论文部分内容阅读
当前电力系统从业人员的基础理论培训教材都是面向常规电力系统运行，然而随着西方国家和国内都开始大力发展智能化电网，导致这些教材已不能很好地满足未来电力系统高效操作和控制需求的新要求。未来的电网必须克服现有电网的缺点，因此需要电网是智能、持续供电、适应性强并能抵御攻击。例如，可再生能源、测量和控制工具、电力系统的通信系统、标准的计算技术。由于智能电网是朝阳产业，还没有形成成熟的体系，新教材《智能电网的建模与分析》旨在培养电力从业人员掌握电子和计算机工程学科方向上的智能电网电能生产方面的理论和实践知识。
电力员工学习这门课程的前提是已有网络分析的基础知识和电磁学方面的理论基础。但是，仍然需要灵活和模块化的课程内容结构以及在智能电网电能生产的课程中增加能量转换方面的概念，以防止电力员工在电力系统学科方面的基础薄弱。课程不仅需要有大量算例、案例讲解和习题的教材，而且需要一个实验室用来让电力员工亲自实验，体验一些智能电网的功能。
现有电网的挑战
（1）低效：当今电网的总体效率大约只有40%。
（2）集中式发电：集中式发电，使分布式电源接入困难。
（3）参与度低：消费者参与电力市场的机会受限。
（4）缺乏预测功能：电网缺乏预测不良电能质量问题的能力，取而代之的是侧重于研究系统故障保护的问题。
（5）集成度低：很少对操作数据和系统管理进行整合，形成业务流程孤岛。
这些原因以及老化的基础设施和劳动力，更严格的环保和排放标准，负荷的增长和复杂性增加，导致有必要发展拥有智能化的电网即智能电网。
智能电网的特点
智能电网是带有智能和通信功能的自愈式电网。智能电网有以下几个特点：
（1）在广域网内传输功率的能力。
（2）配有双向通信网络、自动化控制设备、智能测量设备和快速决策功能模块。
（3）预防为主，扩大电网参数的数据采集量，以减小对用户的影响。
（4）抵御攻击和自然灾害能力以及快速恢复能力。
（5）互操作能力：新的电网需要能适应旧式的集中式发电机和分布式发电，有存储备用容量、为即插即用系统留有空间，如混合动力汽车。
（6）实时报价功能，为电力市场发展提供了广阔空间。
（7）鲁棒性和适应多种类电源的能力，电源类型有集中式发电和分布式发电（如太阳能发电、风能发电、热电等）。
（8）快速解决电能质量与各种质量/价格之间优先选择的问题。
尽管智能电网的一些设计和标准已经存在，但是很少有电力从业人员能知道智能电网的构架（见图1）和具体功能。因此培养电力员工具备充足的理论知识，使从业人员在未来开展电力生产和智能电网时，具有解决智能电网技术难题的能力，这将是非常重要的。为此本教材旨在解决能源系统基本原理、可再生能源的接入技术、智能电网的存储技术、智能电网的基本原理、智能电网的实时测量、智能电网的决策与控制、智能电网设备的通信、协议、标准、安全和保护等问题。
方法介绍
为了让从业人员更好的掌握这本教材的内容，本课程分为两部分：理论（分为7个模块）和实验（旨在为电力员工提供一个动手实验的环节）。本节主要对每个器件进行简要说明。
能量转换原理基础
电力生产通常有不同的形式，而且通常是将机械能转换为电能，反之亦然。完成这些转换的分别是发电机和电动机。电机通常是由转动的转子和静止的定子组成。电机中能量转换来源于定子和转子之间的传导或电磁感应。转子的运动可以是线性的（如线性电机或震动或往复运动的剃须刀）。这些设备是智能电网集中式发电系统电能生产的基础。
由于集中式发电的大功率生产能力和经济的尺寸方面的优势，在未来的电网中仍将起到非常重要的作用。因为集中式发电保证了可靠性和稳定性，因此在智能电网中的优势是明显的。从业人员必须了解当前能源系统的一些概念和原则，因此《智能电网的建模与分析》教材给出了发电机、电动机和变压器的基本概念。这本教材是基于电路、电磁和电机编写的。教材的详细内容涉及：电机及其等值模型、应用范围、测试程序、性能分析及限制条件、尺寸的标准要求、现有设备与未来电网的互联、通过定期运行和维护。
