未来智能电网的发展与应用

2013-09-22毛西吟

电气技术 2013年12期

沈梁毛西吟白熊

（杭州市电力局，杭州 310009）

智能电网是当前电力工业的关注热点，也是电网的发展方向[1-2]。世界各国对智能电网有不同的定义，但都离不开信息化、自动化和自愈能力[3]。中科院电工所曾对智能电网有如下定义：智能电网是以包括各种发电设备、输配电网络、用电设备和储能设备的物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、网络技术、通信技术、计算技术、自动化与智能控制技术等与物理电网高度集成而形成的新型电网，它能够实现观测、控制自动化和系统综合优化平衡，从而使电力系统更加清洁、高效、安全、可靠。与中国强调物理设备的应用技术相比，欧美的智能电网更强调能源的双向流动使电力市场多元化，保证市场充分竞争，并和智能城市一起建设。这些差异主要由地区监管机制、遗留基础设施和经济发展重点不同而产生[4-8]。

总的来讲，智能电网能够优化电力供应，促进电网双向沟通，实现终端用户的能源管理，最大限度减少供电中断，并按需传输电量。如各种新能源发电技术、电动汽车与输配电网的集成，将带来常规电厂减负，用户侧用电成本下降，碳排放量减少。在设备技术层面，智能电网能监测、控制电网设备的状态，可自适应各种运行状态并在出现故障时实现自愈，并可将信息集成到电力公司的流程和系统中。这些实现依靠遍布于电网内的各类智能传感和控制设备，并利用智能信息采集和高级分析增强能源效率和可靠性。新一代电网将带来新的市场机会，非传统电力价值链的企业将对传统的电力设备技术企业发起挑战，专业智能电网服务公司会得到更多的市场份额。

1 智能电网的发展现状

目前有90个试点项目正在全球推进，同时，还有近90个项目正在筹建中。试点主要集中在北美、欧洲和澳大利亚。美国2012年在智能电网上的投资接近70亿美元，其第一座全集成智能电网城市博尔德也在建设中。英国投资 2.9亿美元给每个家庭安装“智能电表”，计划在2020年前完成。德国和西班牙政府都出台了相关政策，大力推动电动汽车的消费。澳大利亚在2009年通过新法案，规定到2020年澳大利亚20%电力必须来自可再生能源，并推行智能电网高级量测体系项目，引入分时电价。

此外韩国、日本和阿联酋在打造智能电网城市的进程中也处于前列。韩国和伊利诺伊智能电网合作，建设韩国第一个智能城市松岛。日本建设智能城市横滨，主要通过大量引入可再生能源与电动汽车，实施智能能源管理。阿联酋将建成全球首座“零碳城市”—马斯达尔城。这些项目成功后相关国家将向全球出口智能电网技术和解决方案。

中国、印度、巴西等发展中大国同样在加快提升电网的智能水平，尤其是中国，智能电网项目也非常活跃。每年投资近百亿加快智能基础设施建设，满足城镇化和经济增长要求，提高电力供应可靠性、电能质量以及电网恢复能力。

伴随着智能电网建设的推进，各种问题不断涌现。首先智能电网发展导致利益相关方不断增加，作为智能电网建设主体的电网公司需处理的关系日益复杂。其次由于智能电网信息化的要求，如何确保数据安全是各方参与者面临的一大难题。另外未来的立法方向不够明朗，电力市场监管方也未出台强有力的政策议程来激励。最后就是智能电网的真正价值和好处尚未得到充分验证，智能电网试点项目推进速度缓慢。

2 影响智能电网发展的因素

2.1 传统电网的局限

经济、社会的高速发展，电网呈现出日新月异的变化，使得电网复杂程度不断提高、电网数据范围和容量大规模增加，这需要电网管理者有更好的数据处理和分析能力。同时社会文明程度不断提高，人们越发青睐环境友好型能源与设备。小型风电机、电动汽车等设备会更多地被使用，用户与电网系统的互动增加，信息和能量也将双向流动。从长远看，传统电网将无法适应这些要求，这是驱动智能电网发展的动力之一。

2.2 城市化的契机

智能电网的建设需要资金和试验。具备一定规模的城市能够为智能电网项目提供额外筹资渠道，包括公共及私营部门的合作、未来可能出现的绿色债券市场，在公共和私营领域为可持续发展项目筹集资金。

另外，新规划的城市是一个理想的试验场所，可提供规模化测试的机会和一定规模的人力和服务设施，并且不会影响绝大多数的工业生产和居民用电。新城建设为测试智能电网解决方案提供了独特的机会，激发大量需要的智能电网创新。

2.3 公共政策的配合

随着人们对气候变化和低碳议程的关注度逐渐提高，不仅是政府部门需要转变，监管机构同样需要将政策目标转化为监管框架。同时，一些行业层面的举措需要实施，从而调整行业的标准，保证智能电网的可交互性、数据保密性和数据安全等。

政府部门应充分发挥在政策制定、促进国际交流、基础设施投资等方面的积极作用。通过赋予明确的行政权力来推动智能电网转型，为投资打下基础。如政府职能部门需要加快标准制定过程，改善可交互性，在已经实施这些标准的国家和地区，应将标准融入试点项目的设计中；监管机构需要建立与政策议程相配套的监管激励机制并制定合理的刺激措施，净化监管环境使其充分反映政策目标。在保护消费者利益、平衡各项政策目标的同时，鼓励价值链上的私营部门积极参与和创新。而作为试点执行机构的电力公司需选择合适的试点项目，并确保有效执行试点实施的各个环节。从企业层面看，有必要建立毕业生和实习生储备机制，重新培训现有工作人员。

