智能電網(wǎng)涉及的關鍵技術及應用

摘要：本文對智能電網(wǎng)關鍵技術進行了具體闡述，主要是量測、通信、信息管理、調度、電力電子和分布式能源接入等方面。最后借助美國智能電網(wǎng)研究應用情況，對智能電網(wǎng)技術實現(xiàn)的功能進行了歸納和評述。
 
　　1 智能電網(wǎng)的技術概況
 
　　智能電網(wǎng)是為了實現(xiàn)能源替代和兼容利用，它需要在創(chuàng)建開放的系統(tǒng)和建立共享的信息模式的基礎上，整合系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的運行和管理。它主要是通過終端傳感器將用戶之間、用戶和電網(wǎng)公司之間形成即時連接的網(wǎng)絡互動，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的實時（real-time）、高速（high-speed）、雙向（two-way）的效果，整體性地提高電網(wǎng)的綜合效率。它可以利用傳感器對發(fā)電、輸電、配電、供電等關鍵設備的運行狀況進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)整合，遇到電力供應的高峰期之時，能夠在不同區(qū)域間進行及時調度，平衡電力供應缺口，從而達到對整個電力系統(tǒng)運行的優(yōu)化管理；同時，智能電表也可以作為互聯(lián)網(wǎng)路由器，推動電力部門以其終端用戶為基礎，進行通信、運行寬帶業(yè)務或傳播電視信號。
 
　　2009年6月27～28日，第一屆智能電網(wǎng)研究論壇在天津大學召開。論壇共安排了十四個學術報告，從智能電網(wǎng)的基本理念、技術組成、設備需求等多個角度對我國智能電網(wǎng)的建設和發(fā)展進行了探討。天津大學余貽鑫院士的報告為“智能電網(wǎng)的原動力、技術組成和實施路線”。報告中提出，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、需求側管理、分布式電源等是推進智能電網(wǎng)建設的原動力。智能電網(wǎng)是綜合應用通訊、高級傳感器、分布式計算等技術，提高輸配電網(wǎng)絡的安全性、可靠性和效率。
 
　　華中科技大學程時杰院士在“儲能技術及其在智能電網(wǎng)中的應用”的報告中指出，在可再生能源發(fā)電所占比例較大的電力系統(tǒng)中，儲能技術的應用是解決如何保證系統(tǒng)正常運行這個難題的一條可行的途徑。并提出了智能電網(wǎng)對儲能系統(tǒng)的基本要求，即足夠大的儲能容量、足夠快的功率響應速度、足夠大的交換功率、足夠高的儲能效率、足夠小的放電周期、足夠長的使用壽命、足夠小的運行費用。
 
　　天津大學電氣與自動化工程學院院長王成山教授作了“分布式電源、微網(wǎng)、智能配電系統(tǒng)”的報告，分別對分布式電源、微網(wǎng)和智能配電系統(tǒng)的關鍵技術、應用以及存在的問題進行了介紹，并分析了三者之間的關系。山東理工大學徐丙垠教授的“智能配電網(wǎng)中的配電自動化技術”、加拿大卑詩省水電公司欒文鵬的“高級量測系統(tǒng)”、國家電網(wǎng)需求側管理中心陳江華的“我國需求側管理實踐成效與展望”、ABB公司劉前進的“智能電網(wǎng)—遠景，技術與應用”等，都從不同角度分析和探討了智能電網(wǎng)的技術特點、實現(xiàn)方式和發(fā)展前景。
 
　　2 智能電網(wǎng)的關鍵技術
 
　　我國數(shù)字化電網(wǎng)建設涵蓋了發(fā)電、調度、輸變電、配電和用戶各個環(huán)節(jié)，包括：信息化平臺、調度自動化系統(tǒng)、穩(wěn)定控制系統(tǒng)、柔性交流輸電，變電站自動化系統(tǒng)、微機繼電保護、配網(wǎng)自動化系統(tǒng)、用電管理采集系統(tǒng)等。實際上，目前我國數(shù)字化電網(wǎng)建設可以算是智能電網(wǎng)的雛形。
 
