新基建与智能电网

第1章　面向新基建的智能电网 　　近年来，国家电网公司持续加快推进智能电网（smart grid，SG）建设，这一电网建设方针与新型基础设施建设（以下简称新基建）非常契合。智能电网是由电力网和通信网深度融合形成的新型现代化电网，目标是建立一个覆盖并贯穿发、输、配、用各领域高度自动化和广泛分布的能量与信息交换系统。智能电网本身即为新基建中的融合基础设施，更重要的是智能电网作为智慧能源基础设施，为新基建提供“安全、可靠、绿色、高效”能源动力保障，将成为所有新基建不可或缺的一部分，是我们服务、助力新基建产业发展的物质基础。 　　1.1　智能电网 　　我国智能电网建设推进已十余年，各环节智能化与自动化水平大幅提升，供电可靠性显著改善，特高压网络国际领先。与现有电网相比，智能电网体现出能量流、信息流和业务流高度融合的显著特点，在绿色节能意识的驱动下，智能电网成为世界各国竞相发展的一个重点领域。 　　在智能电网中，各个环节的能量流、信息流和业务流双向流动、多方互动。网络方面，智能电网把分布式计算和先进通信技术引入电网，实现信息实时交换和电力设备实时监控；接入方面，智能电网利用先进的智能化接入设备，支持多业务快速、灵活接入；系统方面，信息通信系统与电力生产管理深度融合，实现智能电网精益化运营与管理。智能电网投资重点在用电、配电、变电及通信环节，主要提升电网自动化、信息化、互动化水平，强化资源配置能力，改善安全稳定运行水平，适应清洁能源发展与并网等。智能电网通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好的使用目标。 　　国家电网公司发布的《国家电网智能化规划总报告（修订稿）》指出，2009～2020年国家电网智能化投资为3841亿元，在“十三五”*后的引领提升阶段投资为1750亿元。电网产业链下游是广泛的终端用户，电网企业提供输送电服务，用户向电网企业支付电费（目前电网企业仍然是*主要的售电主体），根据电价的差异，可以将用户分为大工业、一般工商业、居民以及农业生产四类，其中大工业和一般工商业用户对应的电价高于居民和农业生产用电价。中游是电网建设及运营，传统模式下电网企业进行网架建设投资，通过购售电价差，收回投资及赚取收益。上游包括建设环节的设备企业和运营环节的发电企业。其中设备企业不仅有硬件设备，也包括软件、系统集成等。 　　智能电网投资主要对各类一次设备（包含特高压及柔性输电设备）、二次设备（各环节自动化设备及系统）、信息化设备及工程等。明确的投资方向为电网智能化与自动化，参与者较多，市场较分散但格局清晰，是由投资推动的成长性投资机会。智能电网将是电力行业的发展趋势。智能电网的建设也为现在的电力通信网带来新的挑战。 　　在能源紧缺方面，我国能源资源与需求呈逆向分布，能源运输压力大，坚强智能电网通过特高压网络建设提升“西电东送、北电南供”的运输效率。环境污染方面，我国对化石能源依赖较高，其产生的环境污染等问题日益严重，坚强智能电网通过特高压网络建设来实施“以电代煤、以电代油、电从远方来”的电能替代发展战略。能源安全方面，坚强智能电网建设可以提高我国电力占终端能源消费的比重，实现输煤输电并举，使得两种能源输送方式之间形成一种相互保障格局，并降低对国外石油的依存度。 　　电力行业产业链完整，电力装备齐全，应用规模大，产业辐射广，带动作用大，在5G行业发展中具有典型代表性。5G结合网络切片、边缘计算等创新技术，完美契合了智能电网的通信需求。另外，5G的大带宽、高可靠、低时延及大连接特性，能够丰富配电网侧业务的接入方式，能够克服线路*后一公里的接入难题，助力智能电网的建设。电网与5G网络的深度结合必将激发电力运行新型作业方式和用电服务模式，实现电网业务智能化升级，促进电力新兴业务发展。