中國(guó)特色的智能電網(wǎng)構(gòu)架

摘 要:本文分析了智能電網(wǎng)的愿景，結(jié)合中國(guó)國(guó)情下的電力發(fā)展現(xiàn)狀和當(dāng)前電網(wǎng)架構(gòu)，提出了中國(guó)特色的智能電網(wǎng)架構(gòu)的發(fā)展前景和建設(shè)方向，并給出了中國(guó)特色智能電網(wǎng)的核心組成。

關(guān)鍵詞:智能電網(wǎng) 中國(guó)特色 架構(gòu) 核心組成

中圖分類號(hào):TM7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)08(b)-0060-02

近年來(lái)，“智能電網(wǎng)”這個(gè)詞很是熱門，甚至已經(jīng)從電力專業(yè)的領(lǐng)域走進(jìn)了普通大眾的視野。美國(guó)、歐盟、俄羅斯等國(guó)家紛紛投入對(duì)智能電網(wǎng)的研究，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者也都將目光投向智能電網(wǎng)的領(lǐng)域。我國(guó)從1999年清華大學(xué)提出“數(shù)字電力系統(tǒng)”的理念，揭開數(shù)字電網(wǎng)研究的序幕，到2009年我國(guó)首次提出智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，再到現(xiàn)在智能電網(wǎng)已成為電力發(fā)展戰(zhàn)略。中國(guó)必將走出一條符合國(guó)情的、建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展之路。

1 智能電網(wǎng)愿景

首先需要明確，什么才是“智能電網(wǎng)”。在這一方面，美國(guó)能源部、歐洲智能電網(wǎng)技術(shù)論壇、電網(wǎng)智能化聯(lián)盟、美國(guó)電科院都給出了各自對(duì)于智能電網(wǎng)核心價(jià)值、主要特性以及關(guān)鍵技術(shù)等的構(gòu)想。但是，在現(xiàn)階段，“智能電網(wǎng)”還沒有一個(gè)明確的概念。不過可以肯定的是，“智能電網(wǎng)”是對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)的整體提升，是“未來(lái)電網(wǎng)”的代名詞。智能電網(wǎng)的本質(zhì)就是能源的兼容、替代和優(yōu)化利用。雖然沒有一個(gè)統(tǒng)一的明確的定義，但是在描述未來(lái)電網(wǎng)的時(shí)候各國(guó)的專業(yè)機(jī)構(gòu)或?qū)W者都提出了“智能電網(wǎng)”的愿景。比如智能電網(wǎng)歐洲技術(shù)論壇認(rèn)為未來(lái)電網(wǎng)應(yīng)具有高靈活性、高可接入性、高可靠性、高經(jīng)濟(jì)性;美國(guó)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室則認(rèn)為，未來(lái)電網(wǎng)應(yīng)該更可靠、更堅(jiān)強(qiáng)、更經(jīng)濟(jì)、更高效、更加環(huán)境友好、更安全。

現(xiàn)階段“智能電網(wǎng)”是一個(gè)愿景，但是智能電網(wǎng)的愿景并非空想，它是具有戰(zhàn)略意義的電力發(fā)展的前景與方向。

2 中國(guó)特色智能電網(wǎng)構(gòu)架

智能電網(wǎng)的概念具有靈活性。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的狀況不同、電網(wǎng)建設(shè)水平不同、能源的分布和利用水平不同，世界各國(guó)對(duì)于智能電網(wǎng)愿景的構(gòu)想、概念的描述和戰(zhàn)略側(cè)重點(diǎn)必然不同。2009年5月21日，我國(guó)首次提出智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo):國(guó)家電網(wǎng)將立足自主創(chuàng)新，加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。清潔能源的發(fā)展、我國(guó)能源分布和供應(yīng)特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展，都要求加快建設(shè)智能電網(wǎng)。因此，避免盲目效仿歐美、而應(yīng)該立足于中國(guó)國(guó)情的智能電網(wǎng)的構(gòu)架具有戰(zhàn)略意義:優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全供應(yīng);提升電網(wǎng)對(duì)清潔能源的接納能力及大范圍能源資源優(yōu)化配置能力;促進(jìn)節(jié)能減排、推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展;實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全可持續(xù)發(fā)展。

2.1 我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展應(yīng)基于中國(guó)國(guó)情

