“智能電網建模與分析”教學內容改革研究

當前電力系統從業人員的基礎理論培訓教材都是面向常規電力系統運行，然而隨著西方國家和國內都開始大力發展智能化電網，導致這些教材已不能很好地滿足未來電力系統高效操作和控制需求的新要求。未來的電網必須克服現有電網的缺點，因此需要電網是智能、持續供電、適應性強并能抵御攻擊。例如，可再生能源、測量和控制工具、電力系統的通信系統、標準的計算技術。由于智能電網是朝陽產業，還沒有形成成熟的體系，新教材《智能電網的建模與分析》旨在培養電力從業人員掌握電子和計算機工程學科方向上的智能電網電能生產方面的理論和實踐知識。

電力員工學習這門課程的前提是已有網絡分析的基礎知識和電磁學方面的理論基礎。但是，仍然需要靈活和模塊化的課程內容結構以及在智能電網電能生產的課程中增加能量轉換方面的概念，以防止電力員工在電力系統學科方面的基礎薄弱。課程不僅需要有大量算例、案例講解和習題的教材，而且需要一個實驗室用來讓電力員工親自實驗，體驗一些智能電網的功能。

現有電網的挑戰

（1）低效：當今電網的總體效率大約只有40%。

（2）集中式發電：集中式發電，使分布式電源接入困難。

（3）參與度低：消費者參與電力市場的機會受限。

（4）缺乏預測功能：電網缺乏預測不良電能質量問題的能力，取而代之的是側重于研究系統故障保護的問題。

（5）集成度低：很少對操作數據和系統管理進行整合，形成業務流程孤島。

這些原因以及老化的基礎設施和勞動力，更嚴格的環保和排放標準，負荷的增長和復雜性增加，導致有必要發展擁有智能化的電網即智能電網。

智能電網的特點

智能電網是帶有智能和通信功能的自愈式電網。智能電網有以下幾個特點：

（1）在廣域網內傳輸功率的能力。

（2）配有雙向通信網絡、自動化控制設備、智能測量設備和快速決策功能模塊。

（3）預防為主，擴大電網參數的數據采集量，以減小對用戶的影響。

（4）抵御攻擊和自然災害能力以及快速恢復能力。

（5）互操作能力：新的電網需要能適應舊式的集中式發電機和分布式發電，有存儲備用容量、為即插即用系統留有空間，如混合動力汽車。

（6）實時報價功能，為電力市場發展提供了廣闊空間。

（7）魯棒性和適應多種類電源的能力，電源類型有集中式發電和分布式發電（如太陽能發電、風能發電、熱電等）。

（8）快速解決電能質量與各種質量/價格之間優先選擇的問題。

盡管智能電網的一些設計和標準已經存在，但是很少有電力從業人員能知道智能電網的構架（見圖1）和具體功能。因此培養電力員工具備充足的理論知識，使從業人員在未來開展電力生產和智能電網時，具有解決智能電網技術難題的能力，這將是非常重要的。為此本教材旨在解決能源系統基本原理、可再生能源的接入技術、智能電網的存儲技術、智能電網的基本原理、智能電網的實時測量、智能電網的決策與控制、智能電網設備的通信、協議、標準、安全和保護等問題。

方法介紹

為了讓從業人員更好的掌握這本教材的內容，本課程分為兩部分：理論（分為7個模塊）和實驗（旨在為電力員工提供一個動手實驗的環節）。本節主要對每個器件進行簡要說明。

能量轉換原理基礎

電力生產通常有不同的形式，而且通常是將機械能轉換為電能，反之亦然。完成這些轉換的分別是發電機和電動機。電機通常是由轉動的轉子和靜止的定子組成。電機中能量轉換來源于定子和轉子之間的傳導或電磁感應。轉子的運動可以是線性的（如線性電機或震動或往復運動的剃須刀）。這些設備是智能電網集中式發電系統電能生產的基礎。

由于集中式發電的大功率生產能力和經濟的尺寸方面的優勢，在未來的電網中仍將起到非常重要的作用。因為集中式發電保證了可靠性和穩定性，因此在智能電網中的優勢是明顯的。從業人員必須了解當前能源系統的一些概念和原則，因此《智能電網的建模與分析》教材給出了發電機、電動機和變壓器的基本概念。這本教材是基于電路、電磁和電機編寫的。教材的詳細內容涉及：電機及其等值模型、應用范圍、測試程序、性能分析及限制條件、尺寸的標準要求、現有設備與未來電網的互聯、通過定期運行和維護。

通過舉例和手算例題使電力員工掌握這些方面的基本知識：確定在不同連接負荷和功率因數下的發電機和電動機的終端電壓和相電壓;掌握電機空載和短路時的等效電路;掌握兩種電機的轉矩特性和速度關系以及調速器、勵磁和其他主要功能的作用;掌握換流器和逆變器的數學模型和特性。

可再生能源的接入技術

隨著負荷需求和維持當前生活水平的能源成本的增加，急需使用靈活、經濟、可持續、便捷和高效的新能源。為了減少集中式發電機的投入，需要可移動、可持續、獨立于電網連接的新電源。當在這種形式的基本微型電網中加入自動化設備、通信工具和智能電網的其他功能后，其將適用于智能電網。

可再生能源可作為電能和熱能的來源。大部分可再生能源是綠色能源，是環境和社會可持續發展的必要條件。現在的電力員工應該了解可再生能源是環境友好型能源，也應明白可再生能源的潛力和局限性。根據可再生能源的類型（太陽能、風能、水能、生物質能、小水電），在本模塊中對其優點、缺點、設計模型和結構進行討論。同時給出了可再生能源占有率的表達式

