智能用电互动体系构架探讨 .pdf
《智能用电互动体系构架探讨 .pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《智能用电互动体系构架探讨 .pdf(7页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、组成的广域 量测 系统 WAMS(wide area measurement system)实现了自适应的广域闭环控制。截至 2009 年我国在东北、华北、华中、江苏、华东、河南、云南、贵州、广东、南网各处投入了 1000 多处 PMU 节点,建立了10 多个 WAMS 中心站,基本覆盖 500KV 变电站和主要发电厂,超过美国在该方面的进展。 高校方面也有多家单位正在开展智能电网相关领域研究工作,如清华大学韩英铎院士率领的团队在广域电网监控方面的研究方面取得了一定成果,帮助南网解决了广域阻尼控制工程中的关键技术问题,与四方集团合作提出了基于广域信息的电力系统安全预警、防御和控制系统构建方案。
2、天津大学余贻鑫院士率领的团队在分布式发电功能系统方面的研究取得了一定的进展,提出了将太阳能、风能、小型水能等分布式发电功能系统以微网形式接入大电网的技术思路,用于提高能量传输效率及电力传输稳定性与可靠性,提高电能质量降低成本。 总体来看,目前国外智能电网研究 侧重于分布式能源的接入和发电用电侧的互动,我国智能电网的研究工作侧重于大电网系统的信息获取与稳定控制,这与我国电力网络耦合性强的特点有关。 3.2 电网信息系统现状及主要问题 现有电网信息系统(电力二次系统)主要指电力调度自动化网络及其构成的能量管理系统EMS(Energy Management System)、配电网管理系统DMS(Di
3、stribution Management System)和广域监控系统 WAMS。能量管理系统主要包括数据采集监控系统 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)、自动发电控制系统 AGC(Automatic Gain Control)及电力状态估计系统等;配网管理系统主要包括配电自动化系统 DAS(Distribution ?期 作者名等:论文题目 5 Automation System)、地理信息系统 GIS(Geographic Information System) 及需求侧管理系统DSM(Demand Side Managemen
4、t)等;而广域监控系统则由同步相角测量单元 PMU 构成,实现对电网主要数据的实时采集。其中 EMS 和 DMS 系统均依赖于远程控制单 元 RTU 及其构成的数据采集监控系统 SCADA,其主要问题是 SCADA 系统的数据采集时间过长,达到 分 秒级,无法满足实时性要求高的应用如电网广域控制、能量调度等。 WAMS 系统的响应时间虽在百毫秒量级,但 WAMS 系统依赖于电力专网构建,投入成本较高,目前国内110KV 电压等级以下无 PMU 节点部署。此外,现有电网信息系统只 针对 发配电场站、大功率用电设备进行数据采集和控制,无法获取负荷的实时信息,能量调配还基于离线预测。这样就造成了现有
5、电力网络临的四个主要问题:一是电力系统重要参数随机、时变、不可观,造成电力系统预测 和调度困难;二是输电线路的真正输电极限未知,往往靠大的保守度换取可靠性,造成线路利用度低;三是对于远距离输电中的故障无法准确获知故障信息,如故障地点和严重程度,往往采取试探办法应对故障,造成设备大量冗余;四是电力系统有功无法存储,无功无法动态平衡,负荷无法互动,热备用造成浪费。 为了解决以上问题,需要增加大量的传感设备,如智能电表、 PMU 单元等,而传感设备的增加意味着实时数据量的增大,解决大数据量下的电力系统数据实时传输和处理则需要利用先进的信息、通信、网络和计算技术,这正是智能电网信息系统需要解决的问题。
6、 基于此,我们提出智能电网信息系统体系结构如下。 3.3 智能电网信息系统体系结构 我们提出智能电网信息系统的体系结构,如图2 所示,主要包括智能电网信息系统基础设施、智能电网信息系统支撑平台与智能电网信息系统应用系统三个部分。 智能电网信息系统基础设施主要指构建智能电网的硬件基础,而智能电网信息系统支撑平台主要指构建智能电网的软件基础架构,在此之上则是实现智能电网建设目标的各类应用。下面将以此分别对上述三个平台进行阐述。 4 智能电网信息系统基础 设施 智能电网信息系统基础设施是构建智能电网的硬件基础。包括电力系统的各主要环节及控制、量测设备以及通信网络。 4.1 电力系统控制和量测设备 首