我國(guó)領(lǐng)土范圍大、地域跨度廣、城鄉(xiāng)用電的差別大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源分布都非常不均衡，以上這些都是我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)應(yīng)立足國(guó)情而不應(yīng)照搬歐美模式的原因。電網(wǎng)發(fā)展側(cè)重點(diǎn)和格局的不同，決定了我國(guó)智能電網(wǎng)的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域及關(guān)鍵立足點(diǎn)必然會(huì)有別于歐美。

我國(guó)正處在經(jīng)濟(jì)大發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，負(fù)荷需求增長(zhǎng)快，電網(wǎng)必須快速發(fā)展以適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和人民生活的日常需求。因此，在對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行研究的過程中，應(yīng)側(cè)重于輸電網(wǎng)智能化和綠色能源及微網(wǎng)的接入領(lǐng)域?！皥?jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個(gè)環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，是堅(jiān)強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動(dòng)的現(xiàn)代電網(wǎng)。

堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)所引領(lǐng)的，是我國(guó)能源工業(yè)發(fā)展的未來(lái)。

2.2 中國(guó)特色智能電網(wǎng)的核心構(gòu)成

智能電網(wǎng)實(shí)際上就是將電網(wǎng)智能化，使其能夠?qū)﹄娏Φ纳a(chǎn)、輸送和消費(fèi)作出實(shí)時(shí)的最優(yōu)的控制與調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力的需求并同時(shí)保證對(duì)生態(tài)環(huán)境的最低污染和最少破壞。為了能夠更好的建設(shè)中國(guó)特色的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，國(guó)電公司對(duì)“中國(guó)式智能電網(wǎng)”作出清晰界定:立足自主創(chuàng)新，加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。一個(gè)堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一的智能電網(wǎng)，必須有完善強(qiáng)力的硬件與軟件作為支撐?？梢詫㈦娋W(wǎng)劃分成控制中心層、數(shù)據(jù)交互傳輸層、信息采集和動(dòng)作執(zhí)行層這三個(gè)層，如圖1所示。

立足于中國(guó)電力發(fā)展現(xiàn)狀的堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)是由先進(jìn)的實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)、高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道、容量充裕的故障信息處理方案數(shù)據(jù)庫(kù)、準(zhǔn)確靈活的動(dòng)作系統(tǒng)作為核心硬件支撐的，具有出色的自愈功能，整個(gè)電網(wǎng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)提供最優(yōu)運(yùn)行方案而保證安全可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，以及電力合理分配與高質(zhì)量供給。

(1)先進(jìn)的實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)。智能化是堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一電網(wǎng)充分發(fā)揮作用的關(guān)鍵所在，而智能化的最基礎(chǔ)的工作就是電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。只有在保證數(shù)據(jù)及時(shí)采集、傳輸?shù)娇刂茮Q策中心的前提下，才能談到智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)控制和優(yōu)化。

由于國(guó)土面積大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，能源分布與消費(fèi)在地域上不統(tǒng)一等原因，我國(guó)的輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是及其復(fù)雜的。若是進(jìn)一步考慮到配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，則整個(gè)電網(wǎng)是非常復(fù)雜的。這對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)和信息的采集造成了很大的障礙。目前，電網(wǎng)的信息采集主要就是依靠RTU，也就是遠(yuǎn)動(dòng)終端來(lái)完成。遠(yuǎn)程終端設(shè)備(RTU)是安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的電子設(shè)備，用來(lái)監(jiān)視和測(cè)量安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和設(shè)備。中國(guó)特色的智能電網(wǎng)所需要的先進(jìn)的實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)，是在現(xiàn)有RTU基礎(chǔ)上的提升和發(fā)展，這個(gè)系統(tǒng)能夠更加準(zhǔn)確、快速地采集電網(wǎng)運(yùn)行過程中的各項(xiàng)指標(biāo)和數(shù)據(jù)。當(dāng)然，這就涉及到下文所述的通信的問題。因此，先進(jìn)的實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)是智能電網(wǎng)最基本的組成部分，也是必須完成的基本任務(wù)。

