上海智能電網建設實踐和規劃發展

夏 涼

0 引言

當前，節能減排、綠色能源、可持續發展成為各國關注的焦點。人類能源發展面臨的第一挑戰，是以可再生能源逐步替代化石能源，創造能源使用的創新體系。智能電網是應對這一挑戰的最佳解決方案之一，通過運用信息技術徹底改造現有的能源利用體系，最大限度地開發電網體系的能源效率。

在智能電網建設領域，上海一直走在全國前列。上海世博園智能電網綜合示范工程是國內智能電網綜合應用的代表性實踐，通過集中運用并展示多項先進的智能電網技術，為智能電網的集中推進積累了非常寶貴的經驗。為推進智能電網建設，上海在政策法規保障、新技術研發投入、生產運行全方位的實踐應用等方面施行了一系列行之有效的舉措，取得了較為豐碩的成就。展望未來，上海智能電網建設仍任重道遠，需要在智慧城市建設的總框架下，不斷探索、奮力推進，以謀求更大發展。

1 智能電網是建設智慧城市的重點推進領域

1.1 智慧城市和智能電網

關于“智慧城市”的定義目前學術界尚無統一定論，不同組織、學者從不同維度、不同視角發表過對“智慧城市”的不同觀點。“智慧城市”的概念源自于國際商業機器公司（IBM）在2008年提出的“智慧的地球”的愿景。在其《智慧的城市在中國》白皮書中，“智慧城市”被定義為：“能夠充分運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統的各項關鍵信息，從而對包括民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內的各種需求作出智能的響應，為人類創造更美好的城市生活的城市。”城市的運行和發展離不開電力的支撐。智能電網是智慧城市的重點應用領域之一，與醫療、交通、水等八大主要應用領域一起，構成智慧城市建設的關鍵內容。

1.2 智能電網的概念

智能電網并沒有一個確定的定義，各個領域的專家從不同角度闡述了智能電網的內涵，并且隨著研究和實踐的深入對其不斷細化。天津大學余貽鑫院士給出如下定義：智能電網是指一個完全自動化的供電網絡，其中的每一個用戶和節點都得到實時監控，并保證從發電廠到用戶端電器之間的每一點上的電流和信息的雙向流動。智能電網通過廣泛應用的分布式智能和寬帶通信，以及自動控制系統的集成，能保證市場交易的實時進行和電網上各成員之間的無縫連接及實時互動。

根據IBM 中國公司高級電力專家Martin Hauske的解釋，智能電網有3個層面的含義：首先是利用傳感器對發電、輸電、配電、供電等關鍵設備的運行狀況進行實時監控；然后把獲得的數據通過網絡系統進行收集、整合；最后通過對數據的分析、挖掘，達到對整個電力系統運行的優化管理（圖1）。智能電網利用傳感、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），從而打造更加清潔、高效、安全、可靠的電力系統。

總之，智能電網就是通過傳感器把各供電與用電方的各種設備、資產連接到一起，形成一個客戶服務總線，從而對供用電的相關信息進行整合分析，并據此對應的控制措施，以此來實現節能減排，降低成本，提高效率，提高整個電網的可靠性，使運行和管理達到最優化的目的。

1.3 中國智能電網發展的方向和目標

建設什么樣的智能電網曾一度在我國引起巨大爭議。早在智能電網概念傳入我國之初，國內各界就一致認為這是未來電網發展的主要方向，建設智能電網的必要性和重要性成為共識，但是到底如何發展，意見不盡相同。是選擇與歐美國家重在配電、用電環節的智能電網發展模式，還是根據我國能源結構以及清潔能源迅猛發展的基本國情，走有中國特色的智能電網發展之路，成為爭論的焦點。

2009年5月，在北京舉行的特高壓國際會議上，國家電網公司首次提出了建設堅強智能電網的戰略目標，并進一步明確了“以特高壓電網為骨干網架，各級電網協調發展，以信息化、自動化、互動化為特征”的堅強智能電網的概念和內涵。國家電網的智能電網發展理念已與世界越來越趨同，那就是更加重視新能源的接入和用電環節的智能化，當然，還包括能源的大范圍資源配置。

2 上海發展智能電網的客觀要求和內在動力

發展智能電網是滿足節能減排、產業發展、智能用電等要求，實現電網的經濟、高效、可靠、安全運行，實現能源包括可再生能源的規模化高效利用，實現經濟、環境和社會效益的最大化的有效途徑。正是由于這些需求的存在，成為推進上海智能電網建設的巨大動力。

