自愈电网与分布能源解析

智能电网的推动因素、研发路线和难点问题

摘要：抓住智能电网的主要方面，研究我国建设智能电网的实施策略。在阐述智能电网几个主要特征的基 础上。分析了国内外推动智能电网的几个主要因素，以及两条异途同归的研发路线，讨论了当代电网研发多年 未果、智能电网尤需解决的事件启动快速仿真决策和控制系统协调自适应难点问题。

关键词：智能电网；智能电表；节能减排；分布式发电；分布储能；需求响应

 智能电网的主要特征

 智能电网全面覆盖发电、输电、配电、用电和 电力市场，含括一、二次系统，很难用一个简明的 统一定义来表述。但智能电网有别于常规电网的 几个主要特征，已逐步形成共识。
 
1)自愈。电网故障时，事件启动快速仿真决 策来实现故障隔离，避免或缩小停电范围。智能 电网在故障区内，通过由分布式发电、分布储能和 需求响应(DR)资源组成的分布能源提供辅助服 务，而不是被动地坐视“离线整定、实时动作”的继 电保护和(或)稳定补救装置自行发展。

 2)供需互动。智能电网通过供需关口、上下 双向通信提供用电和市场信息，并与用户住宅内 的室内网络相连的智能电表，实现供需双方互动。 智能电网促使所有大、中、小用户通过需求响应来 改变自己的用电方式、主动参与电网管理和市场 竞争，并可获取相应的经济利益，而不是象以前那 样被动地仅执行所定的电价。

 3)推动节能减排发展。为了应对能源和环 境的挑战，配电领域的风能、太阳能、地热能等可 再生能源，相应的分布储能和插入式电动汽车等 都发展很快，电网结点和不定因素大幅度增加。 智能电网的研发，将节能减排积极地纳入电网和 市场的监控管理中，而不是作为单向的负荷效应 和负荷控制处理。
 
4)协调与自适应控制。智能电网环境下，分 属于发电、输电、配电、用电各个环节，无论是正常 状态下的高压／低压发电优化、市场运作，还是紧 急状态下的灵活分区网络重构，都涉及到集中控 制系统(能源管理系统EMS／需求侧管理DMS 等)的相互协调和分布控制系统(继电保护／就地 无功补偿／稳定补救装置等)的自适应问题，而不 仅是集中控制系统各司其职、分布控制系统“离线 整定、实时动作”。

 5)资产优化管理。智能电网实现对电网资 产规划、建设、运行维护等的全生命周期优化管 理，并运用市场机制，通过供需互动、推动节能减 万方数据

2 王明俊：智能电网的推动因素、研发路线和难点问题 排等，提高发电效率、降低电网损耗，解决负荷率 不高、设备闲置等问题，有效提高资产利用率，降 低运行成本，减少或推迟投资，而不是单纯的设备 管理。 本文在描述智能电网主要特征的基础上，就 智能电网的推动因素、研发路线和难点问题进行 分析和讨论，试图得出一些有益于我国研发智能 电网的启示和借鉴。
 
2推动智能电网研发的主要因素 当代，由于以下几个主要因素的推动，智能电 网的研发已不是一个需不需要的问题，而是何时 研发、如何研发的问题。
 
2．1 全球性环境和能源的挑战LIJ 能耗和CO。排放导致全球气候变暖，已是一 个不争的事实。《联合国气候变化框架公约》提出 的最终目标是：“将大气中温室气体的浓度，稳定 在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上”。
 
1)等效C0。的排放，主要来自发电厂、交通、 工业、商业和住户。其中发电厂和交通的等效 Co。排放所占比例最大，且因国情而异，如美国 发电厂和交通的等效CO。排放所占比例均为 33％。这也是风能、太阳能、地热能等可再生能源 和插入式电动汽车得以重视发展的一个重要 原因。
 
