智能电网:应对电力系统新挑战的先进技术

第1章 引言 　　社会的发展，特别是可持续发展，即将使电网发生翻天覆地的变化。如果不对电网的设计和运作方式进行重大革新，这些变化可能成为社会发展的阻碍。社会的发展为电网带来了新的挑战，使用现有技术并不是总能应对这些挑战，即使技术层面能解决，也亟需更好、更经济的新技术方案。 　　我们将在本章1.4节介绍这些新的挑战，并在1.5节介绍全新的解决方案。这些解决方案通常被称为智能电网（smart grid），1.2节中将对其进行详细解释。但是首先，我们将在1.1节介绍电力网络，并在1.3节介绍不同的利益相关者（stakeholder）。 　　1.1 电力网络 　　电力网络（简称电网）旨在连接电力的消费者和生产者。电网用户（network user）指的是电力的消费者和生产者，以及那些既生产又消耗的产消者（prosumer）。 　　在经济方面，电网应成为电力市场（electricity market）的推动者。在技术方面，电力系统的主要目标（primary aim）是确保所有电网用户都能获得符合需求的供电可靠性和供电品质，而不会对电力市场的电力潮流产生任何干预。除主要目标外，电网的设计和运作方式也有许多次要目标（secondary aim），如防止过载（overload）、保持足够的运行储备（operational reserves）、防止保护误动。次要目标对于实现主要目标而言非常重要，但它不会直接影响电网用户。例如：为了维持高供电可靠性，电网运营商（network operator）需要维持储备；但是，如果用更少的储备就能换取相同的可靠性，那么就不再需要保留这些储备。类似的示例在本书中将反复提及。 　　“电网”和“电力网络”、“系统”和“电力系统”所表述的含义有时是一致的，有时则稍有不同。“电力系统”是指电网和所有电气设备与电网用户的结合，它不仅包括从*大的发电机到*小的电动机，还涵盖了电力设备与电网之间的所有电气交互。虽然“电网”仅由电线组成，“系统”还包括与电线连接的设备，但在本书中，“电网”既是“电力网络”的同义词，也是“电力系统”的同义词，这三个术语将作为同义词使用，当然，在需要时也会强调含义上的差异。 　　1.2 智能电网 　　在过去的几年中，“智能电网”一词经常出现在技术文献和非技术文献中。在多个技术出版物的数据库中搜索“智能电网”一词，得到与智能电网相关的出版物及其年份的关系如图1.1所示。在2004年之前，该术语很少被使用；但从2005年开始，该术语的使用频率迅速增加。截至2005年，“智能电网”一词在Google 搜索引擎上每年有5万至10万点击量，2009年为200万点击量，2010年为近900万点击量。 　　图1.1 搜索“智能电网”的出版物数量﹡：Scopus；○：IEEE Xplore；□：Google Scholar 　　除智能电网外，其他使用的术语还包括智能网络（intelligent network）、能源互联网（energy internet）和智慧线路（wise wires）。但到目前①为止，使用*多的还是智能电网，该术语基本都用来指代未来的电力网络。相比于现有电网，智能电网能够更好地应对新挑战，其原因有两个：一个是智能电网采用*新技术，如通信和电力电子控制；另一个是智能电网中的用户更加积极地参与电网的运行。我们将在1.4节介绍这些新挑战，并在1.5节对新技术进行概述。有关挑战的详细信息，请参见第2章。有关新技术的详细信息，请参见第3～5章。 　　智能电网的定义和描述很多，本书从技术角度给出完全中立的定义：智能电网是专门用于以高性价比的方式解决电力网络遇到的诸多挑战的一系列技术、法规和市场规则。换句话说，智能电网就是用来应对新挑战的新技术。欧洲能源监管机构（European Energy Regulator，EER）和欧洲委员会都是采用的这种定义。 　　但是，如此定义智能电网并不能满足那些想知道“什么是智能电网”的好奇的工程师或研究人员。他们想知道的是未来究竟会使用哪种新技术、法规和市场规则来应对电网所面临的诸多挑战。 　　而一些组织和作者给出的智能电网的定义往往仅描述了其中的一项技术。例如：智能电网可以定义为一种以发电、输电、变电、配电、用电为一体的电力系统，它采用双向网络安全的信息通信技术和智能计算技术，以实现清洁、安全、稳定、可靠、适应能力强、高效、可持续运行的目标（Gharavi et al.，2011）。 　　在继续讨论之前，我们应该先弄清楚一些事情。首先，智能电网尚不存在，而且谁也不知道它将会是什么样子；其次，我们有必要认识到，讨论的并不是用新的电网代替现有的电网，电网的某些部分将被全新的东西替换，其他部分以类似的东西替换，而某些部分将保持不变；*后，非智能电网与智能电网之间的转变并不是剧烈的变革。本书稍后将要讨论在50年前就已经开始的一些研究，以及其他一些可能还需要10年才能落地实施的研究①。 　　之所以对智能电网给出定义时在技术方面选择中立，是因为我们不想提前排除任何技术。技术的选择取决于具体的挑战和复杂的当地情况，一些技术在某个方面可能是智能的，但在其他方面表现得就不一定智能。 　　在本书的其余部分中，我们将不会过多地提及智能电网，而是对可能成为智能电网一部分的各种方法和技术进行描述。换句话说，就是告诉大家哪些新技术可以应对新挑战。 　　1.3 利益相关者 　　电力网络连接着电力的生产者和消费者，电网中不同的生产者和消费者的区别在于其所采用的电压水平不同。输电网络的*高电压水平可高达几百千伏，能够覆盖全国，并将*大的发电站（power station）与主要的用电中心连接起来。