全球能源互聯網可以推動能源發展方式的轉變,實現清潔能源在全球能源的優化配置,保障互聯電網經濟高效運行。為指導全球能源互聯網標準的制定工作,滿足對于全球能源互聯網產業發展的市場需求和投資需求,首先梳理了國內外標準的進展和應用現狀。采用國際組織及機構的先進理念、方法和工具,描述了全球能源互聯網概念模型和參考框圖。遵循系統性、繼承性、擴展性原則,從智能電網、特高壓及新型輸電、清潔能源以及電網互聯這四個方面,提出了全球能源互聯網標準體系的層次結構及體系表。分析了技術領域的標準需求,列出了相關的標準系列。最后,結合全球能源互聯網的未來發展,給出了標準化工作建議。

0 引言

全球能源互聯網(global energy interconnection,GEI)是以特高壓電網為骨干網架,以輸送清潔能源為主導,全球互聯泛在的堅強智能電網,其實質是“智能電網+特高壓電網+清潔能源”[1]。GEI能夠實現分布式能源的廣泛接入和市場化交易,從而最大程度地利用清潔低碳的新型能源[2]。它具備網架堅強、廣泛互聯、高度智能、開放互動等重要特征,是集電能輸送、資源配置、市場交易、產業帶動和公共服務等功能于一體的綜合平臺[3]。構建GEI,可以提高電網安全性和電力生產的效率,為應對全球氣候變化及可持續發展提供一個新的解決方案,使得能源互聯網內能源分享可以跟互聯網信息分享一樣無比便捷,是信息技術與能源電力技術融合發展的必然趨勢。

GEI標準體系是指導GEI標準制定的一項戰略性、綱領性工作,是GEI技術標準的頂層設計[1]。建立GEI技術標準體系的總體架構,豐富GEI標準體系具體內容,目的是促進全球能源互聯,滿足全球對于GEI產業發展的市場需求和投資需求。按照GEI發展路線圖,技術和標準研究是第一階段的重點工作。GEI技術標準體系的建立是制定GEI核心技術標準,規范和指導GEI關鍵設備的研發,引導發展部分技術標準成為GEI核心技術標準的一項戰略性、綱領性工作。

本文通過對國際標準組織、世界各主要國家、以及跨國機構GEI相關標準體系的發展現狀的梳理,基于系統性、繼承性、擴展性原則,從智能電網、特高壓及新型輸電、清潔能源以及電網互聯這4個方面描述了標準體系的構建原則和內容。采用國際上通用的標準研究系統方法論,參考了IEC、IEEE等國際標準組織以及美國國家標準技術研究院(National Institute of Standard and Technology,NIST)等專業機構的標準分類方法、架構框架和概念模型的構建[4-5],吸取了各國在智能電網、特高壓、清潔能源、互聯電網等方面的研究實踐經驗和標準化成果,進而確立了GEI技術標準體系的總體架構,為標準化工作奠定了基礎。

1 GEI相關標準現狀

國際標準組織、世界各主要國家、以及跨國機構在智能電網、特高壓、清潔能源及互聯電網方面均開展了大量的研究,并形成了相應標準體系或標準系列。

1.1 智能電網標準體系

智能電網標準體系是建設智能電網的制度依據[6]。2009年4月,IEC成立了智能電網戰略工作組(SG3),并于2010年發布了IEC智能電網標準體系報告,即《IEC智能電網標準化路線圖》(IEC Smart Grid Standardization Roadmap v1.0)[5]。同時,SG3認為核心標準對智能電網建設具有重大影響,適用于智能電網多個技術領域,并推薦IEC 61850、IEC 61970、IEC 61968等5個標準系列,總共54個標準為IEC智能電網核心標準[7],如表1所示。

表1 SG3推薦的5個核心標準系列

根據對現有標準缺失的分析結果,SG3提出了15項智能電網重點領域。其中,通用領域2項：通信和安全領域;應用領域13項,包括：高壓直流(HVDC)/柔性交流輸電(FACTS)、停電預防/能量管理系統、高級配電管理、配電自動化、變電站自動化、分布式能源、高級量測體系(AMI)、需求響應和負荷管理、智能家居和樓宇、電力儲能、電動交通、狀態監測及可再生能源發電等。

