肖立業(yè)

（中國科學院電工研究所，北京 100190）

1 引言

隨著電力在終端能源中所占比例的不斷提高，人類社會對電網(wǎng)的依賴程度也越來越高，從而對電網(wǎng)的安全性、可靠性和電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。近些年來，新能源得到了飛速的發(fā)展，新能源的規(guī)模開發(fā)利用將導致發(fā)電方式、輸配電方式和電能利用方式的重大變革，從而對電網(wǎng)帶來新的重大挑戰(zhàn)。與此同時，節(jié)能減排壓力日益增大，提高電網(wǎng)的綜合效率和效益也已刻不容緩。以上幾個方面的因素，迫使人們思考如何整體提升電網(wǎng)的發(fā)展水平來應對這些重大挑戰(zhàn)。于是，經(jīng)過長時間的醞釀和準備，提出了智能電網(wǎng)的思想。近些年來，智能電網(wǎng)的發(fā)展日益受到廣泛的關注，但是到底什么是智能電網(wǎng)，目前還沒有一個統(tǒng)一的定義，不同的學者從不同的角度給智能電網(wǎng)下了不盡相同的定義[1-6]。盡管定義各不相同，但均大同小異。筆者個人認為[7]，從總體上看，電網(wǎng)的發(fā)展總是與特定時期的能源體系、技術發(fā)展水平和需求相適應的，智能電網(wǎng)的本質(zhì)就是利用現(xiàn)代信息技術、新材料技術、儲能技術和新的電網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)等來運行和管理電網(wǎng)，使電網(wǎng)能夠大規(guī)模地容納新能源的接入，并使電網(wǎng)更加高效、安全、可靠，從而為實現(xiàn)能源體系的重大變革提供基礎，因而智能電網(wǎng)也將是未來能源生產(chǎn)、傳輸、分配和利用的主體，具有廣闊的前景和巨大的產(chǎn)業(yè)帶動作用。近年來，歐美國家已經(jīng)紛紛把發(fā)展智能電網(wǎng)作為國家戰(zhàn)略，并通過建設智能電網(wǎng)示范城市來整體推動智能電網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為爭奪下一輪經(jīng)濟增長的制高點奠定基礎。本文將重點討論智能電網(wǎng)的目標和技術體系，并就我國智能電網(wǎng)技術發(fā)展提出了幾點建議。

2 智能電網(wǎng)的發(fā)展目標[1-11]

智能電網(wǎng)是因現(xiàn)有電網(wǎng)存在的安全穩(wěn)定性等問題、新能源的發(fā)展和節(jié)能減排等的需要而逐漸發(fā)展起來的，并將高度集成了信息技術、新材料技術、儲能技術等先進技術，其發(fā)展目標主要包括：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)信息的高度集成和共享，采用統(tǒng)一的平臺和模型，實現(xiàn)標準化、規(guī)范化和精細化的管理。

（2）支持分布式電源的大量接入，以提高電網(wǎng)的整體性、效率和靈活性；支持大量間歇性電源（可再生能源發(fā)電系統(tǒng)）的規(guī)模接入。

（3）能夠協(xié)調(diào)發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的優(yōu)化選擇。

（4）支持大量的電動汽車智能充電設備的接入，并利用電動汽車電池作為儲能設備，在系統(tǒng)需要時提供功率支撐。

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)自愈并能抵抗攻擊和抵御自然災害，即無論發(fā)生什么事故和攻擊，電網(wǎng)都能自我保護或自我恢復以保障電網(wǎng)的安全可靠運行。

（6）能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電廠（或設備）與用戶的自適應互動，達到能源資源和設備的綜合優(yōu)化利用，提高電網(wǎng)的總體效益。

（7）能夠?qū)崿F(xiàn)終端用戶（電力調(diào)節(jié)設備、補償設備和用戶能源管理系統(tǒng)等）的控制和總體配電系統(tǒng)的控制，取得滿足要求的穩(wěn)定性和電力質(zhì)量。

