智能電網教育的模塊化及體系構建探討

游義剛 張志剛

摘? 要 隨著智能電網技術和電力市場的深入發展，電力產業在發電、輸電、配電和用戶等各個環節都發生革命性的變化。智能電網是未來電力系統的載體，對專業人才的培養有更高層面的要求，如何制定適應我國國情的教育模式是專業技術人才培養的關鍵。分別從技術層面和功能實現對智能電網實行模塊化教學的可行性進行探討，提出智能電網教育體系構建的初步設想。

關鍵詞 智能電網;人才培養;模塊化教學;教育體系;智能電網信息工程

Abstract With the development of smart grid technology and power market， the power industry has undergone revolutionary changes in power generation， transmission， distribution and users. Smart grid is the carrier of power system in the future. It has higher requirements for the professional personaltraining. How to formulate an educa-tion model adapted to Chinese national conditions is the key to the training of professional and technical person. This paper will discuss the feasibility of modular teaching of smart grid from the technical level and functional realization， and finally put forward the prelimi-nary idea of building smart grid education system.

Key words smart grid; personnel training; modular teaching; educa-tion system; smart grid information engineering

1 引言

近年來，隨著智能電網技術和電力市場的深入發展，電力產業在發電、輸電、配電和用戶等各個環節都發生革命性的變化。越來越多的新技術和新設備，如電力電子新裝置、有源配電網技術、數字式保護的協調和監控等，以及可再生新能源的微電網技術，對傳統電力系統建模與控制提出挑戰。

智能電網對專業人才的培養有更高層面的要求，除了智能電網的專業技術，還需要學習設備制造、資產優化、數據管理、政策和協議開發等知識[1]。此外，智能電網也需要在通信控制、信息安全、決策支持、計算機智能技術等領域開展學習和研究[2]。

與傳統的電力系統相對而言，智能電網從概念之初就帶著橫跨多個學科、綜合多項技術的顯著特點，這決定了其對應的知識體系是以電力工程為基礎，交叉融合了信息工程、通信工程、計算機工程、控制科學等多個學科，其核心技術將涉及電網狀態信息感測、大數據分析技術、決策控制理論、交互式信息處理與通信、新能源微網技術等領域。因此，針對電網新技術的發展趨勢，急需構建足以支撐其理論體系的智能電網教育模式。

近十年以來，國內外許多大學對智能電網進行課程設置和建設且卓有成效。例如，美國華盛頓州立大學開設了“新型智能電網的關鍵基礎設施安全”，佛羅里達國際大學開設了“智能電網的網絡安全”，北卡羅來納州立大學開設了“智能電網通信與SCADA系統”等[3]，這些課程均緊跟智能電網的發展趨勢，對其技術應用或深入研究都起到保證作用。

在我國，從2010年開始，教育部就將“智能電網信息工程”列入本科院校特設專業目錄，歸屬于電氣類專業。華北電力大學（北京）、南京理工大學、電力科技大學等20多所高校已開設該專業[4]，其他高校則在原有的電氣工程類專業中增設智能電網專業課程。

智能電網的建設是一個復雜的、長期的過程，如何建立與其適配的人才培養體制是值得每個教育工作者深思的問題。除了上述提及的將現有高校資源作為智能電網技術教育的主要平臺以外，還應對電力系統現有技術人員、管理人員等加強新技術的再教育和培訓。通過積極調動社會各界的力量，采取多種方式加強人才培養工作[5]，從而促進智能電網教育的發展步伐與我國智能電網的建設速度相適應。

智能電網是未來電力系統的載體，制定適應我國國情的教育模式是專業技術人才培養的關鍵。本文將分別從技術層面和功能實現對智能電網實行模塊化教學的可行性進行探討，最后提出智能電網教育體系構建的初步設想。

2 技術層面的模塊化

除了包含電力系統相關技術，智能電網還涉及通信、控制、決策、計算機等學科，其關鍵技術可劃分為五個技術模塊：電力設備技術模塊、傳感計量與量測模塊、通信技術模塊、信息管理技術模塊、決策與控制理論模塊。

智能電網的構建將依賴多項基礎技術的發展、推廣和應用[6]。五個關鍵技術模塊之間并沒有很強的關聯，可以分別嵌入相應的專業課程中學習，建議各模塊可圍繞主要知識點確定難度和范疇。

電力設備技術模塊? 堅強電網是智能電網的基礎，而構建堅強電網需立足于廣泛應用先進的電氣設備和技術支持。在該模塊中，可主要針對電力電子技術、可再生能源技術、高效儲能技術、輸配電技術展開學習。

傳感、計量與量測技術模塊? 該模塊與通信模塊共同構成SCADA系統，是智能電網設備監控和數據通信的底層平臺。正確理解電源、電網和用戶三者的技術特點和不同要求，是學習和掌握好該技術模塊的關鍵。

通信技術模塊? 建立實時、高速的通信系統是實現智能電網的基礎。通信技術是現代工科專業必須掌握的基本理論之一，對該模塊的學習應結合電力系統的應用環境，如強磁干擾、電磁兼容等特點，理解智能電網中實現開放數據通信架構和統一技術標準的途徑。

信息管理技術模塊? 作為一種成熟的計算機應用技術，信息管理系統提供了一個人機互動的智能電網可視化平臺。該模塊主要內容包括信息采集與處理、信息分析、信息集成、信息顯示以及信息安全。

