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电力规划设计总院副总工程师:智能电网成能源转型与能源革命的核心

国际电力网  来源:中国电力设备管理协会  作者:张化冰  日期:2018-10-15
  导语:电力系统正面临着环保要求越来越严、能源安全需求压力越来越大以及数字化社会对供电可靠性和电能质量的要求越来越高等诸多挑战,智能电网及其所有的智能技术、解决方案和设备是应对这种挑战的不二选择,并正在逐渐对电力、乃至于能源系统进行着不可逆转的改变。
 
  进入21世纪以来,在全球气候变暖,经济发展低碳化、能源利用清洁化以及能源安全需求压力加大的大背景下,新一轮的能源变革已在世界范围内展开,智能电网异军突起、方兴未艾,成为各国开发利用清洁能源、保障能源安全的战略选择。
 
  在生产实践中,智能电网及其所有的智能技术、解决方案和设备,对于电网在效率、降低排放以及提高其耐用性和安全方面已经产生积极而深远的影响,并正在逐渐对电力、乃至于能源系统进行着不可逆转地改变。
 
  日前,本刊专访了电力规划设计总院副总工程师、智能电网部主任黄晓莉,对智能电网相关问题进行了解读。
 
  智能电网前世今生
 
  2003年美国电力研究员EPRI将未来电网定义为“IntelliGrid”,同年6月美国能源部输配电办公室发布“Grid 2030”设想:一个完全自动化的电力传输网络,能够监视和控制每个用户和电网节点,保证从电网到终端用户整个输配电过程中所有节点之间的信息和电能的双向流动。智能电网由此(IntelliGrid或Smart Grid)开始进入人们的视野。
 
  2004年欧盟启动了智能电网相关研究工作,2006年欧盟理事会的能源绿皮书“欧洲可持续的、竞争的、安全的电能策略”明确指出欧洲已经进入一个新能源时代。
 
  2008年底欧洲公用事业电信联合会(UTC)发布了“智能电网——构建战略性技术规划蓝图”。
 
  2009年美国宣布了美国智能电网建设的第一批标准“IEEE 2030”,中国也就是从这个时候开始了智能电网的研究和建设。
 
  就此黄晓莉表示,总的来说智能电网就是未来的电网,它的使命是要构建柔性灵活、智能高效、安全自愈、可靠自适应的电网,以支持新能源、分布式电源的广泛、大规模的开发和高效利用,推动能源转型,建立集中与分布协同,多种能源融合,供需双向互动,高效灵活配置的现代能源供应体系。
 
  “智能电网至今没有统一的定义,它是个不断发展的概念,人们对未来的电网不断地提出挑战,德国提出到2050年可再生能源占电力消费的比重将达到80%以上,占终端能源消费的比重将达到60%以上,并将全面放弃核电;美国加州最近更是提出了2050年实现电力100%来自可再生能源和零炭能源。”
 
  “而风、光等可再生能源的波动性、泛在性、难于预测、难于控制的特性,要求电网必须用多种技术手段,实现多种资源的互补运行、实现源-网-荷高效互动,实现全面地数字化、智能化,进而支撑广泛的、多层级的在线决策、闭环控制,实现多种资源的融合、综合协调优化,实时闭环控制、即插即用、自愈自适应。”
 
  “随着风、光等可再生能源在电网中的比重越来越大,电网所面临的挑战将越来越大,当前说的智能电网只是现有技术下的智能电网,电网中新能源比重最高的也只有20%~30%,在中国大部分地区都低于10%。未来的智能电网需要大量的创新性技术来支撑,如廉价、环保、安全、长寿命的储能技术、AI技术、物联网技术等。”
 
  黄晓莉表示,作为能源转型与能源革命的核心,对于智能电网发展的任何重视之举都绝不为过,而且只会越来越强化。
 
  “在我们最近完成的《南方电网公司“十三五”智能电网发展规划研究》中,提出了由五个环节+四个支撑体系组成的智能电网的总体架构,并结合电网发展现状、存在的问题、发展需求及技术可行性,提出了各领域的在十三五期间的重点任务。”
 