（8）支持電力市場和電力交易的有效開展，實現(xiàn)資源的合理配置，降低電網(wǎng)損耗，提高能源的綜合利用效率。

3 智能電網(wǎng)的技術體系[1-11]

智能電網(wǎng)不是一門技術，而是眾多技術的高度集成。根據(jù)智能電網(wǎng)的涵義及其發(fā)展目標，智能電網(wǎng)的技術體系將主要包括：

（1）靈活的電力網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的放射狀網(wǎng)絡不能保障在線路發(fā)生故障時快速恢復對負載供電。靈活的可重構(gòu)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，是智能電網(wǎng)的物理基礎，它使得電網(wǎng)在經(jīng)歷故障時，能夠把故障的影響控制在最小的范圍，并可以實現(xiàn)快速的供電恢復。為此，在配電系統(tǒng)側(cè)面，需要發(fā)展環(huán)形配電網(wǎng)、環(huán)形母線和分布式微型電網(wǎng)，實現(xiàn)雙向潮流控制和電路間的功率交換。在輸電系統(tǒng)層面，需要根據(jù)可再生能源的分布、負荷分布和儲能系統(tǒng)的分布，合理確定輸電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及電力輸送方式。

（2）高級傳感和測量技術。用于實現(xiàn)遠程監(jiān)測控制、分時電價和用戶側(cè)管理的快速準確響應，主要包括智能電表，以及廣域分布的能夠?qū)崟r監(jiān)測設備和網(wǎng)絡的運行參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、故障狀態(tài)及故障定位的大量傳感器和測量單元。傳感器和測量單元能夠與通信系統(tǒng)有機整合。因此，發(fā)展高精度低能耗的傳感器及其網(wǎng)絡，并實現(xiàn)傳感器與測量單元的能源供應（傳感器與微小能源系統(tǒng)的結(jié)合）是十分必要的。

（3）專用芯片技術。智能電網(wǎng)將采用大量的芯片來武裝現(xiàn)有的設備，從而對設備進行智能化升級，使之能夠根據(jù)電網(wǎng)的需要完成特定的任務，主要包括：智能電表所用的計量芯片、用電設備與控制設備的智能驅(qū)動芯片與控制芯片、精確計時用的時鐘芯片、設備與傳感器的通信系統(tǒng)芯片等。

（4）通信技術?；诮y(tǒng)一標準下的開放并高度集成的通信系統(tǒng)，將覆蓋從發(fā)電機到用戶終端的全部范圍，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)中每一個設備的實時控制和信息交換，電網(wǎng)中的每一部分均可以雙向通信。通信網(wǎng)可以對網(wǎng)絡智能傳感器和控制裝置、控制中心、保護系統(tǒng)和用戶建立一個安全的“即插即用”的應用環(huán)境，并可以實現(xiàn)系統(tǒng)全部參數(shù)和狀態(tài)的可視化。按照不同的層次，通信網(wǎng)包括三個層次：用戶戶內(nèi)通信網(wǎng)（HAN）、局域通信網(wǎng)（LAN）和廣域通信網(wǎng)（WAN）。HAN通過網(wǎng)關或用戶入口把智能電表和用戶戶內(nèi)可控的電器或裝置連接起來，使得用戶能根據(jù)電力公司的需要，參與電力市場。LAN連接智能電表和數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器可以即時或按照預先設定的時間收集或接收附近電表的計量值或信息，也可以中繼數(shù)據(jù)中心發(fā)給下游電表和用戶的命令和信息，同時數(shù)據(jù)集中器通過WAN和數(shù)據(jù)中心相連。在通信網(wǎng)絡中，可以根據(jù)通信的具體要求，分別采用不同的媒介來實施通信，如電力線載波通信（PLC）、Zigbee、W/WiMedia/WiFi、因特網(wǎng)（IPv4和IPv6）、光纖以太網(wǎng)、第三代（3G）無線語音和數(shù)據(jù)通信、無線通信等。

