面向21世纪的智能电网

2020-04-28余贻鑫

天津大学学报(自然科学与工程技术版) 2020年6期

余贻鑫

面向21世纪的智能电网

余贻鑫1, 2

(1. 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072；2. 天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072)

智能电网(smart grid)将像互联网那样改变人们的生活和工作方式，并激励类似的变革．厘清智能电网的基本理念，对于科学地实施智能电网至关重要，这些理念已在笔者新近出版的《智能电网基本理念和关键技术》一书的第一篇中做了系统性的叙述. 为读者能够花费尽可能少的时间了解核心理念，笔者在该书的前言基础上略做加工形成此文．这些理念包括：建设美丽中国需要高比例可再生的风能和太阳能发电；可再生能源应用的主流形式是分布式的，它在配电和发电领域中的影响具有颠覆性；智能电网的本质特征和总体设想；群集理念和智能分布式体系；智能电网的效益、挑战和研发(R&D)机遇；互联网与智能电网理念之间的关系等．

高比例可再生能源发电；分布式电源；智能电网特征和总体设想；群集理念和智能分布式体系；效益、挑战和研发(R&D)机遇；互联网与智能电网

1 建设美丽中国需要高比例可再生的风能和太阳能发电

生态文明和社会可持续发展要求人类社会关注并实施清洁替代和电能替代，以应对气候变化和环境保护的需要，有效缓解化石能源资源紧缺和能源需求日益增长的矛盾．未来的能源构成将由现在的以化石能源为主、可再生能源为辅转变为以可再生能源为主、化石能源为辅．到2050年非化石能源要大于50%，其中可再生能源要大于40%，即未来必然是发展高比例可再生能源发电．我国现有的风能和太阳能资源完全可以满足这一高比例可再生能源发电的发展要求——无论是西部地区还是东部地区，而且在我国电力负荷中心所处的中东部拥有足够的风光发电布置空间．但是风力发电和太阳能光伏发电与传统的化石能源发电全然不同，它们是间歇的、多变的和不确定的，不能单独运行，需要采用调峰和功率平滑措施，其中包括：大电网吸纳、灵活电源、需求响应、分布式储能、小型燃油燃气发电、综合能源系统等．为此，需要一个功能合理的现代电网来集成高比例的太阳能和风能，并提高能源脱碳、转化与利用过程的效率，这个电网就是智能电网(smart grid)[1]．

这样的智能电网除去可以帮助人类实现脱碳目标之外，也将提高电网的韧性(resilience)以减轻地球上日益增多的极端天气所带来的供电风险．

2 可再生能源应用的主流形式是分布式的，它在配电和发电领域中的影响具有颠覆性

本文中所定义的分布式电源(distributed energy resources)是指直接接入各级配电网的电源(distribution-connected energy resources)，在下文中统一用DERs表示，属于就地(终端)开发与利用能源的范畴．对于可再生能源的应用，是采用在负荷中心地区广泛地发展分布式的(接于配电网的)风能和太阳能光伏发电系统的“就地开发与消纳”模式，还是采用在远离负荷中心地区建设大规模的风电和光伏基地并将其电能外送到负荷中心的“远距离输送”模式，会直接影响高比例可再生能源实现的美好愿景．20世纪20—50年代提出并延续至今的互联电力系统(interconnected power system)具有互联、开放、对等(能量自治单元之间的对等互联)和共享(以分散式的局部最优实现全局能量管理的调度优化)的特性，这些特性与后来提出的互联网的基本特性是一致的．天津大学从互联电力系统的规范出发，对风能和太阳能光伏发电的应用如前述的两种模式所进行的研究表明[1-2]，“解决风能和太阳能发电间歇性、多变性和不确定性问题的最好方式是就地(终端)开发与消纳”：①就地开发与消纳模式同远距离输送模式相比，其向负荷中心供电的全社会成本具有明显优势，而可靠性成本、受端系统过网费和网损成本是使得两种开发模式供电成本存在差距的主要原因，其中可靠性成本是最核心要素．进而，伴随着风光设备成本的持续快速下降，就地开发与消纳模式的供电成本优势还将更加显著．②在以燃煤火电为主要调节容量的情况下，采用就地开发与消纳模式时，负荷中心所能实现的风能和太阳能光伏发电渗透率最高，且在该模式下，通过采取多种改善措施，风电和光伏发电电量渗透率可实现2050年的远景目标．

