建设中国特色坚强智能电网技术经济关键问题框架研究.pdf

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智能电网技术经济 智能电网 电网建设 坚强智能电网 技术经济 电网技术 中国特色 智能电网建设 经济技术研究 建设坚强智能电网 电网智能 坚强智能电网建设 建设中国特色 智能电网关键技术问题 PDF 技术部
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第38卷第1期 2010年1月 姜慕电力 East China Electric Power V01.38 No.1 Jan.2010 建设中国特色坚强智能电网技术经济 关键问题框架研究 田廓,鄢帆,薛松,曾鸣 (华北电力大学能源与电力经济研究咨询中心,北京102206) 摘要:结合我国电网建设和管理现状,提出了中国智能电网未来在技术经济领域8项关键问题的研究框架。 分别从发电、输电、配电、用电、调度等环节分析建设中国特色的坚强智能电网过程中有待解决的关键问题及 可行的技术路径。 关键词:智能电网;技术经济;框架分析 基金项目:国家自然科学基金项目(70671041);北京市教育委员会共建项目专项资助 作者简介:田廓(1983.),男,博士研究生,研究方向为电力经济与投资决策。 中图分类号:TM76 文献标志码:A 文章编号:1001-9529(2010)01-0001-05 Framework Study on Key Problems of Technical Economy to Construct Unified Strong Smart Grid with Chinese Characteristics TIAN Kuo,YAN Fan,XUE Song,ZENG Ming (Research and Consulting Center of Energy and Power Economy,North China Electric Power Univ.,Beijing 102206,China) Abstract:Combined with the development and management situation of g,id in China,a framework to solve eight key problems of锄art出d of China On teehnieal economy for future research was pIop08ed in this paper.The key issues tO be resolved and feasible technical path for the construction of strong 8mart grid with Chinese characteristics were 84“ta- lyzed t togather with power generation,transmission,distribution,power comumpfion,dispatching and other links. Key words:smart grid;technical economy;frarllework analysis 美国政府推出了以发展智能电网为重要突破 口的能源新政,力求用信息技术对电网进行彻底 改造…,逐步实现太阳能、风能、地热能的统一入 网管理,并全面推进分布式能源管理,从而提高电 网可靠性和能源利用效率[2’3】。欧洲各国的能源 政策更加强调对环境的保护,尤其是鼓励风能、太 阳能和生物质能等可再生能源发展,提倡低碳发 电、可再生能源电力和高效的能源利用方式H剖。 本文提出中国智能电网未来的研究框架,并 分析建设中国特色的坚强智能电网过程中有待解 决的技术经济关键问题。 1 中国智能电网建设的框架分析 坚强智能电网的内涵为,以坚强网架为基础, 以通信信息平台为支撑,以智能控制为手段,包含 电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各 个环节,覆盖所有的电压等级,实现“电力流、信 息流、业务流”的高度一体化融合,是坚强可靠、 经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代 电网。坚强智能电网技术经济与管理关键问题涵 盖了发、输、配、用等多个环节,涉及各级电力企业 在新的形势下的外部环境与内部运作。 ,按照发、输、配、售、用等多个环节进行纵向划 分,技术经济领域的关键问题包括:(1)发电环节, 发电系统最优规划问题、大规模可再生能源发电并 网经济性问题以及多种发电调度优化问题;(2)输 电环节,输电网运行经济性问题、输电网最优规划 问题;(3)配电环节,配网中分布式电源的最优规划 问题、配电网经济运行问题;(4)用电环节,新型双 向互动营销问题、有序用电与需方响应问题等。 