（5）通用信息平臺。主要包括電網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心及分布式數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)、可兼容的功能軟件，可以多種通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)共享、大容量高速存取、冗余備用、精確數(shù)據(jù)對時等?；谶@個平臺，還可以進行發(fā)電-輸電-配電-用戶的產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務分析以及國家-區(qū)域-地區(qū)-局域網(wǎng)絡信息分析，并形成發(fā)電計劃-停電計劃-資產(chǎn)管理-生產(chǎn)優(yōu)化-風險管理-負荷管理-市場管理等。該平臺運用平面顯示、三維動畫、語音識別、觸摸屏、地理信息系統(tǒng)（GIS）等視頻和音頻技術，提供個性化的可視化界面。

（6）網(wǎng)絡安全與信息安全技術。由于智能電網(wǎng)是一個高度信息化的電網(wǎng)，電網(wǎng)安全的涵義將不僅僅限于傳統(tǒng)意義上，保障其通信網(wǎng)絡和信息安全是十分重要的，主要包括：復雜大系統(tǒng)下的網(wǎng)絡生存、主動實時防護、數(shù)據(jù)安全存儲、網(wǎng)絡病毒防范、惡意攻擊防范、信息信任體系、新的密碼技術、信息系統(tǒng)實時鏡像備用等。

（7）發(fā)電功率與負荷的短期預測技術。強大的預測與預警能力是智能電網(wǎng)的重要特征。預測預警以高性能傳感、測量、通信和信息處理為基礎，可實現(xiàn)信息的短時甚至超時的預測和預警，主要包括：各類負荷的短期預測、氣象短期預測、可再生能源的發(fā)電功率短期預測等。

（8）電網(wǎng)實時仿真與模擬技術。實時仿真與模擬是包含狀態(tài)評估、風險評估、控制與優(yōu)化的計算與軟件系統(tǒng)，它不僅僅限于對緊急情況做出快速反應，而且能為電網(wǎng)提供強大的數(shù)學支持。實時仿真與模擬技術建立在信息獲?。▊鞲信c測量）和通信及信息平臺的基礎之上，能夠?qū)λ性O備（發(fā)電、輸配電、用電、功率變換）和網(wǎng)絡進行建模，利用超級計算或針對電網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)，采用分布式網(wǎng)絡計算（或者云計算）的方式來實現(xiàn)。通過仿真和模擬，并結(jié)合專家系統(tǒng)，可以獲得電網(wǎng)在不同狀態(tài)下的優(yōu)化運行方案，可對可能出現(xiàn)的問題（如穩(wěn)定裕度不足、阻尼和備用不足等）進行預測并提前給出相應的優(yōu)化解決方案，從而改善電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性、可靠性和整體效率效益。

（9）電力電子與控制技術。電力電子與控制技術是實現(xiàn)優(yōu)化運行方案的關鍵。主要包括高級電力電子器件（如新型SiC器件、GaN器件、VCD金剛石器件等）、多功能固態(tài)開關、智能電子裝置、柔性交流輸（配）電裝置（FACTS和D-FACTS）、故障電流限制器、智能萬用變壓器等。智能電網(wǎng)可以采用新的控制邏輯，使這些控制裝置協(xié)同運行，從而實現(xiàn)集成控制，以全面提高電網(wǎng)的輸送能力、安全性、可靠性、穩(wěn)定性和電力質(zhì)量。

（10）數(shù)字式電力設備。主要是利用傳感技術、仿真技術、通信技術和嵌入式系統(tǒng)，對電力設備進行數(shù)字化智能化升級，使得運營商能夠準確識別電力設備的運行狀態(tài)、運行能力、過載能力、故障發(fā)生的可能性及對這些設備進行壽命評估。數(shù)字式電力設備包括變壓器、電抗器、開關、輸配電線路等，也可以包括數(shù)字變電站。數(shù)字式電力設備實現(xiàn)的關鍵是采用合適的傳感技術和精確的仿真模型和評估模型。