2)能源方面。根据预测2050年全球能源消 耗将翻3倍，这除了导致发电燃料价格的上涨外 还将迫使电价上扬。因此，各国更加重视、直至立 法来推动各种可再生能源的发展。如美国加州领 先要求可在生能源的比例，从当前的2％提高到 2010年的20％、2020年达33％的目标。目前，插 入式电动汽车的大规模采用尚有待时日，但据美 国太平洋西北国家实验室研究，美国现有的发、 输、配电系统如每天24 h得到优化使用，可足够 支持插入式电动汽车替代高达73％的燃油汽车， 减少52％的石油进口量。 可见，全球性环境和能源的挑战，推动了智能 电网的研发，以解决含可再生能源在内的各种类 型分布式发电以及插入式电动汽车进入电网和市 场后所引发的各种问题。

2．2电网的安全、高效运行 据美国国家工程技术研究中心(NERC)对美 国1984～1997年(包括1996年“8．10”大停电)的 电网停电事故统计可知，美国每年影响1～10万 用户的停电次数为5～10次，影响10～100万用 户的停电次数为l～5次，影响100～1000万用户 的停电次数为0．1～1次。其中，40％的大停电是 由级联事件演变而成[2]。当代电网的安全控制 中，紧急状态下的紧急控制主要由“离线整定、实 时动作”的继电保护和(或)稳定补救装置来实现。 这些自动装置除了不具备事态发展的评估能力 外，当离线模拟和在线实际出入较大时，还可能发 生诸如保护动作过慢导致震荡，或发生不必要的 解列等问题。因此，必须通过加强正常状态下动 态安全评估的预防性控制，及时予以修正。 突出自愈功能的智能电网，能够采用在线的 快速仿真、评估事态发展、决定是否隔离、如何分 区等。自愈功能除了能制止或缩小事态的扩大 外，并能够在故障区内，通过分布能源提供的辅助 服务，至少保证用户的基本用电。 智能电网主动灵活分区实现故障隔离，具有 潜在的巨大效益。经对WECC 179母线电网(发 电61 410 Mw、负荷60 785 MW)仿真验算可知， 该电网某线路故障相继越限跳闸，可能导致系统 崩溃。如告警后分为两个区，其中1区供电 35 685 MW、无线路越限；2区卸负荷312 MW、 供电1 786 MW，总卸负荷率仅为0．51％。 传统电网存在的另一个问题是运行效率不 高。如美国，2001年的平均发电热效率为33％、 输电损失达9．5％、负荷率为55％，相当于45％ 的电力设备在非峰荷期间闲置未用。 智能电网除通过优化运行和资产管理、提高 设备使用率、降低运行成本外，主要是推广位置处 于负荷点、高效环保的可再生分布能源，支持诸如 插入式电动汽车的储能应用。此外，还采用高性 价比的新技术，如高温超导、储能、和电力电子技 术等，对传统电网进行改造或适应电网的发展。 其中，高温超导(HTS)技术，可以通过狭窄通道 向远方传输大量电力，而电网损耗及电压降几乎 为零。美国能源部与Southwire公司合作的 HTS示范工程，已于2000年2月在亚特兰大投 入运行。
 
