智能電網(wǎng)的來(lái)歷、發(fā)展、意義

1 智能電網(wǎng)及其發(fā)展 1. 1 智能電網(wǎng)的定義

“智能電網(wǎng)”（Smart Grid） ，最早出自美國(guó)“未來(lái)能源聯(lián)盟智能電網(wǎng)工作組”在2003 年6 月份發(fā)表的報(bào)告。報(bào)告將智能電網(wǎng)定義為“集成了傳統(tǒng)的現(xiàn)代電力工程技術(shù)、高級(jí)傳感和監(jiān)視技術(shù)、信息與通信技術(shù)的輸配電系統(tǒng)，具有更加完善的性能并且能夠?yàn)橛脩?hù)提供一系列增值服務(wù)。”在此之后，陸續(xù)有一些文章、研究報(bào)告提出智能電網(wǎng)的定義;此外還有類(lèi)似的“Intelli Grid”、“Modern Grid（現(xiàn)代電網(wǎng)） ”的稱(chēng)謂。盡管這些定義、稱(chēng)謂在具體的說(shuō)法上有所不同，但其基本含義與以上給出的定義是一致的。

“智能”二字，很容易使人認(rèn)為智能電網(wǎng)是一個(gè)屬于二次系統(tǒng)自動(dòng)化范疇的概念。事實(shí)上，智能電網(wǎng)是未來(lái)先進(jìn)電網(wǎng)的代名詞，我們可從技術(shù)組成和功能特征兩方面來(lái)理解它的含義。

1） 從技術(shù)組成方面講，智能電網(wǎng)是集計(jì)算機(jī)、通信、信號(hào)傳感、自動(dòng)控制、電力電子、超導(dǎo)材料等領(lǐng)域新技術(shù)在輸配電系統(tǒng)中應(yīng)用的總和。這些新技術(shù)的應(yīng)用不是孤立的、單方面的，不是對(duì)傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單地改進(jìn)、提高，而是從提高電網(wǎng)整體性能、節(jié)省總體成本出發(fā)，將各種新技術(shù)與傳統(tǒng)的輸配電技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地融合，使電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及保護(hù)與運(yùn)行控制方式發(fā)生革命性的變化。

2） 從功能特征上講，智能電網(wǎng)在系統(tǒng)安全性、供電可靠性、電能質(zhì)量、運(yùn)行效率、資產(chǎn)管理等方面較傳統(tǒng)電網(wǎng)有著實(shí)質(zhì)性的提高;支持各種分布式發(fā)電與儲(chǔ)能設(shè)備的即插即用;支持與用戶(hù)之間的互動(dòng)。

1. 2 智能電網(wǎng)的發(fā)展

盡管智能電網(wǎng)的概念是在2003 年提出的，但智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展最早可追溯到20 世紀(jì)60 年代計(jì)算機(jī)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。20 世紀(jì)80 年代發(fā)展起來(lái)的柔性交流輸電（ FACTS） 與誕生于20 世紀(jì)90 年代的廣域相量測(cè)量（WAMS） 技術(shù)，也都屬于智能電網(wǎng)技術(shù)的范疇。進(jìn)入21 世紀(jì)，分布式電源（Dist ributed Elect rIC Resource ，DER ，包括分布式發(fā)電與儲(chǔ)能） 迅猛發(fā)展。人們對(duì)DER 并網(wǎng)帶來(lái)的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的關(guān)注，在一定程度上催生了智能電網(wǎng)。

近年來(lái)，國(guó)際上對(duì)智能電網(wǎng)的研究可謂方興末艾。2002 年，美國(guó)電科院創(chuàng)立了“Intelli Grid”聯(lián)盟（原名稱(chēng)為GEIDS） ，開(kāi)展現(xiàn)代智能電網(wǎng)的研究，已提出了用于電網(wǎng)數(shù)據(jù)與設(shè)備集成的Intelli2Grid 通信體系; 2003 年7 月， 美國(guó)能源部發(fā)表“Grid2030”報(bào)告，提出了美國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的遠(yuǎn)景設(shè)想，之后美國(guó)能源部先后資助了GridWise 、Grid2Works、MGI （現(xiàn)代電網(wǎng)） 等智能電網(wǎng)研究計(jì)劃。在實(shí)際應(yīng)用方面，德克薩斯州的CenterPoint 能源公司、圣狄戈水電公司（SDG & E） 等都在著手智能電網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)施或制定發(fā)展規(guī)劃;作為美國(guó)蓋爾文電力行動(dòng)計(jì)劃（ GEI） 的一部分，伊利諾斯工學(xué)院（ IIT） 正在實(shí)施“理想電力（ Perfect Pow2er） ”項(xiàng)目。