IEEE P2030工作組發布的《IEEE P2030：能源技術、信息技術與電力系統運行、最終應用及負荷的智能電網互操作性指南》(簡稱IEEE P2030指南)奠定了智能電網互操作的基礎[8]。該指南建立了智能電網互操作參考模型,為理解智能電網中電力系統、終端用電設施及用戶之間的互操作提供知識基礎,包括其描述術語、特點、功能性能和評價標準,也提供了電力系統與最終應用/負荷的智能電網互操作工程應用。國家電網公司參與組織編寫的IEEE P2030部分標準,并歸口IEEE-SA。IEEE P2030相關標準如表2所示。

表2 IEEE P2030相關標準

美國國家標準技術研究所(NIST)主導研究美國的智能電網技術標準體系。NIST在2010年1月至2014年9月之間,先后發布了3個版本的《智能電網互操作標準框架和技術路線圖》[4],并審查通過了美國國家標準學會、IEEE、IEC等標準機構指定的71個標準。

1.2 特高壓輸電標準

為推進特高壓交流標準化工作,IEC批準成立了TC122特高壓交流系統技術委員會。該技術委員會主要負責特高壓交流系統領域國際標準的制定,包括規劃設計、建設驗收、可靠性與可行性評估、運行與維護等。TC122正在制定3項與特高壓交流相關的標準：IEC 63042-1、IEC 63042-2和IEC 63042-3。在特高壓直流方面,IEC于2008年批準成立了TC115高壓直流輸電技術委員會,專門進行高壓(特高壓)直流輸電系統相關標準工作[9]。目前TC 115已經發布了IEC/TS 61973、IEC/TS 62344、IEC/TS 62672、IEC/TR 62681等4項高壓直流標準,還有13個工作組正在開展直流標準的制修訂工作。

IEEE于2011年成立了“特高壓交流”工作組,負責特高壓交流系列標準的制定工作,目前已有3項IEEE特高壓交流技術標準發布,分別是絕緣配合(IEEE P1862)、現場試驗(IEEE P1861)和無功電壓(IEEE P1860)。

國際大電網委員會(CIGRE)的B3.29工作組(特高壓交流變電站現場試驗技術)隸屬于CIGRE B3(變電站)專委會,主要為IEC特高壓交流變電站建設及運行中的現場試驗技術相關標準條款制定做技術準備[10]。

中國在特高壓輸電技術研究和實踐取得了世人矚目的成就。2009年建成世界首條商業運行的晉東南–南陽–荊門1000 kV特高壓交流輸電工程。截至2016年9月,中國已投運和已開工建設的特高壓工程共計23項,其中特高壓交流工程9項,特高壓直流工程14項。中國國家電網公司研究提出了特高壓交流輸電技術標準體系。該標準體系由六大類79項國家標準和能源行業標準構成,全面涵蓋規劃設計、設備材料、工程建設、測量試驗、運行檢修、環境保護與安全六大領域。其中,33項國家標準、41項電力行業標準已獲頒布。依托特高壓直流技術研究成果和工程建設,中國國家電網公司建立了±800 kV特高壓直流成套標準體系,該標準體系包括五大類143項特高壓直流系列標準,涵蓋了規劃設計、設備材料、工程建設、測量試驗、運行維護等特高壓直流輸電所有環節[11]。其中,13項國家標準、20項行業標準已獲頒布。

1.3 清潔能源標準

清潔能源的大規模開發與應用日趨成熟,但是目前已經發布的清潔能源國際標準主要集中在新能源發電及其設備部分。在大容量清潔能源接入電網方面,缺少系統級的接入標準,還未對新能源電廠的性能及其與電力系統的互動,包括新能源電廠的并網、設計、建模、測試、監控和運行等方面做出要求和規定[12]。由IEC技術委員會制訂或正在制訂的相關接入標準如表3所示。

表3 與新能源電廠接入電網相關的國際標準

1.4 電網互聯相關標準

用于電網互聯的相關標準主要包括電網互聯的安全穩定分析、評價及調節控制,IEC 62325是IEC頒布的電力市場運營領域重要的國際標準,包含歐洲式電力市場標準和北美式電力市場標準2個分支。IEEE系列的電能質量標準包括《工業和商業電力系統分析推薦導則》、《低壓交流電力回路中浪涌電壓推薦導則》、《電力系統中諧波控制推薦規程和要求》等電能質量相關的二十多項標準。