配电网络采用的是*低电压水平，*高约30 kV ，可将电力输送到*小的用户单元。中间的是次级输电（subtransmission）网络，电压水平约100 kV 。大多数发电装置都连接到输电网络或次级输电网络，大多数用电装置都连接到配电网络。一些大型工业用户所连接的电网电压水平较高，一些较小的发电装置所连接的电网电压水平较低。 　　在一些国家和地区，电网由一家公司或少数几家公司经营；而在另一些国家和地区，电网由数百家大大小小的公司拼凑而成。无论规模大小，这些公司都被称为电网运营商或公用事业公司。公用事业公司不仅拥有一部分电网，而且拥有与之连接的全部或大部分电力生产单位。在许多国家（包括几乎所有欧洲国家），不允许电网运营商只专注于拥有和运营电网，而不区别对待电力生产单位，即使电网运营商不拥有电力生产单位，系统运营商（system operator）也需要与电力生产单位一起维持电网的运行。输电系统运营商同时拥有输电网络，而独立系统运营商（independent system operator）不拥有任何资产。 　　系统和输配电网络运营商也是电力市场监管*严密的部分。它们形成自然垄断，用户无法在不同的电网运营商之间进行选择（除非转移到另一座城镇），因此电网运营商面对的不是开放市场。电网运营商具有在其服务范围内连接消费者和生产者的权利和义务。为了防止电网运营商滥用其垄断地位，连接费和系统使用费由监管机构控制。 　　电力的传输是在受监管的市场（regulated market）上进行的，而电力的交易是在开放的或不受监管的市场上进行的，示例如图1.2所示。电力市场包括批发市场（wholesale market）和零售市场（retail market）。在批发市场上，生产者出售电力，而这些电力主要被电力零售商（power retailer）购买，一些大型消费者也直接在批发市场上购买电力。批发市场通常包括基于对消费和生产预测的日前①市场（day-ahead market），以及根据实际的发电量和用电量对价格进行调整的实时市场或平衡市场（balancing market）。批发市场的运作方式将在第5章详细介绍。 　　图1.2 （受监管的）电力网络和（不受监管的）电力市场 　　P：发电单元；C：消费者 　　零售商在批发市场上买电，然后在零售市场上卖给消费者。也有一些较小的生产者在零售市场上出售他们生产的电能。在批发市场上，个体参与者进行买卖出价，然后通过一套预先制定的规则获得市场价格。在零售市场上，零售商与消费者之间如果达成了双边交易，他们可以就某个价格水平维持较长时间，有时长达数年之久。允许消费者自由选择和更换零售商可以保证市场的竞争。 　　批发市场与零售市场之间的一个重要区别是：批发市场的价格会随着时间产生剧烈波动，而零售市场上的消费者看不到这些价格波动。如何在批发市场上让个人消费者承受价格波动是本书要讨论的智能电网解决方案之一。 　　本书讨论的各种进展成果将导致更多的利益相关者参与其中，这些新的利益相关者主要包括基于可再生能源（renewable energy）的新型发电单元，以及基于中小型热电联产（combined heart and power generation， CHP）的新型发电单元。这些发电单元的工作方式与现有发电单元不同（现有发电单元在本书中被称为常规发电单元），它不仅要把电能注入电网，还要通过辅助服务（ancillary service）（如频率控制（frequency control）以多种其他方式为电网提供支持。而新型电力生产方式的引入使发电单元的辅助服务不再明显，从而使得辅助服务提供商（ancillary-service provider）得以进入市场。在大多数国家和地区，已经存在专门针对频率控制的市场，而辅助服务通常作为发电单元连接协议（connection agreement）的一部分被强制执行。后续将要讨论另一种解决方案，即为更多的辅助服务创造市场，因为由发电单元提供这些服务不再具有*佳的性价比。 　　预计将来，小型电网用户（消费者、生产者、产消者）将更多地涉足不同的市场，可能是目前市场到辅助服务市场中的任何一个。此外，只有*大的电网用户（大型工业用户、大型风力发电站）才能直接参与此类市场，较小的用户很可能会通过聚合商（aggregator）参与进来。这样的聚合商将扮演与批发市场零售商类似的角色，实际上，它很可能成为具备聚合功能的现有电力零售商。 　　1.4 挑战 　　电网所面临的挑战因国家而异。对于大多数工业化国家，主要挑战均在于引入开放的电力市场及向可持续能源系统的变革；对于发展中国家（developing country），主要挑战更多在于如何为所有消费者提供电力；而对于经济快速发展的国家，主要挑战可能在于保证电力供应领先于消费增长。甚至不同的工业化国家所面临的挑战也可能千差万别。 　　1990年左右开始开放电力市场的少数国家（如智利、菲律宾、英国）就是很好的例子。这种放松管制、私有化或重组（提及所使用的某些术语）创造了电力市场，如图1.2所示。从技术角度来看，其主要区别在于发电单元的所有权不再与电网的所有权挂钩。发电单元的调度成为批发市场上招标过程和市场规则的结果，而不是发电单元和电网的共同所有者的调度结果。电力潮流，尤其是在输电网络中的潮流，变得难以预测。现在的电网必须适应电网用户，而不是反其道而行之。这么做的后果将在2.3节讨论。 　　向可持续能源系统的过渡过程中需要更加高效地生产和使用能源，以及更多地使用可再生能源，两者都会对电网产生影响。新型发电单元将以可再生能源为