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全球能源互联网标准体系优先领域研究

2018-8-31 08:51| 发布者: admin| 查看: 3762| 评论: 0|原作者: 张晶等|来自: 供用电杂志

摘要: 全球能源互联网标准体系优先领域研究 张晶1,刘晓巍1,张松涛1,王伟2,沈珮2,张洁3,李彬3,祁兵3,代攀4 (1.中国电力科学研究院有限公司,北京 100192;2.全球能源互联网发展合作组织,北京1000 ...

全球能源互联网标准体系优先领域研究

张晶1,刘晓巍1,张松涛1,王伟2,沈珮2,张洁3,李彬3,祁兵3,代攀4

(1.中国电力科学研究院有限公司,北京 100192;2.全球能源互联网发展合作组织,北京100031;3.华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206;4.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司,江苏南京 210003)

全球能源互联网(GEI)是解决世界能源供给不平衡,推动世界和谐稳定发展的积极手段。目前,GEI标准体系涉及领域广泛且结构复杂,如何从众多领域中选取特定领域,优先开展标准化工作,是研究的关键。

引文信息

张晶,刘晓巍,张松涛,等.全球能源互联网标准体系优先领域研究[J].供用电,2018,35(8):61-66,72.

ZHANG Jing,LIU Xiaowei,ZHANG Songtao,et al.Studies on priority areas of standard system for global energy

interconnection(GEI)[J].Distribution & Utilization,2018,35(8):61-66,72.

0引言

全球能源互联网(global energy interconnection,GEI)是以特高压电网为骨干网架,以输送清洁能源为主导,全球互联泛在的坚强智能电网。由骨干网架和智能电网构成的GEI,服务的范围广,能够将各种分布式能源建立在用户端,供用户使用;可以独立运行、也可并网运行,达到低碳环保、节能减排的目的。目前,能源互联网在基本概念、术语定义、概念模型、体系架构、评价指标等方面都没有统一的规定,同时GEI涉及领域广泛、结构复杂且现有标准匮乏,没有统一的标准,亟须规范GEI标准体系。然而开展对GEI涉及的所有领域标准的规范化工作,将是一个耗时且成本巨大的复杂过程。

GEI涉及的技术领域众多,在已有的上千个标准中,识别出亟须制定的标准需求,是一项难度极高的工作,也是优先领域研究所要面临的挑战。现实的做法是从GEI涉及的众多领域中甄选出特定的技术领域,优先开展标准制定工作。优先领域是GEI标准体系的先行工作指南,故亟须开展优先领域的研究。优先领域的研究既要参考国外组织和机构已有的方法论和研究成果,又要结合中国在智能电网、特高压方面的技术创新和标准化应用,按照GEI的发展需要,开展GEI标准优先领域研究。该研究成果将明确GEI标准化工作的重点,优先开展GEI亟须标准的制定,有利于提速GEI国际联网试点工程,加快GEI关键技术和设备的研发和应用,促进中国GEI技术和装备“走出去”,实现标准助力企业创新发展的长远目标。

1、GEI相关标准优先领域

国际标准化组织及研究机构在开展智能电网标准体系研究过程中,对优先领域的研究都给予了充分的重视。美国标准计术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)在智能电网标准框架研究中提出了优先行动计划(PAP),国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)在智能电网标准框架和路线图中提出了需要重点关注的技术领域。中国国家电网公司按照智能电网标准体系的实际需求提出了标准制修订行动计划。

1.1智能电网

智能电网是全世界电网的发展趋势,是未来电网的发展方向,智能电网是GEI的基础。智能电网方向涉及的领域包括智能输变电、智能配电、智能调度、智能用电和信息通信。NIST认为智能电网最终需要成百上千个规范和标准,提出了需要优先考虑的8个领域:需求响应及能效、广域状态感知、电能储存、电动汽车、高级量测基础设施、配电网管理、信息安全与网络通信。

2009年11月,NIST成立了智能电网互操作委员会(Smart Grid Interoperability Panel,SGIP),提出了智能电网优先行动计划(PAP),确定了26项需要优先制定的标准。IEC在智能电网领域重点关注了包括配电管理系统、分布式能源、需求响应等13个应用类领域和规划、通信与安全3个通用领域。日本根据本国企业在智能电网的技术先进性,确定了包括输电系统广域监视控制系统、电力系统用蓄电池、配电网管理、需求侧响应、需求侧用蓄电池、电动汽车、先进测量装置等7个领域中的26项核心技术项目作为发展重点,如输电领域的输电系统广域监视控制系统(WAMS)、配电领域的配电自动化、储能领域的系统用蓄电池的最优控制、电动汽车领域的快速充电等。

