智能电网研究现状

苏才普

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

当前，节能减排、绿色能源、可持续发展成为各国关注的焦剧。人类能源发展面临的第一挑战，是以可再生能源逐步替代化石能源，建造能源使用的创新体系，以信息技术彻底改造现有的能源利用体系，最大限度地开发电网体系的能源效率。因此期望通过一个数字化信息网络系统将能源资源开发、输送、存储、转换(发电)、输电、配电、供电、售电、服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其他用能设施连接在一起，通过智能化控制实现精确供能、对应供能、互助供能和互补供能，将能源利用效率和能源供应安全提高到全新的水平，将污染与温室气体排放降低到环境可以接受的程度，使用户成本和投资效益达到一种合理的状态，即智能电网的思想。针对智能电网技术，美国和欧洲已经形成强大的研究群体，研究内容覆盖发电、输电、配电和售电等环节，许多电力企业也在如火如荼地开展智能电网建设实践，通过技术与具体业务的有效结合，使智能电网建设在企业生产经营过程中切实发挥作用，最终达到提高运营绩效的目的。随着我国特高压电网的建设和电力体制改革的不断深化，智能电网也将成为我国电网发展的一个新方向。在宏观政策层面，电力行业需要满足建设资源节约型和环境友好型社会的要求;在市场化改革层面，电能交易手段与定价方式正在改变，市场供需双方的互动将越来越频繁，电网必须能够灵活地支持各种电能交易。本文将综述智能电网的概念以及国内外研究现状，结合我国能源分布及电网特点，分析我国发展智能电网的条件和需要解决的关键技术问题。

2 智能电网的发展历程

2005年，一位名叫马克·坎贝尔的加拿大人发明了一种无线控制器，这种控制器与大楼的各个电器相连，让大楼里的电器互相协调，减少了大楼在用电高峰期的用电量。欧美各国对智能电网的研究开展较早，且已经形成强大的研究群体，由于各国的具体情况不同，其智能电网的建设动因和关注点也存在差异。我国电力行业紧密跟踪欧美发达国家电网智能化的发展趋势，着力技术创新，研究与实践并举，在智能电网发展模式、理念和基础理论、技术体系以及智能设备等方面开展了大量卓有成效的研究和探索。2009年5月，在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司正式发布了“坚强智能电网”发展战略。2009年8月，国家电网公司启动了智能化规划编制、标准体系研究与制定、研究检测中心建设、重大专项研究和试点工程等一系列工作。在2010年3月召开的全国“两会”上，温家宝总理在《政府工作报告》中强调:“大力发展低碳经济，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网建设”。这标志着智能电网建设已成为国家的基本发展战略。

3 国内外智能电网的发展现状

3.1 国外智能电网现状

欧美各国对智能电网的研究开展较早，且已经形成强大的研究群体，由于各国的具体情况不同，其智能电网的建设动因和关注点也存在差异。

2001年意大利的电力公司就安装和改造了3000万台智能电表，建立起了智能化计量网络，欧洲其他国家也将智能网络作为一项革命进行推广。2006年欧盟理事会的能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》(A European Strategy for Sustainable，Competitive and Secure Energy)明确强调欧洲已经进入一个新能源时代，而智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。其他国家也纷纷启动智能电网相关研究和建设规划。日本政府计划在与电力公司协商后，于2010年开始在孤岛进行大规模的构建智能电网试验;韩国计划在2011年前建立一个“智能电网”综合性试点项目，届时能提高该国环保能源的能力;澳大利亚政府在最新的预算案中已划拨1亿澳元用于智能电网建设。

德国人在加速新能源的应用范围，最好令其无空不入。他们的新计划是，在每个家庭的房顶上，都装上太阳能发电装置，再在庭院里建一个小型风能发电站，用它们来满足每个家庭对电和热的全部需求。一张无所不能的智能电网正在铺开。这张网建立起来之后，新能源的利用率几乎可以达到100%。这才是真正的能源革命。

美国发展智能电网重点在配电和用电侧，推动可再生能源发展，注重商业模式的创新和用户服务的提升。2006年，美国IBM公司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。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。2009年2月，IBM与地中海岛国马耳他签署协议——双方将建立一个“智能公用系统”，以实现该国电网和供水系统的数字化，其中包括在电网中建立一个传感器网络。IBM将提供搜集分析数据的软件，帮助电厂发现机会，降低成本以及碳的排放量。

