智能电网技术的发展及其应用

摘要：智能电网（smart grid）就是以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网，借助国内、外智能电网研究应用情况，归纳和评述了智能电网技术实现的功能。

关键词：智能电网；发展；关键技术；功能；应用

一、智能电网概念和特征

1智能电网概念

（1）以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。

（2）它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保要求、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。

2智能电网特征

（1）坚强（Robust）

在电网发生大扰动和故障时、在自然灾害和极端气候条件下、或人为的外力破坏下仍能保证电网的安全稳定运行，不发生大面积的停电事故；具有确保信息安全的能力和防止计算机病毒破坏的能力。

（2）自愈（Self-Healing）

具有实时、在线连续的安全评估和分析能力，强大的预警控制系统和预防控制能力，自动故障诊断、自我隔离和系统自我恢复的能力。

（3）兼容（Compatible）

能支持可再生能源的正确、合理地接入，适应分布式发电和微电网的接入，能使需求侧管理的功能更加完善和提高，实现与用户的高效互动。

（4）经济（Economical）

支持电力市场和电力交易的有效开展，实现资源的合理配置，降低电网的损耗，提高能源利用率。

（5）集成（Integrated）

实现电网信息的高度集成和共享，采用统一的平台和模型，实现标准化、规范化和精细化的管理。

（6）优化（Optimized）

优化资产的利用，降低投资成本和运行维护成本。

二、智能电网技术的发展

中国数字化电网建设涵盖了发电、调度、输变电、配电和用户各个环节，包括信息化平台、调度自动化系统、稳定控制系统、柔流输电、变电站自动化系统、微机继电保护、配网自动化系统、用电管理采集系统等。实际上，目前中国数字化电网建设可以算是智能电网的雏形。

1参数量测技术

参数量测技术是智能电网基本的组成部分。先进的参数量测技术获得数据并将其转换成信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性，进行表计读取、消除电费估计及防止窃电、缓减电网阻塞及与用户的沟通。

未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统，取而代之的是可使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计有更多的功能，除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外，还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并通知用户正在实施的费率政策。更高级的功能还有用户自行根据费率政策，编制时间表，自动控制用户内部的电力使用策略。对于电力公司来说，参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，包括功率因数、电能质量、相位关系（WAMS）、设备健康状况和能力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电能消费和预测等数据。软件系统将收集、存储、分析和处理这些数据，为电力公司的其他业务所用。

2智能电网通信技术

建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统，任何智能电网的特征都无法实现。因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统支持，因此，建立这样的通信系统是构建智能电网的第一步。通信系统和电网一样深入到干家万户，共同形成2个紧密联系的网络―――通信网络，实现智能电网的目标和主要特征。高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为动态的、实时信息和电力交换互动的大型基础设施。通信系统建成后，可以提高电网的供电可靠性和资产利用率，抵御电网受到的攻击，提高电网价值。通过智能电网客户服务实现电网与客户之间实时交互响应，增强电网综合服务能力，满足互动营销需求，提升服务水平。

3信息管理系统

智能电网中的信息管理系统主要包括采集与处理、分析、集成、显示、信息安全等5个功能：①信息采集与处理。包括详尽的实时数据采集系统、分布式的数据采集和处理服务、智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）资源的动态共享、大容量高速存取、冗余备用、精确数据对时等；②信息分析。对经过采集、处理和集成后的信息进行业务分析，是开展电网相关业务的重要辅助工具。纵向包括“发电一输电一配电一需求侧”4级产业链业务分析和“国家一大区一省级一地县”4级电网信息分析。横向包括发电计划、停电管理、资产管理、维护管理、生产优化、风险管理、市场运作、负荷管理、客户关系管理、财务管理、人力资源管理等业务模块分析；③信息集成。智能电网的信息系统在纵向上实现产业链信息集成和电网信息集成，横向上实现各级电网企业内部业务的信息集成；④信息显示。为各类型用户提供个性化的可视化界面，合理运用平面显示、三维动画、语音识别、触摸屏、地理信息系统（GIS）等视频和音频技术；⑤信息安全。智能电网必须明确各利益主体的保密程度和权限，保护其资料和经济利益。因此，必须研发大系统下的网络生存、主动实时防护、安全存储、网络病毒防范、恶意攻击防范、网络信任体系与新的密码等技术。

