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智能变电站成熟度模型构建与评价研究智能变电站成熟度模型构建与评价研究

时间:2018-01-18 18:20来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电气工程论文,本文基于我国智能变电站的建设现状和发展趋势,总结了目前我国科研工作者的研究成果现状和不足之处,提出成熟度评价的必要性。
1 绪论
 
1.1 研究背景及意义
进入 21 世纪以来,智能电网必将成为未来电网的发展方向已经逐渐成为共识。随着低碳经济发展的需求,在满足经济和社会发展的基础上,提高能源利用率、开发新的可再生能源越来越引起世界各国的重视。而且,电网规模的不断扩大对电网的安全稳定性要求也越来越高,现代工业中大量精密且复杂的电子控制技术的应用对电力可靠性提出了更高要求,还有提高电力设备的利用效率、提高用户的参与意识等等,这些因素不断驱动着智能电网的高速发展[1]。基于各国不同的国情,世界各国希冀智能电网的实现功能、建设方案以及实现形式也略有差别。美国智能电网的目标就是要利用最新的信息技术在现有的电力系统的基础上对其进行改造,以期提高电网可靠性、灵活性和自适应性[3]。而欧洲针对自身电网现状,提高电网的运行效率、安全性和可靠性是其智能电网建设的驱动力;同时考虑到环境保护的因素,欧洲也要求其智能电网随时准备好大规模分布式和可再生能源发电的接入[4]。我国也在 2009 年 5 月召开的“特高压输电技术国际会议”上提出了构建坚强智能电网的概念和战略规划[5]。随着全球范围内世界各国对智能电网建设与研究的展开与推进,作为智能电网中至关重要的节点、支撑电网规模不断扩大延伸和保障电网功能稳定可靠实现的重要物理单元——智能变电站的建设发展与研究越来越引起人们的重视。智能变电站由于釆用大量的先进技术,具有投资大、建设周期长、收益时间长等特点,同时还存在很大的不确定因素。自 2010 年以来,我国新建和改建的 110 kV 以上变电站大都采用了智能化方案,对于已建智能变电站,其智能程度如何,积累了哪些经验,在全面建设的基础上,对智能变电站评估建设绩效,结合应用需求和技术发展,发现智能变电站存在的问题和不足,引领智能变电站的发展,这些成为电力系统管理决策者、设计和运行人员普遍关心的问题,故而将智能变电站视为一个有一定“成熟度”的个体,对其整体的发展建设状进入 21 世纪以来,智能电网必将成为未来电网的发展方向已经逐渐成为共识。随着低碳经济发展的需求,在满足经济和社会发展的基础
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1.2 国内外研究现状
国外对智能变电站的评价研究较少,欧美等发达国家很早就开始了电网的建设、运行、管理和研究,所以在智能电网的研究和评价上具有较高水平[7]。美国能源部及科研部门早在 2003 年就积极投入智能电网的研究应用及标准制定中,国会也通过立法、拨款等措施为智能电网的建设发展和开展研究提供支持。在实际建设和不断运行经验积累之下,先后有美国能源部发布的智能电网评估框架体系[7] 8-[9]、美国电科院建立的智能电网建设项目成本及其收益评估指标体系[10],还有由 IBM 公司主导研究提出的智能电网成熟度模型[11] [12]。欧洲对智能电网的需求与美国有差别,欧洲的能源决策者和科研人员更关注电网的可再生能源接入和分布式发电的应用,实现“高效节能、低碳环保”的是欧洲智能电网建设的目标[13] -[14]。为了选取更高效、经济、环保的建设方案,欧洲各国的电力工作者和电力组织共同合作提出了欧洲智能电网效益评估指标体系[15] -[16]。我国地域广阔,能源中心集中在中西部,负荷中心分布在中东部,能源中心和负荷中心分布很不平衡,加上近些年来我国的经济一直保持高速发展,造成了我国对大容量、远距离、超高压输电的强大需求[5]。我国电网较欧美地区起步较晚,但是近些年来发展建设迅速,在很多领域取得长足进步,尤其在特高压输电等领域我国已经处于世界先进水平。与此同时,根据我国具体国情,针对我国电网自身特点的评估体系不断提出,国网北京经济技术研究院相继提出了“资源节约型、环境友好型”电网指标体系[17]、电网发展指标体系[18]、智能电网试点项目评价指标体系[19]等评估系统,并且该方面的研究依然在进一步的丰富和完善中。
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2 智能变电站
 
