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智能电网在生态城建设中的应用中新天津生态城智能电网工程研究【摘要】中新天津生态城智能电网综合示范工程涵盖了智能电网 6 大环节，是生态城市与智能电网融合的示范工程。介绍中新天津生态城智能电网综合示范工程的建设背景、目标、思路、原则、总体架构和各子项工程的内容，分析工程的特点和示范意义，为城市区域智能电网建设提供参考。【关键词】生态城；智能电网；电网建设1 生态城简介生态城位于中国发展的重要战略区域天津滨海新区，规划面积 30k ㎡，人口规模为 35 万人，城市结构分为 4 个生态片区，突出办公、研发、商业、住宅等用地的多样化开发与相互混合布置的现代城市规划理念，计划 10～ 15 年建成生态城。生态城作为国家生态示范建设工程，可再生能源的综合利用和生态环境的保护问题受到高度的重视。按照生态城总体规划，可再生能源利用比例将不小于 20。在能源资源节约与循环利用方面，注重节能，加强节能减排，发展循环经济，形成低投入、低消耗、低排放／高效率的增长方式。 2020 年，生态城要实现 100为绿色建筑，可再生能源利用率达到 20，人均能耗比国内城市人均水平降低 20以上。依据生态城总体规划和开发计划，对生态城进行了负荷预测，总负荷预计将达到 41 万kW，规划建设 220kV 变电站 2 座， 110kV 变电站 4 座，最终建成 220kV 高压输电网、 11kV高压配电网、 10kV 中压配电网和 380／ 220Ｖ低压配电网构成的供电体系。此次生态城示范工程将重点集中在生态城的起步区，面积约为 4k ㎡，主要以居民生活、商业金融和生态产业区用地为主，计划 2012 年建成，负荷预计将达到 7.9 万 kW。2 技术理论研究对智能电网技术的研究可以从其构成的三个主要部分入手，即系统内的分布式电源、储能技术和能量管理系统。2.1 分布式电源2.1.1 风力发电机组目前，风力发电是装机容量最大、单位造价最便宜的可再生能源发电方式，经济指标逐渐接近清洁煤电。从 2006 年实施可再生能源法开始，我国风电总装机容量连续 5 年翻番。根据电监会风电、光伏发电情况监管报告，截至 2010 年 6 月，我国已建成并网风电装机容量 22004MW、光伏发电装机容量 133MW，已建成但未并网风电装机容量 764MW、光伏发电装机容量 1.6MW。从该组数据比对中可以看出，风力发电相对于光伏发电而言具有绝对的技术优势；未并网可再生能源发电占装机总容量的比例不超过 4。2.1.2 光伏发电系统光伏发电系统由光伏电池组件、并网逆变器、计量装置和配电系统组成。光伏发电系统分为离网型和并网型两大类。离网型光伏发电系统适宜于保持孤岛运行的微网；并网型光伏系统是当前业内的发展主流，由多个光伏模块（即光伏板）组成的光伏阵列、并网逆变桥和控制器三部分组成。2.1.3 燃料电池燃料电池是一种将化学能转换为电能的装置，与普通电池的原理和结构基本相同，也具有电解质、电极和连接端子等要素。燃料电池电化学反应的原料主要是氢气和氧气，产物主要是水和二氧化碳，余热作为一种副产品可通过余热锅炉回收并加以利用。燃料电池具有清洁无污染、热效率高于火力发电（ 250kW5MW 的燃料电池发电效率与 300MW500MW 的先进火电机组相当）、燃料来源广泛、占地面积小、噪声小、用水少、承受负荷变化能力强等优点。2.1.4 微型燃气轮机微型燃气轮机属于小型热力发动机，由燃气轮机、压气机、燃烧室、回热器、发电机及控制器组成，以天然气、乙醇、甲烷、汽油、柴油等为燃料。以微型燃气轮机为动力的冷热电联供方式可以解决能源利用率低、设备使用效率低等资源和投资的浪费问题，实现对需求供应的整合优化，实现对能源特别是余热的梯级利用，其热效率高达 7090，同时具备低排放、低噪声、节省供热管网的投资与损耗、省维护、建设周期快，投资回收周期快等优点。但在应用过程中，若以热定电的方式运行，会出现运行费用居高不下等问题。2.2 储能技术研究2.2.1 储能技术类型表 1 列出了常见的储能类型、储能技术实现形式及其优缺点。