电工之家 - 电工学习网站收藏本页
当前位置:电工之家 > 电气资讯 > 资讯正文

通俗解释智能电网到底是什么

时间:2016-10-26 18:49 来源:电工之家 作者:编辑部

【摘要】通俗解释智能电网到底是什么 国家电网中国电力科学研究院:以物理电网为基础(中国的智能电网是以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础),将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而......

通俗解释智能电网到底是什么
国家电网中国电力科学研究院:以物理电网为基础(中国的智能电网是以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础),将现代先进的传感测量技术、通讯技术、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。它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的,实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。
既然说到智能电网,就先来看看电网到底是指什么。
所谓电网,一般是指排除发电侧之外的,由变电装置和输配电线组成的整体。
中高压变电装置一般都会配套建有专门的变电站,低压变电装置小区里也随处可见。
对,你们平时马路边看到的电线杆。

城乡结合部看到的高压电杆塔。

小区里不知是啥玩意儿的变电箱。

还有躲在犄角旮旯里的变电站。

它们都是电网的组成部分。电网包含变电、输电、配电三个环节。
变电(powertransforming),是指通过变电设备将电压由低等级转变为高等级(升压),或由高等级转变为低等级(降压)的环节。
输电(powertransmission),是指通过输电线路,将电能进行传输的环节。
配电(powerdistribution),是指通过配电变压,将电能从高压输电线路分配给用户的环节。
电能从发电厂制造出来,通过变电升压,进入高压输电线路,再经过变电降压,配电给各个用户。
其中高压输电的部分又称为主网,低压配电的部分又称为配(电)网。

此外,我们刚刚提到的发电机、变电箱、高压电线,包括线路中的各种“开关”——断路器接触器、隔离开关、刀闸等,都是直接用于生产和传输电能的,被称为“一次设备”(Primaryequipment)。
可能有人要问了,我平时就看到这些啊,难道电网里还存在什么其他的隐秘的部分吗?
没错,那就是所谓的“二次设备”。所谓二次设备(Secondaryequipment),是指对电网内一次设备进行监察,测量,控制,保护,调节的辅助设备。
二次设备包括电表、监控装置、继电保护装置、录波器、直流源等。

可以想象一下发射火箭。那么火箭本身就可以视为类似的“一次设备”,而监控火箭的轨道、速度、各种参数的装置,就可以视为类似的“二次设备”。
好了,简单介绍了一下电网,那么让我们来看看这智能电网到底“智能”在什么方面吧。
01
用户互动,电网透明化
怎么理解这个用户互动呢?在过去,用户对于电网来说,能做的几乎就只有一个选项:按时交电费。哦,也许还有一个,就是用户可以自个儿看一看电表,这个月走了几度电。(之所以用“走”,是因为大部分老式电表都是机械式的铝盘电度表。)除此以外,似乎真的没有什么能做的了。
老式电表和智能电表对比:

那么智能电网呢?用户将是电力系统不可分割的一部分。鼓励和促进用户参与自身运行和管理,是智能电网一大重要特征。
对供电公司而言,掌握了用户的需求,也就可以更好地衡量供求关系。通过统计用户的用电信息,供电公司可以从数据分析中了解一个区域内的用电规律,譬如什么时段用电多,什么时段用电少,进而相应地制定各个区域内,经济节能的发电和输配电的方案。
此外,通过调节用户的用电时间,便可有效提高电网终端用电效率,削峰填谷,平滑电网负荷曲线,减轻电网负荷压力。这样做的好处是,减少或转移用电高峰时的电力需求,使电力公司尽量减少资本开支和营运开支。电力成本减少了,电价自然也会下调。(好吧,只能说理论上是这样的。
而对于用户来说,电力消费成为和手机话费一样,可以选择性的消费。用户可以选择不同的方案来购买电能、选择用电。譬如用户可以随时查询到,高峰时段电价高,那么我就尽量少用;低谷时段电价便宜,就配合智能化电器定时操作或远程控制,选择在低电价的时段用电。
位于天津中新生态城的国家电网智能营业厅(这是学中国移动、中国电信吗)

