智能电网是在物理电网基础上集成融合现代传感量测、通信信息和控制技术,具备柔性灵活、智能高效、安全自愈、可靠自适应等多种特点的,能适应大规模可再次生产的能源、分布式电源接入及用户侧需求响应的新型电网。自国内开展智能电网建设以来,电网公司、研究机构及设计建筑设计企业从全网、城市、区域、农村等多种层面提出了智能电网规划方案及实施计划[1]。

  近年来我们国家的经济社会持续健康发展对智能电网提出了新的要求。一方面,我们国家的经济由快速地增长阶段转向高质量增长阶段,经济社会持续健康发展呈现新趋势,清洁低碳、安全高效的能源体系逐步构建,需要电网更好地支撑经济发社会展[2,3];另一方面电力体制改革进一步深化,电力交易市场化,增量配售电业务向社会资本放开,促进资源优化配置。此外,储能、大数据、人工智能等新技术、新材料慢慢地在电网中试点应用,对提高电网运行效率、保障电网安全可靠运行起到重要推动作用[4,5,6]。

  在这种背景下,如何充分的利用先进的技术构建城市智能电网,适应经济社会持续健康发展新趋势是当前智能电网规划面临的重要问题。本文针对当前技术发展及应用情况,科学合理提出了全面涵盖市区、农村、园区的城市级智能电网规划体系,按照不一样的区域对于电力供应的需求合理规划智能电网建设内容,提高电网运行效率及服务能力,适应城市经济社会加快速度进行发展对电力的需求。

  在电力系统各等级中,市级电网作为网省二级之下,其范围内的电网主要为220kV及以下的输配电网,提供的供电服务更靠近各类最终用户,相应地,电网的发展需求及建设重点也聚焦在配用电侧。

  从电网的规划角度看,网、省、市等各级规划都需要从实际出发,按照不一样区域的发展需求,开展差异化建设。在当前的规划体系内,网省级大型电网规划侧重于研究电网整体规划方案和电网结构,智能化方面仅提供总体技术方向和大概方案,没有对智能化进行更深层次的应用方案研究,难以实现智能电网中网架建设及各技术应用的互补融合。而市级电网规划具有更深入的规划深度,可以依据每一个重要需求形成具体的智能化方案,从而使规划成效更为显著,应该是智能电网规划的重点着力点。

  从另一方面而言,城市范围内电网的发展诉求不完全一样,城区、农村、工商业园区等不一样区域的电网发展现状及需求存在一定的差异,智能技术的选取应用方向也大不一致,各类型区域之间需要开展针对性的规划研究,并在此基础上统筹考虑各区域需求,在顶层设计服务全市域的智能技术应用方案,做到统筹兼顾、有的放矢,因此在规划操作中可根据模块化理念,将农村、园区、城区作为各规划模块,在各模块智能电网方案的基础上形成市级智能电网规划。

  综上考虑,智能电网规划重点应落到市级电网这一层,并且将智能电网规划从底层做起,构建分层智能电网规划架构,在各城区、农村、园区等不一样模块内形成规划的基础上,将各智能电网模块进行有机整合,自下到上构建整体规划方案,从而将智能技术应用与传统网架优化结合起来,充分的发挥智能技术的作用,形成总体成效,提高智能电网的设备利用率,降低建设运行成本。

  市级智能电网涵盖城市、农村、园区等多种类型的供电区域,各区域供电特性、需求、问题、电网发展阶段都不一样,需要针对性开展相关建设,精确满足多种区域对智能电网的要求[7]。

  从整体来看,一方面市级电网以外部电源为主、内部中小电源为辅的电源结构,仍然需要强化输配电网建设,保障城市电力供应,并且针对性满足供电能力需求,按照各类型区域电网建设现状差异化开展网架建设及智能技术应用;另一方面,需要支撑能源的清洁化,推广电力的绿色生产及消费方式,支持分布式清洁能源发展,推动终端电能替代,保障城市绿水青山;此外,在信息化发展背景下,构建电网信息体系,以数据驱动内部业务,促进业务系统的交互合作,对外可提供能源信息支持,保障电力市场化交易,支撑智慧城市建设。

