智能電網多指標綜合評估體系研究

孫 峰,司紅代,孫曉非

(1.東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.沈陽工程學院,遼寧 沈陽 110136)

隨著經濟的發展、社會的進步、科技和信息化水平的提高以及全球資源和環境問題的日益突出,能源的有效開發利用、電網的協調發展面臨著新的課題和挑戰。為了有效應對世界經濟形勢、能源形勢正在發生的深刻變化,世界各國分別結合自身實際,從發展清潔能源、應對氣候變化、保障能源安全、促進經濟增長的需要出發,相繼提出智能電網發展戰略。通過應用電力電子技術、通信信息技術、分布式發電技術、高效儲能裝置等先進技術,實現電網的自動化、信息化、互動化和智能化,已經成為世界各國經濟社會發展的共同訴求,也代表著未來電網發展的最新動向[1-5]。

智能電網在世界范圍內的爭相開展,大大加快了電網的智能化進程,但總體來說各國智能電網研究和實踐都還處于探索和起步階段。為了保障智能電網建設的順利實施,明確未來智能電網建設的發展方向,及時糾正建設中存在的問題,建立完善的智能電網評估體系顯得尤為重要。由于智能電網是一個嶄新的課題,智能電網評估方面的研究還鮮見報道。文獻 [6]最早提出了IBM建立的評估智能電網的成熟度模型,并指出智能電網具有多指標自趨優特性,為智能電網評估研究打下良好基礎。文獻 [7]率先開展了智能電網評估體系研究,并初步建立了智能電網的評估體系。文獻 [8]重點介紹了美國智能電網的評估模型,并對美國智能電網的評估指標和評估方法進行了認真分析。

本文在認真吸取國內外智能電網評估研究經驗的基礎上,全面分析了我國堅強智能電網建設的核心價值、主要特性和關鍵技術領域,結合國內外智能電網研究和建設的最新發展趨勢,充分考慮到我國經濟社會發展對智能電網的實際需求,確定了適合我國堅強智能電網的多指標綜合評估體系初步框架,明確提出了適于我國堅強智能電網建設的基礎類、技術類、效果類三大類指標,其中細化和定義指標達88項。

1 智能電網發展現狀

智能電網作為當今能源產業發展變革的最新動向,已經在世界范圍內得到廣泛認可,世界各國都相繼開展了智能電網相關研究。

1.1 國外智能電網概況

從2001年美國電力科學研究院 (EPRI)首次提出 “Intelligrid”的概念開始,美國就積極致力于智能電網相關研究,之后于2003年先后提出了《智能電網研究框架》和 “Grid2030”計劃[9]。按照 “Grid2030”的設想,未來美國將建成由骨干電網、區域性電網、地方電網和微型電網 (分布式電力系統)組成的多層次的電力網絡。美國智能電網建設主要關注于加快電力網絡基本架構的升級更新,最大限度地利用信息技術,提高系統自動化水平。研究重點在于通過采用先進的材料技術、超導技術、電力電子技術,研發廣域測量技術、實時仿真技術、儲能技術、可再生能源發電技術、微型燃氣輪機發電技術等先進技術,以期早日建成完全自動化、高效能、低投資、安全可靠、靈活應變的輸配電系統,保障大電網的安全性、穩定性,提高供電的可靠性及電能質量。

歐洲最早提出類似的 “smartgrid”概念是在2005年歐洲智能電網論壇成立之后。論壇積極開展智能電網研究,先后發表 《歐洲未來電網的愿景和策略》、《戰略性研究議程》、《歐洲未來電網發展策略》、《歐洲智能電網技術框架》等多份文件,重點研究未來歐洲電網的愿景和需求,提出了歐洲智能電網優先研究內容,確定了歐洲智能電網的發展重點和路線[10-11]。由于歐洲智能電網建設的主要動因是來自于嚴格的溫室氣體排放政策的推動,因此歐洲智能電網建設更加關注可再生能源和分布式電源的接入,提高供電可靠性和電能質量、完善社會用戶的增值服務。研究重點在于研發可再生能源和分布式電源并網技術、儲能技術、電動汽車與電網協調運行技術以及電網與用戶的雙向互動技術,以便帶動歐洲整個電力行業發展模式的轉變。