2．3供需互动的需求响应双向服务

传统电网、特别是电力垄断经营时期的发、 万方数据 王明俊：智能电网的推动因素、研发路线和难点问题3 输、配、用电，是从上而下的单向供需关系。那些 由用户控制启停的自备电厂或量大面广的可再生 能源发电的电源，都被视为是虚拟负荷，即使接入 配电系统，也不参与自动发电控制，甚至在配电网 侧安装逆功率继电器，正常时不向电网注入功率。 随着电网的发展，这些分布式发电直接或间接纳 入需求侧管理，在开源节流、改善负荷曲线方面发 挥了积极作用，但单向的供需关系基本未变。 对电网而言，分布式发电的启停可以看成是 虚拟负荷的减少和增加。同样，负荷的减少和增 加也可等效于虚拟发电的增减。随着电力市场的 深入发展，负荷相当于是潜在功率产品的价值正 日益凸现。智能电网下需求侧管理将向需求侧竞 价发展，单向的供需关系将形成双向的供需互动。 实际上，需求侧竞价(DSB)是需求侧管理的 一种实施机制，它使用户能够通过改变自己的用 电方式主动参与市场竞争，获得相应的经济利益， 而不象以前那样被动地执行所定的电价。也可以 说，DSM是长期改变负荷特性的行为和机制，大 多是政府驱动。而DSB是基于市场的短期负荷 响应行为和市场机制，主要由市场驱动。 参与需求改变量的竞争，既可以竞价增负荷， 也可以竞价减负荷。但为了实现DSB产品的规 模效应，一般只有兆瓦级以上的大用户、或是多个 同行企业通过集总代理才直接参与需求竞价，小 用户则是通过其供电商作为代理间接参与需求 竞争。 DSB产品的用途，除与发电商之间的双边合 同外，还包括各种形式的辅助服务(频率控制、电 压控制、备用和黑启动)、参与可中断供电合同或 峰谷电价计划、在平衡市场中竞价增减出力，以及 缓解输配电阻塞等。值得注意的是，需求侧响应 的瞬时性明显优于发电机，而其价格却仅为新建 峰荷时发电厂的1／4～1／3。 可见，供需互动的需求响应资源，通过双向服 务，达到供需双赢，已成为推动智能电网研发实施 的一个重要因素。但供需互动的效益，必须以并 放供用电市场为前提。否则，供需关口、上下双向 通信的智能电表将无用武之地。
 
2．4高性价比的经济效益和社会效益

推动智能电网研发实施的又一个重要因素， 是投入产出的高性价比，这也是智能电网所追求 的一个主要目标。智能电网的几乎每个环节都具 有巨大的经济效益和社会效益。
 
1)据美国电科院EPRI估计，美国未来20 a 需投资1 650亿美元的智能电网，实现后的综合 效益可达6 280～8 020亿美元。奥巴马的顾问在 一份科技投资对就业影响的报告中分析，投资 100亿美元建设智能电网，可创造23．9万个就业 岗位。
 
2)据称，智能电网使美国电网的效率每提高 5％，相当于减少5 300万辆汽车的燃料消耗和 C02排放。

3)可再生能源发电方面。以美国加州2020 年要求可再生能源比例达33％为例，将减少11％ 的碳排放。
 
4)插入式电动汽车的发展。美国现有的发、 输、配电系统，如可24 h优化使用支持插入式汽 车的电动用电，则可替代73％的燃油汽车，将减 少约24％的碳排放和52％的石油进口。

5)输电方面。美国计划使用超导输电技术， 跨越4个时区传送电力。第一条高温超导电缆， 已于2008年4月投入运行。与同样直径的铜导 线相比，其输电能力提高150倍。

6)配电方面。美国和墨西哥的电力公司和 终端用户，每年将安装100多万台配电变压器，如 采用高效非晶质铁芯技术，每年可节约7．5亿 kW•h，相当于减少46．5万t的C0：排放或将9 万辆汽车从公路上移去。
 
7)供需互动支持的需求响应双向服务，潜在 效益更大。如美国通过DR进行调峰，可减少发 电47 000 MW，相当于每年减少1．06亿t的C0z 排放。同时，用户方面也可减少15％以上的高峰 负荷和10％以上的用电总需求。
 
8)需求响应资源辅助服务，效益十分显著。 如应对突然的频率下降，除发电机提供功率支持 外，需求侧也可响应频率的变化。而且实践表明， 需求侧响应的瞬时性，明显优于发电机。英国的 电力市场，就有13个水泥制造企业通过集总代理 与输电系统运行人员签订双边合同，减少最大瞬 时负荷达110 MW。此外，需求响应资源辅助服 务的性价比较高，也是其取得快速发展的另一个 重要原因。据美国Baltimore煤气电力公司BGE 实算，需求响应资源的价格为每千瓦i65美元，为 万方数据 4 王明俊：智能电网的推动因素、研发路线和难点问题 新建峰荷时发电厂的1／4～1／3。并预言今后若 干年内，需求响应资源将是保证供电可靠性性价 比最高的一个有力措施。

