李鵬,劉成斌,姜濤,孔祥玉
(1.長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司,廣東深圳 518057;2.中國(guó)華能集團(tuán)江西分公司,江西南昌330029;3.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津 300072)
從智能電網(wǎng)概念的發(fā)展過程來看,到目前為止,智能電網(wǎng)還沒有一個(gè)統(tǒng)一、清晰的定義,仍處于初期研究階段[1]。但是各國(guó)專家對(duì)未來電網(wǎng)的特點(diǎn)已達(dá)成共識(shí),即自愈、安全、兼容、交互、協(xié)調(diào)、高效、優(yōu)質(zhì)、集成等[2-3]。只是由于發(fā)展環(huán)境和驅(qū)動(dòng)因素不同,各個(gè)國(guó)家的電網(wǎng)企業(yè)和組織都以自己方式構(gòu)建符合本國(guó)特色的智能電網(wǎng),在對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行研究和實(shí)踐時(shí),各國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展的思路、路徑和重點(diǎn)也各不相同[4-7]。
歐美發(fā)達(dá)國(guó)家由于各自的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)比較堅(jiān)強(qiáng),負(fù)荷增長(zhǎng)較為緩慢,因而這些國(guó)家更加重視用戶側(cè)和新能源的接入[2,7]。而中國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期,負(fù)荷增長(zhǎng)很快、能源分布極不均勻,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較薄弱且變化很快。因而研究的重點(diǎn)是加快建立特高壓骨干網(wǎng)架,運(yùn)用大量新技術(shù)提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平,為中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的電能。
本文結(jié)合中國(guó)實(shí)際,從特大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制、智能調(diào)度、大規(guī)模風(fēng)電的接入、分布式發(fā)電四個(gè)方面探討了智能電網(wǎng)環(huán)境下的電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析應(yīng)該重視的一些問題,并初步提出一些建議。
中國(guó)的智能電網(wǎng)研究與國(guó)外相比起步較晚,但目前已經(jīng)取得了各界的重視,并提出了自己的發(fā)展目標(biāo)和規(guī)劃。
2007年10月,華東電網(wǎng)正式啟動(dòng)了智能電網(wǎng)可行性研究項(xiàng)目,并規(guī)劃了從2008年至2030年的“三步走”戰(zhàn)略,即:在2010年初步建成電網(wǎng)高級(jí)調(diào)度中心,2020年全面建成具有初步智能特性的數(shù)字化電網(wǎng),2030年真正建成具有自愈能力的智能電網(wǎng)。該項(xiàng)目的啟動(dòng)標(biāo)志著中國(guó)開始進(jìn)入智能電網(wǎng)領(lǐng)域。
2009年2月28日,作為華北公司智能化電網(wǎng)建設(shè)的一部分——華北電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài)三位一體安全防御及全過程發(fā)電控制系統(tǒng)在京通過專家組的驗(yàn)收。這套系統(tǒng)首次將以往分散的能量管理系統(tǒng)、電網(wǎng)廣域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、在線穩(wěn)定分析預(yù)警系統(tǒng)高度集成,調(diào)度人員無需在不同系統(tǒng)和平臺(tái)間頻繁切換,便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)綜合運(yùn)行情況的全景監(jiān)視并獲取輔助決策支持。此外,該系統(tǒng)通過搭建并網(wǎng)電廠管理考核和輔助服務(wù)市場(chǎng)品質(zhì)分析平臺(tái),能有效提升調(diào)度部門對(duì)并網(wǎng)電廠管理的標(biāo)準(zhǔn)化和流程化水平。
2009年5月21日—22日,在“2009特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議”上,國(guó)家電網(wǎng)公司公布了中國(guó)特色智能電網(wǎng)內(nèi)涵的定義:“國(guó)家電網(wǎng)將立足自主創(chuàng)新,加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架,各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展,具有信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)?!辈⑻岢鲋悄茈娋W(wǎng)建設(shè)的3個(gè)階段,標(biāo)志著國(guó)家將大力推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)。
