对智能电网基础性问题的思考

_熊皓清 孙建华

随着美国政府于2009年以来开展的一系列电网改造计划的出台和实施，智能电网（Smart Grid）的概念逐渐得到了世界范围内的认可。2009年5月21日，中国国家电网公司正式发布了“建设坚强智能电网”的研究报告。该报告指出：国家电网公司要通过建设坚强智能电网，实现各类电源和用电设施并网接入标准化和电网运行控制智能化，提高电力系统资产的运营效益和全社会的能源效率，提高电能质量和供电可靠性，创新商业服务模式，提升电网与客户双向互动能力和客户增值服务水平。

智能电网不仅是一个特定的新兴技术名词，更是一个对未来电网发展的宏观理念，其概念可归结为以下三个层次。

第一层次：某些学者基于个人经验给出的对未来电网发展的一种宏观定义。

第二层次：跨国公司或团体对未来世界的一种宏观构想或理念，例如IBM提出的较为系统的“智慧地球”理念，“智能电网”是其中的一部分。

第三层次：某些国家及其部门为寻找新经济增长点或促进社会发展而提出的具体的战略计划，例如，美国奥巴马政府提出的智能电网计划、欧盟搭建的智能电网技术平台以及我国国家电网公司提出的“坚强智能电网”建设计划。在这一层面上，“智能电网”的概念是国家或区域组织集合绝大部分人的理念所达成的一种协议，而且随后将开动国家机器付诸实践。

因此，第一层次到第三层次的过程即是把智能电网理论逐步推广完善的过程，也是逐渐将其从理想概念转化为具体软硬件设施和运行模式的过程。

智能电网的特征

1.互动性。智能电网的一个重要特点是不仅可以使用户围绕电费去改变他们的行为，而且为用户改变自己的行为提供必要的帮助。一方面，在高负荷情况下用电需要更高的电费，从而促使用户主动地进行自我调节。另一方面，智能电网将用户设备和行为考虑到电网的设计、运行和通信中。这使用户能够更好地在家庭和企业控制（或被控制于）“智能家电”和“智能设备”。其中，更先进的通信能力为客户提供了便利的工具，使他们可以获得实时电价，并以此为基础调整自己的负荷。

2.抗攻击性。智能电网首先应该是一个坚强的网络，可以保证供电的可靠性。通过各种新型技术手段的应用以及新的电网设计、运行方式，智能电网技术能够更好地响应人为或自然原因导致的电网事故。其中，实时信息和实时控制技术使得电网运行人员能够迅速准确地隔离受影响的区域以及重新调整潮流分布，从而维持电网的稳定运行。

3.高质量电力。国外研究表明，每年电能质量事故平均花费美国商家超过100万美元。通过采用先进的电能质量控制设备和控制策略，智能电网可以提供质量更高的电力，包括更好、更严格的频率控制和电压控制等，从而使用户因电能质量而受到的损失降低。

4.兼容性。随着发电技术的发展，特别是风能、太阳能等新能源的大量采用，电网内接入电源的类型趋于多样化。智能电网除了继续供应传统电力之外，也可接入燃料电池、可再生能源、微型涡轮机以及其他各种分布式发电形式。这些发电单元往往规模较小，在电网内局部集中或者呈点状分布，它们使得居民、商业和工业用户能够自行发电，并卖出过剩电力给电网，同时也提升了供电可靠性和电能质量，减少了电力成本，并为用户提供了更多选择。

5.促进电力市场。智能电网中的新技术可以提升输电网的运行管理水平，从而增强系统大宗电力的传输能力，这将有利于创建一个开放的电力市场。在这个市场中，能够在地理范围上实现远距离输电，从而能够轻易地将电卖给任何地方的用户。同时，智能电网内的各种先进的传感器和处理程序可以为电力交易提供丰富的信息。此外，智能化的配电网将有利于电力的分配，同时也为各类用户都参与到市场中提供了可能。

6.优化资产。智能电网通过优化系统运行，更高效率地利用系统设备，降低运行和维护成本。优化后的电网潮流减少了浪费，对低成本发电资源的使用实现最大化。此外，通过协调区域间能量交换将提升现有电网资产的使用并减少电网阻塞和瓶颈，从而最终产生出消费者盈余。

智能电网的基本功能

1.负荷自调节。一般情况下，连接于电网的负荷是随外部因素变化的。当一个很受欢迎的电视节目开始，数以百万计的电视机同时开启，负载会陡然增加。在传统电网中，为了应对快速增长的耗电量（其增长速度超过了启动大型发电机的时间），一些备用发电机处于热备用模式，从而增加了系统的运行成本。而智能电网会警告所有个体电视机用户或其他较大的客户，暂时不要同时开启新的负荷，或在开启新负荷的同时关闭一些负荷，从而减缓总负荷的增长速度，使得系统有时间开启一个较大的发电机，减少了因热备用而增加的费用。此外，利用数学预测算法，可以计算出需要使用的备用发电机的数量，进而可以更有效更经济的调整系统。

