智能电网与能源网融合技术.pdf

智能电网与能源网融合技术主编 李立浧 郭剑波 饶 宏机 械 工 业 出 版 社面向我国能源技术革命的需求，结合国家战略发展的方向，智能电网拓宽其互联范围，与其他能源网深度融合已成为趋势，智能电网与能源网融合的技术发展方向和技术体系战略研究已成为能源行业研究的重点和热点。本书契合该背景展开研究，分为 8 章，内容包括智能电网与能源网发展现状与趋势，智能电网与能源网的融合模式，新材料新装备和信息通信的支撑技术，广域互联能源网、区域与用户级智能能源网和“互联网+”智能能源网 3 种典型的智能电网与能源网的融合场景分析，我国智能电网和能源网融合的技术发展路线。本书可作为能源系统、电力系统、自动化技术、能源技术、能源政策以及能源金融等行业相关研究人员的参考书。图书在版编目（CIP）数据智能电网与能源网融合技术/李立浧，郭剑波，饶宏主编.北京：机械工业出版社，2018.4ISBN 978-7-111-59489-5.智.李 郭 饶.智能控制-电网-数据融合 智能控制-能源-网络系统-数据融合.TM76TK01中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 056925 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：汤 枫 责任编辑：汤 枫责任校对：张艳霞责任印制：李 飞北京铭城印刷有限公司印刷2018 年 4 月第 1 版第 1 次印刷169mm239mm13.5 印张315 千字0001-2500 册标准书号：ISBN 978-7-111-59489-5定价：59.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务网络服务服务咨询热线：（010）88379833读者购书热线：（010）88379649封面无防伪标均为盗版机 工 官 网：机 工 官 博： 郭剑波 饶 宏 委员：蔡泽祥 张勇军 韩永霞 许爱东 蒋屹新 李 鹏 曾 嵘 张 波 庄池杰 王成山 王 丹 贾宏杰 肖立业 齐智平 刘超群 赵 强 宋燕敏 陈泽兴 刘 平前言目前我国是世界上最大的能源消费国，传统的能源生产和消费模式已难以适应当前形势。在经济增速换档、资源环境管理趋紧的形势下，推动能源革命势在必行、刻不容缓。2014 年 6 月，习近平总书记在中央财经领导小组会议提出我国能源安全发展的“四个革命”和“一个合作”战略思想，包括能源消费、供给、技术和体制四个革命和国际能源合作，明确了能源革命的发展方向，深化了能源革命的内涵，同时希望借助能源革命大力推动新能源和可再生能源的发展，逐步建成多元化、低碳化、无碳化的智能、安全、清洁、高效的新能源系统，保障经济社会发展需求的能源供给。在能源革命的大背景下，国家正加紧推进能源改革，积极部署能源各个领域、各个产业的结构调整。电力发展“十三五”规划 明确强调，电力规划的基本原则之一是智能高效、创新发展，通过加强系统集成优化、改进调度运行方式、提高电力系统效率、大力推进科技装备创新、探索管理运营新模式等方式，促进能源系统的转型升级。此外，迅速发展的互联网行业正以巨大的力量逐步颠覆多个传统产业的生产和经营方式，能源行业的互联网化为能源革命带来了新的机遇和挑战。2016年 2 月，国家发改委发布 关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见，明确了“互联网+”智慧能源的发展核心是能源互联网的建设，指出了“互联网+”智慧能源发展的指导思想：以改革创新为核心，以“互联网+”为手段，以智能化为基础，围绕构建绿色低碳、安全高效的现代能源体系，促进能源和信息深度融合，推动能源互联网新技术、新模式和新业态发展，推动能源领域供给侧结构性改革，支撑和推进能源革命。2016 年 4 月，国家发改委、国家能源局发布 能源技术革命创新行动计划（20162030 年），将能源互联网技术创新列为一项重点任务，并明确提出能源互联网架构设计、能源与信息深度融合、能源互联网衍生应用等 3 项具体创新行动。