歐洲國(guó)家也在積極推動(dòng)智能電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用工作。歐盟于2005 年成立了“智能電網(wǎng)技術(shù)論壇”;以歐洲國(guó)家為基礎(chǔ)的國(guó)際供電會(huì)議組織（CIRED） 于2008 年6 月召開(kāi)了“智能電網(wǎng)”專(zhuān)題研討會(huì)。在智能電網(wǎng)建設(shè)方面，意大利電力公司（ ENEL） 在2002 年～2005 年投資了21 億歐元實(shí)施智能讀表項(xiàng)目，使高峰負(fù)荷降低約5 %，據(jù)報(bào)道每年可節(jié)省投資近5 億歐元; 法國(guó)電力公司（ EDF） 以智能電網(wǎng)作為設(shè)計(jì)方針，改造其配電自動(dòng)化系統(tǒng)。

我國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)的研究與討論起步相對(duì)較晚，但在具體的智能電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用方面基本與世界先進(jìn)水平同步。我國(guó)地區(qū)級(jí)以上電網(wǎng)都實(shí)現(xiàn)了調(diào)度自動(dòng)化，35 kV 以上變電站基本都實(shí)現(xiàn)了變電站綜合自動(dòng)化，有200 多個(gè)地級(jí)城市建設(shè)了配電自動(dòng)化。廣域相量測(cè)量系統(tǒng)（WMAS） 、FACTS 等技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用都有突破性進(jìn)展。最近，國(guó)家電網(wǎng)公司提出“建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能化電網(wǎng)”，極大地推動(dòng)了我國(guó)智能電網(wǎng)研究的開(kāi)展。

2 智能配電網(wǎng)的功能特征

智能配電網(wǎng)（Smart Dist ribuTIon Grid ，SDG）指智能電網(wǎng)中配電網(wǎng)部分的內(nèi)容。與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相比，SDG具有以下功能特征。

1） 自愈能力。自愈是指SDG能夠及時(shí)檢測(cè)出已發(fā)生或正在發(fā)生的故障并進(jìn)行相應(yīng)的糾正性操作，使其不影響對(duì)用戶(hù)的正常供電或?qū)⑵溆绊懡抵磷钚?。自愈主要是解決“供電不間斷”的問(wèn)題，是對(duì)供電可靠性概念的發(fā)展，其內(nèi)涵要大于供電可靠性。例如目前的供電可靠性管理不計(jì)及一些持續(xù)時(shí)間較短的斷電，但這些供電短時(shí)中斷往往都會(huì)使一些敏感的高科技設(shè)備損壞或長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)。

2） 具有更高的安全性。SDG 能夠很好地抵御戰(zhàn)爭(zhēng)攻擊、恐怖襲擊與自然災(zāi)害的破壞，避免出現(xiàn)大面積停電;能夠?qū)⑼獠科茐南拗圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，保障重要用戶(hù)的正常供電。

3） 提供更高的電能質(zhì)量。SDG 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制電能質(zhì)量，使電壓有效值和波形符合用戶(hù)的要求，即能夠保證用戶(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行并且不影響其使用壽命。

4） 支持DER 的大量接入。這是SDG 區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的重要特征。在SDG里，不再像傳統(tǒng)電網(wǎng)那樣，被動(dòng)地硬性限制DER 接入點(diǎn)與容量，而是從有利于可再生能源足額上網(wǎng)、節(jié)省整體投資出發(fā)，積極地接入DER 并發(fā)揮其作用。通過(guò)保護(hù)控制的自適應(yīng)以及系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化，支持DER 的“即插即用”。通過(guò)DER 的優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種能源的優(yōu)化利用。

5） 支持與用戶(hù)互動(dòng)。與用戶(hù)互動(dòng)也是SDG區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的重要特征之一。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是應(yīng)用智能電表，實(shí)行分時(shí)電價(jià)、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)電價(jià)，讓用戶(hù)自行選擇用電時(shí)段，在節(jié)省電費(fèi)的同時(shí)，為降低電網(wǎng)高峰負(fù)荷作貢獻(xiàn);二是允許并積極創(chuàng)造條件讓擁有DER （包括電動(dòng)車(chē)） 的用戶(hù)在用電高峰時(shí)向電網(wǎng)送電。

6） 對(duì)配電網(wǎng)及其設(shè)備進(jìn)行可視化管理。SDG全面采集配電網(wǎng)及其設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及電能質(zhì)量擾動(dòng)、故障停電等數(shù)據(jù)，為運(yùn)行人員提供高級(jí)的圖形界面，使其能夠全面掌握電網(wǎng)及其設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，克服目前配電網(wǎng)因“盲管”造成的反應(yīng)速度慢、效率低下問(wèn)題。對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線診斷與風(fēng)險(xiǎn)分析，為運(yùn)行人員進(jìn)行調(diào)度決策提供技術(shù)支持。

