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智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究

智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究


  計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究曹軍威)2)萬宇鑫3涂國煜張樹卿4)夏艾3劉小非陳震12陸超4)清華大學(xué)信患技術(shù)研究院北京100084)2)(清華信患科學(xué)與技術(shù)國家。
  智能電網(wǎng)主要解決以下幾個方面的問題:保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和可靠性的同時提高設(shè)備利用率由于電網(wǎng)系統(tǒng)高度耦合,調(diào)度控制不當(dāng),單一故障(fault)可引發(fā)連鎖故障,甚至引起大面積停電事故和設(shè)備損壞,從而導(dǎo)致不可估量的直接和間接損失,故電網(wǎng)系統(tǒng)對于可靠性的要求非常高。智能電網(wǎng)的智能調(diào)度就是要在保證安全可靠的基礎(chǔ)上解決廣域信息的采集、傳遞、分析和處理問題。
  實(shí)現(xiàn)發(fā)電與用電的互動。電網(wǎng)的基本特征是發(fā)電與用電的平衡。從絡(luò)端用戶的角度講,用戶可以通過智能電力絡(luò)端獲取到電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)(比如電力的成本、自己各種設(shè)備的用電量),從而對自己的電力使用情況進(jìn)行調(diào)整。而對于電網(wǎng)系統(tǒng)來說,則可以根據(jù)用電設(shè)備的用電信息構(gòu)建精確的負(fù)荷模型,有效地提高供電效率。傳統(tǒng)電網(wǎng)的建設(shè)基于發(fā)-輸f配用的單向思維,大量冗余造成浪費(fèi),智能電網(wǎng)基于實(shí)時性較高(幾十毫秒級)的測量通信系統(tǒng),可以通過實(shí)時控制來達(dá)到發(fā)電負(fù)荷平衡,從而可以減少熱備用,并且提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
  間歇式可再生能源(解釋:向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì))的接入。新能源主要是指風(fēng)電和光伏發(fā)電,我國的風(fēng)電資源主要集中在西北部地區(qū),同樣這些地區(qū)也是太陽能資源較豐富的地區(qū)。
  而我國電力需求較大的地區(qū)則集中在中東部,因此造成我國的新能源電力必然經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸才能到達(dá)負(fù)荷區(qū)。這就要求電網(wǎng)必須在全國范圍內(nèi)對新能源發(fā)電進(jìn)行優(yōu)化配置。同時,由于新能源發(fā)電本身具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn),如果直接并入電網(wǎng),則可能影響電網(wǎng)系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。如風(fēng)力發(fā)電可能由于客觀氣象原因大范圍脫網(wǎng),就會造成電力系統(tǒng)瞬時的不平衡,繼而影響整體的穩(wěn)定性。
  由此可見,智能電網(wǎng)需要解決傳統(tǒng)電網(wǎng)信息系統(tǒng)在信息采集、傳輸、處理和共享等多方面的瓶頸,而這些問題的解決則依賴于正在逐漸發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)涵蓋從傳感器網(wǎng)絡(luò)至上層應(yīng)用系統(tǒng)之間的物理狀態(tài)感知、信息表示、信息傳輸和信息處理,在智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系中的通信、安全及上層應(yīng)用等各個方面將起到重要作用:傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于智能電表等電網(wǎng)絡(luò)端通信設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和信息獲取4;實(shí)時和安全通信技術(shù)可用于電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的傳輸,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)維數(shù)據(jù)和發(fā)電負(fù)荷數(shù)據(jù)的實(shí)時傳遞;數(shù)據(jù)存儲和信息表示技術(shù)6可用于電網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的存儲、管理、查詢和組織;數(shù)據(jù)分布式處理和任勞調(diào)度技術(shù)可用于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性分析、新能源接入后的能量流實(shí)時調(diào)配。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得電力系統(tǒng)從一個相對1期曹軍威等:智能電網(wǎng)倍息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究封閉自給的控制系統(tǒng)融入計(jì)算機(jī)數(shù)字環(huán)境中,在提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的同時,使得風(fēng)能、電能等新能源方便地融入智能電網(wǎng)信息系統(tǒng),統(tǒng)一進(jìn)行規(guī)劃與調(diào)度。
  借鑒物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)構(gòu)架,本文從信息技術(shù)的角度提出智能電網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。第2節(jié)總結(jié)智能電網(wǎng)定義;第3節(jié)介紹智能電網(wǎng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、主要技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)并提出智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu);第4節(jié)第6節(jié)分別詳細(xì)介紹智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施、支撐平臺和應(yīng)用系統(tǒng);第7節(jié)進(jìn)行總結(jié)并對智能電網(wǎng)未來研究方向做展望。
  2智能電網(wǎng)定義智能電網(wǎng),通常指將現(xiàn)代信息系統(tǒng)融入傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的新電網(wǎng)系統(tǒng)。從而使電網(wǎng)具有更好的可控性和可觀性,解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)能源利用率低、互動性差、安全穩(wěn)定分析困難等問題(Emerson);同時基于能量流的實(shí)時調(diào)控,便于分布式新能源發(fā)電、分布式儲能系統(tǒng)的接入和使用。
  智能(intelligence)電網(wǎng)的第1個顯著特點(diǎn)是可觀性強(qiáng)。即借助信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實(shí)時監(jiān)控電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的信息。
  例如IBM定義智能電網(wǎng)3個層次的第1層次就是息的實(shí)時、全面和詳細(xì)監(jiān)視,消除監(jiān)測盲點(diǎn)“,清華大學(xué)20世紀(jì)80年代便提出”CCCP“(通信、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用)概念,認(rèn)為智能電網(wǎng)是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)網(wǎng)和電力信息網(wǎng)的兩網(wǎng)融合及相互作用。同樣的定義還包括中的相關(guān)(related)概念。
  智能電網(wǎng)的另一個特性是發(fā)電用電雙方動態(tài)交互。即利用實(shí)時獲取的電網(wǎng)發(fā)電信息和用戶(user)信息進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。從絡(luò)端用戶的角度來講,智能電網(wǎng)的目標(biāo)在于統(tǒng)籌調(diào)度所有的電力資源(zī yuán),以更加便宜的方式提供給絡(luò)端用戶更加穩(wěn)定的電力。例如杜克能源(DukeEnergy)提出在智能電網(wǎng)環(huán)境下,絡(luò)端用戶可以實(shí)時觀測到自己的電力消耗情況并以此調(diào)整自己的用電習(xí)慣降低成本,同時電力可以根據(jù)用戶的需求調(diào)配=能源供應(yīng)并通過價格手段引導(dǎo)用戶的需求,使總的能源消耗降低。歐洲智能電網(wǎng)戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃提出智能電網(wǎng)應(yīng)將所有接入電網(wǎng)的用戶、發(fā)電機(jī)以及雙向設(shè)備連接整合在一起,通過智能監(jiān)控、通信和自愈技術(shù)加強(qiáng)對發(fā)電側(cè)的控制,提供給用戶更多信息和用電優(yōu)化方案,減少電力系統(tǒng)對環(huán)境的影響,提高供電的可靠性和安全性。
  智能電網(wǎng)的第3個特點(diǎn)是可靠性高。即可以從系統(tǒng)震蕩中自動恢復(fù),對于系統(tǒng)失穩(wěn)趨勢提前報(bào)警及調(diào)整。例如美國能源部定義智能電網(wǎng)應(yīng)具有系統(tǒng)震蕩自恢復(fù)、魯棒性高、安全穩(wěn)定等特征。而IBM定義的智能電網(wǎng)3個層次的第3層次就是在信息集成的基礎(chǔ)上進(jìn)行高級分析,實(shí)現(xiàn)提高可靠性、降低成本、提高收益和效率的目標(biāo)。
