智能电网系统研究.docx
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智能电网系统研究
智能电网综合研究报告
2009-10
概述1
1发电环节2
1.1国内外现状2
1.2发展趋势4
1.3主要研发装备5
1.3.1常规发电5
A）发电厂快速并入高压网装置5
B）梯级水电站群经济运行优化调度控制平台5
C）水电机组设备状态监测与故障分析系统5
D）火电机组次同步振荡抑制装置5
1.3.2大规模可再生能源6
A）大规模间歇式电源有功/无功功率控制装置6
B）间歇式电源发电功率预测与协调控制系统6
C）风电场/风电机组故障穿越控制装置6
D）风光储联合电站一体化智能监控系统（SCADA）7
E）风电机组控制系统接入导则符合性检测平台7
F）兆瓦级光伏并网逆变器7
G）大规模间歇式电源接入网源协调控制7
H）兆瓦级垂直轴风力发电机组控制系统8
1.3.3大规模储能8
A）大型抽水蓄能电站智能调度运行控制系统8
B）大容量化学电池模块化集成系统8
C）大容量化学电池储能系统能量转换装置8
D）大容量化学电池储能装置综合能量管理系统9
E）集成储能的间歇式能源功率平滑调节装置9
2输电环节10
2.1国内外现状10
2.2发展趋势11
2.3主要研发装备12
2.3.1提升特高压输送能力关键技术12
A）大容量（1500MVA）及升压特高压交流变压器研制12
B）1100kV、63kA大容量开关设备研制及关键技术研究12
C）特高压紧凑化线路关键技术12
D）±1000kV特高压设备关键技术研究12
2.3.2输电线路状态监测装置12
A）输电线路导线运行状态集成监测装置12
B）输电线路气象在线监测装置12
C）输电线路视频/图像监控装置13
D）输电线路杆塔集成监测装置13
E）电缆状态监测装置13
F）车载移动式输电线路电磁环境智能监测系统13
2.3.3输电线路状态监测中心系统13
2.3.4柔性交流输电关键设备14
A）静止无功补偿器（SVC）14
B）可控并联电抗器（CSR）14
C）静止同步补偿器（STATCOM）15
D）串补/可控串补（FSC/TCSC）15
E）故障电流限制器（FCL）15
F）静止同步串联补偿器（SSSC）15
G）统一潮流控制器（UPFC）15
2.3.5柔性直流输电关键设备15
A）柔性直流输电换流阀15
B）柔性直流输电换流站16
C）柔性直流输电用电缆16
D）多端柔性直流输电网控制系统16
2.3.6高压直流输电关键设备16
A）高压直流输电换流阀16
B）直流场关键设备16
2.3.7新型输电技术16
A）半波长输电技术16
B）新型直流输电技术17
3变电环节18
3.1国内外现状18
3.2发展趋势19
3.3主要研发装备20
3.3.1设备层关键设备21
A）智能组件21
B）电子式互感器21
C）合并单元22
D）测控装置22
E）保护测控一体化装置22
F）数字式保护装置22
G）间隙式能源发电接入电网保护装置23
3.3.2系统层关键设备23
A）基于统一信息平台的一体化监控系统23
B）远动终端24
C）时间同步系统24
D）网络安全及网络在线监视设备24
E）数据和事件记录装置24
F）基于信息共享的站域控制继电保护24
G）基于信息共享的广域控制继电保护24
H）基于广域信息的电网故障定位系统25
3.3.3建设运行技术支持关键设备25
A）组态和系统调试工具25
B）多态遥视、巡检和消防系统25
C）二次设备在线自动校验和预警系统25
D）变电站数字化装置调试试验设备25
E）变电站数字化装置测试检验评估设备25
4配电环节26
4.1国内外现状26
4.2发展趋势28
