智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)綜述

張紅日

（山西省長治市供電公司，山西 長治 047300）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的集中發(fā)電以及遠(yuǎn)距離輸電工程的發(fā)展，電力系統(tǒng)已逐步轉(zhuǎn)化為一種大型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此國內(nèi)很多場合也稱智能電網(wǎng)為互聯(lián)電網(wǎng)。智能電網(wǎng)的提出，將解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)無法解決的問題，具體體現(xiàn)在發(fā)電模式的轉(zhuǎn)變（由污染環(huán)境的發(fā)電方式向清潔、環(huán)保的發(fā)電方式轉(zhuǎn)變），不再僅僅依靠石化資源（煤、石油、天然氣等），大力發(fā)展可再生資源，從根本上改變電力設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)備的在線監(jiān)測問題，有效改善電能質(zhì)量、可靠性等。

目前無論是歐盟、美國還是亞洲地區(qū)都針對“智能電網(wǎng)”技術(shù)展開了研究。歐盟理事會(huì)于2006年發(fā)布了能源綠皮書，指出智能電網(wǎng)技術(shù)是未來電網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向。同年，美國IBM 公司也相繼提出了智慧地球的概念，并就智能電網(wǎng)技術(shù)與相關(guān)的電力技術(shù)方案進(jìn)行了研究。伴隨著我國清潔能源的發(fā)展，在未來的10年～30年內(nèi)，電網(wǎng)的優(yōu)化改革將全面展開，目前我國華東電網(wǎng)已開展了智能電網(wǎng)方面的研究，預(yù)計(jì)華東電網(wǎng)在2030年可全面實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)系統(tǒng)。

1 智能電網(wǎng)的概念、特點(diǎn)和問題

1.1 智能電網(wǎng)基本概念［1］

目前，智能電網(wǎng)還沒有統(tǒng)一的概念，IBM 給出的定義是：運(yùn)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)及新的智能化技術(shù)手段，將電力企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)及新的智能化技術(shù)手段，電力企業(yè)的各種設(shè)備、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)任務(wù)及工作有機(jī)地聯(lián)系在一起，在一種“公共信息模型”的基礎(chǔ)上自動(dòng)收集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對供電系統(tǒng)的運(yùn)行及電力企業(yè)的經(jīng)營管理進(jìn)行全面、深入的分析，客觀正確地優(yōu)化其資產(chǎn)管理和供電服務(wù)。

美國能源部現(xiàn)代電網(wǎng)委員會(huì)則是從廣義的角度定義智能電網(wǎng)，是將先進(jìn)的傳感技術(shù)、控制理論、通信等先進(jìn)技術(shù)集成到現(xiàn)行的電力系統(tǒng)的輸配電領(lǐng)域的一項(xiàng)綜合技術(shù)。

目前我國智能電網(wǎng)的定義是：以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能化電網(wǎng)。

從美國、歐洲及國內(nèi)的研究來看，智能電網(wǎng)是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)（我國是以超高壓電網(wǎng)為基礎(chǔ)），將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。它以充分滿足用戶對電力的需求和優(yōu)化資源配置，確保電力供應(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，滿足環(huán)保約束、保證電能質(zhì)量、適應(yīng)電力市場化發(fā)展等為目的，實(shí)現(xiàn)對用戶可靠、經(jīng)濟(jì)、清潔、互動(dòng)的電力供應(yīng)和增值服務(wù)。

1.2 智能電網(wǎng)的特點(diǎn)

根據(jù)智能電網(wǎng)的定義，很多學(xué)者都將智能電網(wǎng)的特點(diǎn)總結(jié)為以下幾個(gè)方面［2，3］：

（1）自愈性：實(shí)時(shí)在線掌握電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，對電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行趨勢預(yù)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速診斷故障并進(jìn)行故障處理；當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，在沒有或少量人工干預(yù)的情況下，能夠快速地隔離故障、自我恢復(fù)，避免大面積停電的發(fā)生。

（2）高度集成：通過流程優(yōu)化、信息整合，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理、生產(chǎn)管理、調(diào)度自動(dòng)化與電力市場管理業(yè)務(wù)的高度集成，通過系統(tǒng)監(jiān)測、控制、保護(hù)、維護(hù)、調(diào)度和電力市場管理的數(shù)字化集成，形成完善的輔助決策體系，從而提高電力企業(yè)的管理效率。