2.1 節能減排的要求

2009年，中國在哥本哈根聯合國氣候變化大會上宣布，2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%。中國已經是全球溫室氣體排放總量最大的國家，電力生產行業作為主要的碳排放來源，必然需要在減少碳排放過程中履行更為重要的義務。如何在確保電網安全穩定運行的同時，提高低碳、清潔能源的使用比例，將是電力行業迫切需要解決的問題。據初步測算，僅風力發電一項，按照至2020年建成風力發電規模約120萬kW計，當年就可減少二氧化碳排放量約280萬t。

2.2 產業升級的要求

智能電網涉及眾多技術領域，上海在傳統電力設備制造行業不占優勢，但智能電網建設為上海在相關產業的提升提供了一個契機，是上海產業結構調整和優化升級的新抓手，有助于促進上海高新技術和新材料的加速發展，是上海產業可持續發展的重要途徑。發展智能電網將涉及信息、通信、裝備制造、智能家用電器等多個領域的技術研發和產品生產。因此，智能電網的建設將大大帶動上海相關產業的發展和智能樓宇、智能家庭、智能交通等一系列建設，并推動技術升級和產業結構調整。

2.3 接受市外來電的要求

上海一次能源匱乏，本地電源難以不斷滿足快速增長的用電需求，需要大規模接受市外來電。目前，上海市外來電通道已有3個500kV交流通道、兩回±500kV直流和一回±800kV特高壓直流通道。在迄今創歷史最高的2010年夏季用電高峰，上海最大市外來電電力占最高用電負荷的比重達到38%。根據電網規劃，未來上海市外來電規模還將進一步擴大。上海電網地處華東電網的末端，大量市外來電使上海電網自我調節能力大大削弱，對電網安全穩定運行提出了很大挑戰。

2.4 新能源接入的要求

上海新能源的發展起步較早，起點較高。崇明前衛村1MW光伏電站是國內第一個商業化運行的兆瓦級太陽能光伏發電項目；東海大橋100MW海上風電場是國內海上風電的第一個示范項目，也是亞洲第一個并網運行的海上風電項目；世博園區并網光伏發電容量達4.687MW；高鐵虹橋站并網光伏發電容量達到6.688MW，是世界上最大的“建筑光伏一體化”項目。未來5年，新能源發電還將有迅猛發展，接入電網的新能源發電容量近100萬kW。大量新能源發電并網后，帶來的間歇性、隨機性和波動性對電網將產生較大沖擊。

2.5 電網調峰的要求

上海作為特大型城市，用電峰谷差巨大。雖然采取了多種手段引導用戶削峰填谷，但用電峰谷差仍逐年增加，近年來一直保持10%左右的增長。2010年，最大用電峰谷差達到10 098MW，占最高用電負荷的38%以上。用電峰谷差加大，導致電網調峰壓力巨大、電網設備平均利用率難以提高。

2.6 電能質量的要求

多年來，上海電網的供電可靠性一直保持國內領先地位，用戶年平均停電時間僅為1.66h，但和新加坡、日本東京等發達國家和地區相比仍有較大差距。同時，隨著社會發展，用戶不再僅僅滿足于“有電用就行”，對電能質量的要求也日益提高。特別是芯片制造等高新技術企業，對電能質量更為敏感。此外，用戶對于計量、付費、業務辦理等客戶服務需求也不斷提高。需要電力部門拓展營銷服務渠道，提供更加可靠、優質、多元化的服務，提高優質服務水平。

3 上海智能電網發展成就

上海電網是我國最大的城市電網，處于華東電網的受端位置，是華東地區乃至全國負荷密度最高的負荷中心。在由傳統電網向智能電網過渡的進程中，上海根據國家智能電網發展的總體戰略，牢牢把握住區位優勢，有計劃、有重點扎實推進智能電網建設。經過幾年來的飛速發展，在發電、輸電、變電、配電、用電、調度、通信信息平臺等電力運行的全方位領域都取得了較大的突破。