3智能电网的研发路线

智能电网研发的几个特征和推动因素，基本 上也是当代电网所寻求改进的发展方向。其次， 智能电网的研发和实施与当代电网的改进和发 展，同样都必须依靠监管法规的推动和市场机制 的激励。此外．，智能电网的研发实施和当代电网 的改进发展在发电、输电、配电、用电之间也没有 必然的先后顺序联系，甚至可以从供用电领域人 手，先行建设城市智能电网，如美国科罗拉多州的 Boulder，于2008年3月即建成为全美的第一个 智能电网城市。 因此，智能电网的研发实施和当代电网的改 进发展，代表两条异途同归的研发路线。但由于 各国资源配置、监管决策取向、电力市场进展以及 用户认知程度不同，切入点、重点和先后顺序必然 有所差异。

3．1国外智能电网的研发 国外智能电网的研发，比较有代表性的是欧 州的20／20／20计划，和美国的Grid2030。

 3．1．1欧洲的20／20／20计划 2006年，欧州未来电网技术平台咨询理事会 发布《智能电网——战略规划文件》，要求在2020 年前可再生能源增加20％、碳排放减少20％和能 源效率提高20％，故简称20／20／20计划。为了 实现20／20／20目标，采取了优化电网的基础设 施、接入大量的断续的发电设施、推广信息与通信 技术、主动的配电网络、推广和改善新型的电力市 场和提高用户的用电效率等6项措施。
 
3．1．2美国的Grid2030 Grid2030是一个完全自动化的发、输、配、用 电网络，它监控每一个用户和电网结点，保证电力 和信息在所有结点的双向流动。美国的 Grid2030是美国能源部于2003年7月所发布。 紧接着发生了震惊全球的“8．14”美国、加拿大大 停电，Grid2030随即纳入美国EPRI发起、突出自 愈功能的智能电网研发。2009年，奥巴马政权将 智能电网改造列入美国经济复苏计划，更加引发 对智能电网的广泛关注。 Grid2030具有三层结构。
 
1)上层的全国电网骨架，通过低阻超导电缆 和变压器组成的输电走廊，与包括加拿大和墨西 哥的区域互联网相连。
 
2)中层区域电网内，长距离输电由升级的交 流或扩充的直流线路构成，并大量应用先进的储 能设备以解决由于气候或其他原因所造成的供需 失衡。

 3)基层的地方配电网、小型网和微电网，通 过区域网与国家电网骨架网相连，可从任何地方 的发电商购买电源，而向用户提供服务。用户可 以根据需要挑选电力供应，包括电价，环境的影 响，可靠性和电能质量。用户的分布式电源也可 与区域网相连，参与市场交易和竞争。 突出自愈功能的Intel|iGrid【4]，进一步将智 能电网的结构概括为市场、输电、配电、高压发电、 分布能源(包括分布式发电、分布储能和需求响应 资源)、用户服务、IT服务等7个领域，当前共列 出400多项应用功能(今后随技术进步和最佳实践 可能有所增减)，被称为是走向下一代电力系统的 交通图。 2009年1月25日，美国白宫发布《复苏计划 尺度报告》，宣布将铺设3 000 mile输电线路，为 全国近1／3的4 000万家庭安装智能电表。此外， 还将集中对落后的电网系统进行更新换代，建立 跨越4个时区的统一电网，实现太阳能、风能、地 热能的统一入网管理。

 3．2我国向智能电网的发展

我国虽然尚未制定智能电网的研发具体实施 规划，但已根据国情开展有关基础工作，向智能电 网方向发展。

1)2007年9月4日，国家发改委发布的《可 再生能源中长期计划》，制定了可再生能源发展目 标为2010年可再生能源所占比例为10％、2020 年达15％。2007年8月，国务院发改委、环保总 局、电监会和能源办颁发的《节能发电调度办法 (试行)》明确规定：“优先调度可再生发电资源，按 机组能耗和污染物排放水平由低到高排序，依次 调用化石类发电资源，最大限度地减少能源、资源 消耗和污染物排放”。输、配、用电领域大力推动 节能降耗，如制定电器能效标准、综合线损率要求 2010年降至6．3％等。 万方数据 王明俊：智能电网的推动因素、研发路线和难点问题5

