低碳经济与智能电网

1、 低碳经济与智能电网华南理工大学电气工程学院刘永强 教授内 容低碳经济提出的背景低碳经济的历史开展中国面临的挑战新能源发电与节能技术实现低碳的途径智能电网概述智能电网的主要特征智能电网的支撑技术智能电网的标准体系我国智能电网的开展方向低碳经济提出的背景低碳经济：以低能耗、低污染、低排放为根底的经济模式。低碳经济实质：能源高效利用、清洁能源开发、绿色GDP。核心：能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新以及人类生存开展新观念。提出的背景：全球气候变暖挑战人类生存和开展。 除烟雾、光化学烟雾和酸雨等的危害外，大气中二氧化碳CO2浓度升高带来的全球气候变化。 在此背景下，“碳足迹“低碳经济“低碳技

2、术“低碳开展“低碳生活方式“低碳社会“低碳城市“低碳世界等一系列新概念、新政策应运而生。 人类开展的新道路：摈弃20世纪的传统增长模式，直接应用新世纪的创新技术与创新机制，通过低碳经济模式与低碳生活方式，实现社会可持续开展。 低碳经济的历史开展 “低碳经济最早见诸于政府文件是在2003年的英国能源白皮书?我们能源的未来:创立低碳经济?。 英国最早意识到能源平安和气候变化的威胁，它正从自给自足的能源供给走向主要依靠进口的时代，按目前的消费模式，预计2021年英国80%的能源都必须进口。同时，气候变化的影响已经迫在眉睫。低碳经济的历史开展2006年，?斯特恩报告?指出，全球以每年GDP1%的投入，

3、可以防止将来每年GDP 5%20%的损失，呼吁全球向低碳经济转型。2006年底，科技部等六部委联合发布了我国第一部?气候变化国家评估报告?。2007年6月，中国正式发布了?中国应对气候变化国家方案?。2007年7月,美国参议院提出了?低碳经济法案?2007年7月，温家宝总理先后主持气候变化及节能减排工作会议。2007年12月，联合国气候变化大会制订了“巴厘岛路线图。2007年12月26日，国务院新闻办发表?中国的能源状况与政策?白皮书。联合国环境规划署2021年“世界环境日的主题为“转变传统观念，推行低碳经济。2021年7月，G8峰会上八国表示将寻求与?联合国气候变化框架公约?的其他签约方一道

4、共同达成到2050年把全球温室气体排放减少50%的长期目标。中国面临的挑战中国正处在高速开展阶段，如何既确保人民生活水平不断提升，又不重复西方兴旺国家以牺牲环境为代价谋开展的老路，是中国必须面对的难题。中国“富煤、少气、缺油，水电占比只有20%左右，火电占比达77%以上，“高碳占绝对的统治地位。中国经济的主体是第二产业，能源消费的主要部门是工业，而工业生产技术水平落后，又加重了中国经济的高碳特征。作为开展中国家，中国经济由“高碳向“低碳转变的最大制约，是整体科技水平落后，技术研发能力有限。尽管?联合国气候变化框架公约?规定，兴旺国家有义务向开展中国家提供技术转让，但实际情况与之相去甚远，中国不

5、得不主要依靠商业渠道引进。 新能源发电技术与节能减排新能源发电机技术 a) 风力发电 中国已实现自主研发的2兆瓦风电叶片 中国初步实现大型风电机组整机配套 3兆瓦海上风机工程已被科技部列为国家科技支撑方案工程 b)太阳能发电技术 光伏电池已全面实现产业化，光伏发电技术根本成熟 世界上最大的光伏电站工程62兆瓦葡萄牙茂拉光伏电站 已投入 运行新能源发电技术与节能减排全社会节能减排 火电：占全球二氧化碳排放量的41%, 需开展清洁煤技术IGCC和CCS,在 输配电环节采用非晶合金变压器和无功补偿技术。 汽车：开展新能源汽车、动力电池和动力电池材料。 建筑 ：开发节能门窗、新型保温外墙、节能灯具和家

6、电等。 工业：节能包括高效电机、热电联产、余热利用等。 循环经济：矿产资源综合开发、再生资源回收 智能电网概述提出的背景EPRI，2000年 Intelligrid， 美国能源部，早期 Gridwise 欧洲，Smart grid，后被广泛采用节能减排用户与电力公司的互动智能电网的支撑技术根本成熟美国电网老化拉动经济“低碳高效平安可靠的智能电网是21世纪电网开展方向智能电网概述提出的背景概括来说，智能电网出现的主要因素有：政策方面：环境因素及国家平安因素；市场方面：企业竞争、设备老化及客户需求；技术方面：信息技术、新材料、超导及高压传输技术、电力储藏及替代能源技术的突飞猛进的开展。 在上述因素