DERs包括安装在客户端“电表两侧”的发电和储能设备.涉及到的诸如可再生能源、热电联产(combined heat and power generation，CHP)、固定电池储能和带有双向转换器的电动汽车等广泛的技术范围．DERs系统可用于本地发电/存储，可以参与容量和辅助服务市场，可以汇集成虚拟发电厂．由智能逆变器等互连设备实现的可与电网互动的高级DERs功能正在越来越多地被用来确保电能质量和电网稳定性，同时满足配电系统的安全要求．高级DERs功能还能够实现新的电网架构，其中包含“微电网”——当电力中断时，可以与电网分离，并可与电网运行合作以形成更具适应性的韧性电力系统．

除了分布式的发电和储能之外，鼓励用户参与需求响应(demand response，DR)和基于协议的负荷控制也是实现电力供需平衡的有效方法．需求响应的定义是：“在正常耗电模式下，用户用电功率能够随着电价的变化而变化，或者当电力零售市场电价过高或系统可靠性受到损害时，能够促使用户减少用电．”生态文明意识的提升，使电力公司积极寻求不同于传统的方式来满足供需平衡，从而减少昂贵的基础设施投资或减少向大系统注入变化大和不确定性的潮流．居民负荷、商业负荷和高耗能产业中均含有较大比例的可平移负荷，它们可以与电网友好合作，支持削峰填谷与事故情况下的减负荷，帮助系统实现近乎瞬时的功率平衡．

现代交通在能源消费结构中占比很高，仅次于电力，对其实现电能替代和电能高效利用，可以有效缓解化石能源资源紧缺的局面和改善环境．到2050年实现美丽中国的目标要求电动汽车比例达到80%以上，其电能的总消费量和总存储量都十分巨大，可在用电低谷(电价便宜)时充电，并在白天最需要(电价贵)的时候将电输回电网，所以电动汽车也将成为需求响应的重要部分，应该且可以与大规模发展的分布式可再生能源发电协同发展．

供电侧与需求侧的不确定性共同构成了未来电网运行所面临的最大挑战．大量分布式可再生能源和用户侧能量管理系统的接入提高了电力系统终端(如配电网、微电网、工厂、建筑和家庭)的供需不确定性．解决该问题的关键在于实现不确定性的就地(终端)解决，未来电网必须将责任分摊到终端承担．

大量的DERs接入到电网后，使得配电网自上而下都成为了线路潮流可能双向流动的电力交换系统[3]．然而，现时的配电网络是按单向潮流设计的，不具备有效集成大量DERs的技术潜能，即现有电网难以接纳高比例的分布式可再生能源．因此，“如何处理数以百万计的广泛分布的DERs和应对可再生风能和太阳能发电的间歇性、多变性和不确定性，同时确保电网的安全性、可靠性和人身与设备安全，并激励市场”就成为未来电网需要解决的问题．这一任务将由智能电网来完成．

从电网的角度看，智能电网的原动力至少包含下述4个方面[4]：提高系统(以抵御事故扰动为目的)的安全稳定运行水平，降低大规模停电的风险和增强灾难性事件后快速恢复供电的能力；DERs的大量接入和充分利用；高级市场化和需求侧管理；数字化社会对电网的供电可靠性、电能质量和能源效率的高要求.

“DERs＋智能电网”更加关注本地控制和减少对外依赖，是“颠覆性”的改变，其对日常生活、社会和经济发展存在潜在的巨大影响．

3 智能电网的本质特征和总体设想

智能电网最本质的特点是电力和信息的双向流动性，并由此建立起一个高度自动化和广泛分布的能量交换网络；把分布式计算和通信的优势引入电网，达到信息实时交换和设备层次上近乎瞬时的供需平衡[3]．

