智能电网多指标综合评估体系研究

孙 峰,司红代,孙晓非

(1.东北电力科学研究院有限公司,辽宁 沈阳 110006;2.沈阳工程学院,辽宁 沈阳 110136)

随着经济的发展、社会的进步、科技和信息化水平的提高以及全球资源和环境问题的日益突出,能源的有效开发利用、电网的协调发展面临着新的课题和挑战。为了有效应对世界经济形势、能源形势正在发生的深刻变化,世界各国分别结合自身实际,从发展清洁能源、应对气候变化、保障能源安全、促进经济增长的需要出发,相继提出智能电网发展战略。通过应用电力电子技术、通信信息技术、分布式发电技术、高效储能装置等先进技术,实现电网的自动化、信息化、互动化和智能化,已经成为世界各国经济社会发展的共同诉求,也代表着未来电网发展的最新动向[1-5]。

智能电网在世界范围内的争相开展,大大加快了电网的智能化进程,但总体来说各国智能电网研究和实践都还处于探索和起步阶段。为了保障智能电网建设的顺利实施,明确未来智能电网建设的发展方向,及时纠正建设中存在的问题,建立完善的智能电网评估体系显得尤为重要。由于智能电网是一个崭新的课题,智能电网评估方面的研究还鲜见报道。文献 [6]最早提出了IBM建立的评估智能电网的成熟度模型,并指出智能电网具有多指标自趋优特性,为智能电网评估研究打下良好基础。文献 [7]率先开展了智能电网评估体系研究,并初步建立了智能电网的评估体系。文献 [8]重点介绍了美国智能电网的评估模型,并对美国智能电网的评估指标和评估方法进行了认真分析。

本文在认真吸取国内外智能电网评估研究经验的基础上,全面分析了我国坚强智能电网建设的核心价值、主要特性和关键技术领域,结合国内外智能电网研究和建设的最新发展趋势,充分考虑到我国经济社会发展对智能电网的实际需求,确定了适合我国坚强智能电网的多指标综合评估体系初步框架,明确提出了适于我国坚强智能电网建设的基础类、技术类、效果类三大类指标,其中细化和定义指标达88项。

1 智能电网发展现状

智能电网作为当今能源产业发展变革的最新动向,已经在世界范围内得到广泛认可,世界各国都相继开展了智能电网相关研究。

1.1 国外智能电网概况

从2001年美国电力科学研究院 (EPRI)首次提出 “Intelligrid”的概念开始,美国就积极致力于智能电网相关研究,之后于2003年先后提出了《智能电网研究框架》和 “Grid2030”计划[9]。按照 “Grid2030”的设想,未来美国将建成由骨干电网、区域性电网、地方电网和微型电网 (分布式电力系统)组成的多层次的电力网络。美国智能电网建设主要关注于加快电力网络基本架构的升级更新,最大限度地利用信息技术,提高系统自动化水平。研究重点在于通过采用先进的材料技术、超导技术、电力电子技术,研发广域测量技术、实时仿真技术、储能技术、可再生能源发电技术、微型燃气轮机发电技术等先进技术,以期早日建成完全自动化、高效能、低投资、安全可靠、灵活应变的输配电系统,保障大电网的安全性、稳定性,提高供电的可靠性及电能质量。

欧洲最早提出类似的 “smartgrid”概念是在2005年欧洲智能电网论坛成立之后。论坛积极开展智能电网研究,先后发表 《欧洲未来电网的愿景和策略》、《战略性研究议程》、《欧洲未来电网发展策略》、《欧洲智能电网技术框架》等多份文件,重点研究未来欧洲电网的愿景和需求,提出了欧洲智能电网优先研究内容,确定了欧洲智能电网的发展重点和路线[10-11]。由于欧洲智能电网建设的主要动因是来自于严格的温室气体排放政策的推动,因此欧洲智能电网建设更加关注可再生能源和分布式电源的接入,提高供电可靠性和电能质量、完善社会用户的增值服务。研究重点在于研发可再生能源和分布式电源并网技术、储能技术、电动汽车与电网协调运行技术以及电网与用户的双向互动技术,以便带动欧洲整个电力行业发展模式的转变。