7、中，能源消耗的日渐增多与环境保护的矛盾以及新技术的出现对智能电网概念的开展起着重大的推进作用。 “低碳高效平安可靠的智能电网是21世纪电网开展方向智能电网概述低碳经济对电力系统的要求发电、输配电与用电环节实现减排可再生能源及储能设备的接入 1软并网 2电网直接调度智能电网概述智能电网的概念 智能电网实际上就是智能电力网格，就是将局域分散的智能电网结合成全国性的网络体系。 智能电网是以先进的通信技术、传感器技术、信息技术为根底、以电网设备间的信息交互为手段、以实现电网平安、可靠、经济、节能为目的的先进的现代化电力系统。 通信技术、传感器技术、信息技术是智能电网建设的根底。 设备间的信息交互是实现

8、电网智能化的最重要手段 平安、可靠、经济、节能是智能电网建设的目标 整合数据，优化电网管理，将电网提升为互动运转的全新模式，形成电网新的效劳功能，提高电网可靠性、可用性和综合效率。智能电网概述智能电网的模型2022年8月22日14智能电网概述开展现状2003年EPRI将未来电网定义为智能电网；2003年6月美国能源部输配电办公室发布“Grid 2030：电力下一个100年的国家设想；2006年欧盟理事会发布能源绿皮书?欧洲可持续的、竞争的和平安的电能策略?(A European Strategy for Sustainable，Competitive and Secure Energy) 20

9、06年IBM公司提出“智能电网解决方案，并发布?建设智能电网创新运营管理中国电力开展的新思路?白皮书；美国总统奥巴马上任后提出“能源方案，逐步实现太阳能、风能与地热能的统一入网管理； 中国能源专家提出“互动电网Interactive Smart Grid2021年5月美国商务部和能源部联合宣布了美国智能电网建设的第一批标准。智能电网概述智能电网的应用智能电网的主要应用包括七大领域智能电网平台电网监控和管理集成维护 智能计量 需求方管理集成可再生能源 汽车电网 智能电网概述应用与功能示意图智能电网概述对经济与技术的影响 对欧美电力工业的衰退起到遏制作用；制造了新的投资热点；局部实现了电力与通信的

10、整合，带动了通信行业的开展；推动了自动化、新能源、分布式发电等技术的开展，特别是新能源的开展；为智能化电器提供了平台；提出了许多有待解决的技术问题，带动科研及其投入。智能电网概述达成的目标智能电网必须更加可靠。智能电网不管用户在何时何地，都能提供可靠的电力供给；智能电网必须更加平安。智能电网能够经受物理的和网络的攻击而不会出现大面积停电或者不会付出高昂的恢复费用； 智能电网必须更加经济。智能电网运行在供求平衡的根本规律之下，价格公平且供给充足； 智能电网必须更加高效。智能电网利用投资，控制本钱，减少电力输送和分配的损耗，电力生产和资产利用更加高效； 智能电网对环境影响更小。智能电网通过在发电、

11、输电、配电、储能和消费过程中的创新来减少对环境的影响。 “智能电网是IT技术与电力技术的整合 智能电网概述“互动的电网 互动是智能电网最重要的特点，电网互动的意义在于：智能电网能够实现双向互动的智能传输数据，实行动态的浮动电价制度；可以实现对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合，遇到电力供给的顶峰期之时，能够在不同区域间进行及时调度，平衡电力供给缺口，从而到达对整个电力系统运行的优化管理；智能电网能够将新型可替代能源接入电网，比方太阳能、风能、地热能等，实现分布式能源管理；可以提高供电效率，减少能量损耗，改善供电质量，解决电网商业化运转；智能电表可以作为互联网路由器

12、，推动电力部门以其终端用户为根底，进行通信、宽带业务或传播电视信号。智能电网的主要特征自愈的电网 “自愈指的是把电网中有问题的元件从系统中隔离出来并且在很少或不用人为干预的情况下可以使系统迅速恢复到正常运行状态，几乎不中断对用户的供电效劳。 基于实时测量的概率风险评估将确定最有可能失败的设备、发电厂和线路；实时应急分析将确定电网整体的健康水平，触发可能导致电网故障开展的早期预警，确定是否需要立即进行检查或采取相应的措施；本地和远程设备的通信将帮助分析故障、电压降低、电能质量差、过载和其他不希望的系统状态，并基于这些分析，采取适当的控制行动。 智能电网的主要特征 电力公司与用户共同的系统 在智能