通过举例和手算例题使电力员工掌握这些方面的基本知识：确定在不同连接负荷和功率因数下的发电机和电动机的终端电压和相电压;掌握电机空载和短路时的等效电路;掌握两种电机的转矩特性和速度关系以及调速器、励磁和其他主要功能的作用;掌握换流器和逆变器的数学模型和特性。
可再生能源的接入技术
随着负荷需求和维持当前生活水平的能源成本的增加，急需使用灵活、经济、可持续、便捷和高效的新能源。为了减少集中式发电机的投入，需要可移动、可持续、独立于电网连接的新电源。当在这种形式的基本微型电网中加入自动化设备、通信工具和智能电网的其他功能后，其将适用于智能电网。
可再生能源可作为电能和热能的来源。大部分可再生能源是绿色能源，是环境和社会可持续发展的必要条件。现在的电力员工应该了解可再生能源是环境友好型能源，也应明白可再生能源的潜力和局限性。根据可再生能源的类型（太阳能、风能、水能、生物质能、小水电），在本模块中对其优点、缺点、设计模型和结构进行讨论。同时给出了可再生能源占有率的表达式
（1）
为了完善可再生能源的知识，还需要在本模块中讨论成本优势、互联标准、效率、可靠性、安全性、经济性（成本效益分析）和安全要求。
智能电网的储能技术
由于负荷的波动性特点，基于电力系统的可再生能源储能技术有着巨大的潜在效益。同时由于在负荷需求高峰时，储能系统可在短时间内作为直接动力源并弥补发电机启动时的能量缺口的能力，可提高输电和配电系统的鲁棒性。因此，储能技术对于智能电网的发展是不可或缺的。本文的重点是研究和比较各种储能技术（如大功率电池、大电容器、抽水蓄能、氢能、大功率风轮等）在额定功率、充放电时间、容量、可靠性、成本和环境影响方面的特点。通过在本模块中给出有关储能问题求解方法、设计和实验、不同储能设备尺寸的选择等实际问题，确保从业人员掌握本模块的基本内容。 智能电网的基本原理
当今的电力网络是垂直操作结构，包括发电机、输电系统、配电系统以及控制和维持电网可靠性、稳定性和效率的设备。尽管当前的电网能满足电力需求，但是随着可再生能源使用普及率的提高，电力运营商正面临着技术更新快和电力市场动力源改变的新挑战。这就需要智能电网具备通信保障方案、实时监测能力，提高智能弹性、可持续性、鲁棒性和安全性的能力。因此当前的从业人员应该掌握未来电网设计、操作和控制的方法以适应未来的工作。
智能电网的实时测量
智能电网的功能包括对网络中的各种器件进行有效控制，因此有必要对各种运行参数进行适当监测。通过对系统的运行参数如电压、相角和频率进行实时监测以实现对电网的实时监测。利用新工具（如同步相角测量单元（PMU）、数据采集与监视控制系统（SCADA）、能量管理系统（EMS）、需求侧管理（DSM）、远程终端单元（RTU）、双向数字通信）进行监测、测量和分析。本模块将深入讲述PMUs、智能仪表、智能电子设备（IEDs）、SCADA、RTUs、EMS、DMS的工作原理和应用范围。同时需要通过测量所得的数据来判断电压和相角的稳定性和故障评估。可通过仿真以及案例分析来自我检查对本模块的掌握程度。
智能电网的决策与控制
电力消费者希望不断减少支出，因此未来的电网需要更强大的控制功能。未来电网不仅需要能控制电气和机械系统，而且还应能够控制负荷，从而减少电力需求和相关成本。本模块主要讨论电力系统控制设备的功能和控制技术，同时还讨论了局域和广域电网的控制和状态估计。培养电力员工具备设计和操作未来电力系统控制方案的必要技能这是极其重要的。另外，除了学习本模块的综合研究外，电力员工还应设计并提供解决方案以区别未来电网的实时测量系统。
智能电网的通信、协议、标准、安全和保护
