對智能電網(wǎng)基礎(chǔ)性問題的思考

_熊皓清 孫建華

隨著美國政府于2009年以來開展的一系列電網(wǎng)改造計劃的出臺和實施，智能電網(wǎng)（Smart Grid）的概念逐漸得到了世界范圍內(nèi)的認可。2009年5月21日，中國國家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了“建設(shè)堅強智能電網(wǎng)”的研究報告。該報告指出：國家電網(wǎng)公司要通過建設(shè)堅強智能電網(wǎng)，實現(xiàn)各類電源和用電設(shè)施并網(wǎng)接入標準化和電網(wǎng)運行控制智能化，提高電力系統(tǒng)資產(chǎn)的運營效益和全社會的能源效率，提高電能質(zhì)量和供電可靠性，創(chuàng)新商業(yè)服務(wù)模式，提升電網(wǎng)與客戶雙向互動能力和客戶增值服務(wù)水平。

智能電網(wǎng)不僅是一個特定的新興技術(shù)名詞，更是一個對未來電網(wǎng)發(fā)展的宏觀理念，其概念可歸結(jié)為以下三個層次。

第一層次：某些學者基于個人經(jīng)驗給出的對未來電網(wǎng)發(fā)展的一種宏觀定義。

第二層次：跨國公司或團體對未來世界的一種宏觀構(gòu)想或理念，例如IBM提出的較為系統(tǒng)的“智慧地球”理念，“智能電網(wǎng)”是其中的一部分。

第三層次：某些國家及其部門為尋找新經(jīng)濟增長點或促進社會發(fā)展而提出的具體的戰(zhàn)略計劃，例如，美國奧巴馬政府提出的智能電網(wǎng)計劃、歐盟搭建的智能電網(wǎng)技術(shù)平臺以及我國國家電網(wǎng)公司提出的“堅強智能電網(wǎng)”建設(shè)計劃。在這一層面上，“智能電網(wǎng)”的概念是國家或區(qū)域組織集合絕大部分人的理念所達成的一種協(xié)議，而且隨后將開動國家機器付諸實踐。

因此，第一層次到第三層次的過程即是把智能電網(wǎng)理論逐步推廣完善的過程，也是逐漸將其從理想概念轉(zhuǎn)化為具體軟硬件設(shè)施和運行模式的過程。

智能電網(wǎng)的特征

1.互動性。智能電網(wǎng)的一個重要特點是不僅可以使用戶圍繞電費去改變他們的行為，而且為用戶改變自己的行為提供必要的幫助。一方面，在高負荷情況下用電需要更高的電費，從而促使用戶主動地進行自我調(diào)節(jié)。另一方面，智能電網(wǎng)將用戶設(shè)備和行為考慮到電網(wǎng)的設(shè)計、運行和通信中。這使用戶能夠更好地在家庭和企業(yè)控制（或被控制于）“智能家電”和“智能設(shè)備”。其中，更先進的通信能力為客戶提供了便利的工具，使他們可以獲得實時電價，并以此為基礎(chǔ)調(diào)整自己的負荷。

2.抗攻擊性。智能電網(wǎng)首先應(yīng)該是一個堅強的網(wǎng)絡(luò)，可以保證供電的可靠性。通過各種新型技術(shù)手段的應(yīng)用以及新的電網(wǎng)設(shè)計、運行方式，智能電網(wǎng)技術(shù)能夠更好地響應(yīng)人為或自然原因?qū)е碌碾娋W(wǎng)事故。其中，實時信息和實時控制技術(shù)使得電網(wǎng)運行人員能夠迅速準確地隔離受影響的區(qū)域以及重新調(diào)整潮流分布，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

3.高質(zhì)量電力。國外研究表明，每年電能質(zhì)量事故平均花費美國商家超過100萬美元。通過采用先進的電能質(zhì)量控制設(shè)備和控制策略，智能電網(wǎng)可以提供質(zhì)量更高的電力，包括更好、更嚴格的頻率控制和電壓控制等，從而使用戶因電能質(zhì)量而受到的損失降低。

4.兼容性。隨著發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，特別是風能、太陽能等新能源的大量采用，電網(wǎng)內(nèi)接入電源的類型趨于多樣化。智能電網(wǎng)除了繼續(xù)供應(yīng)傳統(tǒng)電力之外，也可接入燃料電池、可再生能源、微型渦輪機以及其他各種分布式發(fā)電形式。這些發(fā)電單元往往規(guī)模較小，在電網(wǎng)內(nèi)局部集中或者呈點狀分布，它們使得居民、商業(yè)和工業(yè)用戶能夠自行發(fā)電，并賣出過剩電力給電網(wǎng)，同時也提升了供電可靠性和電能質(zhì)量，減少了電力成本，并為用戶提供了更多選擇。