4智能调度技术

智能调度是智能电网建设中的重要环节，智能电网调度技术支持系统是智能调度研究与建设的核心，赋予全面提升调度系统驾驭大电网和进行资源优化配置的能力、纵深风险防御能力、科学决策管理能力、灵活高效调控能力和公平友好市场调配能力的技术基础。

5分布式能源接入技术

智能电网的核心在于构建具备智能判断与自适应调节能力的多种能源统一入网和分布式管理的智能化网络系统，可对电网与用户用电信息进行实时监控和采集，且采用最经济与最安全的输配电方式将电能输送给终端用户，实现对电能的最优配置与利用，提高电网运营的可靠性和能源利用效率。分布式电源（DER）的种类很多，包括小水电、风力发电、光伏电源、燃料电池和储能装置（如：飞轮、超级电容器、超导磁能存储、液流电池和钠硫蓄电池等）。配电网中的DER由于靠近负荷中心，降低了对电网扩展的需要，提高了供电可靠性，因此，得到广泛采用。特别是有助于减轻温室效应的分布式可再生能源，在许多国家政府政策的大力支持下，迅速增长。目前，在北欧的几个国家，DER已拥有30％以上的发电量份额。在美国DER目前只占总容量的7％，预期到2020年时其份额将达25％。大量的分布式电源并于中压或低压配电网上运行，彻底改变了传统配电系统单向潮流的特点，要求系统使用新的保护方案、电压控制和仪表来满足双向潮流的需要。然而，通过高级的自动化系统把这些分布式电源无缝集成到电网中协调运行，可带来巨大的效益。除了节省对输电网的投资外，还可提高全系统的可靠性和效率，提供对电网紧急功率和峰荷电力的支持及其他一些辅助服务，如：无功支持、电能质量改善等；同时，它也为系统运行提供了巨大的灵活性，如：在风暴和冰雪天气下，当大电网遭到严重破坏时，分布式电源可自行形成孤岛或微网向医院、交通枢纽和广播电视等重要用户提供应急供电。

三、智能电网实现的功能

目前，智能电网研究较为成熟的主要是美国。美国多个州已开始设计智能电网系统，GE，IBM，西门子，Google，Intel等信息产业龙头都已投入智能电网业务。

美国能源部正在发起建立智能电网信息共享交流平台和信息库，资助智能电网技术研发项目，把清洁能源和智能电网作为中美能源领域合作的重要内容。

美国科罗拉多州的伯德市是美国第一个智能电网城市（见图1）。每户家庭都安装了智能电表，人们可以很直观地了解当时的电价，从而把一些事情，如：洗衣服、烫衣服等安排在电价低的时段。电表还可以帮助人们优先使用风电和太阳能等清洁能源，同时，变电站可以收集到每家每户的用电情况，一旦有问题出现，便重新配备电力。

在国内，上海开展智能电网建设与研究起步较早，也实现了部分功能。其中，上海世博园智能电网建设规划较为成熟，规划功能见图2。

四、我国如何发展智能电网的看法

1、结合我国电网的特点：

（1）电力消费增长较快，满足电力需求的任务繁重。

（2）电网建设相对滞后于电源建设，特别是配电网投资明显不足。

（3）分布式发电的应用还不具规模，经济效益没有体现。

（4）电价还没有完全市场化。

2、加强智能电网标准的研究。

（1）优先建设智能电网基础设施：电力通信专用IP网络。

（2）建设供电企业信息总线，有效地整合电网自动化资源。

（3）配电自动化、FACTS技术的应用。

（4）在用户侧推广应用AMI/AMR，实施分时电价、峰谷电价。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。