随着公共线路和用户不断要求降低成本，能源企业正在慢慢调整以提高效率和操作的灵活性。通过引入通信系统，试图改善智能电网电力系统的配电和输电系统的需求。考虑到用户和公共线路之间传输信息的灵敏度，通信基础设施应该是高效和安全的。在本模块中将讨论用户和公共线路之间用于收集和传递信息的不同标准、协议和安全选项。同时本节给出了习题和案例分析用来检测知识的掌握情况。
实验操作
本教材包括用计算机仿真包（NEPLAN、PSAT、MATLAB）和运用实时实用的实验室规模的电力系统设备进行实验练习。
（1）电力网络的测量技术工具，例如功率表、智能仪表实验。
（2）介绍电力仿真工具以及其他潮流计算工具，如NEPLAN、PSAT、MATLAB。
（3）用不同可再生能源和不同负荷类型进行实验。
（4）动力机械和交直流的控制设备以及感应电机和发电机。
实验案例
本模块针对目前在为从业人员提供动手练习而开发的各种实验和仿真的一些原则进行讨论。在本小节通过一个例子讨论实验应有的如下目标：
（1）了解可再生能源的发电过程。
（2）研究储能系统如何并入电力系统。
（3）探究可再生能源系统（如光伏发电系统）的多变性和随机性。
（4）开发一种兼容AC和DC电源的系统。
（5）三相系统的应用研究。
（6）用图2的配置进行系统研究，如潮流计算、最优潮流计算和故障研究等。
结论
电力员工现在应当明白能源方面的趋势，尤其是关于可再生能源和储能设施接入电网问题，也应体会到未来电力系统的组成是跨学科的。最后，电力员工应该复习电子、电网络、信号和系统方面的教材，因为在本教材他们能看到这些知识对电网发展的直接作用及重要性。
《智能电网的建模与分析》这本教材适合作为电力企业从业人员培训教程。本教材给出了可再生能源通过经典装置进行电能生产和转换的基本原理，同时介绍了储能技术及其效益。为了解决智能电网的基本问题，还介绍了一些不同测量工具，如PMU、智能仪表。此外，针对本地和广域电网的智能控制，还提出了不同的控制策略，如电压频率控制、无功功率控制等。为了便于电力员工动手实验，电力企业可适当建立用于测试能量转换元件、测试技术、控制技术及智能电网技术和系统的实验室。（作者李江供职于东北电力大学电气工程学院;刘伟波系东北电力大学硕士研究生;王彬供职于安徽省长丰县供电公司;欧阳斌供职于江西赣西供电公司）
电力员工学习这门课程的前提是已有网络分析的基础知识和电磁学方面的理论基础。但是，仍然需要灵活和模块化的课程内容结构以及在智能电网电能生产的课程中增加能量转换方面的概念，以防止电力员工在电力系统学科方面的基础薄弱。课程不仅需要有大量算例、案例讲解和习题的教材，而且需要一个实验室用来让电力员工亲自实验，体验一些智能电网的功能。
现有电网的挑战
（1）低效：当今电网的总体效率大约只有40%。
（2）集中式发电：集中式发电，使分布式电源接入困难。
（3）参与度低：消费者参与电力市场的机会受限。
（4）缺乏预测功能：电网缺乏预测不良电能质量问题的能力，取而代之的是侧重于研究系统故障保护的问题。
（5）集成度低：很少对操作数据和系统管理进行整合，形成业务流程孤岛。
这些原因以及老化的基础设施和劳动力，更严格的环保和排放标准，负荷的增长和复杂性增加，导致有必要发展拥有智能化的电网即智能电网。
智能电网的特点
智能电网是带有智能和通信功能的自愈式电网。智能电网有以下几个特点：
（1）在广域网内传输功率的能力。
（2）配有双向通信网络、自动化控制设备、智能测量设备和快速决策功能模块。
（3）预防为主，扩大电网参数的数据采集量，以减小对用户的影响。
（4）抵御攻击和自然灾害能力以及快速恢复能力。
（5）互操作能力：新的电网需要能适应旧式的集中式发电机和分布式发电，有存储备用容量、为即插即用系统留有空间，如混合动力汽车。
（6）实时报价功能，为电力市场发展提供了广阔空间。
（7）鲁棒性和适应多种类电源的能力，电源类型有集中式发电和分布式发电（如太阳能发电、风能发电、热电等）。
