智能電網研究現狀

蘇才普

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

1 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劇。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，建造能源使用的創新體系，以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。因此期望通過一個數字化信息網絡系統將能源資源開發、輸送、存儲、轉換(發電)、輸電、配電、供電、售電、服務以及蓄能與能源終端用戶的各種電氣設備和其他用能設施連接在一起，通過智能化控制實現精確供能、對應供能、互助供能和互補供能，將能源利用效率和能源供應安全提高到全新的水平，將污染與溫室氣體排放降低到環境可以接受的程度，使用戶成本和投資效益達到一種合理的狀態，即智能電網的思想。針對智能電網技術，美國和歐洲已經形成強大的研究群體，研究內容覆蓋發電、輸電、配電和售電等環節，許多電力企業也在如火如荼地開展智能電網建設實踐，通過技術與具體業務的有效結合，使智能電網建設在企業生產經營過程中切實發揮作用，最終達到提高運營績效的目的。隨著我國特高壓電網的建設和電力體制改革的不斷深化，智能電網也將成為我國電網發展的一個新方向。在宏觀政策層面，電力行業需要滿足建設資源節約型和環境友好型社會的要求;在市場化改革層面，電能交易手段與定價方式正在改變，市場供需雙方的互動將越來越頻繁，電網必須能夠靈活地支持各種電能交易。本文將綜述智能電網的概念以及國內外研究現狀，結合我國能源分布及電網特點，分析我國發展智能電網的條件和需要解決的關鍵技術問題。

2 智能電網的發展歷程

2005年，一位名叫馬克·坎貝爾的加拿大人發明了一種無線控制器，這種控制器與大樓的各個電器相連，讓大樓里的電器互相協調，減少了大樓在用電高峰期的用電量。歐美各國對智能電網的研究開展較早，且已經形成強大的研究群體，由于各國的具體情況不同，其智能電網的建設動因和關注點也存在差異。我國電力行業緊密跟蹤歐美發達國家電網智能化的發展趨勢，著力技術創新，研究與實踐并舉，在智能電網發展模式、理念和基礎理論、技術體系以及智能設備等方面開展了大量卓有成效的研究和探索。2009年5月，在北京召開的“2009特高壓輸電技術國際會議”上，國家電網公司正式發布了“堅強智能電網”發展戰略。2009年8月，國家電網公司啟動了智能化規劃編制、標準體系研究與制定、研究檢測中心建設、重大專項研究和試點工程等一系列工作。在2010年3月召開的全國“兩會”上，溫家寶總理在《政府工作報告》中強調:“大力發展低碳經濟，推廣高效節能技術，積極發展新能源和可再生能源，加強智能電網建設”。這標志著智能電網建設已成為國家的基本發展戰略。

3 國內外智能電網的發展現狀

3.1 國外智能電網現狀

歐美各國對智能電網的研究開展較早，且已經形成強大的研究群體，由于各國的具體情況不同，其智能電網的建設動因和關注點也存在差異。

2001年意大利的電力公司就安裝和改造了3000萬臺智能電表，建立起了智能化計量網絡，歐洲其他國家也將智能網絡作為一項革命進行推廣。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》(A European Strategy for Sustainable，Competitive and Secure Energy)明確強調歐洲已經進入一個新能源時代，而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。其他國家也紛紛啟動智能電網相關研究和建設規劃。日本政府計劃在與電力公司協商后，于2010年開始在孤島進行大規模的構建智能電網試驗;韓國計劃在2011年前建立一個“智能電網”綜合性試點項目，屆時能提高該國環保能源的能力;澳大利亞政府在最新的預算案中已劃撥1億澳元用于智能電網建設。

德國人在加速新能源的應用范圍，最好令其無空不入。他們的新計劃是，在每個家庭的房頂上，都裝上太陽能發電裝置，再在庭院里建一個小型風能發電站，用它們來滿足每個家庭對電和熱的全部需求。一張無所不能的智能電網正在鋪開。這張網建立起來之后，新能源的利用率幾乎可以達到100%。這才是真正的能源革命。