（1）

為了完善可再生能源的知識，還需要在本模塊中討論成本優勢、互聯標準、效率、可靠性、安全性、經濟性（成本效益分析）和安全要求。

智能電網的儲能技術

由于負荷的波動性特點，基于電力系統的可再生能源儲能技術有著巨大的潛在效益。同時由于在負荷需求高峰時，儲能系統可在短時間內作為直接動力源并彌補發電機啟動時的能量缺口的能力，可提高輸電和配電系統的魯棒性。因此，儲能技術對于智能電網的發展是不可或缺的。本文的重點是研究和比較各種儲能技術（如大功率電池、大電容器、抽水蓄能、氫能、大功率風輪等）在額定功率、充放電時間、容量、可靠性、成本和環境影響方面的特點。通過在本模塊中給出有關儲能問題求解方法、設計和實驗、不同儲能設備尺寸的選擇等實際問題，確保從業人員掌握本模塊的基本內容。

智能電網的基本原理

當今的電力網絡是垂直操作結構，包括發電機、輸電系統、配電系統以及控制和維持電網可靠性、穩定性和效率的設備。盡管當前的電網能滿足電力需求，但是隨著可再生能源使用普及率的提高，電力運營商正面臨著技術更新快和電力市場動力源改變的新挑戰。這就需要智能電網具備通信保障方案、實時監測能力，提高智能彈性、可持續性、魯棒性和安全性的能力。因此當前的從業人員應該掌握未來電網設計、操作和控制的方法以適應未來的工作。

智能電網的實時測量

智能電網的功能包括對網絡中的各種器件進行有效控制，因此有必要對各種運行參數進行適當監測。通過對系統的運行參數如電壓、相角和頻率進行實時監測以實現對電網的實時監測。利用新工具（如同步相角測量單元（PMU）、數據采集與監視控制系統（SCADA）、能量管理系統（EMS）、需求側管理（DSM）、遠程終端單元（RTU）、雙向數字通信）進行監測、測量和分析。本模塊將深入講述PMUs、智能儀表、智能電子設備（IEDs）、SCADA、RTUs、EMS、DMS的工作原理和應用范圍。同時需要通過測量所得的數據來判斷電壓和相角的穩定性和故障評估。可通過仿真以及案例分析來自我檢查對本模塊的掌握程度。

智能電網的決策與控制

電力消費者希望不斷減少支出，因此未來的電網需要更強大的控制功能。未來電網不僅需要能控制電氣和機械系統，而且還應能夠控制負荷，從而減少電力需求和相關成本。本模塊主要討論電力系統控制設備的功能和控制技術，同時還討論了局域和廣域電網的控制和狀態估計。培養電力員工具備設計和操作未來電力系統控制方案的必要技能這是極其重要的。另外，除了學習本模塊的綜合研究外，電力員工還應設計并提供解決方案以區別未來電網的實時測量系統。

智能電網的通信、協議、標準、安全和保護

隨著公共線路和用戶不斷要求降低成本，能源企業正在慢慢調整以提高效率和操作的靈活性。通過引入通信系統，試圖改善智能電網電力系統的配電和輸電系統的需求。考慮到用戶和公共線路之間傳輸信息的靈敏度，通信基礎設施應該是高效和安全的。在本模塊中將討論用戶和公共線路之間用于收集和傳遞信息的不同標準、協議和安全選項。同時本節給出了習題和案例分析用來檢測知識的掌握情況。

實驗操作

本教材包括用計算機仿真包（NEPLAN、PSAT、MATLAB）和運用實時實用的實驗室規模的電力系統設備進行實驗練習。

（1）電力網絡的測量技術工具，例如功率表、智能儀表實驗。

（2）介紹電力仿真工具以及其他潮流計算工具，如NEPLAN、PSAT、MATLAB。

（3）用不同可再生能源和不同負荷類型進行實驗。

（4）動力機械和交直流的控制設備以及感應電機和發電機。

實驗案例

本模塊針對目前在為從業人員提供動手練習而開發的各種實驗和仿真的一些原則進行討論。在本小節通過一個例子討論實驗應有的如下目標：

（1）了解可再生能源的發電過程。

（2）研究儲能系統如何并入電力系統。

（3）探究可再生能源系統（如光伏發電系統）的多變性和隨機性。

（4）開發一種兼容AC和DC電源的系統。

（5）三相系統的應用研究。

（6）用圖2的配置進行系統研究，如潮流計算、最優潮流計算和故障研究等。

結論

電力員工現在應當明白能源方面的趨勢，尤其是關于可再生能源和儲能設施接入電網問題，也應體會到未來電力系統的組成是跨學科的。最后，電力員工應該復習電子、電網絡、信號和系統方面的教材，因為在本教材他們能看到這些知識對電網發展的直接作用及重要性。

《智能電網的建模與分析》這本教材適合作為電力企業從業人員培訓教程。本教材給出了可再生能源通過經典裝置進行電能生產和轉換的基本原理，同時介紹了儲能技術及其效益。為了解決智能電網的基本問題，還介紹了一些不同測量工具，如PMU、智能儀表。此外，針對本地和廣域電網的智能控制，還提出了不同的控制策略，如電壓頻率控制、無功功率控制等。為了便于電力員工動手實驗，電力企業可適當建立用于測試能量轉換元件、測試技術、控制技術及智能電網技術和系統的實驗室。（作者李江供職于東北電力大學電氣工程學院;劉偉波系東北電力大學碩士研究生;王彬供職于安徽省長豐縣供電公司;歐陽斌供職于江西贛西供電公司）