智能电网概述

1.智能电网的定义

智能电网就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，是在物理电网的基础上，将先进的传感测量技术、信息与通讯技术、计算机技术和控制技术与原有的电网基础设施高度集成而形成的新型电网，其通过监控、保护和自动优化内部元件的运行，实现电网灵活、清洁、安全、经济、友好的目标，达到对整个电力系统运行的优化管理。

图1 智能电网大致示意图

智能电网的“智能”主要体现在四个方面:

• 可观测
  利用测量，传感技术对发电，输电，变电，配电，用电过程中的关键元件状态进行观测，实现整个过程的可视化

• 可控制
  利用观测得到的状态信息，控制电网关键元件的工作状态

• 自适应和自愈
  实现电网的自动优化，减少人为干预

• 实时分析
  从数据到信息的提升，形成双向流动的数字信息流，搭建电网和用户终端间交互的桥梁

当今时代背景下，智能电网的提出有着其特定的目的，主要有以下几方面：

• 环境的角度
  全球变暖形势日益严峻，环保问题在世界范围内引起关注。智能电网一方面通过引入分布式电源及储能设备，将多种不同类型能源（尤其是风能，太阳能等可再生能源）纳入电网，促进节能减排和可持续发展，另一方面通过电网和终端用户间的双向交互加强需求侧管理，减少能源浪费

• 社会发展的角度
  随着通信和信息技术的发展，数字化技术在生活中普及。数字化社会对电网的供电可靠性和电能质量提出了更高的要求。智能电网一方面能兼容多种能源，通过合理的调度优化保证电能质量，另一方面利用双向信息流，形成监视、控制、维护、管理等各类信息系统之间的集成系统，提高供电的可靠性

• 电网自身的角度
  首先，随着社会发展，用电规模扩大，电网大规模运行下的安全问题日益严峻。其次，随着环保意识提高，电力公司开始寻求不同于传统的方式来满足供需平衡。智能电网一方面通过大量智能设备，实时监控内部关键元件工作状态，预测故障，提高系统的全局可视化程度，实现大系统的安全稳定运行，另一方面通过高级市场化和需求侧管理，在极力满足供需平衡的前提下，减少固定资本和能源的浪费

2.智能电网的功能特点

• 自愈
  智能电网实时掌控电网的运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患；在尽量少的人工干预下，快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生

• 安全可靠
  无论是电力系统遭到外部攻击，还是终端用户行为变化，智能电网均能通过即时的信息交互发现问题并迅速采取措施，减少由此造成的对电力系统的伤害

• 兼容
  传统电网主要面向集中式发电，而智能电网还支持分布式发电的接入以及可再生能源的大规模应用，满足电力与自然环境、社会经济和谐发展的要求

• 交互协调
  电网在运行中与用户设备和行为进行交互，以最佳的电能质量和供电可靠性满足客户需求。系统运行与批发、零售电力市场实现无缝衔接，同时通过市场交易更好地激励电力市场主体参与电网安全管理，从而提升电力系统的安全运行水平

• 经济高效
  引入先进的信息和监控技术，优化资源配置，提高设备传输容量和利用率；在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口；支持电力市场竞争的要求，实行动态的浮动电价制度，提高单个资产的利用效率。从整体上实现网络运行的优化，降低维护成本和投资

• 优质
  通过合理调配保证电能质量，提供多种质量/价格方案来实现电能质量的差别定价

• 集成
  信息系统。实现包括监视、控制、维护、管理等和其他各类信息系统之间的综合集成，并实现在此基础上的业务集成

表1 智能电网与传统电网对比

	智能电网	传统电网
能源类型	多种能源兼容	煤炭，石油，天然气等不可再生能源为主
发电方式	集中式和分布式兼容	集中式发电为主
电力市场特点	集成，成熟	垄断，封闭
电能质量	有保障	无保障
经济效益	环境污染降低，优化资产管理，经济效益高	环境污染严重，能源利用率低，经济效益低
抗扰（自愈）	实时预测分析，预防性控制，防止断电	扰动发生时跳闸保护
抗袭击和灾害	传感器预警，持续监测，自愈能力强，有一定抵抗能力	抵抗能力脆弱
通讯	双向	无或单向