3.1 發電環節

截至2012年，上海電網火電機組已經全部實現廠網協調。單機容量為100MW以上的火電機組已全部進行了勵磁參數實測，共覆蓋55個火電機組，覆蓋裝機容量達到19 567.5MW。上海電網目前已接入10個風電場，風電機組臺數155臺，總容量達到317.35MW，所有風電場已實現風電功率預測。上海電網目前的儲能系統主要在漕溪能源轉換綜合展示基地，包括100kW鎳氫電池儲能系統、100kW磷酸鐵鋰電池儲能系統和60kW鈉鹽電池、100kV鈦酸鋰電池和100kV超級電容。嘉定鈉硫電池基地安裝了100kW鈉硫電池儲能系統，崇明前衛村光伏電站安裝了10kW液流電池儲能系統。

3.2 輸電環節

上海電網已于2012年初完成了輸變電設備狀態監測系統建設。在輸電部分，已完成渡郊線等6條220kV線路增容系統接入、泗練線等3條500kV線路在線監測系統數據接入及展示。在變電部分，完成了500kV靜安站等9站變壓器油色譜在線監測裝置接入、500kV徐行站整站在線監測系統接入和220kV瀘定智能變電站一體化平臺接入。2011年7月投入運行的“柔性直流輸電關鍵技術與示范工程”是亞洲第一條擁有完全自主知識產權、具有世界一流水平的柔性直流輸電線路。

3.3 變電環節

截至2012年底，上海電網已經完成220kV瀘定站智能化改造，建成110kV蒙自、封周、華鐵智能變電站。

3.4 配電環節

2012年2月上海電網完成浦東配電自動化工程建設，結合光纖到戶試點工程，實現配電自動化系統與配電網建設的同步實施，提高了配電自動化系統的建設應用效能。一體化智能搶修指揮管理系統（TCM）在上海電網得到全覆蓋應用，實現了電網、客戶以及故障搶修信息在大營銷、大運行、大檢修專業體檢之間的實時動態共享與交互，形成了覆蓋上海電網全域和全市857萬客戶，“統一平臺、統一流程、統一指揮”故障搶修流程管理與綜合指揮管理能力。

3.5 用電環節

全市統一的用電信息采集系統數據平臺正在抓緊建立，通過智能電表的安裝和電力用戶用電信息采集系統的建設，可實現計量裝置在線監測和用戶負荷、電量、電壓等重要信息的實時采集，及時、完整、準確地為“SG186”信息系統提供基礎數據，實現用戶用電信息的匯集和共享。截至2012年，已開展約510萬戶低壓用戶用電信息采集系統試點建設，覆蓋面達到58%。

智能小區是智能用電環節的重要組成部分，是實現電網與用戶之間實時交互響應，增強電網綜合服務能力，滿足互動營銷需求，提升服務水平的重要手段。2011年，奉賢區南橋恒盛豪庭小區建成智能小區，通過對小區通信網絡、用電信息采集系統、智能用電雙向互動服務、智能家居、配電自動化、電動汽車充電設施、智能小區綜合應用展示平臺的建設，實現上海市電力公司與客戶互動，提供多樣化供電服務，提高能效智能化管理水平，提高終端用能效率。

截止至2012年底，上海共建成12座電動汽車充換電站和1 710個交流充電樁，并已建成滬杭高速楓涇服務區城際互聯充換電站一對，初步實現了上海與長三角的電動汽車服務網絡的互聯互通。

3.6 調度環節

上海電網調度管理體系是一個分層結構體系，由市調、11個地調（含崇明、長興）構成兩級調度。上海市調的調度管轄范圍主要是上海電網所屬的發電廠、500kV變電站內的220kV設備部分、220kV變電站及跨地區聯絡線；地調的調度管轄范圍主要是110kV及以下變電站及10kV配電網。上海已初步實現了基于智能電網調度技術支持系統的調控一體化和調度一體化，作為“大運行”體系的技術支撐手段，實現了綜合智能分析與告警、在線安全穩定分析、調度計劃和安全校核等核心功能的上線應用。結合大運行體系技術支撐手段建設，同步完成了智能電網調度應用功能的建設任務。

3.7 通信信息平臺環節

上海電網的傳輸網絡以光纖通信為主，微波、載波、衛星通信為輔，多種傳輸技術并存。目前正開展電力光纖到戶工作，覆蓋新建住宅小區用戶約15萬戶，對已有住宅小區改造，實現電力光纖覆蓋20萬戶。

