深度 | 全球能源互联网标准体系研究 支撑世界能源电力互联互通

全球能源互联网可以推动能源发展方式的转变,实现清洁能源在全球能源的优化配置,保障互联电网经济高效运行。为指导全球能源互联网标准的制定工作,满足对于全球能源互联网产业发展的市场需求和投资需求,首先梳理了国内外标准的进展和应用现状。采用国际组织及机构的先进理念、方法和工具,描述了全球能源互联网概念模型和参考框图。遵循系统性、继承性、扩展性原则,从智能电网、特高压及新型输电、清洁能源以及电网互联这四个方面,提出了全球能源互联网标准体系的层次结构及体系表。分析了技术领域的标准需求,列出了相关的标准系列。最后,结合全球能源互联网的未来发展,给出了标准化工作建议。

0 引言

全球能源互联网(global energy interconnection,GEI)是以特高压电网为骨干网架,以输送清洁能源为主导,全球互联泛在的坚强智能电网,其实质是“智能电网+特高压电网+清洁能源”[1]。GEI能够实现分布式能源的广泛接入和市场化交易,从而最大程度地利用清洁低碳的新型能源[2]。它具备网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动等重要特征,是集电能输送、资源配置、市场交易、产业带动和公共服务等功能于一体的综合平台[3]。构建GEI,可以提高电网安全性和电力生产的效率,为应对全球气候变化及可持续发展提供一个新的解决方案,使得能源互联网内能源分享可以跟互联网信息分享一样无比便捷,是信息技术与能源电力技术融合发展的必然趋势。

GEI标准体系是指导GEI标准制定的一项战略性、纲领性工作,是GEI技术标准的顶层设计[1]。建立GEI技术标准体系的总体架构,丰富GEI标准体系具体内容,目的是促进全球能源互联,满足全球对于GEI产业发展的市场需求和投资需求。按照GEI发展路线图,技术和标准研究是第一阶段的重点工作。GEI技术标准体系的建立是制定GEI核心技术标准,规范和指导GEI关键设备的研发,引导发展部分技术标准成为GEI核心技术标准的一项战略性、纲领性工作。

本文通过对国际标准组织、世界各主要国家、以及跨国机构GEI相关标准体系的发展现状的梳理,基于系统性、继承性、扩展性原则,从智能电网、特高压及新型输电、清洁能源以及电网互联这4个方面描述了标准体系的构建原则和内容。采用国际上通用的标准研究系统方法论,参考了IEC、IEEE等国际标准组织以及美国国家标准技术研究院(National Institute of Standard and Technology,NIST)等专业机构的标准分类方法、架构框架和概念模型的构建[4-5],吸取了各国在智能电网、特高压、清洁能源、互联电网等方面的研究实践经验和标准化成果,进而确立了GEI技术标准体系的总体架构,为标准化工作奠定了基础。

1 GEI相关标准现状

国际标准组织、世界各主要国家、以及跨国机构在智能电网、特高压、清洁能源及互联电网方面均开展了大量的研究,并形成了相应标准体系或标准系列。

1.1 智能电网标准体系

智能电网标准体系是建设智能电网的制度依据[6]。2009年4月,IEC成立了智能电网战略工作组(SG3),并于2010年发布了IEC智能电网标准体系报告,即《IEC智能电网标准化路线图》(IEC Smart Grid Standardization Roadmap v1.0)[5]。同时,SG3认为核心标准对智能电网建设具有重大影响,适用于智能电网多个技术领域,并推荐IEC 61850、IEC 61970、IEC 61968等5个标准系列,总共54个标准为IEC智能电网核心标准[7],如表1所示。

表1 SG3推荐的5个核心标准系列

根据对现有标准缺失的分析结果,SG3提出了15项智能电网重点领域。其中,通用领域2项：通信和安全领域;应用领域13项,包括：高压直流(HVDC)/柔性交流输电(FACTS)、停电预防/能量管理系统、高级配电管理、配电自动化、变电站自动化、分布式能源、高级量测体系(AMI)、需求响应和负荷管理、智能家居和楼宇、电力储能、电动交通、状态监测及可再生能源发电等。

