余貽鑫

面向21世紀(jì)的智能電網(wǎng)

余貽鑫1, 2

(1. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

智能電網(wǎng)(smart grid)將像互聯(lián)網(wǎng)那樣改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞剑⒓?lì)類似的變革．厘清智能電網(wǎng)的基本理念，對(duì)于科學(xué)地實(shí)施智能電網(wǎng)至關(guān)重要，這些理念已在筆者新近出版的《智能電網(wǎng)基本理念和關(guān)鍵技術(shù)》一書的第一篇中做了系統(tǒng)性的敘述. 為讀者能夠花費(fèi)盡可能少的時(shí)間了解核心理念，筆者在該書的前言基礎(chǔ)上略做加工形成此文．這些理念包括：建設(shè)美麗中國(guó)需要高比例可再生的風(fēng)能和太陽能發(fā)電；可再生能源應(yīng)用的主流形式是分布式的，它在配電和發(fā)電領(lǐng)域中的影響具有顛覆性；智能電網(wǎng)的本質(zhì)特征和總體設(shè)想；群集理念和智能分布式體系；智能電網(wǎng)的效益、挑戰(zhàn)和研發(fā)(R&D)機(jī)遇；互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)理念之間的關(guān)系等．

高比例可再生能源發(fā)電；分布式電源；智能電網(wǎng)特征和總體設(shè)想；群集理念和智能分布式體系；效益、挑戰(zhàn)和研發(fā)(R&D)機(jī)遇；互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)

1?建設(shè)美麗中國(guó)需要高比例可再生的風(fēng)能和太陽能發(fā)電

生態(tài)文明和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展要求人類社會(huì)關(guān)注并實(shí)施清潔替代和電能替代，以應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境保護(hù)的需要，有效緩解化石能源資源緊缺和能源需求日益增長(zhǎng)的矛盾．未來的能源構(gòu)成將由現(xiàn)在的以化石能源為主、可再生能源為輔轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥稍偕茉礊橹?、化石能源為輔．到2050年非化石能源要大于50%，其中可再生能源要大于40%，即未來必然是發(fā)展高比例可再生能源發(fā)電．我國(guó)現(xiàn)有的風(fēng)能和太陽能資源完全可以滿足這一高比例可再生能源發(fā)電的發(fā)展要?求——無論是西部地區(qū)還是東部地區(qū)，而且在我國(guó)電力負(fù)荷中心所處的中東部擁有足夠的風(fēng)光發(fā)電布置空間．但是風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電與傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電全然不同，它們是間歇的、多變的和不確定的，不能單獨(dú)運(yùn)行，需要采用調(diào)峰和功率平滑措施，其中包括：大電網(wǎng)吸納、靈活電源、需求響應(yīng)、分布式儲(chǔ)能、小型燃油燃?xì)獍l(fā)電、綜合能源系統(tǒng)等．為此，需要一個(gè)功能合理的現(xiàn)代電網(wǎng)來集成高比例的太陽能和風(fēng)能，并提高能源脫碳、轉(zhuǎn)化與利用過程的效率，這個(gè)電網(wǎng)就是智能電網(wǎng)(smart grid)[1]．

這樣的智能電網(wǎng)除去可以幫助人類實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)之外，也將提高電網(wǎng)的韌性(resilience)以減輕地球上日益增多的極端天氣所帶來的供電風(fēng)險(xiǎn)．