（8）快速解决电能质量与各种质量/价格之间优先选择的问题。
尽管智能电网的一些设计和标准已经存在，但是很少有电力从业人员能知道智能电网的构架（见图1）和具体功能。因此培养电力员工具备充足的理论知识，使从业人员在未来开展电力生产和智能电网时，具有解决智能电网技术难题的能力，这将是非常重要的。为此本教材旨在解决能源系统基本原理、可再生能源的接入技术、智能电网的存储技术、智能电网的基本原理、智能电网的实时测量、智能电网的决策与控制、智能电网设备的通信、协议、标准、安全和保护等问题。
方法介绍
为了让从业人员更好的掌握这本教材的内容，本课程分为两部分：理论（分为7个模块）和实验（旨在为电力员工提供一个动手实验的环节）。本节主要对每个器件进行简要说明。
能量转换原理基础
电力生产通常有不同的形式，而且通常是将机械能转换为电能，反之亦然。完成这些转换的分别是发电机和电动机。电机通常是由转动的转子和静止的定子组成。电机中能量转换来源于定子和转子之间的传导或电磁感应。转子的运动可以是线性的（如线性电机或震动或往复运动的剃须刀）。这些设备是智能电网集中式发电系统电能生产的基础。
由于集中式发电的大功率生产能力和经济的尺寸方面的优势，在未来的电网中仍将起到非常重要的作用。因为集中式发电保证了可靠性和稳定性，因此在智能电网中的优势是明显的。从业人员必须了解当前能源系统的一些概念和原则，因此《智能电网的建模与分析》教材给出了发电机、电动机和变压器的基本概念。这本教材是基于电路、电磁和电机编写的。教材的详细内容涉及：电机及其等值模型、应用范围、测试程序、性能分析及限制条件、尺寸的标准要求、现有设备与未来电网的互联、通过定期运行和维护。
通过举例和手算例题使电力员工掌握这些方面的基本知识：确定在不同连接负荷和功率因数下的发电机和电动机的终端电压和相电压;掌握电机空载和短路时的等效电路;掌握两种电机的转矩特性和速度关系以及调速器、励磁和其他主要功能的作用;掌握换流器和逆变器的数学模型和特性。
可再生能源的接入技术
随着负荷需求和维持当前生活水平的能源成本的增加，急需使用灵活、经济、可持续、便捷和高效的新能源。为了减少集中式发电机的投入，需要可移动、可持续、独立于电网连接的新电源。当在这种形式的基本微型电网中加入自动化设备、通信工具和智能电网的其他功能后，其将适用于智能电网。
可再生能源可作为电能和热能的来源。大部分可再生能源是绿色能源，是环境和社会可持续发展的必要条件。现在的电力员工应该了解可再生能源是环境友好型能源，也应明白可再生能源的潜力和局限性。根据可再生能源的类型（太阳能、风能、水能、生物质能、小水电），在本模块中对其优点、缺点、设计模型和结构进行讨论。同时给出了可再生能源占有率的表达式
（1）
为了完善可再生能源的知识，还需要在本模块中讨论成本优势、互联标准、效率、可靠性、安全性、经济性（成本效益分析）和安全要求。
智能电网的储能技术
由于负荷的波动性特点，基于电力系统的可再生能源储能技术有着巨大的潜在效益。同时由于在负荷需求高峰时，储能系统可在短时间内作为直接动力源并弥补发电机启动时的能量缺口的能力，可提高输电和配电系统的鲁棒性。因此，储能技术对于智能电网的发展是不可或缺的。本文的重点是研究和比较各种储能技术（如大功率电池、大电容器、抽水蓄能、氢能、大功率风轮等）在额定功率、充放电时间、容量、可靠性、成本和环境影响方面的特点。通过在本模块中给出有关储能问题求解方法、设计和实验、不同储能设备尺寸的选择等实际问题，确保从业人员掌握本模块的基本内容。 智能电网的基本原理
当今的电力网络是垂直操作结构，包括发电机、输电系统、配电系统以及控制和维持电网可靠性、稳定性和效率的设备。尽管当前的电网能满足电力需求，但是随着可再生能源使用普及率的提高，电力运营商正面临着技术更新快和电力市场动力源改变的新挑战。这就需要智能电网具备通信保障方案、实时监测能力，提高智能弹性、可持续性、鲁棒性和安全性的能力。因此当前的从业人员应该掌握未来电网设计、操作和控制的方法以适应未来的工作。
