余貽鑫，欒文鵬

(1. 天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津300072；

2. 加拿大卑詩省水電公司，維多利亞 V3N 4X8)

智能電網(wǎng)[1]是自動的和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò)，它具有電力和信息雙向流動的特點，同時它能夠監(jiān)測從發(fā)電廠到用戶電器之間的所有元件．它將分布式計算和提供實時信息的通信的優(yōu)越性用于電網(wǎng)，并使之能夠維持設(shè)備層面上即時的供需平衡．

1 智能電網(wǎng)的原動力

理解智能電網(wǎng)的原動力對正確實施智能電網(wǎng)至關(guān)重要．智能電網(wǎng)的原動力可以簡要地歸納如下，其中前4點是電網(wǎng)視角的思考，最后再介紹一下國家經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展視角的思考[2]．

1) 實現(xiàn)大系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低大規(guī)模停電的風(fēng)險

近年來世界上大面積連鎖停電頻繁發(fā)生，損失巨大．以 2003年美國東北地區(qū)大停電為例，給這個區(qū)域所造成的經(jīng)濟(jì)損失約 60億美元，充分暴露了基于資源大范圍全局優(yōu)化理念而發(fā)展起來的大型互聯(lián)同步電網(wǎng)的脆弱性[3-4]．一般的觀點[4-5]是，提高系統(tǒng)的全局可視化程度和預(yù)警能力，使用較好的、靈巧的和快速的控制實現(xiàn)自愈，是增強(qiáng)電網(wǎng)的可靠性和避免事故擾動引起系統(tǒng)崩潰的關(guān)鍵．進(jìn)而考慮到復(fù)雜大電網(wǎng)對自然災(zāi)害和人為有選擇性的惡意攻擊是脆弱的(對后者尤為脆弱)，未來的電網(wǎng)會成為更魯棒的——自治的和自適應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠通過自愈的響應(yīng)減小停電范圍和快速恢復(fù)供電．

2) 分布式電源(DER)的大量接入和充分利用

基于能源安全和可持續(xù)發(fā)展的考慮，世界上許多國家已把發(fā)展可再生能源技術(shù)提升到國家戰(zhàn)略的高度，投入大量的資金，以期奪取技術(shù)制高點．美國總統(tǒng)奧巴馬更認(rèn)為，“引領(lǐng)世界創(chuàng)造清潔能源經(jīng)濟(jì)的國家將引領(lǐng)21世紀(jì)的全球經(jīng)濟(jì)”．

分布式發(fā)電是靠近它服務(wù)負(fù)荷的小規(guī)模電力發(fā)電技術(shù)，它能夠降低成本、提高可靠性，減少排放量和擴(kuò)大能源選擇．在可再生的清潔能源中，太陽能和風(fēng)能由于其在地理上天然是分布式的，因此分布式的太陽能和風(fēng)能的發(fā)電技術(shù)受到廣泛的重視．許多國家制定政策，推廣其大量應(yīng)用．

風(fēng)電由于價格下降，其推廣應(yīng)用的前景已被認(rèn)知．事實上，技術(shù)上的新進(jìn)展也已展示了太陽能發(fā)電的良好前景，可望在未來10年左右能夠具有市場競爭力．

圖1 丹麥發(fā)電行業(yè)在過去20多年的演變Fig.1 Denmark′s evolution over the last two decades

屬于分布式電源的還有小型、微型燃?xì)廨啓C(jī)(如冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，英文是Combined Heat and Power，簡記為CHP)，以及小規(guī)模儲能和下邊將介紹的需求響應(yīng)等．未來的幾萬千瓦的微型核電也在視野當(dāng)中．

隨著技術(shù)的日益進(jìn)步，可預(yù)見未來的電網(wǎng)會逐漸擺脫過去單一集中式發(fā)電的模式，而轉(zhuǎn)向分布式發(fā)電輔助集中式發(fā)電的模式．請注意丹麥在過去 20多年的進(jìn)程，如圖 1所示(此圖來源為丹麥能源局)，它的電網(wǎng)在20世紀(jì)80年代中期還是一個集中式的系統(tǒng)，而今天則成了更為分散的系統(tǒng)．

當(dāng)大量的分布式電源集成到大電網(wǎng)中時，多數(shù)是直接接入各級(如110,kV及其以下電壓等級的)配電網(wǎng)，使得電網(wǎng)自上而下都成了支路上潮流可能雙向流動的電力交換系統(tǒng)，從而出現(xiàn)了如何處理數(shù)以萬計的分布式電源和應(yīng)對其發(fā)電的不確定性和間歇性，以確保電網(wǎng)的可靠性和人身與設(shè)備安全的問題．然而，現(xiàn)時的配電網(wǎng)絡(luò)是按單向潮流設(shè)計，不具備有效集成大量分布式電源的技術(shù)潛能．