按照电网企业在新形势下所面临的外部环境 与内部管理角度进行划分,坚强智能电网技术经 万方数据 要氧雹力 济与管理关键问题可分智能调度管理、宏观政策、 内部管理、社会责任与用户价值以及系统规划。 此外,坚强智能电网的建设过程中技术经济关键 问题还可以归为技术层面与管理层面两个方面。 技术层面问题主要体现了坚强智能电网在信息 化、数字化、自动化与互动化四个方面的要求。管 理层面问题主要体现了坚强智能电网对电力企业 集团化、集约化、精益化、标准化管理的要求。 图1描绘了中国特色的坚强智能电网在技术 经济与管理领域的研究方向。 图1 坚强智能电网在技术经济领域的研究方向 后文将分别从发、输、变、配、售、用六个环节 对坚强智能电网建设过程中存在各类技术经济与 管理问题进行界定,并提出各环节在智能电网建 设过程中的关键性问题。 2建设坚强智能电网的关键问题 2.1 智能化节能发电调度策略优化 节能发电调度在我国电力生产中具有特殊意 义,如何将其与智能电网建设结合是当前研究的 关键问题之一。一方面,智能电网调度系统的目 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,这要求调度系统能自由运作,安 全上将对频率和电压的快速响应放在第一位;而 节能调度则要求优先使用节能性能好的机组,在 响应曲线上可能难以满足电能质量需求。另一方 面,智能电网自动化调度系统所要求的数据采集 系统、负荷监控系统、功率自动调节系统、信息传 递系统正是节能调度所必须依赖的,而整合了节 能调度策略的调度决策支持系统也才是完美的智 能电网调度决策支持系统。 本文研究认为,通过将节能调度的决策模型 整合进自动调度系统,并研究智能电网和节能调 度所必须共用的技术支持系统,对其进行规划,最 终达到电力系统可靠、安全、环境友好的目标。首 先,构建节能发电计划优化决策模型,其中包含大 规模安全约束机组组合(SCUC)和安全约束经济 调度(SCED),并研究这一问题的大规模、非线 性、混合组合优化理论的高效求解方法。其次,依 据智能电网背景下节能调度的运作过程和机理, 综合考虑线路潮流、线损、输电服务成本和电价等 因素,研究构建新形势下的输电阻塞管理模型和 方法。第三,构建以节能调度为核心的智能电网 调度决策系统(见图2)。该系统主要包括如下几 个子系统:燃煤发电机组脱硫脱硝在线监测子系 统,供热机组热电比在线监测子系统、发供电煤耗 实时在线测定子系统、其他数据采集子系统、数据 传输子系统、信息集成子系统、数据分析系统、信 息显示子系统、执行子系统等。 图2智能化节能发电调度决策支箭系统框架 2.2可再生能源有序并网 大力发展可再生能源已经成为我国国家能源 战略的重要组成部分,太阳能发电、风能发电等可 再生能源发电的发展离不开电力系统,且发电规 模越来越大,在电力系统中如何消纳,并同时保证 系统的安全稳定经济运行,是对发展智能电网所 万方数据 田廓,等建设中国特色坚强智能电网技术经济关键问题框架研究 提出的新问题。 针对可再生能源的有序并网问题,首先需要 建立科学合理的可再生能源并网发电的经济效益 分析及评价模型。通过该模型,可以明确可再生 能源并网发电的成本与效益,从而可以准确评估 可再生能源的发电价值。其次建立可再生能源并 网发电条件下智能电网管理和运行关键机制框 架。具体包括:可再生能源并网发电规划(包括 可再生能源选址、输电线路选址、可再生能源并 网)、可再生能源发电出力预测、可再生能源发电 执行与控制、可再生能源发电过程的监视、可再生 能源发电的相应措施、可再生能源并网的价格与 结算。第三,建立实用性较强的可再生能源并网 的安全稳定分析模型、发电准人功率计算模型、系 统可靠性分析模型。第四.构建可再生能源并网 环境下智能调度技术支持系统。在基于接人层、 数据传输层、控制层、业务层等四层基本结构模的 基础上结合可再生能源并网的特点和智能调度的 实时数据采集、仿真分析、一体化调度计划及可视 化等关键技术,构建基于决策数据、职能主体、人 机交互等三层次的体系结构。 2.3抽水蓄能电站调度运行管理 抽水蓄能电站既是电源又是负荷,运行灵活、 启停方便,主要承担着电力系统中调峰、调频、调 相、调压、旋转备用、事故备用和黑启动等任务,是 电网安全防御的保障性电源。而抽水蓄能电站与 一般水电站相比具有明显的区别,使得电网在稳 定运行、方式安排、优化调度、继电保护等方面都 将面临一系列全新的问题。如何在电网可控的范 围内,不断提高电力供应的可靠性,为系统调度提 供更多的备用服务以及与之相适应的调度运行方 式,是发展智能电网需要研究的重要问题。 