美國發展智能電網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。2006年，美國IBM公司與全球電力專業研究機構、電力企業合作開發了“智能電網”解決方案。電力公司可以通過使用傳感器、計量表、數字控件和分析工具，自動監控電網，優化電網性能、防止斷電、更快地恢復供電，消費者對電力使用的管理，也可細化到每個聯網的裝置。2009年2月，IBM與地中海島國馬耳他簽署協議——雙方將建立一個“智能公用系統”，以實現該國電網和供水系統的數字化，其中包括在電網中建立一個傳感器網絡。IBM將提供搜集分析數據的軟件，幫助電廠發現機會，降低成本以及碳的排放量。

3.2 國內智能電網現狀

隨著我國經濟的快速發展，對電力的需求日益增強，而國內能源結構不合理、能源分布不均衡嚴重制約電力行業的發展。特高壓電網解決了遠距離、大容量輸電問題，在一定程度上解決了能源輸送問題，但“重電源輕電網”導致供電可靠性較低，同時網架結構薄弱則限制了新能源有效利用。2007年10月，華東電網正式啟動了以提升大電網安全穩定運行能力為目的的智能互動電網可行性研究項目。2008年4月，在前期智能電網研究成果的基礎上，華東電網啟動高級調度中心項目群建設，該項目是智能電網建設藍圖“三步走”的第一階段“鞏固提升”的重點內容。2009年5月21日，在北京召開的“2009特高壓輸電技術國際會議”上，國家電網公司正式宣布將建設“堅強的智能電網”，并公布了規劃試點、全面建設、引領提升三階段的建設方案。

4 智能電網的原動力和主要特征

智能電網的原動力對智能電網的實現起著至關重要的作用。其中可以歸納為以下四個方面:

(1)實現大系統穩定安全運行，避免大規模停電的風險，提高設備使用率。近年來全世界大規模停電的案例頻發。以2005年莫斯科南部、西南和東南市區發生的大面積停電事故為例，大停電使莫斯科電網321座變電站全停，損失負荷3539.5MW，莫斯科市約有一半地區的工業生產、商業活動和交通運輸陷入癱瘓。一天之后才完全恢復正常供電。一般觀點認為提高系統的全局可視化程度和預警能力，與使用較好的、靈巧的和快速的控制是增強電網的可靠性和避免系統崩潰的關鍵。

(2)分布式電源的大量介入和充分應用。隨著新能源的不斷發展，同時基于環境保護、節能減排和可持續性發展的要求，人類更加深入地研究和利用潔凈能源，各國家已經把可再生能源的實施提升為國家戰略高度。分布式發電是靠近它服務負荷的小規模電力發電技術，它能夠降低成本、提高可靠性，減少排放量和擴大能源選擇。風能和太陽能在地理上是天然分布的，所以次兩類發電技術受到廣泛重視。當大量的分布式電源集成到大電網中時，多數是直接接入各級配電網。此時電網自上而下都成了支路上潮流可能雙向流動的電力交換系統，從而提出了如何處理數以萬計的分布式電源和應對其發電的間歇性，以確保電網的可靠性和人身與設備安全的問題。

(3)峰荷問題和需求側管理。現階段還沒有經濟有效的大容量儲存電能地手段。電的發生和消費必須保持平衡，而電力變化是隨著時間變化的。例如夏天，商業區、住宅空調使用率的提高會讓點需求量大幅提高。為滿足供求平衡，電力設施必須根據全年的峰荷來規劃和制造。由于系統處于峰負荷附近的時間每年很短，所以電力資產利用率低下。解決辦法是縮小負荷曲線峰谷差，而現實系統中存在著大量能與電網友好合作的可平移負荷，其比重超過運行儲備。因此，高級配電市場的開發就迫在眉睫。通過電力公司與終端的互動，實現更具有彈性的負荷需求特性，優化資產管理和利用，同時為用戶提供多種選擇性。消費者不僅可以從中獲利，而且感到舒適方便。

