智能电网:未来电网的发展趋势

西安高压电器研究院有限责任公司 王从钢

近一年来，特别是奥巴马政府将智能电网的改造列入美国经济复苏计划以后，关于“智能电网”(Smart Grid)的研究和讨论已经成为电力工业和学术界最热门的话题。有关智能电网的各种论述常见诸报刊，举办智能电网论坛或讲座时有所闻，各相关单位关于智能电网方面的研究机构也随之建立。初次涉及智能电网问题的人们主要关心的是：什么是智能电网？为什么要建设智能电网？智能电网是在什么背景下提出来的？智能电网的特点是什么？智能电网包含什么具体内容？智能电网的建设需要哪些技术支撑？以下与大家共同探讨。

智能电网的概念

智能电网就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通讯网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，它可以改善电力传送和使用效率、提高电力系统的可靠性和安全性。其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

智能电网概念的发展有3个里程碑：

第一个就是2003年美国从自身的国家利益出发，提出了一个大胆的战略发展计划，它对电网的运行模式进行了明确的界定，它考虑了多种能源的输入，可以进行多种能源的产出，进行多种能源之间的转换。主要考虑的问题是国家安全和可再生能源的利用。这些基本概念为“智能电网”的提出奠定了基础。三年后即2006年，美国IBM公司提出了“智能电网”解决方案, 解决方案主要包括以下几个方面：一是通过传感器连接资产和设备提高数字化程度；二是数据的整合体系和数据的收集体系；三是进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理。通过以上几个方面达到自动监控电网，优化电网性能、防止断电、快速恢复供电的目的。至此，“智能电网”的概念正式诞生。

第二个是奥巴马上任后提出的能源计划，除了已公布的计划，美国还将着重集中对每年要耗费1200亿美元的电路损耗和故障维修的电网系统进行升级换代，建立横跨四个时区的统一电网，重点研发可再生能源和分布式电源并网技术，发展智能电网产业，最大限度发挥美国国家电网的价值和效率，将逐步实现美国太阳能、风能、地热能的统一入网管理；全面推进分布式能源管理，创造世界上最高的能源使用效率。

可以看出美国政府的智能电网有三个目的，一是由于美国电网设备比较落后，急需进行更新改造，提高电网运营的可靠性；二是通过智能电网建设将美国拉出金融危机的泥潭；三是提高能源利用效率。

第三个是我国能源专家武建东提出的“互动电网”。互动电网是指在创建开放的系统和建立共享的信息模式的基础上，以智能电网技术为基础，通过电子终端将用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现数据读取的实时、高速、双向的总体效果，实现电力、电讯、电视、远程家电控制和电池集成充电等的多用途开发。它可以整合系统中的数据，优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，形成电网全新的服务功能，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。互动电网具备可靠、自愈、经济、兼容、集成和安全等特点，主要解决三个问题，一是以信息技术改造和提升现有的能源体系，特别提高集能源大成的传统电网体系的能源效率；二是要逐步建立以可再生能源替代化石能源的创新能源利用体系；三是要建造消费者和生产者互动的精巧、智慧和专家服务化的能源运转体系。

智能电网是使用健全的双向通信技术、高级的传感技术和分布式计算技术的电力传输与分配网络。其使用可以改善电力传送和使用效率以及电力系统的可靠性和安全性。因此，智能电网的概念提出后得到各方面的重视，也得到了迅速的发展。

2001年，意大利电力公司建立起了具有3000万台智能电表的智能化计量网络，可以实现峰谷平电量计量功能。

2005年，坎贝尔发明了一种技术，利用的是（Swarm群体行为）原理，让大楼里的电器互相协调，减少大楼在用电高峰期的用电量。他是用一种无线控制器与大楼的各个电器相连，并实现有效控制。这个技术赋予电器于智能，提高能源的利用效率。

2006年，欧盟理事会能源绿皮书强调智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一项关键技术和今后的发展方向。这时候的智能电网应该是指输配电过程中的自动化技术。

2006年，“网点”公司开发出通过互联网通信技术，调整家用电器用电量的产品。它可以通过互联网通信技术调整家用电器的用电量，这个电子产品具有了一部分交互功能，可以看作智能电网中的一个基础设施。

