1

智能电力系统与智能电网（ Smarter Power Systems and Smart Grid ）

清华大学电机系清华大学电机系

卢强卢强20112011 年年 1111 月月

2

一 、国外如何理解“智能电网”（ Smart grid，Mr.Obama ）

美国电科院（ EPRI）的“定义” “ A power system made up of numerous automated transmission and

reliable manner.

A power system that handles emergency conditions with ‘self-healing’ actions and is responsive to energy-market and utility business–enterprise needs.

A Power system that serves millions of customers and has an intelligent communications infrastructure enabling the timely, secure and adaptable information flow needed to provide reliable and economic power to the evolving digital economy .

from EPRI : http:// intelligrid.info

归结 :

有愿望，没有解决思路 !

归结 :

有愿望，没有解决思路 !

3

欧洲技术论坛的定义 A Smart Grid is an electricity network that can intelligently integrate the actions of all users connected to it – generators, consumers and those that do both –in order to efficiently deliver sustainable ,economic and secure electricity supplies

一、 国外如何理解“智能电网”（ Smart grid，Mr. Obama ）

归结：一个能把用户与分布式发电厂聪明地整合在一起的，提供 经济和安全电力的电网称为 Smart Grid 用智能（ intelligent ）去定义智能（ Smart ），同意语的 重复，违反了定义的基本原则，说明没搞懂。

归结：一个能把用户与分布式发电厂聪明地整合在一起的，提供 经济和安全电力的电网称为 Smart Grid 用智能（ intelligent ）去定义智能（ Smart ），同意语的 重复，违反了定义的基本原则，说明没搞懂。

4

综述美欧观点可见

• Smart grid 重点放在用户侧监控，重在配、供电网，将分布式发电加以集成，向用户提供安全、经济电能

• 有目标 ---- 经济、安全，但无总体解决思路

• 似乎信息畅达，用户与分布式发电站互动，就是智能电网

• 无人敢于直接提出：实施电力系统智能调度这个核心问题（ Smarter EMS， SEMS ），看成是遥远未来。

5

二、究竟什么是智能电力系统和智能电网

2.1 “ 智能”问题是一个“优化”问题

2.2 智能电力系统问题是一个多指标优化问题（ A multi-index optimization subject ）– 三大类指标：安全、优质、经济– 标准优化指标集合（ SOIS ） ： { 安全稳定、品质优良、经济节能 }

好——更好——最好 good——better the best

好——更好——最好 good——better the best

6

2.3 智能电力系统和智能电网定义

定义 1 ： 一个具有多指标自趋优运行能力的电力系统称之为智能电力系统。 A power system can be called as the Smart Power System, iff which possesses the operating ability to approach multi-index optimization automatically.

定义 2： 110kV 及以下电压等级的智能电力系统称之为智能电网。 定义 2： 110kV 及以下电压等级的智能电力系统称之为智能电网。

7

三、 多指标优化问题的解析数学一般表达式

综合指标：电压质量、频率质量、电压安全稳定性、频率 （功角）安全稳定性、网损最小化、…

How?

No Way ！巨型条件变分问题！

如何解决？唯有 HCS!

0( ) F ( )

i

n

ii

J x, y q x, y dt

s.t x = f(x, y,u)

0 = (x, y)

min

Lagrange’s method:

0( ) ( ( ) ( ))

i

n m

i j j ji=1 j=1

J x, y, q F x, y -x + f (x, y,u) dt

8

理念：由事件 E 激发控制 由控制 C 消除事件

Time base and Event driven

理念：由事件 E 激发控制 由控制 C 消除事件

Time base and Event driven

四、清华学派的理论和方法论

• 无科学的理念和方法论，实施电力系统多指标趋优就无从下手

用控制手段使 E 0

则 趋优化矣目的：消除事件集合 E

sX X全

X全SX

SX

s s

s

s

X X X

X E

X X E

全

全

若令

则

9

4.2 智能电网标准优化指标体系的制定

1 ）动态和静态安全稳定裕度 2 ）网耗的降低率

3) f , V 品质的改善度 4 ）投入资金的节约度

• 极大化

10

4.3 实现多指标优化运行技术途径

4.3-1 任意标准指标不满足 ( 事件 i)

