智能電網(wǎng)：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(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展的重要保障。專家認(rèn)為，在能源領(lǐng)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(shù)用于能源產(chǎn)業(yè)。美國總統(tǒng)奧巴馬就職后，打出振興經(jīng)濟的王牌，就是新能源計劃，用信息技術(shù)對電網(wǎng)進行徹底改造，優(yōu)化電網(wǎng)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(shù)改造現(xiàn)有的能源利用體系，最大限度地開發(fā)電網(wǎng)體系的能源效率。

當(dāng)前，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展成為各國關(guān)注的焦點。報載：全球協(xié)力向綠色能源領(lǐng)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(shù)據(jù)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(shè)最大生物氣體發(fā)電設(shè)施；而英國宣布新建燃煤電廠須“填埋二氧化碳”?；谌蚰茉炊倘奔叭祟悓Νh(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(xué)家們更是絞盡腦汁，設(shè)想了許多非同尋常的發(fā)電招數(shù)。一方面想方設(shè)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(lǐng)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(dāng)7000萬千瓦裝機容量、3000億元的電源投資和3000億元的電網(wǎng)投資。實現(xiàn)電網(wǎng)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(shù)研究發(fā)展計劃項目，如：以煤氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)示范工程，兆瓦級并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)，太陽能熱發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)示范等項目。

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

2 智能電網(wǎng)，蓄勢待發(fā)

電網(wǎng)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展以及信息、通信等技術(shù)的進步和廣泛應(yīng)用，智能化已成為世界電網(wǎng)發(fā)展的一個新趨勢。智能電網(wǎng)的核心技術(shù)是數(shù)字化電網(wǎng)、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(shù)準(zhǔn)備。

2.1 美國的研究及實踐

鑒于發(fā)展智能電網(wǎng)對保障能源安全、提高能源效率、改善能源結(jié)構(gòu)、提升服務(wù)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(yīng)對當(dāng)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(dá)7870億美元的經(jīng)濟刺激計劃中，就安排了1200億美元用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括大規(guī)模建設(shè)智能電網(wǎng)。

歐美各國對智能電網(wǎng)的研究開展較早，且已形成強大的研究群體。美國主要關(guān)注電力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的升級更新，同時最大限度地利用信息技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)智能對人工的替代。奧巴馬總統(tǒng)復(fù)蘇經(jīng)濟的計劃有6方面重點,綠色能源中的智能電網(wǎng)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(jì)教室試驗室和下一代寬帶網(wǎng)等,都貫穿一條思路：以信息化投入帶動當(dāng)前緊迫問題的解決,促進經(jīng)濟復(fù)蘇，同時又著眼于長遠(yuǎn)國家競爭力的提升。

僅就能源利用而言，智能電網(wǎng)和智能建筑是開源節(jié)流的兩方面。據(jù)估計，現(xiàn)代化的數(shù)字電網(wǎng)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?！都~約時報》刊文稱，有研究結(jié)果表明：僅使用數(shù)字工具設(shè)定居家溫度及融入價格信息，能源消耗每年可縮減15%。根據(jù)建筑節(jié)能原理測算，只需要1/4的能量，就能達(dá)到現(xiàn)在的舒適程度，而且自然環(huán)境會變得更好?？梢哉f，“能源效率和能源節(jié)約是未來能源發(fā)展的關(guān)鍵，智能電網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)的建設(shè)和電力體制改革的不斷深化，智能電網(wǎng)也將成為我國電網(wǎng)發(fā)展的一個新方向。

我國智能電網(wǎng)由IT和特高壓輸電“雙劍合壁”而成。以堅強網(wǎng)架為基礎(chǔ)，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(wù)流”的高度一體化融合。智能的基本特征是能夠?qū)崿F(xiàn)信息化、數(shù)字化、自動化、互動化，主要依靠信息平臺的建設(shè)和信息通信技術(shù)實現(xiàn)。目前，我國大電網(wǎng)安全運行控制能力和調(diào)度技術(shù)裝備水平居于國際領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)格局，以SG186工程為代表的國家電網(wǎng)信息系統(tǒng)建設(shè)取得階段性成果。這些為智能電網(wǎng)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

引入特高壓輸電后，電網(wǎng)控制中心需要專門技術(shù)進行安全和經(jīng)濟目標(biāo)的協(xié)調(diào)：需要更長時間來優(yōu)化經(jīng)濟目標(biāo)，還需要在更廣泛的空間范圍來考慮安全約束目標(biāo)。隨著進行安全分析的電網(wǎng)規(guī)模擴大，為滿足實時應(yīng)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(shù)來實現(xiàn)。智能電網(wǎng)不僅要求物理電網(wǎng)本身智能化，也要求電網(wǎng)企業(yè)的管理實現(xiàn)智能化。智能電網(wǎng)不僅是單純的技術(shù)問題，其建設(shè)還需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施投入，這能夠帶動信息技術(shù)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