4 上海智能電網未來發展方向

4.1 發展目標

上海電網的發展要適應上海城市總體布局和轉型發展的要求，為城市提供高質量、可靠的電力；要與國家和區域大電網的發展布局相適應，立足于大電網統籌本地電網，成為“受納容量大、應變能力強、運行靈活、層次分明、結構合理、供電可靠”的現代化城市電網。上海電網將建設成為具有信息化、自動化、互動化的特征，高效、經濟、透明開放、友好互動，體現上海大都市特點、國際領先的智能電網，具備堅強的網架結構，各類電源接入、送出的適應能力，提供全方位、多樣化的的協調和用戶服務，實現安全、可靠、優質、清潔、高效、互動的電力供應。

4.2 技術攻關方向

（1）堅強而靈活的網絡拓撲

堅強、靈活的電網結構是未來智能電網的基礎。上海是全國最大的末端電網，電壓等級涵蓋1 000kV交流、±800kV直流特高壓至民用的380/220V等級。如何進一步優化特高壓和各級電網規劃，做好特高壓交流系統與直流系統的銜接、特高壓電網與各級電網的銜接，促進各電壓等級電網協調發展、送端電網和受端電網協調發展、城市電網與農村電網協調發展、一次系統和二次系統協調發展，成為需要解決的關鍵問題。隨著電網規模的擴大，互聯大電網的形成，電網的安全穩定性與脆弱性問題越來越突出，對主網架結構的規劃設計要求相應地提高。只有靈活的電網結構才能應對冰災戰爭等突發災害性事件對電網安全的影響。

（2）開放、標準、集成的通信系統

智能電網需要具有實時監視和分析系統目前狀態的能力，既包括識別故障早期征兆的預測能力，也包括對已經發生的擾動做出響應的能力。智能電網也需要不斷整合和集成企業資產管理和電網生產運行管理平臺，從而為電網規劃、建設、運行管理提供全方位的信息服務。因此，一個開放、標準、集成的寬帶通信網，包括電纜、光纖、電力線載波和無線通信，將在智能電網中扮演重要角色。智能電網的發展對網絡安全提出了更高的要求，這一問題需要格外注意。

（3）高級計量體系和需求側管理

電網的智能化需要電力供應機構精確得知用戶的用電規律，從而對需求和供應有一個更好的平衡。電表是電力運行數據采集的基礎感知元件，傳統電表只是達到了自動讀取，是單方面的交流，不是雙方的、互動的交流。由智能電表以及連接它們的通信系統組成的先進計量系統能夠實現對諸如遠程監測、分時電價和用戶側管理等的更快捷準確的系統響應。將來隨著技術的發展，智能電表還可能作為互聯網路由器，推動電力部門以其終端用戶為基礎，進行通信、運行寬帶業務或傳播電視信號的整合。

（4）智能調度技術和廣域防護系統

智能調度是未來電網發展的必然趨勢，一方面通過動態優化調度實現發電與負荷的實時平衡，另一方面通過動態監控電網運行信息實現對電網風險的防控。智能調度的目標是建立一個基于廣域同步信息的網絡保護和緊急控制一體化的新理論與新技術，協調電力系統元件保護和控制、區域穩定控制系統、緊急控制系統、解列控制系統和恢復控制系統等具有多道安全防線的綜合防御體系，其核心是在線實時決策指揮，目標是災變防治，以實現對大面積連鎖故障的預防。

（5）分布式能源接入

在發展智能電網時，如何安全、可靠地接入各種分布式能源電源也是面臨的一大挑戰。分布式能源包括分布式發電和分布式儲能。分布式發電技術包括：微型燃氣輪機技術、燃料電池技術、太陽能光伏發電技術、風力發電技術、生物質能發電技術、海洋能發電技術、地熱發電技術等。分布式儲能裝置包括蓄電池儲能、超導儲能和飛輪儲能等。風能、太陽能等可再生能源在地理位置上分布不均勻，并且易受天氣影響，發電機的可調節能力比較弱，需要有一個網架堅強、備用充足的電網支撐其穩定運行。隨著電網接入風電量的增加，風電場規劃與運行研究對風電場動態模型的精度和計算速度提出了更高的要求。

4.3 重點建設領域

在發電方面，推進機組涉網參數評估和在線管理；新能源發電預測及控制技術覆蓋所有3萬kW以上風電場和兆瓦級光伏電站；研究試點新能源發電配置儲能系統的示范應用。

在輸電方面，積極開展靈活交流輸電技術的研究和示范應用，提高電網動態無功儲備；全面推進輸變電設備狀態監測及數據分析中心建設，提高輸變電設備狀態監測覆蓋面和監測內容。