  从不同类型区域来看,城区智能电网主要服务于公共服务部门、第三产业及居民等用电需求,随着经济社会持续健康发展和社会用能再电气化,城区网架结构基本成形,电动汽车、储能等可控负荷快速增加,为智能电网建设提供了更好的建设基础,但负荷峰谷差大、调峰需求高的特点日益显著,城区用户对于提高供电可靠性的要求更加迫切;此外,受城区用地紧张、建筑密度较高等因素影响,城区分布式发电较少,配电网网架提升成本快速走高,输配电走廊日渐紧张,增强电网结构难度加大[8,9,10]。

  农村智能电网依托于农村生产生活用电,农村用电具备负荷密度低、季节性负荷多等特点,农网供电半径大,以单辐射线路为主要类型,供电可靠性、电能质量相比来说较低,在乡村振兴及脱贫攻坚的政策背景下,农网供电能力难以满足发展需求。农村智能电网建设一方面需要打牢基础,补全农网网架,推进农村地区供电全覆盖,助力脱贫脱困,另一方面要提高农网运维能力,改善供电可靠性及电能质量,保障农村产业高质量发展和农民生活水平[11,12]。

  园区智能电网以工业园区及内部企业为服务对象。工业园区总体电负荷及热负荷相对来说比较稳定,其用能需求受内部企业影响具有不一样的性质,受包括企业产品类型、工作方式、行业特点等及外部经济周期等多种因素的共同影响。此外,园区由于建筑密度较低具有较大的分布式能源发展的潜在能力,能够为园区用户更好的提供部分能源供应。

  城市级智能电网规划是在既有输配电网规划的基础上,结合新形势下城市经济社会持续健康发展趋势,衔接城市规划,依据城区、农村、园区对于电力供应的不同需求,提出各区域电网智能化提升内容。按照以上需求,可以将城市智能电网分为城区、农村、园区及全域等四种类型智能电网模块,从不同的应用重点提出智能电网建设方案,综合构建全面有效的市级智能电网架构体系。城区、农村、园区智能电网模块分别以城区、农村、工业园区为依托,以满足该类型区域内的能源电力需求为目标,精准对口地适应区域内经济社会发展。而全域智能电网作为三者的上层架构,整合不同类型区域的智能电网,进一步发展和完善城市智能电网,实现城市智能电网统一管理、统一调控。

  城区智能电网模块按照城区高负荷密度和高供电可靠性要求,重点在高可靠性供电能力及智能化用电部分开展工作,一方面提升基础网架,挖掘内部调峰潜力,另一方面提高客户服务能力,为电动汽车、家居电器的智能运行提供支撑;农村智能电网模块基于农村网架结构薄弱、可再生能源发展潜力大的特点,重点开展农网升级改造及电力清洁化,合理开发分布式电源,在经济性前提下适当强化网架,保障农村供电需求,提升农网供电质量。

  园区智能电网模块内高负荷密度的特点能够支撑更多的新技术应用,以降低用能成本、满足特定供电要求为指导,在综合能源服务、差异化强化电网两方面开展智能电网建设;全域智能电网模块一方面提供全局性的电力服务,以高等级网架建设为各模块提供的电源保障,构建高级调控能力优化全市电网潮流,布局电动汽车充电网络提供用电支持,另一方面开展大数据分析,为智能调控、智能运维等高级功能建设提供支撑,提升电网运行效率。

  城区智能电网规划主要围绕高供电可靠性及智能用电开展,提升电网供电及调峰能力,充分容纳电动汽车等可控负荷,适应当前城区经济社会发展的需求。结合城区智能电网规划的目标,可从以下几点提出规划内容。

