智能電網(wǎng)綜述一、智能電網(wǎng)的核心內(nèi)涵和技術(shù)框架

0 引 言
      
電力系統(tǒng)是人類迄今為止制造的最復(fù)雜、最龐大的系統(tǒng)，是20世紀(jì)人類所取得的最輝煌的工程技術(shù)成就之一。但是，進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著電力系統(tǒng)的不斷老化，線路擴(kuò)容困難，系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，節(jié)能減排等環(huán)保壓力增大，人們對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量要求越來越高，大容量的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電接入電力系統(tǒng)的要求日益增強(qiáng)，特別是大面積停電的災(zāi)變事故頻發(fā)，使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在信息社會(huì)發(fā)展的需求。與此同時(shí)，通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和日益成熟，為電網(wǎng)的現(xiàn)代化提供了技術(shù)手段。以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家提出了“電網(wǎng)現(xiàn)代化”的號(hào)召，從而在全世界范圍內(nèi)掀起了一股研究“智能電網(wǎng)”的熱潮。本系列文章將從智能電網(wǎng)的核心內(nèi)涵和技術(shù)框架、國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略、智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)、電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用、智能電網(wǎng)的效益分析、和中國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展路線圖等多個(gè)方面，試圖對(duì)智能電網(wǎng)做一個(gè)全景式的介紹。本文是該系列文章的第一篇，主要介紹智能電網(wǎng)的起源和發(fā)展動(dòng)力、智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要區(qū)別、智能電網(wǎng)的核心內(nèi)涵、技術(shù)框架和實(shí)現(xiàn)順序。

1 智能電網(wǎng)的起源和發(fā)展動(dòng)力
      
2003年4月，在美國(guó)能源部的倡導(dǎo)和組織下，來自美國(guó)各大電力企業(yè)、設(shè)備制造商、通信技術(shù)提供商、政府部門、大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的65位專家齊聚一堂，對(duì)電力工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了深刻反思，對(duì)電力工業(yè)在第二個(gè)百年里的發(fā)展前景進(jìn)行了展望[1]。會(huì)議指出，北美電網(wǎng)效率低下、輸電擁堵、供電可靠性和電能質(zhì)量降低，特別是大面積停電等災(zāi)難性事故增多，與美國(guó)在“21世紀(jì)的領(lǐng)導(dǎo)地位極不相稱”。歷史的發(fā)展往往具有戲劇性，就在這次會(huì)議結(jié)束不到半年， 2003年8月14日北美電網(wǎng)發(fā)生了有史以來最嚴(yán)重的大面積停電事故，美國(guó)的8個(gè)州和加拿大的2個(gè)省5千萬人受影響，損失負(fù)荷量61800MW，經(jīng)濟(jì)損失約300億美元。這次災(zāi)難性事故進(jìn)一步驗(yàn)證了會(huì)議所達(dá)成共識(shí)的正確性和智能電網(wǎng)建設(shè)的緊迫性。在政府部門和企業(yè)研發(fā)部門的共同努力下快馬加鞭，于2004年1月出臺(tái)了“國(guó)家電力傳輸技術(shù)路線圖計(jì)劃”[2]，提出“可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)向人們提供充足的、廉價(jià)的、清潔的、高效的和可靠的供電服務(wù)”，并提出了電力傳輸技術(shù)現(xiàn)代化的路線圖。
      
縱觀21世紀(jì)科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能電網(wǎng)的提出和發(fā)展不是偶然的，它發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力來源于以下幾個(gè)方面：
      
(1) 提高設(shè)備利用效率，減少輸電擁堵的需要：據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)電設(shè)備利用率90%以上、配電設(shè)備利用率75%以上的時(shí)間不足5%，大部分時(shí)間內(nèi)設(shè)備容量得不到有效利用；而另一方面，隨著電力市場(chǎng)的建設(shè)和競(jìng)爭(zhēng)加劇，用電負(fù)荷的大幅增加與電源短缺、輸配電容量不足的矛盾日益突出，導(dǎo)致輸電阻塞。北美電網(wǎng)每年的輸電阻塞成本高達(dá)30億美元。
      
(2) 提高供電可靠性和電能質(zhì)量的需要：“8•14大停電”不是偶然事件，對(duì)世紀(jì)之交北美電網(wǎng)的大停電事故統(tǒng)計(jì)表明，大停電事故的發(fā)生服從冪指數(shù)規(guī)律[3]，頻率越來越高，損失越來越大；而隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，據(jù)美國(guó)電科院估計(jì)，美國(guó)每年由于電能質(zhì)量問題造成的損失高達(dá)260億美元。
      
