0引言
實施智能電網發展戰略不僅能使用戶獲得高安全性、高可靠性、高質量、高效率和價格合理的電力供應,還能提高國家的能源安全,改善環境,推動可持續發展,同時能夠激勵市場不斷創新,從而提高國家的國際經濟競爭力。簡而言之,提高供電安全性、生態可持續性和經濟競爭力是智能電網的3個目標。
智能電網最本質的特點是:電力和信息的雙向流動性,并由此建立起一個高度自動化和廣泛分布的能量交換網絡;把分布式計算和通信的優勢引入電網,實現信息實時交換和達到設備層次上近乎瞬時的供需平衡。
未來的電網將由集成的電力網和通信網組成。電力網是靈活的、可重構的,且電所及之處均有可靠的雙向通信,由底層的智能網絡代理\\(INA\\)開始這兩張網高度融合。
微處理器歲月之前創建的集中規劃和控制的電力基礎設施,在很大程度上限制了電網的靈活性,失去了效率,致使在安全性、可靠性等幾個關鍵方面承擔著風險。所以智能電網是分布式智能的基礎設施[3]。以智能配電網為例,它被分成許多片\\(Cell\\),每個Cell中有許多由片內通信連接起來的INAs\\(如繼電保護、分布式電源\\(DER\\)等\\),這些代理能夠收集和交流系統信息,可以對局部控制作出自主決策\\(如繼電保護\\),也可以通過Cell中的配電快速仿真與建模\\(DFSM\\)協調做出決策\\(如電壓調節與無功優化、網絡重構\\);同時各片之間有通信聯系,由裝有DFSM的配電調度中心協調各片的決策;進而輸、配電調度中心之間也通過通信聯絡起來,裝有輸電快速仿真與建模\\(TFSM\\)的輸電調度中心,根據整個系統的要求協調決策,實現跨地理邊界和組織邊界的智能控制,使整個系統具有自愈功能和強抗擾能力。
在智能電網中由于能夠實時交換信息,使得大量分布式發電\\(含風能和太陽能等可再生能源發電[4-5]\\)和分布式儲能在電網中可以即插即用,進而還可參與運行優化;使得用戶中可平移負荷,可與電網友好合作\\(猶如虛擬電源\\),幫助電網實現需求側管理\\(如削峰填谷\\),并在緊急情況下支援電網運行。
通常把分布式發電、儲能和需求側管理統稱為DER。如何處理數以萬計的DER并應對風能和太陽能等可再生能源發電的間歇性、多變性和不確定性,同時確保電網的可靠性以及人身和設備安全,并激勵市場的問題已經歷史性地擺在面前。
智能電網要實現前述3個目標并具備前述的特點,所面臨的挑戰是極其廣泛的[6-7],涉及許多技術、體制和社會問題。在其發展的各個階段,從基礎科學和工程技術的研究直到開發、示范和運行都會出現障礙。厘清其發展過程中關鍵性的障礙,可以幫助明確如何才能使其最大限度地發揮潛能,從而為國家提供廣泛的社會和經濟效益[8]。本文試圖歸納智能電網關鍵的挑戰性問題[9-10]。
1基礎設施
由于更多的DER滲透在配電系統的基礎設施中,智能配電網需要新的靈活的可重構的網絡拓撲結構、新的保護方案、新的電壓控制和新的儀表,同時需要構建安全、開放的通信系統,以實現信息實時交換。在基礎設施擴展、升級和開發的過程中,挑戰性問題主要包括以下方面。
1\\)關于未來電網的典型網絡拓撲結構的構想還不夠清晰。
2\\)量測設施如智能電表、相量測量單元\\(PMU\\)等如何支持電網的規劃和運行仍然不確定,其安置原則和功用還需大力挖掘。
3\\)為了保證通信網絡有效覆蓋、高效服務和可靠傳輸,需要擴展適用于多互聯的通信基礎設施。
4\\)采用基于新技術的基礎設施,可能遇到經費、風險和運行人員知識不足等問題。
與此同時,為了進一步提高電網的靈活性,需要電力電子技術的新進展。
1\\)在未來高級智能配電網\\(互聯網形式的配電網\\)中,電力電子式的智能萬用變壓器\\(ITU\\)可能是最關鍵\\(Corner Stone\\)的設施。美國電力科學研究院\\(EPRI\\)正在引領15kV等級ITU系統的開發和示范[12],但至今尚無ITU的工程實際應用。
2\\)為了消納大規模的可再生能源發電和提高電力大系統的安全性與靈活性,期待經濟可靠的、高壓大容量的交直流靈活輸電技術,這同樣期待經濟可靠的新型電力電子器件與技術。
