智能電網(wǎng)及其關鍵技術綜述

薛春（天津濱江世紀廣場有限公司，天津，郵編： 300021）

1 智能電網(wǎng)的特征及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智能電網(wǎng)的內(nèi)涵和特征

目前對于智能電網(wǎng)尚未有統(tǒng)一的定義，但一致認為智能電網(wǎng)是一個中長期的目標和愿景(v i s i o n o文獻[13—15]主要強調(diào)了突出自愈功能的智能電網(wǎng)，文獻[16—171提出了智能配電網(wǎng)的定義，認為研究重點關注的應為配電網(wǎng)；文獻[18—20]闡述了一種將信息與通信、控制技術集成到電力系統(tǒng)所有相關環(huán)節(jié)，覆蓋從需求側到發(fā)電側以及電力市場的全面智能電力網(wǎng)絡。但也有能源專家認為“互動電網(wǎng)”更能體現(xiàn)下一代電網(wǎng)的特征。

1）自愈的電網(wǎng)(包括對事故的預測與決策）。通過實時采集電力系統(tǒng)的動態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)并快速診斷可能存在的隱患，預測故障及其可能引發(fā)的系統(tǒng)震蕩和級聯(lián)事件，進行風險評估并且采取預防和校正控制手段，如將大電網(wǎng)按照風險等級適當分區(qū)等；當故障發(fā)生后，迅速把電網(wǎng)中有問題的元件從系統(tǒng)中隔離出去，并自動進行必要的事故控制和恢復控制，保證用戶供電的連續(xù)性，防止大面積停電．的發(fā)生

2）互動的電網(wǎng)。與傳統(tǒng)的“單向電網(wǎng)”相比，智能電網(wǎng)將實現(xiàn)需求側響應功能，鼓勵用戶參與電力系統(tǒng)的運行和管理。電力供應方與用戶問建立雙向?qū)崟r的通信系統(tǒng)，可實時通知用戶其電力消費的成本、實時電價、電網(wǎng)目前的狀況、計劃停電信息以及其他一些服務的信息，從而用戶也可以根據(jù)這些信息制定自己的電力使用的方案，有助于平衡供求關系，確保系統(tǒng)的可靠性。

3）安全的電網(wǎng)。智能電網(wǎng)的安全策略包含應付威懾、實現(xiàn)預防、檢測和反應，以盡量避免和減輕事故對電網(wǎng)和經(jīng)濟的影響。智能電網(wǎng)需要通過加強電力企業(yè)與政府之間的密切溝通，并且在電網(wǎng)規(guī)劃中強調(diào)安全風險，加強電網(wǎng)運行安全和網(wǎng)絡安全等手段，提高智能電網(wǎng)抵御風險的能力。

4）優(yōu)質(zhì)的電網(wǎng)。新型的智能電網(wǎng)可提供滿足不同用戶需求的優(yōu)質(zhì)電能，并且能對電能質(zhì)量進行分級和價格聯(lián)動。

5）高效的電網(wǎng)。通過高速通信網(wǎng)絡實現(xiàn)對運行設備進行在線狀態(tài)監(jiān)測，獲取設備的運行狀態(tài)，提高單個資源的利用效率，整體優(yōu)化調(diào)整電網(wǎng)資產(chǎn)的管理和運行，實現(xiàn)最低的運行維護成本及投資。

6）市場化的電網(wǎng)。智能電網(wǎng)通過市場上供給和需求的互動，將形成更為緊密與高效的市場行為模式；通過有效的市場設計可以提高電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運行和可靠性管理水平，從而促進電力市場的自由買賣以及公平競爭。

7）兼容的電網(wǎng)。智能電網(wǎng)打破了傳統(tǒng)單一的遠端集中式發(fā)電，而實現(xiàn)集中發(fā)電與分散發(fā)電的兼容。各種可再生能源分布式發(fā)電和儲能系統(tǒng)以“即插即用”的形式接人，擴大了系統(tǒng)運行調(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。

8）多元化的電網(wǎng)。以輸配電網(wǎng)為物理實體，以集成、高速、雙向的通信網(wǎng)絡信息系統(tǒng)為平臺的智能電網(wǎng)，將電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、維護、能量調(diào)度、配電管理、市場運營、企業(yè)資源計劃等系統(tǒng)統(tǒng)一集合在智能電網(wǎng)大平臺上，在此基礎上實現(xiàn)各種業(yè)務的交互與集成。

1.2 各國智能電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前智能電網(wǎng)建設正處在初始階段。由于不同國家的經(jīng)濟與發(fā)展條件的不同，各國都結合本國的特點來規(guī)劃和發(fā)展智能電網(wǎng)，因此其發(fā)展重點和步驟也不相同。

歐美等發(fā)達國家的高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)達，負荷增長相對較小，輸電網(wǎng)架構變化較小，電力工業(yè)已步人成熟期，在過去一段時間內(nèi)電力投資相對較少。但近年的大停電事故使政府對電網(wǎng)安全可靠運行重新予以重視。同時為了最有效地利用資源，這些圍家關注的重點是停電時間最小化和市場效益最大化，更多地從市場、安全、電能質(zhì)量和環(huán)境等方面出發(fā)，重點強調(diào)信息技術與電網(wǎng)的結合及基于信息的業(yè)務重整。許多研究側重從用戶端來考慮智能電網(wǎng)的功能，來建立一個高效、安全、環(huán)保、靈活和互動的智能電網(wǎng)。