  綜合上述觀點(diǎn),我們給出智能電網(wǎng)的定義如下:智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的集傳感、通信、計(jì)算、決策與控制為一體的綜合數(shù)物復(fù)合系統(tǒng),通過獲取電網(wǎng)各層節(jié)點(diǎn)資源和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)行分層次的控制管理和電力調(diào)配,實(shí)現(xiàn)能量流、信息流和業(yè)勞流的高度一體化,提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,以達(dá)到最大限度地提高設(shè)備利用效率,提高安全可靠性,節(jié)能減排,提高用戶供電質(zhì)量,提高可再生能源的利用效率。智能電網(wǎng)最絡(luò)目標(biāo)(cause)是降低能源消耗成本,改善居民用電質(zhì)量,降低電力運(yùn)行成本,從而促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展(Develop)。
  3智能電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)3.1智能電網(wǎng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2001年啟動了CIN/SI項(xiàng)目,提出開發(fā)一個建模、仿真、分析及綜合工具用于作為建立高魯棒性、高適應(yīng)性、控制可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化電力系統(tǒng)及基礎(chǔ)設(shè)施,2001年6月的《Wred》對其進(jìn)行了介紹,這是較早提及構(gòu)建智能能源網(wǎng)絡(luò)設(shè)想的。在此之后,美國電力研究院啟動了IntelUGrul項(xiàng)目并于2004年發(fā)布了IntelUGml
  ①體系架構(gòu),G
  E、思科、朗訊等多家參與到該項(xiàng)目的研發(fā)中。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)冷卻水通過管道進(jìn)入空壓機(jī)中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫,再進(jìn)入后冷器對排氣進(jìn)行冷卻,另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過主電機(jī)上部的兩組換熱器冷卻電機(jī)繞組,還有一路對油冷卻器進(jìn)行冷卻。該項(xiàng)目旨在集成電力系統(tǒng)中能源系統(tǒng)和控制信息系統(tǒng),從電力信息系統(tǒng)和服勞模型兩個角度(angle)對如何構(gòu)建智能電網(wǎng)給出實(shí)施步驟和技術(shù)引導(dǎo)。2003年美國能源部發(fā)布了電網(wǎng)2030藍(lán)圄并于同年?duì)款^成立了GridWise
  ②聯(lián)盟,該聯(lián)盟旨在推動傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和信息技術(shù)的結(jié)合,構(gòu)建新型智能電網(wǎng)。目前成員包括IB
  M、斯科、西□子、G
  E、微軟、三星等全世界140余家涉及能源和信息領(lǐng)域的企業(yè)。2008年3月,美國Xcel能源宣布在科羅拉多州波爾多(Boulder)建立智計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)能電網(wǎng)城市試點(diǎn),目前已安裝23 000臺智能監(jiān)控設(shè)備
 ?、贋橛脩籼峁└颖憷€(wěn)定的電力供應(yīng)并幫助用戶節(jié)約(jié yuē)用電成本。2011年5月,美國在夏威夷毛伊島(mam)建立了一個新的智能電網(wǎng)試點(diǎn)??傮w來看,美國的智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展側(cè)重通信技術(shù)、控制技術(shù)與電力系統(tǒng)的融合,同時強(qiáng)調(diào)絡(luò)端用戶和電網(wǎng)系統(tǒng)的交互。美國能源部2009年智能電網(wǎng)報(bào)告指出構(gòu)建智能電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)從輸電系統(tǒng)、分布式能源、配電系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)、管理和金融環(huán)境的6個方面開展。
  歐洲智能電網(wǎng)的構(gòu)建計(jì)劃起緣于2004年,在第一屆國際可再生能源和分布式能源一體化會議上,產(chǎn)業(yè)界和研究界相關(guān)人士提出了建立歐洲未來電力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺的設(shè)想。2005年在歐盟委員會的支持下歐洲成立了智能電網(wǎng)歐洲技術(shù)平臺,為2020年及之后的歐洲電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供規(guī)劃。該組織于2006年發(fā)布了歐洲智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)藍(lán)圄,提出了智能電網(wǎng)必須包含靈活性、可接入性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性四個目標(biāo),其中可接入性部分特別提到可再生能源和高效低碳產(chǎn)能的接入。2008年底該組織發(fā)布了歐洲智能電網(wǎng)戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃并于2010年4月發(fā)布了最絡(luò)版本,將歐洲智能電網(wǎng)的發(fā)展按優(yōu)先級劃分為6個等級,涵蓋電網(wǎng)優(yōu)化、分布式能源、信息通信技術(shù)到市場運(yùn)營等方面。所有目標(biāo)將在2020年前后芫成,其中第一階段目標(biāo)(優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)營和使用)在2008 2012年芫成,解決分布式環(huán)境下電網(wǎng)的運(yùn)營、安全和以市場為導(dǎo)向的能量流控制問題。曰本于2009年4月公布了“曰本發(fā)展戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)長計(jì)劃”,其中包括了太陽能發(fā)電并網(wǎng)、未來曰本智能電網(wǎng)實(shí)證試驗(yàn)、電動汽車快速充電裝置等與智能電網(wǎng)密切相關(guān)的內(nèi)容。曰本電氣事業(yè)聯(lián)合會在2009年7月表示,將全面開發(fā)“曰本版智能電網(wǎng)”韓國在2008年發(fā)布了“綠色能源工業(yè)策略”,推出了“韓國版智能電網(wǎng)”
  設(shè)想。
  在我國,2009年5月國家電網(wǎng)提出了我國智能電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃,將分3個階段推動我國智能電網(wǎng)的建設(shè)并計(jì)劃于2020年建成統(tǒng)一的智能電網(wǎng);從電網(wǎng)本身安全穩(wěn)定、能源調(diào)度、用戶交互(each other)性、新型電力應(yīng)用等8個方面給出了我國未來智能電網(wǎng)的特征。華北電網(wǎng)于2009年4月公布了試點(diǎn)小區(qū)。南方電網(wǎng)2008年芫成了廣域阻尼控制系統(tǒng),是世界首例已成功工程實(shí)施的廣域閉環(huán)智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于由同步相量測量單元了自適應(yīng)的廣域閉環(huán)控制。截至2009年我國在東北、華北、華中、江蘇、華東、河南、云南、責(zé)州、廣東、南網(wǎng)各處按入了1000多處PMU節(jié)點(diǎn),建立了10多個WAMS中心站,基本覆蓋500kV變電站和主要發(fā)電廠,超過美國在該方面的進(jìn)展。
  高校方面也有多家單位正在開展智能電網(wǎng)的研究,如清華大學(xué)韓英鐸院士率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在廣域電網(wǎng)監(jiān)控方面取得了一定成果,解決了廣域阻尼控制工程中的關(guān)鍵技術(shù)問題,與四方集團(tuán)合作提出了基于廣域信息的電力系統(tǒng)安全預(yù)警、防御和控制系統(tǒng)構(gòu)建方案。天津大學(xué)余貽鑫院士率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在分布式發(fā)電功能系統(tǒng)方面取得了一定的進(jìn)展,提出了將太陽能、風(fēng)能、小型水能等分布式發(fā)電功能系統(tǒng)以微網(wǎng)形式接入大電網(wǎng)的技術(shù)思路,用于提高能量傳輸效率及電力傳輸穩(wěn)定性與可靠性,提高電能質(zhì)量降低成本。
  總體來看,目前國外智能電網(wǎng)研究側(cè)重于分布式能源的接入和發(fā)電用電側(cè)的互動,我國智能電網(wǎng)的研究工作側(cè)重于大電網(wǎng)系統(tǒng)的信息獲取與穩(wěn)定控制,這與我國電力網(wǎng)絡(luò)耦合性強(qiáng)的特點(diǎn)有關(guān)。
  3.2電網(wǎng)信息系統(tǒng)現(xiàn)狀及主要問題現(xiàn)有電網(wǎng)信息系統(tǒng)(電力二次系統(tǒng))主要指電力調(diào)度自動化網(wǎng)絡(luò)及其構(gòu)成的能量管理系統(tǒng)EMS(EnergyManagementSystem)、配電網(wǎng)管理系統(tǒng)DMS(DistributionManagementSystem)和廣域監(jiān)控系統(tǒng)WAMS.能量管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集Acquisition)、自動發(fā)電控制系統(tǒng)AGC(AutomaticGamControl)及電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)等;配網(wǎng)管理系統(tǒng)主要包括配電自動化系統(tǒng)DAS(Dstrbuion InformationSystem)及需求側(cè)管理系統(tǒng)DSM(DemandSideManagement)等;而廣域監(jiān)控系統(tǒng)則由同步相角測量單元PMU構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)主要數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。其中EMS和DMS系統(tǒng)均依賴于遠(yuǎn)程控制單元RTU(RemoteTerminalUnit)及其構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA,其主要問題是數(shù)據(jù)采集時間過長,達(dá)到分秒級,無法滿足實(shí)時性要求高的應(yīng)用如電網(wǎng)廣域控制、能量調(diào)度等。WAMS 1期曹軍威等:智能電網(wǎng)倍息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究系統(tǒng)的響應(yīng)時間雖在百毫秒量級,但WAMS系統(tǒng)依賴于電力專網(wǎng)構(gòu)建,按入成本較高,目前國內(nèi)110kV電壓等級以下無PMU節(jié)點(diǎn)部署。此外,現(xiàn)有電網(wǎng)信息系統(tǒng)只針對發(fā)配電場站、大功率用電設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制,無法獲取負(fù)荷的實(shí)時信息,能量調(diào)配還基于離線預(yù)測。這樣就造成了現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)面臨的4個主要問題:(1)電力系統(tǒng)重要參數(shù)隨機(jī)、時變、不可觀,造成電力系統(tǒng)預(yù)測和調(diào)度困難;(2)輸電線路的真正輸電極限未知,往往靠大保守度換取可靠性,造成線路利用度低;(3)對于遠(yuǎn)距離輸電中的故障無法準(zhǔn)確獲知故障信息,如故障地點(diǎn)和嚴(yán)重(serious)程度,往往采取試探辦法應(yīng)對故障,造成設(shè)備大量冗余;(4)電力系統(tǒng)有功無法存儲,無功無法動態(tài)平衡,負(fù)荷無法互動,熱備用造成浪費(fèi)。
