智能电网(Smart grid)是一种电网,包括各种运营和能源措施,包括智能电表,智能电器,可再生能源和节能资源。 电力调节和电力生产和分配的控制是智能电网的重要方面。

智能电网政策在欧洲被组织为智能电网欧洲技术平台。 美国的政策在42 USC ch中有所描述。 152,subch。 IX§17381。

推出智能电网技术还意味着对电力服务行业进行了根本性的重新设计,尽管该术语的典型用法主要集中在技术基础设施上。

“智能电网”的定义
智能电网的第一个官方定义是由2007年能源独立和安全法案(EISA-2007)提供的,该法案于2007年1月获得美国国会批准,并于2007年12月由乔治·W·布什总统签署。该法案的第十三条提供了一个具有十个特征的描述,可以被视为智能电网的定义,如下所示:

“美国的政策是支持国家电力输配系统的现代化,以维持可靠和安全的电力基础设施,以满足未来的需求增长并实现以下各项,这些都是智能电网的特征: (1)更多地使用数字信息和控制技术,以提高电网的可靠性,安全性和效率。(2)网格运营和资源的动态优化,具有完整的网络安全性。(3)分布式资源的部署和集成(4)开发和整合需求响应,需求方资源和能源效率资源。(5)“智能”技术的部署(实时,自动化,交互式技术,优化物理资源)用于计量,涉及电网运行和状态的通信以及配电自动化的设备和消费设备的操作。 (6)“智能”设备和消费设备的集成。 (7)部署和整合先进的电力存储和调峰技术,包括插电式电动和混合动力电动汽车,以及蓄热空调。 (8)向消费者提供及时的信息和控制选择。 (9)制定与电网相连的设备和设备的通信和互操作性标准,包括为电网提供服务的基础设施。 (10)识别和降低采用智能电网技术,实践和服务的不合理或不必要的障碍。“

大多数定义的共同要素是数字处理和通信应用于电网,使数据流和信息管理成为智能电网的核心。 数字技术与电网的深度集成使得各种能力得以实现。 整合新的网格信息是智能电网设计中的关键问题之一。 电力公用事业现在发现自己正在进行三类转型:改善基础设施,在中国称为强电网; 增加数字层,这是智能电网的精髓; 和业务流程转型,是利用智能技术投资所必需的。 电网现代化,特别是变电站和配电自动化的大部分工作现已包含在智能电网的一般概念中。

早期的技术创新
智能电网技术源于早期使用电子控制,计量和监控的尝试。 在20世纪80年代,自动抄表用于监控大客户的负载,并演变为20世纪90年代的高级计量基础设施,其仪表可以存储在一天中的不同时间使用电力的方式。 智能电表增加了连续通信,因此可以实时监控,并可用作需要响应感知设备和家中“智能插座”的网关。 这种需求侧管理技术的早期形式是动态需求感知设备,其通过监视电源频率的变化被动地感测电网上的负载。 诸如工业和家用空调,冰箱和加热器之类的设备调整其工作周期以避免在电网遇到峰值状态期间激活。 从2000年开始,意大利的Telegestore项目是第一个使用通过低带宽电力线通信连接的智能电表连接大量(2700万)家庭的项目。 一些实验使用术语宽带电力线(BPL),而其他实验使用无线技术,例如网状网络,以便更可靠地连接到家中的不同设备,以及支持其他公用设施(如天然气和水)的计量。

20世纪90年代初,当邦纳维尔电力管理局利用能够非常快速地分析非常大的地理区域电能质量异常的原型传感器扩展其智能电网研究时,广域网的监测和同步发生了革命性的变化。 这项工作的高潮是2000年第一个可操作的广域测量系统(WAMS)。其他国家正在迅速整合这项技术 – 中国在2012年完成过去的5年经济计划时开始实施全面的国家WAMS。

最早的智能电网部署包括意大利系统Telegestore(2005),德克萨斯州奥斯汀的网状网络(自2003年起),以及科罗拉多州博尔德市的智能电网(2008年)。 请参阅下面的部署和尝试部署。

智能电网的特点
智能电网代表了对电力供应挑战的全套当前和建议的响应。 由于各种各样的因素,存在许多相互竞争的分类法,并且没有就通用定义达成一致。 然而,这里给出了一种可能的分类。

