智能電網(wǎng):未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢

西安高壓電器研究院有限責任公司 王從鋼

近一年來，特別是奧巴馬政府將智能電網(wǎng)的改造列入美國經(jīng)濟復蘇計劃以后，關(guān)于“智能電網(wǎng)”(Smart Grid)的研究和討論已經(jīng)成為電力工業(yè)和學術(shù)界最熱門的話題。有關(guān)智能電網(wǎng)的各種論述常見諸報刊，舉辦智能電網(wǎng)論壇或講座時有所聞，各相關(guān)單位關(guān)于智能電網(wǎng)方面的研究機構(gòu)也隨之建立。初次涉及智能電網(wǎng)問題的人們主要關(guān)心的是：什么是智能電網(wǎng)？為什么要建設智能電網(wǎng)？智能電網(wǎng)是在什么背景下提出來的？智能電網(wǎng)的特點是什么？智能電網(wǎng)包含什么具體內(nèi)容？智能電網(wǎng)的建設需要哪些技術(shù)支撐？以下與大家共同探討。

智能電網(wǎng)的概念

智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化，它是建立在集成的、高速雙向通訊網(wǎng)絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設備技術(shù)、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標，它可以改善電力傳送和使用效率、提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。其主要特征包括自愈、激勵和包括用戶、抵御攻擊、提供滿足21世紀用戶需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動電力市場以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運行。

智能電網(wǎng)概念的發(fā)展有3個里程碑：

第一個就是2003年美國從自身的國家利益出發(fā)，提出了一個大膽的戰(zhàn)略發(fā)展計劃，它對電網(wǎng)的運行模式進行了明確的界定，它考慮了多種能源的輸入，可以進行多種能源的產(chǎn)出，進行多種能源之間的轉(zhuǎn)換。主要考慮的問題是國家安全和可再生能源的利用。這些基本概念為“智能電網(wǎng)”的提出奠定了基礎。三年后即2006年，美國IBM公司提出了“智能電網(wǎng)”解決方案, 解決方案主要包括以下幾個方面：一是通過傳感器連接資產(chǎn)和設備提高數(shù)字化程度；二是數(shù)據(jù)的整合體系和數(shù)據(jù)的收集體系；三是進行分析的能力，即依據(jù)已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，以優(yōu)化運行和管理。通過以上幾個方面達到自動監(jiān)控電網(wǎng)，優(yōu)化電網(wǎng)性能、防止斷電、快速恢復供電的目的。至此，“智能電網(wǎng)”的概念正式誕生。

第二個是奧巴馬上任后提出的能源計劃，除了已公布的計劃，美國還將著重集中對每年要耗費1200億美元的電路損耗和故障維修的電網(wǎng)系統(tǒng)進行升級換代，建立橫跨四個時區(qū)的統(tǒng)一電網(wǎng)，重點研發(fā)可再生能源和分布式電源并網(wǎng)技術(shù)，發(fā)展智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，最大限度發(fā)揮美國國家電網(wǎng)的價值和效率，將逐步實現(xiàn)美國太陽能、風能、地熱能的統(tǒng)一入網(wǎng)管理；全面推進分布式能源管理，創(chuàng)造世界上最高的能源使用效率。

可以看出美國政府的智能電網(wǎng)有三個目的，一是由于美國電網(wǎng)設備比較落后，急需進行更新改造，提高電網(wǎng)運營的可靠性；二是通過智能電網(wǎng)建設將美國拉出金融危機的泥潭；三是提高能源利用效率。

第三個是我國能源專家武建東提出的“互動電網(wǎng)”?；与娋W(wǎng)是指在創(chuàng)建開放的系統(tǒng)和建立共享的信息模式的基礎上，以智能電網(wǎng)技術(shù)為基礎，通過電子終端將用戶之間、用戶和電網(wǎng)公司之間形成網(wǎng)絡互動和即時連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的實時、高速、雙向的總體效果，實現(xiàn)電力、電訊、電視、遠程家電控制和電池集成充電等的多用途開發(fā)。它可以整合系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的管理，將電網(wǎng)提升為互動運轉(zhuǎn)的全新模式，形成電網(wǎng)全新的服務功能，提高整個電網(wǎng)的可靠性、可用性和綜合效率?；与娋W(wǎng)具備可靠、自愈、經(jīng)濟、兼容、集成和安全等特點，主要解決三個問題，一是以信息技術(shù)改造和提升現(xiàn)有的能源體系，特別提高集能源大成的傳統(tǒng)電網(wǎng)體系的能源效率；二是要逐步建立以可再生能源替代化石能源的創(chuàng)新能源利用體系；三是要建造消費者和生產(chǎn)者互動的精巧、智慧和專家服務化的能源運轉(zhuǎn)體系。

