干貨|智能電網(wǎng)到底是什么?
早在本世紀初,智能電網(wǎng)的概念就提出來了,并且經(jīng)過風風光光的發(fā)展,在中國,智能電網(wǎng)已經(jīng)成為風風光光的事業(yè)。但是智能電網(wǎng)到底是什么?你真的明白嗎?
美國是這樣定義:
美國能源部《Grid2030》:一個完全自動化的電力傳輸網(wǎng)絡,能夠監(jiān)事和控制每個用戶和電網(wǎng)節(jié)點,保證從電廠到終端用戶整個輸配電過程所有節(jié)點之間的信息和電能雙向流動。
國內(nèi)是這樣定義:
國家電網(wǎng)中國電力科學研究院:以物理電網(wǎng)為基礎(中國的智能電網(wǎng)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各電壓等級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎),現(xiàn)將先進的傳感測量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成形成的新型電網(wǎng)。它以充分滿足用戶對電力的需求和優(yōu)化資源配置、確保電力供應的安全性、可靠性和經(jīng)濟性、滿足環(huán)保約束、保證電能質(zhì)量、適應電力市場化發(fā)展等為目的,實現(xiàn)對用戶可靠、經(jīng)濟、清潔、互動的電力供應和增值服務。
看過枯燥乏味的官方定義,我們來用通俗易懂的語言解釋一下,智能電網(wǎng)到底“智能”在哪些方面吧?
用戶互動,電網(wǎng)透明
怎么理解用戶互動呢?在過去,用戶對于電網(wǎng)來說,能做的幾乎就只有:按時交電費,或者看看自家的機械式的鋁盤電表上走了幾度電。除此以外,似乎真的沒有什么能做的了。
那么智能電網(wǎng)呢?用戶將是電力系統(tǒng)不可分割的一部分。鼓勵和促進用戶參與自身運行和管理,是智能電網(wǎng)一大重要特征。
老式電表和智能電表的對比
對供電公司而言,掌握用戶的需求,也就是更好地衡量了供求關系。通過統(tǒng)計用戶的用電信息,可以從數(shù)據(jù)分析中理解一個區(qū)域的用電規(guī)律,比如什么段時間用電多,什么時間段用電少,進而相應的制定各區(qū)域內(nèi),經(jīng)濟節(jié)能的發(fā)電和輸配電的方案。此外,通過調(diào)節(jié)用戶的用電時間,便可有效的提高電網(wǎng)終端額用電效率,削峰填谷,平滑電網(wǎng)負荷曲線,減輕電網(wǎng)的負荷壓力。調(diào)節(jié)的好處是,減少或轉(zhuǎn)移用電高峰時的電力需求,是電力公司盡量減少資本的開支和營運開支。電力成本減少,電價自然會下調(diào)。
對用戶來說,電力消費和手機話費一樣,可以選擇性消費。用戶可以選擇不同的方案來購買電能、選擇用電。比如,用戶可以隨時了解,高峰時段電價高,可以選擇少用電;低谷時段電價便宜,就配合智能化電器的試試操作和遠程控制,選擇在低電價的時段用電。
智能設備,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)
就像上文提到的,智能家電、智能控制設備等智能終端,將在智能電網(wǎng)中占據(jù)很重要的地位。通過在手機上安裝的用電APP,就能遠程遙控電熱水器、空調(diào)、冰箱、電熱水壺等電器,可以輕松實現(xiàn)在電價便宜的時候用電。
不妨設想一下好了,當冬天外出,回家之前通過APP提前打開空調(diào),開門就能觸摸溫暖……想在早晨6點之前用半價電燒一壺水,但又不想那么早起床操作,可以借助APP定時功能,確保6點前自動完成燒水……通過APP,還能如同查詢手機流量一樣,隨時了解某個電器設備在某一段時間內(nèi)的耗電量,使用戶對于自己的用電賬本一目了然。
一幅全景式的智能電網(wǎng)家庭用戶示意圖
而智能電網(wǎng)中的配變電量采集箱,也不單單只是過去的單向采集功能了,它們會自帶WIFI和網(wǎng)絡功能,將用戶的用電信息、數(shù)據(jù)收集之后,通過網(wǎng)絡發(fā)送到供電公司的數(shù)據(jù)終端。供電公司將對這些數(shù)據(jù)進行歸類、對比分析,再根據(jù)用戶用電的實際情況,為其量身定制用電方案,并通過手機短信等形式發(fā)送告知。
舉個例子,用戶通過查詢高能耗電器的實時使用數(shù)據(jù),便可以隨時了解自己家中的哪些電器存在浪費。譬如電視開著卻沒有看,家里沒人卻開著空調(diào)等等現(xiàn)象就可以避免。
從電廠到用戶的智能電網(wǎng)全景圖展示