美國的智能電網(wǎng)突出可再生能源和新技術應用，并力求將分散的智能電網(wǎng)集結成全國性的先進電力網(wǎng)絡，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的發(fā)輸配和用電系統(tǒng)的優(yōu)化運行和管理，同時進一步考慮與加拿大、墨西哥等地電網(wǎng)互聯(lián)和優(yōu)化合作。

目前，英、法、意等國都在加快推動智能電網(wǎng)的規(guī)劃和建設。歐洲智能電網(wǎng)計劃將廣域電力輸送網(wǎng)絡技術與智能電網(wǎng)結合形成廣域智能網(wǎng)絡，最終范圍將覆蓋到歐盟、北非、中東等國家和地區(qū)。

在亞洲經(jīng)濟發(fā)達的日本和韓國相繼開展了智能電網(wǎng)的研發(fā)。日本政府所定義的智能電網(wǎng)重點在大規(guī)模開發(fā)太陽能等新能源，確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定。日本政府計劃于2010年開始在孤島進行大規(guī)模的智能電網(wǎng)建毅試驗，主要研究在大規(guī)模利用太陽能的情況下，如何統(tǒng)一控制電力和頻率的波動，以及儲能技術等課題。2009年3月，東京工業(yè)大學成立了“綜合研究院”，并擬進行可再生能源如何與電力系統(tǒng)相融合的智能電網(wǎng)項目。

2 智能電網(wǎng)的關鍵基礎技術

美國能源部下屬國家再生能源實驗室(N R E L）認為智能電網(wǎng)具有如下的特性：具有先進的測量、監(jiān)視、保護和控制的功能；更加安全、可靠、經(jīng)濟和環(huán)保。智能電網(wǎng)的關鍵基礎技術包括集成的通信技術、先進的傳感和測量技術、先進的電網(wǎng)設備、先進的控制技術以及決策支持和可視化的人機接口技術。

2.1 集成的通信技術

智能電網(wǎng)的通信系統(tǒng)將集成各種通信技術，并可采用開放式的通信網(wǎng)架，具有高速、集成、兼容、雙向的特質(zhì)，可以動態(tài)響應實時信息與功率交互，為智能傳感器和控制裝置、控制中心、保護系統(tǒng)和需求響應系統(tǒng)提供一個安全的“即插即用”的網(wǎng)絡平臺。

2.2 先進的傳感與測量技術

該技術是智能電網(wǎng)信息的基礎，主要用于智能儀表、廣域測量系統(tǒng)和電網(wǎng)設備在線監(jiān)測方面。

2.2.1 智能儀表

智能電網(wǎng)中的智能儀表(Smart Meter）采用先進測量架構(AMI）新技術，除測量功能以外，還可提供實時電價、供求狀態(tài)等更詳盡的用電信息。AMI也引領著未來的自動抄表技術和智能住宅技術的發(fā)展。

2.2.2 廣域測量系統(tǒng)(WAMS）

廣域測量系統(tǒng)是由基于全球定位系統(tǒng)(GPS）的同步相量測量裝置PMU群及其通信系統(tǒng)組成。它可以動態(tài)地測量和計算電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)相量和發(fā)電機功角。在WAMS基礎上結合先進的控制理論和智能技術開發(fā)的廣域保護和控制系統(tǒng)可以快速分析系統(tǒng)狀態(tài)，鑒別其安全性。在存在風險的情況下，廣域保護和控制系統(tǒng)可通過切機、切負荷、主動解列和靈活分區(qū)等安全控制措施，制止級聯(lián)跳閘和縮小停電范圍，還可從集中監(jiān)視控制發(fā)展到分布協(xié)調(diào)控制。作為自愈電網(wǎng)計劃的一部分，WAMS及其應用已成為電網(wǎng)安全控制的研究熱點。

2.2.3 電網(wǎng)設備的在線監(jiān)測

該技術包括電氣量以及非電氣量的監(jiān)測。電氣量監(jiān)測主要通過監(jiān)測電網(wǎng)設備的電流、電壓、相角、功率、功率因數(shù)等運行狀態(tài)量；非電氣量監(jiān)測則包括監(jiān)測電氣設備中的介質(zhì)的壓力、流量、氣體成分、溫度等。采用先進的傳感器通過對以上各狀態(tài)量的監(jiān)視，可完成電網(wǎng)設備的在線診斷，為實施電網(wǎng)設備的狀態(tài)檢修和管理提供必要的信息。現(xiàn)時采用電網(wǎng)在線監(jiān)測技術的應用主要包括變壓器在線監(jiān)測、斷路器狀態(tài)監(jiān)測以及線路容量動態(tài)監(jiān)測等。