智能電網(wǎng)是使用健全的雙向通信技術(shù)、高級的傳感技術(shù)和分布式計算技術(shù)的電力傳輸與分配網(wǎng)絡。其使用可以改善電力傳送和使用效率以及電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。因此，智能電網(wǎng)的概念提出后得到各方面的重視，也得到了迅速的發(fā)展。

2001年，意大利電力公司建立起了具有3000萬臺智能電表的智能化計量網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)峰谷平電量計量功能。

2005年，坎貝爾發(fā)明了一種技術(shù)，利用的是（Swarm群體行為）原理，讓大樓里的電器互相協(xié)調(diào)，減少大樓在用電高峰期的用電量。他是用一種無線控制器與大樓的各個電器相連，并實現(xiàn)有效控制。這個技術(shù)賦予電器于智能，提高能源的利用效率。

2006年，歐盟理事會能源綠皮書強調(diào)智能電網(wǎng)技術(shù)是保證歐盟電網(wǎng)電能質(zhì)量的一項關(guān)鍵技術(shù)和今后的發(fā)展方向。這時候的智能電網(wǎng)應該是指輸配電過程中的自動化技術(shù)。

2006年，“網(wǎng)點”公司開發(fā)出通過互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，調(diào)整家用電器用電量的產(chǎn)品。它可以通過互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)調(diào)整家用電器的用電量，這個電子產(chǎn)品具有了一部分交互功能，可以看作智能電網(wǎng)中的一個基礎設施。

2006年，美國IBM公司曾與全球電力專業(yè)研究機構(gòu)、電力企業(yè)合作開發(fā)了“智能電網(wǎng)”解決方案。這一方案被形象比喻為電力系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，電力公司可以通過使用傳感器、計量表、數(shù)字控件和分析工具，自動監(jiān)控電網(wǎng)，優(yōu)化電網(wǎng)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(lián)網(wǎng)的裝置。這個可以看作智能電網(wǎng)最完整的一個解決方案，標志著智能電網(wǎng)概念的正式誕生。

2007年，華東電網(wǎng)啟動“智能電網(wǎng)”可行性研究項目，并規(guī)劃了從2008年至2030年的“三步走”戰(zhàn)略，即：在2010年初步建成電網(wǎng)高級調(diào)度中心，2020年全面建成具有初步智能特性的數(shù)字化電網(wǎng)，2030年真正建成具有自愈能力的智能電網(wǎng)。該項目的啟動標志著中國開始進入智能電網(wǎng)領(lǐng)域。

2008年，美國科羅拉多州建成全美第一個智能電網(wǎng)城市，便于用戶直觀了解實時電價，優(yōu)先使用清潔能源，故障時進行電力的重新配備。

2008年9月美國著手開發(fā)清潔能源業(yè)務，打造國家“智能電網(wǎng)”。

2009年1月，美國宣布通過敷設新的輸電線路，安裝家庭智能電表，推動互動電網(wǎng)的整體革命。

2009年2月，馬耳他決定建立 “智能公用系統(tǒng)”，實現(xiàn)電網(wǎng)和供水系統(tǒng)的數(shù)字化。

2009年2月10日，谷歌表示已開始測試名為谷歌電表(PowerMeter)的用電監(jiān)測軟件。這是一個測試版在線儀表盤，相當于谷歌正在成為信息時代的公用基礎設施。

2009年2月28日，作為華北公司智能化電網(wǎng)建設的一部分——華北電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)三位一體安全防御及全過程發(fā)電控制系統(tǒng)在京通過專家組的驗收。這套系統(tǒng)首次將以往分散的能量管理系統(tǒng)、電網(wǎng)廣域動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、在線穩(wěn)定分析預警系統(tǒng)高度集成，調(diào)度人員無需在不同系統(tǒng)和平臺間頻繁切換，便可實現(xiàn)對電網(wǎng)綜合運行情況的全景監(jiān)視并獲取輔助決策支持。此外，該系統(tǒng)通過搭建并網(wǎng)電廠管理考核和輔助服務市場品質(zhì)分析平臺，能有效提升調(diào)度部門對并網(wǎng)電廠管理的標準化和流程化水平。

2009年3月3日，美國谷歌向美國議會進言，要求在建設智能電網(wǎng)（Smart Grid）時采用非壟斷性標準。

智能電網(wǎng)概念的形成是一個逐步完善的過程, 從智能電網(wǎng)概念的發(fā)展可以看出，智能電網(wǎng)并沒有一個確定的概念，需要根據(jù)實際情況賦予新的含義，到現(xiàn)在人們還在不斷向智能電網(wǎng)中增添新的內(nèi)容。