通常储能技术分为电化学储能、电磁储能、机械储能和热力储能四大类。目前锂离子电池、钠硫电池、液流电池、铅酸电池、超级电容器、高温超导储能等形式的储能系统，已逐渐出现商业化运营局面，在系统设计和选型阶段可开展技术经济比较。表 1 常见储能技术的种类及比较2.2.2 储能系统的控制策略当并网运行时，电网内的功率波动由配电网进行平衡，此时储能系统处于充电备用状态。当电网由并网运行方式开始切换到孤岛运行的瞬间，储能系统的控制功能立即启动，首先在切换过程中提供短时电能，弥补功率缺额。在这一过程中，储能系统可采取 PI 控制、前馈补偿闭环控制以及基于模糊规则的智能控制等多种策略形式。2.3 能量管理系统微网能量管理系统的主要应用功能通常分为以下三个层次，如图 2 所示。图 2 智能电网能力管理系统主要应用功能由智能终端提供的微网应用功能a 微网数据采集与监视系统（ SCADA）b 微网分布式设备控制c 微网继电保护控制d 微网负荷控制以上四种微网应用功能由分散于微网系统各主要设备的本地装置及其智能终端实现，通过通讯连接于微网能量管理系统中增加远程显示和控制功能。微网数据采集与监视系统负责汇集各种基本的电压、电流、频率、开关位置、负荷水平等采样信号，并实时显示到统一的界面中，方便运行人员监视。微网分布式设备控制实现了对微电源设备、储能系统、并网逆变器、开关的底层硬件操作，能够完成各种微电源及其并网逆变器设备的本地控制。微网继电保护控制根据本地信息和微网能量管理系统提供的运行方式信息进行故障检测。微网负荷控制能根据微网能量管理系统提供的信息，必要时对非重要负荷进行全部或部分切除。3 智能电网工程总体架构中新天津生态城智能电网综合示范工程将遵循 “能复制、能实行、能推广” 的规划思路，从电力流、信息流、业务流统一融合的角度，按照“ 6 大环节、 12 大工程”特点和要求，设计 8 大核心应用系统与信息总线的总体架构进行统筹管理和监视控制，充分利用信息化、自动化、互动化的技术手段，努力构建安全、可靠、优质、清洁、高效、互动的可持续能源供应体系和服务体系。其中， 8 个应用系统为微网控制系统、配电自动化系统、设备综合状态监测系统、电能质量监测系统、用电信息采集系统、电动汽车充电监控系统、用户用能服务系统和可视化平台。各应用系统总体方案架构如图 3 所示。图 3 生态城智能电网应用系统架构4 智能电网工程内容中新天津生态城智能电网示范工程的构成如图 4 所示。图 4 生态城示范工程示意图该工程具体内容如下1）分布式电源接入根据中新天津生态城总体规划要求，区域内可再生能源利用比例将不低于 20，据此预测生态城新能源发电装机容量约为 176。 5ＭＷ， 2010 年完成污水处理厂光伏 1.1 ＭＷ、蓟运河口风电 4.5 ＭＷ并网工程， 2011 年完成服务中心停车场车蓬光伏 0.405 ＭＷ、动漫园二号能源站 1.489 ＭＷ燃气三联供并网发电。2）储能系统储能装置的开发和应用是微网系统的重要组成部分，可实现资源的合理配置，提高能源利用效率。工程将结合智能营业厅，配置 30kWｐ光伏发电和 6kW 风力发电作为分布式电源，采用 15kW 4h 的锂离子电池作为储能设施，以照明和电动汽车充电桩等 15kW 负荷作为微网负荷，配以监控设备构成低压交流微网，通过并网开关与外部电网进行相连。3）和畅路 110kV 智能变电站。工程将在起步区建设和畅路 110k 智能变电站，全站按照一次设备智能化、二次设备智能化、数据平台标准化的配置原则建设，充分展现智能变电站全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、运行状态可视化、在线分析决策、内外协同互动的技术特征。4）配电自动化生态城智能电网将以提高供电可靠性、改善供电质量、提升电网运营效率和满足客户需求为目的，根据本区域配电网现状及发展需求分阶段、分步骤实施。工程将建设智能型配电自动化主站，具体建设目标Ｎ－ 1 率 100，供电可靠性 99.99，电压合格率 100，实现“三遥”功能、配电自动化功能，缩短试点区域故障平均处理时间，设备完好率 100。