2.3 先進的電網(wǎng)設備技術

先進的電網(wǎng)一次設備是智能電網(wǎng)實現(xiàn)的物理基礎。以下4個方面的電網(wǎng)設備技術發(fā)展值得關注：再生能源發(fā)電和運行技術；電力電子技術；大容量儲能技術；超導技術。

應當指出，超導技術對于低能耗大容量輸電有重要意義，而電力電子技術和新型儲能技術對提高輸配電網(wǎng)的可控性和穩(wěn)定性起重大作用，并可使風能等新能源引起的發(fā)電功率和頻率不穩(wěn)定等問題得到解決。另外，在配電系統(tǒng)中的新型的儲能設備，如混合動力汽車充電站及充電電池，也是目前智能電網(wǎng)研發(fā)中的熱點。

2.4 先進的控制技術

現(xiàn)代控制理論、優(yōu)化理論和人工智能技術在控制領域的綜合應用形成了先進的控制技術。其用于智能電網(wǎng)中分析、診斷和預測系統(tǒng)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。

未來控制技術的分析和診斷功能將引進專家系統(tǒng)，采用自動控制，決策和執(zhí)行將可在秒級水平上，必將極大地提高電網(wǎng)的可靠性。分布式智能多代理(multi．a(chǎn)gent）技術，可用于用戶需求響應，及實現(xiàn)變電站和輸配電線路的分散協(xié)調(diào)控制。而位于控制中心的高速計算機可運用先進控制技術，并基于WAMS實時信息，實現(xiàn)廣域保護和控制。

2.5 決策支持和可視化技術

決策支持系統(tǒng)可識別和確定電網(wǎng)中的實時問題及發(fā)展趨勢，然后運用知識庫和科學推理方法進行分析，以提出解決問題和決策支持的方案，并將相應的系統(tǒng)情況、多種選擇以及每種選擇的可行性等展示給運行人員。它也可用于需求側管理系統(tǒng)(DSM）和用戶的需求響應。而可視化技術則將各種信息形成便于運行人員分析和決策的可視化信息，從而大大提高工作效率和決策準確性。

將上述各種基礎技術進行集成與綜合應用，可以形成智能電網(wǎng)的各種功能系統(tǒng)(如新一代的能量管理系統(tǒng)、設備監(jiān)測系統(tǒng)和市場運營系統(tǒng)等），共同實現(xiàn)現(xiàn)代電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)運行的目標。3A R EVAT&D對智能電網(wǎng)建設的看法

阿?，m輸配電公司(A R EVAT&D）正積極開展智能電網(wǎng)最新技術的研發(fā)和提供智能電網(wǎng)相關的先進設備、系統(tǒng)和服務。為了確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行和取得最好的經(jīng)濟效益，并實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，A R EVAT&D認為，在智能電網(wǎng)建毅中需要特別注意以下幾點：

1）智能電網(wǎng)是一個長遠目標，建設智能電網(wǎng)一定要注意實效，從實際情況和需要出發(fā)，有計劃、有步驟、有重點地予以實施，且應先試點再推廣。

2）應當優(yōu)先發(fā)展堅強的輸電網(wǎng)架，形成良好的一次系統(tǒng)，注意加強一次系統(tǒng)運行可靠性和操作控制的靈活性。在這方面直流輸電技術和FACTS技術應予以重視。

3）在發(fā)展優(yōu)良的一次系統(tǒng)同時，大力加強新技術在二次保護和控制系統(tǒng)中的綜合與集成應用。特別是WAMS技術和在此基礎上發(fā)展的廣域保護和控制系統(tǒng)，以及新一代的基于PMU的能量管理系統(tǒng)和設備監(jiān)測系統(tǒng)，必將對電力系統(tǒng)的安全可靠優(yōu)質(zhì)運行發(fā)揮重大作用，可予以重點研發(fā)應用。

4）在條件許可的地方，大力發(fā)展可再生能源。但應先進行試點，并重點解決大功率風力發(fā)電并網(wǎng)運行可能引起的頻率和電壓的波動和穩(wěn)定問題，確保系統(tǒng)安全。

5）在智能輸電網(wǎng)建設同時，應積極對智能配電網(wǎng)建設進行規(guī)劃，對關鍵新技術(如風力和太陽能發(fā)電、分布式發(fā)電、微網(wǎng)技術等）進行重點研發(fā)和試點應用。大力推進配電系統(tǒng)數(shù)字化、信息化和自動化，促進市場環(huán)境下的需求側響應與互動，積極研發(fā)相應的關鍵技術，包括數(shù)字計量、雙向通信、基于PMU的新一代變電站和饋線自動化系統(tǒng)和配網(wǎng)實時監(jiān)控和可視化決策支持系統(tǒng)等各個方面。

6）要建設好智能電網(wǎng)，不僅需要智能技術(smarttechnology）還必須有產(chǎn)、學、研相結合的優(yōu)秀的智能電網(wǎng)建設團隊(smartteam），并積極促進和大力開展國際合作，從而可制訂統(tǒng)一的智能電網(wǎng)標準，有效地進行關鍵技術的合作研發(fā)和國際交流，建設高質(zhì)量的智能電網(wǎng)。