IEEE P2030工作组发布的《IEEE P2030：能源技术、信息技术与电力系统运行、最终应用及负荷的智能电网互操作性指南》(简称IEEE P2030指南)奠定了智能电网互操作的基础[8]。该指南建立了智能电网互操作参考模型,为理解智能电网中电力系统、终端用电设施及用户之间的互操作提供知识基础,包括其描述术语、特点、功能性能和评价标准,也提供了电力系统与最终应用/负荷的智能电网互操作工程应用。国家电网公司参与组织编写的IEEE P2030部分标准,并归口IEEE-SA。IEEE P2030相关标准如表2所示。

表2 IEEE P2030相关标准

美国国家标准技术研究所(NIST)主导研究美国的智能电网技术标准体系。NIST在2010年1月至2014年9月之间,先后发布了3个版本的《智能电网互操作标准框架和技术路线图》[4],并审查通过了美国国家标准学会、IEEE、IEC等标准机构指定的71个标准。

1.2 特高压输电标准

为推进特高压交流标准化工作,IEC批准成立了TC122特高压交流系统技术委员会。该技术委员会主要负责特高压交流系统领域国际标准的制定,包括规划设计、建设验收、可靠性与可行性评估、运行与维护等。TC122正在制定3项与特高压交流相关的标准：IEC 63042-1、IEC 63042-2和IEC 63042-3。在特高压直流方面,IEC于2008年批准成立了TC115高压直流输电技术委员会,专门进行高压(特高压)直流输电系统相关标准工作[9]。目前TC 115已经发布了IEC/TS 61973、IEC/TS 62344、IEC/TS 62672、IEC/TR 62681等4项高压直流标准,还有13个工作组正在开展直流标准的制修订工作。

IEEE于2011年成立了“特高压交流”工作组,负责特高压交流系列标准的制定工作,目前已有3项IEEE特高压交流技术标准发布,分别是绝缘配合(IEEE P1862)、现场试验(IEEE P1861)和无功电压(IEEE P1860)。

国际大电网委员会(CIGRE)的B3.29工作组(特高压交流变电站现场试验技术)隶属于CIGRE B3(变电站)专委会,主要为IEC特高压交流变电站建设及运行中的现场试验技术相关标准条款制定做技术准备[10]。

中国在特高压输电技术研究和实践取得了世人瞩目的成就。2009年建成世界首条商业运行的晋东南–南阳–荆门1000 kV特高压交流输电工程。截至2016年9月,中国已投运和已开工建设的特高压工程共计23项,其中特高压交流工程9项,特高压直流工程14项。中国国家电网公司研究提出了特高压交流输电技术标准体系。该标准体系由六大类79项国家标准和能源行业标准构成,全面涵盖规划设计、设备材料、工程建设、测量试验、运行检修、环境保护与安全六大领域。其中,33项国家标准、41项电力行业标准已获颁布。依托特高压直流技术研究成果和工程建设,中国国家电网公司建立了±800 kV特高压直流成套标准体系,该标准体系包括五大类143项特高压直流系列标准,涵盖了规划设计、设备材料、工程建设、测量试验、运行维护等特高压直流输电所有环节[11]。其中,13项国家标准、20项行业标准已获颁布。

1.3 清洁能源标准

清洁能源的大规模开发与应用日趋成熟,但是目前已经发布的清洁能源国际标准主要集中在新能源发电及其设备部分。在大容量清洁能源接入电网方面,缺少系统级的接入标准,还未对新能源电厂的性能及其与电力系统的互动,包括新能源电厂的并网、设计、建模、测试、监控和运行等方面做出要求和规定[12]。由IEC技术委员会制订或正在制订的相关接入标准如表3所示。

表3 与新能源电厂接入电网相关的国际标准

1.4 电网互联相关标准

用于电网互联的相关标准主要包括电网互联的安全稳定分析、评价及调节控制,IEC 62325是IEC颁布的电力市场运营领域重要的国际标准,包含欧洲式电力市场标准和北美式电力市场标准2个分支。IEEE系列的电能质量标准包括《工业和商业电力系统分析推荐导则》、《低压交流电力回路中浪涌电压推荐导则》、《电力系统中谐波控制推荐规程和要求》等电能质量相关的二十多项标准。