2?可再生能源應(yīng)用的主流形式是分布式的，它在配電和發(fā)電領(lǐng)域中的影響具有顛覆性

本文中所定義的分布式電源(distributed energy resources)是指直接接入各級(jí)配電網(wǎng)的電源(distribution-connected energy resources)，在下文中統(tǒng)一用DERs表示，屬于就地(終端)開發(fā)與利用能源的范疇．對(duì)于可再生能源的應(yīng)用，是采用在負(fù)荷中心地區(qū)廣泛地發(fā)展分布式的(接于配電網(wǎng)的)風(fēng)能和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的“就地開發(fā)與消納”模式，還是采用在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心地區(qū)建設(shè)大規(guī)模的風(fēng)電和光伏基地并將其電能外送到負(fù)荷中心的“遠(yuǎn)距離輸送”模式，會(huì)直接影響高比例可再生能源實(shí)現(xiàn)的美好愿景．20世紀(jì)20—50年代提出并延續(xù)至今的互聯(lián)電力系統(tǒng)(interconnected power system)具有互聯(lián)、開放、對(duì)等(能量自治單元之間的對(duì)等互聯(lián))和共享(以分散式的局部最優(yōu)實(shí)現(xiàn)全局能量管理的調(diào)度優(yōu)化)的特性，這些特性與后來提出的互聯(lián)網(wǎng)的基本特性是一致的．天津大學(xué)從互聯(lián)電力系統(tǒng)的規(guī)范出發(fā)，對(duì)風(fēng)能和太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用如前述的兩種模式所進(jìn)行的研究表明[1-2]，“解決風(fēng)能和太陽能發(fā)電間歇性、多變性和不確定性問題的最好方式是就地(終端)開發(fā)與消納”：①就地開發(fā)與消納模式同遠(yuǎn)距離輸送模式相比，其向負(fù)荷中心供電的全社會(huì)成本具有明顯優(yōu)勢(shì)，而可靠性成本、受端系統(tǒng)過網(wǎng)費(fèi)和網(wǎng)損成本是使得兩種開發(fā)模式供電成本存在差距的主要原因，其中可靠性成本是最核心要素．進(jìn)而，伴隨著風(fēng)光設(shè)備成本的持續(xù)快速下降，就地開發(fā)與消納模式的供電成本優(yōu)勢(shì)還將更加顯著．②在以燃煤火電為主要調(diào)節(jié)容量的情況下，采用就地開發(fā)與消納模式時(shí)，負(fù)荷中心所能實(shí)現(xiàn)的風(fēng)能和太陽能光伏發(fā)電滲透率最高，且在該模式下，通過采取多種改善措施，風(fēng)電和光伏發(fā)電電量滲透率可實(shí)現(xiàn)2050年的遠(yuǎn)景目標(biāo)．

DERs包括安裝在客戶端“電表兩側(cè)”的發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備.涉及到的諸如可再生能源、熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power generation，CHP)、固定電池儲(chǔ)能和帶有雙向轉(zhuǎn)換器的電動(dòng)汽車等廣泛的技術(shù)范圍．DERs系統(tǒng)可用于本地發(fā)電/存儲(chǔ)，可以參與容量和輔助服務(wù)市場(chǎng)，可以匯集成虛擬發(fā)電廠．由智能逆變器等互連設(shè)備實(shí)現(xiàn)的可與電網(wǎng)互動(dòng)的高級(jí)DERs功能正在越來越多地被用來確保電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性，同時(shí)滿足配電系統(tǒng)的安全要求．高級(jí)DERs功能還能夠?qū)崿F(xiàn)新的電網(wǎng)架構(gòu)，其中包含“微電網(wǎng)”——當(dāng)電力中斷時(shí)，可以與電網(wǎng)分離，并可與電網(wǎng)運(yùn)行合作以形成更具適應(yīng)性的韌性電力系統(tǒng)．

除了分布式的發(fā)電和儲(chǔ)能之外，鼓勵(lì)用戶參與需求響應(yīng)(demand response，DR)和基于協(xié)議的負(fù)荷控制也是實(shí)現(xiàn)電力供需平衡的有效方法．需求響應(yīng)的定義是：“在正常耗電模式下，用戶用電功率能夠隨著電價(jià)的變化而變化，或者當(dāng)電力零售市場(chǎng)電價(jià)過高或系統(tǒng)可靠性受到損害時(shí)，能夠促使用戶減少用電．”生態(tài)文明意識(shí)的提升，使電力公司積極尋求不同于傳統(tǒng)的方式來滿足供需平衡，從而減少昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施投資或減少向大系統(tǒng)注入變化大和不確定性的潮流．居民負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷和高耗能產(chǎn)業(yè)中均含有較大比例的可平移負(fù)荷，它們可以與電網(wǎng)友好合作，支持削峰填谷與事故情況下的減負(fù)荷，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)近乎瞬時(shí)的功率平衡．

