智能電網(wǎng)的技術(shù)體系

肖立業(yè)

（中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190）

1 引言

隨著電力在終端能源中所占比例的不斷提高，人類社會對電網(wǎng)的依賴程度也越來越高，從而對電網(wǎng)的安全性、可靠性和電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。近些年來，新能源得到了飛速的發(fā)展，新能源的規(guī)模開發(fā)利用將導(dǎo)致發(fā)電方式、輸配電方式和電能利用方式的重大變革，從而對電網(wǎng)帶來新的重大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，節(jié)能減排壓力日益增大，提高電網(wǎng)的綜合效率和效益也已刻不容緩。以上幾個方面的因素，迫使人們思考如何整體提升電網(wǎng)的發(fā)展水平來應(yīng)對這些重大挑戰(zhàn)。于是，經(jīng)過長時(shí)間的醞釀和準(zhǔn)備，提出了智能電網(wǎng)的思想。近些年來，智能電網(wǎng)的發(fā)展日益受到廣泛的關(guān)注，但是到底什么是智能電網(wǎng)，目前還沒有一個統(tǒng)一的定義，不同的學(xué)者從不同的角度給智能電網(wǎng)下了不盡相同的定義[1-6]。盡管定義各不相同，但均大同小異。筆者個人認(rèn)為[7]，從總體上看，電網(wǎng)的發(fā)展總是與特定時(shí)期的能源體系、技術(shù)發(fā)展水平和需求相適應(yīng)的，智能電網(wǎng)的本質(zhì)就是利用現(xiàn)代信息技術(shù)、新材料技術(shù)、儲能技術(shù)和新的電網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)等來運(yùn)行和管理電網(wǎng)，使電網(wǎng)能夠大規(guī)模地容納新能源的接入，并使電網(wǎng)更加高效、安全、可靠，從而為實(shí)現(xiàn)能源體系的重大變革提供基礎(chǔ)，因而智能電網(wǎng)也將是未來能源生產(chǎn)、傳輸、分配和利用的主體，具有廣闊的前景和巨大的產(chǎn)業(yè)帶動作用。近年來，歐美國家已經(jīng)紛紛把發(fā)展智能電網(wǎng)作為國家戰(zhàn)略，并通過建設(shè)智能電網(wǎng)示范城市來整體推動智能電網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為爭奪下一輪經(jīng)濟(jì)增長的制高點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。本文將重點(diǎn)討論智能電網(wǎng)的目標(biāo)和技術(shù)體系，并就我國智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。

2 智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)[1-11]

智能電網(wǎng)是因現(xiàn)有電網(wǎng)存在的安全穩(wěn)定性等問題、新能源的發(fā)展和節(jié)能減排等的需要而逐漸發(fā)展起來的，并將高度集成了信息技術(shù)、新材料技術(shù)、儲能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，其發(fā)展目標(biāo)主要包括：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)信息的高度集成和共享，采用統(tǒng)一的平臺和模型，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和精細(xì)化的管理。

（2）支持分布式電源的大量接入，以提高電網(wǎng)的整體性、效率和靈活性；支持大量間歇性電源（可再生能源發(fā)電系統(tǒng)）的規(guī)模接入。

（3）能夠協(xié)調(diào)發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的優(yōu)化選擇。

（4）支持大量的電動汽車智能充電設(shè)備的接入，并利用電動汽車電池作為儲能設(shè)備，在系統(tǒng)需要時(shí)提供功率支撐。

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)自愈并能抵抗攻擊和抵御自然災(zāi)害，即無論發(fā)生什么事故和攻擊，電網(wǎng)都能自我保護(hù)或自我恢復(fù)以保障電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

（6）能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電廠（或設(shè)備）與用戶的自適應(yīng)互動，達(dá)到能源資源和設(shè)備的綜合優(yōu)化利用，提高電網(wǎng)的總體效益。

（7）能夠?qū)崿F(xiàn)終端用戶（電力調(diào)節(jié)設(shè)備、補(bǔ)償設(shè)備和用戶能源管理系統(tǒng)等）的控制和總體配電系統(tǒng)的控制，取得滿足要求的穩(wěn)定性和電力質(zhì)量。