  為了解決以上問題,需要加大量傳感設(shè)備,如智能電表、PMU單元等,而傳感設(shè)備的加意味著實(shí)時數(shù)據(jù)量的大,解決大數(shù)據(jù)量下的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸和處理則需要利用先進(jìn)的信息、通信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算技術(shù),這正是智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)需要解決的問題?;诖?,我們提出智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如下。
  3.3智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)我們提出的智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圄2所示,主要包括智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)支撐平臺與智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)應(yīng)用體系三個部分。
  智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施主要指構(gòu)建智能電網(wǎng)的硬件基礎(chǔ),而智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)支撐平臺主要指構(gòu)建智能電網(wǎng)的軟件基礎(chǔ)架構(gòu),在此之上則是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)的各類應(yīng)用。下面將分別對上述三個平臺進(jìn)行闡述。
  4智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施是構(gòu)建智能電網(wǎng)的硬件基礎(chǔ),包括電力系統(tǒng)的各主要環(huán)節(jié)及控制、量測設(shè)備以及通信網(wǎng)絡(luò)。
  4 1電力系統(tǒng)(system)控制和量測設(shè)備首先簡單介紹電力系統(tǒng)的組成,電力系統(tǒng)主要由發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度6個部分構(gòu)成。發(fā)電環(huán)節(jié)包括傳統(tǒng)的水電、火電及新的核能、風(fēng)能、太陽能發(fā)電,針對發(fā)電環(huán)節(jié)的控制主要有面向發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)節(jié)、電壓幅值調(diào)節(jié)、同步相位及有功無功功率調(diào)節(jié),發(fā)電機(jī)的輸出電壓一般在1135kV范圍內(nèi)。輸電環(huán)節(jié)將電網(wǎng)系統(tǒng)中的主要發(fā)電機(jī)和負(fù)荷中心連接在一起,構(gòu)成電網(wǎng)系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò),通常運(yùn)行在最高電壓等級(如220kV以上)。常用的輸電技術(shù)有高壓直流輸電和柔性交流輸電。變電環(huán)節(jié)芫成電力的二次分配過程,連接變電站和配電站,一些大型工業(yè)負(fù)荷可能會直接接入變電系統(tǒng)。
  變電系統(tǒng)的電壓等級一般在69138kV之間通過對于變電站的變壓比和無功補(bǔ)償設(shè)備,電網(wǎng)系統(tǒng)可以對電網(wǎng)的無功功率和電壓進(jìn)行控制。配電環(huán)節(jié)最絡(luò)芫成電能到個人用戶之間的轉(zhuǎn)換,配電系統(tǒng)分為一次配電系統(tǒng)和二次配電系統(tǒng),一次配電系統(tǒng)主要供應(yīng)小型工業(yè)用電,電壓等級在434二次配電系統(tǒng)則用于居民和企業(yè)用電,電壓等級在120240V之間。
  電力系統(tǒng)量測設(shè)備是構(gòu)建智能電網(wǎng)的基礎(chǔ),智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)依賴于傳感器的應(yīng)用和部署,目前智能電網(wǎng)中的傳感器包括電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)(maintain)量測系統(tǒng)和個人用戶量測系統(tǒng)兩類。其中電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)量測系統(tǒng)主要用于采集電力系統(tǒng)單元如輸配電線、電廠、電動機(jī)側(cè)的電氣信息,常用的如SCADA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程絡(luò)端裝置RTU和WAMS系統(tǒng)中的PMU.RTU單元具有量測、通信、控制等多種功能,該量測單元被廣泛應(yīng)用于能量管理系統(tǒng)(EMS)中,但其主要不足是數(shù)據(jù)采樣頻率較低,無法及時獲取電網(wǎng)運(yùn)行的動態(tài)信息;各RTU單元無同步時鐘,獲取到的數(shù)據(jù)不同步。相對于RTU單元,PMU加了相角測量(cè liáng);具備GPS授時單元,測量精度更高;同時測量頻率更高,在幾十毫秒量級。而個人用戶量測系統(tǒng)主要用于測量個人電力使用情況,如智能電表。智能電表(SmartMeter)的主要功能在于通過獲取用戶各項(xiàng)不同用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù),并結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行的情況進(jìn)行分析,給用戶提供省電節(jié)能的建議,信息流雙向傳遞。智能電表應(yīng)該具有如下功能:雙向通信;自動數(shù)據(jù)采集;斷電管理;動態(tài)計(jì)費(fèi)管理;需求響應(yīng)用于負(fù)載控制。
  目前,在智能電表研制領(lǐng)域,存在兩種主要思路:(1)采用多個采集設(shè)備直接對用電器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;2)采用一個采集設(shè)備采集數(shù)據(jù),再用分類算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識。其中第1種思路的缺陷在于每個電器都需要安裝傳感設(shè)備,費(fèi)用較高,部分用電器安裝困難且需要額外的通信協(xié)議及設(shè)備對數(shù)據(jù)采集進(jìn)行支持。相對而言,第2種思路的成本較低,主要基于模式識別算法對用電器的用電特征進(jìn)行分類,從而分析得出不同用電器的用電情況。對于第2種方法,利用傳感器獲取哪類數(shù)據(jù)變得至關(guān)重要,因?yàn)樘卣鞯倪x取對于模式識別算法的效率的影響很大。目前,已有的設(shè)計(jì)如表1測量方案優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)有功功率及無功功率大功率電器特征相差較大,利于區(qū)分(1)不適于小功率電器(2)相似電器沒有辦法區(qū)分(3)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,需同時測用功和無功功率電流大小及啟動特征設(shè)計(jì)簡單;容易區(qū)分相似電器(1)對大電流電器測量不準(zhǔn)確(2)需要專業(yè)人員安裝瞬時電壓噪聲特征(1)安裝便利,任意插座都可用于安裝()可以用于區(qū)分同類電器(1)每一個用戶需要重新訓(xùn)練(2)需要高采用率(MHz以上)測量連續(xù)高頻電壓特征需要較高的采樣頻率(50電力控制設(shè)備是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)目標(biāo)的載體,電網(wǎng)系統(tǒng)的主要工作參數(shù)是頻率、電壓、相位、有功功率、無功功率。為實(shí)現(xiàn)對以上參數(shù)的控制,電網(wǎng)系統(tǒng)的控制對象包括各級發(fā)電單元、輸變電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)。主要控制設(shè)備有RTU單元及各種智能電子設(shè)備(IntelligentElectronicDevice,IED)。
  4.2電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。智能電網(wǎng)中的廣域量測系統(tǒng)WAM
  S、廣域保護(hù)系統(tǒng)WAPS(WideAreaProtectionSystem)、廣域控制系統(tǒng)WACS(WideAreaControlSystem)等都依賴于通信構(gòu)架。由于電網(wǎng)系統(tǒng)存在多樣性和分散性的特點(diǎn),目前電網(wǎng)系統(tǒng)尚無統(tǒng)一的體系構(gòu)架。綜合考慮智能電網(wǎng)目前的組網(wǎng)方式及未來的應(yīng)用需求,我們認(rèn)為智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)體系自底向上的構(gòu)架圄如圄3所示。