在此大背景下，本书对智能电网与能源网融合的必要性、技术特性和技术发展方向体系等一系列问题展开研究。在探究智能电网与能源网的融合模式方面，编者认为，可以从电力行业、其他能源行业和互联网行业等不同视角，看待形成智能电网 2.0、互联能源网和“互联网+”能源网 3 种融合模式。不同的融合模式，代表不同行业市场竞争的结果，是在国家政策、行业需求、关键技术以及地域限制等因素的综合影响下形成的。智能电网与能源网的融合，可以促进能源供给侧优化能源结构、提升可再生能源比例，消费侧实现多能互补、提高能源综合利用效率以及市场侧还原能源商品属性。新材料新装备和信息通信技术是智能电网与能源网融合的物理基础和关键技术。一方面，新材料新装备的研发，为打造更加安全可靠、高效经济、绿色环保的智能电网及其与能源网的融合提供了坚实的保障；另一方面，以移动互联网、物联网、云计算和大数据为代表的信息通信技术的发展，极大地促进了能源系统的智能化和自动化，加速了智能电网与能源网的融合。在智能电网与能源网融合的趋势下，结合不同地域环境优势，开展合适的智能电网与能源网的融合模式建设，形成广域互联能源网、区域与用户级智能能源网和“互联网+”智慧能源的典型应用场景。本书分析了这些典型应用场景的现状、发展趋势、形态特征、技术需求和技术发展方向。最终结合我国能源系统的发展现状，基于对技术需求和技术发展方向的论述，提出我国 2020 年、2030 年以及 2050 年智能电网与能源网融合的形态演变及关键发展技术。本书第 1 章、第 2 章和第 8 章由华南理工大学蔡泽祥、张勇军、韩永霞、陈泽兴和刘平执笔，第3 章由中国科学院电工研究所肖立业和齐智平执笔，第4 章由南方电网科学研究院许爱东、蒋屹新和李鹏执笔，第 5 章由中国电力科学研究院刘超群、赵强和宋燕敏执笔，第 6 章由天津大学王成山、王丹和贾宏杰执笔，第 7 章由清华大学曾嵘、张波和庄池杰执笔。全书由李立浧、郭剑波和饶宏统筹和校对。本书得到了中国工程院重大咨询项目（2015-ZD-09-09）的大力支持，在此深表谢意。由于编写时间及编者水平所限，书中疏漏及谬误之处在所难免，还望读者不吝赐教。编 者前 言目录前言第 1 章 绪论11.1 能源转型面临的挑战11.1.1 能源结构亟待转型11.1.2 新能源消纳面临瓶颈31.1.3 能源利用效率亟待提升41.1.4 能源系统独立运行的局限性问题51.2 能源技术取得的突破71.2.1 新能源成本的快速降低71.2.2 能源领域新材料取得的新突破91.2.3 互联网技术在能源领域的应用优势101.3 智能电网与能源网融合的优越性111.3.1 推动能源供给革命，提高新能源消纳能力111.3.2 推动能源消费革命，提高能源综合利用效率121.3.3 推动能源体制革命，提供市场化所需技术支撑131.4 本章小结13参考文献14第 2 章 智能电网与能源网的融合模式152.1 国内外发展现状152.2 融合模式的三种形态192.2.1 视角 A：智能电网 2.0202.2.2 视角 B：互联能源网222.2.3 视角 C：“互联网+”能源网252.2.4 融合模式的异同272.3 融合模式的支撑技术282.3.1 材料装备技术292.3.2 信息通信技术322.4 融合模式的典型场景322.4.1 广域互联能源网332.4.2 区域与用户级智能能源网332.4.3“互联网+”智慧能源342.5 本章小结34参考文献35第 3 章 新材料新装备支撑技术383.1 提升电能传输效率的新型材料与装备383.1.1 超导材料与装备383.1.2 新型导电材料433.1.3 特高压设备绝缘防护473.2 促进可再生能源消纳的新型储能材料与装备483.2.1 储能技术的基本类型483.2.2 储能材料与装置的技术发展方向483.3 未来先进电工装备的新型电工磁性材料513.3.1 电工磁性材料的基本类型513.3.2 电工磁性材料的技术发展方向553.4 