可靠性
智能电网利用状态估计等技术,改善故障检测并允许网络自我修复,无需技术人员的干预。 这将确保更可靠的电力供应,并减少对自然灾害或袭击的脆弱性。

虽然多条路线被吹捧为智能电网的一个特征,但旧网格也有多条路线。 网格中的初始电力线是使用径向模型建立的,后来通过多条路径保证连通性,称为网络结构。 然而,这产生了一个新问题:如果网络上的当前流量或相关影响超过任何特定网络元素的限制,它可能会失败,并且电流将被分流到其他网络元素,最终可能也会失败,从而导致多米诺骨牌效应。 看到停电。 防止这种情况的技术是通过滚动停电或电压降低(掉电)来减少负载。

提高电网可靠性和恢复能力的经济影响是许多研究的主题,可以使用美国能源部资助的美国地区使用至少一种计算工具的方法计算。

网络拓扑的灵活性
下一代输配电基础设施将能够更好地处理可能的双向能量流,允许分布式发电,例如建筑物屋顶上的光伏板,以及燃料电池的使用,电动汽车电池的充电,风涡轮机,抽水力发电和其他来源。

经典网格设计用于单向电流,但如果本地子网产生的功率超过其消耗的功率,则逆向流可能会引发安全性和可靠性问题。 智能电网旨在管理这些情况。

效率
智能电网技术的部署预计会对能源基础设施效率的整体改善做出众多贡献,特别是包括需求侧管理,例如在短期电价上涨期间关闭空调,尽可能降低电压。配电线路通过电压/ VAR优化(VVO),消除了用于抄表的卡车,并通过使用Advanced Metering Infrastructure系统的数据改进了停机管理,减少了卡车。 总体效果是输电和配电线路的冗余度降低,发电机的利用率提高,从而降低了电力价格。

负载调整/负载平衡
连接到电网的总负载可能随时间显着变化。 虽然总负载是客户的许多个别选择的总和,但总体负载不一定稳定或缓慢变化。 例如,如果一个受欢迎的电视节目开始,数百万台电视将立即开始吸收电流。 传统上,为了响应快速增加的功耗,比大型发电机的启动时间更快,一些备用发电机被置于耗散待机模式。 智能电网可以警告所有单独的电视机或另一个较大的客户,以临时减少负载(以便有时间启动更大的发电机)或连续地(在资源有限的情况下)。 使用数学预测算法,可以预测需要使用多少备用发电机,以达到一定的故障率。 在传统电网中,故障率只能以更多备用发电机为代价来降低。 在智能电网中,即使是一小部分客户端的负载减少也可以消除该问题。

峰值缩减/平整和使用时间定价
为了减少高成本峰值使用期间的需求,通信和计量技术在能源需求高的时候通知家庭和企业中的智能设备并跟踪使用的电量和使用时间。 它还使公用事业公司能够通过直接与设备通信来减少消耗,从而防止系统过载。 实例将是减少一组电动车辆充电站的使用或改变城市中的空调的温度设定点的效用。 为了激励他们减少使用并执行所谓的峰值削减或峰值平整,电力价格在高需求期间增加,在低需求期间减少。 如果消费者和消费者设备有可能意识到在高峰期使用电力的高价格溢价,则认为消费者和企业在高需求期间将倾向于消费较少。 这可能意味着在下午9点而不是下午5点进行权衡,例如骑自行车开/关空调或洗碗机。 当企业和消费者看到在非高峰时段使用能源的直接经济利益时,理论是他们将运营中的能源成本纳入其消费设备和建筑施工决策,从而变得更加节能。 查看时间计量和需求响应。

根据智能电网计划的支持者,[谁?]这将减少原子公用事业必须保持备用的旋转备用量,因为负载曲线将通过“看不见的手”自由市场资本主义的组合来平衡自身通过电源管理服务集中控制大量设备,通过关闭设备为消费者支付一部分峰值功率。

可持续发展
智能电网的灵活性得到提高,即使没有增加能量存储,也可以更好地渗透高度可变的可再生能源,如太阳能和风能。 当前的网络基础设施不是为了允许许多分布式馈入点而构建的,并且通常即使在本地(分配)级别允许某些馈入,传输级基础设施也无法容纳它。 分布式发电的快速波动,例如由于阴天或阵风天气,对需要通过改变诸如燃气轮机和水力发电机等更可控的发电机的输出来确保稳定功率水平的电力工程师提出了重大挑战。 因此,智能电网技术是电网中大量可再生电力的必要条件。

