智能電網：IT和特高壓輸電“雙劍合壁”

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1 能源、新能源、綠色能源　　

能源是人類賴以生存的物質基礎，是現(xiàn)代經濟社會發(fā)展的重要保障。專家認為，在能源領域，新的科技革命的焦點，一是新能源的利用，二是將信息技術用于能源產業(yè)。美國總統(tǒng)奧巴馬就職后，打出振興經濟的王牌，就是新能源計劃，用信息技術對電網進行徹底改造，優(yōu)化電網的運行和管理。

能源發(fā)展面臨的第一挑戰(zhàn)，是以可再生能源逐步替代化石能源，建造能源使用的創(chuàng)新體系，以信息技術改造現(xiàn)有的能源利用體系，最大限度地開發(fā)電網體系的能源效率。

當前，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展成為各國關注的焦點。報載：全球協(xié)力向綠色能源領域進發(fā)。諸如：美國加利福尼亞州洪堡灣即將興建全美首個大型海浪發(fā)電站；蘇格蘭計劃開發(fā)潮汐發(fā)電為數據中心供電；以色列開發(fā)高效低價碟式太陽能系統(tǒng)；韓國建設最大生物氣體發(fā)電設施；而英國宣布新建燃煤電廠須“填埋二氧化碳”。基于全球能源短缺及人類對環(huán)保的渴望，各國政府對綠色電力的開發(fā)給予大規(guī)模的投資支持，科學家們更是絞盡腦汁，設想了許多非同尋常的發(fā)電招數。一方面想方設法降低傳統(tǒng)發(fā)電方式的污染，一方面加快對那些過去在人們視線中非主流發(fā)電領域的研發(fā)，包括提高發(fā)電效率并同時降低成本，最終將其送入商業(yè)化運營的軌道。同時，道路發(fā)電、綠葉發(fā)電、體溫發(fā)電……，這些少有所聞的發(fā)電方式，如今也一步一步地悄悄走向人們的生活。

中國是世界能源消費的第二大國，但能源利用效率比世界水平低10個百分點。資料顯示，2008年我國全社會用電總量近35000億千瓦時，輸電、配電和用戶端損耗約9%，每年線路損耗約3000億千瓦時，折合1.5億噸原煤，相當7000萬千瓦裝機容量、3000億元的電源投資和3000億元的電網投資。實現(xiàn)電網信息化之后，每年在輸、配、用電等環(huán)節(jié)即可節(jié)約5%-10%的電力資源，節(jié)省價值近2000億元。在可再生能源發(fā)電方面，我國也啟動了多項863高技術研究發(fā)展計劃項目，如：以煤氣化為基礎的多聯(lián)產示范工程，兆瓦級并網光伏電站系統(tǒng)，太陽能熱發(fā)電技術及系統(tǒng)示范等項目。

新一輪能源產業(yè)革命的號角業(yè)已吹響，可持續(xù)能源已經進入產業(yè)化競爭階段。其中，智能電網是新能源發(fā)展的重要技術支點。

2 智能電網，蓄勢待發(fā)

電網是國民經濟和社會發(fā)展的重要基礎設施。隨著經濟社會的快速發(fā)展以及信息、通信等技術的進步和廣泛應用，智能化已成為世界電網發(fā)展的一個新趨勢。智能電網的核心技術是數字化電網、分布式能源系統(tǒng)、信息化家電和儲能式混合動力交通工具。無疑，美國在這方面進行了大量技術準備。

2.1 美國的研究及實踐

鑒于發(fā)展智能電網對保障能源安全、提高能源效率、改善能源結構、提升服務水平都具有重要作用，有些國家已將其納入國家能源戰(zhàn)略，有的將其作為應對當前國際金融危機的重要舉措。在美國總統(tǒng)奧巴馬簽署的高達7870億美元的經濟刺激計劃中，就安排了1200億美元用于基礎設施建設，包括大規(guī)模建設智能電網。

歐美各國對智能電網的研究開展較早，且已形成強大的研究群體。美國主要關注電力網絡基礎架構的升級更新，同時最大限度地利用信息技術，實現(xiàn)系統(tǒng)智能對人工的替代。奧巴馬總統(tǒng)復蘇經濟的計劃有6方面重點,綠色能源中的智能電網和智能建筑、以電子健康檔案為中心的現(xiàn)代醫(yī)療保健體系、21世紀教室試驗室和下一代寬帶網等,都貫穿一條思路：以信息化投入帶動當前緊迫問題的解決,促進經濟復蘇，同時又著眼于長遠國家競爭力的提升。

僅就能源利用而言，智能電網和智能建筑是開源節(jié)流的兩方面。據估計，現(xiàn)代化的數字電網將使美國能耗降低10%，溫室氣體排放量減少25%，并節(jié)省800億美元新建電廠的費用。《紐約時報》刊文稱，有研究結果表明：僅使用數字工具設定居家溫度及融入價格信息，能源消耗每年可縮減15%。根據建筑節(jié)能原理測算，只需要1/4的能量，就能達到現(xiàn)在的舒適程度，而且自然環(huán)境會變得更好。可以說，“能源效率和能源節(jié)約是未來能源發(fā)展的關鍵，智能電網技術將更好地管理、節(jié)約和監(jiān)控能源使用?！?/P>

