智能電網及其關鍵技術

上海市節能協會 藍毓俊

國家電網公司于2009年5月21日發布了建設“堅強智能電網”的發展規劃。到2020年將全面建成統一的“堅強智能電網”，以統一規劃、統一標準、統一建設為原則，以特高壓電網為骨干網架，各級電網協調發展，具有信息化、自動化、互動化特征的現代化電網。

1 智能電網的提出和發展

1.1 什么是智能電網

智能電網(Smart Grid)最早于2003年6月，由美國“未來能源聯盟智能電網工作組”提出的。當時提出智能電網的定義為“集成了傳統的現代電力工程技術、高級傳感和監視技術、信息與通信技術的輸配電系統，具有更加完善的性能并且能夠為用戶提高一系列增值服務”。目前各國專家對智能電網有多種解釋，在世界上還沒有一個很權威的統一的定義。在以后的一些報告中所提出的智能電網定義，在說法上也有所不同，但基本含義還是一致的。例如有的專家提出智能電網是利用傳感、嵌入式處理、數字化通信和IT技術，將電網信息集成到電力公司的流程和系統，使電網可觀測（能夠監測電網所有元件的狀態），可控制（能夠控制電網所有元件的狀態）和自動化（可自適應并實現自愈）；也有專家認為智能電網是通過信息技術和電力運營技術結合起來，使電力系統各部分（發電、輸電、變電、配電、用電等）自動化的數據結合起來，以實現完全的終端對終端的系統進入視野——可視化（a total end-to-end systems view）的電網等。

1.2 對于“智能電網”的不同看法

我國專家認為：智能電網應包含電力系統的發電、輸電 、變電 、配電 、用電和調度共六個領域，具有信息化、數字化 、自動化 、互動化等主要“智能”技術特征；

美國發展智能電網的重點在配電和用電側，推動可再生能源發展，注重商業模式的創新和用戶服務的提升等。

1.3 美國的智能電網計劃

1）美國的智能電網計劃

2009年美國總統奧巴馬宣布計劃撥40億美元，用于投資智能電網。美國統稱為統一智能電網（Unified National Smart Grid），是指將基于分散的智能電網結合成全國性的網絡體系。

2）美國建設智能電網的主要作用

美國希望通過建設統一智能電網實現美國電力網絡的智能化，以解決分布式能源體系的需要，并以長短距離、高低電壓的智能網絡來連接客戶電源。

在保護環境和生態系統前提下，營建新的輸電電網，實現可再生能源的優化輸配，提高電網的可靠性和清潔性等。智能電網可以平衡整合類似美國亞利桑那州的太陽能發電和俄亥俄州的工業用電等跨州用電的需求，實現全國范圍內的電力優化調度、監測和控制，從而實現美國整體的電力需求管理，為實現美國跨區的可再生能源提供平衡。

解決太陽能、氫能、水電能和車輛電能的存儲，以幫助用戶出售多余電力，包括解決電池系統向電網回售富裕電能。實際上，這個體系就是以美國的可再生能源為基礎，實現美國發電、輸電、配電和用電體系的優化管理。

3）美國建設智能電網的初步規劃

美國正在規劃建設美國第一座全集成“智能電網城市”——科羅拉多州（Colo）博爾德市（Boulder）的智能電網。美國建設智能電網規劃也考慮了將加拿大、墨西哥等地電力整合的合作。

1.4 歐洲的智能電網計劃

1）歐洲的智能電網

歐洲把智能電網稱為超級智能電網（Super Smart Grid）。它是將廣域電力輸送網絡與智能電網結合起來的廣域智能網絡，使用范圍涉及歐盟、北非、中東等國家和地區；通過超級智能電網計劃，充分利用潛力巨大的北非沙漠太陽能和風能等可再生能源發展滿足歐洲的能源需要，完善未來的歐洲能源系統；

2）歐洲建設智能電網的策略

2006年歐盟理事會的能源綠皮書《歐洲可持續的、競爭的和安全的電能策略》明確強調，歐洲已進入一個新的能源時代，智能電網技術是保證歐盟電網電能質量的一個關鍵技術和發展方向。目前，英、法、意等國都在加快推動智能電網的應用和變革。

2009年初，歐盟有關圓桌會議進一步明確要依靠智能電網技術將北海和大西洋的海上風電、歐洲南部和北非的太陽能融入歐洲電網，以實現可再生能源大規模集成的跳躍式發展。

2 國家電網公司建設“堅強智能電網”的發展規劃

國家電網公司建設“堅強智能電網”的發展規劃分為以下三個階段：

第一階段2009年～2010年為規劃試點階段。重點開展堅強智能電網發展規劃工作，制定技術和管理標準，開展關鍵技術研發和設備研制，開展各環節的試點工作。

第二階段2011年～2015年為全面建設階段。加快特高壓電網和城鄉配電網建設，初步形成智能電網運行控制和互動服務體系，關鍵技術和裝備實現重大突破和廣泛應用。

第三階段2016年～2020年，為引領提升階段，全面建成統一的堅強智能電網，技術和裝備全面達到國際先進水平。屆時，電網優化配置資源能力大大提升，清潔能源裝機比例達到35%，分布式電源實現“即插即用”，智能電表普及應用。