7、先简单介绍电力系统的组成,电力系统主要由发电、输电、变电、配电、用电和调度 6 部分构成 16。发电环节包括传统的水电、火电及新的核能、风能、太阳能发电,针对发电环节的控制主要有面向发电机的频率调节、电压幅值调节、同步相位及有功无功功率调节,发电机的输出电压一般在11 至 35KV 范围内。输电环节将电网系统中的主要发电机和负荷中心连接在一起,构成电网系统的主干网络,通常运行在最高电压等级(如 220KV 以上) 17。常用的输电技术有高压直流输电和柔性交流输电。变电环节完成电力的二次分配过程,连接变电站和配电站,一些大型工业负荷可能会直接接入变电系统。变电系统的电压等级一般在 69KV至 1
8、38KV 之间 17。通过对于变电站的变压比和无功补偿设备,电网系统可以对电网的无功功率和电压进行控制 18。配电环节最终完成电能到个人用户之间的转换,配电系统分为一次配电系统和二次配电系统,一次配电系统主要供应小型工业用电,电压等级在 4 至 34.5KV,二次配电系统则用于居民和企业用电,电压等级在 120V 至 240V 之间。 电力系统量测设备是构建智能电网的基础,智能电网的实现依赖于传感器的应用和部署,目前智能电网中的传感器包括电网运行维护 量测系统和电源侧 电网侧 用电侧 智能电网信息系统应用体系 数据与存储 分析与决策 智能电网信息系统 支撑平台 传感与量测 控制与执行 量测设备
9、 电力系统 控制设备 智能电网信息系统 基础设施 通信与网络 图 2 智能电网信息系统体系结构示意图 6 计 算 机 学 报 20?年 个人用户量测系统两类。其中电网运行维护量测系统主要用于采集电力系统单元如输配电线、电厂、电动机侧的电气信息,常用的如 SCADA 系统的 远程 终端 装置 RTU(Remote Terminal Unit)43 和WAMS 系统中的 PMU45。 RTU 单元具有量测、通信、控制等多种功能,该量测 单元 被广泛应用于能量管理系统( EMS) 中,但其主要不足是数据采样频率较低,无法及时获取电网运行的动态信息;各 RTU 单元无同步时钟,获取到的数据不同步 。相
10、对于 RTU 单元, PMU 增加了相角测量;具备 GPS授时单元,测量精度更高; 同时 测量频率更高,在几十毫秒量级。 而个人用户量测系统主要用于测量个人电力使用情况,如智能电表。智能电表( Smart Meter)的主要功能在于通过获取用户各项不同用电设备的用电数据,并结合电网运行的情况进行分析,给用户提供省电节能的建议,信息流双向传递。智能电表应该具有如下功能 20:双向通信;自动数据采集;断电管理;动态计费管理;需求响应用于负载控制。 表 1 智能电表设计方案 目前,在智能电表研制领域,存在两种主要思路 19:一是采用多个采集设备直接对用电器的数据进行采集;二是采用一个采集设备采集数据
11、,再用分类算法对数据进行辨识。其中第一种思路的缺陷在于每个电器都需要安装传感设备费用较高, 部分用电器安装困且需要额外的通信协议及设备对数据采集进行支持。相对而言,第二种思路的成本较低,主要基于模式识别算法对用电器的用电特征进行分类,从而分析得出 不同用电器的用电情况。对于第二种方法,利用传感器获取哪类数据变得至关重要,因为特征的选取对于模式识别算法的效率的影响很大。目前,已有的设计如表 1 所示 19。 电力控制设备是实现智能电网目标的载体,电网系统的主要工作参数是频率、电压、相位、有功功率、无功功率。为实现对于以上参数的控制,电网系统的控制对象包括各级发电单元、输变电系统、配电系统。主要控
12、制设备有 RTU 单元及各种智能电子设备( Intelligent Electronic Device, IED)。 4.2 电力系统通信网络 通信 网络 是智能电网 的重要基础设施。智能电网中的广域量测系统 WAMS,广域保护系统WAPS(wide area protection system),广域控制系统WACS(wide area control system)等都依赖于通信构架。由于电网系统存在多样性和分散性的特点,目前电网系统尚无统一的体系构架。综合考虑智能电网目前的组网方式及未来的应用需求,我们认为智能电网通信网络体系自底向上的构架图如图 3 所示 : 按照智能电网底层量测单元的