2006年，美国IBM公司曾与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。这一方案被形象比喻为电力系统的“中枢神经系统”，电力公司可以通过使用传感器、计量表、数字控件和分析工具，自动监控电网，优化电网性能、防止断电、更快地恢复供电，消费者对电力使用的管理也可细化到每个联网的装置。这个可以看作智能电网最完整的一个解决方案，标志着智能电网概念的正式诞生。

2007年，华东电网启动“智能电网”可行性研究项目，并规划了从2008年至2030年的“三步走”战略，即：在2010年初步建成电网高级调度中心，2020年全面建成具有初步智能特性的数字化电网，2030年真正建成具有自愈能力的智能电网。该项目的启动标志着中国开始进入智能电网领域。

2008年，美国科罗拉多州建成全美第一个智能电网城市，便于用户直观了解实时电价，优先使用清洁能源，故障时进行电力的重新配备。

2008年9月美国着手开发清洁能源业务，打造国家“智能电网”。

2009年1月，美国宣布通过敷设新的输电线路，安装家庭智能电表，推动互动电网的整体革命。

2009年2月，马耳他决定建立 “智能公用系统”，实现电网和供水系统的数字化。

2009年2月10日，谷歌表示已开始测试名为谷歌电表(PowerMeter)的用电监测软件。这是一个测试版在线仪表盘，相当于谷歌正在成为信息时代的公用基础设施。

2009年2月28日，作为华北公司智能化电网建设的一部分——华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组的验收。这套系统首次将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成，调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换，便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。此外，该系统通过搭建并网电厂管理考核和辅助服务市场品质分析平台，能有效提升调度部门对并网电厂管理的标准化和流程化水平。

2009年3月3日，美国谷歌向美国议会进言，要求在建设智能电网（Smart Grid）时采用非垄断性标准。

智能电网概念的形成是一个逐步完善的过程, 从智能电网概念的发展可以看出，智能电网并没有一个确定的概念，需要根据实际情况赋予新的含义，到现在人们还在不断向智能电网中增添新的内容。

智能电网的主要特征

全面涵盖发输配用电和电力市场的智能电网，很难用一个简单的统一定义来表述。因为“智能”主要突出地反映了智能电网有别于传统电网的自适应特点及其实现手段，而并非其体系结构的全部。尽管智能电网的定义有待于商讨和规范，但其有别于传统电网的主要特征，已逐步形成共识，比如：

1.使电力市场化成为可能，终端用户可以积极参与成熟、健壮的电力市场，实现供需双方互动。

2.激励节约用电，向用户提供充分的实时（分时）电价信息，用户可以根据需要进行选择。

3.推动节能减排，将配电领域的风能、太阳能、地热能等可再生能源纳入电网和市场的监控管理。

4.提供发电及储能，使用大量“即插即用”的分布式电源，以补充集中式发电的不足。

5.满足用户对电能质量的需求，有各种各样价格和质量不等的电力供用户选择。

6.电网的优化运行，电网智能化与资产管理软件的集成。

7.电网发生故障时，系统可以自愈，减少停电范围及其影响。

8.抵御攻击，在遇到恐怖袭击或自然灾害时，具有快速恢复供电的能力。

智能电网的发展目标

智能电网是一系列技术的总称，它是一个现代化或智能化的电力网络，它是一个可以与用户协调发展的供电网络，它在传统的电力网络中使用了最新的信息技术和数字化技术，智能电网是传统配电网和输电网络的升级版本，智能电网的目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全，电网能够实现这些目标，就可以称其为智能电网。

智能电网不管用户在何时何地，都能提供可靠的电力供应。它对电网可能出现的问题提出充分的告警，并能忍受大多数的电网扰动而不会断电。它在用户受到断电影响之前就能采取有效的校正措施，以使电网用户免受供电中断的影响。实现以抵御事故扰动为目的的电网安全稳定运行能力，降低大规模停电的风险。