3) 峰荷問題和需求側(cè)管理[6-8]

由于現(xiàn)時還沒有經(jīng)濟(jì)有效的大容量存儲電能的手段，致使電的發(fā)生和消費必須隨時保持平衡．而電力負(fù)荷是隨時間而變化的，譬如，在炎熱夏天的下午，當(dāng)無數(shù)商業(yè)和住宅的空調(diào)開到最大時，用電需求會大幅增高，以致到達(dá)全年負(fù)荷功率最大值(稱之為全年的“峰荷”)．為滿足供需平衡，電力設(shè)施必須根據(jù)全年的峰荷來規(guī)劃和建造．

由于系統(tǒng)處于峰荷附近的時間每年很短，所以電力資產(chǎn)利用率低下．美國現(xiàn)實電網(wǎng)資產(chǎn)的利用系數(shù)約為 55%，而發(fā)電資產(chǎn)利用率也不高．如圖 2所示(此圖來源為美國能源部報告“Grid30”)，其中占整個電網(wǎng)總資產(chǎn) 75%的配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率更低，年平均載荷率僅約 44%，即一年內(nèi)只有少數(shù)時間資產(chǎn)是被充分使用了的(如圖2所示，一年中僅有5%的時間，即438,h，其載荷率超過75%)，浪費了大量的固定資產(chǎn)投入，不符合可持續(xù)發(fā)展的要求．

圖2 美國電力資產(chǎn)利用率曲線Fig2 U.S. national G & D asset utiligation rates

調(diào)查表明：我國目前 10,kV配電資產(chǎn)利用率比美國還低．多數(shù)城市 10,kV配電線路和變壓器的年平均載荷率低于 30%；基于電網(wǎng)出現(xiàn)一個主要元件故障后還可保證安全的條件下，峰荷時的線路載荷率全部在 50%以下[9]．解決上述問題的辦法之一，是縮小負(fù)荷曲線峰谷差．

同時為了應(yīng)對電網(wǎng)偶然事件和電力負(fù)荷的不確定性，電力系統(tǒng)必須隨時保持(10%～13%)發(fā)電容量裕度(又稱旋轉(zhuǎn)備用)，以確保可靠性和峰荷需求，這也增加了發(fā)電成本和對發(fā)電容量的需求．

幸運(yùn)的是，現(xiàn)實系統(tǒng)中存在著大量能與電網(wǎng)友好合作的負(fù)荷．如空調(diào)、電冰箱、洗衣機(jī)、烘干機(jī)和熱水器等，它們在電力負(fù)荷高峰(電價高的)時段可以暫停使用，而適當(dāng)平移到供電不緊張(電價低)的時段再使用，幫助電網(wǎng)實現(xiàn)電力負(fù)荷曲線的消峰和填谷．如圖 3中的餅圖所示，在美國典型峰荷日的峰荷時刻，居民用電功率占到峰荷的30%，而其中2/3，即20%屬于可與電網(wǎng)友好合作的負(fù)荷，其值超過占峰荷 13%的旋轉(zhuǎn)儲備容量．如果能夠提供相應(yīng)的技術(shù)支撐，通過電力公司與終端用戶的互動(需求響應(yīng)或用電管理)，則可實現(xiàn)電力負(fù)荷曲線的削峰填谷．

削峰填谷不僅可以顯著地提高資產(chǎn)利用率，減少對系統(tǒng)發(fā)電和輸配電總?cè)萘康男枨?，同時也會帶來發(fā)電效率的提高和網(wǎng)損的降低．而要調(diào)動電力用戶同電網(wǎng)友好互動的積極性，需要開發(fā)高級的配電市場，實行分時或?qū)崟r電價，使消費者不僅可以從中獲利，而且感到舒適和方便．

圖3 美國典型峰荷日峰荷期間各類負(fù)荷所占比重Fig.3 Loads and reserves in a typical U.S. peak day

我國城市中居民用電功率在年典型峰荷日的峰荷時大多占到峰荷的 15%～20%，其中約有 1/2是可以與電網(wǎng)友好合作的可平移負(fù)荷．應(yīng)該注意到，如果能消減 6%～8%的峰荷，其所節(jié)約的電力資產(chǎn)額已是十分巨大的．更何況，商業(yè)用戶和工業(yè)用戶負(fù)荷，均具有與電網(wǎng)友好合作的潛力．