2.1 智能电网
目前就整个世界而言,因为各国的经济发展状况不同和内外部发展环境的不同,致使各国的电网建设水平以及对智能电网的功能要求不尽相同,是以智能电网的定义也因国而异[33] [34]。直到现在,世界范围内尚没有一个统一的定义,智能电网的概念处于不断丰富中[33] [34]。美国针对其电力系统针自身设备老旧、建设理念落后的情况,其智能电网的建设重心更倾向于电力网络基础设施的换代更新。美国能源部《Grid 2030》中明确指出智能电网须是可以实现自动监视和控制电网节点、安全传输电力信息的高度自动化系统[38]。而考虑到环境保护因素,欧洲智能电网则更关心风能、太阳能、生物质能等大规模可再生能源,分布式电源以及电动汽车等新绿色能源消费方式的引入。欧盟定义下智能电网应该能够通过采用先进多样性的技术,实现有效控制约束电力各方成员行为,以期提高电网运行的安全性、经济性、环保性[38]。日本因为地理位置的原因,资源比较匮乏,高度依赖进口并且受国际局势环境影响较大,所以日本很早就制定了 3E(Energy Security,能源安全;EconomicGrowth,经济发展;Environment Protection,环境保护)能源政策方针,并且在太阳能、可再生能源等领域处于国际领先地位。日本要求其智能电网能够充分利用最新技术,及时、精准、灵活地反映电力系统各方参与者的需求,同时可以接入太阳能、核能等日本自身具有科技优势的新能源系统[38]。我国地域广、人口多,不同地区经济发展水平差异很大,能源分布和负荷中心分布也很不平衡。为了能实现能源的大范围合理配置,结合我国具体的能源分布现状,我国电网企业、研究机构及评审专家学者提出了各具代表性的智能电网发展思路[2]。其中,国家电网公司提出以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展的坚强智能电网的建设思路[5];南方电网公司则强调“智能、高效、可靠、绿色”是智能电网建设的关键[2]。
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2.2 智能变电站
我国《智能变电站技术导则》(Q/GDW383-2009)中对智能变电站做出完整而又清晰的定义[39]。定义明确提出智能变电站是由先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备组合而成,同时也指出电气设备正在朝向一体化、集成化、节能环保的趋势发展。定义还指出智能变电站应能够自动完成诸如数据信息采集、参数测量、稳定控制、即时保护、准确计量和实时检测等基本功能,同时具备在线分析决策、协同互动等支撑智能电网运行的高级应用功能。定义还强调智能变电站建设的基本要求是实现一次设备智能化、全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化,不仅能够实现站内部还能实现站与站之间、站与调度之间等各个接入方的高速通信。智能变电站从系统结构上可以分为过程层、间隔层和站控层三层[41],如图2.1 所示,各层次主要构成和功能如下:过程层主要由智能化一次设备构成,主要完成变电站中电压等级的转换、电能的配置和变电站测控、保护、监测等基础功能的实现[41];间隔层主要是由网络化的二次设备构成,主要负责与智能传感器、控制器、各种远程输入/输出进行通信,实现站内、站间、站与调度之间的信息共享和互操作[41];站控层主要由测控、通信等子系统构成,站控层除了具有采集全站设备运行状态的数字信息、监测和控制等基础功能之外,还能够实现远程控制、时间同步、分布式电源的接入支持、故障的分析决策以及定位等高级功能[41]。
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3 智能变电站成熟度评价体系 ..... 13
3.1 智能变电站成熟度概念 ....13
3.1.1 能力成熟度模型 ....13
3.1.2 智能变电站成熟度概念 ..........14
3.2 智能变电站成熟度评价指标选取原则 .......15
3.3 智能变电站成熟度评价体系构建 ......15
3.4 智能变电站成熟度评价指标体系 ......20
3.5 智能变电站成熟度评价方法概述 ......21
3.6 本章小结 ..........28
4 智能变电站成熟度评价 .... 30
4.1 指标权重的确定 .......30
4.2 基于 AHP 的智能变电站成熟度多层次灰色综合评价 ........31
4.3 基于 AHP 的智能变电站成熟度多层次模糊综合评价 ........38
4.4 专家打分直观评价 ............44
4.5 评价结果比较 ...........46
4.6 本章小结 ..........46
5 结论与展望 ...... 47
5.1 结论 .........47
5.2 展望 .........47
 