智能電網(wǎng)的主要特征

全面涵蓋發(fā)輸配用電和電力市場的智能電網(wǎng)，很難用一個簡單的統(tǒng)一定義來表述。因為“智能”主要突出地反映了智能電網(wǎng)有別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的自適應特點及其實現(xiàn)手段，而并非其體系結(jié)構(gòu)的全部。盡管智能電網(wǎng)的定義有待于商討和規(guī)范，但其有別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要特征，已逐步形成共識，比如：

1.使電力市場化成為可能，終端用戶可以積極參與成熟、健壯的電力市場，實現(xiàn)供需雙方互動。

2.激勵節(jié)約用電，向用戶提供充分的實時（分時）電價信息，用戶可以根據(jù)需要進行選擇。

3.推動節(jié)能減排，將配電領(lǐng)域的風能、太陽能、地熱能等可再生能源納入電網(wǎng)和市場的監(jiān)控管理。

4.提供發(fā)電及儲能，使用大量“即插即用”的分布式電源，以補充集中式發(fā)電的不足。

5.滿足用戶對電能質(zhì)量的需求，有各種各樣價格和質(zhì)量不等的電力供用戶選擇。

6.電網(wǎng)的優(yōu)化運行，電網(wǎng)智能化與資產(chǎn)管理軟件的集成。

7.電網(wǎng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以自愈，減少停電范圍及其影響。

8.抵御攻擊，在遇到恐怖襲擊或自然災害時，具有快速恢復供電的能力。

智能電網(wǎng)的發(fā)展目標

智能電網(wǎng)是一系列技術(shù)的總稱，它是一個現(xiàn)代化或智能化的電力網(wǎng)絡，它是一個可以與用戶協(xié)調(diào)發(fā)展的供電網(wǎng)絡，它在傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡中使用了最新的信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，智能電網(wǎng)是傳統(tǒng)配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)絡的升級版本，智能電網(wǎng)的目標是實現(xiàn)電網(wǎng)運行的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全，電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標，就可以稱其為智能電網(wǎng)。

智能電網(wǎng)不管用戶在何時何地，都能提供可靠的電力供應。它對電網(wǎng)可能出現(xiàn)的問題提出充分的告警，并能忍受大多數(shù)的電網(wǎng)擾動而不會斷電。它在用戶受到斷電影響之前就能采取有效的校正措施，以使電網(wǎng)用戶免受供電中斷的影響。實現(xiàn)以抵御事故擾動為目的的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行能力，降低大規(guī)模停電的風險。

智能電網(wǎng)能夠經(jīng)受物理的和網(wǎng)絡的攻擊而不會出現(xiàn)大面積停電或者不會付出高昂的恢復費用。它更不容易受到自然災害的影響。智能電網(wǎng)運行在供求平衡的基本規(guī)律之下，價格公平且供應充足。智能電網(wǎng)利用投資，控制成本，減少電力輸送和分配的損耗，電力生產(chǎn)和資產(chǎn)利用更加高效。通過控制潮流的方法，以減少輸送功率擁堵和允許低成本的電源包括可再生能源的接入。

智能電網(wǎng)通過在發(fā)電、輸電、配電、儲能和消費過程中的創(chuàng)新來減少對環(huán)境的影響。進一步擴大可再生能源的接入。在可能的情況下，在未來的設計中，智能電網(wǎng)的資產(chǎn)將占用更少的土地，減少對景觀的實際影響。智能電網(wǎng)必須不能傷害到公眾或電網(wǎng)工人，也就是對電力的使用必須是安全的。

智能電網(wǎng)的主要支撐技術(shù)

智能電網(wǎng)的主要支撐技術(shù)有以下幾類：

1．分布式發(fā)電技術(shù)：分布式發(fā)電是指將電力系統(tǒng)以小規(guī)模（發(fā)電功率在數(shù)千瓦至50MW的小型模塊）、分散式方式布置在用戶附近，可獨立地輸出電能的系統(tǒng)。分布式發(fā)電具備投資省、系統(tǒng)可靠性高、能源種類多樣（比如風力發(fā)電、太陽能熱電站、太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、燃料電池發(fā)電和小型燃氣輪機發(fā)電等）等優(yōu)點。也有研究指出到2010年，新增分布式電源容量將占新增電源總量的20%。所以說，分布式發(fā)電聯(lián)合電網(wǎng)運行是今后分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

2.儲能技術(shù)：儲能技術(shù)是指將電能通過某種裝置轉(zhuǎn)換成其它便于存儲的能量高效存儲起來，同時在需要的時候，可以將所存儲的能量方便地換成所需形式能量的一種技術(shù)，它包括兩個方面的內(nèi)容：一是高效大容量存儲能量的方法，二是快速高效的能量轉(zhuǎn)換。