3.智能电网的关键技术

智能电网的关键技术主要针对四个方面：高级测量体系（Advanced Metering Infrastructure，AMI），高级配电运行（Advanced Distribution Operation，ADO），高级输电运行（Advanced Transmission Operations，ATO）和高级资产管理（Advanced Asset Management，AAM）。AMI的主要功能是授权用户，使系统同负荷建立起联系，使用户能够支持电网的运行；ADO可以使电网实现自愈功能；ATO强调阻塞管理，并降低大规模停运的风险；AAM与AMI、ADO和ATO的集成将大大改进电网的运行和资产使用效率。结合该四个方面，主要的关键技术有：

• 高级电力电子设备
  电力电子设备是AMI，ADO，ATO和AAM中的关键元器件，在发电、输电、配电和用电的全过程均发挥着重要作用。现代电力系统应用的电力电子装置几乎全部使用了全控型大功率电力电子器件和各种新型的高性能多电平大功率变流器拓扑。电力电子设备的质量决定电网的质量

• 坚强而灵活的网络拓扑
  坚强、灵活的电网结构是未来智能电网的基础。特别对于ADO和ATO而言，网络拓扑将决定其运行效率的上限。从环境角度，电网规划需考虑能源分布的不平衡，在节约工程投资的同时还要顾及生态环境。从社会角度，需考虑不同地域的生产力差异和具体分析当地发展对电力的需求，合理分配资源。从电网角度，随着电网规模的扩大，互联大电网的形成，电网的安全问题越来越突出，对主网架构的规划要求相应地提高。只有灵活的电网结构才能应对冰灾､战争等突发灾害性事件

• 开放、标准、集成的通信系统
  智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力。既包括识别故障早期征兆的预测能力，也包括对已经发生的扰动做出响应的能力。智能电网的通信系统则发挥着至关重要的作用。首先，为强化电网与用户双向互动，增强需求侧管理，需构建开放的通信系统；其次，目前通信技术迅猛发展，各家公司有其各自标准，为了方便运行管理，需规定统一的通信标准；最后高度集成的通信系统将会更好地交互信息，便于运行优化

• 可再生能源和分布式能源入网
  可再生能源和分布式能源入网将会给电网输电，配电提供更多选择方案，提升资产的利用率，节能减排，促进可持续发展。但这也对目前的技术提出了更高的要求，从AMI角度，风能、太阳能等可再生能源在地理位置上分布不均匀，并且易受天气影响，发电机的可调节能力比较弱，风电厂规划与运行研究对风电场动态模型的精度和计算速度提出了更高的要求；从ADO和ATO角度，风能和太阳能作为分布式能源的重要组成部分，都具有波动性和间歇性的特点，对电网输电，配电的可靠性造成冲击

• 智能调度技术
  智能调度是未来电网发展的必然趋势，调度智能化的最终目标是建立一个基于广域同步信息的网络保护和紧急控制一体化的新理论与新技术，协调电力系统元件保护和控制、区域稳定控制系统等具有多道安全防线的综合防御体系。智能调度的核心是在线实时决策，目标是灾变防治。智能调度的关键技术有：

  • 系统快速仿真与模拟
  • 智能预警技术
  • 优化调度技术
  • 预防控制技术，事故处理和事故恢复技术(如电网故障智能化辨识及其恢复)
  • 智能数据挖掘技术
  • 调度决策可视化技术

• 高级计量体系和需求侧管理
  高级计量体系由安装在用户端的智能电表、位于电力公司内的计量数据管理系统（MDMS）和连接它们的通讯系统组成。电网的智能化需要电力供应机构精确得知用户的用电规律，从而尽力实现供需平衡。先进计量系统需实现对诸如远程监测、分时电价和用户侧管理等的更快和准确的系统响应