現(xiàn)代交通在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比很高，僅次于電力，對(duì)其實(shí)現(xiàn)電能替代和電能高效利用，可以有效緩解化石能源資源緊缺的局面和改善環(huán)境．到2050年實(shí)現(xiàn)美麗中國(guó)的目標(biāo)要求電動(dòng)汽車比例達(dá)到80%以上，其電能的總消費(fèi)量和總存儲(chǔ)量都十分巨大，可在用電低谷(電價(jià)便宜)時(shí)充電，并在白天最需要(電價(jià)貴)的時(shí)候?qū)㈦娸敾仉娋W(wǎng)，所以電動(dòng)汽車也將成為需求響應(yīng)的重要部分，應(yīng)該且可以與大規(guī)模發(fā)展的分布式可再生能源發(fā)電協(xié)同發(fā)展．

供電側(cè)與需求側(cè)的不確定性共同構(gòu)成了未來電網(wǎng)運(yùn)行所面臨的最大挑戰(zhàn)．大量分布式可再生能源和用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)的接入提高了電力系統(tǒng)終端(如配電網(wǎng)、微電網(wǎng)、工廠、建筑和家庭)的供需不確定性．解決該問題的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)不確定性的就地(終端)解決，未來電網(wǎng)必須將責(zé)任分?jǐn)偟浇K端承擔(dān)．

大量的DERs接入到電網(wǎng)后，使得配電網(wǎng)自上而下都成為了線路潮流可能雙向流動(dòng)的電力交換系?統(tǒng)[3]．然而，現(xiàn)時(shí)的配電網(wǎng)絡(luò)是按單向潮流設(shè)計(jì)的，不具備有效集成大量DERs的技術(shù)潛能，即現(xiàn)有電網(wǎng)難以接納高比例的分布式可再生能源．因此，“如何處理數(shù)以百萬計(jì)的廣泛分布的DERs和應(yīng)對(duì)可再生風(fēng)能和太陽能發(fā)電的間歇性、多變性和不確定性，同時(shí)確保電網(wǎng)的安全性、可靠性和人身與設(shè)備安全，并激勵(lì)市場(chǎng)”就成為未來電網(wǎng)需要解決的問題．這一任務(wù)將由智能電網(wǎng)來完成．

從電網(wǎng)的角度看，智能電網(wǎng)的原動(dòng)力至少包含下述4個(gè)方面[4]：提高系統(tǒng)(以抵御事故擾動(dòng)為目的)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，降低大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)和增強(qiáng)災(zāi)難性事件后快速恢復(fù)供電的能力；DERs的大量接入和充分利用；高級(jí)市場(chǎng)化和需求側(cè)管理；數(shù)字化社會(huì)對(duì)電網(wǎng)的供電可靠性、電能質(zhì)量和能源效率的高要求.

“DERs＋智能電網(wǎng)”更加關(guān)注本地控制和減少對(duì)外依賴，是“顛覆性”的改變，其對(duì)日常生活、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在潛在的巨大影響．

3?智能電網(wǎng)的本質(zhì)特征和總體設(shè)想

智能電網(wǎng)最本質(zhì)的特點(diǎn)是電力和信息的雙向流動(dòng)性，并由此建立起一個(gè)高度自動(dòng)化和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò)；把分布式計(jì)算和通信的優(yōu)勢(shì)引入電網(wǎng)，達(dá)到信息實(shí)時(shí)交換和設(shè)備層次上近乎瞬時(shí)的供需平衡[3]．

智能電網(wǎng)的總體設(shè)想是智能化、高效、包容、激勵(lì)、機(jī)遇、重視質(zhì)量、抗災(zāi)能力(韌性)強(qiáng)和環(huán)保等．

