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什么是智能电网及其工作原理?
来源:Arrow 发布:2023/04/26 浏览量:295

智能电网是一种电力分配基础设施,在公用事业提供者和用户之间提供双向通信。促成智能电网技术的数字技术包括功率/电流传感器、控制装置、数据中心和智能电表。

自 19 世纪末以来,配电系统(通常称为电网)一直是世界上的主要电力来源。在创建这些电网时,它们的工作原理就相当简单 — 产生电力并将其发送给家庭、建筑物以及有电力需求的任何地方。

 

但随着电力需求的增加,需要有更高效的电网。现在世界各地使用的现代“智能电网”配电系统依靠最先进的技术来优化效率。本文探讨了智能电网的定义以及让电网变得智能的关键技术。

 

什么是智能电网技术?

 

智能电网是一种电力分配基础设施,在公用事业提供者和用户之间提供双向通信。促成智能电网技术的数字技术包括功率/电流传感器、控制装置、数据中心和智能电表。

 

某些智能电网比其他智能电网更智能。许多国家集中了大量精力将陈旧的配电网改造为智能电网,但这种转变很复杂,需要几年甚至几十年的时间。

 

智能电网技术和智能电网组件示例

 

智能电表 — 智能电表是建造智能电网的第一步。智能电表向用户和公用事业生产者提供使用点能耗数据。它们提供的能耗和成本信息提醒用户减少能源浪费,帮助提供者优化整个电网的配电负荷。

 

智能电表一般由三个主要子系统组成:衡量功率消耗的功率系统、用于管理智能电表内部技术的微控制器,以及收发能耗/指令数据的通信系统。此外,一些智能电表还可以有备用电源(主配电线路断电时)和 GSM 模块,以精确定位电表的位置,实现安全目的。

 

过去十年来,全球智能电表投资翻了一番。2014 年,智能电表的全球年度投资为 1,100 万美元。根据 Statista 的数据,考虑到实施智能电表带来的系统效率提升,到 2019 年,全球智能电表投资达到 2,100 万美元。

 

智能负载控制开关和配关盘 — 虽然智能电表可以向公用事业提供者提供实时数据,但它们不能自动控制能量的分配。为了最化在峰值用电期间的配电或对特定地区的配电,电力公用事业使用电源管理设备,例如智能负载控制开关和配电盘。这项技术通过减少不必要的配电或自动管理已超过其允许使用时间限制的负载,节省了大量能源。简单地说,智能负载控制开关在使用点智能地开启和关闭配电,以优化整个系统的配电和能耗效率。

 

例如,俄亥俄州沃兹沃思市使用的是 1916 年建设的配电系统。沃兹沃思市与智能负载控制开关 (SLCS) 制造商 Itron 合作,通过在住宅安装 SLCS,在用电高峰期循环使用空调压缩机,从而将系统用电量减少 5,300 兆瓦时。

 

电力系统自动化 — 电力系统自动化通过智能电网技术实现,采用最先进的 IT 基础设施控制配电链的每个环节。例如,自动化的电力系统采用智能数据采集系统(跟智能电表的类似)、电力控制系统(如智能负载控制开关)、分析工具、计算系统和电力系统算法。这些关键组件的结合让电网(或多个电网)能够自动调整和优化自身,需要的人类交互有限。

 

智能电网的实现

 

当数字、双向通信和自动化技术在智能电网中实现时,一些基础设施的改变将能最大程度提高电网效率。智能电网的实施实现了以下基础设施的改变:

 

 

图源:维基百科

1.去中心化能源生产

由于智能电网可以持续监测和控制能源分配,因此不再需要由单个大型发电厂来发电。相反,电能可以由许多去中心化的发电站生产,如风轮机、太阳能发电场、住宅光伏太阳能电池板、小型水电大坝等。

 

2.分散的市场

智能电网基础设施还支持连接多个电网,作为跨传统集中式系统智能地共享能源的一种手段。例如,在过去,市政当局拥有独立的生产设施,但没有连接到相邻的市政当局。随着智能电网基础设施的实施,市政当局可以为共享生产计划贡献力量,以消除停电时的生产依赖性。

 

3.小规模传输

电网最大的能源浪费之一是远距离的能源分配。考虑到智能电网实现了生产和市场去中心化,智能电网内的净配电距离显著缩短,从而减少了配电浪费。

例如,想象一下,一个小型的社区太阳能发电场,可以产生社区白天 100% 的电力需求,距离社区仅 1 公里。如果没有本地太阳能发电场,该社区就可能需要从 100 公里外的较大发电厂获得电力。从遥远发电厂输电期间观测到的能量损耗可能比从当地太阳能发电场观测到的传输损耗大一百倍。

 

4.双向分配

在本地太阳能发电场的例子中,可能存在一种情况,那就是,太阳能发电场可以产生比社区消耗的能量更多的能量,从而形成了能量剩余。这些过剩的能量然后可以被分配进入智能电网,帮助减少遥远发电厂的需求。

在这种情况下,能量在日间从太阳能发电场流入主要的非社区电网,但当太阳能发电场不活跃时,能量从主电网流入该社区。这种双向的能量流动可以通过配电算法进行监测和优化,以确保在使用期间任何时候浪费的能量最少。

 

5.用户参与

在具有双向配电和分散式电网边界的智能电网基础设施中,用户能够充当微型发电机。例如,个人住宅可以配备独立的光伏太阳能系统,在使用时可以产生电能。如果住宅光伏系统产生了过剩能量,这些能量就可以输送到更大的电网中,从而进一步减少大型集中式发电厂的需求。

 

智能电网的重要性

在宏观经济层面,智能电网对于降低电力消耗至关重要。许多地方公用事业提供者和政府为参与采用智能电网提供慷慨的激厉措施,因为这在财政和环境上都是有益的。通过采用智能电网,可以使能源生产去中心化,从而杜绝停电的风险,减少电力系统运营成本,消除不必要的能量浪费。

智能电网
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