　　2.1 參考量測技術
 
　　參數(shù)量測技術是智能電網(wǎng)基本的組成部件，先進的參數(shù)量測技術獲得數(shù)據(jù)并將其轉換成數(shù)據(jù)信息，以供智能電網(wǎng)的各個方面使用。它們評估電網(wǎng)設備的健康狀況和電網(wǎng)的完整性，進行表計的讀取、消除電費估計以及防止竊電、緩減電網(wǎng)阻塞以及與用戶的溝通。
 
　　未來的智能電網(wǎng)將取消所有的電磁表計及其讀取系統(tǒng)，取而代之的是可以使電力公司與用戶進行雙向通信的智能固態(tài)表計。基于微處理器的智能表計將有更多的功能，除了可以計量每天不同時段電力的使用和電費外，還有儲存電力公司下達的高峰電力價格信號及電費費率，并通知用戶實施什么樣的費率政策。更高級的功能有用戶自行根據(jù)費率政策，編制時間表，自動控制用戶內部電力使用的策略。
 
　　對于電力公司來說，參數(shù)量測技術給電力系統(tǒng)運行人員和規(guī)劃人員提供更多的數(shù)據(jù)支持，包括功率因數(shù)、電能質量、相位關系（WAMS）、設備健康狀況和能力、表計的損壞、故障定位、變壓器和線路負荷、關鍵元件的溫度、停電確認、電能消費和預測等數(shù)據(jù)。新的軟件系統(tǒng)將收集、儲存、分析和處理這些數(shù)據(jù)，為電力公司的其他業(yè)務所用。
 
　　未來的數(shù)字保護將嵌入計算機代理程序，極大地提高可靠性。計算機代理程序是一個自治和交互的自適應的軟件模塊。廣域監(jiān)測系統(tǒng)、保護和控制方案將集成數(shù)字保護、先進的通信技術以及計算機代理程序。在這樣一個集成的分布式的保護系統(tǒng)中，保護元件能夠自適應地相互通信，這樣的靈活性和自適應能力極大地提高可靠性，因為即使部分系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，其他的帶有計算機代理程序的保護元件仍然能夠保護系統(tǒng)。
 
　　2.2 智能電網(wǎng)通信技術
 
　　建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎，沒有這樣的通信系統(tǒng)，任何智能電網(wǎng)的特征都無法實現(xiàn)。因為智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護和控制都需要這樣的通信系統(tǒng)的支持，因此建立這樣的通信系統(tǒng)是邁向智能電網(wǎng)的第一步。同時通信系統(tǒng)要和電網(wǎng)一樣深入到千家萬戶，這樣就形成了兩張緊密聯(lián)系的網(wǎng)絡—電網(wǎng)和通信網(wǎng)絡，只有這樣才能實現(xiàn)智能電網(wǎng)的目標和主要特征。高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)使智能電網(wǎng)成為一個動態(tài)的、實時信息和電力交換互動的大型的基礎設施。當這樣的通信系統(tǒng)建成后，它可以提高電網(wǎng)的供電可靠性和資產的利用率，繁榮電力市場，抵御電網(wǎng)受到的攻擊，從而提高電網(wǎng)價值。
 
　　適用于智能電網(wǎng)的通信技術需具備以下特征：一是具備雙向性、實時性、可靠性特征，出于安全性考慮理論上應是與公網(wǎng)隔離的電力通信專網(wǎng)。二是具備技術先進性，能夠承載智能電網(wǎng)現(xiàn)有業(yè)務和未來擴展業(yè)務。三是最好具備自主知識產權，可具有面向電力智能電網(wǎng)業(yè)務的定制開發(fā)和業(yè)務升級能力。
作為國家電網(wǎng)公司從事骨干信息通信網(wǎng)絡建設、運行管理的直屬公司，國網(wǎng)信息通信有限公司高度重視智能電網(wǎng)建設工作，積極開展相關前期研究工作，并著力推進有關信息通信技術（ICT）的軟硬件產品研發(fā)，開展新一代電力信息通信（ICT）網(wǎng)絡模式研究,加快信息通信產業(yè)化發(fā)展。
 