(2)高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。信息化是我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的特征之一。信息的采集通過先進(jìn)的實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)來(lái)完成的，但是如果這些數(shù)據(jù)和信息不能及時(shí)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的控制中心，那么這些數(shù)據(jù)和信息就是無(wú)用的，控制決策中心也不能夠及時(shí)作出最優(yōu)的運(yùn)行方案。所以，需要有高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，為數(shù)據(jù)從信息采集層上傳至控制中心層和動(dòng)作指令從控制中心層下傳至動(dòng)作執(zhí)行層提供通信保障。這也就是數(shù)據(jù)交互傳輸層的作用—— 上傳下達(dá):通過終端傳感器、數(shù)據(jù)采集器將用戶之間、用戶和電網(wǎng)公司之間形成實(shí)時(shí)連接的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)、高速、雙向的效果，從而從通信方面提高電網(wǎng)的綜合效率。

對(duì)于目前電網(wǎng)來(lái)說，通信的快速與可靠與否是制約電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。對(duì)于智能電網(wǎng)來(lái)說，其對(duì)信息傳輸?shù)母黜?xiàng)要求必然會(huì)更加嚴(yán)格。高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道實(shí)際上對(duì)智能電網(wǎng)的信息化建設(shè)提出了要求:充分利用目前電網(wǎng)通信資源，加快3G、光纖通信等技術(shù)融入電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)程;研發(fā)IPv6解決方案，使得各類電力參數(shù)傳感器、智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和用戶端的智能電表能夠組成有機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

(3)容量充裕的故障信息處理方案數(shù)據(jù)庫(kù)。我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)在近年來(lái)突飛猛進(jìn)，取得了一個(gè)又一個(gè)成績(jī)。但同時(shí)要認(rèn)識(shí)到，由于資金、技術(shù)、規(guī)劃等方面的原因，我國(guó)電網(wǎng)骨干網(wǎng)架還不夠堅(jiān)強(qiáng)，穩(wěn)定性不足，整體上發(fā)展水平還不高，解決故障時(shí)仍有軟肋。這也就成為了我國(guó)智能電網(wǎng)需要解決的問題之一。

上文所提及的電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是指反映電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對(duì)于跟蹤系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行狀況、將問題的事后解決變?yōu)槭孪阮A(yù)防有著重要意義。這就需要有一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)存放這些數(shù)據(jù)。

自愈性，對(duì)于電網(wǎng)而言是一個(gè)非常重要的屬性，智能電網(wǎng)在此方面應(yīng)該有更加出色的表現(xiàn)。傳統(tǒng)電網(wǎng)的系統(tǒng)自愈性、自恢復(fù)能力完全依賴于物理實(shí)體的冗余。從電力工業(yè)發(fā)展的角度看，智能電網(wǎng)不可能再采用物理實(shí)體的冗余來(lái)保證自愈性，而是應(yīng)該從軟件的角度、系統(tǒng)控制方面來(lái)保證電網(wǎng)應(yīng)對(duì)故障沖擊的自愈能力。當(dāng)控制決策中心從采集的信息中檢測(cè)到不正常的數(shù)據(jù)后，應(yīng)能夠判斷故障類型并采取相應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)自愈。因此，應(yīng)當(dāng)有一個(gè)故障信息處理方案數(shù)據(jù)庫(kù)，為檢測(cè)到的故障信息提供比對(duì)判斷，并通過判斷結(jié)果給出相應(yīng)的解決方案，通過控制相關(guān)設(shè)備動(dòng)作，排除故障。該數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)當(dāng)有充裕的容量，并能通過每次發(fā)生的故障的記錄，通過一種“自學(xué)習(xí)”的方式自動(dòng)補(bǔ)充完善數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過專家系統(tǒng)、超實(shí)時(shí)仿真技術(shù)、電網(wǎng)云計(jì)算等構(gòu)建的先進(jìn)決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)中的任意情況快速分析診斷和響應(yīng)，為電網(wǎng)提供最優(yōu)的運(yùn)行方案。

綜上所述，容量充裕的故障信息處理方案數(shù)據(jù)庫(kù)不僅是一個(gè)存放電網(wǎng)運(yùn)行信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，更是一個(gè)存儲(chǔ)了相應(yīng)故障解決方案、能快速提供解決問題措施的數(shù)據(jù)庫(kù)，是保證堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的一個(gè)重要部分。

