2025智能电网：多源电力系统的高效选型白皮书

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智能电网: 多源电力系统的高效选型 白皮书 目录 01 引言 第一部分 - 智能电网基础与智能选型的作用 03 04 05 1 - 智能电网：能源转型的支柱 2 - 为什么智能选型至关重要？ 3 - 选型软件：应对新挑战的解决方案 06 第二部分 - 潮流计算：优化电能质量与预防低效能 07 1 - 理解潮流计算 08 10 2 - 案例研究：提升工业电网性能 第三部分 - 短路电流：确保电网安全 12 13 1 - 短路电流定义及其影响 2 - 通过专业软件实现精确计算 16 19 3 - 将计算结果集成到保护设计中 第四部分 - 规范性控制：确保合规与性能 22 1 - 智能电网的国际标准 23 24 2 - 利用软件满足标准要求 第五部分 - 智能电网硬件选型 26 27 1 - 制造商设备的选型标准 2 - 配备制造商数据库的计算选型软件 28 第六部分 - elec calc 在智能选型中的作用 31 1 - elec calc 的核心功能 32 36 2 - 为智能电网参与者带来的附加值 结论 - 借助 elec calc 开启智能电网新时代 38 白皮书 | 智能电网：多源电力系统的高效选型 01 引言 能源转型背景下智能电网 的挑战 能源转型正在加速推进，其驱动力来自于减少碳排放的需求以及将可再生能源整合到电力系统中 的必要性。 智能电网是这一变革的核心，它能够整合多种能源（如太阳能、风能、水力、储能等），并实时 管理潮流的能力，为日益增长的效率问题和可持续性需求提供了解决方案。 然而，电网现代化也伴随着重大技术挑战：可再生能源发电的波动性、现有基础设施的过载以及 系统复杂性的增加。这些障碍需要创新方法来确保电网的稳定性、安全性和弹性。 引言 02 在此背景下，电网的智能选型成为优先事项。通过精确分析和优化基础设施，选型软件在应对智 能电网挑战中发挥着战略作用。这些适应多源电网特性的先进工具有以下优势： |多源电网中选型软件的关键作用 1 优化电力能量流 通过潮流计算，软件分析负载、电流和电压的分布，做到能量损耗最小化并预测过载。 2 电网安全 能够在系统的任意点模拟短路电流计算，识别潜在风险并实现保护装置的选型和调整。 3 标准合规性 软件符合标准要求（如IEC、NF、VDE等），确保系统合规并简化第三方审核。 4 节省时间与提高精度 复杂计算的自动化、实时模拟、快速仿真、基于先进算法提供选型意见。 通过结合技术与专业知识，这些工具使电网运营商、工程师和企业能够设计高性能、灵活且可持 续的电力系统。它们满足了日益增长的数字化解决方案需求，确保预测和解决与能源转型相关的 问题。 第一部分 智能电网基础与智能选型的 作用 03 04 智能电网： 能源转型的支柱 1. 智能电网代表了现代能源系统管理的重大进步。它们通过整合可再生能源（如太阳能、风能和水 电）并完成高效、自动化的电力能量流管理，满足了能源转型的需求。 与传统电网的线性集中运行不同，智能电网设计为灵活、互联且响应迅速。其结构基于先进技 术，包括物联网传感器、实时数据管理系统和智能算法。这些创新使智能电网能够适应可再生能 源发电的变化和需求的波动。 智能电网的关键特性包括： 1 整合可再生能源 智能电网能够最大化利用可再生能源，通过储能系统和智能能源管理补偿其波动性。 2 运行自动化 使用传感器和通信网络持续监控电网状态，检测异常并自动调整以保持稳定性。 