　　電力客戶用電信息采集系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，信通公司積極參與其中與信息通信專業(yè)相關的研究，向國家電網(wǎng)公司提交了通信專題技術報告。同時，積極推進產業(yè)化進程，進一步完善了用電信息采集主站軟件平臺、基于電力線寬帶通信技術的采集器等產品。
智能電網(wǎng)客戶服務是智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的重要組成部分，是實現(xiàn)電網(wǎng)與客戶之間實時交互響應，增強電網(wǎng)綜合服務能力，滿足互動營銷需求，提升服務水平的重要手段。信通公司將智能電網(wǎng)客戶服務試點分別設立在北京蓮香園小區(qū)和阜成路95號院。其中，阜成路95號院試點以光纖入戶為主要特點，以機頂盒和電視機為展現(xiàn)手段，實現(xiàn)三表抄收和查詢、物業(yè)、配送、網(wǎng)絡增值等一系列特色服務，體現(xiàn)出良好的交互性和智能化特色。
 
　　2.3 信息管理系統(tǒng)
 
　　智能電網(wǎng)中的信息管理系統(tǒng)應主要包括采集與處理、分析、集成、顯示、信息安全等五個功能。（1）信息采集與處理。主要包括詳盡的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、分布式的數(shù)據(jù)采集和處理服務、智能電子設備(intelligent electronic device，IED)資源的動態(tài)共享、大容量高速存取、冗余備用、精確數(shù)據(jù)對時等。（2）信息分析。對經過采集、處理和集成后的信息進行業(yè)務分析，是開展電網(wǎng)相關業(yè)務的重要輔助工具。縱向包括“發(fā)電–輸電–配電–需求側”四級產業(yè)鏈業(yè)務分析和“國家–大區(qū)–省級–地縣”四級電網(wǎng)信息分析。橫向包括發(fā)電計劃、停電管理、資產管理、維護管理、生產優(yōu)化、風險管理、市場運作、負荷管理、客戶關系管理、財務管理、人力資源管理等業(yè)務模塊分析。（3）信息集成。智能電網(wǎng)的信息系統(tǒng)在縱向上要實現(xiàn)產業(yè)鏈信息集成和電網(wǎng)信息集成，橫向上要實現(xiàn)各級電網(wǎng)企業(yè)內部業(yè)務的信息集成。（4）信息顯示。為各類型用戶提供個性化的可視化界面，需要合理運用平面顯示、三維動畫、語音識別、觸摸屏、地理信息系統(tǒng)(GIS)等視頻和音頻技術。（5）信息安全。智能電網(wǎng)必須明確各利益主體的保密程度和權限，并保護其資料和經濟利益。因此，必須研究復雜大系統(tǒng)下的網(wǎng)絡生存、主動實時防護、安全存儲、網(wǎng)絡病毒防范、惡意攻擊防范、網(wǎng)絡信任體系與新的密碼等技術。
 
　　2.4 智能調度技術
 
　　智能調度是智能電網(wǎng)建設中的重要環(huán)節(jié)，智能電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)則是智能調度研究與建設的核心，是全面提升調度系統(tǒng)駕馭大電網(wǎng)和進行資源優(yōu)化配置的能力、縱深風險防御能力、科學決策管理能力、靈活高效調控能力和公平友好市場調配能力的技術基礎。
現(xiàn)有的調度自動化系統(tǒng)面臨著許多問題，包括非自動、信息的雜亂、控制過程不安全、集中式控制方法缺乏、事故決策困難等。為適應大電網(wǎng)、特高壓以及智能電網(wǎng)的建設運行管理要求，實現(xiàn)調度業(yè)務的科學決策、電網(wǎng)運行的高效管理、電網(wǎng)異常及事故的快速響應，必須對智能調度加以分析研究。
 