智能電網(wǎng)是一個(gè)推動(dòng)者，一個(gè)良好設(shè)計(jì)的智能電網(wǎng)應(yīng)該有如下基本功能．

1)便于更廣泛地參與

(1)能夠激勵(lì)/包括電力用戶：向用戶提供充分的實(shí)時(shí)(或分時(shí))電價(jià)信息，有許多方案和電價(jià)可供用戶選擇；

(2)能夠容易和透明地接受任何種類的能源；

(3)以大量“即插即用”的分布式電源補(bǔ)充集中式發(fā)電，從而創(chuàng)造新的機(jī)遇和市場(chǎng)。

2)提高效率

(1)末端用戶可以積極參與成熟、健壯、很好集成的躉售市場(chǎng)；

(2)提高電能質(zhì)量，有各種各樣的質(zhì)量/價(jià)格方案可供選擇；

(3)優(yōu)化資產(chǎn)利用和高效運(yùn)行．

3)提高可靠性和韌性

(1)自愈：發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)可自愈，減少停電影響；

(2)抵御攻擊：遇到恐怖攻擊或自然災(zāi)害時(shí)具有快速恢復(fù)供電的能力等．

微處理器大規(guī)模應(yīng)用之前創(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，降低了效率，致使電網(wǎng)在可靠性、安全性和韌性等幾個(gè)關(guān)鍵方面承擔(dān)著風(fēng)險(xiǎn)．由于未來電網(wǎng)將接入數(shù)量巨大的DERs，并且其出力難以精確預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)的集中控制模式更加難以適用．所以，智能電網(wǎng)特別是智能配電網(wǎng)將是分布式智能的基礎(chǔ)設(shè)施．配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋺?yīng)該是靈活的、可重構(gòu)的；進(jìn)而，電所及之處均有可靠的雙向通信，從底層的傳感器和智能代理開始能源網(wǎng)和信息通信網(wǎng)將高度融合．

高級(jí)量測(cè)體系(advanced metering infrastructure，AMI)完善了電力通信的最后一公里，為電力公司提供了前所未有的系統(tǒng)范圍的量測(cè)和可觀性，其實(shí)施能夠幫助電力公司獲取史無前例的超大數(shù)量的數(shù)據(jù)[5].這些數(shù)據(jù)可用于評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀況、優(yōu)化資產(chǎn)利用和延長(zhǎng)設(shè)備壽命、優(yōu)化運(yùn)維費(fèi)用、改進(jìn)電網(wǎng)規(guī)劃、識(shí)別電能質(zhì)量問題、探測(cè)及減少竊電行為等眾多方面．使用柔性交直流輸配電裝置和智能電力電子裝置的高級(jí)配電自動(dòng)化(advanced distribution automation，ADA)將創(chuàng)造未來的智能配電網(wǎng)．ADA是革命，而不只是傳統(tǒng)配電自動(dòng)化的擴(kuò)展．在全球范圍內(nèi)的智能電網(wǎng)實(shí)施方案中，AMI和ADA是公認(rèn)的重要的基礎(chǔ)性功能模塊．

一個(gè)稱作“智能”的電網(wǎng)，在配電網(wǎng)中使用的信息技術(shù)會(huì)和在輸電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)使用的信息技術(shù)一樣多.實(shí)質(zhì)上，任何智能電網(wǎng)的命脈都是用以驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)和信息，而這些應(yīng)用又反過來促使開發(fā)新的和改進(jìn)的運(yùn)營(yíng)策略成為可能．從電力系統(tǒng)任一領(lǐng)域，諸如電力用戶、電力市場(chǎng)、服務(wù)提供商、運(yùn)行、發(fā)電、輸電和配電，所收集到的數(shù)據(jù)都可能同其他領(lǐng)域的改善相關(guān).所以以適時(shí)的方式與那些需要使用或有權(quán)了解數(shù)據(jù)的參與者實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)，是智能電網(wǎng)的基本要素.