2.需求响应支持。需求响应支持使发电机和负荷能够实现自动化方式的实时互动，协调需求从而拉平峰谷。通过提供给用户充足的信息，并以经济手段引导用户，可以减少发生在负荷高峰时的需求，从而有利于减少后备发电机的费用、延长设备寿命。同时，用户可更多的利用低优先级的设备，使他们只在电价最便宜的时候使用能源。

3.分布式供电。亦即分散化的发电模式。分布式发电允许用户就近发电，而且是采用他们所能够找到的任何方式来进行发电。用户可以控制自己的电源，从而使得他们能够在一定程度上独立于电网。传统电网被设计成由发电厂向用户的单向潮流流动，但是如果因分布式发电而使局部的子网生产了多余的电量，那么将可能会影响可靠性的问题，而智能电网就能够管理这些电量。

4.完备的电价信息。在许多西方国家，包括比利时、荷兰和英国，电力公共事业单位已经为家庭安装具有不同电价的电表，用以区分他们在晚间和周末时使用的电力，此时的工业负荷是非常低的，电价较为便宜。这一想法将在智能电网中被深化，通过使用先进的传感器和交易系统，在智能电网中电价将实现秒计的变化，而电力设备能够给出实时响应。此外，用户个人的喜好（例如只喜欢用绿色能源）也将被考虑进交易系统。

智能电网的关键技术

构建智能电网涉及计量技术、通信技术、信息处理、数学建模等诸多方面，需要在现有电网的基础上进行诸多研究，对于目前已采用的一些技术则需要进一步发展。此外，智能电网中许多关键技术已经在其他领域中使用，例如制造业和电信业，这些技术也需要引入到现在的电网中。

1.整合的通信技术。电力系统的通信技术日新月异，但并没有能相互协调形成一体化的通信系统。同时，在系统内大多数情况下，数据是经由调制解调器来搜集，而非直接的网络连接。这些都将使得信息传递的速度变慢，准确性降低。在智能电网中，需要整合的通信技术，通过该技术构建的通信系统，将可实现实时控制和信息数据交互，从而可以以之为基础优化系统的稳定性、资产利用率和安全性。在此方面亟待改进的领域包括：变电站自动化、需求侧相应、配电自动化、监控技术和SCADA、能量管理系统、无线mesh网络、电力线载波通信和光纤通信等。

2.传感与测量技术。在智能电网中，传感与测量技术的核心任务是评价电力拥塞和电网稳定性，监测设备状态、防窃电以及对控制策略提供支持。在此方面的主要技术包括：先进的微处理器仪表（例如：智能仪表）、自动化抄表设备、广域监测系统、电磁特征信号测量与分析系统、实时定价工具、背向电台技术以及数字继电保护等。

其中，智能仪表具有重要意义。智能化的数字式仪表能够实时地记录电力使用情况，为系统提供从电厂到用户电源插座，以及其他智能电网设备之间的通信路径。通过该路径，可以完全掌握系统的运行情况，从而实现对全网各设备的灵活调度。

3.先进的一次设备。智能电网需要由诸多先进的一次设备构成，它们涉及超导技术、容错技术、存储技术、电力电子技术、诊断组件技术等。具体来说主要包括：灵活交流输电系统设备、高压直流输电、第一代和第二代超导线、高温超导电缆、分布式能源发电与存储设备、复合导体以及智能家电等。

4.先进的控制技术。智能电网的运行比现有电网复杂得多，因此，必须研究与之适应的控制技术。这些技术主要分为三个方面：分布式智能管理，主要涉及系统总体和局部的控制；分析工具，包括计算算法和软件实现两个部分，为系统控制提供支持；运行应用，主要是将控制决策施加于系统，要求系统中有足够多的可控环节，涉及SCADA、变电站自动化，以及需求侧响应等。

5.更为友好和便捷的人机交互。在智能电网中需要进一步提高人机交互的效率，使得操作员和管理者能够对越来越复杂的电网进行有效的管理。

6.标准与团体。智能电网的实现需要有相关标准的支持，在这方面，IECTC57已经创建了一个国际标准族，可以作为智能电网标准的一部分。

对河南电网的影响

由我国智能电网建设的战略方向和欧美智能电网发展的特点可以看出，我国智能电网建设与输电网调度有非常大的关系。

我国的智能电网建设的重点之一是输电网的智能化，因此对输电网调度的智能化、高级化、精确化的要求进一步提高。从河南省网的建设和运行情况来看，我们应进一步加强大电网运行控制的能力，建设以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的国际领先的坚强电网。在这过程中应对智能电网所涉及的有关输电系统的功能、特征和技术予以更多的关注，特别是智能仪表、通信系统和控制系统。同时，从长远考虑，也应对配网相关的智能电网技术予以关注和应用，以使得全系统能够协调发展，最终完全实现智能电网的建设。