在變電方面，開展智能變電站建設，推廣智能變電站運維管理集約化實施；結合全壽命周期管理，對110kV及以上主要輸變電設備實現狀態檢修。

在配電方面，結合電力光纖到戶，在市中心區和市區其他核心區域開展配電自動化建設；推進配電自動化建設和運行指標優化管理；深化應用故障搶修管理系統；開展電能質量監測系統的深化應用和試點治理；研究試點配電網分布式儲能系統的示范應用。

在用電方面，推進用電信息采集系統“全覆蓋、全采集、全費控”；建設電動汽車充（換）電站和充電樁；示范建設智能園區、智能用電小區/樓宇。

在調度方面，完成智能調度技術支持系統建設；完成調度數據網雙平面和安全防護體系建設。

在通信信息方面，大力推進電力光纖到戶實施，通信網絡覆蓋整個上海電網；全面建成SG-ERP系統，基本達到電力流、信息流、業務流的三流合一。

5 結語

智能電網的全面建設已經開始，隨著建設的推進，將使上海的傳統電網改造成為新一代安全、高效和環保的電網。除了保障上海電力供應的安全穩定，還將極大地提高新能源發電的有效利用，提供更加多樣的客戶服務體驗，促進社會經濟可持續發展。智能電網的發展不僅依賴于技術創新，更需要觀念創新、制度創新和商業模式的創新，使電力相關各方共同參與到智能電網的建設當中，形成“多方參與，互惠共贏”的局面。

References

[1]張柯. 淺述智能電網的發展[J]. 科技資訊，2011（4）：141-142.

ZHANG Ke. Brief Instraction of the Development o f Sm art G rid[J]. Science & Techno logy Information，2011 (4) :141-142.

[2]上海市電力公司. 上海智能電網發展“十二五”規劃[R]. 2012.6.

Shanghai M unicipal Electric Pow er Com pany.Shanghai Smart Grid Development“ 12th Five-Year” Plan[R]. 2012.6.

[3]中新網. 我國引領世界智網建設標準制定[EB/OL]. (2012-08-17)[ 2013-04-07]. http://www.ha.chinanews.com/lanmu/news/1579/2012-08-17/news-1579-176341.shtm l.

Chinanew s.com. China Leads the World’s Standard Fo rm u lating o f In te llec tua l Network Construction[EB/OL]. (2012-08-17)[ 2013-04-07]. http://www.ha.chinanew s.com/lanmu/new s/1579/2012-08-17/new s-1579-176341.shtm l.

[4]李賢毅，鄧曉宇. 智慧城市開啟未來生活-科學規劃與建設[M]. 北京：人民郵電出版社，2012.

LI Xianyi，Deng Xiaoyu. Smart City Opens Future Life - Scientific Planning and Construction [M].Beijing：Posts & Telecom Press， 2012.

[5]國家電網公司國際部. 國外智能電網研究與應用[N]. 國家電網報，2009-05-22（012）.

International Dep. Research and Application of Oversea’s Smart Grid[N]. State Grid，2009-05-22（012）.

[6]陳克生. 城市總體規劃視角下的上海市陸域風電場規劃影響因素分析[J]. 上海城市規劃，2010（4）：39-44.

CHEN Kesheng. Analysis on the In fluence Fac to rs o f Te r re s tr ia l W in d Pow e r Planning in Shanghai from the Perspec tive o f U rban Plann ing[J]. Shanghai U rban Planning Review，2010（4）：39-44.

[7]夏涼. 中心城區電力隧道規劃選線問題研究——以世博站進線電力隧道為例[J]. 上海城市規劃，2010（4）：45-49.

XIA Liang. Related Issues of Power Line Tunnel Planning in Downtown——Take the Expo Station Pow er Line Tunnel as an Exam ple[J]. Shanghai Urban Planning Review，2010（4）：45-49.

[8]夏天鋒. 關于上海市中心城區內變電站建設方式的規劃研究[J]. 上海城市規劃，2006（4）：20-22.

X IA Tian feng. Plann ing Research abou t Construc ting Transfo rm ed Pow er Plant in the Shanghai Cen ter C ity[J]. Shanghai Urban Planning Review，2006（4）：20-22.