5.促進電力市場。智能電網(wǎng)中的新技術(shù)可以提升輸電網(wǎng)的運行管理水平，從而增強系統(tǒng)大宗電力的傳輸能力，這將有利于創(chuàng)建一個開放的電力市場。在這個市場中，能夠在地理范圍上實現(xiàn)遠距離輸電，從而能夠輕易地將電賣給任何地方的用戶。同時，智能電網(wǎng)內(nèi)的各種先進的傳感器和處理程序可以為電力交易提供豐富的信息。此外，智能化的配電網(wǎng)將有利于電力的分配，同時也為各類用戶都參與到市場中提供了可能。

6.優(yōu)化資產(chǎn)。智能電網(wǎng)通過優(yōu)化系統(tǒng)運行，更高效率地利用系統(tǒng)設(shè)備，降低運行和維護成本。優(yōu)化后的電網(wǎng)潮流減少了浪費，對低成本發(fā)電資源的使用實現(xiàn)最大化。此外，通過協(xié)調(diào)區(qū)域間能量交換將提升現(xiàn)有電網(wǎng)資產(chǎn)的使用并減少電網(wǎng)阻塞和瓶頸，從而最終產(chǎn)生出消費者盈余。

智能電網(wǎng)的基本功能

1.負荷自調(diào)節(jié)。一般情況下，連接于電網(wǎng)的負荷是隨外部因素變化的。當一個很受歡迎的電視節(jié)目開始，數(shù)以百萬計的電視機同時開啟，負載會陡然增加。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，為了應(yīng)對快速增長的耗電量（其增長速度超過了啟動大型發(fā)電機的時間），一些備用發(fā)電機處于熱備用模式，從而增加了系統(tǒng)的運行成本。而智能電網(wǎng)會警告所有個體電視機用戶或其他較大的客戶，暫時不要同時開啟新的負荷，或在開啟新負荷的同時關(guān)閉一些負荷，從而減緩總負荷的增長速度，使得系統(tǒng)有時間開啟一個較大的發(fā)電機，減少了因熱備用而增加的費用。此外，利用數(shù)學預(yù)測算法，可以計算出需要使用的備用發(fā)電機的數(shù)量，進而可以更有效更經(jīng)濟的調(diào)整系統(tǒng)。

2.需求響應(yīng)支持。需求響應(yīng)支持使發(fā)電機和負荷能夠?qū)崿F(xiàn)自動化方式的實時互動，協(xié)調(diào)需求從而拉平峰谷。通過提供給用戶充足的信息，并以經(jīng)濟手段引導(dǎo)用戶，可以減少發(fā)生在負荷高峰時的需求，從而有利于減少后備發(fā)電機的費用、延長設(shè)備壽命。同時，用戶可更多的利用低優(yōu)先級的設(shè)備，使他們只在電價最便宜的時候使用能源。

3.分布式供電。亦即分散化的發(fā)電模式。分布式發(fā)電允許用戶就近發(fā)電，而且是采用他們所能夠找到的任何方式來進行發(fā)電。用戶可以控制自己的電源，從而使得他們能夠在一定程度上獨立于電網(wǎng)。傳統(tǒng)電網(wǎng)被設(shè)計成由發(fā)電廠向用戶的單向潮流流動，但是如果因分布式發(fā)電而使局部的子網(wǎng)生產(chǎn)了多余的電量，那么將可能會影響可靠性的問題，而智能電網(wǎng)就能夠管理這些電量。

4.完備的電價信息。在許多西方國家，包括比利時、荷蘭和英國，電力公共事業(yè)單位已經(jīng)為家庭安裝具有不同電價的電表，用以區(qū)分他們在晚間和周末時使用的電力，此時的工業(yè)負荷是非常低的，電價較為便宜。這一想法將在智能電網(wǎng)中被深化，通過使用先進的傳感器和交易系統(tǒng)，在智能電網(wǎng)中電價將實現(xiàn)秒計的變化，而電力設(shè)備能夠給出實時響應(yīng)。此外，用戶個人的喜好（例如只喜歡用綠色能源）也將被考慮進交易系統(tǒng)。

智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

構(gòu)建智能電網(wǎng)涉及計量技術(shù)、通信技術(shù)、信息處理、數(shù)學建模等諸多方面，需要在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進行諸多研究，對于目前已采用的一些技術(shù)則需要進一步發(fā)展。此外，智能電網(wǎng)中許多關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在其他領(lǐng)域中使用，例如制造業(yè)和電信業(yè)，這些技術(shù)也需要引入到現(xiàn)在的電網(wǎng)中。