（3）互動(dòng)：實(shí)現(xiàn)與用電用戶的智能互動(dòng)。通過控制用戶側(cè)的用電設(shè)備和裝置，能夠有效地開展電力交易，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，提供最佳的電能質(zhì)量和供電可靠性。通過能量管理系統(tǒng)有效地減少電能的開銷。

（4）優(yōu)化：實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等全壽命周期環(huán)節(jié)的優(yōu)化，合理安排設(shè)備的運(yùn)行與檢修，提高資產(chǎn)的利用效率，有效地降低運(yùn)行維護(hù)成本和投資成本，減少電網(wǎng)損耗。

（5）兼容：電網(wǎng)能夠同時(shí)適應(yīng)集中發(fā)電與分散發(fā)電模式，實(shí)現(xiàn)與負(fù)荷側(cè)的交互，支持風(fēng)電等可再生資源的接入，擴(kuò)大系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的可選資源范圍，滿足電網(wǎng)與自然環(huán)境的和諧發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化的電力和通訊界面接點(diǎn)將使得用戶可以連接燃料電池、可再生資源發(fā)電及其他分散的電源，并以簡單的“即插即用”方式來實(shí)現(xiàn)。

智能電網(wǎng)與當(dāng)前電網(wǎng)的主要區(qū)別在于：①智能電網(wǎng)電價(jià)信息的透明性更優(yōu)、電價(jià)方案種類可操作性更好；②智能電網(wǎng)的系統(tǒng)快速恢復(fù)能力更優(yōu)；③智能電網(wǎng)能夠針對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)并處理；④根據(jù)電網(wǎng)的變化，智能電網(wǎng)能夠進(jìn)行快速的拓?fù)渲貥?gòu)；⑤智能電網(wǎng)可視化技術(shù)更高，能夠提供更強(qiáng)的輔助決策功能。

1.3 智能電網(wǎng)的基本問題

智能電網(wǎng)需要從發(fā)電側(cè)實(shí)現(xiàn)智能發(fā)電和智能輸電，變電側(cè)實(shí)現(xiàn)智能變電、智能配電和智能調(diào)度，而用戶側(cè)需要實(shí)現(xiàn)智能用電。因此若要實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)，則需要解決以下基本技術(shù)問題：

（1）隨著國家政策以及環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，新能源與分布式電源將占很大的比重，如何處理系統(tǒng)分布式電源接入過程中的并網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行、控制和預(yù)測等將成為重點(diǎn)研究的技術(shù)問題，例如風(fēng)能、太陽能、大容量儲(chǔ)能裝置的并網(wǎng)發(fā)電。

（2）智能電網(wǎng)下的輸電線路動(dòng)態(tài)狀態(tài)監(jiān)測以及預(yù)警問題。設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行快速仿真和模擬的輸電線路技術(shù)、高級(jí)保護(hù)和控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)智能輸電，有效保障輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）傳統(tǒng)變電站的改造問題。采用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能化的電氣設(shè)備、自動(dòng)化的運(yùn)行管理系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的樞紐變電站改造成智能變電站，能夠處理海量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及處理，從而實(shí)現(xiàn)變電站的智能化、數(shù)字化。

（4）目前的配電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善，自動(dòng)化程度較低，信息管理不夠健全。如何構(gòu)建高效、合理的配電網(wǎng)絡(luò)是智能電網(wǎng)發(fā)展的基本問題。

（5）傳統(tǒng)用電設(shè)備的智能化和信息采集交互能力較低，用戶端的交互較差。積極采用智能電表等高級(jí)計(jì)量裝置，能夠有效地實(shí)現(xiàn)用戶與電網(wǎng)的交互，提高用戶的服務(wù)質(zhì)量，滿足用戶的多元化用電需求。

（6）在傳統(tǒng)調(diào)度的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出全面而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完善智能安全預(yù)警功能。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠快速地進(jìn)行自愈，利用先進(jìn)的可視化技術(shù)，不斷簡化調(diào)度工作。

2 智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于多Agent技術(shù)的智能調(diào)度方法［4］

目前電能無法被大規(guī)模存儲(chǔ)，電能的生產(chǎn)和使用是同時(shí)的，導(dǎo)致電力系統(tǒng)表現(xiàn)出一定程度的不確定性。而Agent系統(tǒng)是一種設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軟件系統(tǒng)的途徑，隨著Agent技術(shù)的不斷發(fā)展，其被應(yīng)用到了電力系統(tǒng)的多個(gè)領(lǐng)域，例如電力市場、電力系統(tǒng)故障診斷和電網(wǎng)調(diào)度。