這種需求側(cè)用戶與電網(wǎng)之間的友好合作，在必要時，也可取代旋轉(zhuǎn)備用，支持系統(tǒng)的安全運(yùn)行．比如，在 2008年初的一天下午，美國得克薩斯州經(jīng)歷了風(fēng)力發(fā)電突然的、未預(yù)料到的急劇下降：在 3,h里發(fā)電下降130萬kW．此時一個緊急起動了的需求響應(yīng)程序，使大型工業(yè)和商業(yè)用戶在十分鐘內(nèi)恢復(fù)了大部分失去的供電，起到了對此類間歇性電源波動性緩沖的作用．這一緊急需求響應(yīng)程序可實施的前提是電網(wǎng)公司與用戶之間預(yù)先簽訂了協(xié)議．

4) 對電網(wǎng)各種約束(提高可靠性、提高電能質(zhì)量、節(jié)能降損和環(huán)保)日益嚴(yán)格

近20年，通信和信息技術(shù)得到了長足的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)及應(yīng)用在各行各業(yè)日益普及．美國在 20世紀(jì) 80 年代，內(nèi)嵌芯片的計算機(jī)化的系統(tǒng)、裝置和設(shè)備，以及自動化生產(chǎn)線上的敏感電子設(shè)備的電氣負(fù)載還很有限．而在 20世紀(jì) 90年代這部分用電就大約占到了總負(fù)荷的 10%．今天，這部分電力負(fù)荷的比重已升至 40%以上，預(yù)計 2015 年將超過 60%．它對電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量提出了很高的要求．

調(diào)查表明每年美國企業(yè)因電力中斷和電能質(zhì)量問題所耗掉的成本超過 1,000億元，相當(dāng)于用戶每花一美元買電，同時還得付出 30￠的停電損失．其中，僅擾動和斷電(即，不計大停電)每年的損失就達(dá) 790億美元．表 1給出了美國電力科學(xué)院(EPRI)對未來20～30年用戶對供電可靠性需求的預(yù)測．目前的電網(wǎng)不僅滿足不了數(shù)字化社會的這些需要，而且它在數(shù)字化技術(shù)的自身應(yīng)用方面也相對落后，特別是在配電網(wǎng)方面，盡管通信技術(shù)和信息技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使得對電力系統(tǒng)的實時監(jiān)控和資產(chǎn)管理進(jìn)一步擴(kuò)展到配電網(wǎng)絡(luò)日益經(jīng)濟(jì)可行．

表1 美國EPRI對未來20～30年用戶對供電可靠性需求的表1 預(yù)測Tab.1 Prediction of reliability requirement in future Tab.1 20—30 years by U.S. EPRI in the U.S.%

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和產(chǎn)業(yè)的升級，我國會有日益增多的數(shù)字化企業(yè)對供電可靠性和電能質(zhì)量提出更高的要求．

眾所周知，用戶電能質(zhì)量問題多起源于配電網(wǎng)．而事實上，配電網(wǎng)也是提高用戶供電可靠性的頸瓶．調(diào)查表明，我國 10,kV以下電網(wǎng)對用戶停電時間的影響占到 70%～80%以上．而與此同時，如上所述，我國城市 10 kV電網(wǎng)的載荷率低下——亦即電網(wǎng)的裕量很大．照理說我國城市 10,kV配電網(wǎng)的裕量大，其供電可靠性應(yīng)該高(即用戶處停電時間應(yīng)該短)，但事實并非如此．調(diào)查數(shù)字顯示，即使減去計劃停電時間，我國大城市用戶年平均停電時間也大都在一個小時以上，多數(shù)為幾個小時，甚至更長．而日本東京由于配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活和實現(xiàn)了配電自動化，其用戶的年平均停電時間僅為2～5,min；在電網(wǎng)出現(xiàn)一個主要元件故障后還可保證安全的條件下，峰荷時的線路載荷率可達(dá) 75%～85%(如前所述我國該值小于 50%)．

綜上所述，需要把目前的電網(wǎng)加以轉(zhuǎn)換，使其成為能夠適應(yīng)上述要求的電氣系統(tǒng)，即智能的電網(wǎng)．

除上述從電網(wǎng)角度看的智能電網(wǎng)的 4方面原動力外，尤其值得注意的是：由于技術(shù)涉獵廣泛，智能電網(wǎng)的一個關(guān)鍵目標(biāo)是要催生新的技術(shù)和商業(yè)模式，為經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展提供新的支撐點，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命．網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)袖思科預(yù)言，智能電網(wǎng)比互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)擁有更大的市場空間．它可以帶動可再生能源發(fā)電設(shè)備、智能儀表、電動汽車和智能家電等眾多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展．所謂智能家電是指，帶有通信模塊的空調(diào)、電暖氣、電冰箱，洗衣機(jī)、烘干機(jī)和熱水器等設(shè)備．這些設(shè)備可依據(jù)動態(tài)電價和電網(wǎng)的狀態(tài)對其能量消耗進(jìn)行動態(tài)控制．

2 對智能電網(wǎng)的總體設(shè)想

為了使前述的各種需要得以滿足，對智能電網(wǎng)的總體設(shè)想如下[1-2].