2010年6月29日,國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了《智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃》和《智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備(系統(tǒng))研制規(guī)劃》,并計(jì)劃在2012年—2015年對(duì)所需標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)充修訂,基本建成智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系。初步確定在電動(dòng)汽車、物聯(lián)網(wǎng)及傳感器、智能城市和大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)4個(gè)方面開展標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作。同時(shí)向國(guó)際電工組織(IEC)提出了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提案并獲批準(zhǔn),標(biāo)志著中國(guó)正式啟動(dòng)了智能電網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程,這些標(biāo)準(zhǔn)將在未來全球智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系中占據(jù)重要地位。
建設(shè)中國(guó)智能電網(wǎng)不能照搬美國(guó)及其他發(fā)達(dá)國(guó)家的模式,必須緊密結(jié)合國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)和能源分布特點(diǎn),以提高電力系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性,降低用戶的電費(fèi)支出并提高用戶側(cè)的電能質(zhì)量,同時(shí)提高能源的利用效率,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排為目標(biāo),從國(guó)家、電網(wǎng)公司和用戶三個(gè)角度闡述了智能電網(wǎng)的目標(biāo)。
中國(guó)智能電網(wǎng)的特征是信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化,簡(jiǎn)稱智能電網(wǎng)的“四化”。信息化就是各種實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息的高度集成、共享和利用;數(shù)字化就是電網(wǎng)對(duì)象、結(jié)構(gòu)及狀態(tài)的定量描述和各類信息的精確高效采集與傳輸;自動(dòng)化就是電網(wǎng)控制策略的自動(dòng)優(yōu)選、運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)控和故障狀態(tài)的自動(dòng)恢復(fù);互動(dòng)化就是電源、電網(wǎng)和用戶資源的友好互動(dòng)和協(xié)調(diào)運(yùn)行[5]。
智能電網(wǎng)由于其特性不同,給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制帶來了一定影響,也帶來一些新的內(nèi)容。下面就特大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析與控制、智能調(diào)度對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析軟件的要求、大規(guī)模風(fēng)電的接入、分布式發(fā)電4個(gè)方面來討論智能電網(wǎng)為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析帶來的一些新課題,并初步給出一些建議。
中國(guó)的智能電網(wǎng)首先就是要求加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架,根據(jù)超高壓電網(wǎng)形成的過程規(guī)律和特高壓輸電的作用,以及國(guó)家發(fā)電資源和負(fù)荷中心的地理分布特點(diǎn),建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架的國(guó)家電網(wǎng),是中國(guó)電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)選擇。根據(jù)規(guī)劃,截止2020年,華東、華中、華北將通過堅(jiān)強(qiáng)的交流特高壓網(wǎng)架相聯(lián)成特大同步電網(wǎng),蒙西、陜北、晉東南、內(nèi)蒙錫盟、寧夏和關(guān)中煤電基地將以交流特高壓分散接入到南北方向多條大通道上;四川水電經(jīng)交流特高壓通道向重慶、華中和華東輸送;淮南坑口電站和徐州坑口電站也接入特高壓輸電網(wǎng)架中間樞紐點(diǎn)上。同時(shí),大型水電和煤電基地超遠(yuǎn)距離送電還將采用特高壓直流輸電方式。屆時(shí),中國(guó)智能電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架將完全形成。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,電網(wǎng)潛在的破壞安全穩(wěn)定的事故也越來越多,控制系統(tǒng)也越來越復(fù)雜[8]。