智能电网的实时测量
智能电网的功能包括对网络中的各种器件进行有效控制，因此有必要对各种运行参数进行适当监测。通过对系统的运行参数如电压、相角和频率进行实时监测以实现对电网的实时监测。利用新工具（如同步相角测量单元（PMU）、数据采集与监视控制系统（SCADA）、能量管理系统（EMS）、需求侧管理（DSM）、远程终端单元（RTU）、双向数字通信）进行监测、测量和分析。本模块将深入讲述PMUs、智能仪表、智能电子设备（IEDs）、SCADA、RTUs、EMS、DMS的工作原理和应用范围。同时需要通过测量所得的数据来判断电压和相角的稳定性和故障评估。可通过仿真以及案例分析来自我检查对本模块的掌握程度。
智能电网的决策与控制
电力消费者希望不断减少支出，因此未来的电网需要更强大的控制功能。未来电网不仅需要能控制电气和机械系统，而且还应能够控制负荷，从而减少电力需求和相关成本。本模块主要讨论电力系统控制设备的功能和控制技术，同时还讨论了局域和广域电网的控制和状态估计。培养电力员工具备设计和操作未来电力系统控制方案的必要技能这是极其重要的。另外，除了学习本模块的综合研究外，电力员工还应设计并提供解决方案以区别未来电网的实时测量系统。
智能电网的通信、协议、标准、安全和保护
随着公共线路和用户不断要求降低成本，能源企业正在慢慢调整以提高效率和操作的灵活性。通过引入通信系统，试图改善智能电网电力系统的配电和输电系统的需求。考虑到用户和公共线路之间传输信息的灵敏度，通信基础设施应该是高效和安全的。在本模块中将讨论用户和公共线路之间用于收集和传递信息的不同标准、协议和安全选项。同时本节给出了习题和案例分析用来检测知识的掌握情况。
实验操作
本教材包括用计算机仿真包（NEPLAN、PSAT、MATLAB）和运用实时实用的实验室规模的电力系统设备进行实验练习。
（1）电力网络的测量技术工具，例如功率表、智能仪表实验。
（2）介绍电力仿真工具以及其他潮流计算工具，如NEPLAN、PSAT、MATLAB。
（3）用不同可再生能源和不同负荷类型进行实验。
（4）动力机械和交直流的控制设备以及感应电机和发电机。
实验案例
本模块针对目前在为从业人员提供动手练习而开发的各种实验和仿真的一些原则进行讨论。在本小节通过一个例子讨论实验应有的如下目标：
（1）了解可再生能源的发电过程。
（2）研究储能系统如何并入电力系统。
（3）探究可再生能源系统（如光伏发电系统）的多变性和随机性。
（4）开发一种兼容AC和DC电源的系统。
（5）三相系统的应用研究。
（6）用图2的配置进行系统研究，如潮流计算、最优潮流计算和故障研究等。
结论
电力员工现在应当明白能源方面的趋势，尤其是关于可再生能源和储能设施接入电网问题，也应体会到未来电力系统的组成是跨学科的。最后，电力员工应该复习电子、电网络、信号和系统方面的教材，因为在本教材他们能看到这些知识对电网发展的直接作用及重要性。
《智能电网的建模与分析》这本教材适合作为电力企业从业人员培训教程。本教材给出了可再生能源通过经典装置进行电能生产和转换的基本原理，同时介绍了储能技术及其效益。为了解决智能电网的基本问题，还介绍了一些不同测量工具，如PMU、智能仪表。此外，针对本地和广域电网的智能控制，还提出了不同的控制策略，如电压频率控制、无功功率控制等。为了便于电力员工动手实验，电力企业可适当建立用于测试能量转换元件、测试技术、控制技术及智能电网技术和系统的实验室。（作者李江供职于东北电力大学电气工程学院;刘伟波系东北电力大学硕士研究生;王彬供职于安徽省长丰县供电公司;欧阳斌供职于江西赣西供电公司）