（8）支持電力市場和電力交易的有效開展，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置，降低電網(wǎng)損耗，提高能源的綜合利用效率。

3 智能電網(wǎng)的技術(shù)體系[1-11]

智能電網(wǎng)不是一門技術(shù)，而是眾多技術(shù)的高度集成。根據(jù)智能電網(wǎng)的涵義及其發(fā)展目標(biāo)，智能電網(wǎng)的技術(shù)體系將主要包括：

（1）靈活的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的放射狀網(wǎng)絡(luò)不能保障在線路發(fā)生故障時(shí)快速恢復(fù)對負(fù)載供電。靈活的可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是智能電網(wǎng)的物理基礎(chǔ)，它使得電網(wǎng)在經(jīng)歷故障時(shí)，能夠把故障的影響控制在最小的范圍，并可以實(shí)現(xiàn)快速的供電恢復(fù)。為此，在配電系統(tǒng)側(cè)面，需要發(fā)展環(huán)形配電網(wǎng)、環(huán)形母線和分布式微型電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)雙向潮流控制和電路間的功率交換。在輸電系統(tǒng)層面，需要根據(jù)可再生能源的分布、負(fù)荷分布和儲能系統(tǒng)的分布，合理確定輸電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及電力輸送方式。

（2）高級傳感和測量技術(shù)。用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制、分時(shí)電價(jià)和用戶側(cè)管理的快速準(zhǔn)確響應(yīng)，主要包括智能電表，以及廣域分布的能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、故障狀態(tài)及故障定位的大量傳感器和測量單元。傳感器和測量單元能夠與通信系統(tǒng)有機(jī)整合。因此，發(fā)展高精度低能耗的傳感器及其網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)傳感器與測量單元的能源供應(yīng)（傳感器與微小能源系統(tǒng)的結(jié)合）是十分必要的。

（3）專用芯片技術(shù)。智能電網(wǎng)將采用大量的芯片來武裝現(xiàn)有的設(shè)備，從而對設(shè)備進(jìn)行智能化升級，使之能夠根據(jù)電網(wǎng)的需要完成特定的任務(wù)，主要包括：智能電表所用的計(jì)量芯片、用電設(shè)備與控制設(shè)備的智能驅(qū)動芯片與控制芯片、精確計(jì)時(shí)用的時(shí)鐘芯片、設(shè)備與傳感器的通信系統(tǒng)芯片等。

（4）通信技術(shù)?；诮y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的開放并高度集成的通信系統(tǒng)，將覆蓋從發(fā)電機(jī)到用戶終端的全部范圍，可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)中每一個設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和信息交換，電網(wǎng)中的每一部分均可以雙向通信。通信網(wǎng)可以對網(wǎng)絡(luò)智能傳感器和控制裝置、控制中心、保護(hù)系統(tǒng)和用戶建立一個安全的“即插即用”的應(yīng)用環(huán)境，并可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全部參數(shù)和狀態(tài)的可視化。按照不同的層次，通信網(wǎng)包括三個層次：用戶戶內(nèi)通信網(wǎng)（HAN）、局域通信網(wǎng)（LAN）和廣域通信網(wǎng)（WAN）。HAN通過網(wǎng)關(guān)或用戶入口把智能電表和用戶戶內(nèi)可控的電器或裝置連接起來，使得用戶能根據(jù)電力公司的需要，參與電力市場。LAN連接智能電表和數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器可以即時(shí)或按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間收集或接收附近電表的計(jì)量值或信息，也可以中繼數(shù)據(jù)中心發(fā)給下游電表和用戶的命令和信息，同時(shí)數(shù)據(jù)集中器通過WAN和數(shù)據(jù)中心相連。在通信網(wǎng)絡(luò)中，可以根據(jù)通信的具體要求，分別采用不同的媒介來實(shí)施通信，如電力線載波通信（PLC）、Zigbee、W/WiMedia/WiFi、因特網(wǎng)（IPv4和IPv6）、光纖以太網(wǎng)、第三代（3G）無線語音和數(shù)據(jù)通信、無線通信等。