3 优化电力能量流 通过实时数据分析，智能电网优化负载分配，减少能量损耗并提高整体效率。 4 以用户为中心 智能电网将消费者纳入其运行中，允许他们生产和消费自己的能源，并激励他们根 据电网需求调整用电，甚至实现完全能源独立。 05 智能电网不仅能应对当前的挑战，还能通过提供适应快速变化的技术和能源需求的基础设施，为 未来做好准备。为了最大限度地提高效率，智能电网的规模设计至关重要。这需要精确分析和仿 真电力系统的配置，以确保可再生能源的无缝整合、最优的能量流管理和更高的安全性。 在智能电网的背景下，计算及选型软件将成为设计、分析和优化这些复杂电网的重要工具。 为何智能选型至关重要？ 2. 由可再生能源驱动的多源电网的发展彻底改变了所有基础设施，无论是现代的还是现有的。然 而，向更复杂电网的过渡伴随着许多技术挑战，如果没有精确选型，可能会影响其效率和可靠 性。 选型面临的挑战 挑战 问题 后果 解决方案 波动性 可再生能源 的不可预测性 电网不稳定的风险 根据既定场景进行 潮流计算 过载 吸收负荷峰值 （如多个电动车充电 桩同时工作） 保护装置跳闸， 业务连续性中断 极端运行方式仿真 确保选型安全 安全 生产条件的 快速变化直接影响 短路电流 如果短路无法在允许 时间内检测并消除， 可能危及 人员和财产安全 采用对称分量法计算 以选择合适的 保护装置 06 选型软件： 应对新挑战的解决方案 3. 多源电网的复杂性日益增加，需要先进工具来应对管理、优化和保障电能质量的挑战。选型软件 作为分析、仿真、优化和运行这些现代系统的关键解决方案，有助于提高其效率和可持续性。 选型软件应具备的功能 | 单线图示例 功能 优势 用户体验 潮流分析 多场景仿真 规范自动化验证 系统可控 操作简单 可靠、安全并 严格符合标准 实时计算界面 自定义和 可设置的界面 识别标准偏差和 不合规项警告 第二部分 潮流计算： 优化潮流与预防低效 07 08 理解潮流计算 1. 潮流计算是分析电网性能和稳定性的基本方法。 它是理解电力如何在系统中流动、识别网络中不同支路的负荷、电压和电流分布的重要工具。 | 什么是潮流计算？ 潮流计算是一种数学分析，用于： • 确定网络中电力负载的分布，即通过系统中任意点的能量。 • 计算节点（网络中的连接点）的电压，确保其保持在可接受范围内以避免操作问 题或故障。 • 评估电力线路中的电流，识别可能的过载。 这是确保多源电网中电力高效、可靠分配的重要方法，在可再生能源的波动性和基础设施的复杂 性需要优化管理的情况下尤为重要。 需求 描述 实际示例 识别损耗 仿真电力潮流以识别 高能量损耗或过载的区域 光伏电站供电的电网在中午出现 电压波动，有效仿真计算能 优化线路的适配性 确保电网稳定性 预测电源与负荷之间的不平衡 以避免停电或损坏 多源电网中可再生能源的快速 变化导致不稳定， 正确计算和选型可预防失衡 系统升级规划 模拟不同场景 （如新增电源或负荷） 在添加储能系统前， 计算模拟影响 以避免现有线路过载 优化负荷分配 分析负荷、电流和电压分布 以实现高效利用 工厂将负荷分配到 不同供电母线以防止过载 并减少能量损耗 09 | 潮流计算 |潮流计算步骤 数据收集 网络建模 网络计算 结果解释 能源来源 （电能，发电类型） 电力负荷 （住宅，工业，商业） 电网参数 （长度，阻抗，容量） 电网数学 及 数字模型 建模 采用 数学算法 仿真能量流 识别 超出范围的电压， 线路过载 能量损失 10 案例研究： 提升工业电网性能 2. 潮流计算在工业环境中尤为有效，因为电网需要满足特定且高强度的需求。 以下案例展示了该工具如何识别低效率、减少能量损耗并优化负荷分配，以提高整体性能。 | 案例研究1: 减少制造工厂的能量损耗 背景: 一家制造工厂的内部电网由柴油发电机和现场光伏电站供电。 工厂发现能源成本上升且配电系统能量损耗高的问题。 | 案例研究2: 预防工业园区的过载 背景: 一个由多家企业共享的工业园区电网由热电厂供电。 引入新的高耗能机器设备后，由于过载导致频繁故障。 挑战 解决方案 识别能量损耗 发生的区域 负荷平衡以避免 某些线路过载 仿真能量潮流来定位 网络中的关键点 在工厂的不同线路之间 重新计算分配负荷 优化光伏电站的使用以 最大化效率 效益 12个月内能量 损耗减少20% 更好地利用可再生能源， 能源成本降低15% 11 | 案例研究 3: 多生产线工厂的电力分配优化 背景: 一家拥有多条并行生产线运行的工厂出现了供电不平衡问题，对成品质量造成了影响。 | 案例研究 4: 将可再生能源接入工业电网 背景: 一家化工厂希望接入一座光伏电站，以降低对化石燃料的依赖。然而，新增这一电源导致其内部电 网出现了显著波动 。 挑战 效益 预测新增设备后的潜在过载点 确保企业间的负荷均衡分配 解决方案 识别电压和电流超出 可接受限值的临界节点 消除与过载相关的故障 无需重大基础设施投资， 电网容量提升25% 线路重组与 电力负荷调整方案 在新设备部署前后进行 电力能量流的详细分析 挑战 解决方案 每条产线的不间断与稳定供电 最小化由于电压变化 对敏感设备的影响 对工厂内部网络 （包括各条生产线）建模 效益 潮流模拟， 以识别电压不平衡和波动情况 因电气故障导致的非计划 停机减少 10% 建议安装电压调节器和电容器， 以稳定电力供应 挑战 效益 避免与光伏电站间歇性发电相关 的负载不平衡和电压尖峰问题 在不干扰敏感设备操作的 情况下整合新能源 解决方案 建议采用储能系统以平缓波动， 并制定负荷管理计划， 使负荷与光伏发电时段相适配 通过更充分利用光伏能源， 整体能耗降低 30% 提升电网稳定性， 为关键流程增加能源可用度 将所有生产线的 电压稳定在 ±3% 范围内 模拟光伏发电对内部 电网潮流的影响 12 第三部分 短路电流： 确保电网安全 13 短路电流定义及其影响 1. 短路电流是电力系统中最关键的现象之一。它们发生在故障或扰动期间，导致异常高的电流流经 网络。这些电流可能对设备造成重大损坏，破坏电网稳定性，并对用户构成安全风险。 | 什么是短路电流？ 短路电流是由于电路中形成异常低电阻路径（低阻抗）而产生的，通常由以下原因导致： • 设备故障（电缆损坏、连接器缺陷） • 导体（相线）之间或导体与地的意外接触 • 外部因素（如电涌、极端天气或人为错误） 这种现象导致电流远高于预期值，超出设备的正常容量。 | 短路电流的影响 1 对电气设备的风险 过热和财产损坏: 短路电流可能导致过热，导致导体、变压器和断路器故障或损毁。 设备寿命缩短: 重复应力会降低设备的预期寿命，即使未立即损坏。 14 2 电网运行中断 电压骤降: 短路电流导致受影响区域的电压快速显著下降，可能导致服务中断。 电网不稳定: 多源电网（包括智能电网）尤其脆弱，电流波动可能干扰发电机和控制系统。 3 对用户安全的威胁 火灾风险: 过高的电流产生热量，增加电气系统的火灾风险。 人身风险: 在直接或间接接触时，短路电流可能导致严重伤害或死亡。 | 主要短路类型: 单相及相 - 地短路： 这种情况下，是两种类型的 组合，相线可能与中性线或 地线导体接触。根据所使用 的接地系统，计算方式会有 所不同。 这是最有可能发生的短路类 型，可能由导体意外断开、 污垢导致绝缘失效或老鼠破 坏电缆护套等情况引发… 两相短路： 两相意外接触。 