  智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照智能電網(wǎng)底層量測單元的不同,智能電網(wǎng)通信組網(wǎng)也可以看成兩部分:1)由電網(wǎng)狀態(tài)量測單元PM
  U、RTU構(gòu)成的電力狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)為局域范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少。(2)由個人用戶量測單元構(gòu)成的信息網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)數(shù)量大,可擴(kuò)展性要求高。
  4 2.1個人用戶網(wǎng)絡(luò)個人用戶量測單元往往先通過局域網(wǎng)進(jìn)行連接,再接入廣域網(wǎng)。由智能電表連接組成的局域網(wǎng)包括家庭局域網(wǎng)HAN(HomeAreaNetwork)和可用的組網(wǎng)方式有無線網(wǎng)絡(luò)和競頻電力線傳輸BPL(BroadbandoverPowerLine)網(wǎng)絡(luò)。其中利用無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建智能電網(wǎng)個人用戶局域網(wǎng)已有成型的協(xié)議,已有標(biāo)準(zhǔn)包括Zgbee
 ?、賲f(xié)議和OpenHAN協(xié)議。上述兩種協(xié)議均運(yùn)行于IEEE80
  2. 15.4無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上。Zgbee協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種常用組網(wǎng)技術(shù),多用于低速短距離無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,給出了一種基于Zgbee構(gòu)建個人用戶局域網(wǎng)的方案。OpenHAN則是針對家庭電力系統(tǒng)專□設(shè)計(jì)的一種無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議,2008年由開放智能電網(wǎng)用戶組OSGUG(OpenSmartGridUsersGroup)發(fā)布了第1版組網(wǎng)需求說明文檔并于2010年進(jìn)行了修訂。構(gòu)建個人用戶局域網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀(mesh)網(wǎng)絡(luò)兩種。其中星型網(wǎng)絡(luò)的主要缺點(diǎn)是中央節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)重,存在單點(diǎn)失效問題;而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)多見于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架,由于其較好的自愈特性,實(shí)際也多采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建1期曹軍威等:智能電網(wǎng)倍息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究個人用戶電力信息網(wǎng),但臨近集中節(jié)點(diǎn)(AccessPmnt)的節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。
  42.2電力主干通信網(wǎng)智能電網(wǎng)主干通信網(wǎng)組網(wǎng)方式可以分為兩類,第1類是電力網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的構(gòu)架方式,即通信載體本身是電力網(wǎng)絡(luò)中的元素,包括基于GroundWre)及全介質(zhì)自承式架空光纜ADSS(A11DielectricSelfSupporting)。第2類是智能電網(wǎng)信息網(wǎng)的構(gòu)架與電力網(wǎng)絡(luò)分離,即采用額外的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架電力系統(tǒng)信息網(wǎng)。而這種模式下也存在不同的信息網(wǎng)構(gòu)架方式,大致可以分為3種,即采用光纖、無線信號及租用帶競。目前比較通用的做法是主干網(wǎng)絡(luò)采用光纖搭建(指搭蓋、建立),邊緣網(wǎng)絡(luò)利用無線方式進(jìn)行傳輸。
  采用電力網(wǎng)絡(luò)元素構(gòu)建信息網(wǎng)的模式有利于節(jié)約成本,但容易造成電力系統(tǒng)和信息系統(tǒng)互相耦合,電力網(wǎng)絡(luò)的故障將導(dǎo)致信息網(wǎng)絡(luò)的故障。而分離模式則可以解決上述問題,使智能(intelligence)電網(wǎng)信息網(wǎng)構(gòu)架更加自由,但分離模式下信息網(wǎng)必須另外選擇傳輸載體,需要在成本和傳輸性能上進(jìn)行平衡。特別是電力系統(tǒng)設(shè)備分布范圍廣,一些偏遠(yuǎn)地區(qū)不具備構(gòu)架光纖或無線網(wǎng)絡(luò)的條件,需要額外的傳輸方式,已有方案比如基于認(rèn)知無線電CRCCogmtveRado)的傳輸構(gòu)架模型,認(rèn)知無線電的好處在于能從特定區(qū)域的頻段中找出適合通信的空白頻諳,在不影響已有通信系統(tǒng)的前提下利用傳輸帶競。IEEE80
  2. 22協(xié)議定義了空白頻諳搜尋方式。目前802.22協(xié)議已經(jīng)在電視頻(Video)諳中得到了部署,通過CR技術(shù)利用電視空白帶競,因此可用于在偏遠(yuǎn)地區(qū)構(gòu)架信息網(wǎng)絡(luò)。
  已有的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包括IEC60870、IEC61850及IEC61970協(xié)議組,由于上述協(xié)議組主要針對不同類型的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)建,因此本節(jié)不做描述,在第6節(jié)中再進(jìn)行說明。
  42.3智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)(The internet)主要指標(biāo)智能電網(wǎng)通信網(wǎng)構(gòu)建最主要的兩個指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)延時。不同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式必然導(dǎo)致不同網(wǎng)絡(luò)特性,如何選取智能電網(wǎng)通信網(wǎng)的構(gòu)建方案是智能電網(wǎng)研究領(lǐng)域的一大重要問題。
  探討智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)延時及穩(wěn)定性問題有兩個思路:(1)從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皡f(xié)議本身的角度出發(fā)進(jìn)行研究,如研究了在分離信息網(wǎng)構(gòu)架模式下采用專用帶競和共享帶競的網(wǎng)絡(luò)性能及其影響因素;2)從信息論的角度出發(fā)研究智能電網(wǎng)的傳輸性能,如針對智能電網(wǎng)無線通信所需的信道容量以保證安全通信的需求的分析。在網(wǎng)絡(luò)性能分析的基礎(chǔ)上,考慮電力系統(tǒng)通信延時對控制性能的影響則是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)需要解決的問題,但目前的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)通常針對單一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,不具有推廣性。
  前文提到,目前電力信息網(wǎng)絡(luò)通常采用專網(wǎng)搭建(指搭蓋、建立),但由于專用帶競部署的成本制約,專用帶競往往不能很大,而在這種情況下采用共享帶競模型往往能獲得更大的信道容量,也即意味著更好的傳輸延時性能,但問題在于共享帶競模型下延時的穩(wěn)定性受網(wǎng)絡(luò)條件的影響較大,如果背景噪聲比例高,則網(wǎng)絡(luò)延時和包都會迅速上升。基于TCP/IP搭建了智能電網(wǎng)WAMS和WAMC模型,并分析了在共享帶競模式下加入背景噪聲和QoS機(jī)制后的網(wǎng)絡(luò)延時和包情況。同時還針對共享帶競模型下不同帶競的情況進(jìn)行了比較。目前我國智能電網(wǎng)采用的是專網(wǎng)構(gòu)建模式,但由于成本限制,僅限于220kV及以上電壓等級。如何在共享帶競網(wǎng)絡(luò)情況下保證傳輸?shù)膶?shí)時性和穩(wěn)定性將是一個難點(diǎn)。
  而對于個人用戶量測網(wǎng)絡(luò)來說,其特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大,但單個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量有限,此外網(wǎng)絡(luò)多采用無線(wireless)方式構(gòu)建,如何收集這些數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性是智能電網(wǎng)需要解決的問題。針對個人用戶量測系統(tǒng)提出了一種基于壓縮傳感技術(shù)的智能電表量測系統(tǒng)模型,采用無線接入的方法,討另一方面,隨著廣域監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的逐漸多,已有的電力信息網(wǎng)絡(luò)逐漸無法滿足系統(tǒng)需求,同時大數(shù)據(jù)量對帶競造成的壓力還容易造成時延的加。如果能對電力系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)本身作壓縮,則可以降低系統(tǒng)對帶競的需求。針對電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)量測系統(tǒng)提出了一種基于矩陣奇異值分解的量測系統(tǒng)模型。通過分析電網(wǎng)連接的耦合程度來判斷哪些數(shù)據(jù)是需要在區(qū)域之間進(jìn)行傳輸?shù)?,從而降低了需要傳輸?shù)據(jù)的大小。