2010年6月,国家电网公司发布了坚强智能电网技术标准体系。该标准体系由8个专业分支、26个技术领域、92个标准系列构成,介绍了我国发展智能电网的背景和愿景,分析了标准体系的纲领性指导作用,对现有国内外标准及标准体系进行了梳理分析,确定了可用标准和缺失标准,提出了标准制修订行动计划。任何技术的发展都离不开标准的制定,智能电网的发展也必须要有标准的支撑。标准指引智能电网建设发展方向,而要制定智能电网标准,首先要分析智能电网系统,建立整体的智能电网技术标准体系。现有的电网标准已经不能适应智能电网的快速发展。通过开展智能电网优先领域的标准化工作,可为实现GEI标准体系的构建奠定基础,在借鉴已实现的标准体系基础上进行开拓创新,保证其构建过程高效快速完成。

1.2特高压及新型输电

特高压技术能够实现在通信距离数千公里情况下,输送能源、优化配置设备资源,特高压技术实现GEI互联互通,是构建GEI的基础。为推进特高压交流标准化工作,IEC批准成立了特高压交流系统技术委员会TC122,重点关注特高压交流输电系统规划与设计、变电站与线路设计、交接试验3个方面。中国在特高压输电领域取得了举世瞩目的成就,依托技术创新和工程应用,已经构建了包括规划设计、设备材料、工程建设、测量试验、运行检修等环节的特高压交直流输电标准体系。为满足GEI跨国、洲际特高压输电的工程需要,亟须完善现有的特高压输电标准体系,制定特高压输电系统规划设计、运行维护、安全评价指标等标准系列。目前已经确定需要优先开展的标准制定领域包括特高压输电、柔性直流和直流电网。通过开展特高压及新型输电优先领域标准化工作,为GEI标准体系的构建提供技术支撑。

1.3清洁能源

大规模使用清洁能源是经济社会可持续发展的必然趋势。清洁能源集约化生产和长距离输送是构建GEI的关键。清洁能源大规模存储和利用,可以实现削峰填谷、调节电网频率、减轻电网运行高峰负担的目标。通常,清洁能源的发电基地在距离负荷中心很远的地区,这就要求规范清洁能源发电和并网,开展优化控制的标准化工作,满足清洁能源大规模储能系统和装置高效、安全、可靠运行的需求。目前IEC清洁能源发电相关标准的制修订工作主要由可再生能源接入电网分技术委员会(SCBA)、太阳能光伏能量系统技术委员会(TC82)、风力发电系统技术委员会(TC88)、海洋能(波浪、潮沙和其他水流能量转换)技术委员会(TC114)、太阳能热发电厂技术委员会(TC117)承担,电能供应系统技术委员会(TC8)与电力系统管理和相关信息交换技术委员会(TC57)也有所涉及。许多国家或电网公司已经更新了相关的电网通用导则,或另行编制可再生能源接入要求或技术导则,以满足清洁能源快速增长的需求。目前,德国、丹麦、西班牙、巴西、加拿大、英国、爱尔兰、美国等国家的并网标准或导则,已包含风力发电系统和光伏发电系统等清洁能源的所有类型电源和负荷接入电网的相关技术要求。清洁能源方向涉及的优先技术领域包括清洁能源并网与安全控制和大规模储能。通过开展清洁能源优先领域的标准化工作,为规范GEI清洁能源的发电、并网及储能提供标准支撑。

风力发电标准方面,2004年,中国电力企业联合会组建了电力行业风力发电标准化技术委员会,并启动了—系列标准的制订工作。2010年5月,中国国家能源局组建能源行业风力发电标准化技术委员会,下设7个分技术委员会,中国电力企业联合会作为标委会秘书处的技术支撑单位,负责总体协调工作。

光伏发电标准方面,中国国家标准化管理委员会联合中国工业和信息化部、国家能源局,组建光伏发电及产业化标准推进组,下设基础和材料工作组、电池组件工作组、系统部件工作组和光伏发电并网工作组等,负责具体标准工作。