13、不 同,智能电网通信组网也可以看成两部分:一是由电网状态量测单元 PMU、 RTU 构成的电力状态监测网络,该网络特点为局域范围内节点数量较少。二是由个人用户量测单元构成的信息网络,该网络的特点是节点数量大,可扩展性要求高。 4.2.1 个人用户网络 个人用户量测单元往往先通过局域网进行连测量方案 优点 缺点 有功功率及无功功率 大功率电器特征相差较大,利于区分 1 不适于小功率电器 2 相似电器无法区分 3 实现复杂,需同时测用功和无功功率 电流大小及启动特征 设计简单;容易区分相似电器; 1 对大电流电器测量不准确 2 需要专业人员安装 瞬时电压噪声特征 1安装便利,任意插座都可用于安装;
14、2可以用于区分同类电器 1 每一个用户需要重新训练 2 需要高采用率( MHZ 以上) 测量连续高频电压特征 需要较高的采样频率( 50500KHZ) 覆盖网 P2P 广域:光纤、卫星、 BPL、 PLC 等 局域:无线、 BPL 等 PMU RTU Smart Meter 智能电网量测单元 信息中心网络 ICN 智能电网应用网络 IEC61850、 IEC61970 等 智能电网组网技术 Zigbee、 OpenHAN 等 智能电网通信协议 图 3 智能电网通信网络系统 ?期 作者名等:论文题目 7 接,再接入广域网 21。由智能电表连接组成的局域网包括家庭局域网 HAN(Home Area
15、 Network)和邻域局域网 NAN( Neighborhood Area Network),可用的组网方式有无线网络 21和宽频电力线传输BPL(broadband over power line)网络 22。其中利用无线网络构建智能电网个人用户局域网已有成型的协议,已有标准包括 Zigbee4协议和 OpenHAN5协议。上述两种协议均运行于 IEEE802.15.4 无线网络标 准基础之上。 Zigbee 协议是无线传感器网络中的一种常用组网技术,多用于低速短距离无线网络构建,文献 23给出了一种基于 Zigbee 构建个人用户局域网的方案。 OpenHAN 则是针对家庭电力系统专门设
16、计的一种无线网络组网协议, 2008 年由开放智能电网用户组 OSGUG(Open Smart Grid Users Group)发布了第一版组网需求说明文档并于 2010年进行了修订。构建个人用户局域网的组网结构有星型网络和网状 (mesh)网络两种 21。其中星型网络的主要缺点是中央节点负担重,存在单点失效问题;而网状网络多见于无线传感器网络的构架,由于其较好的自愈特性,实际也多采用网状网络构建个人用户电力信息网,但临近集中节点( Access Point)的节点是网状网络的瓶颈。 4.2.2 电力主干通信网 智能电网主干通信网组网方式可以分为两类24,第一类是电力网络和信息网络结合的构架
17、方式,即通信载体本身是电力网络中的元素,包括基于电力线的通信 PLC(power line communication),宽频电力线传输 BPL(broadband over power line),光纤架空地线复合缆 OPGW( optical power ground wire)及全介质自承式架空光缆 ADSS(All Dielectric Self Supporting)。第二类是智能电网信息网的构架与电力网络分离,即采用额外的网络构架电力系统信息网。而这种模式下也存在 不同的信息网构架方式,大致可以分为三种 25,即采用光纤,无线信号及租用带宽。目前比较通用的做法是主干网络采用光纤搭建
18、,边缘网络利用无线方式进行传输。 采用电力网络元素构建信息网的模式有利于节约成本,但容易造成电力系统和信息系统互相耦合,电力网络的故障将导致信息网络的故障。而分离模式则可以解决上述问题,使智能电网信息网构架更加自由,但分离模式下信息网必须另外选择传 http:/en.wikipedia.org/wiki/ZigBee http:/en.wikipedia.org/wiki/OpenHAN 输载体,需要在成本和传输性能上进行平衡。特别是电力系统 设备分布范围广,一些偏远地区不具备构架光纤或无线网络的条件,需要额外传输方式,已有方案比如基于认知无线电 CR( Cognitive Radio) 25