4.3主要研发装备29
4.3.1智能配电设备30
A）少维护金属封闭开关设备30
B）环保型环网柜30
C）环保智能化柱上开关30
D）智能配电网保护测控一体化装置30
E）智能配变监测终端30
F）复合电能质量控制器30
G）高效节能配电变压器31
H）集成智能配电站31
4.3.2配电自动化与配网规划31
A）配电自动化系统31
B）配电网调控一体智能技术支持系统31
C）智能配电网规划计算机辅助决策系统31
4.3.3分布式电源和微网控制、保护及接入32
A）分布式供电系统标准化换流装置及电能控制装置32
B）分布式供电系统及微电网电能质量治理装备32
C）分布式供电系统微机保护装置32
D）大容量、高可靠快速切换固态开关32
E）高温超导储能装置32
F）超级电容器储能装置33
G）飞轮储能装置33
5用电环节34
5.1国内外现状34
5.2发展趋势37
5.3主要研发装备39
5.3.1用电信息采集39
A）用电信息采集专用芯片39
B）智能电能表39
C）用电信息采集终端设备39
D）用电信息采集系统主站软件39
5.3.2智能用电小区40
A）智能家电40
B）智能插座40
C）居民家用分布式电源及储能管理系统40
D）居民用电交互终端41
E）智能用电小区用电服务系统41
5.3.3智能大用户服务41
A）客户侧分布式电源及储能管理系统41
B）大用户交互终端42
C）智能楼宇用电服务系统42
D）大用户智能需求侧管理系统42
5.3.4电动汽车充放电42
A）电动汽车充放电设备42
B）电动汽车充放电管理系统42
5.3.5智能营业厅43
A）停电管理系统43
B）客户服务门户网站43
C）95598客户服务系统43
D）自助用电服务终端及系统43
E）用户用能服务系统44
5.3.6智能用电检测装备44
A）智能用电技术检测设备44
B）高级计量管理系统44
C）便携式智能用电交互终端维护仪44
6调度环节45
6.1国内外现状45
6.2发展趋势46
6.3重点发展装备46
6.3.1基础平台46
6.3.2实时监控与预警47
6.3.3调度计划48
6.3.4安全校核48
6.3.5调度管理49
7通信信息平台50
7.1国内外现状50
7.2发展趋势52
7.3主要研发装备54
7.3.1骨干传输网建设和完善54
A）电力专用智能化光传输系统54
B）电力通信加密装置54
C）面向智能变电站应用的系列化工业以太网交换机54
7.3.2配电和用电环节通信网建设54
A）智能配用电一体化通信系统及无源光网络等核心通信设备55
B）电力专用通信控制芯片55
C）智能家庭网络（HAN）通信设备55
D）中高压电力线载波通信设备55
E）低压电力线载波通信设备55
F）配电工频通信设备55
G）电力无线宽带通信网56
H）智能电网的物联网关键通信设备及系统56
7.3.3通信支撑网建设和优化56
A）全网时间统一系统56
B）统一电力通信网络智能化管理系统56
7.3.4信息化基础设施56
A）智能电网信息采集与数据交换平台57
B）智能电网信息应用集成平台57
C）智能电网基础应用开发平台57
D）实时数据库管理系统及套件57
E）嵌入式系统平台57
7.3.5信息安全与运维58
A）信息安全接入平台58
B）安全移动作业终端58
C）智能电网网络信任平台58
D）新一代信息网络隔离装置58
E）信息安全等级保护合规性管理平台58
F）一体化信息系统监管运维平台59
G）大型关键智能应用系统灾备系统59
7.3.6信息系统与高级应用59
A）电网信息一体化综合展现平台59
B）综合辅助决策分析模型及分析系统59
C）地理信息与空间服务平台（GIS）59
一、概述