想要做到这一点,就需要供电公司和用户建立的双向实时的通信系统(网络渠道),供电公司可以实时通知用户其电力消费的成本、实时电价、电网的状况、计划停电信息以及其他一些服务的信息等等,实现透明化。与此同时,用户也可以根据这些信息制定合适的用电方案。我所在的北美,这种用电方案已经逐渐成熟,可以通过选择适合自己的用电方案,如同订套餐一样选择用电。
2
智能设备,实现物联网
就像上文提到的,智能家电、智能控制设备等智能终端,将在智能电网中占据很重要的地位。通过在手机上安装的用电APP,就能远程遥控电热水器、空调、冰箱、电热水壶等电器,可以轻松实现在电价便宜的时候用电。
不妨设想一下好了,当冬天外出,回家之前通过APP提前打开空调,开门就能触摸温暖。想在早晨6点之前用半价电烧一壶水,但又不想那么早起床操作,可以借助APP定时功能,确保6点前自动完成烧水……通过APP,还能如同查询手机流量一样,随时了解某个电器设备在某一段时间内的耗电量,使用户对于自己的用电账本一目了然。
一幅全景式的智能电网家庭用户示意图:

而智能电网中的配变电量采集箱,也不单单只是过去的单向采集功能了,它们会自带WIFI和网络功能,将用户的用电信息、数据收集之后,通过网络发送到供电公司的数据终端。供电公司将对这些数据进行归类、对比分析,再根据用户用电的实际情况,为其量身定制用电方案,并通过手机短信等形式发送告知。
举个例子,用户通过查询高能耗电器的实时使用数据,便可以随时了解自己家中的哪些电器存在浪费。譬如电视开着却没有看,家里没人却开着空调等等现象就可以避免。
从电厂到用户的智能电网全景图展示。

3
测量升级,大数据时代
上文里提到的老式机械电表,既不精确也容易被盗电。在智能电网时代,它们不仅仅将被数字化电表所取代,而且采集的时间间隔将大幅缩小。譬如目前常见的智能电表可能要15分钟才采集一次数据,而理想状态下的智能电网,采集数据的间隔可能短至1秒钟,甚至更短。
同样的,在输电网,采集各种开关信号量、遥测信息(电压、电流、相位、相角、有功功率、无功功率乃至变压器油温等等),也将做到实时更新,刷新的速率也将达到至少每秒一次。这样精确的数据量,将大大提高电网的可靠性,也可以有效进行故障预判和快速调整。
电力系统的各种响应时间一览:

而如此一来,所形成数据量也将是极为可观的,是实实在在的洋量“大数据”。比如智能电表的采集量从15分钟缩短到1秒,1万台智能电表采集的用电信息的数据就会从32.61GB提高到114.6TB。而这数据量对于一个大国高度发达的智能电网来说,只是沧海一粟罢了。
所以现在国内现在新兴的电网海量实时数据系统,其核心数据库大都采用了Hadoop的HDFS系统,通过使用分布式数据存储和MapReduce运算模型,来实时存储如此巨大的数据。这和淘宝网的数据库是相似的。
忘了补充一点,除了Hadoop的No-SQL数据库,普通的关系数据库也是必不可少的,起到辅助作用。
北京的电网数据分布系统(局部)。

4
自我预测、自我修复、自我调节
大数据当然自有它的好处。通过大数据平台搭配云计算技术,技术人员可实时观察到全网范围内的电能流动状态、电能负载热区、设备故障高发区和客户集中区等数据,实现更加智能化的电网。具体的新概念和新技术包括以下这些:(这一块和用户基本没什么关联,是针对电力系统人员的,如果没有兴趣可以跳过)