19、的传输构架模型,认知无线电的好处在于能从特定区域的频段中找出适合通信的空白频谱,在不影响已有通信系统的前提下利用传输带宽。 IEEE802.22 协议定义了空白频谱搜寻方式。目前 802.22 协议已经在电视频谱中得到了部署 , 通过CR 技术利 用 电视空白带宽,因此可用于在偏远地区构架 信息网络。 已有的电力系统网络通信协议包括 IEC60870、IEC61850 及 IEC61970 协议组,由于上述协议组主要增对不同类型的数据网络而构建,因此本节不做描述,在第 6 节中再进行说明。 4.2.3 智能电网通信网络主要指标 智能电网通信网构建最主要的两个指标是网络的稳定性和网络延时。不同的
20、网络构建方式必然导致不同网络特性,如何选取智能电网通信网的构建方案是智能电网研究领域的一大重要问题。 探讨智能电网网络延时及稳定性问题有两个思路,一是从网络拓扑及协议本身的角度出发进行研究,如文献 2627研究了在分离信息网构架模式下采用专用带宽和共享带宽模式下的网络性能及其影响因素。二是从信息论的角度出发研究智能电网的传输性能,如针对智能电网无线通信所需的信道容量以保证安全通信的需求的分析 28。 在网络性能分析的基础上,考虑 电力系统通信延时对 控制性能的影响 则是网络化控制系统需要解决的问题29,但目前的网络化控制系统通常针对单一网络进行分析 ,不具有推广性 。 前文提到,目前电力信息网
21、络通常采用专网搭建,但 由于专用带宽部署的成本制约,专用带宽往往不能很大,而在这种情况下采用共享带宽模型往往能获得到更大的信道容量,也即意味着更好的传输延时性能,但问题在于共享带宽模型下延时的稳定性受网络条件的影响较大,如果背景噪声比例高,则网络延时和丢包都会迅速上升。 文献 26基于 TCP/IP 搭建了智能电网 WAMS 和 WAMC 模型,并分析了在共享带宽模式下加入背景噪声和 QoS机制后的网络延时和丢包情况。同时还针对共享带宽模型下不同带宽的情况进行了比较。 目前我国智能电网采用的是专网构建模式,但由于成本限制,仅限于 220 千伏及以上电压等级。如何在共享带宽8 计 算 机 学 报
22、 20?年 网络情况下保证传输的实时性和稳定性将是一个难点。 而对于个人用户量测网络来说,其特点是网络节点数量大, 但单个节点的数据量有限 , 此外网络多采用无线 方式构建 ,如何收集这些数据并保证数据的实时性是智能电网需要解决的问题。 文献 30针对个人用户量测系统提出了一种基于压缩传感技术的智能电表量测系统模型,采用无线接入的方法,讨论了不同信噪比和不同传感器数量下量测系统的时延特性。 另一方面,随着广域监控节点的逐渐增多,已有的电力信息网络逐渐无法满足系统需求,同时大数据量对带宽造成的压力还容易造时延的增加。 如果能对电力系统原始数据本身作压缩,则可以降低系统对带宽的需求。 文献 31针
23、对电网运行维护量测系统提出了一种基于矩阵奇异值分解的量测系统模型。通过分析电网连接的耦合层度来判断哪些数据是需要在区域之间进行传输的, 从而降低了需要传输数据的大小 。 智能电网通信传输研究与传统信息论研究主要的主要区别在于系统的动态性较强 28,而智能电网传输通信难点在于其对于网络延时大小及时延的稳定性要求较高,传统的电 网通信控制系统如SCADA 系统面临的主要问题就849.915 利润总额 万元 3290.096 净利润 万元 2467.577 所得税 万元 1.098 增值税 万元 453.819 税金及附加 万元 143.3510 纳税总额 万元 1419.6811 利税总额 万元
24、3887.2512 投资利润率 39.60%13 投资利税率 46.79%14 投资回报率 29.70%15 回收期 年 4.8716 设备数量 台(套) 11417 年用电量 千瓦时 860933.65泓域咨询MACRO/ 通讯设备接口嵌入式控制器项目投资备案报告18 年用水量 立方米 7670.8919 总能耗 吨标准煤 106.4720 节能率 29.91%21 节能量 吨标准煤 33.6222 员工数量 人 263第二章 建设背景分析一、项目建设背景1、十八大以来,我国坚定实施创新驱动发展战略,深化体制机制改革,特别是“放管服”改革,优化营商环境,推进大众创业万众创新,不断激发全社会的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 智能 用电 互动 体系 构架 探讨