　　為加快推進智能電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)總體設計和應用功能規(guī)范編寫工作，國網(wǎng)電力科學研究院受國家電力調度中心委托，承擔智能電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)總體設計工作。2009年7月6日至18日，在國調中心帶領下，國網(wǎng)電科院工作組順利完成智能電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)總體設計，并討論確定智能電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)功能規(guī)范體系，為一體化智能電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)的快速有序建設提供指導。國網(wǎng)電科院工作組成員全程參與了智能電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)基礎平臺和四大應用的總體設計，承擔并順利完成調度計劃應用、安全校核應用和調度管理應用的功能流程和總體設計。
 
　　2.5 高級電力電子技術
 
　　電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行變換及控制的一種現(xiàn)代技術，節(jié)能效果可達10%～40%，可以減少機電設備的體積并能夠實現(xiàn)最佳工作效率。目前，半導體功率元器件向高壓化、大容量化發(fā)展，電力電子產業(yè)出現(xiàn)了以SVC為代表的柔性交流輸電技術、以高壓直流輸電為代表的新型超高壓輸電技術、以高壓變頻為代表的電氣傳動技術，以智能開關為代表的同步開斷技術，以及以靜止無功發(fā)生器、動態(tài)電壓恢復器為代表的用戶電力技術等。
柔性交流輸電技術是新能源、清潔能源的大規(guī)模接入電網(wǎng)系統(tǒng)的關鍵技術之一，將電力電子技術與現(xiàn)代控制技術相結合，通過對電力系統(tǒng)參數(shù)的連續(xù)調節(jié)控制，從而大幅降低輸電損耗、提高輸電線路輸送能力和保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平。
 
　　高壓直流輸電技術對于遠距離輸電、高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。其中，輕型直流輸電系統(tǒng)采用GTO、IGBT等可關斷的器件組成換流器，使中型的直流輸電工程在較短輸送距離也具有競爭力。此外，可關斷器件組成的換流器，還可用于向海上石油平臺、海島等孤立小系統(tǒng)供電，未來還可用于城市配電系統(tǒng)，接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。輕型直流輸電系統(tǒng)更有助于解決清潔能源上網(wǎng)穩(wěn)定性問題。
 
　　高壓變頻技術最大的優(yōu)點是節(jié)電率一般可達30%左右，但缺點是成本高，并產生高次諧波污染電網(wǎng)。同步開斷(智能開關)技術是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開或閉合。目前，高壓開關大都是機械開關，開斷時間長、分散性大，難以實現(xiàn)準確的定相開斷。實現(xiàn)同步開斷的根本出路在于用電子開關取代機械開關。
 
　　2.6 分布式能源接入技術
 
　　智能電網(wǎng)的核心在于構建具備智能判斷與自適應調節(jié)能力的多種能源統(tǒng)一入網(wǎng)和分布式管理的智能化網(wǎng)絡系統(tǒng)，可對電網(wǎng)與用戶用電信息進行實時監(jiān)控和采集，且采用最經濟與最安全的輸配電方式將電能輸送給終端用戶，實現(xiàn)對電能的最優(yōu)配置與利用，提高電網(wǎng)運營的可靠性和能源利用效率。
 
　　分布式電源（DER）的種類很多，包括小水電、風力發(fā)電、光伏電源、燃料電池和儲能裝置（如飛輪、超級電容器、超導磁能存儲、液流電池和鈉硫蓄電池等）。一般來說，其容量從1kW到10MW。配電網(wǎng)中的DER由于靠近負荷中心，降低了對電網(wǎng)擴展的需要，并提高了供電可靠性，因此得到廣泛采用。特別是有助于減輕溫室效應的分布式可再生能源，在許多國家政府政策上的大力支持下，迅速增長。目前，在北歐的幾個國家，DER已擁有30%以上的發(fā)電量分額。在美國DER目前只占總容量的7%，而預期到2020年時這一份額將達25%。
 