4.智能电网面临的挑战

智能电网面临的挑战可以从以下几个方面进行阐述。

• 智能设备
  智能电网依靠大量的嵌入式智能设备对系统状态进行实时监测和控制。这些设备必须具有长期无需更换而能满足未来应用需求的能力

• 通信系统
  基于开放体系并高度集成的通信系统是智能电网的基础。它需保证交互操作能力，并且可以兼容新的通信媒介

• 数据管理和软件应用
  智能电网将使电力公司获得大量数据，如何管理和利用这些数据是实现效益的关键，因此必须找到适合于海量数据管理的方法并开发基于这些数据的高级应用软件，以服务于系统的优化运行

• 网络安全和信息保护
  开放、兼容和互联必然伴随着信息安全的风险。智能电网必须确保网络安全以确保信息的保密性、完整性和可用性

• 标准和协议
  智能电网的建设涉及多系统融合、多新技术整合、多能源入网，通信、互操作、数据收集与管理等标准和协议的制定至关重要。缺乏统一标准不利于发电、输电、配电和电力消费者之间的信息交换，使系统效率降低

• 运行和规划模型
  数字化技术的发展对电网供电可靠性和电能质量提出了更高要求，需要新型实时工具辅助调度决策，由此带来以下几点挑战：

  • 缺乏评估智能电网性能的模型和仿真工具
  • 缺乏改进调度决策的高保真预测分析能力。大量渗入电网的分布式能源具有不确定性，对高保真预测分析带来困难
  • 缺乏动态电价下负荷预测的概率模拟方法，这会阻碍同电力市场需求弹性相关的模拟、分析和评估
  • 缺乏智能电网评估指标。评估智能电网行为的指标虽已有研究，但有待深入和细化，特别是与可再生能源发电和负荷不确定性、储能的影响相关的指标，这些指标应该是可以计量的，并且可以指导运行与规划决策

• 储能
  诺贝尔物理奖获得者朱棣文曾指出储能与太阳能相结合，在配电和发电领域的影响或可与当年互联网所造成的颠覆性冲击相媲美。由此可见，储能对于智能电网的发展有巨大的推进力，主要有以下两点：

  • 从电网角度，可以对频繁变化的负荷进行负荷跟踪、减轻配电阻塞、平移负荷需求
  • 从可再生能源角度，为提高能源利用率，降低可再生能源不确定性对电网稳定的影响，当前亟需开发高效、长寿命、可靠、价格合理的化学电池，通过电池缓冲，在可再生能源不足时放电弥补，可再生能源过剩时充电保存

• 市场设计
  智能电网的电力市场是一个集成，开放的市场，需要通过合理的法规来激励市场投资，主要有：

  • 实施分时／实时电价，使“电能”作为一种商品的市场价值得到合理地体现
  • 完善鼓励分布式能源卖电回电网和作为后备电源使用的政策，如辅助调频市场
  • 建立智能电网投资成本回收的政策。即制定政策来保证投资者最终结算的合理性

参考：
[1]: 陈树勇,宋书芳,李兰欣,沈杰.智能电网技术综述[J].电网技术,2009,33(08):1-7.
[2]: 张文亮,刘壮志,王明俊,杨旭升.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术,2009,33(13):1-11.
[3]: 余贻鑫,栾文鹏.智能电网述评[J].中国电机工程学报,2009,29(34):1-8.
[4]: 肖世杰.构建中国智能电网技术思考[J].电力系统自动化,2009,33(09):1-4.
[5]: 余贻鑫,栾文鹏.智能电网[J].电网与清洁能源,2009,25(01):7-11.
[6]: Fang, Xi, et al. “Smart grid—The new and improved power grid: A survey.” IEEE communications surveys & tutorials 14.4 (2011): 944-980.