4 智能变电站成熟度评价
 
4.1 指标权重的确定
根据 3.3.1 中层次分析法的应用介绍,计算出表 3.2 中所构建智能变电站成熟度评价体系中各级指标的权重。结果如表 4.1 所示。首先,该智能变电站成熟度得分值(S)为 3.7157 分,根据智能变电站成熟度综合评价等级标准(见表 3.4),该智能变电站成熟度处于Ⅲ级水平。根据智能变电站工作人员的反馈,评价结果与实际情况基本相符。通过智能变电站的成熟度评价,不仅可以掌握单个变电站的发展状况及薄弱环节,还可以比较多个变电站的发展水平高低,交流经验,促进发展。其次,该智能变电站五个维度(U1~U5)的得分,分别是 3.5732 分,3.7692分,3.6072 分,3.7494 分和 3.6626 分。可以发现该变电站五个维度整体发展较为均衡,其中 U2(设备与技术)已经进入第 IV 级水平,其他四个准则层指标都处于Ⅲ级成熟度水平。说明该智能变电站在设备与技术方面的应用投入较大,同时可以看书发展策略与监管、社会与环境和人员资产管理方面的得分低于变电站整体得分,建议该变电站下一步加强在这几个方面投资建设,同时加强其他方面的建设,向成熟度更高的“Ⅳ级(成熟应用级)”发展。
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结论
 
随着我国坚强智能电网战略和全球能源互联网战略的展开,作为其中重要的组成环节——智能变电站的建设、发展和评价研究越来越重要。目前我国在智能变电站的实际工程建设与管理、技术研究与应用等方面处于世界领先地位,对智能变电站建设的经济性、项目的可行性等方面的评价研究也逐渐展开,但是全面分析影响其发展的各种可能性因素研究还很少。本文主要做的工作及得出的结论如下:
(1)详细地介绍了智能变电站的系统结构、技术特点、发展历程、内涵特征,结合当前发展现状和评价研究中的不足之处,将智能变电站视为一个有一定“成熟度”的个体,对其进行成熟度评价。
(2)基于 CMM 成熟度模型提出了智能变电站成熟度概念并将其从低到高分为 5 个等级:起步规划级、加速发展级、系统整合级、成熟应用级、优化提升级;结合智能变电站的自身结构特点和特征,在遵守指标选取原则的前提下,基于层次结构模型构建出智能变电站成熟度评价指标体系,共包含 5 个二级准则层指标、24 个三级具体指标。
(3)介绍了几种常用的电力能源综合评价方法。电力是国民经济发展中最重要的基础能源,对电力能源进行评价时不仅要考虑其经济性、安全性,还要考虑环境、社会、投资风险等多方面的影响因素。本文通过对几种常用评价方法优缺点及适用范围的对比分析,最终确定选用基于 AHP 的多层次灰色综合评价法和基于 AHP 的多层次模糊综合评价法分别评价,并相互佐证。
(4)根据所构建的智能变电站成熟度评价体系,分别运用两种评价方法对某智能变电站展开评价,并根据调查问卷得到的数据进行直观评价,然后将结果相互比较、分析。实例表明评价结果符合实情,验证构建的智能变电站成熟度评价体系及评价方法科学、合理、可行。
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参考文献(略)
(责任编辑:工程论文)
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