1.2 我國智能電網概況

一直以來我國高度關注電網前沿技術動態,雖然在智能電網的體系性研究方面開展稍晚,但在智能電網相關技術領域開展了大量的研究和實踐。1999年進行的 “我國電力大系統災變防治和經濟運行的重大科學問題研究”,提出了 “數字電力系統[12]”的概念。2007年華東電網公司開展的智能電網可行性研究項目,提出了我國建立智能電網初步設想。2009年國家電網公司完成的 《堅強智能電網綜合研究報告》、《堅強智能電網體系研究報告》和 《智能電網關鍵技術研究框架》等多項研究,為我國堅強智能電網的建設奠定了良好的理論基礎。2009年5月在 “2009特高壓輸電技術國際會議”上,國家電網公司正式提出 “堅強智能電網”概念:“堅強智能電網”是以特高壓電網為骨干網架、以通信信息平臺為支撐,具有信息化、自動化、互動化特征,包含發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節,覆蓋所有電壓等級,實現 “電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合的現代電網。會議初步確定我國堅強智能電網建設的遠景規劃,規劃在2020年全面建成堅強智能電網,使電網的資源配置能力、安全水平、運行效率以及電網與電源、用戶之間的互動性顯著提高。

2 智能電網評估的總體思路

2.1 智能電網評估的必要性

世界各國在智能電網研究和建設方面的爭相開展,極大地推動世界范圍內智能電網的發展進程,各國的智能電網建設都正在從最初的探索階段走向全面建設。隨著建設進程的不斷推進,人力、物力、建設投資的不斷增大,一些問題必將產生并成為困擾智能電網建設的主要難題,如:“智能電網帶來的社會效益有哪些？” “智能電網帶來的經濟效益有多大？” “目前電網距離智能電網還有多大差距？”等等。諸如以上問題的回答,不僅是智能電網能否順利進行的關鍵,也是人們認識和體現智能電網核心價值的關鍵。而這一系列問題的回答則有賴于對智能電網的可靠評估。

a. 智能電網評估是保障智能電網健康發展必要條件。智能電網建設是一項龐大的系統工程,隨著建設規模的不斷擴大和建設內容的逐步增加,智能電網建設面臨的困難和問題也會越來越多。建立完善的智能電網評估體系,密切跟蹤智能電網建設,可以及時發現現有智能電網建設存在的不足,及時糾正發現的錯誤,明確下一步工作重心,是保障智能電網健康發展必要條件。

b. 智能電網評估是衡量智能電網建設社會效益的有效手段。智能電網建設的最初動因就是為了應對日益突出的全球氣候變化、環境污染和資源短缺問題,因此每一階段智能電網建設對社會環境的影響便將成為社會各界廣泛關注的問題。建立智能電網評估指標體系,可以通過對智能電網建設相關指標的比較分析,準確衡量現有智能電網建設帶來的社會效益。而社會效益的提升是建設資源節約型、環境友好型社會的具體體現。

c. 智能電網評估是衡量我國智能電網發展水平的科學依據。建立一個行之有效的智能電網評估指標體系,通過評估體系提供的一組具體指標與當前電網相應數據進行比較分析,可以準確找出當前電網與目標電網的差距,科學評價當前電網智能化發展水平,明確電網智能化的下一步建設方向。

2.2 智能電網評估的總體思路

目前我國堅強智能電網建設已經進入全面建設階段,為了保障智能電網建設的順利開展,智能電網評估工作已經顯得迫在眉睫。智能電網評估的首要工作就是建立完善的智能電網評估體系,歐美國家為此也已經積極著手并開展了大量相關研究,然而通過對國內外智能電網的發展現狀可以發現,由于各國智能電網建設的動因不同、研究重點不同、甚至對于智能電網概念的理解已沒有達成統一,因此我國堅強智能電網評估是無法照搬歐美現有評估模式的。借鑒美國智能電網評估的分析思路,回答一下關于我國堅強智能電網的三個問題:

①為什么建設堅強智能電網？

②什么電網是堅強智能電網？

③怎樣去建設堅強智能電網？

上述三個問題表面上是在問 “為什么建設堅強智能電網？”“什么電網是堅強智能電網？” “怎樣去建設堅強智能電網？”,而對于這三個問題的回答反映出的卻是堅強智能電網的 “核心價值”、“主要特性”和 “關鍵技術”這三個關鍵要素[8]。“為什么建設堅強智能電網？”實質上是在問建設堅強智能電網的必要性,客觀體現的是堅強智能電網的 “核心價值”;“什么電網是堅強智能電網？”實質上是在問智能電網的具體特點,客觀體現的是堅強智能電網的 “主要特性”;“怎樣去建設堅強智能電網？”實質上是在問堅強智能電網發展方向和研究重點,客觀體現的則是堅強智能電網建設需要的必不可少的 “關鍵技術”。

上述問題的回答實現了對堅強智能電網的全面闡述,也給堅強智能電網的評估工作提出了一種評估思路:堅強智能電網的 “核心價值”、 “主要特性”和 “關鍵技術”就是堅強智能電網建設的核心,堅強智能電網評估就是在分析堅強智能電網有哪些核心價值、主要特性和關鍵技術領域基礎上,再分別對于堅強智能電網這三個關鍵點進行評估。

2.2.1 堅強智能電網的核心價值

堅強智能電網是以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強網架為基礎,以通信信息平臺為支撐,具有信息化、自動化、互動化特征,包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節,覆蓋所有電壓等級,實現 “電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合的現代電網[13]。核心價值如下。

a. 堅強可靠。堅強可靠是指擁有堅強的網架、強大的電力輸送能力和安全可靠的電力供應,可以有效實現資源的優化調配,減少大范圍停電事故的發生概率。

b. 經濟高效。經濟高效是指能夠提高電網運行和輸送效率,降低運營成本,促進能源資源的高效利用。

c. 清潔環保。清潔環保是指可以促進可再生能源發展和利用,提高清潔能源在終端能源消費中的比重,降低能源消耗和污染物排放。

d. 透明開放。透明開放是指為電力市場化建設提供透明、開放的實施平臺,提供高品質的附加增值服務。

e. 友好互動。友好互動是指靈活調整電網的運行方式,友好兼容各類電源和用戶的接入和退出,激勵電源和用戶主動參與電網調節。

2.2.2 堅強智能電網的主要特性[14-15]

a. 自愈能力。自愈能力是指故障發生后的短時間內及時發現并自動隔離故障,防止電網大規模崩潰的能力,這是智能電網最重要的特征,其實現主要依賴于精密的監測設備、有效診斷工具和可靠的執行元件。

b. 高可靠性。高可靠性一直以來是電網建設主要目標,其實現一方面依賴于設備制造水平和工藝的提高,另一方面則依賴于全設備狀態監測的實現。

c. 資產優化管理。電力系統是一個高科技、資產密集型的龐大系統,設備種類繁多,數量巨大。采用數字化處理手段,智能電網可以實現設備的信息化管理,延長設備使用壽命,提高資源利用效率。

d. 經濟高效。智能電網可以提高電力設備利用效率,使電網運行更加經濟和高效。

e. 與用戶友好互動。借助于通信技術的發展,用戶可以實時了解電價狀況和計劃停電信息,合理安排電器使用;電力公司可以獲取用戶的詳細用電信息,以提供更多的增值服務供用戶選擇。

f. 兼容大量分布式電源的接入。智能電網具備雙向測量和能量管理能力,便于電能計量計費及可靠使用,有利于儲能設備、太陽能電池板等小型發電設備廣泛接入。

2.2.3 堅強智能電網的關鍵技術

為建設有中國特色堅強智能電網,充分展現堅強智能電網的核心價值,確定堅強智能電網的關鍵技術研究領域如下。

a. 打造堅強可靠電網。全面掌握特高壓交直流輸電技術,加快特高壓骨干網架建設,以構成堅

強電網架構,服務于更大范圍的資源優化配置[16];通過靈活交直流輸電技術的研究和應用,提高電網輸送能力和控制靈活性;進一步開展大電網安全穩定、智能調度、狀態檢修、全壽命周期管理和智能防災等技術的研究,以提高大電網的安全穩定運行水平[17]。