設(shè)想中的智能電網(wǎng)將像互聯(lián)網(wǎng)那樣改變?nèi)藗兊墓ぷ骱蜕罘绞?，并激?lì)相似的變革．但是由于智能電網(wǎng)自身的復(fù)雜性，涉及到廣泛的利益相關(guān)者，因此需要漫長(zhǎng)的過渡、持續(xù)的研發(fā)和多種技術(shù)的長(zhǎng)期共存．短期內(nèi)可著眼于實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較智能的電網(wǎng)，利用已有或即將配置的技術(shù)使目前的電網(wǎng)更加有效，在提供優(yōu)質(zhì)電力的同時(shí)，并可創(chuàng)造更大的社會(huì)效益(如改善環(huán)境)[6]．

智能電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)可以分為智能電網(wǎng)技術(shù)、智能電網(wǎng)可帶動(dòng)的技術(shù)和為智能電網(wǎng)創(chuàng)建平臺(tái)的技術(shù)3類，內(nèi)容非常廣泛．智能電網(wǎng)將應(yīng)用工業(yè)界最好的技術(shù)和理念以加速其實(shí)現(xiàn)，如開放式體系結(jié)構(gòu)、共同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、即插即用技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、非專用化和互操作性等．實(shí)際上，有些技術(shù)已在電網(wǎng)中得到應(yīng)用，但只有在體現(xiàn)智能電網(wǎng)的雙向數(shù)字通信能力和即插即用能力時(shí)，其潛能才會(huì)充分迸發(fā)出來．

為激勵(lì)智能電網(wǎng)方面的內(nèi)容創(chuàng)新，亟需建立一個(gè)健康的、成熟的和集成的電力市場(chǎng)，包括：實(shí)施分時(shí)或?qū)崟r(shí)電價(jià)，使電能作為商品的市場(chǎng)價(jià)值得到合理體現(xiàn)；制定鼓勵(lì)DERs賣電回電網(wǎng)的政策，諸如分布式清潔能源的上網(wǎng)電價(jià)政策等，以及制定保證智能電網(wǎng)投資成本回收的政策等[6]．

4?群集理念和智能分布式體系

小概率事件所造成的損失可能非常巨大，單純的-1和-2安全性校驗(yàn)是不足的，人們需要改變思考系統(tǒng)問題時(shí)一些傳統(tǒng)的觀念．智能電網(wǎng)會(huì)成為更魯棒的自治和自適應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)υ收稀④娛峦{、恐怖襲擊、自然災(zāi)害等擾動(dòng)做出自愈響應(yīng)，從而大大提高電網(wǎng)的供電可靠性、安全性和韌性．從這個(gè)角度看，智能電網(wǎng)的實(shí)施是十分緊迫的，而與大電網(wǎng)無縫聯(lián)結(jié)的智能微電網(wǎng)是完美的．大量技術(shù)的、成本的和社會(huì)的因素正匯集在一起，使得微電網(wǎng)幾乎必然會(huì)成為電力基礎(chǔ)設(shè)施中最大的變革.微電網(wǎng)可以看作是電力公司對(duì)互聯(lián)用戶作用的擴(kuò)展，在此互聯(lián)的過程中存在可以創(chuàng)造迥異的未來配電系統(tǒng)的機(jī)會(huì)．

Rifkin[7]所提倡的能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想是，讓用戶在辦公室、家庭或工廠自行利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電，并能夠彼此共享所發(fā)出的電能；電動(dòng)汽車與本地儲(chǔ)能設(shè)備將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用．互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加入將把電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N能源可以互相共享的互聯(lián)網(wǎng)．