上海市電力公司為了打造建設堅強智能電網的目標，積極為建設堅強智能受端電網打下基礎，其中 包括完成建設國網公司信息化“SG186”示范工程；2010年建成100千瓦級儲能電站示范工程；研發電動汽車及相配套的充電站技術；在崇明建成兆瓦級光伏發電站及智能電網的示范工程；建成國內最大海上100兆瓦東海大橋風電場；建成符合IEC標準的智能化（數字化）變電站；初步建成上海電網電能質量監測系統等。規劃實現“電力流、信息流、業務流”高度一體化融合，將上海世博園區電網建設成我國堅強智能受端電網的示范工程等。

3 國家電網公司建設堅強智能電網的基本內涵

“堅強”和“智能”是堅強智能電網的基本內涵。信息化是指實時和非實時信息的高度集成、共享與利用；數字化是指電網對象、結構、特性及狀態的定量描述和各類信息的精確高效采集與傳輸；自動化是指電網控制策略的自動優選、運行狀態的自動監控和故障狀態的自動恢復；互動化是指電源、電網和用戶資源的友好互動和協調運行。因此堅強智能電網是以堅強網架為基礎，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節，覆蓋所有電壓等級，實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合，是堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放、友好互動的現代電網。

4 智能電網的主要特征

4.1 自愈

有自愈能力的現代化電網可以發現并對電網的故障作出反應，快速解決，減少停電時間和經濟損失；突出智能電網的自愈功能制止級聯事件演變成大的停電事故，實施事件響應的快速仿真決策，主動介列靈活分區的分布協調/自適應控制以及在緊急狀態下對分布式能源的輔助服務；具有故障定位與隔離（FLIR，對減少停電時間意義較大）和 網絡重構，非故障部分迅速恢復供電功能；注重電壓與無功控制（VVC）支持電網自愈；當系統拓撲結構發生變化時，繼電保護具有再整定功能RPR，實現智能化電力系統更新運行方式后的保護，以達到電網在任一重構時，要求一個新的電網方案和繼電保護的配合等。

4.2 安全及可靠性

現代化的電網在建設時即考慮徹底的安全和可靠性，開展提高電網安全和可靠性的戰略研究，提高整個電力系統運行的安全性、可靠性和穩定性。

4.3 互動性

在現代化電網中，商業、工業和居民等能源消費者可以看到電費價格、有能力選擇最合適自己的供電方案和電價；開展研制高級電能表為基礎的計量體系（AMI），這是一種基于開放性的標準化發展模式、是將所有消費者信息一體化的方法，它能讓消費者能更高效地利用電能，及時探測系統中的問題，從而讓電力公司可以快速診斷和消除故障隱患。高級計量體系能實現“友好型消費高效”概念中的“設備價格”，例如能源按其成本被實施定價的價格信號，被傳輸到“智能”家庭控制或終端消費設備上，這些設備能自動的一次處理基于此時的消費愿望以及此時系統能力的信息，從而節約了那些本會被大量消耗的能源。

4.4.提供適應21世紀需求的電能質量

現代化的電網不會有電壓跌落、電壓尖刺、擾動和中斷等電能質量問題，適應數據中心、計算機、電子和自動化生產線的需求；

4.5.適應所有的電源種類和電能儲存方式

現代化的電網要允許各類可再生能源、清潔能源、新能源和分布式供能的即插即用地連接，包括電能儲存設備等。

4.6 可市場化交易

現代化的電網支持持續的全國性、區域性及省市間的電力市場交易，允許地方性與局部的電力改革或電力市場的革新。

4.7 優化電網資產提高運營效率

現代化電網可以在已建成系統中提供更多的能量，僅需建設少許新的基礎設備，花費很少的運行維護成本。

5 智能電網的關鍵技術領域

5.1 發電領域：風電場、光伏發電及分布式供能的并網和儲能關鍵技術研究；

5.2 輸電領域：安全監控（大電網安全穩定控制、網域測量技術、相量測量裝置、傳感器和量測技術）；特高壓交直流相關設備研制和關鍵技術研究；750kV可控電抗器和串補補償裝置關鍵技術研究及相關設備研制等；

5.3 變電領域：智能化（數字化）變電站、靈活交流輸電技術、無功補償發生器（STATCOM,SVC）、故障電流限制器的研究，尤其是對超導技術包括超導電纜、超導變壓器及超導儲能系統等關鍵技術研究；

5.4 配電領域：儲能技術（鈉流電池）、電動汽車充電、配電自動化、微電網技術框架和接入技術與分布式儲能裝置研究；

5.5 用電領域：智能電表、用電信息采集系統、可再生能源即插即用技術；雙向互動營銷技術、示范工程建設及高級量測和家電控制配套技術研究；

5.6 調度領域：一體化智能調度系統、電網調度可視化、數字化電網、智能調度管理模式和技術支持系統以及智能電網信息架構與模型的研究等。