(3) 提供多種多樣的電力增值服務(wù)，增加電力用戶互動(dòng)性的需要：通過提供實(shí)時(shí)透明的電價(jià)和各種增值服務(wù)，提高用戶滿意度，改善負(fù)荷特性，實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，使用戶和電力企業(yè)共同應(yīng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和調(diào)度所面臨的挑戰(zhàn)，最終實(shí)現(xiàn)雙贏。
      
(4) 節(jié)能和環(huán)保的大勢(shì)所趨，減少溫室氣體排放的需要：電能是優(yōu)質(zhì)方便的二次能源，目前一次能源轉(zhuǎn)換成電能的效率還很低（如燃煤火力發(fā)電效率37%，光伏發(fā)電20%等），電網(wǎng)損耗7%；而且電力生產(chǎn)還是溫室氣體排放的大戶，06年我國(guó)燃煤發(fā)電CO2排放量24.44億噸，07年超過美國(guó)，每年還在以10%的速度遞增。節(jié)能減排的潛力巨大。
      
(5) 大量可再生能源接入電網(wǎng)的需要：進(jìn)入21世紀(jì)以來，以風(fēng)電為代表的可再生能源發(fā)電蓬勃發(fā)展，在總裝機(jī)容量中比重越來越大（到2020年可再生能源比重我國(guó)15%，歐盟20%），但是它們的間歇性和隨機(jī)性卻給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和調(diào)度帶來了巨大的挑戰(zhàn)；
      
(6) 國(guó)家能源安全和綜合資源優(yōu)化配置的需要：電力系統(tǒng)是關(guān)系到國(guó)家能源安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，特別是“9•11”事件以后，美國(guó)更是把電網(wǎng)安全提升到國(guó)家安全的層次，要求電網(wǎng)能夠抵御自然災(zāi)害甚至恐怖襲擊，具有更高智能和自愈能力。電能具有易轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，以智能電網(wǎng)為媒介可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)多種資源的優(yōu)化配置，提高能源的綜合利用效率。
      
可見，智能電網(wǎng)的發(fā)展是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然要求，而通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和日益成熟，為建設(shè)智能電網(wǎng)提供了必要的技術(shù)手段。

2 智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要區(qū)別
      
智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要區(qū)別主要體現(xiàn)在用戶互動(dòng)、發(fā)電和儲(chǔ)能、市場(chǎng)化和自愈性等方面，詳見下表。

3 智能電網(wǎng)的核心內(nèi)涵
      
迄今為止，智能電網(wǎng)還沒有一個(gè)被大家公認(rèn)的完整的定義，智能電網(wǎng)涵蓋面很寬，也很難用一個(gè)概念來歸納。但是各國(guó)在結(jié)合本國(guó)國(guó)情發(fā)展智能電網(wǎng)時(shí)已經(jīng)形成了很多共識(shí)?？偟膩碚f，智能電網(wǎng)的核心內(nèi)涵包含以下幾個(gè)方面[4]：
      
(1) 自愈性：智能電網(wǎng)應(yīng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的脆弱性的安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，當(dāng)系統(tǒng)受到嚴(yán)重級(jí)聯(lián)故障、自然災(zāi)害甚至恐怖襲擊時(shí)，能自主地采取切機(jī)切負(fù)荷和主動(dòng)解列等措施，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免大面積停電等災(zāi)難性事故的發(fā)生，將受事故影響的負(fù)荷損失降低到最小程度，并在故障元件恢復(fù)后自主地將系統(tǒng)快速恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。
      
(2) 用戶互動(dòng)性：智能電網(wǎng)應(yīng)通過各種通信手段向用戶發(fā)布實(shí)時(shí)電價(jià)信息，向用戶提供多種可供選擇的供電方案和控制手段，以實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)（Demand Response，DR），達(dá)到電網(wǎng)和用戶的雙贏。
      
(3) 滿足21世紀(jì)需求的電能質(zhì)量：通過先進(jìn)的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，消除與頻率和電壓相關(guān)的各種電能質(zhì)量問題，為用戶提供多種可選擇的電能質(zhì)量和電價(jià)方案，以滿足用戶的各種需求；
     
(4) 大量可再生能源接入和分布式儲(chǔ)能：為各種分布式發(fā)電提供“即插即用”式（Plug and Play）的方便的接入和退出，補(bǔ)充集中式發(fā)電，通過微電網(wǎng)技術(shù)和電能變化技術(shù)將可再生能源發(fā)電和分布式儲(chǔ)能融為一體，使各種清潔能源得到充分利用。
      
(5) 成熟、強(qiáng)壯的電力市場(chǎng)：開放式電網(wǎng)和成熟的電力市場(chǎng)為所有的市場(chǎng)參與者提供透明、公平的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)會(huì)，通過市場(chǎng)的調(diào)節(jié)作用將電力系統(tǒng)的運(yùn)行需求（調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)定性）與用戶的需求（廉價(jià)、可靠、清潔）緊密地聯(lián)系在一起，消除輸電阻塞；
      