2 GEI標準體系架構設計

GEI標準體系架構是GEI標準體系的層次結構,是標準的劃分、關系和擴展的基礎。本文按照構建原則和方法論,結合GEI標準需求,提出了GEI標準體系架構。

2.1 構建原則

按照分類信息學理論,架構的分類應該遵循“由大到小、由簡到繁”的一般原則[13]。對于具體的標準體系架構的構建原則,可以借鑒生物學“門綱目科屬種”的分類體系,將其概括為系統性、繼承性、擴展性原則。

GEI技術標準體系架構的構建主要遵循以下原則：

1)系統性原則。GEI是一個龐大而復雜的系統,具有涉及領域多樣,參與環節眾多,覆蓋范圍廣泛的特點。因此,需要GEI標準體系協調和指導相關技術領域的發展,協調和統一有關技術問題,連接系統的各個環節,確保互操作性。制定GEI標準體系要從系統角度出發,根據系統的各種組成要素從多角度綜合考慮,形成有機完整的體系,指導GEI標準的制定。

2)繼承性原則。GEI就其系統而言,既不是完全新建更不是一切推倒重來,是現有系統基礎上的互聯、整合、提升,就其支撐技術而言,許多關鍵技術已發展了若干年,已具備眾多的技術標準;但需要基于GEI發展愿景,予以重新審視,進行完善和提升。因此,GEI標準體系具有繼承性,能夠與現有的智能電網等相關技術標準兼容。

3)擴展性原則。GEI標準體系應該是一個具有擴展性、開放的體系,能夠隨著技術的進步和認知的提高及時更新、擴展,保持一定的先進性,以適應GEI技術的發展需求。

2.2 構建思路和方法

2.2.1 構建思路

全球能源互聯網的核心是智能電網,因此智能電網標準體系也就構成了全球能源互聯網標準體系的核心基礎。現有的智能電網領域標準發展相對其他領域較快,但所構成的標準體系較為分散,且存在重合/交叉領域。國家電網公司發布的《智能電網關鍵設備(系統)研制規劃》和《智能電網技術標準體系規劃》為GEI標準體的構建提供了重要參考。

在制定GEI標準體系的過程中,不僅要立足于已有的標準體系及核心標準,更要根據未來GEI發展趨勢,構造可用于未來靈活擴展的框架。借助于GEI標準體系構建的契機,可以從戰略高度審視能源互聯網所涉及的技術領域,系統地分析現有智能電網領域、特高壓領域、清潔能源領域以及電網互聯領域所存在的問題(系統性原則),盡可能最大化沿用現有的標準體系(繼承性原則),重新梳理各領域的標準關系,結合全球能源互聯網的技術發展趨勢(擴展性原則),打造更為合理的標準體系架構。

2.2.2 體系構建方法

在制定標準體系過程中,需要科學的方法論指導相關的工作,從而形成具有豐富內涵的標準化框架。目前各個國家在具體實施全球能源互聯網技術體系時,具體的落地形式與技術制式并不完全相同,因此所構建的標準體系既要滿足不同國家之間的共性需求,還應當滿足某些國家的特殊需求。

目前智能電網領域的技術標準發展速度較快,已經初步形成了獨特的體系。然而,在全球能源互聯網發展的大背景下,需要打破原有的標準體系壁壘,本著先破后立的原則,將原有智能電網標準體系融入到全球能源互聯網的大框架下。本文在建立GEI技術標準體系時,采用了自上而下和自下而上相結合的系統方法[14]。自上而下的方法是從GEI的愿景出發,分析實現GEI發展目標的相關技術需求,并提出標準需求;自下而上的方法則是面向需求、梳理現有的相關技術標準、分析需求和現有標準之間的差距。綜合自上而下和自下而上的分析結果,可識別出相關標準的缺失性,提出需要制修訂的標準,具體步驟如圖1所示。