2標準和協議
智能電網的建設涉及多系統的融合、多種新技術的整合、多種能源及新型設備入網,通信、互操作、數據收集與管理等標準和協議的制定至關重要。因為標準化的缺乏會抑制各個運行單元\\(發電、輸電、配電和電力消費者\\)之間的數據\\(信息\\)交換,阻礙系統的完全優化,使系統效率降低。
目前,美國電氣和電子工程師協會\\(IEEE\\)致力于制定一套智能電網的標準和互通原則 \\(IEEE2030\\),主要包括電力工程、信息技術和互通協議等方面的標準和協議[13]。與此同時,國際電工委員會\\(IEC\\)[14]和美國國家標準與技術研究院\\(NIST\\)[15]也在為開發這些標準做出巨大努力。國內電網公司也為此做了大量工作,然而標準\\(尤其是互操作性標準\\)是需要由國家主持、開放式建立的,任務十分艱巨。需要補充說明以下兩點。
1\\)DER間“通信”和“互聯絡標準”的缺陷明顯,而且在同時使用著帶有不同通信能力的新的和遺留下來的技術的情況下,會讓標準化變得更棘手。
2\\)DER、負荷和電力公司之間缺乏適當通信是妨礙大規模整合DER的一個主要因素。DER同系統的互聯,在缺乏協調功能的情況下,只能以局部的和自治的方式運行。
3計算機網絡\\(賽博系統\\)
安全智能電網的諸多功能和應用需要依托信息通信技術\\(ICT\\)才能實現[16],而且為了涵蓋外部系統\\(智能交通等\\),ICT的范圍必將擴大,智能電網將是一個復雜大規模的賽博—物理系統\\(CPS\\)。計算機網絡開放、兼容和互聯,必然伴隨著風險,必須確保其安全,以保證信息的保密性、完整性和可用性。挑戰性問題如下[16]。
1\\)計算機網絡\\(賽博系統\\)物理\\(拓撲結構\\)設計方法、指標和分析工具。
2\\)同時考慮物理系統動態行為和基于信息技術建立的控制網絡運行特性的網絡安全風險綜合評估模型的構建。
3\\)期望中的智能電網是具有快速恢復能力的,可抵御外界對系統物理設施和信息網絡的侵襲。外界侵襲的方式和類型多種多樣,最大的挑戰在于:如何識別最具毀壞性的\\(對物理設施或信息網絡的\\)侵襲并對其做出快速有效的響應。這就需要可以抵御各種攻擊的安全監控與分析技術,如:應對攻擊的靈活控制技術、協調攻防技術、數據搜集及驗證技術等。
4運行和規劃模型
ICT以及數字化技術的發展對電網供電可靠性和電能質量提出了更高要求,需要新型實時工具輔助調度決策。挑戰性問題如下。
1\\)缺乏評估智能電網性能的模型和仿真工具。理想的模型應能綜合考慮計算機網絡基礎設施、市場乃至國家政策的影響,并可考慮同物理裝置的互聯。
2\\)缺乏改進調度決策的高保真預測分析能力,如在線超實時的what-if分析。鑒于大量滲入電網的DER具有不確定性,在高保真預測分析中對不確定性的計及,需要采用概率模型和隨機化的方法。
3\\)缺乏動態電價下負荷預測的概率模擬方法,這會阻礙同“需求—居民電價”彈性相關的模擬、分析和評估。
4\\)運行人員不能基于由動態數據所創生的正在變化的條件來調整決策邏輯和對新增加的電源選擇做出快速響應。
5\\)在DERs高滲透率情況下,系統的優化運行也是個重大的挑戰問題,需要創建適合于協調配電網決策的先進的控制系統結構\\(如分層分布式的電壓控制系統結構\\),它應該是可擴展的、可靠的和安全的。
6\\)評估智能電網行為的指標雖已有研究,但有待深入和細化,特別是與可再生能源發電和負荷不確定性、儲能的影響相關的指標和新的評估智能電網性能的指標,這些指標應該是可以計量的,并且可以指導運行與規劃決策。
需要補充說明的是:DFSM和TFSM組成了智能電網快速仿真與建模\\(FSM\\),為了能夠配合智能電網采用分布式智能體系結構的目標,FSM\\(包括屬性、功能、高層次需求框架等\\)與這里說的模型關系極為密切,其中一些模塊的開發面臨著同樣的挑戰性問題。
5負荷與電源計劃安排與調度電網
目前的運行能力不足以支持集成DERs情況下的電壓計劃安排和有功功率發電調度,以下問題不解決,當試圖接納大量DERs時,一定會出現重大的障礙。