1. 电网数据可视化
在智能电网中,通过分析包括调度、输配电、发电和用户信息等大数据(这些数据大都是实时并且高度信息化集成的),通过软件实现实时可视化运算分析,可以全面完整地展示电网运行状态中每一个细节,为管理层提供辅助决策支持和依据。
2. 电网负载趋势预测
不仅如此,通过大数据分析电网负载的历史数据和实时数据,展示全网实时负载状态,可以预测电网负载变化趋势。并通过综合性的管理,提高设备的使用率,降低电能损耗,使得电网运行更加经济和高效。
3. 设备故障趋势预测
通过大数据分析电网中故障设备的故障类型、历史状态和运行参数之间的相关性,预测电网故障发生的规律,评估电网运行风险,可以实现实时预警,让技术人员提前做好设备维护和检查工作。
4.电网实现自我修复
在智能电网中,将电网中的故障设备,以最快的速度从电网系统中隔离出来,并且在几乎自动化的状态下(很少或不用人为干预)实现系统自我恢复到正常运行状态,从而做到几乎不中断对用户的供电服务。我们可以类比一下人体的免疫系统,这和智能电网的自我修复很类似。结合上两条的预测,电网系统可以进行持续自我预测,当发现已经存在或可能出现的故障时,立即采取措施加以控制或纠正。
5. 二次设备独立通信
在现有的电网系统中,二次设备的通信往往要通过总线和专用通信设备来实现。这种设备用内部的话说叫做”总控单元“(国外一般称为RTU)。而在智能电网中,监控、保护等二次设备都将配有自适应和自我交互信息的模块,能够自适应地相互通信。这种的灵活性和自适应能力,将极大地提高可靠性,就好比让设备实现”自治“。如此一来,即使部分系统出现了故障,其他设备仍然能够稳定工作。
5
新能源无缝接入,即插即用
我们传统的发电一般都是火力发电和水力发电,现在核电也在逐步发展中。而光伏发电、风电、地热发电等新能源发电,过去都很难和传统电网相连接。而智能电网将改变这一现状。
智能电网会简化新能源发电入电网的过程,通过改进的互联标准将使各种各样的发电和储能系统容易接入。做到“无缝接入、即插即用”。从小到大各种不同容量的发电和储能设备,在所有的电压等级上都可以实现互联(包括光伏发电、风电、电池系统、即插式混合动力汽车和燃料电池等)。未来,用户甚至可以安装自己的发电设备,实现自产自销。
位于广西的超大规模光伏发电系统:

位于甘肃的风能及光伏发电系统:

位于青岛的风力发电机组:

在2015电力行业信息化技术创新大会上,中国工程院院士、国网电力科学研究院副院长薛禹胜院士指出:
随着太阳能、风能等再生电力资源越来越多地被应用,电网必须考虑如何确保太阳能、风能这类“间断性能源”安全进入电网。薛禹胜说,眼下新能源接入电网的比例只有7%—10%,未来大规模接入会有很多问题产生,这需要大幅度提高信息化水平,运用大数据技术,进行智能化分析。
6
储能技术、电动汽车
在过去,电能的生产是一次性的,生产出来就必须立刻用掉,很难实现大容量储存。而智能电网中的储能技术将是重头戏。无论是集中式的大容量的储能电站,还是分布式的小容量的储能电站,甚至小到电动汽车电池的储能作用,乃至太阳能路灯的储能电池等等。都是智能电网中的各种储能形式。而这其中,电动汽车对于普通用户来说,距离最近也最容易实现,可以由此预见,电动汽车的发展将是不可阻挡的。
而储能技术,主要分为物理储能(譬如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等),化学储能(譬如各类蓄电池、可再生燃料电池、液流电池、超级电容器等)和电气储能(譬如超导电磁储能等)。在储能技术发展上,德国发展得非常快,他们的储能电池研发是世界领先的。
位于山东枣庄的光伏发电和储能电池系统:

未来,用户都将拥有自己的发电和储能设施,在自给自足的同时,还可能倒送给电网以实现相互调剂。譬如,在我家的用电低谷时,电网供应的能量用不完,就可以先储存起来,以备自己或邻居在用电高峰时进行支援,而当我家用电出现高峰,用上自己储存的电能都供应不足时,通过邻居储存的电能,就可以立即补足我的用电需求。
在2013第三届北京国际储能大会上,中国科学院院士周孝信透露:目前储能技术已是智能电网、可再生能源接入、分布式电源、微型电网、电动汽车等产业发展必不可少的支撑技术,是新能源领域投资的热点。
国家电网公司的风能发电充电站(中石油中石化未来最可怕的对手):