為了抓住未來的機(jī)遇，Wu等[8]已提出了如下的設(shè)想：未來的配電網(wǎng)、微電網(wǎng)、建筑單元(工廠和住宅等)與輸電系統(tǒng)的差異將逐步消失，具有本地發(fā)電和雙向電力潮流的特點(diǎn)，都將配有能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)并按照“群集”理念實(shí)現(xiàn)各自近實(shí)時(shí)的功率平衡，即輸電系統(tǒng)(互聯(lián)電力系統(tǒng))是若干個(gè)功率平衡區(qū)(即區(qū)域性輸電網(wǎng))互聯(lián)起來的群集(clusters)，每個(gè)功率平衡區(qū)是一個(gè)群(cluster)；每個(gè)區(qū)域性輸電網(wǎng)是若干個(gè)配電網(wǎng)互聯(lián)起來的群集，每個(gè)配電網(wǎng)是若干個(gè)微電網(wǎng)、建筑單元組成的群集，每個(gè)微電網(wǎng)又可以是由若干個(gè)建筑單元互聯(lián)起來的群集；每個(gè)群集屬于整個(gè)電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的一層(layer)，每個(gè)層級(jí)都具有中心輻射型層間通信和(必要時(shí)的)對(duì)等通信，在運(yùn)行過程中，通過調(diào)度協(xié)調(diào)各群間的功率交換計(jì)劃，每一個(gè)“群”必須維持其內(nèi)部?jī)艄β实钠胶獠⒙男信c外部功率交換的職責(zé)，以維持整個(gè)群集，乃至整個(gè)電網(wǎng)近實(shí)時(shí)的功率平衡．與功率平衡區(qū)相似，每個(gè)群都有發(fā)電和/或負(fù)荷以及智能控制和通信．群的基本功能也包括如下3個(gè)步驟：①進(jìn)行發(fā)電/負(fù)荷調(diào)度(dispatch)，以維持凈功率平衡和群內(nèi)的自身優(yōu)化；②當(dāng)?shù)氐姆答伩刂?，用于平滑波?dòng)；③通過削減發(fā)電機(jī)/負(fù)荷來緩解故障．這一構(gòu)想被稱為GRIP(grid with intelligent periphery)構(gòu)想．

智能電網(wǎng)的配電部分是智能配電網(wǎng)，它是主動(dòng)配電網(wǎng)與微電網(wǎng)的并集．主動(dòng)配電網(wǎng)中雖然也有DERs，但是它還沒有能力像微電網(wǎng)那樣成為功率平衡區(qū)，它還需要由其所接入的上一級(jí)(層)電網(wǎng)(或上一級(jí)電網(wǎng)所屬)的功率平衡區(qū)來支持配電網(wǎng)內(nèi)功率的近實(shí)時(shí)的平衡.按照GRIP的構(gòu)想，它們與輸電網(wǎng)之間的差別未來會(huì)逐漸消失.

第三次工業(yè)革命期望建立的能源互聯(lián)網(wǎng)(智能電網(wǎng))中，可再生能源的分布式特性(集成高比例分布式可再生能源)需要的是協(xié)作，而不是集中或分級(jí)的命令和控制機(jī)制[8]．協(xié)作行為將導(dǎo)致更加分散地共享所產(chǎn)生的利益．通力合作，追求共同利益是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的最佳途徑．群集共同工作可以確保最大化和最高效地利用可再生能源．追求共同利益是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的最佳路徑．因而，群的自身優(yōu)化(selfish optimization)、層內(nèi)各群協(xié)調(diào)和層間協(xié)調(diào)是智能電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中最為重要的原則．

5?智能電網(wǎng)的效益、挑戰(zhàn)和研發(fā)(R&D)機(jī)遇

實(shí)施智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略不僅使用戶能夠獲得高可靠性、高安全性、高效率、高質(zhì)量和價(jià)格合理的電力供應(yīng)，而且能提高國(guó)家的能源安全水平，并且改善環(huán)境，推動(dòng)能源可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)激勵(lì)市場(chǎng)不斷創(chuàng)新，從而提高國(guó)家的國(guó)際經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力．智能電網(wǎng)關(guān)鍵是利用各種技術(shù)、資源和市場(chǎng)機(jī)制以實(shí)現(xiàn)高效．智能電網(wǎng)的預(yù)期效益是明顯的，這些效益包括：供電的可靠性、韌性、安全性和電能質(zhì)量提高方面的收益；電力設(shè)備、人身和賽博(信息)安全方面的收益；能源使用效率收益；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)(容量、燃料和運(yùn)維成本)效益．而從廣義層面來看，由于技術(shù)涉獵廣泛，智能電網(wǎng)的關(guān)鍵目標(biāo)是催生新的技術(shù)和商業(yè)模式，實(shí)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)擁有大得多的市場(chǎng)空間[9-10].