(1) 智能化 具有可遙感系統(tǒng)過載的能力和網(wǎng)絡(luò)自動重構(gòu)即“自愈”的能力，以防止或減輕潛在的停電；在系統(tǒng)需要作出人為無法實現(xiàn)的快速反應(yīng)時，能根據(jù)電力公司、消費者和監(jiān)管人員的要求，自主地工作；

(2) 高效 少增加乃至不增加基礎(chǔ)設(shè)施就能滿足日益增長的消費需求；

(3) 包容 能夠容易和透明地接受任何種類的能量，包括太陽能和風(fēng)能；能夠集成各種各樣已經(jīng)得到市場證明和可以接入電網(wǎng)的優(yōu)良技術(shù)，如，體積小、重量輕、成本低、電力強(qiáng)、可靠和壽命長的儲能技術(shù)；

(4) 激勵 使消費者與電力公司之間能夠?qū)崟r地溝通，從而消費者可以根據(jù)個人喜好(如電價和/或環(huán)境考慮)定制其電能消費；

(5) 機(jī)遇 具有隨時隨地利用即插即用創(chuàng)新的能力，從而創(chuàng)造新的機(jī)遇和市場；

(6) 重視質(zhì)量 能夠提供數(shù)字化經(jīng)濟(jì)所需要的可靠性和電能質(zhì)量(如，極小化電壓的凹陷、尖峰、諧波、干擾和中斷)；

(7) 魯棒 自愈、更為分散并采用了安全協(xié)議，使系統(tǒng)有抵御人為攻擊和自然災(zāi)害的能力；

(8) 環(huán)保 減緩全球氣候變化，提供可大幅度改善環(huán)境的切實有效的途徑．

表2[9]給出了智能電網(wǎng)和目前電網(wǎng)功能的比較．

智能電網(wǎng)的愿景，在智能化及誘人的視野方面是極不尋常的．它將像互聯(lián)網(wǎng)那樣改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞?，并激勵類似的變革．但實現(xiàn)智能電網(wǎng)，由于其本身的復(fù)雜性和涉及廣泛的利益相關(guān)者，需要漫長的過渡、持續(xù)的研發(fā)和多種技術(shù)的長期共存．短期內(nèi)，可以著眼于實現(xiàn)一個較為智能的電網(wǎng)(有人用smarter grid稱呼它)．它利用已有的或不久的將來就可配置的技術(shù)，使目前的電網(wǎng)更有效；在提供優(yōu)質(zhì)電力的同時，也提供相當(dāng)大的社會效益，如較小的環(huán)境影響等．

表2 智能電網(wǎng)和目前電網(wǎng)功能的比較Tab.2 Comparison between existing grid and smart grid

3 智能電網(wǎng)技術(shù)研究

從如上所述的原動力和總體構(gòu)想可知，智能電網(wǎng)將從一個集中式的、生產(chǎn)者控制的網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)變成大量分布式輔助較少集中式的和與更多的消費者互動的網(wǎng)絡(luò)．它將把工業(yè)界最好的技術(shù)和理念應(yīng)用于電網(wǎng)，以加速智能電網(wǎng)的實現(xiàn)，如開放式的體系結(jié)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、即插即用、共同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、非專用化和互操作性等．事實上，其中有些已經(jīng)在電網(wǎng)中應(yīng)用．但是僅當(dāng)輔以體現(xiàn)智能電網(wǎng)的雙向數(shù)字通信和即插即用能力的時候，其潛能才會噴發(fā)出來．

與智能電網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)非常之廣，可以把它分為3類，即智能電網(wǎng)技術(shù)、智能電網(wǎng)可帶動的技術(shù)和為智能電網(wǎng)創(chuàng)建平臺的技術(shù)[1]．

3.1 智能電網(wǎng)技術(shù)

文獻(xiàn)[9]把智能電網(wǎng)的功能歸納為高級計量體系(AMI)、高級配電運(yùn)行(ADO)、高級輸電運(yùn)行(ATO)和高級資產(chǎn)管理(AAM)，它們屬于智能電網(wǎng)技術(shù)的范疇．這里不再贅述．下邊僅列舉幾個極具價值的智能電網(wǎng)技術(shù)[1-2].