2.2 中國的步伐舉足輕重

隨著我國特高壓電網的建設和電力體制改革的不斷深化，智能電網也將成為我國電網發(fā)展的一個新方向。

我國智能電網由IT和特高壓輸電“雙劍合壁”而成。以堅強網架為基礎，以信息通信平臺為支撐，以智能控制為手段，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務流”的高度一體化融合。智能的基本特征是能夠實現(xiàn)信息化、數字化、自動化、互動化，主要依靠信息平臺的建設和信息通信技術實現(xiàn)。目前，我國大電網安全運行控制能力和調度技術裝備水平居于國際領先地位；形成了以光纖通信為主，微波、載波等多種通信方式并存的通信網絡格局，以SG186工程為代表的國家電網信息系統(tǒng)建設取得階段性成果。這些為智能電網的發(fā)展奠定了技術基礎。

引入特高壓輸電后，電網控制中心需要專門技術進行安全和經濟目標的協(xié)調：需要更長時間來優(yōu)化經濟目標，還需要在更廣泛的空間范圍來考慮安全約束目標。隨著進行安全分析的電網規(guī)模擴大，為滿足實時應用的要求，就需要更高性能的計算機、更多計算機組成集群、更智能的多代理技術來實現(xiàn)。智能電網不僅要求物理電網本身智能化，也要求電網企業(yè)的管理實現(xiàn)智能化。智能電網不僅是單純的技術問題，其建設還需要大量的基礎設施投入，這能夠帶動信息技術等相關產業(yè)發(fā)展。

智能電網也并非神秘事物，而是對數字化、信息化等高科技技術的綜合應用。在中國，工業(yè)和信息化整合已成趨勢，電子信息產業(yè)振興計劃將提升各行業(yè)信息化水平。整合和集成企業(yè)資產管理和電網生產運行管理資源，從而為電網發(fā)展提供全方位的信息服務，這是發(fā)展智能電網的內在動力。通過建設堅強智能電網，實現(xiàn)各類電源和用電設施并網接入標準化和電網運行控制智能化，提高電力系統(tǒng)資產的運營效益，提高電能質量和供電可靠性，創(chuàng)新商業(yè)服務模式，提升電網與客戶增值服務水平。

電力行業(yè)需要滿足建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的要求。到2020年，中國將全面建成統(tǒng)一的堅強智能電網，使電網的資源配置能力、安全穩(wěn)定水平、以及電網與電源、用戶之間的互動性得到顯著提高。堅強智能電網在服務經濟社會發(fā)展中將發(fā)揮更加重要的作用。然而，堅強智能電網目標宏大，決不可能一蹴而就。在智能電網的探索之路上，中國的步伐舉足輕重。

3 江河之上，璀璨明珠

水，最古老的能源之一，也是最早用來發(fā)電的能源之一。水電是最具規(guī)模發(fā)展的清潔可再生能源，在維護國家能源安全、優(yōu)化能源結構、保障電力供給、提高供電質量、減少污染物排放、保護生態(tài)環(huán)境、發(fā)展區(qū)域經濟等方面，水電具有不可替代的作用。我國水能資源得天獨厚，總量居世界第一；從2004年起水電裝機容量就雄居世界首位。那奔騰不息的江河世世代代造福人類，而聳立在江河上的大壩猶如一座座豐碑，銘記中國水電建設的輝煌。

福建水口水電廠裝機容量140萬千瓦，是國家“七五”期間興建的華東地區(qū)最大的常規(guī)水電廠，工程概算總投資85億元。截止2008年年底，累計發(fā)電788億千瓦時，創(chuàng)產值213.6億元，為推動福建電力發(fā)展、服務海西經濟區(qū)建設做出了巨大貢獻。

3.1水電廠智能化

3.1.1 持續(xù)改進，不斷提升裝備能力，夯實安全生產基礎

投產初期，水口水電工程遺留的缺陷比較多，經逐年大修、技改和科技投入，提高了設備健康水平，運行環(huán)境明顯改善，高可靠性、高自動化程度、少維護、少干預的現(xiàn)代化裝備水平初具規(guī)模。

本著優(yōu)質、先進、求實的原則，大膽地選用國內外先進成熟的設備和新技術。充分發(fā)揮、利用科研機構和高等院校的技術優(yōu)勢，以多種形式加快先進技術的應用。設備更新改造與整治完善并舉，堅持安全性和可靠性第一、先進性和實用性相結合的原則（優(yōu)化配置），不斷提高設備健康水平和電廠綜合自動化水平。投產12年期間，水口水電廠共投入科技、技改兩項費用愈4億元。