智能電網(wǎng)是不斷發(fā)展的，需要進(jìn)行持續(xù)的研究以預(yù)測(cè)不斷變化的需求，評(píng)估相應(yīng)的成本和收益．在實(shí)施智能電網(wǎng)時(shí)，需要時(shí)刻考慮所做的工作是否適用于市場(chǎng)？是否能夠獲得高效運(yùn)行？是否可實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)優(yōu)化？是否可激勵(lì)用戶參與？電力公司和監(jiān)管機(jī)構(gòu)應(yīng)持續(xù)向消費(fèi)者證明：智能電網(wǎng)的效益最終一定會(huì)超過其投入的成本．因此，在智能電網(wǎng)實(shí)施過程中，必須堅(jiān)持“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”的戰(zhàn)略，需要獲得大量的知識(shí)產(chǎn)權(quán)、降低成本并提高效益．

智能電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)也是極其廣泛的，涉及許多技術(shù)、體制及社會(huì)問題，電網(wǎng)變遷的過程將改變整個(gè)行業(yè)的業(yè)務(wù)模型[11]．智能電網(wǎng)不僅涉及到廣泛的利益相關(guān)者，其組織、研發(fā)和實(shí)施也很復(fù)雜，需要人們變傳統(tǒng)的電網(wǎng)理念．在智能電網(wǎng)發(fā)展的各個(gè)階段，從基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)的研究到開發(fā)、示范和運(yùn)行都會(huì)出現(xiàn)障礙．指出其中關(guān)鍵性的障礙，可以幫助人們明確如何才能最大限度地發(fā)揮其潛能，從而盡可能地為國(guó)家提供廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益．當(dāng)然，與這些挑戰(zhàn)并存的是前所未有的研發(fā)機(jī)遇．

互操作性和賽博安全標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)效益以及管理整體成本的關(guān)鍵要素——支持標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施才能實(shí)現(xiàn)效益．標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，將使各種智能電網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用中缺乏安全保障，令其投資存在風(fēng)險(xiǎn)，可能阻礙其廣闊的應(yīng)用及未來的技術(shù)創(chuàng)新，并且難以形成競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境．

智能電網(wǎng)的實(shí)施需要強(qiáng)化監(jiān)管．監(jiān)管路徑是從如圖1所示的能源政策的一般目標(biāo)三角形開始的，該三角形[12]所顯示的是能源供應(yīng)系統(tǒng)變革的3種重要原動(dòng)力，這些原動(dòng)力是引導(dǎo)智能電網(wǎng)發(fā)展的主要影響因素，可據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)施智能電網(wǎng)的路線圖．為了實(shí)現(xiàn)這些計(jì)劃，需要在政府主導(dǎo)下，定義智能電網(wǎng)的角色和責(zé)任，定義未來的能源(包括可再生能源)供應(yīng)和智能電網(wǎng)的長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，開放市場(chǎng)和明確信息共享．

圖1?能源政策的一般目標(biāo)三角形

總之，能源轉(zhuǎn)型的規(guī)模十分巨大，需要很長(zhǎng)的時(shí)間，往往可能持續(xù)幾十年，特別是分布式可再生能源的開發(fā)與利用才剛剛起步，距離實(shí)現(xiàn)高比例還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走．所以適應(yīng)分布式可再生能源消納的、具有即插即用能力的智能電網(wǎng)的實(shí)施將會(huì)支持和伴隨整個(gè)能源轉(zhuǎn)型過程．

6?互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)

Rifkin[7]所提倡的能源互聯(lián)網(wǎng)與文獻(xiàn)[1]所述的智能電網(wǎng)是一致的．事實(shí)上，20世紀(jì)前半葉所提出的互聯(lián)電力系統(tǒng)在互聯(lián)、開放、對(duì)等和共享這4個(gè)基本特征方面與1969年在美國(guó)軍方開始的互聯(lián)網(wǎng)是一致的．應(yīng)該說智能電網(wǎng)是在互聯(lián)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，吸納了互聯(lián)網(wǎng)的成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)而形成的，其核心是將互聯(lián)電力系統(tǒng)的群集理念由輸電網(wǎng)下放到配電網(wǎng)、微電網(wǎng)、工廠和住宅中．