(6) 優(yōu)化資產(chǎn)管理，提供電網(wǎng)運(yùn)行效率：通過對(duì)電網(wǎng)資產(chǎn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和潮流控制，提高設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)重要設(shè)備的故障預(yù)警和狀態(tài)檢修，減小網(wǎng)損，提供電網(wǎng)的運(yùn)行效率。

4 智能電網(wǎng)的技術(shù)框架
      
智能電網(wǎng)主要由4部分組成[5]：
      
(1) 高級(jí)量測(cè)體系（Advanced Metering Infrastructure, AMI）
      
(2) 高級(jí)配電運(yùn)行（Advanced Distribution Operation，ADO）
      
(3) 高級(jí)輸電運(yùn)行（Advanced Transmission Operation，ATO）
      
(4) 高級(jí)資產(chǎn)管理（Advanced Asset Management， AAM）
      
4.1 高級(jí)量測(cè)體系A(chǔ)MI
      
AMI主要功能是授權(quán)給用戶，使系統(tǒng)同負(fù)荷建立起聯(lián)系，使用戶能夠支持電網(wǎng)的運(yùn)行。AMI包含許多技術(shù)和應(yīng)用集成的解決方案，其技術(shù)組成和功能主要包括：
      
1) 智能電表：可以定時(shí)或即時(shí)取得用戶帶有時(shí)標(biāo)的分時(shí)段的(如15 min，l h等)或?qū)崟r(shí)(或準(zhǔn)實(shí)時(shí))的多種計(jì)量值，如用電量、功率、電壓、電流和其他信息，事實(shí)上已成為電網(wǎng)的傳感器。
      
2) 通信網(wǎng)絡(luò)：采取固定的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，能把表計(jì)信息(包括故障報(bào)警和裝置干擾報(bào)警)接近于實(shí)時(shí)地從電表傳到數(shù)據(jù)中心，是全部高級(jí)應(yīng)用的基礎(chǔ)。
      
3) 計(jì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(MDMS)：這是一個(gè)帶有分析工具的數(shù)據(jù)庫，通過與AMI自動(dòng)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的配合使用，處理和儲(chǔ)存電表的計(jì)量值。
      
4) 用戶室內(nèi)網(wǎng)(HAN)：通過網(wǎng)關(guān)或用戶入口把智能電表和用戶戶內(nèi)可控的電器或裝置(如可編程的溫控器)連接起來，使得用戶能根據(jù)電力公司的需要，積極參與需求響應(yīng)或電力市場(chǎng)。
      
5) 提供用戶服務(wù)(如分時(shí)或?qū)崟r(shí)電價(jià)等)。
      
6) 遠(yuǎn)程接通或斷開。
      
4.2 高級(jí)配電運(yùn)行ADO
      
ADO的技術(shù)組成和功能主要包括：
      
1) 高級(jí)配電自動(dòng)化；
      
2) 高級(jí)保護(hù)與控制；
      
3) 配電快速仿真與模擬；
      
4) 新型電力電子裝置；
      
5) DER運(yùn)行；
      
6) AC／DC微網(wǎng)運(yùn)行；
      
7) 運(yùn)行管理系統(tǒng)(帶有高級(jí)傳感器)。
      
ADO主要的功能是使系統(tǒng)可自愈。為了實(shí)現(xiàn)自愈，電網(wǎng)應(yīng)具有靈活的可重構(gòu)的配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛯?shí)時(shí)監(jiān)視、分析系統(tǒng)目前狀態(tài)的能力。后者既包括識(shí)別故障早期征兆的預(yù)測(cè)能力，也包括對(duì)已經(jīng)發(fā)生的擾動(dòng)做出響應(yīng)的能力。而在系統(tǒng)中安放大量的監(jiān)視傳感器并把它們連接到一個(gè)安全的通信網(wǎng)上去，是做出快速預(yù)測(cè)和響應(yīng)的關(guān)鍵?？焖俜抡媾c模擬(fast simulation and modeling，F(xiàn)SM)是ADO的核心軟件，其中包括風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、自愈控制與優(yōu)化等高級(jí)軟件系統(tǒng)，為智能電網(wǎng)提供數(shù)學(xué)支持和預(yù)測(cè)能力，以期達(dá)到改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性和運(yùn)行效率的目的。配電快速仿真與模擬(DFSM)需要支持4個(gè)主要的自愈功能：
     