現(xiàn)代能量控制中心突破了以往的集中式的體系結(jié)構(gòu)，目前正向分布式和開放式的方向發(fā)展。針對新一代的EMS系統(tǒng)開放式體系結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)調(diào)度方法很多，如基于多Agent技術(shù)的能量控制中心架構(gòu)。

基于多Agent技術(shù)的智能調(diào)度系統(tǒng)模式是一種比傳統(tǒng)EMS系統(tǒng)規(guī)模更龐大的應(yīng)用軟件，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)故障分析、故障恢復(fù)決策、電力市場決策支持；能夠接收SCADA 系統(tǒng)、故障信息系統(tǒng)以及廣域測量系統(tǒng)（WAMS）的數(shù)據(jù)，通過多Agent相互協(xié)調(diào)制定決策方案，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度的決策支持。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)、CPS的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)過程中起著關(guān)鍵的作用，高效穩(wěn)定的電力通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)視和控制電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過掌握電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)預(yù)防事故的發(fā)生和清除故障。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在全球范圍的發(fā)展，新一代的通信網(wǎng)絡(luò)也在逐步完善。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將電網(wǎng)中的各種測量設(shè)備、控制設(shè)備以及執(zhí)行裝置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，從而實(shí)現(xiàn)信息的相互傳遞，保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。但是目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、CPS 技術(shù)還處于發(fā)展階段，很多技術(shù)還局限于單一的應(yīng)用方向，沒有一個(gè)統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。若要實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)、CPS技術(shù)的智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，仍然需要很長一段時(shí)間的發(fā)展。目前面臨的問題主要集中體現(xiàn)在：①如何實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的開放應(yīng)用；②基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議問題；③如何實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)與智能設(shè)備之間的物物相連。

2.3 分布式能源管理技術(shù)

分布式能源（DR）是指安裝在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，主要包括分布式電源（DG）和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)還包含負(fù)荷側(cè)能源管理系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（CHP）。分布式的電源形式主要包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和小水電等，而分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)則包括燃料電池和蓄電池等。隨著分布式發(fā)電裝機(jī)容量的不斷上升，分布式電源并網(wǎng)發(fā)電是智能電網(wǎng)發(fā)展的大勢所趨。分布式電源技術(shù)的研究主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）針對分布式電源能源間歇性的特點(diǎn)，如何進(jìn)行分布式能源的運(yùn)行優(yōu)化管理。

（2）未來智能電網(wǎng)技術(shù)中的分布式電源接入標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)劃方案的制定。

（3）由于分布式電源的接入，使得傳統(tǒng)的保護(hù)方法不再適用，需要研制新的保護(hù)方法和技術(shù)。目前有部分學(xué)者進(jìn)行了基于載波通信的配電網(wǎng)保護(hù)方面的研究，并取得了一定的效果。

（4）如何提高分布式電源的利用效率，將分布式電源并入大電網(wǎng)是提高輸電和電能質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.4 智能計(jì)量技術(shù)與用戶需求側(cè)管理

隨著智能化儀表的不斷普及，用戶側(cè)和發(fā)電側(cè)的智能儀表能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的電價(jià)計(jì)量。在智能電網(wǎng)中，必須實(shí)現(xiàn)智能儀表體系架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)當(dāng)前體系架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

（1）通過智能調(diào)度、運(yùn)行和規(guī)劃，將海量處理的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)提供給運(yùn)行人員，從而提高供電的可靠性以及資產(chǎn)的合理應(yīng)用。

（2）利用DSM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶端需求側(cè)的用電信息的優(yōu)化控制，從而為用戶提供可靠的電價(jià)信息，電價(jià)高時(shí)少用電，電價(jià)低時(shí)多用電，真正實(shí)現(xiàn)供電企業(yè)與用戶的實(shí)時(shí)互動(dòng)。

（3）根據(jù)智能儀表的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，從而提高效率和降低運(yùn)行成本。

3 結(jié)論

智能電網(wǎng)技術(shù)是未來全球的發(fā)展目標(biāo)，無論是在系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和控制方面，智能電網(wǎng)技術(shù)都優(yōu)于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，大力發(fā)展和研發(fā)智能電網(wǎng)技術(shù)將成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

［1］ 牛朋超，康積濤，李愛武.智能電網(wǎng)開啟電網(wǎng)運(yùn)行新形式［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（19）：241－243.

［2］ 施婕，艾芊.智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（19）：1－4.

［3］ 李興源，魏巍，王渝紅，等.堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（17）：1－7.

［4］ 狄義偉.面向未來智能電網(wǎng)的智能調(diào)度研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010：25－30.