建设智能电网是电网领域的一次技术革命，是在研究先进输电技术的基础上，依靠现代先进通信技术、信息技术、设备制造技术，在发电、输电、变电、配电、用电及运行控制各环节，实现全面的技术跨越。
关键设备的研制和有效应用是全面建设智能电网的基础和前提，关键设备的技术突破是检验智能电网达到国际领先水平的重要标志。
国家电力公司2009年中即提出：
建设统一坚强智能电网的阶段性目标是：
2010年前，完成发展规划的制订，开展关键技术设备研发和试点工作；到2015年，在关键技术和设备上实现重大突破和广泛应用。
并在09年11月制定了《智能电网关键设备（系统）研制规划》，与智能电网建设项目计划、标准体系规划、关键技术研究框架等共同组成智能化规划的核心内容。
国家“十二五”863计划电网发展战略中也将“以建设统一坚强智能化电网为核心，围绕解决支撑智能电网的重大核心技术问题，开展关键技术攻关，研制智能化输电、变电与配电装备，开发智能电网控制系统，建设具有国际领先水平的智能电网示范工程”作为目标。
以下将结合国网和科技部的相关文件，针对智能电网建设的六个环节和通信信息平台，对十二五期间二者重点研究支持的装备作一探讨。
1发电环节
1.1国内外现状
常规发电
国外目前对于发电厂快速并入高压网装置与调速器、励磁控制系统相互协调控制技术的研究已经成熟，具备可靠、抗干扰能力强、精度高、自诊断技术先进等特点；在过去几年中，基于分层分区控制技术的二/三次无功电压自动控制AVC技术在法国和意大利等欧洲电网得到应用，并取得明显的控制效果；火电机组次同步振荡抑制装置SSO方面，国外开展研究也比较早并有多种相关产品投入工程应用；国外先进国家的水电厂自动化系统可靠性高但自动化设备发展缓慢，目前在我国国际招标项目中不再有竞争优势。
在梯级水电站群经济运行领域中，国外经过多年研究和发展，理论严谨，算法成熟，软件实用性强，商品化程度高。
我国电网目前已对常规电源实现了发电机励磁、调速系统、分散控制系统（DCS）等装备的信息化、自动化；控制参数基本满足可观测和在线可调的要求，但国产化水平有待提高。
国内水电厂自动化系统监控软件在高级功能数据分析、辅助决策方面也强于ABB、西门子、维奥等国外公司。
大规模可再生能源
国外风电发达国家大多在电网运行导则中对风电参与调频和调压进行了规定，已将风电纳入电网调度系统。
国外企业经过多年发展，依靠风电技术领域的垄断地位和完善的试验手段，已将风机整机控制系统，包括大功率变流器、主控系统、变桨系统作为标准产品为大型风电系统配套，基本占据了国内的市场。
国外在风电场接入电网的相关标准、测试方法以及测试设备方面已经开展了较长时间的研究，并完成了测试条件的建设。
在风电机组低电压穿越的实现技术方面，国外也起步较早，目前主流的双馈、直驱风电机组大多具备了低电压穿越能力。
我国近年来风电机组制造水平取得了较大进步，但运行特性尚不满足大规模风电接入电网的要求，与国际水平尚有一定差距。
在光伏发电的预测方面，国内外的研究都处于起步阶段，但尚未有成熟的实践应用。
目前在风光储联合发电站方面，国内外均缺乏成熟的研究成果和实践经验。
光伏发电并网技术我国也处于起步阶段。
大规模储能
世界发达国家电网调峰能力强，快速调节电源比例很高。
美国和西欧经济发达国家抽水蓄能机组容量占世界抽水蓄能总装机容量的55%以上，日本则在最大容量、最高水头等方面一直居世界最高水平。
但在抽水蓄能电站控制及保护技术方面，国外基本都是在常规水/火电监控系统上增加一些功能模块、软件控制流程、配置个别特殊的保护装置，后期没有太多的发展。
当前抽水蓄能机组调速器一般具有事故备用、黑启动等辅助服务功能，可以在出现突发状况时进行快速响应。
但国内外对抽水蓄能机组这些辅助功能的可靠性、智能性研究较少。