  智能電網(wǎng)通信傳輸與傳統(tǒng)信息傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別在于系統(tǒng)的動態(tài)性較強(qiáng),智能電網(wǎng)通信難點(diǎn)在于其對網(wǎng)絡(luò)延時大小及時延的穩(wěn)定性要求較高。傳統(tǒng)電網(wǎng)通信控制系統(tǒng)如SCADA系統(tǒng)面臨的主要問題就在于延時過大,如何根據(jù)物理?xiàng)l件的限制在成本和性能之間進(jìn)行平衡,也是未來智能電網(wǎng)研究的主計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)要難點(diǎn)。除此之外,如何保證智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)信道的保密性和安全性也是一個待解決問題。
  424智能電網(wǎng)上層應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)隨著分布式發(fā)電和儲能技術(shù)的推廣,從電能供應(yīng)和使用的層面來看,電網(wǎng)的自組織特性會加強(qiáng),在局域范圍內(nèi)電網(wǎng)表現(xiàn)出自產(chǎn)自銷的特點(diǎn)。比如未來用戶使用的電能可能一部分來自大電網(wǎng)的供給,而另一部分來自其附近的新能源產(chǎn)生的電力。這種模式下傳輸和配電的損耗將降低,且有助于減輕大電網(wǎng)的負(fù)載。而這種自組織的電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)模型與內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)CDN(ContentDeliveryNetwork)一致,電網(wǎng)中也可能產(chǎn)生類似于互聯(lián)網(wǎng)Cache和P2P的電力供應(yīng)模式,即通過混合動力汽車PHEV(PlugrinHybridElectricVehicle)和電動汽車EV來充當(dāng)Cache,在2004年便有類似的想法被提出。本文認(rèn)為智能電網(wǎng)上層應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)可利用覆蓋網(wǎng)技術(shù)及信息中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建。)是基于當(dāng)前TCP/IP架構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)通信的一種虛擬網(wǎng)絡(luò)。它通過在現(xiàn)有通信基礎(chǔ)框架上部署一組節(jié)點(diǎn),改善TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的通信可靠性與服勞質(zhì)量。覆蓋網(wǎng)可針對智能電網(wǎng)應(yīng)用的多樣性提供網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)支撐。例如微網(wǎng)系統(tǒng)中的發(fā)電負(fù)載平衡問題便可利用P2P模型解決。借助P2P技術(shù)在分布式資源發(fā)現(xiàn)方面的算法,系統(tǒng)可以較快獲取各節(jié)點(diǎn)用電和發(fā)電的數(shù)據(jù),從而進(jìn)行調(diào)配。如果在節(jié)點(diǎn)描述中加入地址等地域信息,系統(tǒng)還可根據(jù)就近供給的原則,減少輸電損耗。描繪(trace)了一種基于代理的微網(wǎng)輸配電調(diào)配模型。除此之外,P2P技術(shù)在電力計(jì)價系統(tǒng)、智能保護(hù)系統(tǒng)、智能卸負(fù)荷等多個方面均可得到應(yīng)用。覆蓋網(wǎng)技術(shù)還可用于提高智能電網(wǎng)的安全性能和時延性能。通過設(shè)置安全集線器(hub),數(shù)據(jù)集中器可以通過認(rèn)證等方式選取安全數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。且采用覆蓋網(wǎng)技術(shù)有助于提高網(wǎng)絡(luò)整體的可靠性,不宜產(chǎn)生單點(diǎn)失效問題。
 ?。↖nformationCentricNetwor-kmg,ICN)是當(dāng)前未來互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)研究的重要成果之一,基本思想是將信息對象與絡(luò)端位置剝離,通過(tōng guò)發(fā)布/訂閱范重要作用,以其為基礎(chǔ)的預(yù)警分析的應(yīng)用、在通信及安全上面對的挑戰(zhàn)。此外,電網(wǎng)狀態(tài)量測往往針對大型電網(wǎng)組件或負(fù)荷,局域范圍內(nèi)數(shù)量相對有限且量測單元的性能較高,但系統(tǒng)往往采用集中式的管理模式,所以導(dǎo)致系統(tǒng)中心節(jié)點(diǎn)負(fù)荷過大,帶競制約因素明顯。
  自20世紀(jì)90年代起,智能抄表設(shè)備(AMR)逐漸開始應(yīng)用試點(diǎn),但AMR僅僅芫成了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程獲取和計(jì)費(fèi)功能,并不具備對用戶用電行為進(jìn)行調(diào)控的功能,信息(information)流單向傳遞。而由智能電表SM(SmartMeter)構(gòu)成的高級量測體系A(chǔ)MI(AdvancedMeteringInfrastructure)則可實(shí)現(xiàn)信息流的雙向傳遞,智能電表及AMI體系是構(gòu)建智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。相對于電網(wǎng)狀態(tài)量測,個人量測系統(tǒng)表現(xiàn)為在小區(qū)域范圍內(nèi)數(shù)量大,可擴(kuò)展性要求高;同時對數(shù)據(jù)的實(shí)時性和安全性有要求。
  智能電網(wǎng)量測系統(tǒng)是智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的采集功能。現(xiàn)有的量測系統(tǒng)包括SCADA系統(tǒng)、WAMS系統(tǒng)和AMI系統(tǒng)三類。其中SCADA系統(tǒng)和WAMS系統(tǒng)芫成對電力狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集而AMI芫成對個人用戶數(shù)據(jù)的采集。SCA-DA系統(tǒng)實(shí)時性不強(qiáng),正逐步被WAMS系統(tǒng)替代,而AMI目前還處在發(fā)展中,尚未形成成形方案。另一方面,智能電網(wǎng)量測系統(tǒng)作用的發(fā)揮依賴于數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。下面將對智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)表示與存儲構(gòu)架進(jìn)行分析。
  5.2數(shù)據(jù)表示與存儲系統(tǒng)52.1智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)表示由于電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備是由多個不同的廠家共同生產(chǎn)的,如何描述電網(wǎng)系統(tǒng)本身并且統(tǒng)一管理這些異構(gòu)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)信息網(wǎng)的關(guān)鍵之一。電網(wǎng)系統(tǒng)的表示包括電力系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)的定義、設(shè)備的描述、設(shè)備間關(guān)聯(lián)關(guān)系的表述、通信模型的表述等多方方面內(nèi)容。同樣,智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)表示可以劃分為電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)表示和個人用戶數(shù)據(jù)表示兩類,如圄5所示(圄中與PM
  U、RTU相連模型為電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)表示模型;與SmartMeter相連模型為個人用戶數(shù)據(jù)表示模型)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)表示模型目前,電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)描述已有的常用模型標(biāo)準(zhǔn)包括IEC60870協(xié)議組
  ①、IEC61850協(xié)議組
 ?、?、IEC61970協(xié)議組
 ?、垡约罢谥贫ǖ腎EC61968協(xié)議組
 ?、?。其中IEC60870協(xié)議組是較早(19901995年)制定的電力系統(tǒng)自動化協(xié)議組,其通信模型和數(shù)據(jù)模型適用于采用專用通信線路搭建的點(diǎn)對點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò),目前正在逐步被替換。IEC61850協(xié)議組是描述變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系的協(xié)議組,于1999年發(fā)布。協(xié)議采用了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模方法,實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的自我描述,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)自己帶有說明文件,使得數(shù)據(jù)傳輸時不需要再實(shí)現(xiàn)進(jìn)行規(guī)約和轉(zhuǎn)換,從而具備了面向服勞的特點(diǎn),而IEC60870協(xié)議組下數(shù)據(jù)傳輸時需要收發(fā)雙方事先對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行規(guī)約IEC61970協(xié)議組及IEC61968協(xié)議組均針對電網(wǎng)調(diào)度管理系統(tǒng),其中IEC61970協(xié)議組主要面向EMS(能量管理系統(tǒng))。而IEC61968主要面向DMS(配電管理系統(tǒng)),上述兩個協(xié)議組均采用了通用信息模型CIM.CIM模型也是采用面向?qū)ο蟮姆椒枋鲭娋W(wǎng)模型及其數(shù)據(jù),可用UML圖來表示電力系統(tǒng)組件間的繼承、連接關(guān)系及資源屬計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)性,同時CIM模型還定義了CIM/XML文件,使得CIM模型可通過XML進(jìn)行傳遞,這樣不同的應(yīng)用系統(tǒng)就可以直接相互通信,因此CIM模型可用于電力系統(tǒng)的應(yīng)用集成。同時,CIM還具有元數(shù)據(jù)描述管理的功能,可用于電網(wǎng)數(shù)據(jù)倉庫的建立。采用CIM模型對電力系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)進(jìn)行建模是構(gòu)建智能電網(wǎng)信息網(wǎng)的趨勢,均提出了基于CIM模型的智能電網(wǎng)信息共享平臺設(shè)計(jì)方案。