供应侧的坚强智能电网和需求侧的泛在电力物联网，二者“一供一需”，密切相关、无法割裂，长远来看将促进源-网-荷-储的协调互动，减少“三弃”（弃风、弃光、弃水），切实弥补可再生能源的发展短板。“两网”之间的互动，是需求侧与供应侧的互动，即坚强智能电网与泛在电力物联网能够实现协调互动，这也是国家电网公司提出“两网”的重大意义。 　　1.1.1　智能电网的定义 　　智能电网就是电网智能化，利用双向数字技术控制用户用电设备从发电厂向用户供电，以此达到节约能源、降低损耗、增强电网可靠性的目的。其主要特征包括自愈、激励用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。 　　“智能”二字，很容易使人认为智能电网是一个属于二次系统自动化范畴的概念。事实上，智能电网是未来先进电网的代名词，我们可从技术组成和功能特征两方面来理解它的含义。从技术组成方面讲，智能电网是集计算机、通信、信号传感、自动控制、电力电子、超导材料等领域新技术在输配电系统中应用的总和。这些新技术的应用不是孤立的、单方面的，不是对传统输配电系统进行简单的改进、提高，而是从提高电网整体性能、节省总体成本出发，将各种新技术与传统的输配电技术进行有机的融合，使电网的结构以及保护与运行控制方式发生革命性的变化。从功能特征上讲，智能电网在系统安全性、供电可靠性、电能质量、运行效率、资产管理等方面较传统电网有着实质性提高，支持各种分布式发电与储能设备的即插即用，支持与用户之间的互动。 　　同时智能电网的概念也涵盖提高电网科技含量、提高能源综合利用效率、提高电网供电可靠性、促进节能减排、促进新能源利用、促进资源优化配置等内容，是一项社会联动的系统工程，*终实现电网效益和社会效益的*大化，代表着未来发展方向。智能电网以包括发电、输电、配电、储能和用电的电力系统为对象，应用数字信息技术和自动控制技术，实现从发电到用电所有环节信息的双向交流，系统地优化电力的生产、输送和使用。未来的智能电网应该是一个自愈、安全、经济、清洁并且能够适应数字时代的优质电力网络。 　　1.1.2　智能电网的特征 　　智能电网与传统电网相比具有以下特征。 　　1.良好的自愈能力 　　“自愈”即电网在遇到问题时，能够自动把有问题的元件从系统中分离出来，而且能够在没有人为干预或极少进行人为干预的情况下，使电力系统快速恢复正常的运行状态。智能电网可预测元件可能出现的问题，并可以立即通过自身的“免疫系统”进行抵制或者纠正，尽可能地减少供电中断情况发生，从而确保供电的可靠性、安全性，保证良好的电能质量。 　　2.资产优化管理 　　发展智能电网可以优化电网资产运行、资产管理，能够实现“低成本、高效益”。通过新技术进行产业优化，从而将资产进行良好的整合，以*低的成本发挥*大效益。资产优化管理的关键在于将可视化技术和通信网络、电力监视系统和控制器件集成为统一的系统。未来电力系统能够经济运行的关键一环是分时计费、削峰填谷，这样才能够使用电尽量平稳。 　　3.兼容分布电源的接入 　　改进的互联标准能够更加容易地将不同的储能系统和发电系统接入，不同容量的储能和发电系统在不同的电压等级上可以实现互联，打破传统的单一发电模式。 　　4.与用户良好互动 　　用户是电力系统中重要的一部分，发展智能电网应该让用户融入电力系统的管理以及运行中，用户的消费可以根据自身的电力需求以及电力系统的满足能力进行灵活调整，用户的需求作为一种可管理资源，可用来调整和平衡供求关系，从而确保电力系统的可靠运行。同时，智能电网能够自动通知用户停电信息、电价信息、消费信息以及电网状况等一系列信息，这种灵活性的互动使用户能根据智能电网所提供的信息来制定适合自己的电力使用方案。 　　5.经济高效 　　在智能电网中，先进的通信系统以及设备是电力市场快速发展的重要因素。智能电网能够进行有效管理，如控制容量变化率、容量、潮流阻塞等参量，满足市场的需求，汇聚更多的卖家和买家，从而带来更高的经济效益[1，2]。 　　