5）设备综合状态监测工程将对生态城内 110kV 及以上输电线路、智能变电站、配电设备进行统一的设备状态在线监测。安装基于先进传感技术的监测装置，实现变电设备的智能化、信息化，实现设备状态自我感知、故障自我诊断的目的。6）电能质量监测工程将建设电能质量监测系统，实现对生态城分布式电源并网点、 110kV 变电站、电动汽车充电站、重要的 10kV 配电站点、电能质量敏感用户电能质量的监测。7）用电信息采集工程以双向、宽带通信信息网络为基本特征，实现对生态城起步区范围内的专变用户、一般工商业户、居民用户、分布电源点、储能装置、电动汽车充电站／桩的全覆盖、全采集、全费控，电能表在线监测和用户负荷、电量、计量状态等重要信息的实时采集，推进营销计量、抄表、收费模式标准化建设和公司信息化建设，为快速响应市场变化和客户需求、提高服务质量提供数据支持。8）智能用电小区／楼宇工程将在智能电网用户服务平台的基础上，通过家庭智能交互终端或交互机顶盒实现用户与电网之间的互动，实现物业、网络增值、医疗等一系列特色服务，体现出良好的交互性和智能化特色；应用物联网的技术，组建家庭内部的物联网网络，实现电热水器、空调、电冰箱等家庭灵敏负荷的用电信息采集和控制；建立集紧急求助、燃气泄露、烟感、红外探测于一体的家庭安防系统，同时支持小区的门禁管理和视频对讲系统；电力光纤到户能够为用户开通有线电视、ＩＰ电话、互联网的业务，为国家 “三网融合” 战略的实施提供有效支撑；在智能小区建设充电桩和风光互补路灯等配套设施。9）电动汽车充电设施工程将对生态城电动汽车发展进行需求分析，计划 2010～ 2015 年在生态城建设 3 座大型充电站、 3 座中型充电站和 150 个充电桩，形成电动汽车充电网络，满足生态城绿色出行的供电需求。10）通信信息网络工程将建立结构合理、安全可靠、性能优秀、绿色环保、经济高效、覆盖面全的高速通信信息网络，实现对发电、输电、变电、配电、用电等关键环节运行状况的无盲点的监测和控制，实现实时和非实时信息的高度集成、共享与利用，为配电自动化、用电信息采集、智能小区的建设提供高速准确可靠的通信支撑。11）可视化平台可视化平台将深度展示智能电网的特征和内涵，综合采用三维虚拟现实技术、多媒体动画技术、图形图像技术等为工具，通过实时在线分析和仿真等手段，实现针对生态城智能电网的全程、全景、全维度可视化展示功能，以更全面、更直观、更综合的方式对生态城电网各环节、各系统进行展示，宣传智能电网“坚强可靠、清洁环保、经济高效、透明开放、友好互动”的内涵。12）智能营业厅智能营业厅是智能用电环节建设中电力营销管理系统的重要环节，是以可靠通信为支撑，以用电信息采集系统、用户用能服务系统为主要信息源，以智能家居、智能楼宇、传统客户为服务对象，在满足一般电力营业厅基本功能需求的基础上，通过实体营业、自助营业、网络营业、手机营业等多种方式，实现传统业务与智能业务融合运营的平台。5 结语展望天津中新生态城提出节能减排建设主题与国家电网公司建设坚强智能电网从出发点到根本目标都不谋而合，从而促成生态城成为国内首个进入实质性建设的智能电网综合示范工程。该工程充分发挥电网在资源优化配置、服务社会经济发展中的作用，对经济社会全面、协调、可持续发展具有十分重要的现实意义，促进可再生能源的集约化开发和能源的可持续利用。，该工程可以推动建立适应可持续发展要求的能源生产方式和消费方式，对优化能源结构，提高清洁能源比重，推进产业升级，发展低碳经济，努力建设资源节约型、环境友好型、社会和谐型城市，有效应对全球气候变化带来的挑战以及减轻中国的国际压力等等方面，都具有重要的意义。【参考文献】[1] 张建华 , 黄伟，微电网运行控制与保护技术，中国电力出版社， 2010 ， 7 [2] 刘振亚，智能电网知识问答，中国电力出版社， 2010， 10 [3] （美）马斯特斯著，王宾等译，高效可再生分布式发电系统，机械工业出版社， 2010 ，1 [4] （英）博伊尔编，可再生能源与电网，中国电力科学研究院新能源研究所译，中国电力出版社， 2011， 1 [5] 鲁宗相 , 王彩霞 , 闵勇，微电网综述研究，电力系统自动化， 2007， 3119100-106