2.2.3 概念模型

基于國際標準組織對智能電網業務域的劃分,結合GEI的技術和標準需求,可以細化GEI與相關聯領域的關系[15]。NIST提出的概念模型適用于編制技術標準規劃、技術發展路線圖,可以把龐大、復雜的GEI關聯子域、系統和設備組織在一起。按照專業方向,GEI可分為4個領域,每一領域包括相應主體或子域,如圖2所示。特高壓是4個領域中的核心,其標準制定應當能夠支撐大規模清潔能源遠距離輸送,以實現清潔能源大規模利用、消納的目標。該圖也表現了GEI各領域之間電力流與信息流的連接關系。

圖1 GEI標準體系構建方法

圖2 全球能源互聯網概念模型

為清晰表示GEI概念模型中各個實體間的關系,表4給出了不同領域中的詳細主體內容。

表4 全球能源互聯網概念模型中的領域及主體

圖3給出了GEI的概念模型的細化框圖,不僅列出了GEI中每個領域中的子域,同時還把各子域的電力流和信息流清晰地做了描述,為GEI標準體系的制定提供了參考,各部分內容描述如下：

智能電網是GEI的重要支撐,是清潔能源利用和消納的主體,直接保障區域電網的互聯互通、安全穩定、綠色高效運行。主要包括智能輸變電、智能配電域、智能用電、電力物聯網4個子域。前3個子域之間建立電氣與通信連接,電力物聯網通過信息流將3個子域關聯起來,通過多領域協作實現智能輸變電與其他國家智能電網和清潔能源基地互聯的目標。

圖3 全球能源互聯網概念參考框圖

GEI的輸電域包括特高壓交直流輸電、柔性直流、新型輸電等子域。特高壓及新型輸電是連接各國、各洲的智能電網輸電子域與清潔能源發電子域的輸電載體,為國家電網跨國/洲際互聯奠定了基礎,也是GEI的核心。

清潔能源域包括清潔能源發電裝備系統、并網運行控制和大規模儲能3個子域,是由分布在各國的大規模清潔能源和北極風電、赤道一帶的光伏發電等基地組成,通過輸電域完成電能輸送,實現清潔能源的大規模利用和消納,同時還需要接受互聯電網的運行和控制,以保證清潔能源存儲、并網和運行控制的安全。

電網互聯域包括規劃與仿真、安全控制與保護、調度與交易3個子域,以支撐全球能源基地的接入并網和跨國/洲際電網互聯。

2.3 層次結構與體系表

根據GEI概念模型的劃分,按照系統性、繼承性、擴展性原則,GEI標準體系可分為4個專業方向、13個技術領域、45個標準系列、若干具體標準四層結構,用于指導GEI技術標準的研究和制定,如圖4所示。

標準體系的第1層是專業方向(大領域)。包括智能電網、特高壓及新型輸電、清潔能源和電網互聯等4個方向。

圖4 GEI標準體系層次結構

標準體系的第2層是技術領域。技術領域的劃分參考了國際標準組織和研究機構的已有成果,也考慮了現有的工程實踐和實際應用。同時關注GEI的主要發展方向,滿足GEI研究與建設的需求,共包括13個技術領域。

標準體系的第3層是標準系列。第3層中各標準系列構建是基于技術領域,提煉技術領域中關鍵的技術點。共包括45個標準系列。

標準體系的第4層是若干具體標準,體量巨大并且會不斷增加。GEI標準體系表如圖5所示。

3 GEI標準體系構成

3.1 智能電網

智能電網技術是全球能源互聯的重要支撐技術,直接保障區域電網的互聯互通、安全穩定、綠色高效地運行,并將推動GEI結構形態、能源形態、控制形態、設備形態、通信方式的不斷演進與發展[16]。智能電網標準體系是GEI的核心,所涉及技術領域包括智能輸變電、智能配電、智能用電和電力物聯網4個領域：

圖5 GEI技術標準體系表

1)智能輸變電。智能輸變電是保障電力輸送和轉換的關鍵環節。智能變電站主要關注變電站自動化技術與智能高壓設備技術;智能輸電線路主要關注輸電線路新材料、巡檢運維和監測預警;柔性交流輸變電設備是提高輸電線路動態調節容量、優化潮流、提升輸送能力和系統安全裕度的重要保證。智能輸變電是保障全球能源互聯互通、安全穩定、可靠高效運行的重要基礎環節。本技術領域包括智能變電站、智能輸電線路和柔性交流輸變電設備3個標準系列。