1.4电网互联

电网互联不仅可以实现能源充足地区补给能源紧急地区功率,使各地区的功率达到平衡,提高系统运行能力,还能进行削峰填谷,实现各区域间能源资源优化配置。电网互联主要完成跨国、洲际联网规划设计仿真、安全运行和控制保护、调度及市场交易等功能,支撑电网互联的安全稳定分析、评价及调节控制以及电网的市场化运营等核心标准。为适应GEI网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动的发展特点,需要统一电网互联系统的设计标准,保证能源互联网安全稳定运行。目前IEC电力系统管理和相关信息交换技术委员会(TC57)和电磁兼容技术委员会(TC77)的工作领域涉及电网互联方面的内容。TC57发布的IEC 61970系列标准,定义了面向控制中心的能量管理系统应用程序接口,包含公共信息梩型(CIM)和组件接口规范(CIS)两部分内容。TC77发布的IEC 61000系列标准,是电磁兼容方面的基础性标准;IEC 60909对电力系统短路计算进行了规定。电网互联专业的优先领域涉及电网安全控制与保护。通过开展电网互联优先领域的标准化工作,为规范GEI电网互联提供支撑。

2003年北美“8.14”大停电事故后,美国授权北美电力可靠性委员会(The North American Electric Reliability Corporation,NERC)负责制订全国性安全稳定标准,各独立运营商根据自身情况制订和细化各控制区域的安全稳定标准。2005年,NERC又对各类控制性能评价标准进行修订,其中CPS(Control Performance Standard)标准归并为BAL-001标准。同年,在制订短期频率控制性能标准的规划方面,NERC提出了平衡监管区区域控制偏差限制(Balancing Authority ACE Limits,BAAL)的要求,并于2016年7月1日起正式执行。

欧洲大多数国家遵循由德国电网联盟组织(Verband der Netzbetreiber,VDN)制订的输电系统安全与供电质量标准(NGC SQSS)。该标准于2000年正式执行,后经数次修订。标准规定了输配网协调、电厂接入、运行计划、系统管理和电网发展等方面要求。电能质量方面,欧洲相关国家执行CEN/CENELEC标准,制订机构编制的电能质量标准EN50160—2007《公共配电网供电的电压特性》,其内容主要规定了电力系统频率范围、电压幅值范围、电压波形参数等限值。

中国国家标准GB/T 31464—2015《电网运行准则》规定了电网运行应遵循的基本技术要求和基本原则。电力市场运营方面,电力行业标准DL/T 1008—2006《电力市场运营系统功能规范和技术要求》规范了中国电力市场运营模式和系统功能。电能质量指标方面,已制订国家标准8项;同时,中国还制订了电能质量测量国家标准1项,相关设备、电能质量治理等多项国家标准和行业标准。

2、GEI标准体系

2.1GEI标准体系框架

GEI标准体系的建立是一项艰巨且复杂的工程,涵盖能源电力技术的各个领域,在不同的领域具有不同的标准化形式,不同的标准化形式对应着不同实现标准化形式的方法,标准体系的构建方法要针对不同的标准化形式而定,标准化形式的显著特性包括统一化、通用化、系列化、模块化、互换性等。GEI是“源、网、荷、储”协调运行的能源系统,实现GEI的过程既包含了集成优化过程,也包含了互联整合过程。此外,GEI不同于传统能源网络,不仅具有与被动负荷之间的接口,还应具备支持分布式电源和微网系统的接口,其复杂的接入终端和开放的交易平台都要求系统具有良好的开放性、可扩展性的特点,需要制定灵活、可扩展的以便不同的终端能接入坚强智能电网的标准。标准化体系的构建过程需要满足固定的标准化形式。标准化体系规划具体流程如图1所示。

图1 标准化体系规划流程

2.2技术领域在GEI标准体系中的定位

建立GEI标准体系,采用了自上而下和自下而上相结合的系统方法。其中自上而下的方法是从GEI的未来发展前景出发,根据发展愿景编制概念模型和参考架构,提出技术创新方向和标准需求;自下而上的方法是对现有的标准进行梳理分析,制定规范的技术标准。