4.3-2 自动调度机 （控制指令） 4.3-3 自动调度机 （一组操作指令） 4.3-4 去操作受控对象

iE

i iE Ci iC O

iO

•直调的水、火电厂 (AVC， AGC 协同作业 ) ，包括抽水蓄能电站。• 220KV、 110KV、 35KV及 10kV 变电站变压器分头 STATCOM 、 SVC、 SVG 分相补偿电容器等无功补偿设备。

•直调的水、火电厂 (AVC， AGC 协同作业 ) ，包括抽水蓄能电站。• 220KV、 110KV、 35KV及 10kV 变电站变压器分头 STATCOM 、 SVC、 SVG 分相补偿电容器等无功补偿设备。

• 微电网管理。• 电动车合理充放电。• 大中型用户的需求响应（包括智能小区、大宾馆互动或协约管控机制）。• 最好再增加一定容量的燃气轮机群作为响应备用（电源充足时 作动态无功备用）。• 切勿走入依赖“高能”蓄电池误区。拒绝某些国外商家“忽悠”。

• 微电网管理。• 电动车合理充放电。• 大中型用户的需求响应（包括智能小区、大宾馆互动或协约管控机制）。• 最好再增加一定容量的燃气轮机群作为响应备用（电源充足时 作动态无功备用）。• 切勿走入依赖“高能”蓄电池误区。拒绝某些国外商家“忽悠”。

11

4.4 紧急控制、防止灾变

• 2003 年，美国 8.14 教训不可不引以为训• 类似美国 8.14 ，若超高压或特高压线路突然中断

一切皆由在线的智能调度系统（ Smarter EMS， SEMS ）自动完成！

一切皆由在线的智能调度系统（ Smarter EMS， SEMS ）自动完成！

进入紧急控制状态

12

五、大网调中心层面智能调度自动化系统 （ SEMS ）结构图

跨 D-5000、 OPEN-3000及 CC-2000 平台采用 IEC61970及 IEC61850 标准的 Smarter EMS 结构

跨 D-5000、 OPEN-3000及 CC-2000 平台采用 IEC61970及 IEC61850 标准的 Smarter EMS 结构

例：

0.2秒

E南总C南总

0.2秒

DPSDPS

OK

大电网总调

省电网现有EMS

可视化服务 Ci Ei

PFOPF

E&CE?

分析与判断

先进状态估计

动态SCADA

0.2秒

标准指标体系

分 析 与 转 化 省电网状态估计数据与信息共享平台 1 2 mC O ,O , ,O O i i i i i

Oi

基于分布式计算及并行计算的 Testing platformOi

If Not

省 电 物 理 系 统

发电厂（含抽水）AGC+AVC

变电站分接头+补偿器

AVC（VQC）

分布式新能源及微电网

网络保护及自愈

用户双向电动车

功率因数

电价杠杆or

协议管控

PMU

DRTU

省调通中心数据共享平台

有

无

控制效果可视化

（

包括电压稳定域可视化

和实时网损可视化

）

13

六、对结构图的简单剖析

基于超实时仿真的控制策略测试平台

Control Strategy Testing Platform

Data from ASEU

控制效果不理想

控制效果好

i iE C

i iC O Operating ordersiO

•两级变换单元与控制策略测试平台

指令下发

D（先进状态估计单元）

14

• 6.1 动态数据共享平台 （ dynamic data sharing platform, DDSP ）

• DRTU (Dynamic Remote Terminal Units )• 由 2 秒 0.2 秒，带时标（满足实时控制要求）• PMU（ Phasor Measurement Units ）• 0.02 秒级——直传可视化服务单元 “ swing curves”

• 0.2 秒级——与 DRTU 时间尺度一致

六、对结构图的简单剖析

上与大网调，下与省调共享上与大网调，下与省调共享

t

x(t)

