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第18章 智能电网的核心框架(2)

智能电表被称为绿色的计量装置,因为它能够实现需求侧响应,引导消费者进行节能减排。通过信息的反馈,消费者可以根据显示的数据,减少自己的电能使用量,这样一来电能的使用效率就得到了极大的提高。

2.通信体系

AUO的通信体系支持电力公司、用户以及可控电力负荷之间的互相通信,它采用开放式的双向通信标准,以确保通信快速安全,是实现智能电网其他功能的基础。AUO通信体系采用多种结构,其中最普通的一种就是利用数据集散中心,从各组电表采集数据并将数据通过回程通道传送给中心服务器。可采用电力线载波(PLC)、电力线宽带(BPL)、铜导线或光纤、无线(广播频率)、国际互联网等媒介来完成部分或整个通信任务。

3.户内局域网络(Home Area Networks,HANs)

HANs的界面通过用户接口将智能电表与各种可控电力设备连接起来。它通过居室内的显示器可以让用户知道自己正在使用的电能类型及其使用量,对电价作出响应,不需要用户持续参与负荷控制。它可以参与电能管理,提高负荷过载能力。

HANs及其用户接口作为用户的“代理(Agent)”为市场提供了一个智能的界面,它也能够支持新的增值服务,如安全监测等。

4.电表数据管理系统(MDMS)

MDMS是一个带有分析工具的数据库,可以与以下信息系统进行交互:

(1)用户信息系统(CIS),计费系统以及公共网站;

(2)停电管理系统(OMS);

(3)企业资源规划(ERP)、电能质量管理与负荷预测系统;

(4)移动人员管理(MWM);

(5)地理信息系统(GIS);

(6)变压器负荷管理(TLM)。

MDMS最重要的功能就是完成对AUO数据的确认、编辑与评估(VEE),从而防止通信网络的中断,在用户端保证数据流的完整与准确。

5.运行接口(Operational Gateways)

AUO的界面带有很多系统侧的应用程序(如上述表计数据管理系统(MDMS))支持功能。

1)先进配电运营(ADO)

(1)带高级传感器的高级配电管理系统(包括来自AUO电表的电能质量数据)。

(2)高级停电管理(来自AUO电表的实时停电信息)。

(3)DER运营(使用来自AUO电表的有功功率和无功功率数据)。

(4)配电自动化(故障定位、隔离、分区与重构(FLISR))。

(5)配电地理信息系统。

(6)AUO通信体系也可以应用于微型电网运行(直流与交流)、高速信息处理、先进的保护与控制、先进的配电网组件。

2)先进输电运营(ATO)

(1)变电站自动化。

(2)高速信息处理。

(3)先进保护与控制(包括改进输电状态的配电侧控制)。

(4)建模、仿真与可视化工具。

(5)高级区域运行程序。

(6)电力市场。

3)先进资产管理(AAM)

AUO数据可以在系统操作信息、资产健康信息、优化资产运营效率、输配电规划、状态维护、工程设计与制造、客户服务、人力资源管理等领域支持AAM。

5.2.3AUO的应用途径

AUO体系的应用途径决定于整个电网的起点、地理位置、监管现状以及远期规划等。对于已经开始采用自动抄表(AMR)系统的电网来说,问题在于是否可以在AMR基础上建立AUO或者重新建设。如果现有系统已经具有双向通信功能,则只需通过升级电表来达到AUO的要求。如果通信结构不具备双向性,则需要运用补充技术来建设一个返回式通道。这种方式比建立一个新的整体双向通信体系的成本要小得多。通信体系的速度、可靠性、安全性将决定该系统的应用范围。对于一个范围广泛的电网来说,需要多种通信方案综合运用。

AUO通信方案的选择受到电网远期规划的影响。如果AUO作为现代电网的基础,其通信系统就要达到未来的需求并且有足够的灵活性来控制各种新的设备和应用。AUO的应用是一个主动性战略,所以必须被电网管理机构支持和认同。

AUO的应用以及最终整个电网的智能化所带来的效益,不仅仅有利于电力公司,还有利于用户和整个社会。因此,监管机构需要考虑到,传统的经济分析方法是否可以计算AUO所带来的效益。一些国家监管部门认为大力发展AUO和电网智能化是值得的,所以它们会更加积极地将电网推向智能化。无论如何,必须正确认识AUO为整个社会所带来的效益。