2)新技术的研发与应用方面，基于电力电子 的灵活交流输电技术(FACTS)研制和装备已达到 国际领先水平。此外，根据我国资源配置的特点， 正在推广高效低排的煤气化联合循环(ICA2C)发电 技术和加强高温超导输电技术的研发。烟台300 ～400 MW和华能250 MW IGcC示范工程均将于 2010年建成。输电领域，清华大学研究的铋系高 温超导，已在北京英纳超导技术公司投入生产。

 3)供需互动方面，正在结合拉动内需，积极 筹建包括智能电表在内的新一代电力用户信息系 统，用以支持电力市场的发展，并计及智能电网的 研发和实施。
 
4)国家电网公司现已建成并推广的SGl86 一体化企业级信息平台，包括安全生产、项目管 理、物资管理、财务资金、营销管理、协同办公和人 力资源8大应用，以及信息安全防护、标准制度、 评价考核等6项保障体系。SGl86与新一代电力 用户信息系统相结合，将为智能电网的信息化奠 定良好基础。

5)对节能减排和配电市场影响较大的插入 式电动汽车发展较快。2008年12月15•日，世界 第一款续航里程达100 km以上、时间上领先国 外2～3 a的比亚迪F3DM双模电动汽车在深圳 上市，2010年可望进入北美市场。

4研发智能电网的某些难点问题

可以说，实现智能电网的几个主要特征，同时 也包含了智能电网研发的若干难点。本文仅就当 代电网研发多年未果、智能电网尤需解决的两个 难点问题加以分析讨论。

4．1事件启动的快速仿真决策 电网是一个快速反应的联动系统，为了评估 事件可能引发的联动效应，需及时提供决策支持， 但电网长期存在精确模型计算时间过长、简化模 型精度不够的难题。因此，事件启动的快速仿真 成为当前的一个研发热点和难点。 实现快速仿真的预测方法具有两个研发方 向，一是静态模型和动态特性相结合的分析计算， 二是基于信号分析的实时直接测量推算。不管是 模型分析计算或是信号分析推算，都对量测信号 精度、数据交换速度和分析计算方法提出较高要 求。许多研究课题，如模型分析应能实现并行计 算、信号分析要求PMU的精度达到0．001 Hz等。 诸多研发项目中，美国OSIsoft公司提供快 速仿真决策的集成系统模型(ISM)[5]和实时性能 管理(RtPM)，值得注意。 ISM是将现有自动化系统、数据和算法集成， 对分析决策提供基础或对上百万个对象进行实时 管理。ISM比常规的矩阵算法快上近百倍，并可对 现有安全监控和数据采集系统(SCADA)、地理信 息系统(GIS)的量测误差予以修正。ISM现在已经 在美国得到推广应用，如应用在Detroit Edison三 百万个元件、3125个回路、500 MW分布式发电的 配电系统，为实现低压和过载的监视控制而对分布 式发电水平进行分析计算。Ameren用以解决实时 网络重构和负荷转移时的运行问题，包括50个配 电回路和变电站的变压器峰荷期过热等。 电力系统的各种故障和扰动信息中，蕴涵有 各种特征信息。通过快速傅立叶变换／'b波变换， 可以获取任意时段内这些涉及时、频两域的有关 数据。特征信息和经典控制论的结合，即可对电 力系统的动态行为进行实时分析和趋势预测。 2005年10月12日，美国OSIsoft公司的PMU 实时性能管理，在几百公里外预测出洛杉矶随后 发生的大停电。
 
