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智能电网概述与解决方案

文章来源:半导体研究所    发布时间:2014-12-17  【字号:      】

  一、 概述

  在某个傍晚的下班高峰期,川流不息的地铁站,成千上万的旅客接踵而至。当然,我们不可能有类似诺亚方舟一样的庞大交通工具装载所有的人。为了解决这个问题,我们可以分流旅客,让他们转乘其它交通工具,如公交、出租车等。但是,最终人们还是会再次汇聚在一起。

  另一方面,能源供应长期以来主要依赖化石能源。化石燃料的大量开发,造成了环境污染和大气中温室气体的浓度显著上升。再加上近年来全球气候的变暖,致使环境问题变得越来越严峻。所以,国家电力能源结构必须从传统的以煤为主,转变到多种能源,特别是新兴的可再生能源并存。

  回到开头所提到的例子,我们可以把旅客比作能量,旅客流量的增大比作电网规模的日益增大,所以,电网的运行与控制的复杂程度越来越高。我们可以通过半导体开关与集成电路来控制这些能量包,使得能量从输入再到输出平稳高效更智能地运作。2005年坎贝尔通过无线控制器把大楼里面的各个电器相连,并实现有效控制。比如,一台空调运转15分钟并维持室内温度在24℃的前提下,另两台空调可以停运一段时间,从而提高能源的利用效率。这,其实就是智能电网的初苗。

  传统电网是一个刚性系统,电源的接入与退出、电能的传输等都缺乏弹性,致使电网没有动态柔性及可组性;垂直的多级控制机制反应迟缓,无法构建实时、可配置、可重组的系统;系统自愈、自恢复能力完全依赖于实体冗余;对客户的服务简单、信息单向;系统内部存在多个信息孤岛,缺乏信息共享。

  大势所趋:互动电网是下一代全球电网的基本模式,也是中国电网现代化的核心,同时也是实现物联网这一信息交换与通信的重要控制桥梁。那么,这种新型智能电网与能源解决方案主要有以下几个特点。

  1.自愈电网: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,从而几乎不中断对用户的供电服务。
  2.人电交互: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。犹记得过去有专门的电工师傅挨家挨户的收电费,慢慢,可以人人可以参与电网的运行与管理;另外我们可以在下班之前,在办公楼打开家里的热水器等等。 由此,智能电网具备可靠、自愈、经济、兼容、集成和安全等特点。互动电网学说的本质就是以信息革命的造发性标准和技术手段大规模推动工业革命最重要财产——电网体系的革新和升级,建立消费者和电网管理者之间的互动,并对社会经济发展具有重要的促进作用: 
  3.安全可靠:各种能源并入电网,考验了其抵御风险的能力。
  •物理攻击还是网络攻击,智能电网要通过加强电力企业与政府之间重大威胁信息的密切沟通。
  •另一方面提高供电可靠性和电能质量,特别是对应对战争和恐怖袭击具有重要的意义。
  4. 蓬勃与节能:分时计费,分时计费、削峰填谷、合理利用电力资源、节能减排   
  •促进半导体智能化行业、通信系统与设备制造的发展。
  •推动成本更低的解决方案,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选择的机会。

  I、坚强智能电网的建设,将推动智能小区、智能城市的发展,提升人们的生活品质。

  II、促进能源资源优化配置、保障电力系统安全稳定运行、提供多元开放的电力服务、推动战略性新兴产业发展等多个方面

  III、风能、太阳能等清洁能源的开发利用以生产电能的形式为主,建设坚强智能电网可以显著提高电网对清洁能源的接入、消纳和调节能力,有力推动清洁能源的发展。

  以上提出如此富有意义的智能电网概念,那么如何才能描绘出这样美好的宏伟蓝图呢?

  二、解决方案:

  首先,我们从一个简短视频整体了解如何配备互动电网,以德州仪器(TI)关于智能电网的解决方案为视角:

  智能电网概述.mp4(ctrl+鼠标左键即可观看,若无法观看请手动打开video文件夹里面的视频)

  没错,在节能的同时节能资金,设计更智能的电网!面向能源智能化的解决办法,涵盖了从测量、监测、保护、传输、通信、微电子等各个领域。

  A:核心器件:

不同功率半导体器件在电力领域的应用

  基于半导体技术与电力技术的融合,其增强了电网的灵活性和可靠性,是智能电网的先进控制和调节手段。

  传统的机械式控制手段,响应速度慢、不能频繁动作、控制功能离散,而大功率电力电子器件作为智能电网的核心部件具有更强、更快、更有效的功能特点。这种大功率电力电子技术包括高压直流输电(High Voltage Direct Current, HVDC)、柔性交流输电系统(Flexible Alternating Current Transmission System, FACTS)、定制电力(Custom Power, CP)和基于电压源变换(Voltage Sourced Converter)的柔性直流输电(VSC-HVDC)。功率器件的运用着重于它的容量(大电流,大电压)、开关频率、通态损耗、串并联使用性等,例如功率MOSFET、IGBT、GTO等。第三代宽禁带半导体材料SiC、GaN使得电力电子器件迈上了新的台阶,人们越来越重视相关的技术问题。