未来电力电子化能源系统的新型半导体材料和器件573.4.1 宽禁带半导体材料的基本类型573.4.2 宽禁带半导体材料与器件的技术发展方向653.5 推进能源系统发展的智能（功能）材料673.5.1 非线性绝缘材料683.5.2 自愈合绝缘材料693.6 本章小结71参考文献71第 4 章 信息通信支撑技术744.1 促进透明电网的信息感知技术744.1.1 芯片级传感技术744.1.2 芯片化保护控制技术76目 录4.1.3 光纤传感网络技术784.1.4 泛在网络技术784.1.5 感知信息技术的发展方向814.2 适应分布式处理的信息处理技术834.2.1 云计算技术834.2.2 大数据应用技术864.2.3 高性能计算技术894.2.4 信息处理技术的发展方向904.3 面向智能决策的信息交互技术914.3.1 人工智能技术914.3.2 虚拟现实技术（VR）934.3.3 物联网技术964.3.4 移动互联网技术1004.3.5 信息交互技术的发展方向1024.4 保障能源系统可靠性的信息安全技术1034.4.1 云计算信息安全技术1034.4.2 物联网信息安全技术1044.4.3 能源工业控制系统安全技术1064.4.4 信息安全技术的发展方向1094.5 本章小结110参考文献110第 5 章 广域互联能源网1135.1 电力发展趋势1135.1.1 电力需求预测1135.1.2 电力供应预测1155.1.3 可再生能源发电预测1175.1.4 电力流和输电需求预测1185.2 广域互联能源网的形态特征1205.3 广域互联能源网的技术需求1215.3.1 远距离输电能力提升的技术需求1225.3.2 大电网安全稳定运行的技术需求122智能电网与能源网融合技术5.3.3 大规模可再生能源集中消纳的技术需求1235.4 远距离输电能力提升的技术发展方向1245.4.1 特高压交流输电技术1245.4.2 特高压直流输电技术1265.5 大电网安全稳定运行的技术发展方向1275.5.1 基于运行轨迹的电力系统稳定分析与控制1275.5.2 新一代特高压交直流仿真平台1295.5.3 交直流大电网系统保护技术1335.5.4 气象及能源大数据综合利用1365.6 大规模可再生能源集中消纳的技术发展方向1385.6.1 柔性直流输电技术1385.6.2 大容量储能技术1395.6.3 适应大规模可再生能源接入的大电网调度技术1405.7 本章小结146参考文献146第 6 章 区域与用户级智能能源网1476.1 现状及发展趋势1476.2 智能能源网的形态特征1486.3 区域与用户级智能能源网的技术需求1516.3.1 多能流耦合的关键支撑技术与设备1516.3.2 多能流耦合的规划设计技术1576.3.3 高比例可再生能源就地消纳的技术需求1596.3.4 终端能源利用效率提升的技术需求1596.4 多能流耦合的技术发展方向1606.4.1 电-气耦合技术1606.4.2 电-热耦合技术1616.4.3 电-氢耦合技术1636.4.4 互联信息保障技术1646.5 多能流耦合规划设计技术的发展方向1646.6 高比例可再生能源就地消纳的技术发展方向1656.6.1 可再生能源发电功率预测技术165目 录6.6.2 主动配电网（能量管理）技术1666.6.3 直流配电网与直流微网技术1686.6.4 分布式储能技术1696.7 终端能源利用效率提升的技术发展方向1706.7.1 需求侧综合管理技术1706.7.2 智能能源网运行优化技术1716.8 本章小结172参考文献173第 7 章“互联网+”智慧能源1757.1 现状及发展趋势1757.2“互联网+”智慧能源的形态特征1777.3“互联网+”智慧能源的技术需求1787.3.1 能源生产智慧化的技术需求1787.3.2 能源网络智慧化的技术需求1797.3.3 能源消费智慧化的技术需求1797.4 能源生产智慧化的技术发展方向1807.4.1 基于互联网的能源生产信息公共