表1 智能電網評估指標體系

續表

b. 打造經濟高效電網。研究先進的儲能技術、電力電子技術等,提高發電資源利用效率[18];進一步深入研究各類電網優化分析技術,安排合理的運行方式,降低源網全局損耗;研究需求側智能化管理技術,提高用戶側能源資源利用效率。

c. 打造清潔環保電網。研究可再生能源并網、監視、預測、分析、控制相關技術,服務節能減排和清潔能源振興規劃;研究分布式電源接入和微網等技術,促進用戶側可再生能源的利用,提升用電可靠性[19]。

e. 打造透明開放電網。研究用電信息采集技術和營銷信息化技術,確保電網與用戶間信息透明開放、研究多周期、多目標調度計劃技術、電力市場交易相關技術,構建公正透明的調度計劃運作平臺、電力市場交易平臺,確保電網與電源信息的透明共享。

f. 打造友好互動電網。研究機網協調運行控制技術,推進機網信息雙向實時交互;研究推廣發電廠輔助服務考核技術,提高發電企業主動參與電網調節的積極性;研究互動營銷、智能電能表等技術,提高電網、用戶間的互動水平和用戶服務質量。

3 堅強智能電網評估體系建立

3.1 評估指標建立的原則

評估指標是評估指標體系的基礎,建立科學、合理的評估指標體系是順利開展評估工作的前提,為了能夠準確、有效地反映堅強智能電網的發展情況,評估指標建立應遵循以下原則:①指標選擇應具有一定的物理意義;②指標選擇應方便于測量、統計和計算;③指標選擇應盡可能為量化指標,抽象指標應具有量化可能;④指標選擇應科學、合理、客觀、全面,能夠充分反映評估目的;⑤指標選擇應能夠定義一個表示成功的定量目標。

3.2 評估指標體系建立

結合對我國堅強智能電網的深入理解,初步確定與 “核心價值 ”、 “主要特性” 和 “關鍵技術”相對應的效果類指標、基礎類指標和技術類指標體系 (見圖1)。

a. 基礎類指標

基礎類指標主要對應于與堅強智能電網基礎特性密切相關的基礎設施,本類指標以可量化數值指標為主,指標涵蓋發、輸、變、配、用、調度和通信信息等電網發展運行各個重要環節,全面反映堅強智能電網的基礎設施智能化建設情況。

b. 技術類指標

技術類指標主要目的是評估堅強智能電網關鍵技術的研發水平,從側面反映堅強智能電網的發展情況。由于技術類指標多為非量化指標,因此可以考慮此類指標與基礎類指標一起進行綜合評估。

c. 效果類指標

效果評估指標主要是對應于堅強智能電網的核心價值,效果評估指標能夠反映智能電網各項核心價值的實現情況。更多的關注與堅強智能電網建設帶來的電力系統各環節的成效和取得的經濟社會效益。

依據堅強智能電網評估的總體思路和評估指標建設原則,初步建立智能電網多指標評估體系,指標體系共包括88個三級指標,具體指標見表1所示。

4 結束語

隨著我國堅強智能電網試點建設項目的逐步完成,我國的堅強智能電網已經進入全面建設階段,為了保障下一階段堅強智能電網建設工作的順利推進,開展智能電網評估工作已經迫在眉睫。通過對智能電網評估開展深入研究,結合歐美國家智能電網評估研究經驗,可以發現:智能電網評估實際上就是對智能電網進行全面的理解和深入的剖析,智能電網評估的過程就是:建立評估體系;確定評估標準;選取評估方法;得出評估結果。合理評估標準是智能電網評估的前提,科學的評估方法是智能電網評估的關鍵,而這一切的基礎則是建立在全面完善的評估體系基礎上。本文以堅強智能電網評估體系為研究的著眼點,借鑒美國智能電網評估的研究思路,全面剖析我國堅強智能電網的核心價值、主要特性和關鍵技術領域,初步確定了我國堅強智能電網評估的基礎類、技術類和效果類指標,并最終建立了適合堅強智能電網的多指標綜合評估體系。堅強智能電網多指標綜合評估體系的提出為堅強智能電網評估奠定了良好的基礎,也為后續相關工作的開展提供了便利的條件。

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