13、电网中，用户将是电力系统不可分割的一部分。鼓励和促进用户参与电力系统的运行和管理是智能电网的另一重要特征。从智能电网的角度来看，用户的需求完全是另一种可管理的资源，它将有助于平衡供求关系，确保系统的可靠性；从用户的角度来看，电力消费是一种经济的选择，通过参与电网的运行和管理，修正其使用和购置电力的方式，从而获得实实在在的好处。 智能电网的主要特征 电力公司与用户共同的系统在智能电网中，用户将根据其电力需求和电力系统满足其需求的能力的平衡来调整其消费。精确供能可以大降低用户的用电本钱实现节能；而实现需求侧管理将提高终端响应能力减少或转移顶峰电力需求使电力公司尽量减少资本开支和营运开支，通过降低线

14、损和减少效率低下的调峰电厂的运营，提高环境效益。 在智能电网中，和用户建立的双向实时的通信系统是实现鼓励和促进用户积极参与电力系统运行和管理的根底。实时通知用户其电力消费的本钱、实时电价、电网目前的状况、方案停电信息以及其他一些效劳的信息，同时用户也可以根据这些信息制定自己的电力使用方案。智能电网的主要特征能抵御攻击智能电网的设计和运行能够应对各种严重的攻击物理攻击与网络攻击，最大限度地降低其后果和快速恢复供电效劳。智能电网能同时承受对电力系统的几个局部的攻击以及在一段时间内的多重攻击。智能电网的平安策略将包含威慑、预防、检测、反响，以尽量减少和减轻对电网和经济开展的影响。智能电网要求加强电力

15、企业与政府之间重大威胁信息的密切沟通，在电网规划中强调平安风险，加强网络平安等手段，提高智能电网抵御风险的能力。 智能电网的主要特征 提供用户满意的电能质量 满足用户对电能质量的要求是智能电网的重要特征之一。 由于用电设备的数字化，用户对电能质量越来越敏感，电能质量问题可以导致生产线的停产，对社会经济开展具有重大的损建立新的电能质量标准 电能质量不由一家电力公司的问题 电能质量不仅是电力公司的问题按质论价的电力供给智能电网的主要特征 减少输配电系统中的电能质量事件 通过对系统根本元件的在线监测，实现对电能质量事件的快速诊断并提出解决方案。智能电网要考虑减少由开关涌流、线路故障和谐波源引起的电能

16、质量的扰动，应用超导、材料、储能以及电力电子技术的最新研究成果解决电能质量问题。智能电网将采取技术和管理手段，使电网免受由于用户的电子负载所造成的电能质量的影响，将通过监测和执行相关的标准，限制用户负荷产生的谐波电流注入电网。智能电网将采用适当的滤波器，以防止谐波污染送入电网，恶化电网的电能质量。智能电网的主要特征 容许各种不同类型发电和储能系统接入 智能电网将平安、无缝地容许各种不同类型的发电和储能系统接入系统，简化联网的过程。所有电压等级，包括分布式电源、即插式动力汽车、燃料电池等都可联网。商业用户安装自己的发电设备包括高效热电联产装置和电力储能设施将更加容易和更加有利可图。 智能电网的主

17、要特征 促进电力市场开展 在智能电网中，先进的设备和广泛的通信系统在每个时间段内支持市场的运作，并为市场参与者提供了充分的数据。电力市场的根底设施及其技术支持系统是电力市场蓬勃开展的关键因素。智能电网通过市场上供给和需求的互动，可以最有效地管理如能源、容量、容量变化率、潮流阻塞等参量，降低潮流阻塞，扩大市场，聚集更多的买家和卖家。用户通过实时报价感受价格的增长从而将降低电力需求，选用本钱更低的解决方案，并促进新技术的开发。新型洁净的能源产品也将给市场提供更多项选择择的时机。智能电网的主要特征 优化资产应用，使运行更加高效 智能电网优化调整其电网资产的管理和运行以实现用最低的本钱提供所期望的功能

18、。智能电网通过高速通信网络实现对运行设备的在线状态监测，以获取设备的运行状态，在最恰当的时间给出需要维修设备的信号，实现设备的状态检修，同时使设备运行在最正确状态。先进的信息技术将提供大量的数据和资料，并将集成到现有企业范围的系统中，大大加强其能力，以优化运行和维修过程。 将电力线作为局域信息交互平台，互联网、数字电视等家用设备都可以借用这一通道，几乎无本钱普及信息化智能电网的主要特征 智能化电器与信息家电的创新提供平台智能电网的特征自愈、平安兼容、交互协调、高效优质、集成智能电网的支撑技术 通信技术建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的根底，是迈向智能电网的第一步。两个技术问题