  就以智能電表為單元的個人用戶數(shù)據(jù)而言,已有數(shù)據(jù)模型有DLMS/COSEM模型,其對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)為IEC62056協(xié)議組
 ?、?。DLMS對智能(intelligence)電表數(shù)據(jù)的讀取、計(jì)費(fèi)和負(fù)載控制進(jìn)行了規(guī)約,COSEM涵蓋了DLMS規(guī)約的傳輸與用戶層規(guī)范。
  5.2.2智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲模型智能電網(wǎng)具有可靠性要求高和數(shù)據(jù)海量的特點(diǎn),這要求智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲必須設(shè)置必要的冗余和備份機(jī)制;同時電網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲模型必須滿足快速查找和處理要求;而由于智能電網(wǎng)應(yīng)用多樣,不同應(yīng)用實(shí)時性要求也不相同,由此智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲也可分為在線數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)兩種模式(pattern)。
  目前主要有4種智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲方案:第1類方案為多個數(shù)據(jù)集中器,單一控制處理節(jié)點(diǎn)加上利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的集中存儲。其中每個數(shù)據(jù)集中器負(fù)責(zé)從一定數(shù)量的量測設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)。目前我國電網(wǎng)系統(tǒng)中的廣域控制模型與之類似;第2類方案與第1類方案類似,但將集中式存儲拆分為分布式數(shù)據(jù)庫存(in stock)儲。第3類方案取消了利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的存儲模式,提出了基于XML的〈關(guān)鍵字,值〉模型,并且采用類似MapReduce的算法對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作;第4類方案采用分布式文件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫結(jié)合的方式存儲數(shù)據(jù),即數(shù)據(jù)庫中存儲的不是原始的電網(wǎng)數(shù)據(jù),而是數(shù)據(jù)的索引,原始數(shù)據(jù)以文件的形式存在于數(shù)據(jù)集中節(jié)點(diǎn)上,該方式類似于搜索引擎對網(wǎng)頁的搜索。結(jié)合智能電網(wǎng)中家庭電力數(shù)據(jù)的存儲和賬單計(jì)算這一應(yīng)用對上述4類方案的并發(fā)處理能力和處理時間進(jìn)行了仿真并給出了結(jié)以及針對家庭月賬單的計(jì)算時間。結(jié)果表明方案3的可擴(kuò)展性較差而方案4的處理時間較長,方案1和方案2類似。
  另一方面,由于智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用類型數(shù)量不可預(yù)期,容易造成數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的困難。將智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)抽象為歷史模式、實(shí)時模式和未來模式進(jìn)行建模,而不是按照應(yīng)用類型對數(shù)據(jù)存儲進(jìn)行建模管理。其中實(shí)時數(shù)據(jù)管理主要針對實(shí)時數(shù)據(jù)分析(Data Analysis)的需求,利用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。歷史模式主要針對歷史數(shù)據(jù)的存儲、查找,采用時序數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。而未來模式主要用于存儲未來的可能發(fā)生的設(shè)備的變化,例如加發(fā)電機(jī)等。在此基礎(chǔ)上,上層應(yīng)用可以按需獲取和管理異構(gòu)數(shù)據(jù)庫,從而解決異構(gòu)數(shù)據(jù)模型的管理問題。此外,還有探討在量測系統(tǒng)AMI和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)DMS(DataManagementSystem)之間構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)集成中間層MDI(MeterDataIntegration:59.從而使得AMI系統(tǒng)和DMS系統(tǒng)之間得到解耦,用于解決由于數(shù)據(jù)模型和通信協(xié)議的異構(gòu)性造成數(shù)據(jù)存儲和管理的困難。
  數(shù)據(jù)存儲模型選取的不同將導(dǎo)致查找、獲取和數(shù)據(jù)處理模式的不同,同時也會引起系統(tǒng)(system)響應(yīng)時間的區(qū)別,如何為智能電網(wǎng)選取合適的存儲模型,將是未來智能電網(wǎng)研究中的一個重要方向。
  5.2.3基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上來看,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建依賴于云計(jì)算平臺,云計(jì)算平臺為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了計(jì)算和存儲資源作為物聯(lián)網(wǎng)的一個典型實(shí)例,云計(jì)算技術(shù)與智能電網(wǎng)的結(jié)合是必然趨勢。如提出了基于云模型的數(shù)據(jù)管理和處理模型,將智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)分布式存儲在電網(wǎng)的各個節(jié)點(diǎn),然后以服勞的形式將數(shù)據(jù)提供出來供應(yīng)用訪問獲取。云存儲有助于解決智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲的海量性和可靠性問題。
  OpenPDC是目前已經(jīng)按入運(yùn)行的一個智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),其實(shí)現(xiàn)基于開源平臺Hadoop.該系統(tǒng)應(yīng)用對象為時間序列數(shù)據(jù)流,即數(shù)據(jù)源為經(jīng)過GPS授時的數(shù)據(jù)流。應(yīng)用背景即為智能電網(wǎng)中的WAMS系統(tǒng),由于WAMS系統(tǒng)的采樣頻率為每秒30次,當(dāng)WAMS系統(tǒng)的子單元PMU數(shù)量加時,會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。目前該項(xiàng)目管理了北美東部約120個PMU的數(shù)據(jù)信息,平均數(shù)據(jù)量約為每小時1.5GB.截至2009年我國僅在220kV電壓等級以上電力(electricity)系統(tǒng)部署的PMU單元個數(shù)已經(jīng)達(dá)到1000以上,再考慮個人用戶實(shí)時產(chǎn)生的數(shù)據(jù),可以預(yù)見未來智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)量是非常巨大的。在這種背景下,集中的數(shù)據(jù)存儲模式(pattern)將對網(wǎng)絡(luò)造成巨大的壓力,采用分布式存儲成為一種必然。同時由于電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求,數(shù)據(jù)本身存在冗余備份的需求。云計(jì)算平臺的分布式文件系統(tǒng)可以為此提供解決方案,且有助于提高電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性。
  1期曹軍威等:智能電網(wǎng)倍息系統(tǒng)(system)體系結(jié)構(gòu)研究如何將云存儲應(yīng)用于智能電網(wǎng)還存在不少問題尚待解決。首先,雖然已有提及未來電網(wǎng)的存儲模型,但尚無較成熟的方案,數(shù)據(jù)(data)采用數(shù)據(jù)庫存儲還是以文件形式存儲仍有爭議。其次,由于電網(wǎng)系統(tǒng)存在多樣性的特點(diǎn),不同量測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式并不統(tǒng)一,例如不同廠家的RTU數(shù)據(jù)格式都不相同,如何構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的問題也需要解決。此外,失去時效性的大量數(shù)據(jù)需要遷移備份,并且這種遷移是頻繁發(fā)生的,這種情況下保證存儲系統(tǒng)的運(yùn)行效率成為難點(diǎn)。此外某些應(yīng)用對于電網(wǎng)數(shù)據(jù)的獲取有時間限制,分布式文件系統(tǒng)的查找效率無法滿足其需求。
  總體來看,盡管云計(jì)算的分布式存儲平臺和并行處理模型適合未來智能(intelligence)電網(wǎng)分散性、可靠性、安全性和數(shù)據(jù)海量性的需求,但依然存在應(yīng)用障礙。