  她说:“我们一直认为,智能电网的建设是覆盖全产业链的,更需要全社会的参与,每个环节都需要数字化、智能化,都需要有全局意识。”
 
  “如主动配电网就是从电网的角度主动适应分布式可再生能源的发展需求,实时感知、主动调整优化运行状态、主动适配、即插即用;而需求侧响应则需要用户主动参与,将用电计划与电网的运行需求结合起来,充分发挥负荷的调整能力,实现削峰填谷,使电源的波动与负荷的波动互补运行。”
 
  她指出,未来电网的发展将不断地由被动的电网向主动响应、主动应对的电网发展;由集中的、单向的、垂直一体的系统向分布与集中协同、供需双向互动、多种终端一体化能源系统并存的多样性的、扁平的、高效的系统发展;由物理系统+自动化系统向信息物理融合发展,促进从最基础的元件级到最高层级的跨领域感知、决策、协同、共享能力的建设;由功能导向向价值导向转变,由产品导向向服务导向转变。
 
  “所谓的综合能源服务,就是变卖电为卖能源服务,为用户提供最高效、节能、环保、成本最低的能源服务,并与用户共享智慧用能的利益。而互联网理念和技术将深深地融入到智能电网发展的各个环节。”
 
  就此黄晓莉表示,发展智能电网是实现能源转型与能源生产、消费、技术和体制革命的重要手段与核心:“有利于进一步提高电网接纳和优化配置多种能源的能力,实现能源生产和消费的综合调配;有利于推动清洁能源、分布式能源的科学利用,从而全面构建安全、高效、清洁的现代能源保障体系;有利于支撑新型工业化和新型城镇化建设,提高民生服务水平;有利于带动上下游产业转型升级,实现中国能源科技和装备水平的全面提升。”
 
  智能电网就是未来的电网
 
  能源转型最根本的目标,是由可再生能源逐步替代化石能源。其途径包括大力发展风、光、生物质等新能源,大力发展分布式能源,全面推进节能减排,推进绿色低碳建筑、清洁供暖、绿色交通等。
 
  风、光等新能源其根本特性就是时有时无、不可控制,很难直接利用。而将风能和太阳能转换为电能,接入电网或储存在电池等储能设备里,便可以为各种终端用户提供稳定、可靠、高质量的能源供应。
 
  要实现能源的清洁化,必须在生产、建筑、交通等各领域全面实现可再生能源代替化石能源,用清洁的电力替代化石能源将是很多行业实现用能清洁化的必然选择——如用电动汽车代替传统的燃油汽车,电在终端能源消费中的占比将会越来越大,清洁的电力将是能源转型的核心。
 
  目前能源转型全球做的最好的是欧洲,部分国家新能源发电量占比已接近30%,而中国新能源发电量占比仅约5%。
 
  就此而言,中国的能源转型与能源革命几乎才刚刚开始。
 
  对此黄晓莉认为,中国在能源转型方面的差距更多体现在理念、观念与思路上,同时在设计、技术等方面也都没有跟上。
 
  “其实很多技术是具备的、甚至是领先的,但因为理念、观念的问题而没有得到普及推广。比如分布式能源综合开发利用、比如建筑节能,可以降低50%甚至更多的能耗,如绿色建筑、低碳建筑、零碳建筑、被动屋等,前景非常广阔。”
 
  “在技术领域,中国与国际的差距并不大。相对而言,基础技术领域要落后于应用技术领域,如储能技术。但也有一些技术是中国领先的,如针对大规模的交直流混合电网运行问题、多直流集中落点问题,在此领域中国拥有全球最先进的技术,如大规模的安全稳定控制系统、直流保护等。”
 
  她就此强调,能源转型与能源革命必须要从观念理念、规划设计、建设运营模式等各个方面进行全面的转型与变革。
 
  “促进能源转型不仅仅局限于电网等能源企业,要全方位包括诸如社会的产能、用能、综合能源等各个方面来予以推动与促进。尤其是能源企业更要实现自身的转变,从单纯的卖电、卖油、卖气转变为向用户提供高效低碳的综合能源系统和服务。”
 