根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)規(guī)劃,2020年前為特高壓建設(shè)的高峰期,也是形成特高壓電網(wǎng)的過渡期。在這期間,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化很快,潮流變化復(fù)雜,因而對(duì)特高壓電網(wǎng)過渡期間的電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析與控制的研究顯得尤為重要。安全穩(wěn)定控制策略的制定和協(xié)調(diào)十分復(fù)雜,需重視多饋入直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定特性及控制策略研究、特高壓交直流并列輸電的安全穩(wěn)定特性及控制策略研究、“三華”特大同步電網(wǎng)的安全穩(wěn)定特性及控制策略研究等。過渡期間電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化很快,在制定控制策略時(shí)應(yīng)考慮時(shí)空的協(xié)調(diào)。時(shí)間的協(xié)調(diào)就是指所制定的控制策略應(yīng)盡量滿足電網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的需求,已有的安全穩(wěn)定控制策略不做修改或僅做較小的修改就能滿足新電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的要求??臻g的協(xié)調(diào)就是指電氣距離相近的控制裝置間應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)化。
2020年特高壓交直流互聯(lián)特大電網(wǎng)形成以后,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,此時(shí)需將電網(wǎng)的第二道及第三道防線進(jìn)行統(tǒng)一的全面的優(yōu)化,而且考慮到智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化的實(shí)現(xiàn),可以利用的信息極多,通信通道也得到完善,制定控制策略時(shí)就可以充分利用這些特點(diǎn),使得各道防線間的優(yōu)化也成為可能。因而特大電網(wǎng)形成以后,各道防線的協(xié)調(diào)優(yōu)化將是一個(gè)非常重要的研究課題。
智能調(diào)度是智能電網(wǎng)的最重要組成部分,也是最復(fù)雜的部分。文獻(xiàn)[10]強(qiáng)調(diào)隨著智能電網(wǎng)“四化”的完善,所有的電氣量信息、保護(hù)、調(diào)節(jié)和控制裝置的定值和實(shí)際狀態(tài)信息、電廠信息、用戶信息將實(shí)時(shí)傳送至調(diào)度平臺(tái)。僅憑調(diào)度人員在海量的信息中發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)將十分困難,因而需要強(qiáng)大的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析軟件,來處理這些信息并將結(jié)果方便的顯示出來,便于運(yùn)行人員分析和決策,為智能調(diào)度服務(wù)。這些都對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析和預(yù)防控制軟件提出新的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[11]指出智能調(diào)度是一個(gè)高度實(shí)時(shí)智能在線、高度感知可視化、高度一體化協(xié)調(diào)控制的電網(wǎng)調(diào)度體系。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為智能電網(wǎng)控制中心應(yīng)在時(shí)間、空間、控制目標(biāo)等3個(gè)方面進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。因此,與傳統(tǒng)的安全穩(wěn)定分析軟件相比,智能電網(wǎng)環(huán)境下的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與預(yù)防控制軟件系統(tǒng)還應(yīng)該具有以下功能:
1)進(jìn)行量化分析,給出各種狀態(tài)的安全穩(wěn)定裕度。
2)快速的篩選、處理、分析大量的數(shù)據(jù),滿足在線分析的需求。
3)動(dòng)態(tài)監(jiān)視電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài),并提供各種直觀、準(zhǔn)確、方便的可視化表現(xiàn)手段。
4)發(fā)現(xiàn)各種潛在的安全威脅,提供各種安全威脅發(fā)生后的控制策略和控制后的安全穩(wěn)定裕度。
5)在線監(jiān)視和分析低頻振蕩,實(shí)時(shí)監(jiān)控振蕩模式的變化。
6)對(duì)電網(wǎng)的各種擾動(dòng)精確的識(shí)別。
7)具有自動(dòng)調(diào)整和優(yōu)化功能,當(dāng)監(jiān)測(cè)到一個(gè)運(yùn)行方式穩(wěn)定裕度過低時(shí),能自動(dòng)地做出調(diào)整使穩(wěn)定裕度更高,并將調(diào)整過程和結(jié)果顯示給調(diào)度人員。
嚴(yán)格地說,風(fēng)力發(fā)電也屬于分布式發(fā)電。但中國(guó)將要建設(shè)的是千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地,單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般的分布式發(fā)電,獨(dú)具特性,因而有必要將大規(guī)模風(fēng)電單獨(dú)討論。