智能电网的总体设想是智能化、高效、包容、激励、机遇、重视质量、抗灾能力(韧性)强和环保等．

智能电网是一个推动者，一个良好设计的智能电网应该有如下基本功能．

1)便于更广泛地参与

(1)能够激励/包括电力用户：向用户提供充分的实时(或分时)电价信息，有许多方案和电价可供用户选择；

(2)能够容易和透明地接受任何种类的能源；

(3)以大量“即插即用”的分布式电源补充集中式发电，从而创造新的机遇和市场。

2)提高效率

(1)末端用户可以积极参与成熟、健壮、很好集成的趸售市场；

(2)提高电能质量，有各种各样的质量/价格方案可供选择；

(3)优化资产利用和高效运行．

3)提高可靠性和韧性

(1)自愈：发生故障时系统可自愈，减少停电影响；

(2)抵御攻击：遇到恐怖攻击或自然灾害时具有快速恢复供电的能力等．

微处理器大规模应用之前创建的集中规划和控制的电力基础设施，在很大程度上限制了电网的灵活性，降低了效率，致使电网在可靠性、安全性和韧性等几个关键方面承担着风险．由于未来电网将接入数量巨大的DERs，并且其出力难以精确预测，传统的集中控制模式更加难以适用．所以，智能电网特别是智能配电网将是分布式智能的基础设施．配电网络的拓扑应该是灵活的、可重构的；进而，电所及之处均有可靠的双向通信，从底层的传感器和智能代理开始能源网和信息通信网将高度融合．

高级量测体系(advanced metering infrastructure，AMI)完善了电力通信的最后一公里，为电力公司提供了前所未有的系统范围的量测和可观性，其实施能够帮助电力公司获取史无前例的超大数量的数据[5].这些数据可用于评估设备运行状况、优化资产利用和延长设备寿命、优化运维费用、改进电网规划、识别电能质量问题、探测及减少窃电行为等众多方面．使用柔性交直流输配电装置和智能电力电子装置的高级配电自动化(advanced distribution automation，ADA)将创造未来的智能配电网．ADA是革命，而不只是传统配电自动化的扩展．在全球范围内的智能电网实施方案中，AMI和ADA是公认的重要的基础性功能模块．

一个称作“智能”的电网，在配电网中使用的信息技术会和在输电网运行时使用的信息技术一样多.实质上，任何智能电网的命脉都是用以驱动应用的数据和信息，而这些应用又反过来促使开发新的和改进的运营策略成为可能．从电力系统任一领域，诸如电力用户、电力市场、服务提供商、运行、发电、输电和配电，所收集到的数据都可能同其他领域的改善相关.所以以适时的方式与那些需要使用或有权了解数据的参与者实时共享数据，是智能电网的基本要素.

设想中的智能电网将像互联网那样改变人们的工作和生活方式，并激励相似的变革．但是由于智能电网自身的复杂性，涉及到广泛的利益相关者，因此需要漫长的过渡、持续的研发和多种技术的长期共存．短期内可着眼于实现一个比较智能的电网，利用已有或即将配置的技术使目前的电网更加有效，在提供优质电力的同时，并可创造更大的社会效益(如改善环境)[6]．

智能电网的相关技术可以分为智能电网技术、智能电网可带动的技术和为智能电网创建平台的技术3类，内容非常广泛．智能电网将应用工业界最好的技术和理念以加速其实现，如开放式体系结构、共同的技术标准、即插即用技术、互联网协议、非专用化和互操作性等．实际上，有些技术已在电网中得到应用，但只有在体现智能电网的双向数字通信能力和即插即用能力时，其潜能才会充分迸发出来．

为激励智能电网方面的内容创新，亟需建立一个健康的、成熟的和集成的电力市场，包括：实施分时或实时电价，使电能作为商品的市场价值得到合理体现；制定鼓励DERs卖电回电网的政策，诸如分布式清洁能源的上网电价政策等，以及制定保证智能电网投资成本回收的政策等[6]．

4 群集理念和智能分布式体系

小概率事件所造成的损失可能非常巨大，单纯的-1和-2安全性校验是不足的，人们需要改变思考系统问题时一些传统的观念．智能电网会成为更鲁棒的自治和自适应的基础设施，能够对元件故障、军事威胁、恐怖袭击、自然灾害等扰动做出自愈响应，从而大大提高电网的供电可靠性、安全性和韧性．从这个角度看，智能电网的实施是十分紧迫的，而与大电网无缝联结的智能微电网是完美的．大量技术的、成本的和社会的因素正汇集在一起，使得微电网几乎必然会成为电力基础设施中最大的变革.微电网可以看作是电力公司对互联用户作用的扩展，在此互联的过程中存在可以创造迥异的未来配电系统的机会．

Rifkin[7]所提倡的能源互联网构想是，让用户在办公室、家庭或工厂自行利用可再生能源进行发电，并能够彼此共享所发出的电能；电动汽车与本地储能设备将会得到更广泛的应用．互联网技术的加入将把电网转变为一种能源可以互相共享的互联网．