我国目前250MW以下的抽蓄机组监控、励磁、调速、保护及自动化系统国产化达到一定水平，抽水蓄能抽水与发电联合经济运行控制技术研究尚处在起步阶段；250MW及以上设备国产化在国内尚属空白。
目前全国已建在建的大型抽水蓄能电站中，主机及相关配套设备绝大部分都是引进国外设备，主要有法国ALSTOM公司、奥地利维奥公司、法国CEGELEC公司等。
尽管压缩空气储能的储存效率略高于抽水蓄能，但它需要相当巨大的地下储气洞，受到地质条件的限制，还需要配以天然气或油等非可再生一次能源，技术上较复杂，目前只有德国、美国、日本和以色列建成过示范性压缩空气储能电站。
近年来，日本在钠硫电池和液流电池的研究和开发中处于领先地位，并已有较成熟的商业化产品。
截止2008年底，采用NGK公司钠硫电池作为储能系统的示范项目共有200个，总容量达到270MW；住友在日本本土共开展了16个全钒液流电池储能示范项目或商业运行项目，分别用于调峰、电源应急以及平稳风电的示范应用。
美国电科院（EPRI）在2008年已经进行了锂离子电池系统的相关测试工作，在2009年的储能项目研究规划中，将开展锂离子电池用于分布式储能的研究和开发，包括2kW/4kWh，50kW/200kWh，100kW/400kWh的锂离子电池储能系统；同时，美国电科院在2009年还将开展兆瓦级（1MW）锂离子电池储能系统的示范应用，主要用于电力系统的频率和电压控制以及平滑风电功率波动等。
我国储能技术的研究还处于起步阶段，国内还没有大容量储能装置的示范工程。
大容量化学电池储能方面，在原理样机、关键材料等方面取得了一定的突破。
目前已经成功研制出650AH钠硫电池单体，连续工作时间近8个月，达到230次循环，表现出较良好的循环稳定性。
中国电力科学研究院与中科院大连化学物理所合作已建成国内最大的100kW/200kWh的全钒液流电池系统。
比亚迪公司新近研制出了200kW/800kWh的储能系统样机，目前正在着手开展1MW/4MWh储能系统样机的研制。
1.2发展趋势
常规发电
为了提升发电厂的安全稳定经济运行水平、机组的可测可控可调性，并最终实现并网接入快速化、安全化、标准化和智能化，需要研制发电厂快速并入高压网装置；随着流域开发的迅速发展，为了节能发电，优化调度，需要研制梯级水电站群经济运行优化调度控制平台，解决工程实用化问题；为了降低常规电源的运营成本，为机组的安全运行、优化调度和检修指导提供有力的技术支持，需要研制大型水电站机组设备状态监测与故障分析系统；随着我国串补输电工程、高压直流输电工程不断增多，FACTS设备、风力发电等的不断发展，次同步振荡抑制问题更加突出，迫切需要进行次同步振荡抑制装置研制。
大规模可再生能源
为了解决风电、太阳能等新能源发电标准化接入，功率预测以及运行控制技术等问题，实现大规模风电、光伏等新能源的科学合理利用，全面实行节能发电调度，促进电力工业的节能、环保、和谐和可持续发展，大规模间歇式电源接入的有功/无功功率控制系统、风光储联合电站一体化智能监控系统、兆瓦级光伏并网逆变器、间歇式电源发电功率预测与协调控制系统、风电场/风电机组低电压穿越控制装置、风电机组控制系统接入导则符合性检测平台,间歇式电源网源协调装置等成为研究重点。
针对我国电网调峰能力不够，大型抽水蓄能电站监控、调速、励磁、静止变频启动控制技术不成熟的实际情况，迫切需要实现大型抽水蓄能运行控制技术，研制大型抽水蓄能电站智能调度运行控制系统，充分提高我国电网负荷调节能力和经济运行能力，保障我国电网安全稳定优质经济运行。
大规模储能
大规模化学电池储能、超导储能等虽然在关键材料和原理样机等方面虽然取得了一定的突破，但总体来说还处于起步阶段，特别是普遍欠缺大规模储能装置工程应用的经验；需要研制大容量化学电池模块化集成系统、大容量化学电池储能装置综合能量管理系统。