本文研究认为,在智能电网系统中,首先需要 研究抽水蓄能机组运行工况和电网运行特点,建 立抽水蓄能电站参与电网运行的模型,通过建立 效益评价体系,研究抽水蓄能电站的效益评价方 法,分析抽水蓄能与其他各种机组联合运行的效 益,并给出抽水蓄能机组参与日计划编制优化策 略和实时调度的优化策略。其次,需要研究抽水 蓄能电站的安全运行方式,考虑电网的电源结构 和日负荷图的形状及高峰持续时间的因素,构建 合适模型,从而优化开停机方式,减少水电机组空 载备用容量,减少火电厂启停调峰,优化电能质 量,为电网“削峰填谷”;应用成熟的电力系统仿 真与建模技术,深入分析抽水蓄能机组的启停对 电网暂态稳定水平和调相调压的影响。第三,采 用理论研究、分析计算、动摸试验,仿真分析等方 法,研究制定抽水蓄能电站的黑启动方案,在电力 系统发生事故时,抽水蓄能机组的紧急投入能减 少用户的停电损失,带来巨大的经济效益。 2.4有序用电需方响应智能管理系统 坚强智能电网能够有效保证电力安全可靠 性、有效提高需求侧管理水平、有效促进分布式可 再生能源发电的发展。其中,提高需求侧管理水 平,主要通过分时定价等机制的实施和智能电表 等工具的应用,实现供电企业与用户之间的充分 互动,使用户根据负荷情况自主作出响应,把高峰 时段的部分电力需求转移到非高峰时段。但是, 当前我国需求侧管理系统存在用户参与程度较 低、用户端数据实时性较差、决策灵活性不足等问 题。从用户参与程度来看,仅仅是对需求侧各类 数据和用户信息进行录入、统计、分析后供用户进 行查询,未能实现用户需求信息的反馈;从数据实 时性来看,系统供用户进行分析查询的数据一般 为前一时间周期的历史数据,未能实现实时数据 的分析查询,以便用户调整用电方案;从决策灵活 性来看,主要是以政策激励的方式为主,未能发挥 价格机制的作用。 因此,有必要在当前需求侧管理系统的基础 上,增加用户端实时数据采集和可视化查询、用户 电价响应等模块,构建数据实时性强、用户参与程 度高的需求侧智能化管理系统,以期实现实时采 集监控每个电力用户的负荷数据和电量数据、有 针对性地实时调整某个或某些用户的负荷、根据 需求随时调整地区的峰谷时段和各时段电价并下 传到各用户终端、及时发现电力用户异常用电情 况、用户随时了解自身的负荷和电量情况并调整 用电方式等功能。在此基础上形成智能化的需求 侧管理工作方式,把需求侧管理工作与智能电网 运行相结合,提高电网运营水平。本文设计有序 用电需方响应智能管理系统的功能框架见图3。 2.5新型双向互动营销系统 为适应未来经济社会发展的需要,保障安全、 经济、高效、可持续的电力供应,国家电网公司提出 了“构建以信息化、自动化、数字化、互动化为特征 的自主创新、国际领先的坚强智能电网”的战略发 万方数据 兽柬雷力 户调查分析子系 负荷分析子系统 Ⅸ’M方案子系统卜.————驯效益后评估予——T_型 .:L——一 H有序用电管理模块J I H电价响应方案模块I i l==:=======I H负荷控制方案模块I iI=========: H需求侧竞价模块l: 教握果塞,盆扳,在氆· 煎坦应田 ’兹据显丞皇迁岱E‘伍 图3有序用电需方响应智能管理系统功能框架 展目标。随着建设坚强智能电网工作的启动,电力 营销作为智能电网的重要环节,同时也是“实现电 网与用户的双向互动,提升用户服务质量”的重要 载体,必须适应建设坚强智能电网的要求,全面推 进智能化双向互动体系,提升用户服务质量,满足 用户多元化需求,进一步提高供电可靠率。 本文认为有必要研究智能化的电力营销技术 支持系统,将营销决策支持、差异化服务、客户信 用管理、需求侧管理以及购电优化决策整合为一 体,并通过大规模信息实时采集技术为各个系统 模块提供信息支撑。该系统一方面可以为电网以 及供电企业的营销工作(包括市场管理、差异化 服务、客户信用管理等)提供决策支持,另一方面 可以为用户提供优化购电方案、节能措施等服务, 实现供需双方的互动,同时实现营销管理的现代 化运行和营销业务的智能化应用。本文设计智能 化电力营销技术支持系统框架如图4所示。 匦亟窭匦受亟圈 智能化市场管理模块 智能化多元服务模块 智能可靠性管理模块 化 计 量 管 理 模 外部信息采集模块 洪电关口 电能采集 系统 图4智能化电力营销技术支持系统框架 2.6智能电网背景下电网资产全寿命周期管理 目前在国家电网公司确定的“一特四大”电 网发展战略目标,开展智能电网研究与应用,必须 依靠特高压电网为骨干网架,进而实现电网的智 能化革命。面对如此快速的电网发展,如此巨大 的电网资产投入,传统的电网资产管理模式已不 适应电网发展新形势的要求,因此亟需建立一种 更为科学的电网资产管理模式,以在新的形势下 实现电网资产的科学化、正规化管理。 本文研究认为,将全寿命周期管理理论应用 于电网资产管理,可以通盘把握一次投资和长期 运行维护费用,寻找其最佳的结合点,从而实现最 经济的资源消耗;可实现一部分外部经济效果的 内部化,从而减少因外部不经济行为带来的浪费; 可以充分发挥数据信息共享的优势,通过有效的 界面管理和富有前瞻性的决策,实现资源节约和 项目增值。