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以其無污染、施工周期短、投資靈活、占地少、造價(jià)低等特點(diǎn),受到世界各國(guó)的高度重視。國(guó)家也加大了對(duì)風(fēng)力發(fā)電的重視,智能電網(wǎng)更是大力提倡新能源尤其風(fēng)力發(fā)電。據(jù)中投顧問能源行業(yè)研究部最新數(shù)據(jù)分析顯示,截止2008年底,中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1 221萬kW,已占全球總裝機(jī)的10%,名列全球第四,見圖1。僅2008年,中國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量就達(dá)630萬kW,新增量位列全球第二,僅次于美國(guó)的838萬kW。根據(jù)規(guī)劃,國(guó)家將在甘肅酒泉、江蘇沿海和內(nèi)蒙古等地建設(shè)若干個(gè)千萬千瓦基地,打造“風(fēng)電三峽工程”。目前,甘肅酒泉地區(qū)千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地建設(shè)已全面啟動(dòng),內(nèi)蒙古、河北、新疆、江蘇沿海等千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地的規(guī)劃工作也已相繼展開。
圖1 風(fēng)電總裝機(jī)容量前十位國(guó)家Fig.1 The top ten countries in terms of the total installed capacity of wind power
由于風(fēng)電機(jī)組出力的不穩(wěn)定性和目前的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)還不夠堅(jiān)強(qiáng),大規(guī)模風(fēng)電的接入給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn),也極大地制約了大規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng)。大規(guī)模風(fēng)電的接入給電網(wǎng)帶來的影響主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面[13-16]:
2.3.1 局部性問題
當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)接入風(fēng)電后,其電能質(zhì)量會(huì)惡化甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,針對(duì)該問題可以采取的措施有:
1)詳細(xì)建立各類風(fēng)電機(jī)組的模型,分析其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,進(jìn)而對(duì)某個(gè)特定的風(fēng)電場(chǎng)制定合適的建模方法(是以單個(gè)風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象還是以風(fēng)電場(chǎng)這個(gè)整體為對(duì)象來建模),分析風(fēng)電場(chǎng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,從而為風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償?shù)呐渲锰峁┮罁?jù),選擇合適的無功補(bǔ)償方式和補(bǔ)償量。
2)考慮采用輕型直流輸電(VSC-HVDC)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)。輕型直流輸電對(duì)交流電壓的控制能力很強(qiáng),風(fēng)流發(fā)生變化時(shí),能夠采取一定的控制策略將電壓穩(wěn)定在常數(shù)值;輕型直流輸電還能夠很方便地滿足新機(jī)組的加入。
2.3.2 全局性問題
某一區(qū)域電網(wǎng)接入風(fēng)電過多后,會(huì)給調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)度方面帶來困難。
針對(duì)該問題可以采取的措施有:
1)加快建設(shè)合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu),合理的電源構(gòu)成,改善風(fēng)電并網(wǎng)的外部環(huán)境。
2)盡快掌握預(yù)測(cè)風(fēng)力大小的方法,建立完整的區(qū)域測(cè)風(fēng)網(wǎng)絡(luò),提高風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)精度,提前精確地預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間的風(fēng)電出力,為對(duì)電網(wǎng)內(nèi)其他機(jī)組的出力進(jìn)行合理調(diào)配提供依據(jù)。