1.1.3　智能电网的背景以及发展现状 　　国内外对智能电网的理解和建设背景是有差异的。电力行业作为社会基础产业，是国家发展的命脉产业之一。电网建设与国家能源资源结构、产业布局、经济发展规划及相关政策密切相关，也与国家的能源资源条件、能源资源输入可能性、国家能源战略安全等密切相关。 　　国外发达国家的电力工业相对成熟。输电网架构变小，电网发展趋于平稳，电力需求趋于饱和，电力供给以及冗余储备充足，供需平衡。出于对利益的需求和市场效益的*大化，从国外发达国家对智能电网的研究看，其侧重建立一个高效、安全、环保、灵活的智能电力系统，更多地从市场、安全、电能质量、环境等方面出发，从用户端的角度来看待智能电网，更多地强调信息与电网的结合以及基于大量信息的业务重整。尤其是欧美发达国家及地区所倡导的智能电网，更关注分布式电源和客户端的接入、信息的获取与传输及其之上的高级功能与业务应用。但随之带来的巨额投资和技术的不确定性，将是一个巨大的挑战。 　　我国对智能电网的研究与讨论起步相对较晚，但在具体的智能电网技术研发与应用方面基本与世界先进水平同步。我国地区级以上电网都实现了调度自动化，35kV以上变电站基本都实现了变电站综合自动化，有200多个地级城市开展了配电自动化建设。广域相量测量系统的研发与应用都有突破性进展。国家电网公司提出“建设坚强的智能化电网”，极大地推动了我国智能电网研究的开展。我国智能电网的建设，不仅要涵盖欧美智能电网的概念和范围，还要加强骨干网的建设，即建立一个以特高压电网为骨干网架、各级电网高度协调发展的智能电网。通过集成新能源、新材料、新设备和先进传感技术、信息技术、控制技术、储能技术等新技术，形成的新一代电力系统，具有高度信息化、自动化、互动化等特征，可以更好地实现电网安全、可靠、经济、高效运行[3-5]。 　　随着智能电网关键技术的日益成熟，在电网的运行及控制方面，我国具有“统一调度”的社会主义体制优势和深厚的运行、维护技术积累，电网的调度能力及水准已达到国际一流水平。在发电环节能够将水能、潮汐能、风能及太阳能等可循环使用的可再生能源发电站连接并入传统的电网系统之中，在输电环节拥有超高压和特高压的直流、交流输电技术，在变电环节拥有以智能自动化、集成化、数字信息化为特点且处于国际领先地位的智能变电站，在配用电环节掌握了配电自动化系统技术、分布式电源接入与微电网技术等。2011年7月，坐落于上海南汇的柔性直流输电工程项目完成建设并正式开始运营；2013年7月，“德令哈50MW塔式太阳能热发电站一期10MW工程”并入青海电网，这是中国首座大规模应用的太阳能发电站，标志着中国自主研发的太阳能光热发电技术向商业化运行迈出坚实步伐，填补了中国没有太阳能光热电站并网发电的空白，为中国建设并发展大规模应用的商业化太阳能光热发电站提供了强力的技术支撑与示范引领；2014年7月，位于浙江舟山的五端柔性直流输电工程项目完成建设并投入使用，这标志着中国在柔性直流输电技术领域的又一大突破；2015年12月，厦门±320kV柔性直流输电示范工程正式投入运营，标志着中国在高压大容量直流输电技术上处于世界一流水平；2019年，国家电网辽宁电力有限公司围绕电网运行各个环节万物互联，制定多类型能源的实时协同控制策略，建立以水火电调节为主、电蓄热和电储能为辅、风光紧急调节的多能源协同发电控制系统。 　　世界各国的智能电网发展方向不尽相同，美国由于本国的能源消费量大，智能电网的建设注重对电力基础设施的升级改造和信息化建设。美国电力主干网对维持美国电能的持续稳定供应具有重要的现实意义。通过设备升级，进一步提高电网的输送能力，解决部分节点的阻塞问题。同时通过进行配套高速通信网络建设提高电力系统调度和管理水平。欧洲国家侧重进行智能电网的大规模风电并网研究。欧洲大多数国家的能源资源匮乏，智能电网建设必将进一步对欧洲新能源