我國能源結構轉型下的配電網發展

2019-02-21

來源:國網經濟技術研究院   楊衛紅

在能源結構轉型升級下,未來配電網將滿足分布式可再生電源及 儲能裝置的大規模接入,適應電動汽車等新型負荷的即插即用, 同時滿足用戶對電能質量和信息互動的高級需求。

習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議上提出“四個革命、一個合作”重大戰略思想,為我國能源轉型發展提供了基本遵循。習近平總書記在黨的十九大報告中提出,要“推進能源生產和消費革命,構建清潔低碳、安全高效的能源體係”,更加明確了我國能源轉型的發展方向。

一、未來能源結構轉型

按照國家戰略目標要求,我國能源電力將在規模、結構、布局等方麵不斷轉型發展,能源體係發生重大變化,主要體現在以下三個方麵:

1)能源消費清潔低碳化隨著新一輪能源 革命的深入推進,我國可再生能源的大規模開發和利用,非化石能源占一次能源消費比例不斷上升,預計2050年非化石能源占比超過51%,成為主導能源。

2)新能源在電力生產中占據主導地位2035年前,新能源裝機超過煤電成為全國第一大電源。2035年,新能源裝機14.3億千瓦、占總裝機比例由2017年的17%提高至38%,發電量2.7萬億千瓦時、占總發電量比例由7%提高至23%2050年,裝機27.5億千瓦、占比達到54%,發電量5.8萬億千瓦時、占比 超過40%

3電力在能源體係中占據主導地位在能源生產環節,隨著新能源的開發和利用,綠色清潔電能將不斷替代化石能源。同時,煤炭利用更加高效,發電用煤占煤炭消費總量比例不斷攀升。在兩者共同推動下,發電能源占一次能源消費總量比例不斷提升,2030年超過 50%2050年超過65%。在終端消費環節,隨著電能在交通、工業、商業、居民生活等領域的廣泛替代,電能占終端能源消費比重持續提升,2030年達到30%2050年超過40%。受此影響,我國電力需求總量持續增長,2050年電力 需求將在當前水平基礎上翻番。由此可見,2030~2050年,我國能源電力體係將發生重大變革,能源消費清潔低碳化的目標初步實現,電力在能源體係中將占據主導地位,新能源裝機超越煤電成為第一大電源。能源體係的重大變革迫切要求電力係統進行轉型升級,電力行業處在能源轉型的重要位置,也是推動轉型的關鍵環節,一定程度上決定能源轉型的效果及成敗。

二、電網發展轉型

    (一)電力係統轉型和功能定位在新的能源結構轉型升級中,電網的功能定位和形態發生重大變化。電力係統的轉型主要是為了實現“安全可靠”、“經濟可承受”目標,從而滿足新的社會發展階段中多元化的訴求,其中包括:

     1)如何確保含高比例清潔能源的電力係統運行可靠;

     2)如何優化轉型路徑,實現盡可能低的清潔電力供應成本;

     3)如何滿足互聯網時代各利益相關方的多元化訴求;

     4)如何推動實現轉型發展所需要的技術進步與創新。

     為適應和滿足新形勢下的多元化訴求,電網不僅要具有強大的電力輸配送能力,更要有靈活互動的服務能力和強大的事故/災害抵禦能力,要求更堅強、更可靠、更智能。其定位可為國家或地區能源資源和社會資源優化配置的戰略性平台:

     1)一次能源轉換利用平台:非化石能源(核能、可再生能源);煤炭高效清潔利用。

     2)大範圍資源優化配置平台:平衡供需關係;平滑變動電源出力;平滑負荷特性。衡供需關係;平滑變動電源出力;平滑負荷特性。

     3)電力市場交易平台:實現公眾參與、獲得最大市場化紅利的重要基礎。

     4)綜合能源服務平台:電動汽車(vs燃油供應服務);CCHPvs天然氣供應服務)。

   (二)配電網發展新形態

     作為電力係統中與廣大用戶密切相 連的配電網,除了因為能源結構轉型帶臨著動態的負荷/儲能設備——電動汽車和儲能技術的快速發展,電力電子設備的不斷廣泛應用及用戶對電能質量要求的不斷提高,以及智能電網概念的深化、雲大物移智技術的不斷發展等機遇和挑戰,傳統配電網的結構功能將發生巨大變化。發展方向將是智能的主動配電係統,進而逐步實現能源互聯網。其特征集中在:高滲透率的可再生能源,多維非線性的隨機係統,海量多源的離散大數據,動態多時空差異的源與負荷,綠色環保的社會義務,以及不斷提高的服務質量要求。結構決定功能,未來配電係統需要靈活的網絡拓撲結構,挑戰巨大,創新機遇巨大。集成規劃和運行的配電網升級,多能源優化規劃和智慧城市建設將首當其衝,引領未來配電係統的發展。結合我國配電網的發展現狀、未來能源轉型的需求及新技術的發展趨勢,現階段我國配電網的發展目標是建成安全可靠、經濟高效、靈活先進、綠色低碳、環境友好的智能配電網。

    1)安全可靠:供電能力充足,網架結構合理,設備標準化配置,具備故障自動檢測、隔離和網絡重構的自愈恢複能力,能夠抵禦各類故障,供電可靠性和電能質量達到國際一流。

    2)經濟高效:建設方案精益,設備序列精簡、通用互換性強,供電距離合理;網絡潮流分布均勻,負載率均衡,資產利用率高,電能損耗低;需求側管理作用充分發揮,有效調節負荷,實現節能增效、削峰填穀,顯著提升能效水平。