1) 高級計量體系(AMI)[10-14]

它是一個用來量測、收集、儲存、分析和運(yùn)用消費者用電信息的完整的系統(tǒng)，是一種以開放式的標(biāo)準(zhǔn)集成消費者的方法．作為 AMI重要組成部分之一的智能電表，事實上已成為一個多功能的傳感器，為電力公司提供系統(tǒng)范圍的可觀性．AMI將電力公司和用戶緊密關(guān)聯(lián)起來，使雙方可以合作、互動．若實施靈活的電能定價策略，則可以激勵消費者主動地參與實時電力市場，提供需求響應(yīng)．

AMI把反應(yīng)電力市場的近實時的電價信號，中繼到終端用戶“智能家居”設(shè)備的控制器；這些設(shè)備基于消費者事先所做的設(shè)置，相應(yīng)地決定如何使用電能．這種交互是在后臺進(jìn)行，只需最低限度的人為干預(yù)，但是能夠明顯地節(jié)省原本會消費掉的電能．

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，具有環(huán)保意識的消費者數(shù)目將會與日俱增，AMI將使這些消費者能夠通過智能電網(wǎng)的信息和工具，減少他們對于環(huán)境的損害．

同時，AMI的實施將為電網(wǎng)鋪設(shè)最后一段雙向通信，為電網(wǎng)從上到下處處可觀測奠定了通信基礎(chǔ)，其技術(shù)意義十分巨大．

圖 4所示(此圖來源為 Capgemni，圖中數(shù)字意指，在本功能原有的基礎(chǔ)上，可節(jié)省投資或提高效益的百分?jǐn)?shù))為對其效益的一種估計，可見它的效益是多方面的和巨大的．由于 AMI可在需求響應(yīng)和節(jié)能減排等方面取得巨大效益，北美的許多州(或省)政府機(jī)構(gòu)已頒布立法條例來推動 AMI技術(shù)的實施，并把 AMI視為是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的第1步．但如圖 5所示(此圖來源為美國NETL)，效益/成本最高段發(fā)生在其后的高級配電運(yùn)行和高級資產(chǎn)管理(ADO/AAM)實施的階段．經(jīng)驗表明投資通?？稍?5～10 a內(nèi)回收．

圖4 AMI的效益分析示例Fig.4 Illustration of AMI benefits

圖5 實現(xiàn)智能電網(wǎng)的效益成本曲線Fig.5 Benefits-costs curve of smart grid

2) 電網(wǎng)可視化技術(shù)和海量數(shù)據(jù)管理

在第 1節(jié)中已強(qiáng)調(diào)了提高全局可視化的必要，因為它可使電網(wǎng)運(yùn)行人員獲得全局的情境知曉．

電網(wǎng)的可視化技術(shù)和相關(guān)的工具已應(yīng)用于大電網(wǎng)的在線實時安全監(jiān)視，以及實時負(fù)荷監(jiān)控和電力公司的負(fù)荷增長規(guī)劃等方面．但總體上看，由于普遍缺乏對各種來源信息的集成或為不同的用戶提供不同信息顯示的能力，結(jié)果所獲得的情景知曉還很有限．與此同時，隨著智能電網(wǎng)的實施，將來電力用戶提高電能使用效率和提供需求響應(yīng)的方案也會明顯增加，為了從中選擇優(yōu)化的執(zhí)行方案，也需要為電力公司和電能消費者提供情景知曉．為此需要為各級電網(wǎng)調(diào)度人員和消費者提供多方面的、生動的可視化界面．

智能電網(wǎng)實施之后，電力公司所面對的是海量的數(shù)據(jù)，為了從中抽取富有指導(dǎo)意義的信息，必須找到適合于海量數(shù)據(jù)管理的方法，并基于這些數(shù)據(jù)開發(fā)電網(wǎng)的高級應(yīng)用軟件，實現(xiàn)情景知曉和優(yōu)化決策．

下一代可視化的開發(fā)國內(nèi)外都正在進(jìn)行中，此處簡單介紹一下美國能源部在橡樹嶺國家實驗室的開發(fā)項目維爾德(VERDE，動態(tài)地可視化地球上的能源資源)．它通過集成實時傳感器數(shù)據(jù)、天氣信息和帶有地理信息的電網(wǎng)模型，提供廣域電網(wǎng)的知曉．它將能夠查看國家層面上電網(wǎng)的狀態(tài)，而且在需要時能在幾秒內(nèi)轉(zhuǎn)到深入檢查街道一級電網(wǎng)的具體細(xì)節(jié)．它將為電力公司提供有關(guān)大停電和電能質(zhì)量以及洞察系統(tǒng)運(yùn)行的快速信息．

3) 廣域量測系統(tǒng)/相量測量單元(WAMS/PMU)

