不同的網(wǎng)架結構形態(tài)。未來城市電網(wǎng)中的結構形式將更多向環(huán)網(wǎng)結構和雙側(cè)電源結構發(fā)展,實現(xiàn)城市電網(wǎng)網(wǎng)絡架構的靈活性和可靠性。
受分布式能源接入、ICT技術、電力電子技術等技術的推動,現(xiàn)代城市電網(wǎng)在結構形態(tài)上呈現(xiàn)出了多樣化的趨勢。以城市配電網(wǎng)為例,目前學術上討論的配電網(wǎng)形態(tài)包括傳統(tǒng)配電網(wǎng)(被動配電網(wǎng))、有源配電網(wǎng)(主動配電網(wǎng))、智能配電網(wǎng)、微電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng);按照電能的傳輸方式,包括直流配電網(wǎng)、交流配電網(wǎng)和交直流混合配電網(wǎng)的形式。其中最受關注的主要是微電網(wǎng)和有源(主動)配電網(wǎng)的概念。微電網(wǎng)和主動配電網(wǎng)均被認為是未來智能配電網(wǎng)的重要組成部分,均存在交流、直流和交直流混聯(lián)3種傳輸模式。
除傳統(tǒng)配電網(wǎng)外,各種形態(tài)的電網(wǎng)形式均未形成固化的標準結構模式,但各形態(tài)電網(wǎng)均要求未來城市電網(wǎng)的結構更加靈活主動,能夠依據(jù)電網(wǎng)運行狀態(tài)、用戶用電需求、系統(tǒng)故障等具體場景主動進行網(wǎng)絡重構、開閉環(huán)運行自由切換以及網(wǎng)絡自愈,保證系統(tǒng)故障時最小化停電范圍、系統(tǒng)正常運行時最大化運行效率。
3.更綜合的城市電網(wǎng)規(guī)劃設計
規(guī)劃元素多樣化和與運行深度耦合的特性給城市電網(wǎng)綜合規(guī)劃提出了新的挑戰(zhàn)和需求,未來城市電網(wǎng)規(guī)劃需要采取“主動規(guī)劃”的理念。需要對區(qū)域內(nèi)的分布式可再生能源資源的可利用能力進行主動評估,主動規(guī)劃設計分布式可再生能源發(fā)電的接入點,主動評估城市電網(wǎng)對分布式電源的接納能力和最大負荷供應能力,前瞻性的給出網(wǎng)絡解和非網(wǎng)絡解相結合的綜合規(guī)劃解決方案。
同時,為增強方案的可操作性和可實施性,規(guī)劃中還需要考慮規(guī)劃、建設和運行的完整性、統(tǒng)一性,在規(guī)劃設計階段就充分考慮配電自動化、通信和配電管理系統(tǒng)對改善城市電網(wǎng)運行性能所發(fā)揮的重大作用,協(xié)調(diào)統(tǒng)一地規(guī)劃建設堅強可靠的一次電網(wǎng)網(wǎng)架、深度協(xié)同的二次自動化系統(tǒng)與功能強大的智能決策支持系統(tǒng),實現(xiàn)三位一體式的協(xié)同規(guī)劃。
4.更精細化的城市電網(wǎng)分析評估
現(xiàn)代城市電網(wǎng)中由于多樣化分布式電源及多元化負荷的加入,其規(guī)劃運行的不確定性大大增加,傳統(tǒng)基于單一靜態(tài)斷面的潮流分析和單項靜態(tài)指標的分析評估模式已無法滿足現(xiàn)代城市電網(wǎng)規(guī)劃所需的細粒度詳盡分析的需要;傳統(tǒng)基于高比例不健全量測數(shù)據(jù)的狀態(tài)估計和參數(shù)辨識也無法支撐現(xiàn)代城市電網(wǎng)精細化運行的需要。要求提供從單個設備、單條線路至區(qū)域電網(wǎng)整體,多場景的,單斷面靜態(tài)至時序多斷面動態(tài)的多維度精細化分析評估,也就是說現(xiàn)代城市電網(wǎng)的分析評估需要更加精細化。
城市電網(wǎng)的精細化分析評估主要體現(xiàn)在多時間尺度和多維度的精細化評估方面。(1)時間尺度方面,需要建立多時間顆粒度的時序分析體系(如時序潮流),在有條件的情況下應充分利用城市電網(wǎng)的高級量測體系所提供的實時數(shù)據(jù),并應用分布式計算、大數(shù)據(jù)分析等高級數(shù)據(jù)處理技術實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)分析和精細化的結果輸出,以應對現(xiàn)代電網(wǎng)日益增加的隨機性和不確定性。(2)多維度方面,則可以借鑒綜合評價的系統(tǒng)方法學理念,面向不同的分析評估目標對象,構建適宜的分析體系,給出全面的分析評估結果,既包括各關鍵點上的細致量化指標結果,也包括各維度上的整體量化結果。
5.高度協(xié)調(diào)的城市電網(wǎng)運行控制
大量分布式電源和靈活負荷的接入以及電力市場化的逐步深入,使得現(xiàn)代城市電網(wǎng)調(diào)的運行控制不得不面臨著更多新的問題:
?。?)控制手段豐富,需要具備更全面的信息監(jiān)測和感知能力。
?。?)控制目標復雜,需要具備全局協(xié)調(diào)優(yōu)化控制能力。
(3)多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào),需要具備與其他能源網(wǎng)絡更高的互聯(lián)優(yōu)化運行能力。
針對上述新問題和新需求,一些新的調(diào)度運行控制方法已經(jīng)提出并且正處于不斷完善的過程中。例如,通過建立廣域量測和廣域閉環(huán)控制系統(tǒng)、應用新型設備(如智能用電終端、智能電力電子變壓器、軟開關SOP等)、建立分層控制體系、建立電力市場運營機制以及能源路由器(EnergyRouter)的出現(xiàn),使得以城市電網(wǎng)為核心樞紐的綜合城市能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行成為可能??梢哉f,新技術新要素的出現(xiàn)在給現(xiàn)代城市電網(wǎng)的運行控制提出新要求和新目標的同時,也為城市電網(wǎng)的高級運行和綜合優(yōu)化運行提供了新的思路與方法。
