1、本科毕业论文（20 届）智能配电网的综述所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -智能配电网的综述摘要面对目前电力系统已越来越无法满足社会对电力能源和供电可靠性日益增长的需求的问题，具备着自愈、清洁、经济等优点的智能电网成为了今后电网发展的一个重要趋势。本文介绍了智能电网的概念、特征和结构，提出了智能电网实现的几方面关键技术问题。此外，本文着重的介绍了未来智能配电网的基本构图和框架，一些新概念，如分布式能源、需求响应，以简述的形式被概括出来。配电网作为直接与用户接触的部分承担起了为社会各部门提供优质、可靠能源的
2、任务。它涉及的很多技术在今天虽然只是构想，但随着人们对智能电网建设脚步的加快，这些构想在不久的将来便能成为现实。关键词 智能电网；关键技术；特征；结构；清洁能源哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The review of smart distribution girdAbstractToday , a power system is working harder to meet the societys growing on power resources and electricity reliability . Therefore , smart grid , characterize
3、d by many advantages such as self-healing , clean and economic , has become an important trend of power development . In this paper , the concept , characteristics and structure smart grid are introduced and some key technical problems in realization of smart grid are proposed . In addition , this p
4、aper introduces the basic composition framework of future smart distribution gird , some new concepts , such as , Distributed Energy Resources (DER) , Demand Response (DR) ,be summarized out with a brief introduction of form . The distribution gird as a direct and the end of the contact pact is assu
5、me the task of giving societys department and customers with excellent quality and reliable power . It involves a lot technology in today , while just idea ,but as the step of people constructing smart gird up , these ideas will become reality in near future .Keywords smart grid ; key technical ; ch
6、aracters ; infrastructure ; clean energy；哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 智能电网的概述 .11.1 智能电网的内涵 .11.2 智能电网的发展状况 .11.2.1 美国智能电网 .11.2.2 欧洲智能电网 .21.2.3 亚洲智能电网 .21.3 智能电网的驱动因素 .31.3.1 全球性能源和环境的挑战 .31.3.2 电网的安全、高效运行 .31.3.3 需求响应双向服务 .41.3.4 高性价比的经济效益和社会效益 .4第 2 章 智能电网的主要特征 .62.1 自愈 .62.2 互动 .
7、72.3 坚强 .72.4 优质的电能供应 .82.5 兼容各种发电和储能系统 .102.5.1 对比分析 .102.5.2 需求分析 .112.6 本章小结 .11第 3 章 智能配电网的关键技术 .133.1 集成通信 .133.1.1 电力宽频通信技术 .143.1.2 无线通信技术 .143.1.3 其他通信技术 .153.2 传感与测量 .163.3 高级电力设施 .163.3.1 电力电子装置 .173.3.2 超导装置 .183.3.3 分布式发电及储能 .193.3.4 高级控制方法 .20哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -3.4 本章小结 .22第 4 章 高级配电体系
8、.234.1 高级配电自动化 .234.1.1 ADA 概述 .244.1.2 ADA 功能 .254.1.3 ADA 优点 .264.2 智能通用变压器 .274.2.1 IUT 的结构与原理 .274.2.2 智能通用变压器的特点 .294.3 DER 运行 .294.3.1 分布式能源及主要特征 .294.3.2 几种分布式发电简介 .304.4 微网 .324.4.1 微网的发展 .324.4.2 微网的特点 .324.5 需求响应 .324.5.1 基于价格的 DR.334.5.2 基于激励的 DR.334.6 本章小结 .33结论 .34致谢 .35参考文献 .36附录 .37哈尔