总之,电网与监管机构应该将AUO所带来的效益与用户和社会联系起来。公众对于电能的生产与输送、电能对人们生活的影响,以及未来如何满足人们的需求等问题缺乏基本的认识。所以,用户参与到电力市场中所带来直接利益和潜在效益是亟待有关部门去论证和分析的。

5.2.4AUO的效益

AUO体系的推广与应用将为用户、电力公司及整个社会带来巨大的效益。

1.用户效益

对于用户来说,AUO的应用意味着他们将对电价和服务具有更多的选择权,可以获得更多的信息,更加灵活地管理自己的电能消费。随着AUO的推广,电网将会具有更高的可靠性,更好的电能质量以及更及时、更准确的数据信息。另外,AUO也可以帮助降低电网损耗,从而降低用户电价,各级消费者都可以从中获益。

2.电力公司效益

电力公司所获得的效益来源主要分为两类:电能计费和运营成本。AUO将帮助电力公司获得准确及时的电能数据,提高电网运营的效率与可靠性,并且提供较好的客户服务。AUO的应用将淘汰抄表车、抄表人员培训、抄表人员健康保险,以及其他人工抄表所带来的额外成本。这种实时付费的计费形式大大增加了电力公司的现金流。

有AUO的帮助,电力运营人员能够立即知道何时何地发生停电事故,这样就能以最短的时间、更高的效率派出维修人员。智能电表提供的停电与修复信息加快了供电恢复的进程,其中也包括通知用户何时能够恢复供电。AUO可以帮助电力公司更迅速、更高效地管理客户,具备远程遥控开断服务的能力,并从中获得巨大的利益。与此类似,通过使用远程诊断系统,更多的维护与客户服务问题将得到更快、成本更低的解决方案。AUO可以创造新的收入,如分布式能源以及预付电费模式等。

AUO也能够提供大量的能源使用和电网状态信息。通过这些信息的分析,可以帮助用户指导自己作出明智的能源使用决策,对于电力公司则可以指导其制订并改进服务和系统计划。

在淘汰了传统的粗放式的计量方式后,工程师们可以利用AUO提供的分布负荷和电能质量信息准确地计量设备和保护装置的数目,更好地了解配电系统的状态。这些信息可以帮助电力公司:

(1)评估设备健康度;

(2)最大化资产利用率和使用寿命;

(3)最优化维护、运营和操作成本;

(4)精确定位电网故障;

(5)改进电网运营方案;

(6)定位、识别解决电能质量问题;

(7)监测、防止窃电。

3.社会效益

AUO的社会效益将从以下几个方面获得。

由于电能传输和使用效率的提高,AUO将促进环境保护。AUO可以增加分布式能源、可再生能源的使用频率,准确的计量信息也将有助于碳排放交易的实现。

AUO带来的一个最主要的效益在于,实现需求响应与新型能源税。在能源需求高涨的时代,需求的减少将使市场价格降低,而且需求的减少还能够避免级联停电事故的发生。根据爱迪生电气协会的数据,美国加州由于级联停电所造成的直接损失估计在数千万美元,对商业企业和普通用户所造成的损失可能是它的几倍。因此,一个适度的需求响应能力可以产生高达数十亿美元的社会效益。例如,独立建筑中空调和抽水机控制器作为需求响应的一种形式,可以允许负荷减少而不牺牲用户的需求。另外,通过分时税制来实现削峰填谷,电力公司和用户可以减少昂贵设备的建设来降低成本。

AUO的广泛应用将淘汰老式、过时的机电式电表,更高的准确性为所有的消费者营造了一个更加公平的环境。另外,智能电表是一个可以自我监测的装置,它能够很容易地识别不准确的计量数据、误操作、窃电等信息。

4.AUO对于智能电网平台带来的增值效益

智能电表和需求响应是组成智能电网必备的基础。我们有必要评估其综合通信体系,并增加在通信系统建设方面的投资,这样也可以为ADO、ATO的发展打下良好的基础。不断增长的带宽与覆盖范围给智能电网的发展带来了极大的机会,换句话说,设计一个广域的AUO通信网络,能够以最小增加成本获得包括输电和配电自动化在内的各种电网建设总成本的减少。另外,还可以利用额外的带宽来提供宽带服务,如为用户接入因特网以及网际语音传输服务等。