1) 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；
      
2) 電壓與無功控制；
      
3) 故障定位、隔離和恢復(fù)供電；
      
4) 當(dāng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)繼保再整定。
      
上述主要功能相互聯(lián)系，致使DFSM變得很復(fù)雜。例如，電網(wǎng)的任一重構(gòu)要求一個(gè)新的繼電保護(hù)配合和新的電壓調(diào)節(jié)方案，還包含恢復(fù)供電功能。DFSM通過分布式的智能網(wǎng)絡(luò)代理(intelligent network agents，INA)來實(shí)現(xiàn)跨地理邊界和組織邊界的智能控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自愈功能。這些智能網(wǎng)絡(luò)代理，能收集和交流系統(tǒng)信息并對(duì)(諸如繼電保護(hù)操作這樣的)局部控制做出決策，同時(shí)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)要求協(xié)調(diào)這些決策。
      
ADO中的高級(jí)配電自動(dòng)化(ADA)是智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自愈的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)配電自動(dòng)化相比，ADA是革命性的。因?yàn)锳DA是用于電力交換系統(tǒng)的(由于分布式電源上網(wǎng)運(yùn)行，而使配電網(wǎng)支路上的潮流可能是雙向的)，其中將使用電力電子、信息、分布式計(jì)算與仿真方面的新技術(shù)；同時(shí)，ADA可為用戶提供新的服務(wù)。
      
4.3 高級(jí)輸電運(yùn)行ATO
      
ATO強(qiáng)調(diào)阻塞管理和降低大規(guī)模停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)，ATO同AMI，ADO和AAM的密切配合，實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)的(運(yùn)行和資產(chǎn)管理)優(yōu)化。輸電網(wǎng)是電網(wǎng)的骨干，它在智能電網(wǎng)中的重要性勿容質(zhì)疑，其技術(shù)組成和功能如下：
      
1) 變電站自動(dòng)化；
      
2) 輸電的地理信息系統(tǒng)；
     
3) 廣域量測(cè)系統(tǒng)；
      
4) 高速信息處理；
      
5) 高級(jí)保護(hù)與控制；
      
6) 模擬、仿真和可視化工具；
      
7) 高級(jí)的輸電網(wǎng)絡(luò)元件，如電力電子(靈活交流輸電，固態(tài)開關(guān)等)、先進(jìn)的導(dǎo)體和超導(dǎo)裝置；

      
8) 先進(jìn)的區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行，如提高系統(tǒng)安全性，適應(yīng)市場(chǎng)化和改善電力規(guī)劃和設(shè)計(jì)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)(特別注意電網(wǎng)模型的改進(jìn)，如集中式的發(fā)電模型以及受配電網(wǎng)絡(luò)和有源電力用戶影響的負(fù)荷模型)。
      
4.4 高級(jí)資產(chǎn)管理AAM
      
AMI、ADO和ATO同AAM的集成將大大改進(jìn)電網(wǎng)的運(yùn)行和效率。實(shí)現(xiàn)AAM需要在系統(tǒng)中裝設(shè)大量可以提供系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)備(資產(chǎn))“健康”狀況的高級(jí)傳感器，并把所收集到的實(shí)時(shí)信息同如下過程集成：
      
1) 優(yōu)化資產(chǎn)使用的運(yùn)行；
      
2) 輸、配電網(wǎng)規(guī)劃；
      
3) 基于條件(如可靠性水平)的維修；
      
4) 工程設(shè)計(jì)與建造；
      
5) 顧客服務(wù)；
     
6) 工作與資源管理；
     
7) 模擬與仿真。

5 實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的順序[6]
      
如前所述，智能電網(wǎng)的4個(gè)部分之間是密切相關(guān)的，表現(xiàn)在：
      
1) AMI同用戶建立通信聯(lián)系，提供帶時(shí)標(biāo)的系統(tǒng)信息；
      
2) ADO使用AMI的通信收集配電信息，改善配電運(yùn)行；
      
3) ATO使用ADO信息改善輸電系統(tǒng)運(yùn)行和管理輸電阻塞，使用AMI讓用戶能夠訪問市場(chǎng)；
      
4) AAM使用AMI、ADO和ATO的信息與控制，改善運(yùn)行效率和資產(chǎn)使用。
      
可見各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)順序是有價(jià)值。因此，北美把AMI視為是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的第一步，如圖1和圖2所示。值得一提的是，由于AMI可在負(fù)荷響應(yīng)和節(jié)能減排方面取得巨大效益，許多政府機(jī)構(gòu)已頒布立法條例來推動(dòng)AMI技術(shù)的實(shí)施。

圖1 智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)順序

圖2 智能電網(wǎng)效益與成本曲線

6 結(jié)論
      
智能電網(wǎng)是21世紀(jì)電力系統(tǒng)的一場(chǎng)深刻革命，它的提出和發(fā)展是時(shí)代的產(chǎn)物，它將徹底改變電網(wǎng)的運(yùn)行模式和人們的用電方式，并以電網(wǎng)為媒介實(shí)現(xiàn)全社會(huì)資源的優(yōu)化配置和有效利用，提升國(guó)家的能源安全水平，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益巨大。