（5）通用信息平臺。主要包括電網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心及分布式數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)、可兼容的功能軟件，可以多種通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)共享、大容量高速存取、冗余備用、精確數(shù)據(jù)對時(shí)等?；谶@個平臺，還可以進(jìn)行發(fā)電-輸電-配電-用戶的產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)分析以及國家-區(qū)域-地區(qū)-局域網(wǎng)絡(luò)信息分析，并形成發(fā)電計(jì)劃-停電計(jì)劃-資產(chǎn)管理-生產(chǎn)優(yōu)化-風(fēng)險(xiǎn)管理-負(fù)荷管理-市場管理等。該平臺運(yùn)用平面顯示、三維動畫、語音識別、觸摸屏、地理信息系統(tǒng)（GIS）等視頻和音頻技術(shù)，提供個性化的可視化界面。

（6）網(wǎng)絡(luò)安全與信息安全技術(shù)。由于智能電網(wǎng)是一個高度信息化的電網(wǎng)，電網(wǎng)安全的涵義將不僅僅限于傳統(tǒng)意義上，保障其通信網(wǎng)絡(luò)和信息安全是十分重要的，主要包括：復(fù)雜大系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)生存、主動實(shí)時(shí)防護(hù)、數(shù)據(jù)安全存儲、網(wǎng)絡(luò)病毒防范、惡意攻擊防范、信息信任體系、新的密碼技術(shù)、信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)鏡像備用等。

（7）發(fā)電功率與負(fù)荷的短期預(yù)測技術(shù)。強(qiáng)大的預(yù)測與預(yù)警能力是智能電網(wǎng)的重要特征。預(yù)測預(yù)警以高性能傳感、測量、通信和信息處理為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)信息的短時(shí)甚至超時(shí)的預(yù)測和預(yù)警，主要包括：各類負(fù)荷的短期預(yù)測、氣象短期預(yù)測、可再生能源的發(fā)電功率短期預(yù)測等。

（8）電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真與模擬技術(shù)。實(shí)時(shí)仿真與模擬是包含狀態(tài)評估、風(fēng)險(xiǎn)評估、控制與優(yōu)化的計(jì)算與軟件系統(tǒng)，它不僅僅限于對緊急情況做出快速反應(yīng)，而且能為電網(wǎng)提供強(qiáng)大的數(shù)學(xué)支持。實(shí)時(shí)仿真與模擬技術(shù)建立在信息獲取（傳感與測量）和通信及信息平臺的基礎(chǔ)之上，能夠?qū)λ性O(shè)備（發(fā)電、輸配電、用電、功率變換）和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，利用超級計(jì)算或針對電網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)，采用分布式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算（或者云計(jì)算）的方式來實(shí)現(xiàn)。通過仿真和模擬，并結(jié)合專家系統(tǒng)，可以獲得電網(wǎng)在不同狀態(tài)下的優(yōu)化運(yùn)行方案，可對可能出現(xiàn)的問題（如穩(wěn)定裕度不足、阻尼和備用不足等）進(jìn)行預(yù)測并提前給出相應(yīng)的優(yōu)化解決方案，從而改善電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性、可靠性和整體效率效益。

（9）電力電子與控制技術(shù)。電力電子與控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行方案的關(guān)鍵。主要包括高級電力電子器件（如新型SiC器件、GaN器件、VCD金剛石器件等）、多功能固態(tài)開關(guān)、智能電子裝置、柔性交流輸（配）電裝置（FACTS和D-FACTS）、故障電流限制器、智能萬用變壓器等。智能電網(wǎng)可以采用新的控制邏輯，使這些控制裝置協(xié)同運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)集成控制，以全面提高電網(wǎng)的輸送能力、安全性、可靠性、穩(wěn)定性和電力質(zhì)量。

（10）數(shù)字式電力設(shè)備。主要是利用傳感技術(shù)、仿真技術(shù)、通信技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)，對電力設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化智能化升級，使得運(yùn)營商能夠準(zhǔn)確識別電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行能力、過載能力、故障發(fā)生的可能性及對這些設(shè)備進(jìn)行壽命評估。數(shù)字式電力設(shè)備包括變壓器、電抗器、開關(guān)、輸配電線路等，也可以包括數(shù)字變電站。數(shù)字式電力設(shè)備實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是采用合適的傳感技術(shù)和精確的仿真模型和評估模型。