人們并未嚴(yán)格限定能源互聯(lián)網(wǎng)一詞的使用和含義，對(duì)于其技術(shù)內(nèi)涵的理解更是各有千秋．近來，已將能源互聯(lián)網(wǎng)的范圍從電力擴(kuò)大到熱能、天然氣以及其他能源形式，形成了所謂的多能源輸送系統(tǒng)．期望在整體能源管理方面的創(chuàng)新能夠進(jìn)一步提高能源利用的整體效率．

［1］ 余貽鑫. 智能電網(wǎng)基本理念和關(guān)鍵技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2019.

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A Brief Description of the Basics of the Smart Grid

Yu Yixin1, 2

(1. School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Like the Internet，the smart grid(SG)will change the way people live and work，and inspire “similar” changes．It is vital to scientifically implement the SG to clarify its basic ideas．These ideas have been systematically introduced in the first part of our newly published book，“Basic Ideas and Key Technologies of the Smart Grid”. To summarize the core ideas of the SG，this article was based on the preface of the book．These ideas include：responding to “Beautiful China’s”needs for renewable wind and solar power；mainstreaming distributed renew-able energy applications，the impact of that on the fields of power distribution and power transmission is disruptive；essential characteris-tics and overall vision of the SG；the cluster concept and the distributed intelligent infrastructure of the SG；the benefits，challenges，and opportunities for research and development(R&D)of the SG；the relationship between the ideas of the Internet and those of the SG，etc．

high penetration of renewable energy generation；distributed energy resources；characteristics and overall vision of smart grid；clusters and distributed intelligent infrastructure；benefits，challenges and R&D opportunities；Internet and smart grid

余貽鑫，男，1936年生，中國(guó)工程院院士，天津大學(xué)教授，電力系統(tǒng)分析、規(guī)劃與仿真專家．長(zhǎng)期結(jié)合電力系統(tǒng)工程實(shí)際進(jìn)行深入的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性理論研究，特別是在電力系統(tǒng)綜合安全域的理論與方法方面，取得了系統(tǒng)性與原創(chuàng)性的成果，并在世界上首次把該成果用于實(shí)際電力大系統(tǒng)．在城市電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方面，提出了一系列有效的理論、模型與算法，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、功能完整和國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的城市電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，迄今為止已用于國(guó)內(nèi)逾千個(gè)城市電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推動(dòng)了這一技術(shù)領(lǐng)域工作的科學(xué)化．作為我國(guó)智能電網(wǎng)的首倡者與積極推動(dòng)者，余貽鑫院士厘清了智能電網(wǎng)的基本理念，明確了我國(guó)建設(shè)智能電網(wǎng)的必要性和需要重點(diǎn)關(guān)注的挑戰(zhàn)性問題，承擔(dān)了多項(xiàng)中國(guó)工程院的智能電網(wǎng)相關(guān)咨詢項(xiàng)目，舉辦了中國(guó)第一屆智能電網(wǎng)論壇，對(duì)我國(guó)智能電網(wǎng)的科學(xué)發(fā)展和推進(jìn)實(shí)施智能電網(wǎng)工程做出了重要貢獻(xiàn)．近年來在國(guó)內(nèi)又開拓了非侵入式電力負(fù)荷分解與監(jiān)視技術(shù)這一新領(lǐng)域，并積極推進(jìn)其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用．先后獲全國(guó)先進(jìn)工作者、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、高校十大科技成果獎(jiǎng)1項(xiàng)和省部級(jí)一等獎(jiǎng)5項(xiàng)等．發(fā)表論文300余篇，出版《智能電網(wǎng)基本理念與關(guān)鍵技術(shù)》、《電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性》等著作多部．

TM7

A

0493-2137(2020)06-0551-06

10.11784/tdxbz201906060

2019-06-26；

2019-07-22.

余貽鑫（1936—??），男，教授，中國(guó)工程院院士.

余貽鑫，yixinyu@tju.edu.cn.

(責(zé)任編輯：孫立華)