(4)對電網各種約束日益嚴格(提高可靠性、提高電能質量、節能降損和環保)。近20年來，通信和信息技術得到了長足的發展，數字化技術在各行各業的應用日益普及。它對電網的供電可靠性和電能質量提出了很高的要求。然而，目前的電網不僅滿足不了數字化社會的需要;同時，它在數字化技術的自身應用方面也相對落后，特別是在配電網方面，盡管技術的進步已經使得對電力系統的實時監控和資產管理進一步擴展到配電網絡日益經濟可行。

綜上所述，需要把目前的電網加以轉換，使其成為能夠適應上訴要求的電氣系統，即智能電網。除了上面闡述的四個原動力方面，尤其要注意的是:由于技術涉獵廣泛，智能電網的一個關鍵目標是要催生新的技術和商業模式，為經濟和科技發展提供新的支撐點，實現產業革命。智能電網的一個關鍵目標是要像十年前興起的國際互聯網絡一樣催生新的技術和商業模式，實現產業革命。網絡領袖思科預言，智能電網比國際互聯網絡擁有更大的市場空間。

圖1 智能電網特征圖

5 智能電網關鍵技術

5.1 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

我國能源分布與生產力布局很不平衡，無論從當前還是從長遠看，要滿足經濟社會發展對電力的需求，必須走遠距離、大規模輸電和大范圍資源優化配置的道路。特高壓輸電能夠提高輸送容量、減少輸電損耗、增加經濟輸電距離，在節約線路走廊占地、節省工程投資、保護生態環境等方面也具有明顯優勢。因此，發展特高壓電網，構建電力“高速公路”，成為必然的選擇。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。

5.2 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，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。這也是GridWise和IntelliGrid項目的重要研究內容。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。目前美國EP砧的合作伙伴Power-Wec、EEl、NERC以及愛達荷州實驗室正致力于信息安全問題的研究。

5.3 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。目前我國的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和準確的系統響應。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。這里涉及到用戶門戶(customer－portal)技術，作為美國Intelligrid項目的重要研究內容之一，該項研究致力于設計與目前用戶使用的提供“非能源服務”的協議相連接的接口。

圖2 智能電網需求側設備支持圖

5.4 高級電力電子設備

電力電子技術在發電、輸電、配電和用電的全過程均發揮著重要作用。現代電力系統應用的電力電子裝置幾乎全部使用了全控型大功率電力電子器件、各種新型的高性能多電平大功率變流器拓撲和DSP全數字控制技術。目前我國在電力電子技術領域與國外的主要差距是:國內不能制造全控電力電子器件;大功率變流器制造技術水平較低，裝置可靠性差;電力電子全數字控制技術水平還處于初級階段;應用系統控制技術和系統控制軟件水平較低;缺乏重大工程經驗積累等。

5.5 可再生能源和分布式能源接入

在發展智能電網時，如何安全、可靠地接入各種可再生能源電源和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，在許多國家都得到了迅速發展。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，風電廠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。在過去的十幾年中，燃料電池技術發展非常快，但要使燃料電池成為一種可靠的能源，還需要解決很多問題。風能和太陽能作為分布式能源的重要組成部分，都具有波動性和間歇性的特點，對可靠供電造成沖擊。通過改進天氣預報的準確性，可以更加準確地預測分布式發電的變化情況，通過合理調度減小其波動對電網的影響。

6 結語

本文通過對智能電網有關的大量文獻綜述，闡述了智能電網的歷史、核心思想、功能特征等內容，介紹了幾個國家建設智能電網的情況，文章的最后還給出了關于智能電網技術的一些關鍵點。隨著智能電網的建設，電力系統必將實現數字化、信息化、自動化和智能化，并將最終實現安全、可靠、優質、高效運行和節能、環保、可持續發展目標。

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