1\\)在基于逆變器的可再生能源發電日益增加的趨勢下,電網兼容性標準需要做出很大改變,以實現對傳統發電和基于逆變器的可再生能源發電的同時管理。
2\\)智能電網發展的一個基本原則是所有利益相關人群均可受益,但現在是不能從DERs的發展中明顯受益的掌管能量平衡的實體在對DERs進行調度。
3\\)缺乏適用于接納DERs并能識別最優的負荷和電源平衡的好模型。
6儲能
美國前能源部部長、諾貝爾物理獎獲得者朱棣文于2014年3月初指出:儲能與太陽能相結合,在配電和發電領域的影響或可與當年互聯網所造成的顛覆性沖擊相媲美。然而,電網儲能還處于開發和配置的初期階段,而且由于現有儲能技術成本高和多功能性有限,還未被廣泛使用。挑戰性問題如下。
1\\)電網對儲能的需要\\(儲能的應用\\)是多方面的。包括:電能質量、電壓支持、旋轉儲備對頻繁變化的負荷進行負荷跟蹤、減輕配電阻塞、為可再生能源提供服務、平移負荷需求、用戶的用能管理等。依據儲能在電網中應用目的的不同,其能量補充和釋放的循環模式不同,缺乏可適應多種需要的儲能裝置,也難以對儲能進行評估,以致很難回答“什么儲能技術對智能電網是最適宜的?”
2\\)從可再生能源\\(離網和在網\\)使用的角度看,當前亟需開發高效、長壽命、可靠、價格合理和有較長放電持續時間的化學電池[5-18]。
7能源效率、需求響應和負荷控制
為了提高電網利用率,在不具備經濟可靠的儲能的條件下,需要開發高級配電市場,實現更具彈性的負荷需求特性,但這同時會使電網運行更加復雜和難以預測。為了實現有效的能量管理并達到設備層次上近乎瞬時的平衡,存在如下關鍵的挑戰性問題[19]。
1\\)為了實現有效的需求響應\\(DR\\)和客戶計劃,利益相關者將會要求數據的能見度。目前,缺乏充分可信的、大家共同接受的能源效率\\(EE\\)、DR和負荷控制\\(DLC\\)的評估、測量和證實方法。
2\\)必須確保信息的安全可靠。具體來講,需要保證信息的私密性\\(對負荷操作的保密\\)、真實完整性\\(確保所接收到的負荷操作的信號是正確的\\)、可用性\\(確保需要時已準備好\\)和訪問控制等。
3\\)電動汽車的充電功率和儲能量均很大,充放電時間的安排是否恰當直接關系到電網峰谷差的改善還是加劇,電網需要為大量電動汽車的接入提供市場與技術支持。需要補充說明的是,低電價\\(國內現實居民電價低是電價的扭曲\\)會降低需求響應和動態電價的意義:由于電價低致使投資回收不確定,影響DR的獲得和投資的不確定性。
8信息管理和數據共享
藉助于各裝置之間的通信,和即將配置的數以十億計的先進傳感器,將會獲得巨量數據。而且在一個被稱作“智能”的電網中,輸電網運行時使用的信息技術會和配電網運行中使用的信息技術一樣多。實質上,任何智能電網的命脈都是充分地挖掘數據和信息應用的潛力,而這些應用又反過來使開發新的和改進的運營策略成為可能。這就產生了如下挑戰性問題。
1\\)數據挖掘、分析、儲存和管理大數據集等方面的新挑戰,以便能為電網最優化、負載平衡、業務計劃和其他目的抽取有意義的信息。
2\\)伴隨數據庫的中央分享和數據使用信息逐年增加,數據集的兼容性將會繼續是一個問題。
3\\)在計及系統的安全性和可靠性、技術和成本的局限性條件下,合理地定義信息共享范圍和實時數據分享的指標\\(該指標顯示數據共享的程度\\)。但是測定數據的共享程度非常困難并且耗時嚴重,為此需要分層地定義一些數據分享的指標。譬如:在大型輸電網運營條件下的實時數據共享指標,這里實時是指運行更新的時間尺度在亞秒到幾分鐘范圍內變化。它不是在一個電力公司內的數據共享,也不是運行DER的數據共享。這個層次上的數據共享對電網的安全運行和防止連鎖停電至關重要。
4\\)各種層面上的信息壟斷與信息孤島將會成為大數據應用的嚴重障礙,與之相關的管理改革\\(change management\\)日益重要。
9態勢感知