为了抓住未来的机遇，Wu等[8]已提出了如下的设想：未来的配电网、微电网、建筑单元(工厂和住宅等)与输电系统的差异将逐步消失，具有本地发电和双向电力潮流的特点，都将配有能量管理系统(energy management system，EMS)并按照“群集”理念实现各自近实时的功率平衡，即输电系统(互联电力系统)是若干个功率平衡区(即区域性输电网)互联起来的群集(clusters)，每个功率平衡区是一个群(cluster)；每个区域性输电网是若干个配电网互联起来的群集，每个配电网是若干个微电网、建筑单元组成的群集，每个微电网又可以是由若干个建筑单元互联起来的群集；每个群集属于整个电网体系结构中的一层(layer)，每个层级都具有中心辐射型层间通信和(必要时的)对等通信，在运行过程中，通过调度协调各群间的功率交换计划，每一个“群”必须维持其内部净功率的平衡并履行与外部功率交换的职责，以维持整个群集，乃至整个电网近实时的功率平衡．与功率平衡区相似，每个群都有发电和/或负荷以及智能控制和通信．群的基本功能也包括如下3个步骤：①进行发电/负荷调度(dispatch)，以维持净功率平衡和群内的自身优化；②当地的反馈控制，用于平滑波动；③通过削减发电机/负荷来缓解故障．这一构想被称为GRIP(grid with intelligent periphery)构想．

智能电网的配电部分是智能配电网，它是主动配电网与微电网的并集．主动配电网中虽然也有DERs，但是它还没有能力像微电网那样成为功率平衡区，它还需要由其所接入的上一级(层)电网(或上一级电网所属)的功率平衡区来支持配电网内功率的近实时的平衡.按照GRIP的构想，它们与输电网之间的差别未来会逐渐消失.

第三次工业革命期望建立的能源互联网(智能电网)中，可再生能源的分布式特性(集成高比例分布式可再生能源)需要的是协作，而不是集中或分级的命令和控制机制[8]．协作行为将导致更加分散地共享所产生的利益．通力合作，追求共同利益是实现经济可持续发展的最佳途径．群集共同工作可以确保最大化和最高效地利用可再生能源．追求共同利益是经济可持续发展的最佳路径．因而，群的自身优化(selfish optimization)、层内各群协调和层间协调是智能电网体系结构中最为重要的原则．

5 智能电网的效益、挑战和研发(R&D)机遇

实施智能电网发展战略不仅使用户能够获得高可靠性、高安全性、高效率、高质量和价格合理的电力供应，而且能提高国家的能源安全水平，并且改善环境，推动能源可持续发展，同时激励市场不断创新，从而提高国家的国际经济竞争力．智能电网关键是利用各种技术、资源和市场机制以实现高效．智能电网的预期效益是明显的，这些效益包括：供电的可靠性、韧性、安全性和电能质量提高方面的收益；电力设备、人身和赛博(信息)安全方面的收益；能源使用效率收益；环境保护和可持续发展的收益以及直接经济(容量、燃料和运维成本)效益．而从广义层面来看，由于技术涉猎广泛，智能电网的关键目标是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，智能电网比互联网拥有大得多的市场空间[9-10].

智能电网是不断发展的，需要进行持续的研究以预测不断变化的需求，评估相应的成本和收益．在实施智能电网时，需要时刻考虑所做的工作是否适用于市场？是否能够获得高效运行？是否可实现资产优化？是否可激励用户参与？电力公司和监管机构应持续向消费者证明：智能电网的效益最终一定会超过其投入的成本．因此，在智能电网实施过程中，必须坚持“创新驱动发展”的战略，需要获得大量的知识产权、降低成本并提高效益．

智能电网面临的挑战也是极其广泛的，涉及许多技术、体制及社会问题，电网变迁的过程将改变整个行业的业务模型[11]．智能电网不仅涉及到广泛的利益相关者，其组织、研发和实施也很复杂，需要人们变传统的电网理念．在智能电网发展的各个阶段，从基础科学和工程技术的研究到开发、示范和运行都会出现障碍．指出其中关键性的障碍，可以帮助人们明确如何才能最大限度地发挥其潜能，从而尽可能地为国家提供广泛的社会和经济效益．当然，与这些挑战并存的是前所未有的研发机遇．

互操作性和赛博安全标准是实现智能电网效益以及管理整体成本的关键要素——支持标准的基础设施才能实现效益．标准的缺乏，将使各种智能电网技术在应用中缺乏安全保障，令其投资存在风险，可能阻碍其广阔的应用及未来的技术创新，并且难以形成竞争的市场环境．