(4)準(zhǔn)確靈活的動(dòng)作系統(tǒng)。智能電網(wǎng)的高智能性和靈活性固然很大程度來(lái)自于數(shù)字化的信息采集、處理、控制方案的決策與下達(dá)，但是最終的控制信息的執(zhí)行還是要依靠物理實(shí)體的動(dòng)作系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行。對(duì)于電網(wǎng)而言，準(zhǔn)確、靈活地動(dòng)作是保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。對(duì)于智能電網(wǎng)而言，準(zhǔn)確靈活的動(dòng)作系統(tǒng)更是電網(wǎng)能否實(shí)時(shí)優(yōu)化運(yùn)行、能否實(shí)現(xiàn)故障自愈的最后一環(huán)，是決定系統(tǒng)終端動(dòng)作正確、快速、可靠與否的關(guān)鍵所在。

在我國(guó)，電網(wǎng)所處的氣候條件和自然環(huán)境是各異的。在一些地區(qū)，極端天氣和自然環(huán)境是影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要因素。這就要求電網(wǎng)負(fù)責(zé)動(dòng)作執(zhí)行的硬件設(shè)備、裝置、元件需要有極高的動(dòng)作可靠性。試想，一個(gè)反應(yīng)遲緩動(dòng)作不準(zhǔn)確的繼電保護(hù)及開關(guān)系統(tǒng)，又怎能支撐起一個(gè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)呢？

(5)動(dòng)態(tài)柔性的電源接入系統(tǒng)。傳統(tǒng)電網(wǎng)是一個(gè)剛性系統(tǒng)，電源的接入與退出、點(diǎn)能量的傳輸?shù)榷既狈椥裕率闺娋W(wǎng)沒有動(dòng)態(tài)柔性及可組性。顯然，傳統(tǒng)電網(wǎng)在應(yīng)對(duì)新能源和微網(wǎng)接入系統(tǒng)的時(shí)候，就會(huì)力不從心。

能源危機(jī)在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)代愈來(lái)愈凸顯出來(lái)，世界各國(guó)都在尋求新的綠色能源。在我國(guó)，水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源資源規(guī)模大、分布較為集中但遠(yuǎn)離負(fù)荷，需要走集中開發(fā)、規(guī)模外送、大范圍消納的發(fā)展道路。但需要注意到的是，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電具有不確定性，發(fā)電的時(shí)機(jī)是隨機(jī)的、不穩(wěn)定的、間歇性的。這樣在客觀上就要求電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平必須十分優(yōu)秀，以適應(yīng)各類電源接入和送出的需要。由此來(lái)看，堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是解決能源外送問題的必經(jīng)之路。而靈活的電源接入系統(tǒng)必將成為智能電網(wǎng)的一個(gè)重要的組成部分。

另外，智能電網(wǎng)的發(fā)展勢(shì)必會(huì)帶來(lái)電力市場(chǎng)的變革。從現(xiàn)在單一的電網(wǎng)公司售電給用戶發(fā)展為以智能電網(wǎng)為平臺(tái)的可以變換買賣角色的電力市場(chǎng)。用戶可以向電網(wǎng)公司購(gòu)買電力，也可以在自己電力充裕的時(shí)候?qū)⑵潆娏ξ⒕W(wǎng)多余的電力出售給電網(wǎng)公司。這也要求智能電網(wǎng)有一套靈活的電源接入系統(tǒng)，可以根據(jù)電網(wǎng)的需要接入相應(yīng)的微網(wǎng)或斷開相應(yīng)的微網(wǎng)，在此同時(shí)，還必須保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行不受干擾。

通過靈活的電源接入系統(tǒng)使得我國(guó)的智能電網(wǎng)集中與分散相結(jié)合，能夠靈活變換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，智能重組系統(tǒng)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效能的最佳配置，優(yōu)化電網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

毫無(wú)疑問，智能電網(wǎng)必將是世界各國(guó)未來(lái)電力工業(yè)發(fā)展的方向。但是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和發(fā)展基礎(chǔ)的不同、能源分布和消費(fèi)區(qū)域的差異都使得各國(guó)的智能電網(wǎng)的發(fā)展具有獨(dú)特性。我國(guó)的智能電網(wǎng)構(gòu)架必須要立足國(guó)情，面向未來(lái)，合理規(guī)劃電網(wǎng)的構(gòu)架與組成，確保電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，優(yōu)化社會(huì)能源配置，提高能源綜合投資及利用效益，走出一條中國(guó)特色的、利國(guó)利民的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展之路。

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