1.2 我国智能电网概况

一直以来我国高度关注电网前沿技术动态,虽然在智能电网的体系性研究方面开展稍晚,但在智能电网相关技术领域开展了大量的研究和实践。1999年进行的 “我国电力大系统灾变防治和经济运行的重大科学问题研究”,提出了 “数字电力系统[12]”的概念。2007年华东电网公司开展的智能电网可行性研究项目,提出了我国建立智能电网初步设想。2009年国家电网公司完成的 《坚强智能电网综合研究报告》、《坚强智能电网体系研究报告》和 《智能电网关键技术研究框架》等多项研究,为我国坚强智能电网的建设奠定了良好的理论基础。2009年5月在 “2009特高压输电技术国际会议”上,国家电网公司正式提出 “坚强智能电网”概念:“坚强智能电网”是以特高压电网为骨干网架、以通信信息平台为支撑,具有信息化、自动化、互动化特征,包含发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节,覆盖所有电压等级,实现 “电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网。会议初步确定我国坚强智能电网建设的远景规划,规划在2020年全面建成坚强智能电网,使电网的资源配置能力、安全水平、运行效率以及电网与电源、用户之间的互动性显著提高。

2 智能电网评估的总体思路

2.1 智能电网评估的必要性

世界各国在智能电网研究和建设方面的争相开展,极大地推动世界范围内智能电网的发展进程,各国的智能电网建设都正在从最初的探索阶段走向全面建设。随着建设进程的不断推进,人力、物力、建设投资的不断增大,一些问题必将产生并成为困扰智能电网建设的主要难题,如:“智能电网带来的社会效益有哪些？” “智能电网带来的经济效益有多大？” “目前电网距离智能电网还有多大差距？”等等。诸如以上问题的回答,不仅是智能电网能否顺利进行的关键,也是人们认识和体现智能电网核心价值的关键。而这一系列问题的回答则有赖于对智能电网的可靠评估。

a. 智能电网评估是保障智能电网健康发展必要条件。智能电网建设是一项庞大的系统工程,随着建设规模的不断扩大和建设内容的逐步增加,智能电网建设面临的困难和问题也会越来越多。建立完善的智能电网评估体系,密切跟踪智能电网建设,可以及时发现现有智能电网建设存在的不足,及时纠正发现的错误,明确下一步工作重心,是保障智能电网健康发展必要条件。

b. 智能电网评估是衡量智能电网建设社会效益的有效手段。智能电网建设的最初动因就是为了应对日益突出的全球气候变化、环境污染和资源短缺问题,因此每一阶段智能电网建设对社会环境的影响便将成为社会各界广泛关注的问题。建立智能电网评估指标体系,可以通过对智能电网建设相关指标的比较分析,准确衡量现有智能电网建设带来的社会效益。而社会效益的提升是建设资源节约型、环境友好型社会的具体体现。

c. 智能电网评估是衡量我国智能电网发展水平的科学依据。建立一个行之有效的智能电网评估指标体系,通过评估体系提供的一组具体指标与当前电网相应数据进行比较分析,可以准确找出当前电网与目标电网的差距,科学评价当前电网智能化发展水平,明确电网智能化的下一步建设方向。

2.2 智能电网评估的总体思路

目前我国坚强智能电网建设已经进入全面建设阶段,为了保障智能电网建设的顺利开展,智能电网评估工作已经显得迫在眉睫。智能电网评估的首要工作就是建立完善的智能电网评估体系,欧美国家为此也已经积极着手并开展了大量相关研究,然而通过对国内外智能电网的发展现状可以发现,由于各国智能电网建设的动因不同、研究重点不同、甚至对于智能电网概念的理解已没有达成统一,因此我国坚强智能电网评估是无法照搬欧美现有评估模式的。借鉴美国智能电网评估的分析思路,回答一下关于我国坚强智能电网的三个问题:

①为什么建设坚强智能电网？

②什么电网是坚强智能电网？

③怎样去建设坚强智能电网？

上述三个问题表面上是在问 “为什么建设坚强智能电网？”“什么电网是坚强智能电网？” “怎样去建设坚强智能电网？”,而对于这三个问题的回答反映出的却是坚强智能电网的 “核心价值”、“主要特性”和 “关键技术”这三个关键要素[8]。“为什么建设坚强智能电网？”实质上是在问建设坚强智能电网的必要性,客观体现的是坚强智能电网的 “核心价值”;“什么电网是坚强智能电网？”实质上是在问智能电网的具体特点,客观体现的是坚强智能电网的 “主要特性”;“怎样去建设坚强智能电网？”实质上是在问坚强智能电网发展方向和研究重点,客观体现的则是坚强智能电网建设需要的必不可少的 “关键技术”。

上述问题的回答实现了对坚强智能电网的全面阐述,也给坚强智能电网的评估工作提出了一种评估思路:坚强智能电网的 “核心价值”、 “主要特性”和 “关键技术”就是坚强智能电网建设的核心,坚强智能电网评估就是在分析坚强智能电网有哪些核心价值、主要特性和关键技术领域基础上,再分别对于坚强智能电网这三个关键点进行评估。

2.2.1 坚强智能电网的核心价值

坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础,以通信信息平台为支撑,具有信息化、自动化、互动化特征,包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节,覆盖所有电压等级,实现 “电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网[13]。核心价值如下。

a. 坚强可靠。坚强可靠是指拥有坚强的网架、强大的电力输送能力和安全可靠的电力供应,可以有效实现资源的优化调配,减少大范围停电事故的发生概率。

b. 经济高效。经济高效是指能够提高电网运行和输送效率,降低运营成本,促进能源资源的高效利用。

c. 清洁环保。清洁环保是指可以促进可再生能源发展和利用,提高清洁能源在终端能源消费中的比重,降低能源消耗和污染物排放。

d. 透明开放。透明开放是指为电力市场化建设提供透明、开放的实施平台,提供高品质的附加增值服务。

e. 友好互动。友好互动是指灵活调整电网的运行方式,友好兼容各类电源和用户的接入和退出,激励电源和用户主动参与电网调节。

2.2.2 坚强智能电网的主要特性[14-15]

a. 自愈能力。自愈能力是指故障发生后的短时间内及时发现并自动隔离故障,防止电网大规模崩溃的能力,这是智能电网最重要的特征,其实现主要依赖于精密的监测设备、有效诊断工具和可靠的执行元件。

b. 高可靠性。高可靠性一直以来是电网建设主要目标,其实现一方面依赖于设备制造水平和工艺的提高,另一方面则依赖于全设备状态监测的实现。

c. 资产优化管理。电力系统是一个高科技、资产密集型的庞大系统,设备种类繁多,数量巨大。采用数字化处理手段,智能电网可以实现设备的信息化管理,延长设备使用寿命,提高资源利用效率。

d. 经济高效。智能电网可以提高电力设备利用效率,使电网运行更加经济和高效。

e. 与用户友好互动。借助于通信技术的发展,用户可以实时了解电价状况和计划停电信息,合理安排电器使用;电力公司可以获取用户的详细用电信息,以提供更多的增值服务供用户选择。

f. 兼容大量分布式电源的接入。智能电网具备双向测量和能量管理能力,便于电能计量计费及可靠使用,有利于储能设备、太阳能电池板等小型发电设备广泛接入。

2.2.3 坚强智能电网的关键技术

为建设有中国特色坚强智能电网,充分展现坚强智能电网的核心价值,确定坚强智能电网的关键技术研究领域如下。

a. 打造坚强可靠电网。全面掌握特高压交直流输电技术,加快特高压骨干网架建设,以构成坚

强电网架构,服务于更大范围的资源优化配置[16];通过灵活交直流输电技术的研究和应用,提高电网输送能力和控制灵活性;进一步开展大电网安全稳定、智能调度、状态检修、全寿命周期管理和智能防灾等技术的研究,以提高大电网的安全稳定运行水平[17]。