市场启用
智能电网允许供应商(他们的能源价格)和消费者(他们的支付意愿)之间的系统通信,并允许供应商和消费者在其运营策略中更加灵活和复杂。 只有关键负荷才需要支付能源价格的高峰,消费者在使用能源时才能更具战略性。 具有更大灵活性的发电机将能够战略性地出售能源以获得最大利润,而基础负荷蒸汽轮机和风力涡轮机等不灵活的发电机将根据需求水平和当前运行的其他发电机的状态获得不同的关税。 总体效果是一种能够提高能源效率的信号,以及对供电时变限制敏感的能源消耗。 在国内,具有一定能量储存或热质量的设备(如冰箱,热库和热泵)将很好地“发挥”市场,并通过调整需求来降低能源成本。成本能源支持期。 这是上述双关税能源定价的延伸。

需求响应支持
需求响应支持允许发电机和负载以自动方式实时交互,协调需求以平缓峰值。 消除这些尖峰中出现的需求比例消除了增加备用发电机的成本,减少磨损和延长设备寿命,并允许用户通过告知低优先级设备仅在最便宜时使用能源来削减能源费用。

目前,电网系统在其控制系统内具有不同程度的通信,用于其高价值资产,例如发电厂,输电线路,变电站和主要能源用户。 一般而言,信息以一种方式流动,从用户和他们控制的负载返回到公用事业。 公用事业公司试图满足需求,并在不同程度上成功或失败(停电,停电,停电,不受控制的停电)。 用户的总电力需求可以具有非常宽的概率分布,这需要备用发电厂处于待机模式以响应快速变化的电力使用。 这种单向信息流是昂贵的; 最低10%的发电容量可能只需要1%的时间,并且停电和停电对消费者来说可能是昂贵的。

需求响应可以由商业,住宅负载和工业负载提供。 例如,美铝公司的Warrick Operation参与MISO作为合格的需求响应资源,而Trimet铝公司将其冶炼厂用作短期大型电池。

数据流的延迟是一个主要问题,一些早期的智能电表架构允许实际上长达24小时的接收数据延迟,防止任何可能的反应通过提供或要求设备。

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高级服务平台
与其他行业一样,使用强大的双向通信,先进的传感器和分布式计算技术将提高电力输送和使用的效率,可靠性和安全性。 它还开辟了全新服务或改进现有服务的潜力,例如火灾监控和可关闭电源的警报,拨打紧急服务电话等。

提供兆位,控制功率与千比特,卖剩下的
与已经到达甚至远程家庭以支持语音,安全,互联网和电视服务的数据相比,自动执行监控和切换设备所需的数据量非常小。 许多智能电网带宽升级都是通过过度配置来支付消费者服务,补贴与能源相关服务的通信或补贴与能源相关的服务,例如在高峰时段通过通信提高费率。 在政府将两套服务作为公共垄断运营的情况下尤其如此。 由于电力和通信公司通常是北美和欧洲的独立商业企业,因此需要相当多的政府和大型供应商的努力来鼓励各种企业进行合作。 有些人,比如思科,看到了向消费者提供设备的机会,这与他们长期为行业提供的设备非常相似。 其他人,如Silver Spring Networks或Google,是数据集成商而不是设备供应商。 虽然交流电源控制标准表明电力线网络将是智能电网和家庭设备之间通信的主要手段,但这些比特最初可能无法通过电力线宽带(BPL)到达家庭,而是通过固定无线。