其成因可能与三相故障类似， 不过在某些情况下，是导体从 连接点脱落并跨越间隙，或者 只是两根导体间的污垢降低了 绝缘性能。 三相短路： 对应三相短路情况。 同一电路的三相意外接触。 导致这种故障的典型例子包 括电缆意外掉落，或者无意 中将金属工具遗留在未绝缘 的导体上等。 通常，这是各类短路（短路 电流等参数的）最大值情 况 。 15 | 示例: 工业电网中的短路情况 背景: 为工厂供电的电网发生了三相短路，原因是维修作业期间一根电缆受损。 直接后果: • 一台主变压器严重损坏，造成生产停机。 • 电网多个区域出现电压下降，影响关键设备。 • 需要更换有故障的电缆，导致高昂成本和更长时间的停机。 结论: 短路电流对电网的安全和性能构成严重威胁。 了解并预判短路情况，对于设计可靠、安全的电气系统至关重要。 借助先进计算软件进行智能选型，能够模拟短路场景，并合理选定保护装置的规格，从而将风险降 至最低 。 | 短路电流计算实例 16 通过专业软件实现精确计算 2. 短路电流虽然不可预测其发生，但可以通过专业软件工具精确仿真和分析。 这些解决方案使工程师能够建立电网模型、识别脆弱区域并高效地对保护装置进行选型，确保设 备和用户安全。 | 专业软件在短路电流计算中的作用 1 复杂场景的精确仿真 新一代软件基于对称分量法，使用先进算法模拟各种规模网络（包括多源网络）的 短路电流。它们考虑到： • 特定网络配置（相位、节点、线路） • 发电机类型（电流源和电压源） • 设备特性（阻抗、电抗） 2 短路场景分析 这些工具可以模拟不同类型的短路（单相、两相、三相）并评估其对网络的影响。 示例: 计算电压和电流变化，识别风险设备并提出抑制损坏的解决方案。 3 自动校验与精度提升 软件自动计算，实时呈现结果，减少人为错误，即使对于复杂网络也能确保高 精度。它还纳入IEC 60909 等国际标准，确保计算标准合规。 17 | 用于保护设计的短路电流计算 电气保护装置（断路器、熔断器、继电器 ）的规格必须经过合理选定，以便在发生短路时能 够快速且有效地做出反应。 专业软件通过以下功能助力这一流程： 1 关键阈值检测 软件会计算设备所能承受的最大和最小电流，从而能够精确调整电磁保护装置，并 对设备参数加以调整，以避免设备损坏。 2 响应时间优化 模拟断路器和继电器的性能，确保其做出快速且恰当的响应。 示例：规格合适的断路器能在数毫秒内切断电源，以限制损坏程度。 3 经济评估 软件有助于避免保护装置规格过大（成本过高 ）或规格过小（存在故障风险 ），进 而提供一种最优且具成本效益的解决方案。 | 简单易用: 利用软件快速完成短路电流计算 系统建模 运行方式仿真 结果分析 选型建议 导入电网数据： 系统拓扑结构、 设备参数、 发电机 与负荷参数 定义待分析的 短路类型 （单相/两相/三相） 并仿真故障 潜在发生位置 生成详细报告 包括短路电流、 电压波动及 设备影响分析 将结果转化为 具体选型建议， 用于选择和配置 保护元件 | 示例: 含可再生能源发电的工业电网 背景: 某工业园区将光伏电站和一台风力涡轮机接入其内部电网。 这些新能源虽然高效，但增加了电网复杂性和短路风险。 18 挑战 效益 解决方案 模拟短路电流以评估对 现有断路器的冲击 为安全接入新能源设备 配置新型保护装置的规格 建立包含可再生能源的电网模型 （按电流源特性处理） 对关键节点进行 多场景短路模拟 定制化建议： 调整既有保护参数， 并在薄弱环节加装断路器 部署具备选择性的保护系统， 确保故障时业务持续运行 完全符合现行安全标准 将结果集成到 保护装置设计中 3. 