  她指出,智能电网的主要作用之一就是支持大规模的新能源、可再生能源、分布式能源广泛的开发利用与接入,而鉴于这种大比例、大规模的消纳与接入,以及高效利用的需求,需要电网提供足够的灵活性与平衡性,以及控制、耦合等综合协调的能力。
 
  事实上,电力系统本身是一个瞬间平衡的系统,传统的煤电、水电、核电等电源是可控可调的,只有其负荷是可变的,但在新能源系统里,电源和负荷都是可变的,甚至电源本身的波动性比负荷更大。
 
  因此,如何实现新能源在电网中的瞬间平衡,如何实现其高效的利用,如何实现电网稳定可靠的运行,就是一个非常复杂的技术问题,由此也衍生出很多的技术发展方向与用能模式。
 
  “如微能源网、区域能源网络将多种能源与多种用能需求进行匹配耦合,以实现区域内的能源互补运行、梯级利用。”
 
  客观而言,智能电网所面临的挑战极其广泛,涉及许多技术性、体制性和社会性问题,但其机遇同样是巨大的。
 
  而作为能源转型的核心,一个设计良好的智能电网应具有如下基本功能:便于更广泛地参与,能够更有效提高效率,能够更有效提高可靠性与韧性。
 
  智能电网要能够激励电力用户,及时向用户提供关于电量消耗的详细信息,以及各种可供用户选择的、包括实时或分时的电价方案;能容易和透明地接受任何种类的能源;以大量“即插即用”的分布式电源补充集中式发电,从而创造新的机遇和市场。
 
  而终端用户也可以积极参与到成熟、健康和综合的电力市场中,有各种各样的质量/价格方案可供选择;同时智能电网要具备自愈和抵御攻击的能力,在发生故障时系统可自动调整以降低停电影响,以及在遇到攻击或自然灾害时具有快速恢复供电的能力。
 
  为了实现这些功能,需要引入新的技术和新的商业模式,包括电网广域监视与控制系统、信息和通信技术的集成、可再生能源和分布式能源发电的集成、输电网的扩展应用如柔性交直流输电技术、灵活的配电网络拓扑结构和先进的配电网管理技术、高级量测体系和用户侧管理系统等。
 
  为智能电网创建平台的技术,包括综合的通信信息技术、传感和测量技术、储能技术、电力电子技术、诊断技术和超导技术等。
 
  “智能电网可带动的技术,包括风力发电机组、光伏发电装置、电动车辆充电基础设施、绿色节能建筑和智能家电等,其中电动汽车和绿色建筑或将成为智能电网最重要的应用。”
 
  事实上,有些技术已经在电网中得到了应用;但只有在体现智能电网的双向数字通信和即插即用能力时,这些技术的潜能才能得到充分的利用。
 
  当前传统电力价格逐年上升,光伏发电成本迅速下降,分布式储能成本也在不断下降,而以燃气为主的分布式热电联产系统的能源利用率将会高于80%,这一切预示着分布式发电成本与零售电价之间有望持平;而且分布式发电可以提高对用户供电的可靠性,增强电网的安全性。
 
  由于分布式电源的广泛接入,电网(含输电网和配电网)每条支路的电力潮流都可能是双向的和时变的。为了使智能电网的潜在效益最大化,配电网拓扑结构应该是灵活的、可重构的。
 
  因此,如何处理数以万计的分布式电力资源并应对其间歇性、多变性和不确定性,同时确保电网的可靠性、人身和设备安全及市场的活力是未来电网及智能电网发展所面临的挑战。
 
  事实上,智能电网的基本特征之一是电力和信息的双向流动性,并由此建立起一个高度自动化和广泛分布的能量交换网络;把分布式计算、通信和互联网的优势引入电网,实现信息实时交换并达到设备层次上近乎瞬时的供需平衡。
 