3.電力電子技術(shù)：三相電壓源型逆變器可以提供各種分布式能源、儲能裝置、用戶電力裝置與電網(wǎng)的接口。將電力電子技術(shù)用于用戶側(cè)，進行無功補償，可以提高用戶的用電效率，進行諧波補償，可以改變對用戶的供電品質(zhì)，減小用戶對電網(wǎng)的不良影響。

4.高級計量技術(shù)：參數(shù)量測技術(shù)是智能電網(wǎng)基本的組成部件，先進的參數(shù)量測技術(shù)獲得數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，以供智能電網(wǎng)的各個方面使用。它們評估電網(wǎng)設備的健康狀況和電網(wǎng)的完整性，進行表計的讀取、消除電費估計以及防止竊電、緩減電網(wǎng)阻塞以及與用戶的溝通。未來的智能電網(wǎng)將取消所有的電磁表計及其讀取系統(tǒng)，取而代之的是可以使電力公司與用戶進行雙向通信的智能固態(tài)表計。基于微處理器的智能表計將有更多的功能，除了可以計量每天不同時段電力的使用和電費外，還有儲存電力公司下達的高峰電力價格信號及電費費率，并通知用戶實施什么樣的費率政策。更高級的功能有用戶自行根據(jù)費率政策，編制時間表，自動控制用戶內(nèi)部電力使用的策略

5.網(wǎng)絡通信技術(shù)：建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎，沒有這樣的通信系統(tǒng)，任何智能電網(wǎng)的特征都無法實現(xiàn)，因為智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護和控制都需要這樣的通信系統(tǒng)的支持，因此建立這樣的通信系統(tǒng)是邁向智能電網(wǎng)的第一步。同時通信系統(tǒng)要和電網(wǎng)一樣深入到千家萬戶，這樣就形成了兩張緊密聯(lián)系的網(wǎng)絡—電網(wǎng)和通信網(wǎng)絡，只有這樣才能實現(xiàn)智能電網(wǎng)的目標和主要特征。當這樣的通信系統(tǒng)建成后，它可以提高電網(wǎng)的供電可靠性和資產(chǎn)的利用率，繁榮電力市場，抵御電網(wǎng)受到的攻擊，從而提高電網(wǎng)價值。

6.高級電力系統(tǒng)監(jiān)測和控制系統(tǒng)：先進的控制技術(shù)是指智能電網(wǎng)中分析、診斷和預測狀態(tài)并確定和采取適當?shù)拇胧┮韵?、減輕和防止供電中斷和電能質(zhì)量擾動的裝置和算法。這些技術(shù)將提供對輸電、配電和用戶側(cè)的控制方法并且可以管理整個電網(wǎng)的有功和無功。從某種程度上說，先進控制技術(shù)緊密依靠并服務于其他四個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，如先進控制技術(shù)監(jiān)測基本的元件（參數(shù)量測技術(shù)），提供及時和適當?shù)捻憫赏ㄐ偶夹g(shù)；先進設備技術(shù)）并且對任何事件進行快速的診斷（先進決策技術(shù)）。另外，先進控制技術(shù)支持市場報價技術(shù)以及提高資產(chǎn)的管理水平。

結(jié)束語

智能電網(wǎng)是電網(wǎng)的高級發(fā)展階段，是未來電網(wǎng)的發(fā)展方向，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比具有如下優(yōu)勢：有助于實現(xiàn)可再生能源的開發(fā)和利用；可帶動一批新興的產(chǎn)業(yè)，使未來的電網(wǎng)更加安全、靈活、高效；能向用戶提供更優(yōu)質(zhì)的電力，為用戶帶來更大的經(jīng)濟效益。

在制定國家智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃時，應該認真分析我國自身的實際情況和需求，來考慮我們應當做些什么。在這方面，美國的目的是應對金融危機，刺激高科技新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，解決現(xiàn)在電網(wǎng)中的不安全問題，提高電力資產(chǎn)利用效率，推動清潔能源的利用，在環(huán)境保護中重塑負責任大國形象。歐洲國家是出于對環(huán)境保護的一貫重視，而推廣應用新技術(shù)，鼓勵可再生能源利用，提高能源的利用效率。而我國應該是考慮國家對能源、對電網(wǎng)的期望是什么？從國家的政策可以看出，是輸配電網(wǎng)與用電的協(xié)調(diào)發(fā)展，是開發(fā)利用可再生能源，節(jié)能減排，提高能源利用效率。

因此，我國建設智能電網(wǎng)的目標應該是：提高電網(wǎng)運營的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，降低用戶的電費支出，并提高能源利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排。如果智能電網(wǎng)能夠達到上述目標，就能獲得各個利益方的支持，其發(fā)展前景也會更加廣闊。