短路电流计算在选择和保护装置（如断路器、熔断器和继电器）选型中起着基础作用。 在多源网络中，复杂性和可变性增加，这些计算能够设计出保障网络安全和可靠性的保护系统。 |保护装置适当选型的重要性 1 保护设备 短路电流可能对变压器、电缆和其他设备造成不可逆损坏。适当的保护装置预防过载， 限制断电和维修成本。 2 确保服务连续性 有效的保护快速隔离故障部分而不影响网络其余部分。这对多源智能电网尤为关键，因 为故障可能影响多个发电机和负载。 3 确保用户安全 保护装置通过及时响应过载和短路，最大化减少火灾和触电风险。 4 热应力管理 断路器的限流功能防止短路期间过高的残余能量，从而保护电缆免受热损坏。 19 20 | 短路电流计算在保护装置选型中的应用 1 断路器选型 断路器的选型必须满足以下要求： • 能够承受电网正常运行时的额定电流。 • 可以有效分断计算得出的短路电流。 示例：如果计算显示某一特定节点的短路电流为 25 KA，那么断路器的分断能力必须大 于该数值。 2 熔断器选型 熔断器的选择依据是其在短路时能快速熔断，同时在临时性电流冲击时保持稳定。 计算结果可用于确定： • 熔断器熔断前能承受的最大电流。 • 避免设备损坏所需的响应时间。 3 继电保护整定 继电器被配置为检测过电流并触发相应的断路器动作。 计算结果为确定最佳跳闸阈值和延迟时间提供依据，以避免误跳闸或跳闸延迟过长，同 时确保系统安全。 | 将计算整合到保护装置设计中的方法 电网数据收集 1 短路电流模拟 2 保护装置的选择与选型 3 验证与调整 4 • • 发电机及负荷类型 • 现有设备的特性 • 确定网络各节点的最大电流 • 分析不同运行方式下的变化情况 • 根据计算出的电流选择断路器、熔断器和继电器 • 验证保护装置之间的配合性，确保实现最佳选择性 • 模拟短路情况下保护装置的响应 • 调整参数以确保快速且高效的切断 系统拓扑图 21 | 示例: 含可再生能源的多电源电网 背景: 一个多源电网为一家工厂和一个居民区供电，该电网整合了光伏电站和一台小型风力发电机。 短路计算表明，在发生故障时，主变压器附近会出现大电流。 | 集成保护设计计算的优势 1 提高准确性 保护装置的规格经过精确设定，以适配电网的特定特征。 2 降低成本 优化选型可避免设备选型过大，减少不必要的投资。 3 符合法规要求 设备及选型设置符合电气安全国际标准。 4 增强韧性 多电源电网能更好地抵御停电和故障，保障运行。 挑战 效益 解决方案 选择能够切断大电流且不影响 可再生电源的断路器 确保工厂保护装置与居民区 保护装置之间的选择性 在变压器处安装分断能力为 40 KA的断路器 使用合适的熔断器保护 居民区的二次线路 进行继电器设置实现高效配合， 确保仅隔离受影响的区段 提高电网的安全性和可靠性 通过选择性保护减少停机时间 22 第四部分 规范性控制： 确保合规与性能 23 在智能电网对能源转型起关键作用的世界中，国际标准对于确保电网的安全性、性能和互操作性至关 重要。国际电工委员会（IEC）等组织制定了规范框架，以标准化和保障与智能电网选型和管理相关 的实践。 智能电网的国际标准 1. | 为何国际标准对智能电网至关重要？ 1 确保基础设施和用户安全 标准设定了防止短路、过载或设备故障等事件的关键阈值。 它们定义了保护系统和用户所需的参数。 2 促进系统兼容性 智能电网整合了来自不同制造商和技术的设备。 标准确保其兼容性和顺畅运行。 示例：标准化通信协议、电压和频率校准。 3 在保持合规的同时鼓励创新 标准提供指导方针，设计者能够在遵循标准的同时