7） 更高的資產(chǎn)利用率。SDG 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)備溫度、絕緣水平、安全裕度等，在保證安全的前提下增加傳輸功率，提高系統(tǒng)容量利用率;通過(guò)對(duì)潮流分布的優(yōu)化，減少線損，進(jìn)一步提高運(yùn)行效率;在線監(jiān)測(cè)并診斷設(shè)計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)施狀態(tài)檢修，以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

8） 配電管理與用電管理的信息化。SDG 將配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行與離線管理數(shù)據(jù)高度融合、深度集成，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、檢修管理、停電管理以及用電管理的信息化。

3 智能配電網(wǎng)的主要技術(shù)內(nèi)容

SDG集現(xiàn)代電力新技術(shù)于一體，具體內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面。

1） 配電數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。這是一個(gè)覆蓋配電網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)（控制中心、變電站、分段開(kāi)關(guān)、用戶(hù)端口等） 的IP 通信網(wǎng)，采用光纖、無(wú)線與載波等組網(wǎng)技術(shù)，支持各種配電終端與系統(tǒng)“上網(wǎng)”。它將徹底解決配電網(wǎng)的通信瓶頸問(wèn)題，給配電網(wǎng)保護(hù)、監(jiān)控與自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)革命性的變化，并影響一次系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。

2） 先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)，如光學(xué)或電子互感器、架空線路與電纜溫度測(cè)量、電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量測(cè)量等技術(shù)。

3） 先進(jìn)的保護(hù)控制技術(shù)，包括廣域保護(hù)、自適應(yīng)保護(hù)、配電系統(tǒng)快速模擬仿真、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等技術(shù)。

4） 高級(jí)配電自動(dòng)化。目前的配電自動(dòng)化技術(shù)包括配電運(yùn)行自動(dòng)化（安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、變電所綜合自動(dòng)化、饋線自動(dòng)化） 、配電管理自動(dòng)化（配電地理信息系統(tǒng)、設(shè)備管理、檢修管理等） 以及用戶(hù)自動(dòng)化這3 個(gè)方面的內(nèi)容。這些內(nèi)容都屬于SDG技術(shù)的范疇。

為與目前大家熟知的配電自動(dòng)化區(qū)分，美國(guó)電科院提出了高級(jí)配電自動(dòng)化（Advanced Dist ri2buTIon AutomaTIon ，ADA） 的概念。ADA 是傳統(tǒng)配電自動(dòng)化（DA） 的發(fā)展，也可認(rèn)為是SDG 中的配電自動(dòng)化。ADA 的新內(nèi)容主要支持DER 的“即插即用”，它采用IP 技術(shù)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)模型與通信服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化與開(kāi)放性。

為使SDG 技術(shù)概念更有針對(duì)性，筆者建議ADA 僅包括配電運(yùn)行自動(dòng)化與配電管理自動(dòng)化，將用戶(hù)自動(dòng)化內(nèi)容列入下面介紹的高級(jí)量測(cè)體系。

5 ） 高級(jí)量測(cè)體系（ Advanced MeteringArchitecture ，AMA） 是一個(gè)使用智能電表通過(guò)多種通信介質(zhì)，按需或以設(shè)定的方式測(cè)量、收集并分析用戶(hù)用電數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。AMA 是支持用戶(hù)互動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，是傳統(tǒng)AMR 技術(shù)的新發(fā)展，屬于用戶(hù)自動(dòng)化的內(nèi)容。

6） DER 并網(wǎng)技術(shù)，包括DER 在配電網(wǎng)的“即插即用”以及微網(wǎng)（MICro Grid） 兩部分技術(shù)內(nèi)容。DER 的“即插即用”包括DER 高度滲透的配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)、DER 并網(wǎng)保護(hù)控制與調(diào)度管理、系統(tǒng)與設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化等。微網(wǎng)是指接有分布式電源的配電子系統(tǒng)，它可在主網(wǎng)停電時(shí)孤立運(yùn)行。

DER 并網(wǎng)研究?jī)?nèi)容還包括有源網(wǎng)絡(luò)（AcTIveNetwork） 技術(shù)。有源網(wǎng)絡(luò)指分布式電源大量應(yīng)用、深度滲透，潮流雙向流動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。

7） DFACTS 是柔性交流輸電（ FACTS） 技術(shù)在配電網(wǎng)的延伸，包括電能質(zhì)量與動(dòng)態(tài)潮流控制兩部分內(nèi)容。DFACTS 設(shè)備包括靜止無(wú)功發(fā)生器（SVC） 、靜止同步補(bǔ)償器（ STA TCOM） 、有源電力濾波器（APF） 、動(dòng)態(tài)不停電電源（UPS） 、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR） 與固態(tài)斷路器（ SSCB） 、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC） 等。