測量升級,大數(shù)據(jù)時代
上文里提到的老式機械電表,既不精確也容易被盜電。在智能電網(wǎng)時代,它們不僅僅將被數(shù)字化電表所取代,而且采集的時間間隔將大幅縮小。譬如目前常見的智能電表可能要15分鐘才采集一次數(shù)據(jù),而理想狀態(tài)下的智能電網(wǎng),采集數(shù)據(jù)的間隔可能短至1秒鐘,甚至更短。 同樣的,在輸電網(wǎng),采集各種開關信號量、遙測信息(電壓、電流、相位、相角、有功功率、無功功率乃至變壓器油溫等等),也將做到實時更新,刷新的速率也將達到至少每秒一次。這樣精確的數(shù)據(jù)量,將大大提高電網(wǎng)的可靠性,也可以有效進行故障預判和快速調(diào)整。
電力系統(tǒng)的各種響應時間一覽
而如此一來,所形成數(shù)據(jù)量也將是極為可觀的,是實實在在的洋量“大數(shù)據(jù)”。比如智能電表的采集量從15分鐘縮短到1秒,1萬臺智能電表采集的用電信息的數(shù)據(jù)就會從32.61GB提高到114.6TB。而這數(shù)據(jù)量對于一個大國高度發(fā)達的智能電網(wǎng)來說,只是滄海一粟罷了。
所以現(xiàn)在國內(nèi)現(xiàn)在新興的電網(wǎng)海量實時數(shù)據(jù)系統(tǒng),其核心數(shù)據(jù)庫大都采用了Hadoop的HDFS系統(tǒng),通過使用分布式數(shù)據(jù)存儲和MapReduce運算模型,來實時存儲如此巨大的數(shù)據(jù)。這和淘寶網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫是相似的。除了Hadoop的No-SQL數(shù)據(jù)庫,普通的關系數(shù)據(jù)庫也是必不可少的,起到輔助作用。
北京的電網(wǎng)數(shù)據(jù)分布系統(tǒng)(局部)
自我預測、自我修復、自我調(diào)節(jié)
大數(shù)據(jù)當然自有它的好處。通過大數(shù)據(jù)平臺搭配云計算技術(shù),技術(shù)人員可實時觀察到全網(wǎng)范圍內(nèi)的電能流動狀態(tài)、電能負載熱區(qū)、設備故障高發(fā)區(qū)和客戶集中區(qū)等數(shù)據(jù),實現(xiàn)更加智能化的電網(wǎng)。具體的新概念和新技術(shù)包括以下這些:
1、電網(wǎng)數(shù)據(jù)可視化
在智能電網(wǎng)中,通過分析包括調(diào)度、輸配電、發(fā)電和用戶信息等大數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)大都是實時并且高度信息化集成的),通過軟件實現(xiàn)實時可視化運算分析,可以全面完整地展示電網(wǎng)運行狀態(tài)中每一個細節(jié),為管理層提供輔助決策支持和依據(jù)。
2、電網(wǎng)負載趨勢預測
不僅如此,通過大數(shù)據(jù)分析電網(wǎng)負載的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù),展示全網(wǎng)實時負載狀態(tài),可以預測電網(wǎng)負載變化趨勢。并通過綜合性的管理,提高設備的使用率,降低電能損耗,使得電網(wǎng)運行更加經(jīng)濟和高效。
3、設備故障趨勢預測
通過大數(shù)據(jù)分析電網(wǎng)中故障設備的故障類型、歷史狀態(tài)和運行參數(shù)之間的相關性,預測電網(wǎng)故障發(fā)生的規(guī)律,評估電網(wǎng)運行風險,可以實現(xiàn)實時預警,讓技術(shù)人員提前做好設備維護和檢查工作。
4、電網(wǎng)實現(xiàn)自我修復
在智能電網(wǎng)中,將電網(wǎng)中的故障設備,以最快的速度從電網(wǎng)系統(tǒng)中隔離出來,并且在幾乎自動化的狀態(tài)下(很少或不用人為干預)實現(xiàn)系統(tǒng)自我恢復到正常運行狀態(tài),從而做到幾乎不中斷對用戶的供電服務。我們可以類比一下人體的免疫系統(tǒng),這和智能電網(wǎng)的自我修復很類似。結(jié)合上兩條的預測,電網(wǎng)系統(tǒng)可以進行持續(xù)自我預測,當發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在或可能出現(xiàn)的故障時,立即采取措施加以控制或糾正。
5、二次設備獨立通信