它可提供大范圍的情境知曉，其工作可以減輕電網(wǎng)的阻塞和瓶頸，縮小和防范系統(tǒng)大停電．它同目前使用的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制(SCADA)技術(shù)相比，就質(zhì)量而言，猶如前者向電網(wǎng)提供的是一個“核磁共振成像術(shù)”，而后者僅提供“X射線”．

SCADA通常，每隔2 s或4 s測量1次，為電力系統(tǒng)提供穩(wěn)態(tài)的觀測．而 WAMS/PMU可以實現(xiàn)每秒多次采樣(如 30 樣本/s)，所測量結(jié)果也在時間上精確同步，可為電力系統(tǒng)提供動態(tài)的可視化．

4) 分布式的智能網(wǎng)絡(luò)代理(INAs)體系

微處理器的歲月之前創(chuàng)建的集中規(guī)劃和控制的電力基礎(chǔ)設(shè)施，在很大程度上限制了電網(wǎng)的靈活性，失去了效率，致使在安全性、可靠性等幾個關(guān)鍵方面承擔(dān)著風(fēng)險．以配電網(wǎng)分布式智能代理體系為例[9]，它把配電系統(tǒng)分成許多片(cell)，每片中有許多由片內(nèi)通信連接起來的智能網(wǎng)絡(luò)代理(如繼電保護(hù)、分布式電源等)，這些代理能夠收集和交流系統(tǒng)信息，它們對局部控制可作出自主決策(如繼電保護(hù))，也可以經(jīng)片內(nèi)的協(xié)調(diào)做出決策(如電壓調(diào)節(jié)與無功優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu))．同時各片之間，以及配電調(diào)度中心和輸電調(diào)度中心之間也通過通信聯(lián)絡(luò)起來，根據(jù)整個系統(tǒng)的要求協(xié)調(diào)決策，實現(xiàn)跨地理邊界和組織邊界的智能控制，使整個系統(tǒng)具有自愈功能．

基于分布式智能代理所開發(fā)的智能電網(wǎng)的核心軟件，是比實時還要快的快速仿真與模擬，它為協(xié)調(diào)決策提供數(shù)學(xué)支持和預(yù)測能力．

5) 微電網(wǎng)

微電網(wǎng)與“完美電力系統(tǒng)”[15]的概念是密不可分的．“完美電力系統(tǒng)”具有向各種類型的終端用戶提供所需電力的靈活性，不會失?。悄芪㈦娋W(wǎng)(smart microgrids，簡稱微電網(wǎng))及其與電力公司電網(wǎng)的無縫集成，則是其理想的結(jié)構(gòu)之一．微電網(wǎng)是為滿足一群用戶，單個大用戶或一個小城鎮(zhèn)能量需求的一種集成的解決方案．這種現(xiàn)在看來特殊的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行形式在未來分布式發(fā)電和能量存儲廣泛使用的情況下，將會普遍存在．由于在微網(wǎng)中發(fā)電和消費靠的很近，而具有改善能量傳輸效率、可靠性、安全性、電能質(zhì)量以及運(yùn)行成本的潛力．微電網(wǎng)力求與大電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行：系統(tǒng)正常運(yùn)行時，其與電網(wǎng)無縫集成；遇到緊急情況，它可以自適應(yīng)孤島化運(yùn)行．從用戶的角度看，微電網(wǎng)使他們能夠掌握自己能量命運(yùn)，而不是依賴于單一的提供者．但是，較高的成本可能使微電網(wǎng)近期內(nèi)只能在要害和關(guān)鍵部門應(yīng)用．

可見，智能電網(wǎng)將加強(qiáng)電力交換系統(tǒng)的方方面面，包括發(fā)電、輸電、配電和消費等．僅從如上羅列的幾種智能電網(wǎng)的技術(shù)，會發(fā)現(xiàn)它的優(yōu)勢如下：

(1) 提供大范圍的情境知曉，其工作可以減輕電網(wǎng)的阻塞和瓶頸，縮小乃至防止大停電；

(2) 使電力公司可通過雙向的可見性，倡導(dǎo)、鼓勵和支持消費者參與電力市場和提供需求響應(yīng)；

(3) 為電網(wǎng)運(yùn)行人員提供更好“粒度”的系統(tǒng)可觀性，使他們能夠優(yōu)化潮流控制，并使電網(wǎng)具有自愈和事故后快速恢復(fù)的能力；

(4) 大量集成和使用分布式發(fā)電特別是可再生清潔能源發(fā)電；

(5) 為消費者提供機(jī)會，使他們能以前所未有的程度積極參與能源選擇．

3.2 智能電網(wǎng)可帶動的技術(shù)