19、开放的通信架构，使电网元件之间能够进行网络化的通信；统一的技术标准，电力公司、设备制造企业以及标准制定机构合作，实现通信系统的互联互通。 量测技术取消所有电磁表计及抄表系统，取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计；嵌入自治和交互的自适应软件模块的数字保护；广域监测、保护和控制集成。 设备技术 未来智能电网将主要应用三个方面的先进技术：电力电子技术、超导技术以及大容量储能技术。配电系统中引进新的储能设备和电源，并构造新的网络结构，如微电网。 FACTS将提高输电能力以及提升系统的控制力。 分布式发电将被广泛地应用，多台机组间通过通信系统连接起来形成一个可调度的虚拟电厂。 超导

20、技术将用于短路电流限制器、储能、低损耗的旋转设备以及低损耗电缆中。先进的计量和通信技术将极大地促进需求侧管理。 新型的储能技术将被应用为分布式能源或大型的集中式电厂。 控制技术收集数据和监测电网元件，并迅速对整个系统的状态进行评估，利用向量测量单元以及全球卫星定位系统实现电网的早期预警。准实时数据和强大的计算机处理能力，实现响应紧急问题、快速决策、准确预测负荷、合理安排检修等。 高速计算机处理的准实时数据可使专家系统能够为现有的、正在开展的和潜在的问题提供解决方案，并提交给运行人员进行判断。智能电网通过实时通信系统和高级分析技术使得电网的自动控制成为可能。 为运行人员提供信息和选择。支持技术可

21、视化技术。对大量数据进行处理，并将最关键的数据给电网运行人员，给出可视化的决策支持；决策支持技术。对现有的、正在开展的以及预测的问题提供决策支持的分析，并展示系统运行人员需要的各种情况、多种的选择以及每一种选择成功和失败的可能性。调度员培训支持技术。提供各种动态仿真工具，显著的提高系统调度员的技能和水平。用户支持技术。需求响应DR系统以很容易理解的方式为用户提供信息，使他们能够决定如何以及何时购置、储存或生产电力。提高运行效率。当决策支持技术与现有的资产管理过程集成后，管理者和用户就能够提高电网运行、维修和规划的效率和有效性。 发电技术 可再生能源发电技术，包括：风力发电、 太阳能发电、核电、

22、热电联产和其他各 种分布式发电技术。 电源接入技术，包括风电的接入、太阳能 电力的接入、核电的接入和其他各种电 源的接入。 灵活的网络拓扑结构及并网技术。 输配变电技术 超导技术电力电子技术特高压技术传感器技术通信技术监控技术分析辅助决策技术调度技术电源恢复诊断技术 用电及其它技术智能计量技术需求侧管理技术智能电器技术电力存储技术电力应用技术电力交易市场移动检修数据管理与软件支持电网运营中涉及的主要技术智能电网的技术标准 目前IEEE致力于制定一套智能电网的标准和互通原那么(IEEEP2030)。主要内容包括三个方面：电力工程(power engineering)，信息技术(informati

23、on technology和互通协议communications等方面标准和原那么。 智能电网的技术标准智能电网的技术标准 国际电工委员会IEC也在发挥重要作用，美国国家标准与技术研究院NIST(National Institute of Standards and Technology协调各部门之间的合作。参与标准制定的15家机构分别负责标准制定的不同环节。 美国智能电网建设第一批标准AMI-SEC系统平安性需求先进的量测根底设施AMI和智能电网端到端平安性ANSIC12.19/MC1219收益量测信息模型BACnetANSIASHRAE135-2021/ISO16484-5建筑自动化DNP

24、3变电和馈电设备自动化IEC60870-6/TASE.2内部控制中心通信IEC61850变电自动化与保护IEC61968/61970应用层面能源管理系统界面IEC62351Parts1-8电力系统控制操作的信息平安IEEEC37.118相量测量PMU通信IEEE1547电力公司与分布式发电DG之间的物理与电气互联IEEE1686-2007智能电子设备IEDs的平安NERCCIP002-009大型电力系统的网络平安标准NISTSpecialPublication(SP)800-53,NISTSP800-82 联邦信息系统的网络平安标准与指南，包括大型电力系统OpenADR开放自动需求响应价格反响灵敏和直接负载控制OpenHAN家庭区域网HAN设备通信、测量和控制ZigBee/HomePlugSmartEn