GEI标准体系的总体架构需要遵循系统性、继承性、互动性和开放性,由“1个体系、4个专业方向、13个技术领域、47个标准系列、若干具体标准”构成,如图2所示。

图2 GEI技术标准体系的层次结构

标准体系的第一层是专业方向,包括智能电网、特高压及新型输电、清洁能源和电网互联4个专业方向。智能电网领域是支撑GEI发展的关键领域,主要包括4个子域,分别是智能输变电、智能配电域、智能用电、电力物联网。电力物联网把前3个电力系统与通信连接的子系统通过信息流串联起来,实现与前3个领域的信息交互。特高压领域是指跨国跨洲的特高压输电系统,包括特高压交直流输电域、柔性直流、新型输电等子域。清洁能源领域包括清洁能源发电、清洁能源并网及运行控制、大规模储能3个子域。电网互联领域主要是电网互联的运行控制,包括电网规划与仿真、电网安全控制与保护、电网调度与市场交易3个子域。

标准体系的第二层是技术领域,根据国际标准组织和研究机构已有的领域分类,结合现今GEI领域相关技术的发展情况,将每个专业细分成技术领域,考虑到技术领域众多、标准化的工作量大,因此需要首先对部分技术领域优先开展工作,以满足近期GEI研究与建设的迫切需求。

标准体系的第三层是标准系列,以相关技术领域的划分标准进一步扩充,细化每个优先领域的标准。标准体系的第四层是具体标准,目前数量较多并在持续增加中。

3 GEI标准优先领域

3.1优先领域选取原则

随着云计算、大数据、物联网、移动互联网等先进信息技术的发展,实现全球能源的广泛互联已经成为世界的共同目标,然而GEI是一个涉及领域广泛、结构复杂的互联互通巨大系统,从GEI涉及的所有领域出发构建标准体系,是一个耗时且成本很高的过程。为加快GEI的构建过程,通过研究优先领域标准的选取原则进行扩展延伸,从而保证GEI构建过程的高效性。优先领域的选取应考虑工程建设、技术研发、产业发展现状,甄选出上述过程中亟须开展的标准领域,即优先领域的选取原则应满足工程建设的需要,为工程建设提供标准支撑,提高工程建设过程的安全可靠性;满足技术研发需要,实现跨国跨洲际的能源互联,优先领域需要规范各个领域基础共性技术的标准,为互联过程提供技术支撑;满足产业发展的需要,能源产业飞速发展,产业结构不断更新,优先领域应为产业升级提供标准支撑。因此,优先领域的选取应参考各技术领域的标准路线图,考虑工程建设、技术研发、产业发展现状,展开对优先领域标准化的研究。

GEI标准优先领域的选择应当按照支撑工程应用、突破基础共性技术、促进产业升级的原则确定优先领域。从工程建设、技术研究、产业发展等方面保障GEI的良好发展。支撑2020年前需开工或投运的示范工程及建设项目,重点开展跨国联网过程中基础共性技术,以满足能源电力产业发展升级、更新换代的需要。具体过程如图3所示。

图3 优先领域选取过程

3.2优先领域标准需求

GEI标准体系含4个专业方向,13个技术领域。由于资金和投入有限,GEI技术标准体系的13个技术领域的发展无法齐头并进,也不可能全部优先得到资金分配和精力投入。所以为其做出战略决策以确定迫切性和近期可行性最优是一项必要举措。

优先领域标准是GEI标准体系的突破口和关键点,是促进GEI标准体系有序推进的基础前提和重要保障。为支撑近期GEI工程建设需求,突破基础共性技术,积极促进产业升级,结合GEI各技术领域的标准路线图,按照“工程建设亟须、技术研发亟须、产业发展亟须”的选取原则,即:①工程建设亟须,优先行动领域应为2025年前需开工或投运的示范工程及建设项目提供标准支撑;②技术研发亟须,优先行动领域应为跨国联网过程中基础共性技术提供标准支撑;③产业发展亟须,优先行动领域应为能源电力产业发展升级、更新换代提供标准支撑,选出若干需要优先考虑的技术领域及相关标准系列。

3.3优先领域的标准系列

根据优先领域的遴选原则,从现有技术领域选出5个技术领域及13个相关标准系列。通过对每个优先领域中的标准系列进行深入研究和分析,提出亟须制定的标准系列作为未来优先领域重点开展的工作,如表1所示。

特高压电网是GEI的骨干网架,特高压输电是特高压电网必须优先开展技术研发和标准制定的领域。①特高压交流方面,需制订特高压交流变电站与线路设计类标准、特高压交流输电系统设计类标准、特高压交流系统调试类标准、特高压交流线路电磁环境控制类标准。②特高压直流方面,需制订特高压直流系统规划设计类标准、特高压直流换流站运行维护类标准、特高压直流穿墙套管类标准。③管道输电标准系列方面,需要制订特高压管道输电技术标准、特高压交流管道输电的运维规程和现场试验标准。