智能電網(wǎng)將容許各種不同類型的發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠方便的接入系統(tǒng),各種不同容量的分布式發(fā)電(如光伏發(fā)電、小容量風(fēng)電、小水電)和儲(chǔ)能系統(tǒng)(如先進(jìn)的電池系統(tǒng)、蓄能式混合動(dòng)力交通工具和燃料電池)在所有的電壓等級(jí)上都可以互聯(lián),實(shí)現(xiàn)“即插即用”。文獻(xiàn)[17]指出了分布發(fā)電的特點(diǎn):一是安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保是供電安全防護(hù)和應(yīng)急處理的理想設(shè)施;二是投資少、回收快。商業(yè)用戶可以安裝自己的發(fā)電設(shè)備(包括高效熱電聯(lián)產(chǎn)裝置)和電力儲(chǔ)能設(shè)施將更加容易和更加有利可圖。文獻(xiàn)[18]認(rèn)為在智能電網(wǎng)的發(fā)展過程中,配電網(wǎng)需要從被動(dòng)式的網(wǎng)絡(luò)向主動(dòng)式的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變,這種網(wǎng)絡(luò)利于分布式發(fā)電的參與,能更有效地連接發(fā)電側(cè)和用戶側(cè),使得雙方都能實(shí)時(shí)地參與電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。各種各樣的分布式電源的接入一方面減少對(duì)外來能源的依賴,另一方面提高供電可靠性,特別是對(duì)應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)和恐怖襲擊具有重要的意義。但是,大量的此類分布式電源對(duì)電網(wǎng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn),也對(duì)地區(qū)系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制帶來極大困難。
國(guó)內(nèi)外對(duì)分布式發(fā)電已有很多研究,并取得相應(yīng)成果,但大都是討論分布式電源的定義、分類、優(yōu)缺點(diǎn)、并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、單個(gè)電源給電網(wǎng)帶來的影響及控制策略[19-20],而對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析帶來的影響卻很少討論。
目前,分布式發(fā)電接入系統(tǒng)的容量較小,對(duì)系統(tǒng)的影響也較小。但是隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,電網(wǎng)公司對(duì)環(huán)境、輸電經(jīng)濟(jì)性和可靠性的重視,分布式發(fā)電必然在智能電網(wǎng)中占有越來越重要的地位,分布式發(fā)電的容量也將越來越大。當(dāng)某個(gè)地區(qū)含有較多的分布式發(fā)電時(shí),對(duì)該地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行安全穩(wěn)定分析時(shí)就必須考慮這些大量分布式發(fā)電的影響。因而需要對(duì)以下問題做進(jìn)一步的研究:
1)對(duì)各類分布式電源的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)做進(jìn)一步研究。
2)對(duì)各類分布式電源的建模方法、參數(shù)選取做進(jìn)一步研究。
3)分析各類分布式電源的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
4)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)中的大量分布式電源的等值方法進(jìn)行研究。
智能電網(wǎng)作為當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展的最新趨勢(shì),與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比具有其獨(dú)特的性能和特點(diǎn),其安全穩(wěn)定分析與控制的內(nèi)容將更加寬廣而復(fù)雜,而且可以利用的信息也將更多。本文首先分析了中國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展、目標(biāo)和特征,然后結(jié)合特大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析與控制、智能調(diào)度對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析軟件的要求、大規(guī)模風(fēng)電的接入、分布式發(fā)電4個(gè)方面討論了智能電網(wǎng)給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制帶來的影響。主要結(jié)論如下:
1)描述了中國(guó)智能電網(wǎng)要求下特高壓網(wǎng)架的規(guī)劃情況,指出了特高壓網(wǎng)架過渡期間及形成以后,特大電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析與控制幾個(gè)重要課題并指出應(yīng)該注意的一些問題。
2)指出了智能調(diào)度系統(tǒng)中的在線安全穩(wěn)定與預(yù)防控制軟件系統(tǒng)應(yīng)該具有的一些重要功能。
3)指出了智能電網(wǎng)環(huán)境下大規(guī)模風(fēng)電的接入對(duì)系統(tǒng)的兩個(gè)方面影響,并對(duì)每種影響提出了一些解決思路。
4)指出了智能電網(wǎng)環(huán)境下,大量分布式發(fā)電接入系統(tǒng)后對(duì)地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析與控制的影響,列出了幾點(diǎn)研究方向。
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