4．2协调和自适应控制 智能电网本身是一个分布式的自适应系统， 但精确反映其工况的集中控制系统(EMS／DMS 等)不分布、而“离线整定、实时动作”的分布控制 系统(继电保护／就地无功补偿／稳定补救装置等) 不能自适应。发电、输电、配电、用电一体化的智 能电网，集中控制系统之间的协调和分布控制系 统的自适应尤为重要，因而成为当前的又一个研 发热点和难点。 由于协调自适应控制突破静态模型与动态数 据相结合的精确解，必须与知识工程的智能解相 结合，当前大多采用Multi-Agent多智能主体技 术。面向Agent(A0)是继面向过程和面向对象 (oO)之后，新一代的软件系统工程技术。 Agent有主动的对象之称，知识工程界均将 其意译为主体或智能主体，而不是概念易于混淆 的“代理”。Agent是将知识和使用它的一组操作 或过程封装在一起得到的一个实体，具有结构和 属性，并可通过消息互相通信。Agent特有的自 万方数据 6 王明俊：智能电网的推动因素、研发路线和难点问题 治性和主动性，可独立地完成其目标而不需要外 界的指令或感知环境变化时通过规划实现其目 标。因此，单个的Agent拥有解决问题的不完全 的信息或能力，没有系统全局控制。但可通过相 关Agent间的协调和协作组成Multi-Agent系 统，来解决复杂的全局性问题。 诸多研发项目中，美国国防部牵头、EPRI和 华盛顿大学等单位参与，投资3 000万美元，历时 5 a完成的电力基础设施战略防护系统(SPID)最 具代表性[6]。SPID的3层Multi-Agent结构图 如图1所示。该系统采用面向Agent(AO)技术 的3层Multi—Agent结构：①底层为反应层(包括 发电、保护)；②中层为协作层(包括事件／警报过 滤、模型更新、故障隔离、频率稳定、命令翻译)；③ 高层为认知层(事件预测、脆弱性评估、隐藏故障 监视、网络重构、恢复、规划、通信)。其主要功能 有脆弱性评估(电力和通信系统的快速在线评 估)，故障分析(隐藏故障监视)，自愈战略(自适应 卸负荷、发电、解列和保护)，信息和传感(卫星、因 特网、通信系统监视和控制)等。用以防护来自自 然灾害、人为错误、电力市场竞争、信息和通信系 统故障、蓄意破坏等对电力设施的威胁。 感知动作 (内部知识) 其他Agent (外部知识) (按程序动作) 图1 SPID的3层Multi-Agent结构图 图1中无

通信能力的反应式Agent，相当于 传统上“事先整定、实时动作”的继电保护、稳定补 救和无功补偿装置，根据程序安排自主作出反应， 而无须外部指令控制。但保护定值或稳定补救方 案的设定和修改只能离线进行。 加上具有通信能力的协作层后，当事件响应 的快速仿真决策需对有关保护定值或稳定补救方 案进行修改和调整时，就可依靠外部知识协作，对 反应参数或程序进行修改和调整，以提高装置的 适应性水平。这种通过不断修改系统控制参数来 改进系统执行能力的感知型学习，不涉及与具体 任务有关的知识，但对外部知识依赖性强，在通信 中断的情况下难于达到自适应的水平。如进一步 加上具有与具体任务有关的内部知识组成认知式 Agent，即使通信中断或情况紧急来不及协调时， 也可根据内部积累的知识作出自适应反应，充分 体现Agent的自主性。 Multi—Agent的智能主体理念，除可用于各 个集中控制系统之间的分布协调控制外，还将在 智能电网量大面广的分布智能控制中得到应用。
 
5 结语

1)迎接全球性的环境和能源挑战，电网安全 高效运行的压力，供需互动的需求响应双向服务， 以及高性价比的巨大经济和社会效益，推动了智 能电网的研发和实施。
 
2)智能电网的研发实施和当代电网的改进 发展，代表两条异途同归的研发路线。但由于各 国资源配置、监管决策取向、电力市场进展以及用 户认知程度不同，切人点、重点和先后顺序必然有 所差异。

3)智能电网研发的诸多难点中，自愈功能中 的快速仿真决策和网络重构时控制系统的协调自 适应，是当代电网研发多年未果、智能电网尤需解 决的两个难点问题。

 4)本文所分析讨论的智能电网理念、技术发 展和国外建设实践，对我国电网通过改进和发展 走向智能电网或是进一步制定智能电网的研发实 施规划，都有启示和借鉴作用。