智能电网的实施需要强化监管．监管路径是从如图1所示的能源政策的一般目标三角形开始的，该三角形[12]所显示的是能源供应系统变革的3种重要原动力，这些原动力是引导智能电网发展的主要影响因素，可据此设计实施智能电网的路线图．为了实现这些计划，需要在政府主导下，定义智能电网的角色和责任，定义未来的能源(包括可再生能源)供应和智能电网的长期发展目标，开放市场和明确信息共享．

图1 能源政策的一般目标三角形

总之，能源转型的规模十分巨大，需要很长的时间，往往可能持续几十年，特别是分布式可再生能源的开发与利用才刚刚起步，距离实现高比例还有相当长的路要走．所以适应分布式可再生能源消纳的、具有即插即用能力的智能电网的实施将会支持和伴随整个能源转型过程．

6 互联网与智能电网

Rifkin[7]所提倡的能源互联网与文献[1]所述的智能电网是一致的．事实上，20世纪前半叶所提出的互联电力系统在互联、开放、对等和共享这4个基本特征方面与1969年在美国军方开始的互联网是一致的．应该说智能电网是在互联电力系统的基础上，吸纳了互联网的成功经验和技术而形成的，其核心是将互联电力系统的群集理念由输电网下放到配电网、微电网、工厂和住宅中．

人们并未严格限定能源互联网一词的使用和含义，对于其技术内涵的理解更是各有千秋．近来，已将能源互联网的范围从电力扩大到热能、天然气以及其他能源形式，形成了所谓的多能源输送系统．期望在整体能源管理方面的创新能够进一步提高能源利用的整体效率．

［1］余贻鑫. 智能电网基本理念和关键技术[M]. 北京：科学出版社，2019.

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Yu Yixin，Liu Yanli. Challenging issues of smart grid[J]. Automation of Electric Power Systems，2015，39(2)：1-5(in Chinese).

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A Brief Description of the Basics of the Smart Grid

Yu Yixin1, 2

(1. School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Like the Internet，the smart grid(SG)will change the way people live and work，and inspire “similar” changes．It is vital to scientifically implement the SG to clarify its basic ideas．These ideas have been systematically introduced in the first part of our newly published book，“Basic Ideas and Key Technologies of the Smart Grid”. To summarize the core ideas of the SG，this article was based on the preface of the book．These ideas include：responding to “Beautiful China’s”needs for renewable wind and solar power；mainstreaming distributed renew-able energy applications，the impact of that on the fields of power distribution and power transmission is disruptive；essential characteris-tics and overall vision of the SG；the cluster concept and the distributed intelligent infrastructure of the SG；the benefits，challenges，and opportunities for research and development(R&D)of the SG；the relationship between the ideas of the Internet and those of the SG，etc．

high penetration of renewable energy generation；distributed energy resources；characteristics and overall vision of smart grid；clusters and distributed intelligent infrastructure；benefits，challenges and R&D opportunities；Internet and smart grid

余贻鑫，男，1936年生，中国工程院院士，天津大学教授，电力系统分析、规划与仿真专家．长期结合电力系统工程实际进行深入的电力系统稳定性理论研究，特别是在电力系统综合安全域的理论与方法方面，取得了系统性与原创性的成果，并在世界上首次把该成果用于实际电力大系统．在城市电网优化规划方面，提出了一系列有效的理论、模型与算法，开发出具有自主知识产权、功能完整和国内应用最为广泛的城市电网规划系统，达到国际先进水平，迄今为止已用于国内逾千个城市电网规划项目，取得了巨大的经济效益和社会效益，推动了这一技术领域工作的科学化．作为我国智能电网的首倡者与积极推动者，余贻鑫院士厘清了智能电网的基本理念，明确了我国建设智能电网的必要性和需要重点关注的挑战性问题，承担了多项中国工程院的智能电网相关咨询项目，举办了中国第一届智能电网论坛，对我国智能电网的科学发展和推进实施智能电网工程做出了重要贡献．近年来在国内又开拓了非侵入式电力负荷分解与监视技术这一新领域，并积极推进其在智能电网中的应用．先后获全国先进工作者、国家科技进步二等奖1项、国家技术发明二等奖1项、高校十大科技成果奖1项和省部级一等奖5项等．发表论文300余篇，出版《智能电网基本理念与关键技术》、《电力系统安全性与稳定性》等著作多部．