    3)靈活先進:電網可觀、可測、可控,滿足新能源、分布式電源和多元化負荷靈活接入、實時監測和柔性控核心的能源互聯網平台,推動電力流、業務流、信息流深度融合,實現與用戶友好互動。

    4)綠色低碳:新能源、分布式電源高效消納,以電代煤、以電代油(氣),電能占終端能源消費比重不斷提高,能源替代戰略有效實施,實現清潔替代和電能替代,促進能源生產和消費革命。

    5)環境友好:用戶資源和公共資源有效統籌,設備設施節能環保,與周邊景觀協調一致,實現資源節約和環境友好。

三、配電網發展趨勢

    (一)配電網技術發展趨勢

配電網關鍵技術包含七個方麵主要內容。

    1)主動配電網規劃技術方麵通過研究考慮多能源互補和需求響應的、基於GIS的空間負荷預測技術和智能配電網自愈供電模式優化和電器可靠性評價方法,提出基於資產管理和可靠性要求的變電站優化規劃和網架優化規劃方法,建成基於GIS和多目標模型的智能配

電網規劃平台。

   2)智能配電網自愈控製技術方麵突破自愈控製、態勢感知、分布式電源/微網/柔性負荷集群控製、電壓無功優化技術等關鍵技術,建成智能配電網自愈控製係統,實現配電網自愈控製。

   3)儲能技術方麵研究負荷平衡技術,動態地對負荷進行補償,負荷跟蹤,實現削峰填穀和係統備用等輔助服務;延緩配電網建設投資。通過運用抑製電湧,補償電壓跌落;抑製頻率偏移,對三相不平衡進行補償;後備電源等技術手段,提高供電可靠性和電能質量。平緩分布式風電、光伏等的輸出波動,促進分布式電源友好接入。

   4)先進的配電網自動化技術方麵先進配電自動化(ADA)包含從重要饋線采集信息的智能傳感器,電子控製器,雙向通信係統。ADA係統采集並反饋電壓、電流、有功、無功、設備狀態、運行狀態,事件日誌以及跟配電係統狀態有關的其他信息。通過控製裝設的自動開關、重合器、電容器和高級計量裝置,可以使電網實現最優重構,提高係統的可靠性和技術性能。

   5)直流配電網技術隨著直流配電網技術的逐漸成熟,可以滿足分布式能源的高密度接入及充分利用需求,滿足重要敏感負荷的高可靠、優質供電要求,提高配電走廊的供電容量,滿足直流及變頻負荷用電的需求。

   6)配電網防災減災抗災技術包括災害預警技術、災害評估技術、係統災害能力提升技術和救災資源配置優化和應急保障能力提升技術幾個方向。

   7)能源互聯網技術能源互聯網是通過先進的電力電子技術、信息技術和智能能量管理技術,將大量由分布式能量采集裝置和分布式能量儲存裝置構成的新型電力網絡節點互聯起來,實現能量和信息雙向流動的能量對等交換與共享網絡,隨著能源互聯網技術的發展,將更好地發揮電網作為能源配置平台的作用。

    (二)技術裝備發展趨勢配電設備發展趨向有三個明顯的趨勢:更加注重安全性、與環境的協調(或減少對環境的影響)及電力電子技術的融合應用。主要設備技術下麵主要 包含幾個方麵。

    1)配電設備智能化及柔性配電技術方麵各類中壓/低壓元件(自動負荷開關/斷路器、新型PT/CT)、變壓器(固態變壓器)、遙控及保護係統和設備(RTU/IED),遠程接口與智能電網遵循IEC61850IEC60870-5-194統一規範。充分考慮功能、可靠性、性能和經濟效益等影響。突破數字化處理、自我檢測診斷、自適應控製、信息交互通訊技術、配電係統電能質量相關技術,研發固態電力電子設備,應用柔性潮流控製技術,實現配電網潮流可控,優化新能源並網問題,實現綠色發展。新型開關、故障指示器、互感器等等。包含短路電流限製器(SSCL)、固態斷路器(SSCB)、固態電源切換開關(SSTS)、軟常開開關設備(Soft Normally Open PointSNOP)等新型設備。如軟開關技術(Soft Open PointSOP),通過可控的背靠背直流電力電子變換器代替傳統基於斷路器的饋線聯絡開關,實現網絡間的“軟連接”

    2SF替代品

     從環保角度而言,SF 替代品的研究一直是國際大型企業研究的重點。近年來通用電氣和3M公司研發的g3(電網綠色氣體)氣體混合物替代品,具有與SF6相媲美的絕緣性能。ABB公司研發的AirPlusTM氣體,成功在荷蘭電網420kV環網櫃上投運3年,介電性能更高由施耐德研發的HFO1234zeE氣體,成功實現GIS設備電流開斷能力。

    3)新材料應用新型防冰劑研製、天然酯絕緣油在變壓器中的應用等也不斷取得新的進展。

四、結束語

     在能源結構轉型升級下,未來配電網將滿足分布式可再生電源及儲能裝置的大規模接入,適應電動汽車等新型負荷的即插即用,同時滿足用戶對電能質量和信息互動的高級需求。如何解決新形勢下的挑戰和任務,在現有電網基礎上實現向未來配電網的經濟、高效過渡,是當前國際學術界和產業界的關注焦點。