對于電網運行人員和用戶而言,僅停留在信息管理和數據共享是不夠的,還要求數據的能見度\\(visibility\\),需要增強態勢感知 \\(situationalawareness\\)能力。有效的態勢感知應能幫助運行人員在數據/信息庫的基礎上,實時準確地掌握系統當前狀態并能預測系統的未來狀態,估算出可用于采取有效措施的時間并制定控制策略,以提供本質上實時的可控性,最終提高電網的自愈功能和抗擾能力,所面臨的挑戰性問題如下。
1\\)提供支持決策的有效分析工具\\(包括提供比實時還要快的預測分析\\),拓展感知的深度和廣度。即不僅能夠提供系統\\(當前和未來\\)的狀態及存在的問題,還應能提供問題的根源和有效解決方案,這里的“狀態”還應包括對DER等全新元素的感知結果,如DER的不確定性程度、性能、供電狀態等。
2\\)開發便于運行人員快速準確捕捉系統狀態\\(關鍵信息\\)的可視化技術。所謂“一幅圖勝過萬語千言”,進一步講,“一幅正確有效的圖勝過億語萬言”。需要緊緊圍繞運行人員的目標設計可視化界面,以保證可視化結果的正確有效性。
3\\)態勢感知是需要人機共同參與的認知過程,為了保證控制決策的實時有效性,在態勢分析、可視化界面設計等各個環節引入認知學方法\\(整合人的因素\\)十分必要,而如何整合人的因素并使人的積極作用最大化是一項極具挑戰性的課題。
需要補充說明以下兩點。
1\\)面向分布式智能體系結構,各個區域均應有輔助調度決策的態勢感知———這決定了各區域態勢感知功能存在差異性,同時還應開發有助于相互之間協調控制決策的共享可視化操作平臺\\(如引入Citrix技術\\)———這決定了各區域態勢感知需要相互協調。
2\\)上述態勢感知主要是針對運行人員而言的,然而在智能電網中用戶的角色發生了極大變化,對于大部分不具備電力專業知識的用戶而言,更應提高數據/信息的可觀測性,需要開發激勵和方便客戶參與及管理的可視化系統\\(如家庭能量管理系統\\)。
10市場設計
需要出臺旨在開放電力市場和激勵智能電網投資的新法規,具體包括以下幾個方面。
1\\)實施分時/實時電價,使“電能”作為一種商品的市場價值得到合理地體現。
2\\)制定鼓勵DER賣電回電網和作為后備電源使用的政策。
3\\)建立智能電網投資成本回收的政策。
需要補充說明的是:國內目前的費率結構和電力公司收入模型不是用來促進或捕捉分布式能源價值的。建立一個好的商務模型或商業案例極其重要,因為它們能為容量規劃和電網運行中的投資,以及DERs科學地發揮作用提供依據。
11法律框架和監管路徑
法律框架和監管在實施智能電網中是極其重要的,為此需要:研究制訂智能電網實施的實際步驟路線圖;通過監管為電力系統基礎設施和信息的使用創造公平的競爭環境;通過監管為促進電網擴建與升級的投資激勵采取措施。
12結語
最后需要說明的是:當對智能電網3個目標的側重點發生變化時,智能電網實施的路線圖也會不同,因而上述挑戰性問題的優先級也會略有變化。這里特別強調指出以下幾點。
1\\)計量科學和技術上的進步,以及標準的制定,將貫穿這些挑戰,并影響智能電網的各個方面。例如:缺乏標準和協議是實現系統優化和有效通信的障礙;缺乏適當的評估、量測和證實方法,制約有效利用EE、DR和DLC策略的能力;安全性\\(如電力系統概率的靜態和動態安全性評估\\)、電網性能以及規劃的測度\\(metrics\\)不充分、不一致或不存在。所有這些挑戰都具有較強的計量科學和技術的根源。因此,如果得到解決,就可能產生深遠的影響。為了加速智能電網的發展和收獲潛在的\\(能量的、經濟的、環境的和社會的\\)效益,這些無疑是至關重要的和需要優先研究的課題。
2\\)需要應對復雜的、多學科的工程挑戰。為了加快智能電網的創新,同時需要科學與工程兩個方面的進展。物理科學領域的科研人員和工程師需要與信息科學的同行密切合作,并使用共同的語言和協議,以確保獲得具有抗擾能力的、可行的設計。
3\\)法律框架和監管、市場設計以及管理改革,是智能電網成功實施并獲取應得效益的基本保障,需要國家層面的關注,也需要社會學家\\(含律師\\)與科技專家的密切合作。
