智能电网

智能电网到底是什么?终于明白了!

  早在本世纪初,智能电网的概念就提出来了,并且经过风风光光的发展,在中国,智能电网已经成为风风光光的事业。但是智能电网到底是什么鬼?你真的明白吗?请看小编为你一一道来。

  美国能源部《Grid2030》:一个完全自动化的电力传输网络,能够监事和控制每个用户和电网节点,保证从电厂到终端用户整个输配电过程所有节点之间的信息和电能双向流动。

  国家电网中国电力科学研究院:以物理电网为基础(中国的智能电网以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础),现将先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成形成的新型电网。它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的,实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。

  这时候就需要我出马了,我会尽可能用通俗易懂的语言来解释这些枯燥冷门的内容。

  中高压变电装置一般都会配套建有专门的变电站,低压变电装置小区里也随处可见。

  变电(powertransforming),是指通过变电设备将电压由低等级转变为高等级(升压),或由高等级转变为低等级(降压)的环节。

  输电(powertransmission),是指通过输电线路,将电能进行传输的环节。

  配电(powerdistribuon),是指通过配电变压,将电能从高压输电线路分配给用户的环节。

  电能从发电厂制造出来,通过变电升压,进入高压输电线路,再经过变电降压,配电给各个用户。

  此外,我们刚刚提到的发电机、变电箱、高压电线,包括线路中的各种“开关”断路器、接触器、隔离开关、刀闸等,都是直接用于生产和传输电能的,被称为“一次设备”(Primaryequipment)。

  可能有人要问了,我平时就看到这些啊,难道电网里还存在什么其他的隐秘的部分吗?

  没错,那就是所谓的“二次设备”。所谓二次设备(Secondaryequipment),是指对电网内一次设备进行监察,测量,控制,保护,调节的辅助设备。

  可以想象一下发射火箭。那么火箭本身就可以视为类似的“一次设备”,而监控火箭的轨道、速度、各种参数的装置,就可以视为类似的“二次设备”。

  好了,简单介绍了一下电网,那么让我们来看看这智能电网到底“智能”在什么方面吧。

  怎么理解用户互动呢?在过去,用户对于电网来说,能做的几乎就只有:按时交电费,或者看看自家的机械式的铝盘电表上走了几度电。除此以外,似乎真的没有什么能做的了。

  那么智能电网呢?用户将是电力系统不可分割的一部分。鼓励和促进用户参与自身运行和管理,是智能电网一大重要特征。

  对供电公司而言,掌握用户的需求,也就是更好地衡量了供求关系。通过统计用户的用电信息,可以从数据分析中理解一个区域的用电规律,比如什么段时间用电多,什么时间段用电少,进而相应的制定各区域内,经济节能的发电和输配电的方案。此外,通过调节用户的用电时间,便可有效的提高电网终端额用电效率,削峰填谷,平滑电网负荷曲线,减轻电网的负荷压力。调节的好处是,减少或转移用电高峰时的电力需求,是电力公司尽量减少资本的开支和营运开支。电力成本减少,电价自然会下调。

  对用户来说,电力消费和手机话费一样,可以选择性消费。用户可以选择不同的方案来购买电能、选择用电。比如,用户可以随时了解,高峰时段电价高,可以选择少用电;低谷时段电价便宜,就配合智能化电器的试试操作和远程控制,选择在低电价的时段用电。

  就像上文提到的,智能家电、智能控制设备等智能终端,将在智能电网中占据很重要的地位。通过在手机上安装的用电APP,就能远程遥控电热水器、空调、冰箱、电热水壶等电器,可以轻松实现在电价便宜的时候用电。

  不妨设想一下好了,当冬天外出,回家之前通过APP提前打开空调,开门就能触摸温暖想在早晨6点之前用半价电烧一壶水,但又不想那么早起床操作,可以借助APP定时功能,确保6点前自动完成烧水通过APP,还能如同查询手机流量一样,随时了解某个电器设备在某一段时间内的耗电量,使用户对于自己的用电账本一目了然。

  而智能电网中的配变电量采集箱,也不单单只是过去的单向采集功能了,它们会自带WIFI和网络功能,将用户的用电信息、数据收集之后,通过网络发送到供电公司的数据终端。供电公司将对这些数据进行归类、对比分析,再根据用户用电的实际情况,为其量身定制用电方案,并通过手机短信等形式发送告知。

  举个例子,用户通过查询高能耗电器的实时使用数据,便可以随时了解自己家中的哪些电器存在浪费。譬如电视开着却没有看,家里没人却开着空调等等现象就可以避免。

  上文里提到的老式机械电表,既不精确也容易被盗电。在智能电网时代,它们不仅仅将被数字化电表所取代,而且采集的时间间隔将大幅缩小。譬如目前常见的智能电表可能要15分钟才采集一次数据,而理想状态下的智能电网,采集数据的间隔可能短至1秒钟,甚至更短。 同样的,在输电网,采集各种开关信号量、遥测信息(电压、电流、相位、相角、有功功率、无功功率乃至变压器油温等等),也将做到实时更新,刷新的速率也将达到至少每秒一次。这样精确的数据量,将大大提高电网的可靠性,也可以有效进行故障预判和快速调整。

  而如此一来,所形成数据量也将是极为可观的,是实实在在的洋量“大数据”。比如智能电表的采集量从15分钟缩短到1秒,1万台智能电表采集的用电信息的数据就会从32.61GB提高到114.6TB。而这数据量对于一个大国高度发达的智能电网来说,只是沧海一粟罢了。

