智能电网综述一、智能电网的核心内涵和技术框架

0 引 言
      
电力系统是人类迄今为止制造的最复杂、最庞大的系统，是20世纪人类所取得的最辉煌的工程技术成就之一。但是，进入21世纪以来，随着电力系统的不断老化，线路扩容困难，系统运行效率降低，节能减排等环保压力增大，人们对供电可靠性和电能质量要求越来越高，大容量的风力发电、光伏发电等可再生能源发电接入电力系统的要求日益增强，特别是大面积停电的灾变事故频发，使传统电力系统已经不能满足现在信息社会发展的需求。与此同时，通信技术、计算机技术、电力电子技术和传感技术的不断发展和日益成熟，为电网的现代化提供了技术手段。以美国为首的发达国家提出了“电网现代化”的号召，从而在全世界范围内掀起了一股研究“智能电网”的热潮。本系列文章将从智能电网的核心内涵和技术框架、国内外智能电网的发展战略、智能电网的关键技术、电力电子技术在智能电网中的应用、智能电网的效益分析、和中国智能电网的发展路线图等多个方面，试图对智能电网做一个全景式的介绍。本文是该系列文章的第一篇，主要介绍智能电网的起源和发展动力、智能电网与传统电网的主要区别、智能电网的核心内涵、技术框架和实现顺序。

1 智能电网的起源和发展动力
      
2003年4月，在美国能源部的倡导和组织下，来自美国各大电力企业、设备制造商、通信技术提供商、政府部门、大学和国家实验室的65位专家齐聚一堂，对电力工业的发展现状进行了深刻反思，对电力工业在第二个百年里的发展前景进行了展望[1]。会议指出，北美电网效率低下、输电拥堵、供电可靠性和电能质量降低，特别是大面积停电等灾难性事故增多，与美国在“21世纪的领导地位极不相称”。历史的发展往往具有戏剧性，就在这次会议结束不到半年， 2003年8月14日北美电网发生了有史以来最严重的大面积停电事故，美国的8个州和加拿大的2个省5千万人受影响，损失负荷量61800MW，经济损失约300亿美元。这次灾难性事故进一步验证了会议所达成共识的正确性和智能电网建设的紧迫性。在政府部门和企业研发部门的共同努力下快马加鞭，于2004年1月出台了“国家电力传输技术路线图计划”[2]，提出“可以在任何时间任何地点向人们提供充足的、廉价的、清洁的、高效的和可靠的供电服务”，并提出了电力传输技术现代化的路线图。
      
纵观21世纪科技和经济的发展，智能电网的提出和发展不是偶然的，它发展的内在动力来源于以下几个方面：
      
(1) 提高设备利用效率，减少输电拥堵的需要：据统计，发电设备利用率90%以上、配电设备利用率75%以上的时间不足5%，大部分时间内设备容量得不到有效利用；而另一方面，随着电力市场的建设和竞争加剧，用电负荷的大幅增加与电源短缺、输配电容量不足的矛盾日益突出，导致输电阻塞。北美电网每年的输电阻塞成本高达30亿美元。
      
(2) 提高供电可靠性和电能质量的需要：“8•14大停电”不是偶然事件，对世纪之交北美电网的大停电事故统计表明，大停电事故的发生服从幂指数规律[3]，频率越来越高，损失越来越大；而随着科技和经济的发展，对电能质量的要求越来越高，据美国电科院估计，美国每年由于电能质量问题造成的损失高达260亿美元。
      
(3) 提供多种多样的电力增值服务，增加电力用户互动性的需要：通过提供实时透明的电价和各种增值服务，提高用户满意度，改善负荷特性，实现需求侧管理，使用户和电力企业共同应对电网运行和调度所面临的挑战，最终实现双赢。
      
(4) 节能和环保的大势所趋，减少温室气体排放的需要：电能是优质方便的二次能源，目前一次能源转换成电能的效率还很低（如燃煤火力发电效率37%，光伏发电20%等），电网损耗7%；而且电力生产还是温室气体排放的大户，06年我国燃煤发电CO2排放量24.44亿吨，07年超过美国，每年还在以10%的速度递增。节能减排的潜力巨大。
      
(5) 大量可再生能源接入电网的需要：进入21世纪以来，以风电为代表的可再生能源发电蓬勃发展，在总装机容量中比重越来越大（到2020年可再生能源比重我国15%，欧盟20%），但是它们的间歇性和随机性却给电网的稳定运行和调度带来了巨大的挑战；
      