表1 智能电网评估指标体系

续表

b. 打造经济高效电网。研究先进的储能技术、电力电子技术等,提高发电资源利用效率[18];进一步深入研究各类电网优化分析技术,安排合理的运行方式,降低源网全局损耗;研究需求侧智能化管理技术,提高用户侧能源资源利用效率。

c. 打造清洁环保电网。研究可再生能源并网、监视、预测、分析、控制相关技术,服务节能减排和清洁能源振兴规划;研究分布式电源接入和微网等技术,促进用户侧可再生能源的利用,提升用电可靠性[19]。

e. 打造透明开放电网。研究用电信息采集技术和营销信息化技术,确保电网与用户间信息透明开放、研究多周期、多目标调度计划技术、电力市场交易相关技术,构建公正透明的调度计划运作平台、电力市场交易平台,确保电网与电源信息的透明共享。

f. 打造友好互动电网。研究机网协调运行控制技术,推进机网信息双向实时交互;研究推广发电厂辅助服务考核技术,提高发电企业主动参与电网调节的积极性;研究互动营销、智能电能表等技术,提高电网、用户间的互动水平和用户服务质量。

3 坚强智能电网评估体系建立

3.1 评估指标建立的原则

评估指标是评估指标体系的基础,建立科学、合理的评估指标体系是顺利开展评估工作的前提,为了能够准确、有效地反映坚强智能电网的发展情况,评估指标建立应遵循以下原则:①指标选择应具有一定的物理意义;②指标选择应方便于测量、统计和计算;③指标选择应尽可能为量化指标,抽象指标应具有量化可能;④指标选择应科学、合理、客观、全面,能够充分反映评估目的;⑤指标选择应能够定义一个表示成功的定量目标。

3.2 评估指标体系建立

结合对我国坚强智能电网的深入理解,初步确定与 “核心价值 ”、 “主要特性” 和 “关键技术”相对应的效果类指标、基础类指标和技术类指标体系 (见图1)。

a. 基础类指标

基础类指标主要对应于与坚强智能电网基础特性密切相关的基础设施,本类指标以可量化数值指标为主,指标涵盖发、输、变、配、用、调度和通信信息等电网发展运行各个重要环节,全面反映坚强智能电网的基础设施智能化建设情况。

b. 技术类指标

技术类指标主要目的是评估坚强智能电网关键技术的研发水平,从侧面反映坚强智能电网的发展情况。由于技术类指标多为非量化指标,因此可以考虑此类指标与基础类指标一起进行综合评估。

c. 效果类指标

效果评估指标主要是对应于坚强智能电网的核心价值,效果评估指标能够反映智能电网各项核心价值的实现情况。更多的关注与坚强智能电网建设带来的电力系统各环节的成效和取得的经济社会效益。

依据坚强智能电网评估的总体思路和评估指标建设原则,初步建立智能电网多指标评估体系,指标体系共包括88个三级指标,具体指标见表1所示。

4 结束语

随着我国坚强智能电网试点建设项目的逐步完成,我国的坚强智能电网已经进入全面建设阶段,为了保障下一阶段坚强智能电网建设工作的顺利推进,开展智能电网评估工作已经迫在眉睫。通过对智能电网评估开展深入研究,结合欧美国家智能电网评估研究经验,可以发现:智能电网评估实际上就是对智能电网进行全面的理解和深入的剖析,智能电网评估的过程就是:建立评估体系;确定评估标准;选取评估方法;得出评估结果。合理评估标准是智能电网评估的前提,科学的评估方法是智能电网评估的关键,而这一切的基础则是建立在全面完善的评估体系基础上。本文以坚强智能电网评估体系为研究的着眼点,借鉴美国智能电网评估的研究思路,全面剖析我国坚强智能电网的核心价值、主要特性和关键技术领域,初步确定了我国坚强智能电网评估的基础类、技术类和效果类指标,并最终建立了适合坚强智能电网的多指标综合评估体系。坚强智能电网多指标综合评估体系的提出为坚强智能电网评估奠定了良好的基础,也为后续相关工作的开展提供了便利的条件。

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