基于新型可关断器件的柔性直流输电技术,在清洁能源并网、交流系统异步互联、多端直流输电、孤岛供电等领域具有重要应用。运用柔性直流输电技术逐步建成跨区域、多落点的直流电网工程,有利于实现大规模能源的集约化开发和大范围资源的优化配置。柔性直流输电方面,需制订柔性直流系统特性类标准、柔性直流系统设计类标准、柔性直流换流阀/电抗器/断路器等关键设备类标准。直流电网方面,需制订直流电网超高速控制保护类标准。

智能输变电设备是保障全球能源互联互通、安全稳定、可靠高效运行的基础环节,智能变电站是GEI的基本节点,立足工程建设和产业发展两方面,智能输变电应作为优先领域。智能变电站方面,需制订智能变电站信息模型及交互类标准。智能输电线路方面,需制订高压直流海底电缆类标准、输电线路智能巡检类标准。灵活交流输变电设备方面,需制订FACTS设备设计类标准。

清洁能源是构建GEI的根本,得到世界主要国家的高度重视。清洁能源并网及运行控制领域需要加快制定各类技术标准,以满足工程建设和技术研发的需求。目前需要在两方面优先开展标准化工作。①并网技术要求与试验标准方面,需制订通用化清洁能源并网试验与检测类标准、清洁能源虚拟同步发电技术类标准、大型风电与光伏基地接入电网技术导则;②清洁能源集群控制标准方面,需制订大型风电和光伏基地监测与控制技术规范、大型清洁能源基地功率预测技术要求与系统配置标准。

GEI将广泛涉及跨国/洲际电网的互联,电网规模庞大,外部环境多变、极端灾害天气频发,电网运行特性极其复杂,加剧了电网运行风险。①工程建设方面,需要统一跨国联网工程预可行性研究内容,建立完善的综合经济性评价体系和跨国电网互联系统安全稳定导则,指导跨国联网工程的顺利实施。②电网互联规划方面,需制订跨国联网工程预可行性研究内容、跨国联网工程综合经济评价标准、跨国电网互联系统安全稳定导则。③电力系统继电保护方面,需制订多国互联继电保护定值整定类标准,如站域失灵(死区)保护装置技术规范、特高压直流保护及其接口装置标准化设计规范。④电力系统稳定控制标准方面,需制订特高压直流落点电网交直流协调紧急控制技术规范、风电场有功无功功率控制装置技术规范。

4、结语

GEI标准体系优先领域的研究,抓住了标准化工作的重点,通过优先领域的选取,导出了亟须开展工作的标准系列,形成了当前工作重点任务,指明了近期标准化工作的发展方向。同时标准体系的构建应适用于不同国家、不同地区,具有普遍适用性。随着一系列标准体系相继出台,新的标准体系的研究应该在对已有标准体系进行借鉴的基础上,分析相关领域标准,继承已有标准体系的内容,按照不同领域的需求进行创新性的研究,同时标准体系的研究应该具有良好的扩展性和导向性,应对后续标准体系的研究具有引导性作用,对相关领域其他技术标准体系的制定进行指引,将复杂的标准体系构建过程简化,加快GEI标准体系进程,积极推动GEI不同领域的发展。

作者简介:

张晶,男,教授级高级工程师,主要从事需求侧管理、需求响应、智能电网用电方向的技术研究和标准化工作。

刘晓巍,女,高级工程师,主要从事智能配用电领域技术研究。

张松涛,男,硕士研究生,主要从事智能配用电的研究。

王伟,男,博士,教授级高级工程师,主要从事智能电网、能源互联网的技术研究和标准化工作。

沈珮,女,博士,主要从事能源互联网信息通信的技术研究和标准化工作。

张洁,女,硕士,主要从事电力信息通信相关技术研究。

李彬,男,博士,副教授,主要从事智能电网信息通信技术、自动需求响应技术研究。

祁兵,男,教授,主要从事电力节能、自动需求响应相关技术研究。

代攀,男,高级工程师,主要从事能源互联网、智能变电站以及智能用电相关技术研究。

关键字:全球能源互联网


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