  提高配电网网架水平,推动配电自动化升级。根据城区发展规划和高质量用电需求,高起点、高标准规划建设配电网,确保供电能力充足;利用需求侧管理及虚拟电厂技术提高调峰能力。充分利用各种可控资源,以“互联网+智能技术+市场化手段”的方式开展群调群控和需求侧管理,量体裁衣制定负荷减少或增加策略,实现分散资源的聚合控制,调整用电行为,优化电力潮流分布,有效降低高峰负荷,促进分布式能源消纳;在网架建设条件不具备的区域,充分借助储能、需求侧管理、虚拟电厂等技术,改变当地电力潮流分布,补充配电网供电容量,降低尖峰用电负荷,延缓配电网升级改造,为配电网网架提升提供新的方式。

  推广智能营业厅,提高客户服务能力。通过物联网、人工智能、移动应用等新技术,实现营业厅业务、设备、服务环境、服务内容的智慧升级,提高客户对多元化服务渠道的体验,推动从业务办理功能向客户体验远程渠道功能转型,引导客户业务办理习惯,推动客户向远程服务渠道转变,提高办理传统业务量效率,适时开展用户精细化账单、用电分析与节能服务等多样化电力增值服务。

  推动电动汽车车网互动。建设电动汽车充电服务及车网互动平台,为各类不同电动汽车用户提供友好互动的充换电服务和增值服务,有效引导电动汽车参与车网互动,提高充换电服务的智能化水平,促进电动汽车参与电力辅助服务。

  开展综合能源服务,提高能源服务水平。在居民、商业或公共服务区域,部署分布式能源管理系统,采集分布式能源与用能信息,深入进行信息挖掘,分析用户用电习惯,识别用户用电行为,描绘用户画像,实现部署区域内发电与用能信息的分析与展示,精准化提供能效服务。

  农村智能电网规划需要以提升农村电力普遍服务水平为核心,在平衡配电网可靠性与经济性的基础上,利用新技术提高配电网供电能力,打造坚强的电网结构,提供优质的供电服务。

  加快推进农网改造升级工程。在当前城镇化趋势加快及乡村振兴政策实施的形势下,需要因地制宜分析农村的发展情况,综合农网经济性,准确预测农村用能需求,采用合适的手段达到农村发展所需的供电水平,解决供电半径和供电质量问题,提高供电安全水平;推动农网智能运维。开展智能台区综合监控系统建设,实现农村配电台区综合展示、辅助决策、低压台区监控等功能,全方位把控台区运行状态,运用运维移动终端,实现智能派单、故障抢修辅助、低压台区监控、工单处理过程监控等功能,提升基层供电所快速主动的运维支撑能力。

  开展低电压及三相不平衡治理。优化线千伏线路供电能力,提高地区功率因数,有针对性地解决中压线路电压偏低问题。因地制宜解决低压台区电压偏低问题,解决季节性负荷造成的配变过负荷问题。加强三相不平衡及电压治理,合理配置适量的动态无功补偿及三相不平衡动态调节设备,实现低成本投入、高效率治理配电网不平衡电流;试点偏远地区微电网。根据当地资源禀赋,因地制宜建设小水电、光伏发电、风电、沼气等可再生能源发电系统,构建并网或离网型微网,满足电网末端或电网难以覆盖地区的电力供应需求,降低用能成本,提高资源利用效率。

  推广农光互补及光伏扶贫。根据当地自然条件和负荷发展需求,结合大棚光伏、农光互补、村级光伏扶贫电站等项目,有效推进分布式光伏建设,对接精准扶贫、精准脱贫工作,帮助贫困农户持续、稳定增收,促进清洁能源利用。

  开展新能源特色小镇建设。因地制宜开发分布式能源,根据特色小镇的自然条件和负荷发展需求,有效推进分布式光伏建设;推进绿色建筑智能化,在居民区、酒店及旅游区推广可再生能源建筑,应用屋顶光伏、节能屋顶、地源热泵、太阳能供热制冷等技术,建立远程抄表功能与GIS地理信息系统的有机结合功能,对绿色建筑、节能建筑进行智能管理;采用分布式电源“即插即用”装置,保证分布式电源并网的灵活接入和稳定运行,建立不同分布式电源统一管理平台,配合储能装置,提高分布式电源与电网之间的友好互动性。