3.2 国内智能电网现状

随着我国经济的快速发展，对电力的需求日益增强，而国内能源结构不合理、能源分布不均衡严重制约电力行业的发展。特高压电网解决了远距离、大容量输电问题，在一定程度上解决了能源输送问题，但“重电源轻电网”导致供电可靠性较低，同时网架结构薄弱则限制了新能源有效利用。2007年10月，华东电网正式启动了以提升大电网安全稳定运行能力为目的的智能互动电网可行性研究项目。2008年4月，在前期智能电网研究成果的基础上，华东电网启动高级调度中心项目群建设，该项目是智能电网建设蓝图“三步走”的第一阶段“巩固提升”的重点内容。2009年5月21日，在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司正式宣布将建设“坚强的智能电网”，并公布了规划试点、全面建设、引领提升三阶段的建设方案。

4 智能电网的原动力和主要特征

智能电网的原动力对智能电网的实现起着至关重要的作用。其中可以归纳为以下四个方面:

(1)实现大系统稳定安全运行，避免大规模停电的风险，提高设备使用率。近年来全世界大规模停电的案例频发。以2005年莫斯科南部、西南和东南市区发生的大面积停电事故为例，大停电使莫斯科电网321座变电站全停，损失负荷3539.5MW，莫斯科市约有一半地区的工业生产、商业活动和交通运输陷入瘫痪。一天之后才完全恢复正常供电。一般观点认为提高系统的全局可视化程度和预警能力，与使用较好的、灵巧的和快速的控制是增强电网的可靠性和避免系统崩溃的关键。

(2)分布式电源的大量介入和充分应用。随着新能源的不断发展，同时基于环境保护、节能减排和可持续性发展的要求，人类更加深入地研究和利用洁净能源，各国家已经把可再生能源的实施提升为国家战略高度。分布式发电是靠近它服务负荷的小规模电力发电技术，它能够降低成本、提高可靠性，减少排放量和扩大能源选择。风能和太阳能在地理上是天然分布的，所以次两类发电技术受到广泛重视。当大量的分布式电源集成到大电网中时，多数是直接接入各级配电网。此时电网自上而下都成了支路上潮流可能双向流动的电力交换系统，从而提出了如何处理数以万计的分布式电源和应对其发电的间歇性，以确保电网的可靠性和人身与设备安全的问题。

(3)峰荷问题和需求侧管理。现阶段还没有经济有效的大容量储存电能地手段。电的发生和消费必须保持平衡，而电力变化是随着时间变化的。例如夏天，商业区、住宅空调使用率的提高会让点需求量大幅提高。为满足供求平衡，电力设施必须根据全年的峰荷来规划和制造。由于系统处于峰负荷附近的时间每年很短，所以电力资产利用率低下。解决办法是缩小负荷曲线峰谷差，而现实系统中存在着大量能与电网友好合作的可平移负荷，其比重超过运行储备。因此，高级配电市场的开发就迫在眉睫。通过电力公司与终端的互动，实现更具有弹性的负荷需求特性，优化资产管理和利用，同时为用户提供多种选择性。消费者不仅可以从中获利，而且感到舒适方便。

(4)对电网各种约束日益严格(提高可靠性、提高电能质量、节能降损和环保)。近20年来，通信和信息技术得到了长足的发展，数字化技术在各行各业的应用日益普及。它对电网的供电可靠性和电能质量提出了很高的要求。然而，目前的电网不仅满足不了数字化社会的需要;同时，它在数字化技术的自身应用方面也相对落后，特别是在配电网方面，尽管技术的进步已经使得对电力系统的实时监控和资产管理进一步扩展到配电网络日益经济可行。

综上所述，需要把目前的电网加以转换，使其成为能够适应上诉要求的电气系统，即智能电网。除了上面阐述的四个原动力方面，尤其要注意的是:由于技术涉猎广泛，智能电网的一个关键目标是要催生新的技术和商业模式，为经济和科技发展提供新的支撑点，实现产业革命。智能电网的一个关键目标是要像十年前兴起的国际互联网络一样催生新的技术和商业模式，实现产业革命。网络领袖思科预言，智能电网比国际互联网络拥有更大的市场空间。