決策與控制理論模塊? 決策理論和自動控制技術是智能電網“聰明”程度的體現。一方面需要懂得如何實現潮流分析、負荷預測、安全穩定計算等傳統電力技術實時性的提升;另一方面可將智能電網作為復雜系統進行仿真、建模，通過對最新人工智能技術的合理利用，掌握對其展開電力規劃和開發的技術手段。

3 功能實現的模塊化

根據電力系統的發電、輸電、配電和用電四個環節，可將智能電網劃分為六個功能模塊：智能電網控制中心模塊、智能分布式電源系統模塊、智能變電站模塊、智能線路模塊、智能保護系統模塊、智能需求側管理系統模塊。各模塊的關系組成如圖1所示。

我國的智能電網包含電力系統的發電、輸變電、配電、用電和調度等環節，具有自動化、數字化、信息化的智能技術特征[7]。以長距離、大容量輸變電網為基礎的堅強電網，通過智能技術的支撐，在各級電網協調發展的網架結構下，提供新能源和分布式電源的靈活接入方式，從而構建統一規劃、協調建設的堅強的智能電網。所以，從電源側、電網側和用戶側可將智能電網劃分為六個功能模塊，其中電源側包含智能分布式電源系統模塊;用戶側包括智能需求側管理系統模塊;電網側包含兩大類功能模塊：一是通過智能電網控制中心模塊實現從發電到用電各環節的調度功能，二是以智能變電站模塊、智能線路模塊和智能保護系統模塊共同實現輸、變、配電功能。

由圖1可見，智能電網各功能模塊主要圍繞電力系統展開，因此建議在電力專業課程中增設相關模塊內容，其主要知識點可參考以下范圍。

1）智能電網控制中心模塊。該模塊是實現智能電網統一調度的關鍵，包含能源管理系統EMS、配電管理系統DMS、數據采集與監控系統SCADA、虛擬電廠等技術，因此，要求掌握好這幾個系統的組建技術、功能實現和應用場景。

2）智能分布式電源系統模塊。準許不同類型的電源或儲能設備接入是智能電網開放性的特征表現，因此，對于互聯標準需要有所了解，而各種新能源的接入方式及對電網可靠性和質量的影響也值得深入學習和研究。

3）電網模塊。該模塊包括智能變電站模塊、智能線路模塊和智能保護系統模塊，變電站和電力線路是輸變電系統的基本元件，需要學習了解其在智能電網環境下的新設備和新技術，對智能保護系統的學習應側重于其及時準確地配合電網運行的技術手段。

4）智能需求側管理系統模塊。該模塊針對用電環節的新設備和新技術，可重點關注智能終端體系和微網技術，前者是以智能電網、遠程通信和智能電網數據管理構建的系統，后者是對分散式電源、負荷及相關的監控保護設備構成的小型發電、供配電系統，作為智能電網的終端，既能并入大電網運行，也能實現孤島運行。

4 體系構建設想

面向智能電網的教育培養方案需要在傳統電力專業技術的基礎上，輔以通信技術、電力電子、自動控制技術、決策理論等學科平臺，以夯實電氣類專業人才的智能電網知識結構，從而適應我國智能電網的建設要求[8]。因此，智能電網作為電力系統發展的方向，構建一套適配的專業課程體系是極為重要的。在該體系中，不僅需要對成熟的理論技術展開學習，還需要定期跟蹤引入最新的研究領域、分析工具和技術發展路徑等。

從上文的技術模塊分析可知，智能電網是跨學科、跨專業的知識體系，除了電氣知識，還涉及通信理論、最優化控制、動態決策等技術。從功能模塊的設置來看，智能電網是與電力系統發電、輸電、配電和用電各環節對應的新設備和新技術的應用體系。傳統的電力系統課程內容主要包括電能的傳輸、利用及管理，高電壓技術，電力電子技術，自動控制系統等，以及相關的其他跨學科內容，如遠程通信、計算機技術等。

為適應智能電網的發展需求，新構建的智能電網教育體系還應該包括數字化控制理論、電力系統動態穩定性分析、電能質量及信號分析、輸配電硬件新設備、電力系統保護新技術、可靠性分析及風險評估、電力市場及規劃等。通過對內容范圍和深度的選擇，該知識體系既可面向高校電氣類學生提供智能電網的專業學習，也可作為電力系統相關技術工作人員的智能電網教育培訓。

如對智能電網教育體系繼續深化，以滿足電網構架設計等更高層次的需求，則在智能電網教育體系構建中還應包括以下關鍵內容：

1）實時量測技術及應用工具;

2）可再生能源及儲能技術;

3）考慮不確定性的電網規劃及運行;

4）智能電網性能評價體系;

5）復雜系統建模仿真技術;

6）最新優化技術;

7）基于智能電網的電力市場系統等。

5 結語

作為電力產業的發展方向，智能電網勢必對電力教育機制產生巨大影響，并對人才培養提出多方面的需求。本文旨在拋磚引玉，淺析適應于我國現階段智能電網發展步伐的教育體系構建方案，以盡電力教育工作者之責任。

參考文獻

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[2]Momoh J A. Fundamentals of Analysis and Computa-tion for the Smart Grid[M]//IEEE PES General Meeting.2010.

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