2 GEI标准体系架构设计

GEI标准体系架构是GEI标准体系的层次结构,是标准的划分、关系和扩展的基础。本文按照构建原则和方法论,结合GEI标准需求,提出了GEI标准体系架构。

2.1 构建原则

按照分类信息学理论,架构的分类应该遵循“由大到小、由简到繁”的一般原则[13]。对于具体的标准体系架构的构建原则,可以借鉴生物学“门纲目科属种”的分类体系,将其概括为系统性、继承性、扩展性原则。

GEI技术标准体系架构的构建主要遵循以下原则：

1)系统性原则。GEI是一个庞大而复杂的系统,具有涉及领域多样,参与环节众多,覆盖范围广泛的特点。因此,需要GEI标准体系协调和指导相关技术领域的发展,协调和统一有关技术问题,连接系统的各个环节,确保互操作性。制定GEI标准体系要从系统角度出发,根据系统的各种组成要素从多角度综合考虑,形成有机完整的体系,指导GEI标准的制定。

2)继承性原则。GEI就其系统而言,既不是完全新建更不是一切推倒重来,是现有系统基础上的互联、整合、提升,就其支撑技术而言,许多关键技术已发展了若干年,已具备众多的技术标准;但需要基于GEI发展愿景,予以重新审视,进行完善和提升。因此,GEI标准体系具有继承性,能够与现有的智能电网等相关技术标准兼容。

3)扩展性原则。GEI标准体系应该是一个具有扩展性、开放的体系,能够随着技术的进步和认知的提高及时更新、扩展,保持一定的先进性,以适应GEI技术的发展需求。

2.2 构建思路和方法

2.2.1 构建思路

全球能源互联网的核心是智能电网,因此智能电网标准体系也就构成了全球能源互联网标准体系的核心基础。现有的智能电网领域标准发展相对其他领域较快,但所构成的标准体系较为分散,且存在重合/交叉领域。国家电网公司发布的《智能电网关键设备(系统)研制规划》和《智能电网技术标准体系规划》为GEI标准体的构建提供了重要参考。

在制定GEI标准体系的过程中,不仅要立足于已有的标准体系及核心标准,更要根据未来GEI发展趋势,构造可用于未来灵活扩展的框架。借助于GEI标准体系构建的契机,可以从战略高度审视能源互联网所涉及的技术领域,系统地分析现有智能电网领域、特高压领域、清洁能源领域以及电网互联领域所存在的问题(系统性原则),尽可能最大化沿用现有的标准体系(继承性原则),重新梳理各领域的标准关系,结合全球能源互联网的技术发展趋势(扩展性原则),打造更为合理的标准体系架构。

2.2.2 体系构建方法

在制定标准体系过程中,需要科学的方法论指导相关的工作,从而形成具有丰富内涵的标准化框架。目前各个国家在具体实施全球能源互联网技术体系时,具体的落地形式与技术制式并不完全相同,因此所构建的标准体系既要满足不同国家之间的共性需求,还应当满足某些国家的特殊需求。

目前智能电网领域的技术标准发展速度较快,已经初步形成了独特的体系。然而,在全球能源互联网发展的大背景下,需要打破原有的标准体系壁垒,本着先破后立的原则,将原有智能电网标准体系融入到全球能源互联网的大框架下。本文在建立GEI技术标准体系时,采用了自上而下和自下而上相结合的系统方法[14]。自上而下的方法是从GEI的愿景出发,分析实现GEI发展目标的相关技术需求,并提出标准需求;自下而上的方法则是面向需求、梳理现有的相关技术标准、分析需求和现有标准之间的差距。综合自上而下和自下而上的分析结果,可识别出相关标准的缺失性,提出需要制修订的标准,具体步骤如图1所示。