需要澄清的是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、插件式的電動汽車和光伏發(fā)電等設(shè)備不是智能電網(wǎng)技術(shù)的組成部分．智能電網(wǎng)技術(shù)所包含的是，那些能夠集成、與之接口和智能控制這些設(shè)備的技術(shù)．智能電網(wǎng)的最終成功取決于這些設(shè)備和技術(shù)是否能夠有效地吸引和激勵廣大的消費者．

智能電網(wǎng)作為一個平臺，可推動和促進(jìn)創(chuàng)新，使許多新技術(shù)可行，為它們的發(fā)展提供機(jī)會，并形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模．舉例來說，智能電網(wǎng)可使人們：廣泛地使用插入式電動汽車；實現(xiàn)大規(guī)模能量存儲；一天 24,h使用太陽能；無縫地集成像風(fēng)能這樣的可再生能源；能夠選擇自己的電源和用電模式；促進(jìn)節(jié)能樓宇的開發(fā)．但這些技術(shù)本身不屬于智能電網(wǎng)的范疇，而是智能電網(wǎng)可帶動和促進(jìn)的技術(shù)．

3.3 為智能電網(wǎng)創(chuàng)建平臺的技術(shù)

美國能源部所列出的將推動智能電網(wǎng)的 5個基礎(chǔ)性技術(shù)如下.

(1) 集成的通信 基于安全和開放式的通信體系結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)中每一節(jié)點都提供可靠的雙向通信，以便實現(xiàn)對電網(wǎng)中每一個成員的實時信息交換和控制，并確保網(wǎng)絡(luò)安全和信息的保密性、完整性和可用性；

(2) 傳感和測量技術(shù) 用以支持系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、資產(chǎn)管理和更快速、更準(zhǔn)確的系統(tǒng)響應(yīng)，例如遠(yuǎn)程監(jiān)測、分時電價和需求側(cè)管理等；

(3) 高級的組件 應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)、儲能技術(shù)、電力電子技術(shù)和診斷技術(shù)方面等最新研究成果；

(4) 先進(jìn)的控制方法 以使快速診斷和各種事件的精確解決成為可能；

(5) 完善的接口和決策支持 用以增強(qiáng)人類決策，使電網(wǎng)運(yùn)行和管理人員對系統(tǒng)的內(nèi)在問題具有清晰的了解．

4 智能電網(wǎng)的效益與必要的保障條件

智能電網(wǎng)的效益可以歸結(jié)為：電能的可靠性和電能質(zhì)量提高方面的收益；電力設(shè)備、人身和網(wǎng)絡(luò)安全方面的收益；能源效率收益；環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的收益以及直接經(jīng)濟(jì)效益．

智能電網(wǎng)為電力公司可帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益，包括提高可靠性、削減運(yùn)行費用、提高資產(chǎn)利用率和電網(wǎng)效率等．智能電網(wǎng)的關(guān)鍵是利用各種技術(shù)、資源和市場機(jī)制以實現(xiàn)高效．據(jù)美國能源部的報告：“智能電網(wǎng)的功能將紓緩阻塞和提高資產(chǎn)的利用率，在其實現(xiàn)后，估計通過美國現(xiàn)有的能源走廊可多送 50%～300%電力”[1]．

長遠(yuǎn)來看，智能電網(wǎng)是電網(wǎng)最經(jīng)濟(jì)的建設(shè)方案．美國電科院在 2004年對其后 20年在美國實現(xiàn)智能電網(wǎng)成本所做的初步估算(以 2002年美元的價值計)是總投資為 6,255億美元；未來(智能)輸配電網(wǎng)需附加投資為1 650億美元(其中輸電占380億美元，配電和用戶參與占 1,270億美元)，而效益為6,380～8,020億美元，效益與成本比例為 4∶1～5∶1[16]．圖6給出了所獲效益的組成．據(jù)布拉特集團(tuán)(the Brattle Group)估計[1]，在美國為適應(yīng)人口的增長和數(shù)字經(jīng)濟(jì)中用電大戶數(shù)字組件數(shù)目指數(shù)的增加，在2010年和2030年之間美國需要投資約1.5萬億美元支付電力基礎(chǔ)設(shè)施．而智能電網(wǎng)具有成為最經(jīng)濟(jì)實惠的建設(shè)方案的潛質(zhì)，不僅建設(shè)花費少，同時還可節(jié)省更多的能量．

圖6 美國電科院對智能電網(wǎng)各種屬性效益的分析Fig.6 Diagram of the benefits with aggregate value stream Fig.6 of all attributes of smart grid by U.S. EPRI