　　大量的分布式電源并于中壓或低壓配電網(wǎng)上運行，徹底改變了傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)單向潮流的特點，要求系統(tǒng)使用新的保護方案、電壓控制和儀表來滿足雙向潮流的需要。然而，通過高級的自動化系統(tǒng)把這些分布式電源無縫集成到電網(wǎng)中來并協(xié)調運行，將可帶來巨大的效益。除了節(jié)省對輸電網(wǎng)的投資外，它可提高全系統(tǒng)的可靠性和效率，提供對電網(wǎng)的緊急功率和峰荷電力支持，及其他一些輔助服務功能，如無功支持、電能質量改善等；同時，它也為系統(tǒng)運行提供了巨大的靈活性。如在風暴和冰雪天氣下，當大電網(wǎng)遭到嚴重破壞時，這些分布式電源可自行形成孤島或微網(wǎng)向醫(yī)院、交通樞紐和廣播電視等重要用戶提供應急供電。
 
　　3 智能電網(wǎng)的功能實現(xiàn)
 
　　目前，智能電網(wǎng)研究較為成熟的主要是美國，美國多個州已開始設計智能電網(wǎng)系統(tǒng)，GE、IBM、西門子、Google、Intel等信息產業(yè)龍頭都已投入智能電網(wǎng)業(yè)務。
 
　　美國能源部中國辦公室的Maitin Schoenbauer出席了2009年6月在天津大學召開的第一屆智能電網(wǎng)研究論壇，介紹了美國智能電網(wǎng)的有關情況。Martin Schoenbauer介紹了“美國能源部智能電網(wǎng)業(yè)務”，美國能源部正在發(fā)起建立智能電網(wǎng)信息共享交流平臺和信息庫，資助智能電網(wǎng)技術研發(fā)項目，并指出清潔能源和智能電網(wǎng)將是中美能源領域合作的重要內容。
美國科羅拉多州的波爾得市是美國第一個智能電網(wǎng)城市。每戶家庭都安排了智能電表，人們可以很直觀地了解當時的電價，從而把一些事情，比如洗衣服、燙衣服等安排在電價低的時間段。電表還可以幫助人們優(yōu)先使用風電和太陽能等清潔能源。同時，變電站可以收集到每家每戶的用電情況。一旦有問題出現(xiàn)，可以重新配備電力。
 
　　在美國西弗吉尼亞州，阿勒格尼電力公司(Allegheny Energy)的“超級電路”項目(Super Circuit project)把先進的監(jiān)測、控制和保護技術結合在一起，從而增強供電線路的可靠性與安全性。該電網(wǎng)將整合生物柴油發(fā)電、能量儲存以及先進的計量基礎設施(智能儀表)和通信網(wǎng)絡，迅速地預測、確定并幫助解決網(wǎng)絡問題。
 
　　美國科羅拉多州科林斯堡（Fort Collins）及該市擁有的公用事業(yè)公司支持多項清潔能源計劃。其中一項涉及在五個用戶區(qū)域內把太陽能和風能等近30種可再生能源結合在一起。該計劃與其他一些分布式供電系統(tǒng)共同支持該市一個稱為FortZED的零能耗區(qū)。
 
　　美國夏威夷大學(University of Hawaii)在研制一個配電管理系統(tǒng)平臺，它采用智能計量作為門戶站，綜合了需求反應、住宅節(jié)能自動化、分布式發(fā)電優(yōu)化管理、配電系統(tǒng)的儲存與負荷、允許配電系統(tǒng)與主電網(wǎng)中其他系統(tǒng)協(xié)調的各種控制手段。
 
　　美國伊利諾伊理工學院(Illinois Institute of Technology )的“完美電力”(Perfect Power)項目應用先進技術建設微型電網(wǎng)的原型，該微型電網(wǎng)能夠對主電網(wǎng)的變化作出反應，增強電網(wǎng)的可靠性，并降低電力需求。