3.1.2 總結經驗，積極推行無人值班，開創(chuàng)水電廠現(xiàn)代化管理模式

水口水電廠運行管理模式走過了從“分散值班”到“集中值班”、“機電合一”、“無人值班”（少人值守）的發(fā)展之路。

投產發(fā)電以來，電廠依靠科技進步，對機電設備進行了大量有針對性的改造和完善，全廠設備可靠性和綜合自動化水平有很大提高。計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本滿足了電廠運行和電網調度的要求；大壩自動觀測系統(tǒng)、水情自動測報與水庫調度自動化系統(tǒng)以及工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)都比較完善；水電廠管理信息系統(tǒng)已實用化；對設備狀態(tài)監(jiān)測、診斷與狀態(tài)檢修也有一定的實踐和探索，這些都為“無人值班”（少人值守）打下了良好的基礎，同時在人員培訓和管理制度建設方面也取得了顯著的成效。2000年5月，水口水電廠通過國家電力公司“無人值班”（少人值守）驗收。在實現(xiàn)“無人值班”（少人值守）近10年的基礎上，進一步實現(xiàn)水電廠無人值班的各項要求，開創(chuàng)常規(guī)水電廠無人值班的現(xiàn)代化管理新模式。

3.1.3 在線監(jiān)測，逐步開展設備狀態(tài)檢修，提高水電廠綜合實力

水口水電廠率先應用在線監(jiān)測技術，已達12年之久。產學研聯(lián)合構建的PSTA2003狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)，以實用性和先進性為基本設計思想，以技術創(chuàng)新為手段，側重工程實際和降低對使用者的專業(yè)能力要求，針對現(xiàn)場需求，全新設計了軟件模塊和用戶功能界面。PSTA2003系統(tǒng)的建立和成功應用，為狀態(tài)監(jiān)測行業(yè)和水電機組的狀態(tài)檢修工作，提供一個更完善和簡捷的實現(xiàn)思路，其強大的網絡化結構和自動狀態(tài)報告制作能力也為狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實用化指明了設計方向。

必須總結經驗，充分利用監(jiān)測設備和診斷技術，收集和積累設備的狀態(tài)信息進行系統(tǒng)分析、診斷，結合設備實際情況，科學合理地制定檢修計劃，以提高設備安全性、可用性、經濟性，進一步提高水電廠運行檢修的綜合管理水平。

3.2 開源節(jié)流

智能電廠的首要作用是節(jié)能。創(chuàng)建“能效機組”，促進節(jié)能工作。通過節(jié)水多發(fā)電，包括水庫汛限水位動態(tài)控制、按最大出力運行等先進技術，以及采取各種節(jié)能措施降低廠用電率，以其多發(fā)的或節(jié)省的電能“計算”為該虛擬機組的發(fā)電量。

水口水電廠水能利用提高率多年平均為14%，即每年節(jié)能電量約6.5億千瓦時。其次，7臺20萬千瓦機組按最大出力（23萬千瓦）運行，可增容15%，年增發(fā)電量約2億千瓦時。這不僅能充分利用水能資源，增加發(fā)電效益，而且能提高系統(tǒng)調峰、調頻和事故備用容量。再者，基于全廠電能集中管理系統(tǒng)，搞好電量平衡，促進節(jié)電降耗工作，采取一些綜合措施后，主變壓器冷卻器的節(jié)能效果初見端倪。

3.3 水電廠仿真系統(tǒng)

水口水電廠仿真系統(tǒng)的研究開發(fā)，始于二十世紀末，應用于二十一世紀初。該系統(tǒng)是目前國內水電廠唯一建設的仿真系統(tǒng)。除了滿足深層次的培訓要求，實現(xiàn)水電站的全范圍仿真和高效的全工況培訓，又可以在一定程度上作為原型運行狀態(tài)的參照，為電廠的安全經濟運行服務，還將拓展為大型水電廠仿真培訓中心。

系統(tǒng)具有以下主要特點：

a．逼真度。采用動態(tài)數學模型，計及水輪發(fā)電機組及其調速器、勵磁調節(jié)器的實際參數和慣性環(huán)節(jié)，按照傳遞函數以不同的階次構成描述系統(tǒng)機電過程的精確數學模型，可以計算各種運行狀態(tài)下引水系統(tǒng)、機組系統(tǒng)的實時物理參數，逼真地反映受到各種大小干擾后的過渡過程，全面仿真電站運行中的系統(tǒng)狀態(tài)。

b．實時性。在各種運行狀態(tài)下，從儀表或顯示器上觀察到的全部操作或故障（事故）的響應時間，與原型系統(tǒng)同樣行為的時間相一致。

c．魯棒性。仿真系統(tǒng)的拓撲變化，停、送電部分的不同，以至電力系統(tǒng)的解列不會影響仿真機運行的連續(xù)性，不會中途中斷，更不需要重新啟動；故障設置不以必須恢復至正常工況為前提，即使所仿真的系統(tǒng)崩潰也不會造成“死機”。