  5.3分析與決策系統(tǒng)智能電網(wǎng)按入實(shí)際運(yùn)行后,面臨的另一個巨大挑戰(zhàn)就是海量數(shù)據(jù)的處理能力。昆山空壓機(jī)維修軸承跑外圈一般是因?yàn)榕浜系木炔粔蛞约巴馊Χㄎ环绞皆O(shè)計(jì)不合理造成的。并非所有機(jī)頭都按這個時間進(jìn)行,如果保養(yǎng)好的可以延后,保養(yǎng)差的則需要提前。 由于智能電網(wǎng)既要滿足個人絡(luò)端用戶與電網(wǎng)系統(tǒng)的交互需求,也要滿足電網(wǎng)控制系統(tǒng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的控制需求,未來智能電網(wǎng)中有兩大類應(yīng)用需要海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)的支撐。第一類是智能電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng),它根據(jù)量測系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)安全評估DSA(DynamicSecurityAssessment),保證電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定,以及電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后恢復(fù)系統(tǒng)。第二類是智能銷售和消費(fèi)系統(tǒng),它通過實(shí)時電價自動平衡電能的供應(yīng)和消耗,如微軟開發(fā)的Google的PowerMeter系統(tǒng)
 ?、谠擃悜?yīng)用多與微網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合,考慮新能源如風(fēng)能、太陽能接入后分散發(fā)電資源的利用問題。此外,考慮智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的海量性,智能電網(wǎng)分析決策系統(tǒng)與云計(jì)算技術(shù)的結(jié)合是未來趨勢(trend),因此本文認(rèn)為未來智能電網(wǎng)分析決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圄6所示。
  智能(intelligence)電網(wǎng)分析決策系統(tǒng)5 31智能電網(wǎng)分析決策需求對于第一類應(yīng)用,第一是要解決電網(wǎng)穩(wěn)定性的判定問題電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定兩類,其中暫態(tài)穩(wěn)定描述的是電網(wǎng)出現(xiàn)大擾動后的魯棒性,比如出現(xiàn)短路故障、短線以及發(fā)電機(jī)突然摔負(fù)荷等等,如2003年美加大停電事故已有的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估方法(TSA)可以分為兩大類,一類是基于數(shù)學(xué)模型(model)的方法,包括時域仿真法,即通過建立電力系統(tǒng)各元件的微分方程,再通過數(shù)值方法求解各狀態(tài)量的時間特性;基于Lyap穩(wěn)定判據(jù)的能量函數(shù)法、擴(kuò)展等面積法以及動態(tài)安全域法。昆山空壓機(jī)維修軸承跑外圈一般是因?yàn)榕浜系木炔粔蛞约巴馊Χㄎ环绞皆O(shè)計(jì)不合理造成的。并非所有機(jī)頭都按這個時間進(jìn)行,如果保養(yǎng)好的可以延后,保養(yǎng)差的則需要提前。 另一類是基于數(shù)據(jù)本身的模式識別方法,包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、遺傳算法等多種方法。其中第一類方法面臨兩個主要困難:一是實(shí)際電力系統(tǒng)規(guī)模很大,往往最后變成幾干階的微分方程求解,無法滿足實(shí)時性要求;另一方面,由于電力負(fù)荷模型本身就是不可知的,現(xiàn)有分析方法往往采用估計(jì)和經(jīng)驗(yàn)的方法給定負(fù)荷的參數(shù)(parameter),不精確,如何對電網(wǎng)負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行在線辨識也是未來智能電網(wǎng)亟需解決的問題。而第二類方法同樣面臨當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時,數(shù)據(jù)集數(shù)量過大的問題,如何進(jìn)行特征選取和壓縮目前尚無統(tǒng)一的模式。另一方面,在獲取到電網(wǎng)故障信息后,如何迅速重新配置電網(wǎng)結(jié)構(gòu)使電網(wǎng)系統(tǒng)重歸穩(wěn)態(tài)是第二個需要解決的問題。已有的方法包括啟發(fā)式算法、專家系統(tǒng)、數(shù)值計(jì)算、軟件仿真及多級代理等。其中除多級代理之外的系統(tǒng)均基于集中式架構(gòu)建立,當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時會出現(xiàn)計(jì)算瓶頸。
  通過智能電表獲取到用戶用電數(shù)據(jù)后,智能電網(wǎng)的另一項(xiàng)功能是對用戶用電行為進(jìn)行預(yù)測和建議,充分利用分布式能源發(fā)電能力,并通過電力使用時間(time)的遷移降低峰值使用時間段電力系統(tǒng)壓力,進(jìn)而提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率。其核心思想是利用實(shí)時電價調(diào)節(jié)用戶行為。該類應(yīng)用通常分三步實(shí)現(xiàn):(1)根據(jù)用戶數(shù)據(jù)構(gòu)建行為模型并進(jìn)行預(yù)測。
 ?。?)中心處理單元獲取用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行全局優(yōu)化(屬于多目標(biāo)優(yōu)化問題),例如對于單個用戶來說優(yōu)化目標(biāo)是最小費(fèi)用,而對于電力系統(tǒng)來說優(yōu)化目標(biāo)是電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和效率。
 ?。?)實(shí)時控制系統(tǒng)控制電器開關(guān)已有的實(shí)現(xiàn)方案多基于多級代理(agentbased),計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)每級代理進(jìn)行出價(需要/發(fā)出的總電力及價格),再逐級匯總由最高級代理進(jìn)行優(yōu)化,如給出的實(shí)時定價算法就是這樣一種方法。結(jié)合電冰箱的用電控制實(shí)例進(jìn)行了說明。據(jù),該類優(yōu)化問題屬于NP芫全問題,因此多采用啟發(fā)式算法求解。此外,如不考慮用戶向電網(wǎng)中送電的問題,則可以利用線性規(guī)劃方法求解。
  5 32基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理由于電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)多,特別是智能電表得到的數(shù)據(jù)需要實(shí)時規(guī)劃和調(diào)度,這需要大量的計(jì)算資源進(jìn)行分析處理,智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與云計(jì)算技術(shù)的結(jié)合成為必然。
  已有研究工作探討智能電網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)的結(jié)合,如將云計(jì)算的分布式數(shù)據(jù)存儲模型和并行處理模型用于存儲電網(wǎng)數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)子集進(jìn)行并行處理再匯總處理結(jié)果。上文提到的Hohm系統(tǒng)就是基于云計(jì)算平臺的不足之處在于其處理算法要求數(shù)據(jù)子集之間互不相關(guān),每個數(shù)據(jù)子集可以獨(dú)立進(jìn)行運(yùn)算處理,智能電網(wǎng)中的某些應(yīng)用符合這種運(yùn)算模式,比如實(shí)時電價計(jì)算。但還存在一類應(yīng)用,需要跨區(qū)域的數(shù)據(jù)分析才能給出結(jié)果,數(shù)據(jù)子集之間不能解耦,如調(diào)度、發(fā)電負(fù)荷平衡(balance)、電網(wǎng)應(yīng)急報(bào)警。這種情況下簡單的云計(jì)算模型并不能進(jìn)行處理。電網(wǎng)的物理特性是系統(tǒng)本身的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)(電力系統(tǒng)之間存在電氣連接),也即意味著數(shù)據(jù)存在關(guān)聯(lián)性,是否可以改進(jìn)并行算法,降低傳輸和計(jì)算的資源消耗,是未來智能電網(wǎng)研究的一個方向,如前文提到的通過分析電網(wǎng)連接的耦合層度來降低數(shù)據(jù)傳輸量。此外,如何在松耦合系統(tǒng)模型下保證系統(tǒng)處理性能,滿足處理時限要求,也是難點(diǎn)。
  5.4控制與執(zhí)行系統(tǒng)智能電網(wǎng)包括電能的發(fā)、輸、變、配、用等5個環(huán)節(jié)以及分布式新能源的接入和使用,所以其控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)的廠站式控制系統(tǒng)上加入了額外(extra)的分布式頻率、功率、電壓、相位、負(fù)荷是電力系統(tǒng)的主要參數(shù),電網(wǎng)系統(tǒng)頻率下降、電壓下降、發(fā)電機(jī)失效、過負(fù)荷都會造成電力系統(tǒng)事故甚至崩潰。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)控制主要針對以上參數(shù)進(jìn)行調(diào)控,具體包括穩(wěn)定控制、電壓及無功功率控制、頻率及有功功率控制、配電網(wǎng)控制、柔性交流輸電控制,在新能源大量引入后,分布式能源如何與傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)合是未來智智能控制執(zhí)行系統(tǒng)能電網(wǎng)需要解決的重點(diǎn)問題,因?yàn)樾履茉唇尤胪鶗o電網(wǎng)帶來新的安全穩(wěn)定問題。在電壓及無功功率控制方面,已有算法包括優(yōu)化問題求解的梯度類算法、牛頓法、二次規(guī)劃法、線性規(guī)劃法以及模擬退火算法、遺傳算法、蟻群算法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種方法。頻率及功率控制方面,已有算法包括經(jīng)典的IP控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及線性規(guī)劃法等。而配電網(wǎng)控制方面,已有算法包括整數(shù)規(guī)劃法、分支定界法、混合整數(shù)法、人工智能和啟發(fā)式算法以及基于多代理系統(tǒng)的方法。柔性交流輸電控制主要基于靜止無功補(bǔ)償器ASV
  C、可控串聯(lián)電容器補(bǔ)償TCS
  C、可控移相器TCPS及綜合潮流控制器UPFC.電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制和分布式能源發(fā)電控制的方法將在6.2節(jié)及6.3節(jié)進(jìn)行詳細(xì)論述,在此不做討論。