当一个智能电网的AUO体系能够完全有序地运行时,它的各项功能也会得到不断的完善。根据美国EPRI(Electric Power Research Institute)的预测,智能电网所带来的经济效益将是其建设成本的4倍。

AUO传递的信息还能够支持智能电网中的其他部分,从而创造出相应的价值。

AUO给利益群体带来了巨大的效益,这些效益包括:

(1)停电管理系统得到了极大的改进(通过GIS与客户实时状态的连接);

(2)系统规划过程与结果得到了改进;

(3)极大改善了分布资产管理计划,包括设备健康评估和设备状态的检修;

(4)先进的配电管理系统(配电自动化、DR的综合运营、微网运营、自愈等);

(5)改进的移动作业管理与运营;

(6)为用户选择和新型零售服务带来新机会;

(7)电能质量问题得到改善;

(8)对环境产生的影响减轻;

(9)配电系统为输电运营改善提供信息(消除阻塞,提供电压,减小损耗)。

5.3先进配电运营(ADO)

传统的配电系统,唯一的也是最主要的功能是为用户供电,但是ADO不仅可以实现用户与电网的电能传递,而且可以实现用户与电网系统的信息交换。供应商和消费者之间的供应者和接受者的角色扮演也将不再有明显的界定,因为很多消费者一天之内需要实现多次角色转换。他们之间的数据和信息的交换,将会使电力供给和使用实现实时动态的价格,取代原来的固定价格制度。

ADO不同于传统的配电网自动化系统。传统配电自动化主要运用基础配电电路开关的自动控制功能,ADO则是应用可控设备和器件实现完全自动化,来实现系统的关键操作和运营。不同组件之间相互兼容,而且还具有通信和控制能力。相对于现今的配电系统,ADO具有更多的功能、更好的性能、更高的可靠性、更低的成本。总之,ADO将是配电网络体系的一次革命,而不是一次简单的技术进步,它的实现需要建立在技术进步和巨大的资金投入的基础之上。

先进配电运营(ADO)的总体目标是为未来的智能电网建立一套高效的技术体系,使其更好地实现配电环节的各种控制功能。智能电网中的配电系统应具有以下几个特征。

(1)新颖的系统构造,如环形网络、微电网、双向潮流等。

(2)高级的运营能力,如智能的局部重构、紧急情况下的反馈、综合的无功/电压管理等。

(3)新技术的大范围应用,如智能化的电力电子设备、信息技术和其他新的配电方面的技术。

这些特点将会使整个系统变得更加灵活、更加高效、更加可靠。当然,配电系统也会变得更加经济。而配电系统高度的自动化将会使资产的利用状况、系统的维护和运营得到有效的改善。

ADO依赖于一个分布广泛的系统监控体系,包括各种综合应用软件、控制方法和高级的技术。监控系统会把从各种传感器和计量表中传来的数据综合起来,利用不同的通信技术收集数据,同时通过信息模型使得监控系统的信息也能够被网络其他部门看到。这样一个分布广泛的监控系统的用处在于,它使电力企业能够实时地优化系统的运营状态,防止电力中断,改善基本的自动化运行体系。因此,它可以立即为电力企业带来效益。它是ADO系统中的重要一环,并将在未来带来更大的效益。

5.3.1ADO的组成

在ADO系统中,灵活的电子结构和开放的通信体系是互相联系的。

通信体系相互联系组成了ADO的整体

(1)开放的通信体系可以使系统的监控体系更加便利,它是一个开放的系统,允许各种组件和技术进行整合。

(2)灵活的电子结构和保护系统将各个组件连接到了一个公共的网络上来。

这两部分彼此联系、相互促进,它们和各种应用软件共同组成了未来智能电网中的ADO系统。

未来智能电网中的ADO将会使电能之间的交换变得简单,同时还可以完成参与者和系统组件之间的信息交换。其功能组成如图58所示。

1.配电SCADA

配电SCADA在电力工业中是一个很值得投资的领域,特别是在变电自动化的概念归入到配电系统之后。从可靠性的改善方面来说就有巨大的效益,它可以遥控配电线路的开合,特别是当它可以自动地对配电网进行重构时,可以有效地阻止电力的中断。

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