由于涉及廣泛的技術(shù)領(lǐng)域并有大量的消費者參與，智能電網(wǎng)的直接經(jīng)濟(jì)效益，也包括通過加快把眾多的智能設(shè)備和各種可行的創(chuàng)新技術(shù)引進(jìn)到電能的生產(chǎn)、分配、存儲和應(yīng)用當(dāng)中來，帶動眾多產(chǎn)業(yè)發(fā)展．這里所謂的智能設(shè)備，是指基于計算機(jī)或微處理器的所有設(shè)備，包括控制器、遠(yuǎn)程終端單元(RTUs)和智能電子設(shè)備(IEDs)．它既包括電網(wǎng)的電力設(shè)備，如開關(guān)、電容器或斷路器，又包括在家庭、樓宇和工業(yè)設(shè)施中的電力設(shè)備．這里所說的創(chuàng)新技術(shù)的一個絕好的例子，是插件式的混合動力汽車(PHEVs)．美國預(yù)計它的推廣應(yīng)用“將每日減少石油消耗620萬桶，占目前進(jìn)口量的 52%．”在節(jié)省成本、改善環(huán)境的同時，由于它可在每天的非高峰負(fù)荷時間充電，而在每天的用電高峰期對電網(wǎng)提供支持，可起到對電力負(fù)荷曲線削峰填谷的作用．但是，如果沒有集成的通信基礎(chǔ)設(shè)施和相應(yīng)的電能價格信號，處理這類負(fù)荷會非常困難，不僅效率低下，甚至?xí)觿》搴蓡栴}．因此，需要開發(fā)智能充電器，其將根據(jù)電力市場信息，幫助管理好接于電網(wǎng)上的這類設(shè)備，同時避免電力基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)意外損壞．

為了能夠切實地獲得上述效益，在實施智能電網(wǎng)時需要注意如下幾點．

(1)智能電網(wǎng)的實施所面臨的挑戰(zhàn)是巨大．這不僅是由于它涉及廣泛的利益相關(guān)者，其組織、研發(fā)和實施均很復(fù)雜，而且需要人們轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的電網(wǎng)理念．智能電網(wǎng)的性質(zhì)決定其參與者應(yīng)不局限于電力公司、電力設(shè)備廠商，還應(yīng)包括廣大消費者和眾多其他產(chǎn)業(yè)．需要由國家制定相應(yīng)的政策和標(biāo)準(zhǔn)[17]，以鼓勵和支持眾多企業(yè)的參與．

(2) 智能電網(wǎng)是一個不斷發(fā)展的目標(biāo)．需要進(jìn)行持續(xù)的研究，以預(yù)測不斷變化的需求和評估不斷變化的收益和成本．在實施智能電網(wǎng)的時候需要時時刻刻地考慮：“我們所做工作是否適用于市場？是否可激勵用戶參與？是否可實現(xiàn)資產(chǎn)優(yōu)化？是否能夠獲得高效運(yùn)行？”．電力公司和監(jiān)管機(jī)構(gòu)應(yīng)該持續(xù)地向消費者展示智能電網(wǎng)的效益最終是會超過其成本的．

(3) 需要出臺旨在開放電力市場和激勵電力公司智能電網(wǎng)投資的新法規(guī)．其中包括：①實施分時或?qū)崟r電價，使“電能”的商品市場價值得到合理地體現(xiàn)；②制定鼓勵分布式電源賣電回電網(wǎng)的政策，如分步式潔凈能源的上網(wǎng)電價(feed in tariff)政策；③保證電力公司智能電網(wǎng)投資成本回收的政策．

4 結(jié) 語

智能電網(wǎng)不僅能獲得高安全、高可靠、高質(zhì)量、高效率和價格合理的電力供應(yīng)，提高國家的能源安全、改善環(huán)境、推動可持續(xù)發(fā)展，同時能夠激勵市場與創(chuàng)新，從而提高國家的國際經(jīng)濟(jì)競爭力．因而在我國需要實施智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略．

智能電網(wǎng)將把一個集中式的、生產(chǎn)者控制的電網(wǎng)，轉(zhuǎn)變成大量分布式輔助較少集中式的和與更多的消費者互動的電網(wǎng)．其變遷的過程，必將改變行業(yè)的整個業(yè)務(wù)模型，且對所有利益相關(guān)者都有利．

智能電網(wǎng)程序性的和技術(shù)性的挑戰(zhàn)是巨大的．為推進(jìn)智能電網(wǎng)，需要長期持續(xù)地的研發(fā)；需要出臺旨在激勵智能電網(wǎng)的法規(guī)，并通過開放式的方式建立國家標(biāo)準(zhǔn)[16]和鼓勵眾多相關(guān)產(chǎn)業(yè)的積極參與．

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