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。