图1 智能电网特征图

5 智能电网关键技术

5.1 坚强而灵活的网络拓扑坚强、灵活的电网结构是未来智能电网的基础

我国能源分布与生产力布局很不平衡，无论从当前还是从长远看，要满足经济社会发展对电力的需求，必须走远距离、大规模输电和大范围资源优化配置的道路。特高压输电能够提高输送容量、减少输电损耗、增加经济输电距离，在节约线路走廊占地、节省工程投资、保护生态环境等方面也具有明显优势。因此，发展特高压电网，构建电力“高速公路”，成为必然的选择。如何进一步优化特高压和各级电网规划，做好特高压交流系统与直流系统的衔接、特高压电网与各级电网的衔接，促进各电压等级电网协调发展、送端电网和受端电网协调发展、城市电网与农村电网协调发展、一次系统和二次系统协调发展，成为需要解决的关键问题。随着电网规模的扩大，互联大电网的形成，电网的安全稳定性与脆弱性问题越来越突出，对主网架结构的规划设计要求相应地提高。只有灵活的电网结构才能应对冰灾、战争等突发灾害性事件对电网安全的影响。

5.2 开放、标准、集成的通信系统

智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力:既包括识别故障早期征兆的预测能力，也包括对已经发生的扰动做出响应的能力。智能电网也需要不断整合和集成企业资产管理和电网生产运行管理平台，从而为电网规划、建设、运行管理提供全方位的信息服务。因此，宽带通信网，包括电缆、光纤、电力线载波和无线通信，将在智能电网中扮演重要角色。这也是GridWise和IntelliGrid项目的重要研究内容。智能电网的发展对网络安全提出了更高的要求，这一问题需要格外注意。目前美国EP砧的合作伙伴Power-Wec、EEl、NERC以及爱达荷州实验室正致力于信息安全问题的研究。

5.3 高级计量体系和需求侧管理

电网的智能化需要电力供应机构精确得知用户的用电规律，从而对需求和供应有一个更好的平衡。目前我国的电表只是达到了自动读取，是单方面的交流，不是双方的、互动的交流。由智能电表以及连接它们的通信系统组成的先进计量系统能够实现对诸如远程监测、分时电价和用户侧管理等的更快和准确的系统响应。将来随着技术的发展，智能电表还可能作为互联网路由器，推动电力部门以其终端用户为基础，进行通信、运行宽带业务或传播电视信号的整合。这里涉及到用户门户(customer－portal)技术，作为美国Intelligrid项目的重要研究内容之一，该项研究致力于设计与目前用户使用的提供“非能源服务”的协议相连接的接口。

图2 智能电网需求侧设备支持图

5.4 高级电力电子设备

电力电子技术在发电、输电、配电和用电的全过程均发挥着重要作用。现代电力系统应用的电力电子装置几乎全部使用了全控型大功率电力电子器件、各种新型的高性能多电平大功率变流器拓扑和DSP全数字控制技术。目前我国在电力电子技术领域与国外的主要差距是:国内不能制造全控电力电子器件;大功率变流器制造技术水平较低，装置可靠性差;电力电子全数字控制技术水平还处于初级阶段;应用系统控制技术和系统控制软件水平较低;缺乏重大工程经验积累等。

5.5 可再生能源和分布式能源接入

在发展智能电网时，如何安全、可靠地接入各种可再生能源电源和分布式能源电源也是面临的一大挑战。分布式能源包括分布式发电和分布式储能，在许多国家都得到了迅速发展。分布式发电技术包括:微型燃气轮机技术、燃料电池技术、太阳能光伏发电技术、风力发电技术、生物质能发电技术、海洋能发电技术、地热发电技术等。分布式储能装置包括蓄电池储能、超导储能和飞轮储能等。风能、太阳能等可再生能源在地理位置上分布不均匀，并且易受天气影响，发电机的可调节能力比较弱，需要有一个网架坚强、备用充足的电网支撑其稳定运行。随着电网接入风电量的增加，风电厂规划与运行研究对风电场动态模型的精度和计算速度提出了更高的要求。在过去的十几年中，燃料电池技术发展非常快，但要使燃料电池成为一种可靠的能源，还需要解决很多问题。风能和太阳能作为分布式能源的重要组成部分，都具有波动性和间歇性的特点，对可靠供电造成冲击。通过改进天气预报的准确性，可以更加准确地预测分布式发电的变化情况，通过合理调度减小其波动对电网的影响。

6 结语

本文通过对智能电网有关的大量文献综述，阐述了智能电网的历史、核心思想、功能特征等内容，介绍了几个国家建设智能电网的情况，文章的最后还给出了关于智能电网技术的一些关键点。随着智能电网的建设，电力系统必将实现数字化、信息化、自动化和智能化，并将最终实现安全、可靠、优质、高效运行和节能、环保、可持续发展目标。

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