2.2.3 概念模型

基于国际标准组织对智能电网业务域的划分,结合GEI的技术和标准需求,可以细化GEI与相关联领域的关系[15]。NIST提出的概念模型适用于编制技术标准规划、技术发展路线图,可以把庞大、复杂的GEI关联子域、系统和设备组织在一起。按照专业方向,GEI可分为4个领域,每一领域包括相应主体或子域,如图2所示。特高压是4个领域中的核心,其标准制定应当能够支撑大规模清洁能源远距离输送,以实现清洁能源大规模利用、消纳的目标。该图也表现了GEI各领域之间电力流与信息流的连接关系。

图1 GEI标准体系构建方法

图2 全球能源互联网概念模型

为清晰表示GEI概念模型中各个实体间的关系,表4给出了不同领域中的详细主体内容。

表4 全球能源互联网概念模型中的领域及主体

图3给出了GEI的概念模型的细化框图,不仅列出了GEI中每个领域中的子域,同时还把各子域的电力流和信息流清晰地做了描述,为GEI标准体系的制定提供了参考,各部分内容描述如下：

智能电网是GEI的重要支撑,是清洁能源利用和消纳的主体,直接保障区域电网的互联互通、安全稳定、绿色高效运行。主要包括智能输变电、智能配电域、智能用电、电力物联网4个子域。前3个子域之间建立电气与通信连接,电力物联网通过信息流将3个子域关联起来,通过多领域协作实现智能输变电与其他国家智能电网和清洁能源基地互联的目标。

图3 全球能源互联网概念参考框图

GEI的输电域包括特高压交直流输电、柔性直流、新型输电等子域。特高压及新型输电是连接各国、各洲的智能电网输电子域与清洁能源发电子域的输电载体,为国家电网跨国/洲际互联奠定了基础,也是GEI的核心。

清洁能源域包括清洁能源发电装备系统、并网运行控制和大规模储能3个子域,是由分布在各国的大规模清洁能源和北极风电、赤道一带的光伏发电等基地组成,通过输电域完成电能输送,实现清洁能源的大规模利用和消纳,同时还需要接受互联电网的运行和控制,以保证清洁能源存储、并网和运行控制的安全。

电网互联域包括规划与仿真、安全控制与保护、调度与交易3个子域,以支撑全球能源基地的接入并网和跨国/洲际电网互联。

2.3 层次结构与体系表

根据GEI概念模型的划分,按照系统性、继承性、扩展性原则,GEI标准体系可分为4个专业方向、13个技术领域、45个标准系列、若干具体标准四层结构,用于指导GEI技术标准的研究和制定,如图4所示。

标准体系的第1层是专业方向(大领域)。包括智能电网、特高压及新型输电、清洁能源和电网互联等4个方向。

图4 GEI标准体系层次结构

标准体系的第2层是技术领域。技术领域的划分参考了国际标准组织和研究机构的已有成果,也考虑了现有的工程实践和实际应用。同时关注GEI的主要发展方向,满足GEI研究与建设的需求,共包括13个技术领域。

标准体系的第3层是标准系列。第3层中各标准系列构建是基于技术领域,提炼技术领域中关键的技术点。共包括45个标准系列。

标准体系的第4层是若干具体标准,体量巨大并且会不断增加。GEI标准体系表如图5所示。

3 GEI标准体系构成

3.1 智能电网

智能电网技术是全球能源互联的重要支撑技术,直接保障区域电网的互联互通、安全稳定、绿色高效地运行,并将推动GEI结构形态、能源形态、控制形态、设备形态、通信方式的不断演进与发展[16]。智能电网标准体系是GEI的核心,所涉及技术领域包括智能输变电、智能配电、智能用电和电力物联网4个领域：

图5 GEI技术标准体系表

1)智能输变电。智能输变电是保障电力输送和转换的关键环节。智能变电站主要关注变电站自动化技术与智能高压设备技术;智能输电线路主要关注输电线路新材料、巡检运维和监测预警;柔性交流输变电设备是提高输电线路动态调节容量、优化潮流、提升输送能力和系统安全裕度的重要保证。智能输变电是保障全球能源互联互通、安全稳定、可靠高效运行的重要基础环节。本技术领域包括智能变电站、智能输电线路和柔性交流输变电设备3个标准系列。

