智能電網及其關鍵技術綜述

薛春（天津濱江世紀廣場有限公司，天津，郵編： 300021）

1 智能電網的特征及發展現狀

1.1 智能電網的內涵和特征

目前對于智能電網尚未有統一的定義，但一致認為智能電網是一個中長期的目標和愿景(v i s i o n o文獻[13—15]主要強調了突出自愈功能的智能電網，文獻[16—171提出了智能配電網的定義，認為研究重點關注的應為配電網；文獻[18—20]闡述了一種將信息與通信、控制技術集成到電力系統所有相關環節，覆蓋從需求側到發電側以及電力市場的全面智能電力網絡。但也有能源專家認為“互動電網”更能體現下一代電網的特征。

1）自愈的電網(包括對事故的預測與決策）。通過實時采集電力系統的動態信息，及時發現并快速診斷可能存在的隱患，預測故障及其可能引發的系統震蕩和級聯事件，進行風險評估并且采取預防和校正控制手段，如將大電網按照風險等級適當分區等；當故障發生后，迅速把電網中有問題的元件從系統中隔離出去，并自動進行必要的事故控制和恢復控制，保證用戶供電的連續性，防止大面積停電．的發生

2）互動的電網。與傳統的“單向電網”相比，智能電網將實現需求側響應功能，鼓勵用戶參與電力系統的運行和管理。電力供應方與用戶問建立雙向實時的通信系統，可實時通知用戶其電力消費的成本、實時電價、電網目前的狀況、計劃停電信息以及其他一些服務的信息，從而用戶也可以根據這些信息制定自己的電力使用的方案，有助于平衡供求關系，確保系統的可靠性。

3）安全的電網。智能電網的安全策略包含應付威懾、實現預防、檢測和反應，以盡量避免和減輕事故對電網和經濟的影響。智能電網需要通過加強電力企業與政府之間的密切溝通，并且在電網規劃中強調安全風險，加強電網運行安全和網絡安全等手段，提高智能電網抵御風險的能力。

4）優質的電網。新型的智能電網可提供滿足不同用戶需求的優質電能，并且能對電能質量進行分級和價格聯動。

5）高效的電網。通過高速通信網絡實現對運行設備進行在線狀態監測，獲取設備的運行狀態，提高單個資源的利用效率，整體優化調整電網資產的管理和運行，實現最低的運行維護成本及投資。

6）市場化的電網。智能電網通過市場上供給和需求的互動，將形成更為緊密與高效的市場行為模式；通過有效的市場設計可以提高電力系統的規劃、運行和可靠性管理水平，從而促進電力市場的自由買賣以及公平競爭。

7）兼容的電網。智能電網打破了傳統單一的遠端集中式發電，而實現集中發電與分散發電的兼容。各種可再生能源分布式發電和儲能系統以“即插即用”的形式接人，擴大了系統運行調節的可選資源范圍，滿足電網與自然環境的和諧發展。

8）多元化的電網。以輸配電網為物理實體，以集成、高速、雙向的通信網絡信息系統為平臺的智能電網，將電力系統的監視、控制、維護、能量調度、配電管理、市場運營、企業資源計劃等系統統一集合在智能電網大平臺上，在此基礎上實現各種業務的交互與集成。

1.2 各國智能電網發展現狀

目前智能電網建設正處在初始階段。由于不同國家的經濟與發展條件的不同，各國都結合本國的特點來規劃和發展智能電網，因此其發展重點和步驟也不相同。

歐美等發達國家的高科技產業發達，負荷增長相對較小，輸電網架構變化較小，電力工業已步人成熟期，在過去一段時間內電力投資相對較少。但近年的大停電事故使政府對電網安全可靠運行重新予以重視。同時為了最有效地利用資源，這些圍家關注的重點是停電時間最小化和市場效益最大化，更多地從市場、安全、電能質量和環境等方面出發，重點強調信息技術與電網的結合及基于信息的業務重整。許多研究側重從用戶端來考慮智能電網的功能，來建立一個高效、安全、環保、靈活和互動的智能電網。

美國的智能電網突出可再生能源和新技術應用，并力求將分散的智能電網集結成全國性的先進電力網絡，實現全國范圍內的發輸配和用電系統的優化運行和管理，同時進一步考慮與加拿大、墨西哥等地電網互聯和優化合作。

目前，英、法、意等國都在加快推動智能電網的規劃和建設。歐洲智能電網計劃將廣域電力輸送網絡技術與智能電網結合形成廣域智能網絡，最終范圍將覆蓋到歐盟、北非、中東等國家和地區。

在亞洲經濟發達的日本和韓國相繼開展了智能電網的研發。日本政府所定義的智能電網重點在大規模開發太陽能等新能源，確保電網系統穩定。日本政府計劃于2010年開始在孤島進行大規模的智能電網建毅試驗，主要研究在大規模利用太陽能的情況下，如何統一控制電力和頻率的波動，以及儲能技術等課題。2009年3月，東京工業大學成立了“綜合研究院”，并擬進行可再生能源如何與電力系統相融合的智能電網項目。

2 智能電網的關鍵基礎技術

美國能源部下屬國家再生能源實驗室(N R E L）認為智能電網具有如下的特性：具有先進的測量、監視、保護和控制的功能；更加安全、可靠、經濟和環保。智能電網的關鍵基礎技術包括集成的通信技術、先進的傳感和測量技術、先進的電網設備、先進的控制技術以及決策支持和可視化的人機接口技術。

2.1 集成的通信技術

智能電網的通信系統將集成各種通信技術，并可采用開放式的通信網架，具有高速、集成、兼容、雙向的特質，可以動態響應實時信息與功率交互，為智能傳感器和控制裝置、控制中心、保護系統和需求響應系統提供一個安全的“即插即用”的網絡平臺。