1.整合的通信技術(shù)。電力系統(tǒng)的通信技術(shù)日新月異，但并沒有能相互協(xié)調(diào)形成一體化的通信系統(tǒng)。同時，在系統(tǒng)內(nèi)大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)是經(jīng)由調(diào)制解調(diào)器來搜集，而非直接的網(wǎng)絡(luò)連接。這些都將使得信息傳遞的速度變慢，準確性降低。在智能電網(wǎng)中，需要整合的通信技術(shù)，通過該技術(shù)構(gòu)建的通信系統(tǒng)，將可實現(xiàn)實時控制和信息數(shù)據(jù)交互，從而可以以之為基礎(chǔ)優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性、資產(chǎn)利用率和安全性。在此方面亟待改進的領(lǐng)域包括：變電站自動化、需求側(cè)相應(yīng)、配電自動化、監(jiān)控技術(shù)和SCADA、能量管理系統(tǒng)、無線mesh網(wǎng)絡(luò)、電力線載波通信和光纖通信等。

2.傳感與測量技術(shù)。在智能電網(wǎng)中，傳感與測量技術(shù)的核心任務(wù)是評價電力擁塞和電網(wǎng)穩(wěn)定性，監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、防竊電以及對控制策略提供支持。在此方面的主要技術(shù)包括：先進的微處理器儀表（例如：智能儀表）、自動化抄表設(shè)備、廣域監(jiān)測系統(tǒng)、電磁特征信號測量與分析系統(tǒng)、實時定價工具、背向電臺技術(shù)以及數(shù)字繼電保護等。

其中，智能儀表具有重要意義。智能化的數(shù)字式儀表能夠?qū)崟r地記錄電力使用情況，為系統(tǒng)提供從電廠到用戶電源插座，以及其他智能電網(wǎng)設(shè)備之間的通信路徑。通過該路徑，可以完全掌握系統(tǒng)的運行情況，從而實現(xiàn)對全網(wǎng)各設(shè)備的靈活調(diào)度。

3.先進的一次設(shè)備。智能電網(wǎng)需要由諸多先進的一次設(shè)備構(gòu)成，它們涉及超導(dǎo)技術(shù)、容錯技術(shù)、存儲技術(shù)、電力電子技術(shù)、診斷組件技術(shù)等。具體來說主要包括：靈活交流輸電系統(tǒng)設(shè)備、高壓直流輸電、第一代和第二代超導(dǎo)線、高溫超導(dǎo)電纜、分布式能源發(fā)電與存儲設(shè)備、復(fù)合導(dǎo)體以及智能家電等。

4.先進的控制技術(shù)。智能電網(wǎng)的運行比現(xiàn)有電網(wǎng)復(fù)雜得多，因此，必須研究與之適應(yīng)的控制技術(shù)。這些技術(shù)主要分為三個方面：分布式智能管理，主要涉及系統(tǒng)總體和局部的控制；分析工具，包括計算算法和軟件實現(xiàn)兩個部分，為系統(tǒng)控制提供支持；運行應(yīng)用，主要是將控制決策施加于系統(tǒng)，要求系統(tǒng)中有足夠多的可控環(huán)節(jié)，涉及SCADA、變電站自動化，以及需求側(cè)響應(yīng)等。

5.更為友好和便捷的人機交互。在智能電網(wǎng)中需要進一步提高人機交互的效率，使得操作員和管理者能夠?qū)υ絹碓綇?fù)雜的電網(wǎng)進行有效的管理。

6.標準與團體。智能電網(wǎng)的實現(xiàn)需要有相關(guān)標準的支持，在這方面，IECTC57已經(jīng)創(chuàng)建了一個國際標準族，可以作為智能電網(wǎng)標準的一部分。

對河南電網(wǎng)的影響

由我國智能電網(wǎng)建設(shè)的戰(zhàn)略方向和歐美智能電網(wǎng)發(fā)展的特點可以看出，我國智能電網(wǎng)建設(shè)與輸電網(wǎng)調(diào)度有非常大的關(guān)系。

我國的智能電網(wǎng)建設(shè)的重點之一是輸電網(wǎng)的智能化，因此對輸電網(wǎng)調(diào)度的智能化、高級化、精確化的要求進一步提高。從河南省網(wǎng)的建設(shè)和運行情況來看，我們應(yīng)進一步加強大電網(wǎng)運行控制的能力，建設(shè)以信息化、數(shù)字化、自動化、互動化為特征的國際領(lǐng)先的堅強電網(wǎng)。在這過程中應(yīng)對智能電網(wǎng)所涉及的有關(guān)輸電系統(tǒng)的功能、特征和技術(shù)予以更多的關(guān)注，特別是智能儀表、通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。同時，從長遠考慮，也應(yīng)對配網(wǎng)相關(guān)的智能電網(wǎng)技術(shù)予以關(guān)注和應(yīng)用，以使得全系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)發(fā)展，最終完全實現(xiàn)智能電網(wǎng)的建設(shè)。