技术
大部分智能电网技术已经用于其他应用,例如制造和电信,并且正在适用于电网运营。

综合通信:需要改进的领域包括:变电站自动化,需求响应,配电自动化,监控和数据采集(SCADA),能源管理系统,无线网状网络和其他技术,电力线载波通信和光纤。 集成通信将允许实时控制,信息和数据交换,以优化系统可靠性,资产利用率和安全性。
传感和测量:核心职责是评估拥堵和电网稳定性,监测设备健康状况,防止能源盗窃和控制策略支持。 技术包括:先进的微处理器仪表(智能仪表)和抄表设备,广域监控系统,动态线路额定值(通常基于分布式温度传感的在线读数与实时热额定值(RTTR)系统相结合),电磁特征测量/分析,使用时间和实时定价工具,先进的开关和电缆,反向散射无线电技术和数字保护继电器。
智能电表。
相量测量单位。 电力系统工程界的许多人认为,如果建立了广泛的相量测量网络,2003年的东北停电可能会被控制在一个小得多的区域。
分布式功率流控制:功率流控制装置夹在现有的传输线上以控制其内部的功率流。 通过提供对电网内能量路由的更一致,实时控制,使用这种设备的传输线支持更多地使用可再生能源。 该技术使电网能够更有效地储存来自可再生能源的间歇能量,供以后使用。
使用先进组件的智能发电:智能发电是一种将发电与需求相匹配的概念,使用多个相同的发电机,可以在选定负载下高效启动,停止和运行,独立于其他发电机,使其适用于基本负载和峰值发电。 匹配供应和需求,称为负载平衡,对稳定可靠的电力供应至关重要。 平衡的短期偏差导致频率变化和长时间的不匹配导致停电。 电力传输系统的操作员负责平衡任务,将所有发电机的电力输出与其电网的负载相匹配。 负载平衡任务变得更具挑战性,因为越来越多的间歇性和可变发电机(例如风力涡轮机和太阳能电池)被添加到电网中,迫使其他生产商比过去更频繁地调整其输出。 利用这一概念的前两个动态电网稳定发电厂已由Elering订购,将由Wärtsilä在爱沙尼亚Kiisa(Kiisa发电厂)建造。 他们的目的是“提供动态发电能力,以应对突然和意外的电力供应下降。” 它们计划在2013年和2014年准备就绪,其总产量将达到250兆瓦。
电力系统自动化可以快速诊断特定电网中断或停电的精确解决方案。 这些技术依赖于其他四个关键领域并为之做出贡献。 高级控制方法的三个技术类别是:分布式智能代理(控制系统),分析工具(软件算法和高速计算机)和操作应用(SCADA,变电站自动化,需求响应等)。 利用人工智能编程技术,中国福建电网创建了一个广域保护系统,能够快速准确地计算控制策略并执行。 电压稳定性监测和控制(VSMC)软件使用基于灵敏度的连续线性编程方法来可靠地确定最佳控制解决方案。

研究

主要计划
IntelliGrid – 由电力研究院(EPRI)创建,IntelliGrid架构为规划,指定和采购基于IT的系统(如高级计量,配电自动化和公用事业)中的公用事业标准和技术提供方法,工具和建议。需求响应。 该架构还提供了一个用于评估设备,系统和技术的实验室。 一些公用事业已应用IntelliGrid架构,包括南加州爱迪生,长岛电力局,盐河项目和TXU电力交付。 IntelliGrid联盟是一个公共/私人合作伙伴关系,它整合并优化全球研究工作,资助技术研发,致力于整合技术,并传播技术信息。

Grid 2030 – Grid 2030是由电力行业,设备制造商,信息技术提供商,联邦和州政府机构,利益集团,大学和国家实验室开发的美国电气系统的联合愿景声明。 它涵盖了发电,输电,配电,存储和最终用途。 国家电力交付技术路线图是Grid 2030愿景的实施文件。 该路线图概述了电网现代化的关键问题和挑战,并提出了政府和行业可以采取的建立美国未来电力传输系统的途径。

现代网格计划(MGI)是美国能源部(DOE),国家能源技术实验室(NETL),公用事业,消费者,研究人员和其他电网利益相关者之间的合作,旨在实现美国电网的现代化和整合。 能源部电力供应和能源可靠性办公室(OE)赞助该计划,该计划以Grid 2030和国家电力传输技术路线图为基础,并与GridWise和GridWorks等其他计划保持一致。

GridWise – 一项DOE OE计划,致力于开发信息技术,以实现美国电网的现代化。 该计划与GridWise Alliance合作,投资于通信架构和标准; 模拟和分析工具; 智能技术; 试验台和示范项目; 以及新的监管,制度和市场框架。 GridWise联盟是一个由公共和私营电力部门利益相关者组成的联盟,为联邦和州一级的政策制定者提供理念交流,合作努力和会议的论坛。

GridWise架构委员会(GWAC)由美国能源部组建,旨在促进和实现与国家电力系统互动的众多实体之间的互操作性。 GWAC成员是一支平衡且受人尊敬的团队,代表着电力供应链和用户的众多选区。 GWAC提供行业指导和工具,阐明整个电力系统的互操作性目标,确定使互操作性成为可能所需的概念和架构,并制定可行的步骤,以促进包含国家的系统,设备和机构的互操作。电力系统。 GridWise架构委员会互操作性上下文设置框架,V 1.1定义了必要的准则和原则。

GridWorks – DOE OE计划旨在通过对关键电网组件(如电缆和导体,变电站和保护系统以及电力电子设备)进行现代化改造来提高电气系统的可靠性。 该计划的重点包括协调高温超导系统,传输可靠性技术,配电技术,储能设备和GridWise系统。

太平洋西北地区智能电网示范项目。 – 该项目是五个太平洋西北地区的示范 – 爱达荷州,蒙大拿州,俄勒冈州,华盛顿州和怀俄明州。 它涉及约60,000个计量客户,并包含未来智能电网的许多关键功能。