2)智能配电。智能配电是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术,将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成,实现配电系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制、用电和配电管理的智能化。智能配电网是GEI中承上启下的关键环节,是能源消纳和分配的关键点[17]。本技术领域包括配电自动化、柔性配电、微电网和分布式电源4个标准系列。

3)智能用电。智能用电通过灵活的电力网络、智能设备和信息网络相连,形成高效完整的用电和信息服务网络,通过电网和用户的灵活双向互动实现电力资源的最优配置和高效利用。本技术领域包括高级量测体系、需求响应、能效管理与能效测评、智能用电互动服务、电动汽车充放电和电能替代6个标准系列。

4)电力物联网。电力物联网是实现各种智能传感设备与通信信息资源的(互联网、电信网甚至电力通信专网)结合的网络实体,具有自我标识、感知和智能处理的功能。本技术领域包括智能传感、传输网通信技术、接入网通信技术、数据共享及分析、云计算及数据平台、移动互联及人机交互、信息通信安全7个标准系列。

3.2 特高压及新型输电

超远距离、超大容量、超低损耗、灵活可靠地传输清洁能源是GEI面临的巨大挑战,特高压输电、柔性直流及直流电网、新型输电等多种输电技术的应用将是应对极端输电环境和运行维护条件的综合解决方案。

1)特高压输电。特高压输电是实现全球能源互联的核心技术之一,其超远距离、超大容量、超低损耗的特点赋予了电网更大范围调配能源资源的能力,为世界电网跨国跨洲大范围互联奠定了基础。本技术领域包括特高压交流和特高压直流2个标准系列。

2)柔性直流和直流电网。柔性直流输电技术是构建灵活、高效、可靠电网和充分利用清洁能源的有效途径,使用柔性直流和直流电网技术,将全球范围内风电、水电、火电等电源进行互联,可在大范围内平抑可再生能源发电的波动性、间歇性等问题,最大限度地降低其对电网产生的冲击,实现GEI清洁替代和全球配置的目标。本技术领域包括柔性直流和直流电网2个标准系列。

3)新型输电。在洲际、跨国等特定工作环境和特殊地域条件下常规输电技术无法实现的场合,需要采用新型输电技术(如半波长交流输电、超导输电、无线输电和管道输电)来提供电力(能源)输送的有效解决方案。本技术领域包括半波长交流输电、超导输电、无线输电、管道输电4个标准系列。

3.3 清洁能源

在全球范围内,开发应用绿色清洁能源是实现可持续发展的必然选择。目前不仅需要制定清洁能源发电设备或系统本身的清洁能源国际标准,还需要制定系统级的运行控制标准,对清洁能源发电装备、系统及清洁能源并网、运行控制、大规模储能等方面做出要求和规定。

1)清洁能源发电装备及系统。清洁能源作为GEI输送的主导能源,主要包括水力发电、风力发电、太阳能光伏发电、太阳能光热发电、海洋能发电等多种发电形式。为了支撑GEI发展,要深入分析当前清洁能源标准体系的优势与不足,为后续标准的完善奠定基础。本技术领域包括水力发电、风力发电、太阳能光伏发电、太阳能光热发电和海洋能发电5个标准系列。

2)清洁能源并网及运行控制。制定清洁能源并网及运行控制相关标准对于解决大量间歇性、波动性的清洁能源接入电网等问题具有重要意义。本技术领域包括并网接入系统、并网试验与监测、资源评估与功率预测和清洁能源集群控制4个标准系列。

3)大规模储能。大规模储能技术是把大规模电能或热能转换为其他便于储存的能量形式,又能在需要时利用电能的技术,具有大容量、高性能、规模化的技术特点。大规模储能在新能源接入、削峰填谷、平滑负荷、调频等方面具有积极的作用,贯穿能源互联网的发、输、配、用的各个环节。本技术领域包括电化学储能、物理储能、大容量高效氢储能3个标准系列。