(6) 国家能源安全和综合资源优化配置的需要：电力系统是关系到国家能源安全的重要基础设施，特别是“9•11”事件以后，美国更是把电网安全提升到国家安全的层次，要求电网能够抵御自然灾害甚至恐怖袭击，具有更高智能和自愈能力。电能具有易转换和远距离传输的特点，以智能电网为媒介可以实现大范围内多种资源的优化配置，提高能源的综合利用效率。
      
可见，智能电网的发展是21世纪科学技术和经济社会发展的必然要求，而通信技术、计算机技术、电力电子技术和传感技术的不断发展和日益成熟，为建设智能电网提供了必要的技术手段。

2 智能电网与传统电网的主要区别
      
智能电网与传统电网的主要区别主要体现在用户互动、发电和储能、市场化和自愈性等方面，详见下表。

3 智能电网的核心内涵
      
迄今为止，智能电网还没有一个被大家公认的完整的定义，智能电网涵盖面很宽，也很难用一个概念来归纳。但是各国在结合本国国情发展智能电网时已经形成了很多共识。总的来说，智能电网的核心内涵包含以下几个方面[4]：
      
(1) 自愈性：智能电网应能够对电网的脆弱性的安全性进行实时评估，当系统受到严重级联故障、自然灾害甚至恐怖袭击时，能自主地采取切机切负荷和主动解列等措施，保持电网的稳定运行，避免大面积停电等灾难性事故的发生，将受事故影响的负荷损失降低到最小程度，并在故障元件恢复后自主地将系统快速恢复到故障前的状态。
      
(2) 用户互动性：智能电网应通过各种通信手段向用户发布实时电价信息，向用户提供多种可供选择的供电方案和控制手段，以实现需求侧响应（Demand Response，DR），达到电网和用户的双赢。
      
(3) 满足21世纪需求的电能质量：通过先进的电力电子技术和控制技术，消除与频率和电压相关的各种电能质量问题，为用户提供多种可选择的电能质量和电价方案，以满足用户的各种需求；
     
(4) 大量可再生能源接入和分布式储能：为各种分布式发电提供“即插即用”式（Plug and Play）的方便的接入和退出，补充集中式发电，通过微电网技术和电能变化技术将可再生能源发电和分布式储能融为一体，使各种清洁能源得到充分利用。
      
(5) 成熟、强壮的电力市场：开放式电网和成熟的电力市场为所有的市场参与者提供透明、公平的竞争机会，通过市场的调节作用将电力系统的运行需求（调压、调频、稳定性）与用户的需求（廉价、可靠、清洁）紧密地联系在一起，消除输电阻塞；
      
(6) 优化资产管理，提供电网运行效率：通过对电网资产的运行状态进行在线监测和潮流控制，提高设备利用率，实现重要设备的故障预警和状态检修，减小网损，提供电网的运行效率。

4 智能电网的技术框架
      
智能电网主要由4部分组成[5]：
      
(1) 高级量测体系（Advanced Metering Infrastructure, AMI）
      
(2) 高级配电运行（Advanced Distribution Operation，ADO）
      
(3) 高级输电运行（Advanced Transmission Operation，ATO）
      
(4) 高级资产管理（Advanced Asset Management， AAM）
      
4.1 高级量测体系AMI
      
AMI主要功能是授权给用户，使系统同负荷建立起联系，使用户能够支持电网的运行。AMI包含许多技术和应用集成的解决方案，其技术组成和功能主要包括：
      
1) 智能电表：可以定时或即时取得用户带有时标的分时段的(如15 min，l h等)或实时(或准实时)的多种计量值，如用电量、功率、电压、电流和其他信息，事实上已成为电网的传感器。
      
2) 通信网络：采取固定的双向通信网络，能把表计信息(包括故障报警和装置干扰报警)接近于实时地从电表传到数据中心，是全部高级应用的基础。
      
3) 计量数据管理系统(MDMS)：这是一个带有分析工具的数据库，通过与AMI自动数据收集系统的配合使用，处理和储存电表的计量值。
      
4) 用户室内网(HAN)：通过网关或用户入口把智能电表和用户户内可控的电器或装置(如可编程的温控器)连接起来，使得用户能根据电力公司的需要，积极参与需求响应或电力市场。
      