2)智能配電。智能配電是利用現代電子技術、通信技術、計算機及網絡技術,將配電網在線數據和離線數據、配電網數據和用戶數據、電網結構和地理圖形進行信息集成,實現配電系統正常運行及事故情況下的監測、保護、控制、用電和配電管理的智能化。智能配電網是GEI中承上啟下的關鍵環節,是能源消納和分配的關鍵點[17]。本技術領域包括配電自動化、柔性配電、微電網和分布式電源4個標準系列。

3)智能用電。智能用電通過靈活的電力網絡、智能設備和信息網絡相連,形成高效完整的用電和信息服務網絡,通過電網和用戶的靈活雙向互動實現電力資源的最優配置和高效利用。本技術領域包括高級量測體系、需求響應、能效管理與能效測評、智能用電互動服務、電動汽車充放電和電能替代6個標準系列。

4)電力物聯網。電力物聯網是實現各種智能傳感設備與通信信息資源的(互聯網、電信網甚至電力通信專網)結合的網絡實體,具有自我標識、感知和智能處理的功能。本技術領域包括智能傳感、傳輸網通信技術、接入網通信技術、數據共享及分析、云計算及數據平臺、移動互聯及人機交互、信息通信安全7個標準系列。

3.2 特高壓及新型輸電

超遠距離、超大容量、超低損耗、靈活可靠地傳輸清潔能源是GEI面臨的巨大挑戰,特高壓輸電、柔性直流及直流電網、新型輸電等多種輸電技術的應用將是應對極端輸電環境和運行維護條件的綜合解決方案。

1)特高壓輸電。特高壓輸電是實現全球能源互聯的核心技術之一,其超遠距離、超大容量、超低損耗的特點賦予了電網更大范圍調配能源資源的能力,為世界電網跨國跨洲大范圍互聯奠定了基礎。本技術領域包括特高壓交流和特高壓直流2個標準系列。

2)柔性直流和直流電網。柔性直流輸電技術是構建靈活、高效、可靠電網和充分利用清潔能源的有效途徑,使用柔性直流和直流電網技術,將全球范圍內風電、水電、火電等電源進行互聯,可在大范圍內平抑可再生能源發電的波動性、間歇性等問題,最大限度地降低其對電網產生的沖擊,實現GEI清潔替代和全球配置的目標。本技術領域包括柔性直流和直流電網2個標準系列。

3)新型輸電。在洲際、跨國等特定工作環境和特殊地域條件下常規輸電技術無法實現的場合,需要采用新型輸電技術(如半波長交流輸電、超導輸電、無線輸電和管道輸電)來提供電力(能源)輸送的有效解決方案。本技術領域包括半波長交流輸電、超導輸電、無線輸電、管道輸電4個標準系列。

3.3 清潔能源

在全球范圍內,開發應用綠色清潔能源是實現可持續發展的必然選擇。目前不僅需要制定清潔能源發電設備或系統本身的清潔能源國際標準,還需要制定系統級的運行控制標準,對清潔能源發電裝備、系統及清潔能源并網、運行控制、大規模儲能等方面做出要求和規定。

1)清潔能源發電裝備及系統。清潔能源作為GEI輸送的主導能源,主要包括水力發電、風力發電、太陽能光伏發電、太陽能光熱發電、海洋能發電等多種發電形式。為了支撐GEI發展,要深入分析當前清潔能源標準體系的優勢與不足,為后續標準的完善奠定基礎。本技術領域包括水力發電、風力發電、太陽能光伏發電、太陽能光熱發電和海洋能發電5個標準系列。

2)清潔能源并網及運行控制。制定清潔能源并網及運行控制相關標準對于解決大量間歇性、波動性的清潔能源接入電網等問題具有重要意義。本技術領域包括并網接入系統、并網試驗與監測、資源評估與功率預測和清潔能源集群控制4個標準系列。

3)大規模儲能。大規模儲能技術是把大規模電能或熱能轉換為其他便于儲存的能量形式,又能在需要時利用電能的技術,具有大容量、高性能、規模化的技術特點。大規模儲能在新能源接入、削峰填谷、平滑負荷、調頻等方面具有積極的作用,貫穿能源互聯網的發、輸、配、用的各個環節。本技術領域包括電化學儲能、物理儲能、大容量高效氫儲能3個標準系列。