智能电网能够经受物理的和网络的攻击而不会出现大面积停电或者不会付出高昂的恢复费用。它更不容易受到自然灾害的影响。智能电网运行在供求平衡的基本规律之下，价格公平且供应充足。智能电网利用投资，控制成本，减少电力输送和分配的损耗，电力生产和资产利用更加高效。通过控制潮流的方法，以减少输送功率拥堵和允许低成本的电源包括可再生能源的接入。

智能电网通过在发电、输电、配电、储能和消费过程中的创新来减少对环境的影响。进一步扩大可再生能源的接入。在可能的情况下，在未来的设计中，智能电网的资产将占用更少的土地，减少对景观的实际影响。智能电网必须不能伤害到公众或电网工人，也就是对电力的使用必须是安全的。

智能电网的主要支撑技术

智能电网的主要支撑技术有以下几类：

1．分布式发电技术：分布式发电是指将电力系统以小规模（发电功率在数千瓦至50MW的小型模块）、分散式方式布置在用户附近，可独立地输出电能的系统。分布式发电具备投资省、系统可靠性高、能源种类多样（比如风力发电、太阳能热电站、太阳能光伏发电、太阳能热气流发电、生物质能发电、燃料电池发电和小型燃气轮机发电等）等优点。也有研究指出到2010年，新增分布式电源容量将占新增电源总量的20%。所以说，分布式发电联合电网运行是今后分布式发电技术发展的必然趋势。

2.储能技术：储能技术是指将电能通过某种装置转换成其它便于存储的能量高效存储起来，同时在需要的时候，可以将所存储的能量方便地换成所需形式能量的一种技术，它包括两个方面的内容：一是高效大容量存储能量的方法，二是快速高效的能量转换。

3.电力电子技术：三相电压源型逆变器可以提供各种分布式能源、储能装置、用户电力装置与电网的接口。将电力电子技术用于用户侧，进行无功补偿，可以提高用户的用电效率，进行谐波补偿，可以改变对用户的供电品质，减小用户对电网的不良影响。

4.高级计量技术：参数量测技术是智能电网基本的组成部件，先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性，进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统，取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计将有更多的功能，除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外，还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并通知用户实施什么样的费率政策。更高级的功能有用户自行根据费率政策，编制时间表，自动控制用户内部电力使用的策略

5.网络通信技术：建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统，任何智能电网的特征都无法实现，因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持，因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统要和电网一样深入到千家万户，这样就形成了两张紧密联系的网络—电网和通信网络，只有这样才能实现智能电网的目标和主要特征。当这样的通信系统建成后，它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率，繁荣电力市场，抵御电网受到的攻击，从而提高电网价值。

6.高级电力系统监测和控制系统：先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这些技术将提供对输电、配电和用户侧的控制方法并且可以管理整个电网的有功和无功。从某种程度上说，先进控制技术紧密依靠并服务于其他四个关键技术领域，如先进控制技术监测基本的元件（参数量测技术），提供及时和适当的响应（集成通信技术；先进设备技术）并且对任何事件进行快速的诊断（先进决策技术）。另外，先进控制技术支持市场报价技术以及提高资产的管理水平。

结束语

智能电网是电网的高级发展阶段，是未来电网的发展方向，与传统电网相比具有如下优势：有助于实现可再生能源的开发和利用；可带动一批新兴的产业，使未来的电网更加安全、灵活、高效；能向用户提供更优质的电力，为用户带来更大的经济效益。

在制定国家智能电网发展规划时，应该认真分析我国自身的实际情况和需求，来考虑我们应当做些什么。在这方面，美国的目的是应对金融危机，刺激高科技新兴产业的发展，解决现在电网中的不安全问题，提高电力资产利用效率，推动清洁能源的利用，在环境保护中重塑负责任大国形象。欧洲国家是出于对环境保护的一贯重视，而推广应用新技术，鼓励可再生能源利用，提高能源的利用效率。而我国应该是考虑国家对能源、对电网的期望是什么？从国家的政策可以看出，是输配电网与用电的协调发展，是开发利用可再生能源，节能减排，提高能源利用效率。

因此，我国建设智能电网的目标应该是：提高电网运营的安全性、可靠性和经济性，降低用户的电费支出，并提高能源利用效率，实现节能减排。如果智能电网能够达到上述目标，就能获得各个利益方的支持，其发展前景也会更加广阔。