  园区智能电网建设需要以降低企业用能成本为核心,在开展差异化供电服务的基础上,推动园区能源管理,提供多元化能源供应服务,帮助企业“轻装上阵”,提升企业竞争力。根据园区智能电网的发展需求,提出以下几点规划内容。

  提升园区供电可靠性。优化配电网架构,根据园区电源位置、负荷分布及产业特点,按照用户不同需求规划相应配电网架、接线形式和设备选型等,为用户量身定制电力服务。加强配电自动化建设,推广集中式配电网自动化终端模式,逐步实现“三遥”终端全覆盖;推进配网柔性化。在分布式电源、储能、电动汽车等直流资源密集地区,推进低压电网直流化改造,在园区建设柔性直流换流器,组建低压直流电网,按照独立孤岛或交直流并列运行。开展中低压柔直流混合配电网建设,高效接纳直流电源和负荷,提供动态无功补偿,减少系统损耗,提高电能质量。

  开展源网荷储协调互动。面向园区内分布式发电、储能、电动汽车、可控负荷等多种可调资源,以分层分级的控制模式构建网源荷储协调控制系统,实现对配电系统的多目标主动控制与管理,提高园区配电网安全稳定运行能力,抑制光伏、风电发电带来的电网波动,助力清洁能源消纳;促进园区分布式发电市场化交易。在园区内基于由政府、电网企业、分布式发电企业、用户组成的四方机制,构建电力直接交易模式,建设分布式电力交易平台,降低园区内用户的电价负担;提供园区节能及能效管理服务。在工商业用户分析能源利用现状及能源管理体系建设情况,指导客户全面提升能效水平,分析能耗薄弱环节和挖掘节能潜力。部署企业用能管理服务系统和终端,采集企业用电信息,提供能效评测、综合节能等多样化服务。引导企业接收电网公司电价、错峰移峰等信号,制定需求响应策略,调整企业用电行为。

  全域智能电网是在城区、农村、园区智能电网建设的基础上,通过云计算、人工智能、大数据、物联网等先进技术,采集、分析、整合各区域信息,打造城市电网大脑,实现对于电网规划、建设、运行、管理的全方位支撑,进一步发展和完善城市智能电网,对内提升电网利用效率,优化电网的管理与服务能力,对外支撑智慧城市、智慧交通建设[8,9,10]。结合城区、农村、园区智能电网规划内容,根据城市智能电网的发展需求,提出以下几点作为全域智能电网的主要内容。

  110/220kV电压等级电网建设,在各模块配电网建设的基础上,统筹考虑上级电网及内部电源的建设情况,确保将外部电源安全可靠接入,保障各区域的电力供应;开展多时间尺度精细化调控。构建分布式能源信息监视体系,逐步形成分层、分级的分布式能源信息监视体系提升新能源预测覆盖率及准确率,同时完善新能源出力预测能力,促进新能源消纳。

  构建电力/能源大数据体系。整合电力生产和电能使用的发输变配用和调度、生产、营销等各个环节的电网运行和设备监测、营销及管理数据,对内实现电网状态监测及运维、企业内部精细化运营管理、电力营销管理等功能,支持电力交易市场建设,对外为政府提供数据决策支持,支撑智慧城市建设;构建城区公共充电网络,满足电动汽车充电需求。按照从经济发达区域向欠发达区域过渡,逐步增大公共充电基础设施分布密度,在城区及道路的停车区域合理配套,建设快慢结合的充电基础设施网络。

  根据城市经济社会发展的新趋势及电力体制改革新业态,提出了全面涵盖市区、农村、园区的三级市级智能电网架构体系,从市区、农村、园区不同供电类型区域用电需求,提出智能电网建设内容,提高电网智能化水平,保障电网安全可靠运行,促进各区域的经济社会持续健康发展。

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