在储能元件制造技术方面，虽然有一定的基础，但研究的规模、深度和实用化程度方面距国外先进水平差距不小。
在能量转换系统方面虽然没有技术障碍，但是大容量换流器的模块化、级联及控制保护等技术还不是十分成熟，而且其中的关键器件仍然依赖进口；需要研制大容量化学电池储能系统能量转换装置和管理系统。
1.3主要研发装备
1.3.1常规发电
A）发电厂快速并入高压网装置
研制内容：
实现快速并网过程中设备的安全性、容错性、可靠性；研究发电机组并入高压网前的运行规律，实现发电机组相角差和电压在合格区时准确、快速地并入高压网；实现与调速器、励磁控制系统相互协调配合技术；实现录波功能、调试校验功能、通讯功能、相位表功能以及断路器合闸导前时间测量等功能。
B）梯级水电站群经济运行优化调度控制平台
研制内容：
研制安全性高、实时性强、经济性好的具有自主知识产权的梯级水电站群智能优化调度控制系统，实现梯级水电站群智能优化调度工程实用化的数学模型及求解算法；考虑水库蓄水效益和防灾弃水风险之间的关系以及当前时段决策对未来时段余留效益的影响；考虑梯级水电站群经济运行与梯级水电站群水库中长期优化调度、梯级水电站群竞价上网决策系统以及未来可能推出的电力期货市场之间的关系；实现梯级水电站群综合调峰能力提高技术。
C）水电机组设备状态监测与故障分析系统
研制内容：
研究大型水电机组和抽水蓄能机组与电厂关键设备运行特点，及其在导致设备进入非稳定状态或故障状态前可能出现的预兆；研制模块化的电厂主设备状态监测装置；研究系统结构及功能分配；研究信号提取、识别及预测技术；研究数据智能存储策略；研究故障诊断的机理与策略。
研制大机组状态监测与故障诊断系统。
D）火电机组次同步振荡抑制装置
研制内容：
实现次同步振荡抑制装置测量技术；实现次同步振荡抑制装置的参数整定，使得在系统多种工况下能收到综合最佳阻尼控制效果；实现次同步振荡抑制装置的保护策略、安全策略、多机之间协调策略；实现次同步振荡建模、仿真、测试技术。
1.3.2大规模可再生能源
A）大规模间歇式电源有功/无功功率控制装置
研制内容：
研制风电场和光伏电站有功及频率控制装置。
研究考虑风电机组/光伏组件功率调节范围约束下的风电场/光伏电站有功控制策略和有功调节技术；实现有功调节控制技术。
研制风电场和光伏电站无功功率控制装置。
实现风电场和光伏电站接入无功补偿控制技术，实现通过实时调节风电场和光伏电站内各台机组无功出力维持电站电压无功水平的技术。
开展风电场/光伏电站有功/无功功率控制装置示范应用。
B）间歇式电源发电功率预测与协调控制系统
研制内容：
建立统一的风电场、太阳能发电功率预测与优化调度系统，主要任务有：
1）设计风力发电、太阳能发电与调度系统的接口；
2）编制包含风力发电、太阳能发电优化调度方案；
3）实现风力发电、太阳能发电等预测功能；
4）开发并实现具有统一接口的包含风力发电、太阳能发电出力预测的优化调度系统。
C）风电场/风电机组故障穿越控制装置
研制内容：
1）建立各种电网故障条件下产生的低电压、过电压、频率越限、不对称负荷等故障或事故下对风电场影响以及风电场的故障响应特性对电网安全稳定影响的分析模型；
2）构建风电场/风电机组故障穿越性能与故障穿越指标及低电压穿越装置的硬件拓扑结构；
3）建立故障穿越的试验测试环境，研制大型双馈风电机组的故障穿越装置；
4）制订风电场和风电机组故障穿越技术指标和规范。
D）风光储联合电站一体化智能监控系统（SCADA）
研制内容：