首先,在充分研究我国电网资产管理 现状以及智能电网发展要求的基础上,从管理理 念、管理目标、管理方法三个方面人手,建立新的 电网资产管理策略体系。其次,在分析现有电网 资产全寿命周期管理存在的不足之处的基础上, 从全系统的、全过程的决策和运行管理角度构建 成本优化模型和评估决策模型。第三,从业务流 程和组织架构两方面人手,提出新形势下符合电 网资产管理要求的电网企业管理体制。第四,制 定基于全寿命周期的电网资产管理信息系统建设 的通用标准,开发出新形势下电网资产管理信息 系统。第五,从评价指标体系和评估衡量机制两 方面人手,建立新形势下科学合理的电网资产管 理考核评估体系。 2.7智能电网背景下电网状态检修管理模式 随着具有中国特色智能电网的建设,电力系 统的复杂性、不确定性、脆弱性以及不可预见性均 大大增加,电网检修面临重大挑战。而我国检修 工作长期处于计划体制下,状态检修发挥的作用 尚不明显。面对智能电网和社会经济发展提出的 挑战,如何更好的发挥状态检修作用,以实现更经 济、更科学、更安全、更优化的电网运营管理,成为 亟待解决的问题。 研究智能电网背景下的电网状态检修问题,在 理论研究方面,需要从风险分析人手,并以精益化 为目标构建电网设备状态检修风险评估模型;通过 寻找系统安全、风险与检修成本问的平衡点,构建 电网设备状态检修策略优化模型。在状态检修管 理模式与实施策略方面,首先根据智能电网对电网 设备状态检修提出的新要求,以及新形势下电网设 备状态检修的特点,提炼新环境下的管理理念和文 化,重新梳理电网设备状态检修流程,并形成新环 万方数据 田廓,等建设中国特色坚强智能电网技术经济关键问题框架研究 境下的电网设备状态检修管理机制;其次,结合我 国电网设备状态检修现状分析,从电网设备状态检 修的基本原则、准备工作、组织设计和职责、管理制 度和信息化等方面研究电网设备状态检修管理模 式的实施策略。另外,还有必要从经济效益、风险 和安全等方面建立电网设备状态检修管理后评估 体系;在此基础上,进一步形成电网设备状态检修 后评估机制;最后,建立相应的后评估模型,对检修 策略适应性和目标实现效果进行评估。 2.8高级智能自平衡电力交易平台 为进一步推进电力市场化改革,保证电力市场 安全稳定运行,必须进一步完善现有市场,建设以 “中长期合约交易为主,短期(以月度为主)多品种 交易为辅”的符合我国国情和电力工业可持续发展 的基本市场交易模式。随着智能电网建设工作的 启动,一方面,智能化的电网管理系统、智能调度系 统以及智能化的营销系统都将为基于合约交易的 电力市场高级交易平台提供必要条件,另一方面, 建立高级电力市场交易平台也可以为智能电网更 加经济、高效的运行提供有力的市场支持。 在现有电力交易支持系统的基础上,综合合约 交易中长中短各类交易类型,并利用智能电网所构 建的高级信息流,实现跨区、省交易、网一网合约交 易电量在厂一网交易中进行落实,厂-用户交易的 余缺电量调剂等方面的自平衡机制与功能。本文 设计建立的高级智能自平衡电力交易平台,其功能 模块包括交易管理模块、平衡机制模块、交易结算 模块三个方面,如图5所示。其中,交易管理模块 包括了交易组织、交易流程管理和交易历史信息管 理三个方面;交易平衡模块包括了交易电量的平 衡、交易空间的协调(主要考虑跨区省交易中电量 如何在送出省与受端省的协调)和交易时间的协调 (主要解决中长期合约电量与短期合约电量之间的 转换);交易结算管理模块包括了结算规则管理、结 算流程管理和交易用户信用管理三个方面。 3结论 建设中国特色坚强智能电网,是我国可预见 的未来电网,甚至是电力系统全部环节的必然趋 势,在我国目前电网消纳能力、受端市场、调度运 营等方面依然存在较多问题的现状条件下,围绕 我国智能电网的核心理念,研究电力资源的开发、 输送、存储、转换(发电)、输电、配电、供电、售电、 豳豳豳 图5 高级自平衡电力交易平台模块框架 服务等各环节的关键问题具有重要意义。本文提 出了智能电网在技术经济管理领域的节能发电调 度、可再生能源有序并网、抽水蓄能电站调度管 理、有序用电需方响应智能管理系统、新型双向互 动营销系统、电网资产全寿命周期管理、状态检修 以及高级智能自平衡电力交易平台等八项关键问 题,对于每一项关键问题深人分析了其提出的客 观背景及其在智能电网建设中的关键作用,研究 给出了该关键问题的具体技术路径和步骤,并初 步设计了其基本框架。 参考文献: [1] KRAMPITZ I.Renewables:making the画d work[J].Re- newable Energy Focus,2008,9(6):20-21. 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