2.2 先進的傳感與測量技術

該技術是智能電網信息的基礎，主要用于智能儀表、廣域測量系統和電網設備在線監測方面。

2.2.1 智能儀表

智能電網中的智能儀表(Smart Meter）采用先進測量架構(AMI）新技術，除測量功能以外，還可提供實時電價、供求狀態等更詳盡的用電信息。AMI也引領著未來的自動抄表技術和智能住宅技術的發展。

2.2.2 廣域測量系統(WAMS）

廣域測量系統是由基于全球定位系統(GPS）的同步相量測量裝置PMU群及其通信系統組成。它可以動態地測量和計算電力系統的運行狀態相量和發電機功角。在WAMS基礎上結合先進的控制理論和智能技術開發的廣域保護和控制系統可以快速分析系統狀態，鑒別其安全性。在存在風險的情況下，廣域保護和控制系統可通過切機、切負荷、主動解列和靈活分區等安全控制措施，制止級聯跳閘和縮小停電范圍，還可從集中監視控制發展到分布協調控制。作為自愈電網計劃的一部分，WAMS及其應用已成為電網安全控制的研究熱點。

2.2.3 電網設備的在線監測

該技術包括電氣量以及非電氣量的監測。電氣量監測主要通過監測電網設備的電流、電壓、相角、功率、功率因數等運行狀態量；非電氣量監測則包括監測電氣設備中的介質的壓力、流量、氣體成分、溫度等。采用先進的傳感器通過對以上各狀態量的監視，可完成電網設備的在線診斷，為實施電網設備的狀態檢修和管理提供必要的信息。現時采用電網在線監測技術的應用主要包括變壓器在線監測、斷路器狀態監測以及線路容量動態監測等。

2.3 先進的電網設備技術

先進的電網一次設備是智能電網實現的物理基礎。以下4個方面的電網設備技術發展值得關注：再生能源發電和運行技術；電力電子技術；大容量儲能技術；超導技術。

應當指出，超導技術對于低能耗大容量輸電有重要意義，而電力電子技術和新型儲能技術對提高輸配電網的可控性和穩定性起重大作用，并可使風能等新能源引起的發電功率和頻率不穩定等問題得到解決。另外，在配電系統中的新型的儲能設備，如混合動力汽車充電站及充電電池，也是目前智能電網研發中的熱點。

2.4 先進的控制技術

現代控制理論、優化理論和人工智能技術在控制領域的綜合應用形成了先進的控制技術。其用于智能電網中分析、診斷和預測系統狀態，并確定和采取適當的措施以消除、減輕和防止供電中斷和電能質量擾動。

未來控制技術的分析和診斷功能將引進專家系統，采用自動控制，決策和執行將可在秒級水平上，必將極大地提高電網的可靠性。分布式智能多代理(multi．agent）技術，可用于用戶需求響應，及實現變電站和輸配電線路的分散協調控制。而位于控制中心的高速計算機可運用先進控制技術，并基于WAMS實時信息，實現廣域保護和控制。

2.5 決策支持和可視化技術

決策支持系統可識別和確定電網中的實時問題及發展趨勢，然后運用知識庫和科學推理方法進行分析，以提出解決問題和決策支持的方案，并將相應的系統情況、多種選擇以及每種選擇的可行性等展示給運行人員。它也可用于需求側管理系統(DSM）和用戶的需求響應。而可視化技術則將各種信息形成便于運行人員分析和決策的可視化信息，從而大大提高工作效率和決策準確性。

將上述各種基礎技術進行集成與綜合應用，可以形成智能電網的各種功能系統(如新一代的能量管理系統、設備監測系統和市場運營系統等），共同實現現代電網安全、可靠、經濟、優質運行的目標。3A R EVAT&D對智能電網建設的看法

阿海琺輸配電公司(A R EVAT&D）正積極開展智能電網最新技術的研發和提供智能電網相關的先進設備、系統和服務。為了確保電力系統的安全可靠運行和取得最好的經濟效益，并實現節能、環保和可持續發展，A R EVAT&D認為，在智能電網建毅中需要特別注意以下幾點：

1）智能電網是一個長遠目標，建設智能電網一定要注意實效，從實際情況和需要出發，有計劃、有步驟、有重點地予以實施，且應先試點再推廣。

2）應當優先發展堅強的輸電網架，形成良好的一次系統，注意加強一次系統運行可靠性和操作控制的靈活性。在這方面直流輸電技術和FACTS技術應予以重視。

3）在發展優良的一次系統同時，大力加強新技術在二次保護和控制系統中的綜合與集成應用。特別是WAMS技術和在此基礎上發展的廣域保護和控制系統，以及新一代的基于PMU的能量管理系統和設備監測系統，必將對電力系統的安全可靠優質運行發揮重大作用，可予以重點研發應用。

4）在條件許可的地方，大力發展可再生能源。但應先進行試點，并重點解決大功率風力發電并網運行可能引起的頻率和電壓的波動和穩定問題，確保系統安全。

5）在智能輸電網建設同時，應積極對智能配電網建設進行規劃，對關鍵新技術(如風力和太陽能發電、分布式發電、微網技術等）進行重點研發和試點應用。大力推進配電系統數字化、信息化和自動化，促進市場環境下的需求側響應與互動，積極研發相應的關鍵技術，包括數字計量、雙向通信、基于PMU的新一代變電站和饋線自動化系統和配網實時監控和可視化決策支持系統等各個方面。

6）要建設好智能電網，不僅需要智能技術(smarttechnology）還必須有產、學、研相結合的優秀的智能電網建設團隊(smartteam），并積極促進和大力開展國際合作，從而可制訂統一的智能電網標準，有效地進行關鍵技術的合作研發和國際交流，建設高質量的智能電網。