9、滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 智能电网的概述1.1 智能电网的内涵自进入信息时代，全球资源环境的压力不断增大，能源需求不断增加，电力市场化的进程不断深入，用户对电能质量和可靠性的要求也在不断提升。电力行业面临前所未有的机遇和挑战，建设更加安全、可靠、环保的电力系统已经成为全球电力行业的共同目标。在这种不断变化的环境下，人们幻想着建立一个电力系统网络，将能源资源开发、转换、输电、配电、供电、售电、服务以及储能与能源终端用户的各种用电设备和其他设施，通过数字化信息网络连接在一起，并通过智能化控制使整个系统得以优化。这一系统将充分的利用各种废弃的资源，特别是低碳的天然气、风、光、水、等
10、可再生资源、核能以及各种废弃的资源，依靠分布式能源系统、能源梯级利用系统、蓄能系统和蓄电交通系统等优化组合配置，实现精准供能、对应供能、互助供能和互补供能，将能源利用率和能源供应安全提高到一个新的水平，令环境污染与温室气体排放降低到一个可以接受的程度，使用户成本和投资效益达到一种合理而有用的状态。人们普遍的将这样一种系统称为智能电网。智能电网是包括发、输、变、配用、调度和信息等各环节的电力系统为对象，不断研发新型的电网控制技术、信息技术和管理技术，并将其有机结合，智能电网的本质就是能源替代和兼容利用，它需要在创建开放的系统和建立共享的信息模式的基础上，覆盖包括从需求措施到广泛分散的分布式发电再
11、到电力市场的整个电力系统及相关环节，促进电力流、信息流、业务流的高度融合和统一。电力企业通过促成技术与具体业务的有效结合，使智能电网建设在企业生产经营过程中切实发挥作用，最终达到提高运营绩效的目的。1.2 智能电网的发展状况1.2.1 美国智能电网美国的智能电网又称统一智能电网，是指将基于分散的智能电网结合成全国性的网络体系。这个体系主要包括：通过统一智能电网实现美国电力网格的智能化，解决分布式能源体系的需要，以长短途、高低压的智能网络联结客户电源；在保护环境和生态系统的前提下，营建新的输电电网，实现可再生能源的优化输配，提高电网的可靠性和清洁性；这个系统可以平衡跨州用电的需求，实现全国范围内
12、的电力优化调度、监测和控制，从而实现美国整哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -体的电力需求管理，实现美国跨区的可再生能源提供的平衡。这个体系的另一个核心就是解决太阳能、氢能、水电能和车辆电能的存储，它可以帮助用户出售多余电力，包括解决电池系统向电网回售富裕电能。实际上，这个体系就是以美国的可再生能源为基础，实现美国发电、输电、配电和用电体系的优化管理。美国发展智能电网重点在配电和用电上，推动可再生能源发展，注重商业模式的创新和用户服务的提升。它的四个组成部分分别是：高温超导电网、电力储能技术、可再生能源与分布式系统集成（RDSI）和实现传输可靠性及安全控制系统，这个电网发展战略的本质是开发并转
13、型进入“下一代”的电网体系，其战略的核心是先期突破智能电网，之后营建可再生能源和分布式系统集成（RDSI）与电力储能技术，最终集成发展高温超导电网。1.2.2 欧洲智能电网智能电网最早出现在欧洲，因此欧洲适应智能电网的家用电器技术开发起步较早，并具有自身特色。与智能电网的运行特点相适应，信息交换、需求响应、系统管理成为智能化家用电器的新功能。同时，住宅能源管理系统、燃气热电联产装置、太阳能光伏发电装置、电动汽车等进入家庭，成为智能电网终端。2002 年 4 月，欧盟委员会提出了“欧洲智能能源” 计划，并在20032006 年投资 2.15 亿欧元，支持欧盟各国和各地区开展旨在节约能源、发展可再
14、生能源和提高能源使用效率的行动，更好地保护环境，实现可持续发展。2005 年，根据可再生能源和分布式发电的发展要求，欧洲智能电网技术论坛成立。该论坛发表的报告重点研究了未来电网的发展前景和需求，提出了智能电网的优先研究内容和欧洲智能电网的重点领域。在欧盟第五、第六研发框架计划的支持下，欧洲未来电网 SmartGrids(智能电网)技术平台在 2005 年正式启动，适应智能电网的家用电器技术开发进程也随之启动。1.2.3 亚洲智能电网亚洲国家众多，国情亦会不同，因此各国对智能电网的要求也不尽相同。以日本和韩国为代表的工业化国家，需要更精化的电力配置，因此要求智能电网的发电能力更加精密和细致，而像
15、中国和印度这样的发展中国家，需要首次部署智能电网，同时大规模地升级电网。当然，各国对亚洲电网市场是有共识的，那就是为满足现代社会日益增长的电力需求，亚洲现有电网的效率性、可靠性、安全性以及环保性仍有待加强。据悉，日本、韩国和印度都已开始了智能电网的规划。日本方面，据日本经济产业省估计，到 2030 年，向可再生能源转变所需的电网升级成哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -本大概将会在 510 亿至 740 亿美元之间。其实早在去年，日本电气事业联合会就公布了日本版“ 智能电网开发计划 ”，该计划以 2020 年应用上智能电网为目标。日本政府、电力企业、行业协会、科研机构和设备制造企业，积极发挥自