0

15

六、对结构图的简单剖析

• 6.2 动态 SCADA（ Dynamic Supervisory Control And Data Acquisition ）

• 由现在 2 秒一个 周期 0.2 秒一个周期• 一个飞跃式的进步

16

六、对结构图的简单剖析 6.3 先进状态估计系统与平台（ ASEU ）

• 上从大网调下至每个省级调，都有提高 SE 计算 收敛率，合格率的迫切需求。

• 在国网科技部和南网支持下，定于 2011 年研发成功

达到

收敛率 100%计算速度小于 次 /1 秒合格率远超过现有国内外所有状态估计方法可指明坏数据的来源，便于测量系统维护

收敛率 100%计算速度小于 次 /1 秒合格率远超过现有国内外所有状态估计方法可指明坏数据的来源，便于测量系统维护

• 状态估计结果可形成真状态数据共享平台• 状态估计结果可形成真状态数据共享平台

17

六、对结构图的简单剖析

• 6.4 发电厂与变电站的通信与受控器

• 直调燃煤电厂，装备一台采用国际通信规约的受控机• 水电站宜采用国际标准建立数字化水电站• 对 220KV枢纽变宜构建以 IEC61850通信规约的通

信机 + 受控机• 对微小型风电、太阳能、生物能微电网采用 IEC

TC57 WG17开发受控机

18

七、网、省、地三级调度皆需建立 SEMS

大网总调

省电力调通中心

…… NO.10地调

用户群、微电网

用户群、微电网

NO.n地调

NO.1地调

用户群、微电网

例：

19

• 如此一来：IT 计算机科学 电力系统知识、经验 创新方法论

创新控制理论 基层受控器 智能广域机器人（ Smart Wide Area Robot, S-

WAR ），在本质上，而不是体势上。

• 政、产、学、研多结合，有望“十二五”建成真正意义上的智能广域机器人（ S-WAR ）示范工程。

八、电力广域智能机器人（ S-WAR ）

20

九、若干重要问题探讨与建言

• 9.1 用户管理• 第一，以分时电价为杠杆引导合理用电，移峰填谷

作用巨大（试点分小时电价）• 第二，通过配网智能调度（ D-SEMS ）及用户智能

调度（ User-SEMS ），移峰填谷

建议：成立智能电网办公室下设“智能用户服务部”，与大宾馆、大中企业、智能小区、可再生能源与用户组合的微电网、农灌大中型泵站，电动车充放电管理站签约

建议：成立智能电网办公室下设“智能用户服务部”，与大宾馆、大中企业、智能小区、可再生能源与用户组合的微电网、农灌大中型泵站，电动车充放电管理站签约

节约归您，接受调度彻底消除煤电机组调峰现象

节约归您，接受调度彻底消除煤电机组调峰现象

21

九、若干重要问题探讨与建言

• 9.2 电动车蓄能充放电站

• 2020 年全国 3千万辆。

• 2kW / 辆， 2 个三峡！

22

九、若干重要问题探讨与建言

• 9.2-1 “钞票回收车”（ Cash-back car ）

集控站 无线公网

国际互联网

（车主可视图形及用电优化选择）

23

九、若干重要问题探讨与建言

• 9.2-2 “ 充”电站双功率接口 (Two Power interfaces)

• 一开始规划设计就考虑，不要建成后再改建• 一接口充电（车主买电）• 另一接口放电（车主卖电）

• 车内有智能仪表，电价向车主透明，车主自控； 或大型停车场、居民区停车场由 U-SEMS 集控

应超前考虑该专项技术应超前考虑该专项技术

24

变电站控制命令

SCADA

SEMS主站端核心软件

电厂RTU

状态估计数据

实时数据

RTU数据上传

AV

C遥调命令下发

调节命令

执行情况监控

变电站控制指令

AGC遥调命令

EMS

AGC指令

变电站指令输出

变电站控制命令 电厂AVC

监控系统

前置机

变电站RTU

运行计划 计划、预测数据

CI M 模型

地调SEMS

下发指令

上传状态

实现方式：GE EMS （ XA/21 ）系统+ 清华大学 SEMS 系统

清华 SEMS 和 GE EMS已经实现了“无缝连接”

具备了建设一体化 SEMS条件

遗憾的是：无动态数据平台和 动态 SCADA 单元

十、上海市调 SEMS主站概览10.1 系统概览图

县调

25

10.2 上海 SEMS 的一幅主人机界面图

十、上海市调 SEMS主站概览

26

Thank You!