3.4 電網互聯

電網互聯不僅可以協調平衡各區的緊急功率支援,提高系統的安全穩定水平,還能協調電源負荷結構的不平衡,實現各區域間能源資源優化配置[18]。逐步實現跨區域電網互聯,使電力系統的規模越來越大,不同地區的資源通過電網互聯得以有效的利用。

1)互聯電網規劃與仿真分析。電網規劃是電網建設和發展的一個重要環節,科學的規劃對于指導電網建設具有重要意義。電力系統仿真分析是電網規劃、設計和運行的重要支撐,在電力系統研究體系中處于基礎地位。隨著跨國跨洲電網加強互聯,然而各國的地理環境、電網發展程度以及電力設備都不盡相同,因此,在制定互聯電網規劃與仿真分析相關標準時要因地制宜,結合區域內的發展現狀。本技術領域包括電網規劃和電網仿真分析2個標準系列。

2)互聯電網安全控制與保護。電網互聯在擴大電力系統規模的同時,也增加了系統復雜程度以及可靠運行的風險,電網的安全控制與保護涉及到互聯電網每一個節點,同時又互相影響,現有的國際繼電保護標準強調繼電保護設備的硬件及功能應用,已形成了涵蓋通用、功能、應用等在內的較為完整的系列標準,但是系統級保護的相關標準還需進一步地制定。本技術領域包括電力系統繼電保護和電力系統安全穩定控制2個標準系列。

3)互聯電網調度與交易。全球電網互聯對電網調度提出了新的挑戰,一旦出現較小的擾動,勢必影響整個電網格局的健全與完善,因此,必須充分考慮各國調度通信基礎設施現狀以及法律和規章制度等方面的差異,從技術、管理兩方面同時入手,制定系統性的安全防護體系架構。在市場交易方面,隨著國際能源供需格局的變化,在更大范圍內優化資源配置成為全球能源利用的內在需求。未來GEI的形成和有效運營也需要建立在全球電力市場機制的基礎上[19-20]。本技術領域包括互聯電網調度和互聯電網市場交易2個標準系列。

4 標準化工作建議

本文基于智能電網、特高壓輸電、清潔能源和電網互聯相關標準的研究成果,遵循系統性、繼承性、擴展性原則,提出了GEI標準體系架構;并按照GEI標準體系架構詳細介紹了GEI標準體系的構成和內容;為GEI的標準制定提供了規范與框架,促進全球能源的互聯互通。

該標準體系也存在一些不足,新技術的不斷研發使得標準體系需要及時更新,該標準體系在世界范圍內的接受程度有所不同,需要在保證標準的協調性和一致性的基礎上,提出GEI標準化工作建議如下：

1)以GEI標準體系為標準化工作指導原則。由于GEI涉及眾多專業和技術領域,包括電力、信息、通信、新能源、新材料、交通等,內容跨度大,綜合性強,需要以系統性、繼承性、擴展性為原則的GEI標準體系為指導框架,開展相關標準化工作。

2)建立GEI標準化工作機制。標準化工作機制是指在GEI標準的制修訂和宣貫工作組織開展過程所依賴的組織管理程序。建立GEI標準化工作機制包括制度保障、組織保障、技術保障、具體實施保障4個層面。

3)加強參與各方合作,提高GEI標準體系在世界范圍內的接受程度。參與各方應打破行業隔閡,廣泛地吸收相關行業的龍頭企業和國際或各國標準組織參與,聚焦利益相關方共同的發展關切,通力合作,確保標準的一致性和協調性,共同推動制定GEI標準。

5 結論

全球能源互聯網能實現清潔能源在全球能源的優化配置,保障互聯電網經濟高效運行。GEI標準是建設GEI的必不可少的技術基礎。GEI標準體系是指導GEI標準制定的一項戰略性、綱領性工作,是GEI技術標準的頂層設計。

通過對國內外相關標準的進展和應用現狀的梳理,提出了GEI概念模型和參考框圖。遵循系統性、繼承性、擴展性原則,從智能電網、特高壓及新型輸電、清潔能源以及電網互聯這4個方面,提出了GEI標準體系的層次結構及體系表。

本文分析這4方面的標準需求,總結了GEI標準體系建設內容,最后給出了標準化工作中應建立GEI標準化工作機制、加強參與各方合作等建議。

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