  所以现在国内现在新兴的电网海量实时数据系统,其核心数据库大都采用了Hadoop的HDFS系统,通过使用分布式数据存储和MapReduce运算模型,来实时存储如此巨大的数据。这和淘宝网的数据库是相似的。除了Hadoop的No-SQL数据库,普通的关系数据库也是必不可少的,起到辅助作用。

  大数据当然自有它的好处。通过大数据平台搭配云计算技术,技术人员可实时观察到全网范围内的电能流动状态、电能负载热区、设备故障高发区和客户集中区等数据,实现更加智能化的电网。具体的新概念和新技术包括以下这些:

  在智能电网中,通过分析包括调度、输配电、发电和用户信息等大数据(这些数据大都是实时并且高度信息化集成的),通过软件实现实时可视化运算分析,可以全面完整地展示电网运行状态中每一个细节,为管理层提供辅助决策支持和依据。

  不仅如此,通过大数据分析电网负载的历史数据和实时数据,展示全网实时负载状态,可以预测电网负载变化趋势。并通过综合性的管理,提高设备的使用率,降低电能损耗,使得电网运行更加经济和高效。

  通过大数据分析电网中故障设备的故障类型、历史状态和运行参数之间的相关性,预测电网故障发生的规律,评估电网运行风险,可以实现实时预警,让技术人员提前做好设备维护和检查工作。

  在智能电网中,将电网中的故障设备,以最快的速度从电网系统中隔离出来,并且在几乎自动化的状态下(很少或不用人为干预)实现系统自我恢复到正常运行状态,从而做到几乎不中断对用户的供电服务。我们可以类比一下人体的免疫系统,这和智能电网的自我修复很类似。结合上两条的预测,电网系统可以进行持续自我预测,当发现已经存在或可能出现的故障时,立即采取措施加以控制或纠正。

  在现有的电网系统中,二次设备的通信往往要通过总线和专用通信设备来实现。这种设备用内部的话说叫做”总控单元“(国外一般称为RTU)。而在智能电网中,监控、保护等二次设备都将配有自适应和自我交互信息的模块,能够自适应地相互通信。这种的灵活性和自适应能力,将极大地提高可靠性,就好比让设备实现”自治“。如此一来,即使部分系统出现了故障,其他设备仍然能够稳定工作。

  传统的发电一般都是火力发电和水力发电,现在核电也在逐步发展中。而光伏发电、风电、地热发电等新能源发电,过去都很难和传统电网相连接。而智能电网将改变这一现状。智能电网会简化新能源发电入电网的过程,通过改进的互联标准将使各种各样的发电和储能系统容易接入。做到“无缝接入、即插即用”。从小到大各种不同容量的发电和储能设备,在所有的电压等级上都可以实现互联(包括光伏发电、风电、电池系统、即插式混合动力汽车和燃料电池等)。未来,用户甚至可以安装自己的发电设备,实现自产自销。

  在2015电力行业信息化技术创新大会上,中国工程院院士、国网电力科学研究院副院长薛禹胜院士指出: 随着太阳能、风能等再生电力资源越来越多地被应用,电网必须考虑如何确保太阳能、风能这类“间断性能源”安全进入电网。薛禹胜说,眼下新能源接入电网的比例只有7%10%,未来大规模接入会有很多问题产生,这需要大幅度提高信息化水平,运用大数据技术,进行智能化分析。

  在过去,电能的生产是一次性的,生产出来就必须立刻用掉,很难实现大容量储存。而智能电网中的储能技术将是重头戏。无论是集中式的大容量的储能电站,还是分布式的小容量的储能电站,甚至小到电动汽车电池的储能作用,乃至太阳能路灯的储能电池等等。都是智能电网中的各种储能形式。而这其中,电动汽车对于普通用户来说,距离最近也最容易实现,可以由此预见,电动汽车的发展将是不可阻挡的。

  而储能技术,主要分为物理储能( 譬如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等),化学储能( 譬如各类蓄电池、可再生燃料电池、液流电池、超级电容器等)和电气储能( 譬如超导电磁储能等)。在储能技术发展上,德国发展得非常快,他们的储能电池研发是世界领先的。

  未来,用户都将拥有自己的发电和储能设施,在自给自足的同时,还可能倒送给电网以实现相互调剂。譬如,在我家的用电低谷时,电网供应的能量用不完,就可以先储存起来,以备自己或邻居在用电高峰时进行支援,而当我家用电出现高峰,用上自己储存的电能都供应不足时,通过邻居储存的电能,就可以立即补足自己的用电需求。

  在当前世界反恐的大环境下,智能电网作为一个国家的命脉产业,提升自我防御能力当然是不可或缺的。这就要求电网安全性可以达到很高的水准。当出现后,运用上面第四点所提到的自我修复的解决方案,使得被攻击的位置可以实现快速恢复。不仅如此,从智能电网的设计和运行的环节,都将加入反恐考量,尽可能阻止攻击,最大限度地降低破坏造成的损失。智能电网的安全策略将包含威慑、预防、检测、反应等等,以尽量减少和减轻对电网和经济发展的影响。

  值得一提的是,无论是物理攻击还是网络攻击,都是需要的防御的。智能电网的内部通信系统,将实现和外网完全隔离,独立运行,每个节点都实现自主化。

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