2.4 试点项目的经验

成功的试点项目将会成为智能电网建设的强大推动力。如果试点项目能成功应对各个阶段的不同挑战，能顺利进入推广阶段，将大大推进智能电网主流化进程。

试点项目的生命周期包括：行业背景准备、范围界定、执行和经验传播等各个环节，如图1所示。

图1 试点项目生命周期示意图

成功的试点项目离不开良好的行业背景，因此，智能电网的推进需要政府赋予项目明确的行政权力，并创造有利的监管环境。行业内部也需要加快可交互性标准的推广，并联合开发可靠技术为数据保密和数据安全提供保障。

周密详尽的范围界定是智能电网试点成功的关键决定因素。范围界定工作包括：

1）明确范围和设计参数。

2）避免目标重叠。

3）把握开发新运行模式和商业模式的机会。

4）衡量试点广泛成果，完善未来监管合约内容。

5）打造多学科团队，明确职责和设计权限。

6）确立客户价值观。

试点项目在现场执行中可能遇到技术难点、流程障碍或地形差异等多重挑战，因此必须在执行阶段保持足够的灵活性和应变能力，以应对各项突如其来的挑战。根据实际业务情况和数据应用调整业务流程、系统功能、进行能力差距分析、积极交流变革经验。

早期试点成果已给智能电网实施的绩效和挑战带来重要的启发，这些信息和启发又对下一轮的试点设计和建设产生影响。

改进试点设计和执行的知识交流工作包括如下。

1）系统性地收集试点数据。

2）分享试点设计参数。

3）制定通用标准规范。

4）注重现场经验交流。

5）利用数据挖掘智能电网最大潜力。

6）与监管机构沟通并推进主流化。

3 未来智能电网的主要技术支撑和应用

在发展低碳经济和减少对石油依赖的背景下，世界能源发展和消费方式正发生着深刻变革，如分布式能源应用比例加大、电动汽车的重新兴起、用户与电网的互动等。这些变革是智能电网的重要驱动力，智能电网技术需支持这些新能源消费方式。

3.1 支持分布式能源的技术

分布式能源由于在发电成本、利用效率、清洁环保以及能源设施抵御攻击安全性方面的优势，正在逐步崛起。但随着分布式能源接入电网比例的增加，配电网的规划、运行面临着稳定性、电压调节、潮流管理和保护的适应性等挑战，智能电网技术必须寻求解决方案。

从实现分布式能源应用的可靠性、经济性、灵活性、可预测和可控性，以及电网与其他能源网络的协同规划和优化运行等方面，支持分布式能源的智能电网技术可分为分布式发电技术和支持分布式能源应用的技术两类。

发电技术主要包括风力发电、光伏发电、微型水力发电、生物质能发电、燃料电池等。

支持分布式能源应用的技术包括如下。

1）新型的配电网规划、运行技术，使其能适应分布能源的接入，适应双向潮流的电网运行和继电保护。

2）微气象数值预报、小型光伏发电、风力发电的预测技术，通过准确的预测保证电网调度安全。

3）与分布式发电协同的用户侧储能技术，起到削峰填谷的作用，减小电网波动。

4）微网技术，包括微网的体系结构设计技术、微网的能量管理技术、微网与配电网的协调运行控制技术

5）分布式能源参与需求响应、需求侧管理技术，分布式能源与电网互动技术包括：互动机制、信息系统集成，分布式能源和需求侧管理（DSM）的协调。

3.2 电动汽车

电动汽车具备减排、分布式储能功能，是智能电网聚焦的关键领域。

目前电动汽车有待突破重点在于电池技术，电池的寿命、续航能力、性价比和实用性是关键挑战。未来需深入规划、设计，从规范标准等方面考虑电网支持大规模插入式电动汽车充放电的解决方案。电动汽车充放电需信息集成的电动车调度系统，这套系统要配备电池管理系统BMS、电动汽车车载能量管理系统、充放电站监控系统、计费系统、电网控制中心EMS系统、电动汽车充放电站运营中心。目前对于电动汽车充放电技术的研究集中在有序充电（TC及V1G模式），未来有望在这方面有突破并得到应用。

TC模式：时间控制方式，电动汽车在给定的时刻开始充电。

V1G 模式：电动汽车与电网进行实时通信，可在电网允许时刻进行充电，电动汽车与电网的能量管理系统通信，并受控制，实现电动汽车与电网间充、放电。电动汽车可以作为移动电能存储设备、备用电源使用。

V1G模式需要安全充电技术和充电控制算法的支持。

未来将加快发展非接触电力传输充电装置，非接触式大功率充电系统的电源端主机通过隐藏在地下的发射天线和车里的接收天线在谐振的状态下充电，使电动汽车与充电装置之间无电线接触。

3.3 实现用户需求侧管理的智能电网技术

新型智能电网会带来更多的分布式电源，使传统的用电方不再永远耗电，也会在某些时候成为发电方。因此需要完善用户需求侧管理，使其更好地服务于智能电网技术。高级计量体系技术，通过双向计量、双向实时通信的基础设施进行用户负荷信息的采集和应用，并支持分布式电源和电动汽车参与需求响应；智能电能表技术，不仅能统计峰谷用电，还得采用分时电价和动态电价定价模型。

高级计量体系的建立是分布式能源、电动汽车和储能装置实现与电网互动的基础，应将高级计量体系的建设放在智能电网建设的优先位置。

总体上看，高级计量体系的技术是成熟的，具备实用性和大规模推广的条件，这也被欧美的智能电网实践所证明。但要实现用户需求侧管理的效益，灵活电价和需求侧管理的激励机制和政策框架的建立是关键。