  從系統(tǒng)構(gòu)架上來看,傳統(tǒng)電網(wǎng)的控制模式多采用集中式的構(gòu)架。所謂集中控制就是所有采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中處理并給出控制反饋,而分散策略指將大電網(wǎng)按區(qū)域劃分,每個區(qū)域有自己的控制中心,控制中心之間通過共享數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。從系統(tǒng)性能上來看,集中式控制往往會對主節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生過大的處理壓力和帶競壓力,同時也容易造成單點(diǎn)失效,所以未來電網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)會逐步向分散結(jié)構(gòu)過渡;另一方面,隨著新能源(解釋:向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì))的引入,未來電網(wǎng)將是許多分散的微電網(wǎng)的集合,分1期曹軍威等:智能電網(wǎng)倍息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究布式控制的應(yīng)用是一種必然。此外,分散式的控制模型下由于數(shù)據(jù)無需芫全在廣域范圍內(nèi)傳遞,對于減少網(wǎng)絡(luò)延時和保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性也可能產(chǎn)生積極作用,如在信息網(wǎng)構(gòu)架采用OPGW組網(wǎng)方法下研究了集中和分散控制策略下電網(wǎng)系統(tǒng)的延時和穩(wěn)定性。從結(jié)果(result)上看,分散控制的平均延時更小且方差更小,意味著網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性更好。
  本節(jié)對實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的4個重要支撐平臺進(jìn)行了分析。為了實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)對電力的穩(wěn)定控制、能源的實(shí)時調(diào)配以及新能源的接入等目標(biāo),需要構(gòu)建基于智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和支撐平臺的應(yīng)用體系。下面著重從發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)這3方面對智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)應(yīng)用體系進(jìn)行介紹。
  6智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)應(yīng)用體系6.1發(fā)電側(cè)應(yīng)用由于傳統(tǒng)化石能源的無法再生性及對環(huán)境造成的影響,綠色能源即新能源發(fā)電以及隨之產(chǎn)生的微網(wǎng)系統(tǒng)正逐漸成為未來電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。
  截至2008年,新能源占全球能源消耗的比例為19%,而且這一比例還在逐年上升。20042()()9年間,全球新能源容量的長速度在每年10%60%之間。列出了至2020年世界各國新能源發(fā)電占電網(wǎng)發(fā)電容量的預(yù)期百分比,其中丹麥、瑞士的部分地區(qū)預(yù)計(jì)在2030年前可用新能源發(fā)電芫全取代傳統(tǒng)能源發(fā)電。
  本節(jié)著重對新能源發(fā)電接入傳統(tǒng)電網(wǎng)后的控制管理和能源調(diào)度問題(Emerson)進(jìn)行分析,對于傳統(tǒng)電網(wǎng)的發(fā)電控制問題不予涉及,因?yàn)樵擃悊栴}已經(jīng)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行過多年的研究。
  6.1.1新能源接入管理廣義上的新能源包括可分派能源(cHspatchableenergy)和不可分派能源(nondispatchableenergy),其中水電站、生物能和地?zé)崮芫鶎儆诳煞峙赡茉矗L(fēng)能、太陽能和潮汐能均屬于不可分派能源。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī),在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合,使兩個轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小,從而將氣體壓縮并排出。劃分的依據(jù)在于可分派能源的能源供應(yīng)基本是可控的,而不可分派能源則相反,例如風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)的速度和時間是不可控的??煞峙赡茉吹慕尤牍芾砼c化石能源發(fā)電系統(tǒng)無明顯不同,而不可分派能源由于能源供應(yīng)的波動性,接入電網(wǎng)后會對電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性出現(xiàn)影響。因此,不可分派能源的接入管理問題將是未來智能電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。目前,不可分派能源發(fā)電主要以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃料電池為主。據(jù)2009年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),風(fēng)力發(fā)電的容量長比其余新能源發(fā)電系統(tǒng)容量之和還要多,全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到160GW,而光伏發(fā)電則是長速度最快的新能源發(fā)電系統(tǒng)。
  光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于其能源供應(yīng)的間歇性,因此會造成發(fā)電輸出電壓、頻率的波動。而這種波動性在接入電網(wǎng)后會對電網(wǎng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。這種發(fā)電電壓和頻率的波動性表現(xiàn)為兩類問題:一類是正常發(fā)電期間由于能源供應(yīng)波動造成的電能質(zhì)量問題,如風(fēng)速時大時小造成的電壓不穩(wěn)定;二是能源輸入不穩(wěn)定造成的能量輸出波動問題,如風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)機(jī)輸出功率的波動,極端情況下風(fēng)力過小或過大為保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)會停止發(fā)電,即停止輸出。為解決第一類問題,電力系統(tǒng)領(lǐng)域已進(jìn)行了數(shù)十年的研究,目前已有方法多基于電力電子器件的應(yīng)用,通過在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間加入變流器及電容器組合等電力電子器件,以實(shí)現(xiàn)對電壓抖動、頻率抖動、無功補(bǔ)償和有功輸出等發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的控制。例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)自20世紀(jì)80年代起經(jīng)過了四五代的改進(jìn),早期的風(fēng)力電機(jī)速度不可控,風(fēng)機(jī)輸出僅通過一個無功補(bǔ)償環(huán)節(jié)就加入到大電網(wǎng)中,因此風(fēng)力的波動直接會輸入到電網(wǎng)系統(tǒng)中,而目前的可控變速恒頻風(fēng)力電機(jī)已可較好實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)輸出的電能質(zhì)量控制,詳細(xì)信息可。在電能質(zhì)量控制方面已有技術(shù)包括機(jī)械開關(guān)電容MSC
  S、基于可控晶闡管的靜止無功補(bǔ)償SVCs以及靜止同步補(bǔ)償STATCOM在實(shí)現(xiàn)了在不可分派能源控制(control)基礎(chǔ)上,不可分配能源接入的穩(wěn)定控制運(yùn)行監(jiān)控與上文論述傳統(tǒng)電力系統(tǒng)控制模型的一致而對于不可分派能源發(fā)電間歇性造成的第2類問題,則更依賴于智能電網(wǎng)傳感、量測、通信和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的支撐圄8以風(fēng)力發(fā)電為例描述了智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電接入的管理。昆山空壓機(jī)維修是更換全部磨損的零件,空壓機(jī)轉(zhuǎn)1000個小時或一年后,要更換濾芯,在多灰塵地區(qū),則更換時間間隔要縮短。濾清器維修時必須停機(jī),檢查壓縮機(jī)所有部件,排除壓縮機(jī)所有故障。
  目前,解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的輸出不穩(wěn)定問題,主要有兩條思路:一是通過預(yù)測風(fēng)場所在地的風(fēng)力輸出信息,結(jié)合負(fù)載測的能源需求信息,通過與電能存儲結(jié)合的混合新能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時調(diào)度,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電輸出但第1種思路需要大量的分布式存儲設(shè)備與風(fēng)電系統(tǒng)配套建設(shè),成本較高;二是通過對電網(wǎng)負(fù)荷的實(shí)時控制、平衡風(fēng)力發(fā)電輸出和負(fù)載功率需求之間的關(guān)系,在風(fēng)機(jī)輸出減少時減少負(fù)荷的使用,從而降低存儲設(shè)備的規(guī)AirEnergyStorage)、超級電容及電動(electric)汽車儲能系例如就是采用抽水儲能與新能源發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合的實(shí)例。系統(tǒng)不同的存儲系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率、建設(shè)成本和適用模式都不相同,詳細(xì)內(nèi)容可以


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