研究风光储一体化综合SCADA技术，包括基于IEC61400-25规约的风电场监控通信技术，大规模光伏电站SCADA技术，储能系统的SCADA技术；实现风光储示范电站与电网的信息交互技术，制定与电网的通信规约；实现风光储示范电站与风力预报系统、光照度预测系统的信息交互技术；实现风光储一体化电站的综合数据库平台、通信控制系统；实现基于分层分布构架的包含风电场、光伏电站、储能系统以及变电站的一体化综合SCADA方案；研制风光储联合示范电站的综合SCADA系统。
E）风电机组控制系统接入导则符合性检测平台
研制内容：
1）建设满足风电场接入导则的检测平台试验电网和电网故障试验设备；
2）建立符合当前主流机型的双馈和直驱风电机组的控制系统联调检测平台；
3）建设符合风轮机特性的模拟试验平台；
4）建设风电机组大功率变流器的有功和无功调节及低电压穿越等检测平台；
5）研究符合电网接入导则的风电机组控制系统检测规范。
F）兆瓦级光伏并网逆变器
研制内容：
研究光伏逆变器并网特性，研制MW光伏并网逆变器；开展现场示范运行；掌握光伏逆变器并网特性测试方法、接入技术导则的测试方法。
制定光伏并网逆变器并网规范。
研究光伏并网系统有功出力以及出力变化率控制的技术；研究利用光伏逆变器无功能力进行接入点电压动态调节的技术；研究逆变器对接入点的谐波污染、光伏电站的出力变化引起的接入点电压波动等电能质量问题以及抑制方法。
G）大规模间歇式电源接入网源协调控制
研制内容：
实现考虑电网、电站和机组安全约束下的风电场/光伏电站AGC数学模型和求解算法；实现风电场、光伏电站有功和无功控制装置与电网调度AGC协调控制技术；实现风电场、光伏电站与机组一次调频协调控制技术；实现电网事故涉及送出系统时风电场、光伏电站协助电网调度智能应急事故处理技术。
实现考虑电网、电站和机组安全约束的风电场、光伏电站无功控制与无功补偿优化配置；实现常规电站与风电场、光伏电站协调控制技术。
H）兆瓦级垂直轴风力发电机组控制系统
研制内容：
研究兆瓦级垂直轴控制技术，研制兆瓦级垂直轴风力发电机组的变流器，重点解决垂直轴风电机组的变速恒频控制技术。
研制垂直轴桨叶调节控制装置。
研制垂直轴风力发电机组主控系统。
1.3.3大规模储能
A）大型抽水蓄能电站智能调度运行控制系统
研制内容：
研制大型抽水蓄能电站现地单元控制装置；研究抽水蓄能电站各工况状态定义、转换控制流程、启动条件、事故停机流程；研究大型抽水蓄能电站各LCU间信息交换技术；实现可视化展示技术；实现运行设备仿真技术；实现厂网协调控制技术；研制大型抽水蓄能电站监控系统。
考虑到在智能电网作用下对节能发电调度体系的要求，从抽水蓄能电站自身特点出发，实现抽水蓄能电站优化调度工程实用化的控制目标、数学模型及其求解方法，综合考虑抽水蓄能电站的静态经济效益和动态经济效益的最大化。
建立抽水蓄能电站智能调度运行控制系统设计、调试、现场试验、验收、并网运行相关规范和标准。
B）大容量化学电池模块化集成系统
研制内容：
开展钠硫、液流和锂离子电池核心部件和关键生产设备的研发，开展电池组串并联设计方案研究，开展钠硫电池模块系统设计和工艺设计，研制生产装备、建设测试平台，最后研制出大容量、高可靠性、高性能100kW、MW及10MW级钠硫、液流和锂离子电池模块；依托集成技术、成套技术和测试技术，分阶段开展钠硫电池储能系统100kW、MW级及10MW级化学电池储能装置在间歇式电源接入、电网削峰填谷、大型应急电源及用户侧UPS等方面的示范应用，并根据试运行评估结果，逐步完善大容量化学电池储能技术。
C）大容量化学电池储能系统能量转换装置
研制内容：
针对化学电池储能的特性，研制与其相适用的电池储能能量转换装置及其附属控制保护设备，研究高转换效率的变
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