智能電網(wǎng)也并非神秘事物，而是對數(shù)字化、信息化等高科技技術(shù)的綜合應(yīng)用。在中國，工業(yè)和信息化整合已成趨勢，電子信息產(chǎn)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(chǎn)管理和電網(wǎng)生產(chǎn)運行管理資源，從而為電網(wǎng)發(fā)展提供全方位的信息服務(wù)，這是發(fā)展智能電網(wǎng)的內(nèi)在動力。通過建設(shè)堅強智能電網(wǎng)，實現(xiàn)各類電源和用電設(shè)施并網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)化和電網(wǎng)運行控制智能化，提高電力系統(tǒng)資產(chǎn)的運營效益，提高電能質(zhì)量和供電可靠性，創(chuàng)新商業(yè)服務(wù)模式，提升電網(wǎng)與客戶增值服務(wù)水平。

電力行業(yè)需要滿足建設(shè)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(wǎng)，使電網(wǎng)的資源配置能力、安全穩(wěn)定水平、以及電網(wǎng)與電源、用戶之間的互動性得到顯著提高。堅強智能電網(wǎng)在服務(wù)經(jīng)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(wǎng)目標(biāo)宏大，決不可能一蹴而就。在智能電網(wǎng)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(jié)構(gòu)、保障電力供給、提高供電質(zhì)量、減少污染物排放、保護生態(tài)環(huán)境、發(fā)展區(qū)域經(jīng)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(shè)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(chǎn)值213.6億元，為推動福建電力發(fā)展、服務(wù)海西經(jīng)濟區(qū)建設(shè)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(chǎn)基礎(chǔ)

投產(chǎn)初期，水口水電工程遺留的缺陷比較多，經(jīng)逐年大修、技改和科技投入，提高了設(shè)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(yù)的現(xiàn)代化裝備水平初具規(guī)模。

本著優(yōu)質(zhì)、先進、求實的原則，大膽地選用國內(nèi)外先進成熟的設(shè)備和新技術(shù)。充分發(fā)揮、利用科研機構(gòu)和高等院校的技術(shù)優(yōu)勢，以多種形式加快先進技術(shù)的應(yīng)用。設(shè)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(jié)合的原則（優(yōu)化配置），不斷提高設(shè)備健康水平和電廠綜合自動化水平。投產(chǎn)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(jié)經(jīng)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(chǎn)發(fā)電以來，電廠依靠科技進步，對機電設(shè)備進行了大量有針對性的改造和完善，全廠設(shè)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(wǎng)調(diào)度的要求；大壩自動觀測系統(tǒng)、水情自動測報與水庫調(diào)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(shè)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(chǔ)，同時在人員培訓(xùn)和管理制度建設(shè)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(chǔ)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(shè)備狀態(tài)檢修，提高水電廠綜合實力

水口水電廠率先應(yīng)用在線監(jiān)測技術(shù)，已達(dá)12年之久。產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合構(gòu)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(shè)計思想，以技術(shù)創(chuàng)新為手段，側(cè)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(shè)計了軟件模塊和用戶功能界面。PSTA2003系統(tǒng)的建立和成功應(yīng)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(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)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(shè)計方向。

必須總結(jié)經(jīng)驗，充分利用監(jiān)測設(shè)備和診斷技術(shù)，收集和積累設(shè)備的狀態(tài)信息進行系統(tǒng)分析、診斷，結(jié)合設(shè)備實際情況，科學(xué)合理地制定檢修計劃，以提高設(shè)備安全性、可用性、經(jīng)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(shù)，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(diào)峰、調(diào)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(jì)末，應(yīng)用于二十一世紀(jì)初。該系統(tǒng)是目前國內(nèi)水電廠唯一建設(shè)的仿真系統(tǒng)。除了滿足深層次的培訓(xùn)要求，實現(xiàn)水電站的全范圍仿真和高效的全工況培訓(xùn)，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(jīng)濟運行服務(wù)，還將拓展為大型水電廠仿真培訓(xùn)中心。

系統(tǒng)具有以下主要特點：

a．逼真度。采用動態(tài)數(shù)學(xué)模型，計及水輪發(fā)電機組及其調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器的實際參數(shù)和慣性環(huán)節(jié)，按照傳遞函數(shù)以不同的階次構(gòu)成描述系統(tǒng)機電過程的精確數(shù)學(xué)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(shù)，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(yīng)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?fù)渥兓?、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(shè)置不以必須恢復(fù)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”。