在現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)中,二次設備的通信往往要通過總線和專用通信設備來實現(xiàn)。這種設備用內(nèi)部的話說叫做”總控單元“(國外一般稱為RTU)。而在智能電網(wǎng)中,監(jiān)控、保護等二次設備都將配有自適應和自我交互信息的模塊,能夠自適應地相互通信。這種的靈活性和自適應能力,將極大地提高可靠性,就好比讓設備實現(xiàn)”自治“。如此一來,即使部分系統(tǒng)出現(xiàn)了故障,其他設備仍然能夠穩(wěn)定工作。
新能源無縫接入,即插即用
傳統(tǒng)的發(fā)電一般都是火力發(fā)電和水力發(fā)電,現(xiàn)在核電也在逐步發(fā)展中。而光伏發(fā)電、風電、地熱發(fā)電等新能源發(fā)電,過去都很難和傳統(tǒng)電網(wǎng)相連接。而智能電網(wǎng)將改變這一現(xiàn)狀。智能電網(wǎng)會簡化新能源發(fā)電入電網(wǎng)的過程,通過改進的互聯(lián)標準將使各種各樣的發(fā)電和儲能系統(tǒng)容易接入。做到“無縫接入、即插即用”。從小到大各種不同容量的發(fā)電和儲能設備,在所有的電壓等級上都可以實現(xiàn)互聯(lián)(包括光伏發(fā)電、風電、電池系統(tǒng)、即插式混合動力汽車和燃料電池等)。未來,用戶甚至可以安裝自己的發(fā)電設備,實現(xiàn)自產(chǎn)自銷。
各地區(qū)新能源發(fā)電系統(tǒng)
在2015電力行業(yè)信息化技術(shù)創(chuàng)新大會上,中國工程院院士、國網(wǎng)電力科學研究院副院長薛禹勝院士指出: 隨著太陽能、風能等再生電力資源越來越多地被應用,電網(wǎng)必須考慮如何確保太陽能、風能這類“間斷性能源”安全進入電網(wǎng)。薛禹勝說,眼下新能源接入電網(wǎng)的比例只有7%—10%,未來大規(guī)模接入會有很多問題產(chǎn)生,這需要大幅度提高信息化水平,運用大數(shù)據(jù)技術(shù),進行智能化分析。
儲能技術(shù),電動汽車
在過去,電能的生產(chǎn)是一次性的,生產(chǎn)出來就必須立刻用掉,很難實現(xiàn)大容量儲存。而智能電網(wǎng)中的儲能技術(shù)將是重頭戲。無論是集中式的大容量的儲能電站,還是分布式的小容量的儲能電站,甚至小到電動汽車電池的儲能作用,乃至太陽能路燈的儲能電池等等。都是智能電網(wǎng)中的各種儲能形式。而這其中,電動汽車對于普通用戶來說,距離最近也最容易實現(xiàn),可以由此預見,電動汽車的發(fā)展將是不可阻擋的。
而儲能技術(shù),主要分為物理儲能( 譬如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等),化學儲能( 譬如各類蓄電池、可再生燃料電池、液流電池、超級電容器等)和電氣儲能( 譬如超導電磁儲能等)。在儲能技術(shù)發(fā)展上,德國發(fā)展得非常快,他們的儲能電池研發(fā)是世界領先的。
未來,用戶都將擁有自己的發(fā)電和儲能設施,在自給自足的同時,還可能倒送給電網(wǎng)以實現(xiàn)相互調(diào)劑。譬如,在我家的用電低谷時,電網(wǎng)供應的能量用不完,就可以先儲存起來,以備自己或鄰居在用電高峰時進行支援,而當我家用電出現(xiàn)高峰,用上自己儲存的電能都供應不足時,通過鄰居儲存的電能,就可以立即補足自己的用電需求。
防御恐怖襲擊
在當前世界反恐的大環(huán)境下,智能電網(wǎng)作為一個國家的命脈產(chǎn)業(yè),提升自我防御能力當然是不可或缺的。這就要求電網(wǎng)安全性可以達到很高的水準。當出現(xiàn)恐怖襲擊后,運用上面第四點所提到的自我修復的解決方案,使得被攻擊的位置可以實現(xiàn)快速恢復。不僅如此,從智能電網(wǎng)的設計和運行的環(huán)節(jié),都將加入反恐考量,盡可能阻止攻擊,最大限度地降低破壞造成的損失。智能電網(wǎng)的安全策略將包含威懾、預防、檢測、反應等等,以盡量減少和減輕恐怖襲擊對電網(wǎng)和經(jīng)濟發(fā)展的影響。
值得一提的是,無論是物理攻擊還是網(wǎng)絡攻擊,都是需要的防御的。智能電網(wǎng)的內(nèi)部通信系統(tǒng),將實現(xiàn)和外網(wǎng)完全隔離,獨立運行,每個節(jié)點都實現(xiàn)自主化。
責任編輯:仁德財
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