3.4 电网互联

电网互联不仅可以协调平衡各区的紧急功率支援,提高系统的安全稳定水平,还能协调电源负荷结构的不平衡,实现各区域间能源资源优化配置[18]。逐步实现跨区域电网互联,使电力系统的规模越来越大,不同地区的资源通过电网互联得以有效的利用。

1)互联电网规划与仿真分析。电网规划是电网建设和发展的一个重要环节,科学的规划对于指导电网建设具有重要意义。电力系统仿真分析是电网规划、设计和运行的重要支撑,在电力系统研究体系中处于基础地位。随着跨国跨洲电网加强互联,然而各国的地理环境、电网发展程度以及电力设备都不尽相同,因此,在制定互联电网规划与仿真分析相关标准时要因地制宜,结合区域内的发展现状。本技术领域包括电网规划和电网仿真分析2个标准系列。

2)互联电网安全控制与保护。电网互联在扩大电力系统规模的同时,也增加了系统复杂程度以及可靠运行的风险,电网的安全控制与保护涉及到互联电网每一个节点,同时又互相影响,现有的国际继电保护标准强调继电保护设备的硬件及功能应用,已形成了涵盖通用、功能、应用等在内的较为完整的系列标准,但是系统级保护的相关标准还需进一步地制定。本技术领域包括电力系统继电保护和电力系统安全稳定控制2个标准系列。

3)互联电网调度与交易。全球电网互联对电网调度提出了新的挑战,一旦出现较小的扰动,势必影响整个电网格局的健全与完善,因此,必须充分考虑各国调度通信基础设施现状以及法律和规章制度等方面的差异,从技术、管理两方面同时入手,制定系统性的安全防护体系架构。在市场交易方面,随着国际能源供需格局的变化,在更大范围内优化资源配置成为全球能源利用的内在需求。未来GEI的形成和有效运营也需要建立在全球电力市场机制的基础上[19-20]。本技术领域包括互联电网调度和互联电网市场交易2个标准系列。

4 标准化工作建议

本文基于智能电网、特高压输电、清洁能源和电网互联相关标准的研究成果,遵循系统性、继承性、扩展性原则,提出了GEI标准体系架构;并按照GEI标准体系架构详细介绍了GEI标准体系的构成和内容;为GEI的标准制定提供了规范与框架,促进全球能源的互联互通。

该标准体系也存在一些不足,新技术的不断研发使得标准体系需要及时更新,该标准体系在世界范围内的接受程度有所不同,需要在保证标准的协调性和一致性的基础上,提出GEI标准化工作建议如下：

1)以GEI标准体系为标准化工作指导原则。由于GEI涉及众多专业和技术领域,包括电力、信息、通信、新能源、新材料、交通等,内容跨度大,综合性强,需要以系统性、继承性、扩展性为原则的GEI标准体系为指导框架,开展相关标准化工作。

2)建立GEI标准化工作机制。标准化工作机制是指在GEI标准的制修订和宣贯工作组织开展过程所依赖的组织管理程序。建立GEI标准化工作机制包括制度保障、组织保障、技术保障、具体实施保障4个层面。

3)加强参与各方合作,提高GEI标准体系在世界范围内的接受程度。参与各方应打破行业隔阂,广泛地吸收相关行业的龙头企业和国际或各国标准组织参与,聚焦利益相关方共同的发展关切,通力合作,确保标准的一致性和协调性,共同推动制定GEI标准。

5 结论

全球能源互联网能实现清洁能源在全球能源的优化配置,保障互联电网经济高效运行。GEI标准是建设GEI的必不可少的技术基础。GEI标准体系是指导GEI标准制定的一项战略性、纲领性工作,是GEI技术标准的顶层设计。

通过对国内外相关标准的进展和应用现状的梳理,提出了GEI概念模型和参考框图。遵循系统性、继承性、扩展性原则,从智能电网、特高压及新型输电、清洁能源以及电网互联这4个方面,提出了GEI标准体系的层次结构及体系表。

本文分析这4方面的标准需求,总结了GEI标准体系建设内容,最后给出了标准化工作中应建立GEI标准化工作机制、加强参与各方合作等建议。

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