太阳能城市 – 在澳大利亚,太阳能城市计划包括与能源公司密切合作,以试用智能电表,高峰和非高峰定价,远程切换和相关工作。 它还为网格升级提供了一些有限的资金。

智能电网能源研究中心(SMERC) – 位于加州大学洛杉矶分校,致力于大规模测试其智能电动汽车充电网络技术 – WINSmartEV™。 它为智能电网架构创建了另一个平台,实现了公用设施和消费者终端设备之间的双向信息流–WinSmartGrid™。 SMERC还开发了需求响应(DR)测试台,其包括控制中心,需求响应自动化服务器(DRAS),家庭区域网络(HAN),电池储能系统(BESS)和光伏(PV)面板。 这些技术安装在洛杉矶水电部和南加州爱迪生地区,作为电动车充电器,电池储能系统,太阳能电池板,直流快速充电器和车对电网(V2G)设备的网络。 这些平台,通信和控制网络使得洛杉矶大学的UCLA项目能够与两个主要的当地公用事业公司SCE和LADWP合作进行研究,推进和测试。[需要更好的资源]

智能电网建模
已经使用许多不同的概念来模拟智能电网。 它们通常在复杂系统的框架内进行研究。 在最近的头脑风暴会议中,电网被认为是在最优控制,生态学,人类认知,玻璃动力学,信息理论,云的微物理学等许多其他环境中。 以下是近年来出现的各种分析类型。

保护系统,验证和监督自己
Pelqim Spahiu和Ian R. Evans在他们的研究中介绍了基于变电站的智能保护和混合检测单元的概念。

Kuramoto振荡器
Kuramoto模型是一个经过充分研究的系统。 在这种情况下也描述了电网。 目标是保持系统平衡,或保持相位同步(也称为锁相)。 非均匀振荡器还有助于对不同技术,不同类型的发电机,消耗模式等进行建模。 该模型还被用于描述萤火虫闪烁中的同步模式。

生物系统
在许多其他环境中,电网与复杂的生物系统有关。 在一项研究中,将电网与海豚社交网络进行了比较。 在异常情况下,这些生物可以简化或加强沟通。 使他们能够生存的相互通信非常复杂。

随机保险丝网络
在渗流理论中,已经研究了随机熔丝网络。 某些地区的电流密度可能过低,而其他地区的电流密度过强。 因此,该分析可用于消除网络中的潜在问题。 例如,高速计算机分析可以预测熔断的熔丝并对其进行校正,或分析可能导致断电的模式。 人类很难预测复杂网络中的长期模式,因此使用熔丝或二极管网络。

智能电网通信网络
网络模拟器用于模拟/模拟网络通信效果。 这通常涉及建立具有智能电网设备,应用等的实验室,其中虚拟网络由网络模拟器提供。

神经网络
神经网络也被考虑用于电网管理。 电力系统可以以多种不同方式分类:非线性,动态,离散或随机。 人工神经网络(ANNs)试图解决这些问题中最困难的非线性问题。

需求预测
人工神经网络的一个应用是需求预测。 为了使电网经济可靠地运行,需求预测是必不可少的,因为它用于预测负载将消耗的电量。 这取决于天气条件,日期类型,随机事件,事故等。对于非线性负载,负载曲线不平滑且可预测,使用传统的人工智能模型导致更高的不确定性和更低的准确性。 ANN在开发这些模型时考虑的一些因素:基于电力消耗对不同客户类别的负载分布进行分类,与传统电网相比,需求对预测实时电价的响应性增加,需要输入过去的需求作为不同的组件,如峰值负载,基本负载,谷值负载,平均负载等,而不是将它们连接成单个输入,最后,类型依赖于特定的输入变量。 最后一个案例的一个例子是日常类型,无论是工作日还是周末,都不会对医院网格产生太大影响,但它是居民住房网格负荷情况的一个重要因素。

马尔可夫过程
随着风力发电的普及,它成为现实电网研究的必要组成部分。 离线存储,风力可变性,供应,需求,定价和其他因素可以被建模为数学游戏。 这里的目标是制定一个成功的战略。 马尔可夫过程已被用于建模和研究这种类型的系统。

最大熵
所有这些方法都以这种或那种方式,是最大熵方法,这是一个活跃的研究领域。这可以追溯到香以及研究通信网络的许多其他研究人员的想法。今天继续沿着类似的路线,现代无线网络研究经常考虑网络拥塞的问题,并且正在提出许多算法来最小化它,包括博弈论, FDMA,TDMA等的创新组合。

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