8） 故障電流限制技術(shù)，指利用電力電子、高溫超導(dǎo)技術(shù)限制短路電流的技術(shù)。

綜上所述，SDG技術(shù)包含一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)兩方面的內(nèi)容。一個(gè)具體的SDG功能的實(shí)現(xiàn)，往往涉及多項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用。以自愈功能為例，首先一次網(wǎng)架的設(shè)計(jì)應(yīng)該更加靈活、合理，并應(yīng)用快速斷路器、故障電流限制器等新設(shè)備;在二次系統(tǒng)中，應(yīng)用廣域保護(hù)、就地快速故障隔離等新技術(shù)，以及時(shí)檢測(cè)出故障并進(jìn)行快速自愈操作。

4 建設(shè)智能配電網(wǎng)的作用與意義

電力系統(tǒng)已誕生一百多年了，盡管其電壓等級(jí)與規(guī)模與當(dāng)年相比已有天壤之別，但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理并沒(méi)有很大的變化。進(jìn)入21 世紀(jì)，面對(duì)當(dāng)今社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)提出的新要求和計(jì)算機(jī)、電力電子等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，有必要重新審視過(guò)去電網(wǎng)建設(shè)的模式，探討未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展新方向，而智能電網(wǎng)正是人們對(duì)這一問(wèn)題思考、研究的結(jié)果。智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展正在給電力系統(tǒng)帶來(lái)一場(chǎng)深刻的變革。

配電網(wǎng)直接面向用戶(hù)，是保證供電質(zhì)量、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、創(chuàng)新用戶(hù)服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在我國(guó)，由于歷史的原因，配電網(wǎng)投資相對(duì)不足，自動(dòng)化程度比較低，在供電質(zhì)量方面與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距。目前電力用戶(hù)遭受的停電時(shí)間，95 %以上是由于配電系統(tǒng)原因造成的（扣除發(fā)電不足的原因） ;配電網(wǎng)是造成電能質(zhì)量惡化的主要因素;電力系統(tǒng)的損耗有近一半產(chǎn)生在配電網(wǎng);分布式電源接入對(duì)電網(wǎng)的影響主要是對(duì)配電網(wǎng)的影響;與用戶(hù)互動(dòng)、進(jìn)行需求側(cè)管理的著眼點(diǎn)也在配電網(wǎng)。因此，建設(shè)智能電網(wǎng)，必須給予配電網(wǎng)足夠的關(guān)注。結(jié)合我國(guó)配電網(wǎng)實(shí)際，積極研發(fā)應(yīng)用SDG技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)配電網(wǎng)的技術(shù)革命具有十分重要的意義。

SDG將使配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的供方主導(dǎo)、單向供電、基本依賴(lài)人工管理的運(yùn)營(yíng)模式向用戶(hù)參與、潮流雙向流動(dòng)、高度自動(dòng)化的方向轉(zhuǎn)變。隨著我國(guó)SDG建設(shè)的進(jìn)展，將產(chǎn)生越來(lái)越明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，主要以下3 個(gè)方面。

1） 實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的最優(yōu)運(yùn)行，達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效。SDG應(yīng)用先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)，對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并優(yōu)化管理，降低系統(tǒng)容載比并提高其負(fù)荷率，使系統(tǒng)容量能夠獲得充分利用，從而可以延緩或減少電網(wǎng)一次設(shè)備的投資，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2） 提供優(yōu)質(zhì)可靠電能，保障現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。SDG在保證供電可靠性的同時(shí)，還能夠?yàn)橛脩?hù)提供滿(mǎn)足其特定需求的電能質(zhì)量;不僅可以克服以往故障重合閘、倒閘操作引起的短暫供電中斷，而且可以消除電壓聚降、諧波、不平衡的影響，為各種高科技設(shè)備的正常運(yùn)行、為現(xiàn)代社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供可靠?jī)?yōu)質(zhì)的電力保障。

3） 推動(dòng)新能源革命，促進(jìn)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、保護(hù)控制與運(yùn)行管理方式基本上不考慮SER 的接入，而且為不影響配電網(wǎng)的正常運(yùn)行，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)或運(yùn)行導(dǎo)則對(duì)接入的DER 的容量及其并網(wǎng)點(diǎn)的選擇都做出了嚴(yán)格的限制， 制約了分布式發(fā)電的推廣應(yīng)用。SDG具有很好地適應(yīng)性，能夠大量地接入DER 并減少并網(wǎng)成本，極大地推動(dòng)可再生能源發(fā)電的發(fā)展，大大降低化石燃料使用和碳排放量，在促進(jìn)環(huán)保的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)方式與能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。