  B:电力线通信技术(PLC):

  PLC模块框图

  传统的上网方式就不再赘述了,如今,我们又多了一种更方便,更经济的选择:利用电线,这就是PLC! PLC的英文全称是Power Line Communication,即电力线通信。通过利用传输电流的电力线作为通信载体,使得PLC具有极大的便捷性,只要在房间任何有电源插座的地方,不用拨号,就立即可享受4.5~45Mbps的高速网络接入,来浏览网页﹑拨打电话,和观看在线电影,从而实现集数据﹑语音﹑视频,以及电力于一体的"四网合一"! PLC利用现有电力线基础设施,为在许多工业应用引进智能监控和控制提供了经济高效的方法。它让 PLC 成为用于智能电网应用(如智能抄表、照明控制、太阳能、插入式电动车以及家庭和楼宇中的供暖、空调和安全系统)的首选技术之一。问题是电力线本身噪声很大,开发高效PLC实施也会遇到诸如数据可靠性等的困难。

  C:新能源并轨:

  当今社会,能源紧缺是各个国家遇到的共同问题,可再生能源和替代能源的利用与转化受到大家的青睐。通过评估太阳能到电能的转换以及适应未来需求的新型半导体材料,从而提高电力密度以及电压和效率等级的可行性。

  能量收集系统包含能量收集模块和处理器/发送器模块。能量收集模块从光、振动、热或生物来源中捕获毫瓦级能量。可能的能源还来自手机天线塔等发出的射频。连接至电网的光电 (PV) 安装通常采用串联至串逆变器的模块阵列。利用专用于每个模块的 DC-DC 转换器补充传统串逆变器,使单个模块可收集更多能量的新兴系统架构。

  D:电网基础设施:

  保护继电器在从发电到输配电等电网基础设施的各个环节上很常见,它们能够让运营商在不同的点监视和控制电网,两大主要功能是测量和保护。在现代保护继电器中,通信也是解决方案的必要组成部分,能够让运营商远程监视和运行电网基础设施。保护继电器输入通常是来自线路传感器的电流和电压,以及来自电网网络中其他相关设备的任何通信。输出包括向断路器发送的信号(打开或关闭)以及与电网网络的通信。当保护继电器检测到故障时,它会命令断路器将经检测发生故障的线路置为开路,从而为保护继电器下游线路的一切提供保护。在测量精度以及响应速度上,需要工程师做更多的技术支持。

  E:电表与监测:

  配电自动化和用户信息采集,一直以来是电力系统发展最薄弱的环节,也是电网实现智能化的关键。配电自动化包括各种采集控制终端采集信息的上传和主站控制命令的下达;用户信息采集包括用户用电信息的上传以及采集指令的下达。这些终端包括数据集中器、智能电子式电表、电能质量检测仪、水表、热量表等。

单相本地费控智能电表

预付费型智能单相代码表

  例如传统的智能电表是由用户交费对智能IC卡充值并输入电表中,电表才能供电,表中电量用完后自动拉闸断电,新型的智能电表目前以完美实现网络购电,就像手机充值一样简单。除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外,为了适应智能电网和新能源的使用它还具有用电信息存储、双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能,智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。

  电能质量或电能保护监测仪常用于许多工业环境中。现在,小型设备同样可供家庭使用。它们使操作人员既能够监视电力线的扰动,还能监控某个建筑、机器或设备的用电情况。在某些情况下,可通过调制解调器或高速通信线对设备功能进行远程监视和控制。

  各种传感器负责收集重要电站设备的性能和状况信息,例如变压器和电路断路器,并负责存储数据以供将来参考使用。这些分时数据将用于执行特定功能并为操作员、维护计划员和工程师提供决策指导。

  三、 总结:

  智能电网不是终点,而是一个过程。智能电网的建设既是逐步使电网具有智能化的过程,也是复杂的系统工程,需要一系列新技术、新设备的支撑,必须在新技术研究和新设备制造方面取得突破。物联网技术的应用和智能城市的发展将给智能电网建设带来不可忽视的影响,对此也必须密切跟踪和深入研究。

  目前国际上关于智能电网标准体系的研究最具代表性的是国际电工委员会(IEC)、美国国家标准技术研究院(NIST)、美国电气和电子工程师协会(IEEE)。我国“十二五”期间将建成“三纵三横一环网”的特高压交流线,并建设11回特高压直流输电工程,形成以华北、华中、华东为受端,以西北、东北电网为送端的三大同步电网,使电网的资源配置能力、经济运行效率、安全水平、科技水平和智能化水平得到全面提升。

  国家电网公司以能量流和信息流为主线绘制了技术标准体系概念模型:综合与规划;

  智能发电;

  智能输电;

  智能变电;

  智能配电;

  智能用电;

  智能电网调度;

  通信信息。

  总之,在绿色节能意识的驱动下,智能电网成为世界各国竞相发展的一个重点领域,理念初步萌发形成,成为全球电力工业应对未来挑战的共同选择。我国电力工作者应顺应形势变化,把握历史机遇,响应国家节能减排的号召,加快信息化、智能化建设的步伐,我坚信祖国一定会成为世界智能电网理论与实践的引领者!

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