6.更高效與人性化的維護管理
現(xiàn)代城市電網(wǎng)設備數(shù)量龐大、設備的種類及其相互的關聯(lián)關系也日趨復雜,傳統(tǒng)的人工檢測、維護和檢修方式效率較低且由于人為因素而產(chǎn)生的不確定性較大,已經(jīng)不能滿足社會對城市電網(wǎng)安全高效可靠供電服務的要求。此外,海量設備的監(jiān)測和日常電網(wǎng)運行的維護檢修也常常超過人類的工作負荷,有些高危工作還會給工作人員帶來危險。因此,現(xiàn)代城市電網(wǎng)維護管理旨在:
(1)圍繞提高供電可靠性和供電服務質(zhì)量,應用智能化計算機技術,減少人工干預因素,建立標準化運維管理體系,提高運維管理率;
?。?)建立更加人性化的維護管理系統(tǒng),減輕人工負荷和危險系數(shù),提高電網(wǎng)管理系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。
為更加高效智能的管理維護城市電網(wǎng)的設備及其運行,全面提升城市電網(wǎng)供電可靠性和供電服務水平,圍繞“設備狀態(tài)監(jiān)測-設備狀態(tài)評價-設備標準化維護管理”的許多新技術和新方法正不斷涌現(xiàn)。
7.更廣泛的信息技術支撐
信息通信技術(InformationandCommunicationTechnology,ICT)是通信服務、信息服務及相關應用的有機結合,基于靈活可靠的數(shù)據(jù)交互傳輸和高效智能的數(shù)據(jù)分析共享,ICT技術正使城市電網(wǎng)向數(shù)字化、信息化和智能化的方向不斷發(fā)展。ICT技術對城市電網(wǎng)智能化的支撐主要體現(xiàn)在(1)提升城市電網(wǎng)的可觀性;(2)支撐城市電網(wǎng)高級配用電業(yè)務的開展。
隨著信息技術的發(fā)展和城市電網(wǎng)智能化的深入,現(xiàn)代城市電網(wǎng)的物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)呈現(xiàn)出更加深度融合的趨勢,開展對城市電網(wǎng)CPS系統(tǒng)的模型建模、耦合特性分析、聯(lián)合運行仿真和協(xié)調(diào)優(yōu)化規(guī)劃等將成為未來城市電網(wǎng)ICT技術層面的研究重點。
為便于理解,將傳統(tǒng)城市電網(wǎng)與現(xiàn)代城市電網(wǎng)的特征對比總結如表1所示:
表:現(xiàn)代城市電網(wǎng)和傳統(tǒng)城市電網(wǎng)對比
未來城市電網(wǎng)展望
城市電網(wǎng)的智能化是數(shù)學物理理論、材料技術、計算機技術、通信技術、電力電子技術等各個科技領域發(fā)展的綜合體現(xiàn)。智能化的城市電網(wǎng)通過應用各種先進的信息技術,實現(xiàn)電網(wǎng)的數(shù)字化、信息化、自動化和智能化,并最終實現(xiàn)城市電網(wǎng)與用戶間的互動,以滿足未來各種關鍵的技術需求。
基于大數(shù)據(jù)的城市電網(wǎng)智能化技術
城市電網(wǎng)的智能化發(fā)展伴隨而來的是數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)種類的爆發(fā)式增長,現(xiàn)代城市電網(wǎng)的數(shù)據(jù)已經(jīng)具備了大數(shù)據(jù)的一些典型特征。在未來,傳統(tǒng)方法將無法承載和消化如此龐大規(guī)模的城市電網(wǎng)數(shù)據(jù),需要應用大數(shù)據(jù)思維解決數(shù)據(jù)的融合、儲存、分析和處理。未來大數(shù)據(jù)技術的應用主要面臨多元、異構的數(shù)據(jù)集成,高速度精準數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)安全等方面的問題。
以城市電網(wǎng)為樞紐的綜合能源系統(tǒng)
建立綜合能源系統(tǒng),綜合實現(xiàn)多種能源的高效生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)化與消費是實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的趨勢。未來的城市電網(wǎng)必將作為未來綜合能源系統(tǒng)的核心紐帶。為支撐綜合能源服務系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn),現(xiàn)代城市電網(wǎng)的建設運行還將面臨以下2方面所需要解決的問題:
?。?)規(guī)劃建設階段,如何考慮不同種類能源的特征和實際運行時不同需求場景條件協(xié)調(diào)規(guī)劃建設各自的能源網(wǎng)絡,優(yōu)化布置電網(wǎng)與各能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化接口。
?。?)實際運行階段,根據(jù)用戶對不同能源的消費需求如何協(xié)調(diào)控制各種能源的生產(chǎn)速率、轉(zhuǎn)化比例和傳輸容量。
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