  从广义层面来看,由于智能电网的实施涉及许多技术和商业领域,智能电网的一个关键目标就是催生新的技术和商业模式,从而实现产业革命。
 
  而为了激励在智能电网方面的创新,极需建立一个成熟、健康、综合的电力市场,其中包括:实施分时或实时电价,使电能作为商品的市场价值得到合理的体现;制订政策,鼓励分布式电力和能源的就地消纳,促进清洁能源的供应,以及确保智能电网投资成本的回收等。
 
  “能源转型的路径是非常清晰的,就是融合、智能、在线。一是跨行业、跨专业的全面技术融合,覆盖能源的生产、消费和使用的全环节,触角将伸到城市和农村建设的各个领域;二是全面的智能化,从底层开始,每一个单元、每一个元件都是智能的,可以自行感知交互、综合决策、协调优化;三是在线,即所有的决策都是基于现场的实时运行情况作出的,并在线闭环控制调整的,即插即用的、自适应的。从而重塑能源、重塑社会。”
 
  黄晓莉说:“智能电网就是未来的电网,是伴随能源转型、能源革命不断发展的一个电网,其特征与根本价值,就在于支撑新能源与智慧能源、智慧城市、智慧社会的发展。”
 
  “未来的电网模式,底部是综合能源系统如微网、区域能源系统,中间是城市、乡村高度智能化的配电网和一些区域能源网络,高层是大电网互联互通。智能电网则贯穿于这三个层次。”
 
  “要促进全社会转变思维模式、从而促进能源转型与能源革命,智能电网在其中就是一个关键的环节,可以做到很多事情,而且必将像互联网一样改变着人们的生活和工作方式。”
 
  “就此而言,智能电网是一个不断发展的过程,甚至很难有阶段性的划分,其本质是对能源转型的一种技术支撑。”
 
  事实上,由于智能电网所需要持续的研发和颠覆性的技术突破,以及其内涵的不断充实,这或将会是一个非常漫长、甚至于无止境的过程。
 
  “无论在中国还是国际,智能电网的发展都处于起步阶段,任重而道远,但我们一直在路上。” 黄晓莉说。
 
  电力规划设计总院副总工程师、智能电网部主任黄晓莉
 
  黄晓莉,电力规划设计总院副总工程师、智能电网部主任。长期从事电力系统规划设计及电力工程咨询、评审工作,历任电力规划设计标委会副主任、国家智能电网推进工作组成员等。
 
  主持完成了国家十三五电力规划专题《智能电网规划研究》、《关于促进智能电网发展的指导意见》(主要起草单位)、能源局重大研究课题 《能源发展的新模式、新业态及互联网+智慧能源发展途径研究》、美国能源基金会《适应可再生能源发展的新的电力规划方法研究》、冬奥会《绿色奥运专区及低碳崇礼综合能源规划》、《张家口绿色能源体系规划》及《新能源发展机制及政策研究》、《适应智能电网发展的电价机制及费率研究》、《配电网规划设计规程》、《南方电网智能电网规划研究》、《内蒙电网十三五信息化规划》等,并作为主编之一着有《能源转型与智能电网》一书。
 
  其研究成果《我国智能电网发展模式及规划研究》、《我国智能电网总体方案及关键技术研究》获得了全国优秀工程咨询一等奖及中能建科技进步一等奖。研究成果《智能电网下的电价机制和费率研究》、《新能源并网机制及政策研究》得到了国家能源局规划司、电力司、新能源司等有关司局的高度评价,并在售电侧电力市场化改革、新能源相关机制、政策制定中发挥了重要作用。研究成果《分布式电源接入及微电网研究》、《光伏发电消纳及智能电网研究(光伏发电配套电网建设及智能电网应用研究)》、《储能技术在电力系统的应用研究》等,对分布式电源的有效接入和高效利用模式及对配电网的影响及应对措施、微网的设计、运行技术、区域能源网络、分布式能源耦合系统、能源互联网等新技术、新理念进行了深入的研究,成果显著。
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