（11）分布式電力技術。由于分布式電源靠近負荷，因此可以減少電網(wǎng)擴展輸送容量的需求，并提高了供電可靠性和電能質(zhì)量，從而帶來很大的綜合效益。分布式電源是智能電網(wǎng)的重要物理基礎之一，可以通過新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和控制運行方式與配電網(wǎng)高度整合。分布式電源可以是各種靠近用戶的可再生能源電源（如小水電、風電、太陽能、小型燃氣輪機、生物質(zhì)、海洋能等發(fā)電），也可以是儲能系統(tǒng)，還可以是電動汽車的充電站。多個分布式電源，通過協(xié)同控制，還可以充當一個發(fā)電廠（虛擬發(fā)電廠）。

（12）大型可再生能源電站并網(wǎng)技術。由于可再生能源與傳統(tǒng)能源有很大的不同，其并網(wǎng)技術是制約可再生能源規(guī)模開發(fā)利用的瓶頸。對于大型的可再生能源電站，要從電網(wǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)調(diào)度、旋轉(zhuǎn)和儲能備用、無功補償技術、大型可再生能源電站對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響、大型電站的數(shù)學建模與整體協(xié)調(diào)控制、繼電保護協(xié)調(diào)配合等方面入手。

（13）儲能技術?，F(xiàn)有電網(wǎng)的功率瞬態(tài)平衡主要是通過機組慣性來實現(xiàn)的。由于可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點，因此，未來智能電網(wǎng)沒有儲能系統(tǒng)作為支撐是難以想象的。儲能技術，除了包括高效高密度的儲能單元（如化學電池、飛輪、超級電容器、超導儲能、燃料電池等）技術外，還包括大型儲能電站的拓撲結(jié)構(gòu)及其整體協(xié)調(diào)控制技術，大型抽水儲能電站和集中式電動汽車充電站或電動汽車充電站網(wǎng)絡也是重要的發(fā)展方向。

（14）超導電力技術。超導電力技術主要是基于超導無阻高密度載流能力發(fā)展起來的應用技術，主要包括超導輸電電纜、超導限流器、超導變壓器、超導電機和超導儲能系統(tǒng)。超導電力技術在提高電網(wǎng)輸送容量和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低網(wǎng)絡損耗、改善電能的質(zhì)量、提高電網(wǎng)安全可靠性、降低氣設備的占地面積等多方面具有顯著的優(yōu)勢，因此被美國能源部譽為21世紀電力工業(yè)的惟一高技術儲備。美國能源部在Grid2030計劃和2009年出臺的智能電網(wǎng)項目中，均把超導電力技術作為重要的發(fā)展方向。

（15）先進材料技術。先進的材料是智能電網(wǎng)的物質(zhì)基礎。今后一段時間內(nèi)，圍繞智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，應重點研究發(fā)展的材料技術包括：電池用高效能源材料（如燃料電池及高容量儲氫用關鍵材料、超級電容器電極材料及介質(zhì)、高效電池材料）、先進導電材料和絕緣材料、高溫超導材料、高強度高電導材料、先進絕緣材料與低溫絕緣材料、先進傳感器材料（如高效熱電轉(zhuǎn)換材料、壓電材料、巨磁阻材料、抗機械應力和溫度變化的光纖材料）等。

4 我國智能電網(wǎng)技術發(fā)展的有關建議

智能電網(wǎng)將是能源生產(chǎn)、分配和利用的主體，事關國家重大戰(zhàn)略和整體安全，是下一輪經(jīng)濟增長的制高點之一，因此智能電網(wǎng)技術的發(fā)展應該由國家組織進行頂層設計。智能電網(wǎng)涉及的技術和產(chǎn)業(yè)很多，不是一家或者幾家單位能做好的事情，需要積極推動全社會的廣泛參與。

新能源規(guī)模開發(fā)利用對電網(wǎng)帶來的影響是根本性的挑戰(zhàn)，因此智能電網(wǎng)的發(fā)展要以促進新能源規(guī)?；脼橹匦模粌H要考慮大型可再生能源系統(tǒng)的接入問題，也要充分考慮分布式能源和電動汽車的發(fā)展問題。為了能夠更好地推進我國智能電網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應在國內(nèi)選擇有代表性的城市或者關鍵環(huán)節(jié)，通過建設示范城市和示范點，整體推進智能電網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和形成。

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