5) 提供用户服务(如分时或实时电价等)。
      
6) 远程接通或断开。
      
4.2 高级配电运行ADO
      
ADO的技术组成和功能主要包括：
      
1) 高级配电自动化；
      
2) 高级保护与控制；
      
3) 配电快速仿真与模拟；
      
4) 新型电力电子装置；
      
5) DER运行；
      
6) AC／DC微网运行；
      
7) 运行管理系统(带有高级传感器)。
      
ADO主要的功能是使系统可自愈。为了实现自愈，电网应具有灵活的可重构的配电网络拓扑和实时监视、分析系统目前状态的能力。后者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。而在系统中安放大量的监视传感器并把它们连接到一个安全的通信网上去，是做出快速预测和响应的关键。快速仿真与模拟(fast simulation and modeling，FSM)是ADO的核心软件，其中包括风险评估、自愈控制与优化等高级软件系统，为智能电网提供数学支持和预测能力，以期达到改善电网的稳定性、安全性、可靠性和运行效率的目的。配电快速仿真与模拟(DFSM)需要支持4个主要的自愈功能：
     
1) 网络重构；
      
2) 电压与无功控制；
      
3) 故障定位、隔离和恢复供电；
      
4) 当系统拓扑结构发生变化时继保再整定。
      
上述主要功能相互联系，致使DFSM变得很复杂。例如，电网的任一重构要求一个新的继电保护配合和新的电压调节方案，还包含恢复供电功能。DFSM通过分布式的智能网络代理(intelligent network agents，INA)来实现跨地理边界和组织边界的智能控制，从而实现系统的自愈功能。这些智能网络代理，能收集和交流系统信息并对(诸如继电保护操作这样的)局部控制做出决策，同时根据整个系统要求协调这些决策。
      
ADO中的高级配电自动化(ADA)是智能电网实现自愈的基础。与传统配电自动化相比，ADA是革命性的。因为ADA是用于电力交换系统的(由于分布式电源上网运行，而使配电网支路上的潮流可能是双向的)，其中将使用电力电子、信息、分布式计算与仿真方面的新技术；同时，ADA可为用户提供新的服务。
      
4.3 高级输电运行ATO
      
ATO强调阻塞管理和降低大规模停运的风险，ATO同AMI，ADO和AAM的密切配合，实现输电系统的(运行和资产管理)优化。输电网是电网的骨干，它在智能电网中的重要性勿容质疑，其技术组成和功能如下：
      
1) 变电站自动化；
      
2) 输电的地理信息系统；
     
3) 广域量测系统；
      
4) 高速信息处理；
      
5) 高级保护与控制；
      
6) 模拟、仿真和可视化工具；
      
7) 高级的输电网络元件，如电力电子(灵活交流输电，固态开关等)、先进的导体和超导装置；

      
8) 先进的区域电网运行，如提高系统安全性，适应市场化和改善电力规划和设计的规范与标准(特别注意电网模型的改进，如集中式的发电模型以及受配电网络和有源电力用户影响的负荷模型)。
      
4.4 高级资产管理AAM
      
AMI、ADO和ATO同AAM的集成将大大改进电网的运行和效率。实现AAM需要在系统中装设大量可以提供系统参数和设备(资产)“健康”状况的高级传感器，并把所收集到的实时信息同如下过程集成：
      
1) 优化资产使用的运行；
      
2) 输、配电网规划；
      
3) 基于条件(如可靠性水平)的维修；
      
4) 工程设计与建造；
      
5) 顾客服务；
     
6) 工作与资源管理；
     
7) 模拟与仿真。

5 实现智能电网的顺序[6]
      
如前所述，智能电网的4个部分之间是密切相关的，表现在：
      
1) AMI同用户建立通信联系，提供带时标的系统信息；
      
2) ADO使用AMI的通信收集配电信息，改善配电运行；
      
3) ATO使用ADO信息改善输电系统运行和管理输电阻塞，使用AMI让用户能够访问市场；
      
4) AAM使用AMI、ADO和ATO的信息与控制，改善运行效率和资产使用。
      
可见各个部分的实现顺序是有价值。因此，北美把AMI视为是实现智能电网的第一步，如图1和图2所示。值得一提的是，由于AMI可在负荷响应和节能减排方面取得巨大效益，许多政府机构已颁布立法条例来推动AMI技术的实施。

图1 智能电网的实现顺序

图2 智能电网效益与成本曲线

6 结论
      
智能电网是21世纪电力系统的一场深刻革命，它的提出和发展是时代的产物，它将彻底改变电网的运行模式和人们的用电方式，并以电网为媒介实现全社会资源的优化配置和有效利用，提升国家的能源安全水平，社会效益和经济效益巨大。