16、身特长与专业特色，踊跃投入到智能电网的研发中，形成了“官民协作、产学研相结合” 的智能电网研发阵势。到 2015 年，中国和印度将占亚洲智能电网市场的 75。咨询公司ZPyrme 预测，今年中国将会取代美国，成为智能电网最大的投资国。中国计划用 73.2 亿美元发展智能电网，这一数额实际已超越了美国 70.9 亿美元的拨款。事实上，中国在发展智能电网方面的研究工作做得比较早，只是没有正式把智能电网概念提出来。目前，中国已经着手建立全国范围内坚强智能电网，实施 10 年智能电网蓝图计划，国家电网公司为该项目配发 4 万亿元人民币（5856 亿美元），资金将被广泛地投入各个项目，如可再生能源储存技
17、术、动力传输监控系统和智能变电站。同时亦将资助其他技术，如电动汽车充电、自动化配电、智能电表和用电量信息系统。预计该项目 2020 年会基本建成，届时在保证电力供应和促进能源节约的情况下，电力传输将引领中国跨入数字时代。1.3 智能电网的驱动因素1.3.1 全球性能源和环境的挑战能耗和 CO2 排放导致全球气候变暖已是一个不争的事实。 联合国气候变化框架公约提出的最终目标是：“将大气中温室气体的浓度，稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上”。 1)等效 C02 的排放，主要来自发电厂、交通、工业、商业和住户。其中发电厂和交通的等效 CO2 排放所占比例最大，且因国情而异，如美国发电厂和交
18、通的等效 CO2 排放所占比例均为 33。这也是风能、太阳能、地热能等可再生能源和插入式电动汽车得以重视发展的一个重要原因。2)能源方面,根据预测 2050 年全球能源消耗将翻 3 倍，这除了导致发电燃料价格的上涨外还将迫使电价上扬。因此，各国更加重视、直至立法来推动各种可再生能源的发展。可见，全球性环境和能源的挑战，推动了智能电网的研发，以解决含可再生能源在内的各种类型分布式发电以及插入式电动汽车进入电网和市场后所引发的各种问题。1.3.2 电网的安全、高效运行当代电网的安全控制中，紧急状态下的紧急控制主要由“离线整定、实时动作”的继电保护和 (或) 稳定补救装置来实现。这些自动装置除了不具
19、备事态发展的评估能力外，当离线模拟和在线实际出入较大时，还可能发生诸如保护动作过慢导致震荡，或发生不必要的解列等问题。因此，必须哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -通过加强正常状态下动态安全评估的预防性控制，及时予以修正。突出自愈功能的智能电网，能够采用在线的快速仿真、评估事态发展、决定是否隔离、如何分区等。自愈功能除了能制止或缩小事态的扩大外，并能够在故障区内，通过分布能源提供的辅助服务，至少保证用户的基本用电。智能电网除通过优化运行和资产管理、提高设备使用率、降低运行成本外，主要是推广位置处于负荷点、高效环保的可再生分布能源，支持诸如插入式电动汽车的储能应用。此外，还采用高性价比的新技术，
20、如高温超导、储能、和电力电子技术等，对传统电网进行改造或适应电网的发展。1.3.3 需求响应双向服务传统电网、特别是电力垄断经营时期的发、输、配、用电，是从上而下的单向供需关系。那些由用户控制启停的自备电厂或量大面广的可再生能源发电的电源，都被视为是虚拟负荷，即使接入配电系统，也不参与自动发电控制，甚至在配电网侧安装逆功率继电器，正常时不向电网注入功率。随着电网的发展，这些分布式发电直接或间接纳入需求侧管理，在开源节流、改善负荷曲线方面发挥了积极作用，但单向的供需关系基本未变。对电网而言，分布式发电的启停可以看成是虚拟负荷的减少和增加。同样，负荷的减少和增加也可等效于虚拟发电的增减。随着电力市
21、场的深入发展，负荷相当于是潜在功率产品的价值正日益凸现。智能电网下需求侧管理将向需求侧竞价发展，单向的供需关系将形成双向的供需互动。实际上，需求侧竞价(DSB)是需求侧管理的一种实施机制，它使用户能够通过改变自己的用电方式主动参与市场竞争，获得相应的经济利益，而不象以前那样被动地执行所定的电价。也可以说，需求侧管理（DSM）是长期改变负荷特性的行为和机制，大多是政府驱动。而 DSB 是基于市场的短期负荷响应行为和市场机制，主要由市场驱动。参与需求改变量的竞争，既可以竞价增负荷，也可以竞价减负荷。但为了实现 DSB 产品的规模效应，一般只有兆瓦级以上的大用户、或是多个同行企业通过集总代理才直接参
22、与需求竞价，小用户则是通过其供电商作为代理间接参与需求竞争。1.3.4 高性价比的经济效益和社会效益推动智能电网研发实施的又一个重要因素，是投入产出的高性价比，这也是智能电网所追求的一个主要目标。智能电网的几乎每个环节都具有巨大的经济效益和社会效益。据美国电科院 EPRI 估计，美国未来 20 年需投资 1 650 亿美元的智能电网，实现后的综合效益可达 6 2808 020 亿美元。奥巴马的顾问在一份哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -科技投资对就业影响的报告中分析，投资 100 亿美元建设智能电网，可创造 239 万个就业岗位。可再生能源发电方面,美国加州 2020 年要求可再生能源比例达 33为例，将减少 11的碳排放。输电方面,美国计划使用超导输电技术，跨越 4 个时区传送电力。第一条高温超导电缆，已于 2008 年 4 月投入运行。与同样直径的铜导线相比，其输电能力提高 150 倍。配电方面,美国和墨西哥的电力公司和终端用户，每年将安装 100 多万台配电变压器，如采用高效非晶质铁芯技术，每年可节约 75 亿 kWh，相当于减少 46.5 万 t 的 C02 排放或将 9 万辆汽车从公路上移去。