（11）分布式電力技術(shù)。由于分布式電源靠近負(fù)荷，因此可以減少電網(wǎng)擴(kuò)展輸送容量的需求，并提高了供電可靠性和電能質(zhì)量，從而帶來很大的綜合效益。分布式電源是智能電網(wǎng)的重要物理基礎(chǔ)之一，可以通過新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制運(yùn)行方式與配電網(wǎng)高度整合。分布式電源可以是各種靠近用戶的可再生能源電源（如小水電、風(fēng)電、太陽能、小型燃?xì)廨啓C(jī)、生物質(zhì)、海洋能等發(fā)電），也可以是儲能系統(tǒng)，還可以是電動汽車的充電站。多個分布式電源，通過協(xié)同控制，還可以充當(dāng)一個發(fā)電廠（虛擬發(fā)電廠）。

（12）大型可再生能源電站并網(wǎng)技術(shù)。由于可再生能源與傳統(tǒng)能源有很大的不同，其并網(wǎng)技術(shù)是制約可再生能源規(guī)模開發(fā)利用的瓶頸。對于大型的可再生能源電站，要從電網(wǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)調(diào)度、旋轉(zhuǎn)和儲能備用、無功補(bǔ)償技術(shù)、大型可再生能源電站對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響、大型電站的數(shù)學(xué)建模與整體協(xié)調(diào)控制、繼電保護(hù)協(xié)調(diào)配合等方面入手。

（13）儲能技術(shù)?，F(xiàn)有電網(wǎng)的功率瞬態(tài)平衡主要是通過機(jī)組慣性來實(shí)現(xiàn)的。由于可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，因此，未來智能電網(wǎng)沒有儲能系統(tǒng)作為支撐是難以想象的。儲能技術(shù)，除了包括高效高密度的儲能單元（如化學(xué)電池、飛輪、超級電容器、超導(dǎo)儲能、燃料電池等）技術(shù)外，還包括大型儲能電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其整體協(xié)調(diào)控制技術(shù)，大型抽水儲能電站和集中式電動汽車充電站或電動汽車充電站網(wǎng)絡(luò)也是重要的發(fā)展方向。

（14）超導(dǎo)電力技術(shù)。超導(dǎo)電力技術(shù)主要是基于超導(dǎo)無阻高密度載流能力發(fā)展起來的應(yīng)用技術(shù)，主要包括超導(dǎo)輸電電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電機(jī)和超導(dǎo)儲能系統(tǒng)。超導(dǎo)電力技術(shù)在提高電網(wǎng)輸送容量和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低網(wǎng)絡(luò)損耗、改善電能的質(zhì)量、提高電網(wǎng)安全可靠性、降低氣設(shè)備的占地面積等多方面具有顯著的優(yōu)勢，因此被美國能源部譽(yù)為21世紀(jì)電力工業(yè)的惟一高技術(shù)儲備。美國能源部在Grid2030計(jì)劃和2009年出臺的智能電網(wǎng)項(xiàng)目中，均把超導(dǎo)電力技術(shù)作為重要的發(fā)展方向。

（15）先進(jìn)材料技術(shù)。先進(jìn)的材料是智能電網(wǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。今后一段時(shí)間內(nèi)，圍繞智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，應(yīng)重點(diǎn)研究發(fā)展的材料技術(shù)包括：電池用高效能源材料（如燃料電池及高容量儲氫用關(guān)鍵材料、超級電容器電極材料及介質(zhì)、高效電池材料）、先進(jìn)導(dǎo)電材料和絕緣材料、高溫超導(dǎo)材料、高強(qiáng)度高電導(dǎo)材料、先進(jìn)絕緣材料與低溫絕緣材料、先進(jìn)傳感器材料（如高效熱電轉(zhuǎn)換材料、壓電材料、巨磁阻材料、抗機(jī)械應(yīng)力和溫度變化的光纖材料）等。

4 我國智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的有關(guān)建議

智能電網(wǎng)將是能源生產(chǎn)、分配和利用的主體，事關(guān)國家重大戰(zhàn)略和整體安全，是下一輪經(jīng)濟(jì)增長的制高點(diǎn)之一，因此智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該由國家組織進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)。智能電網(wǎng)涉及的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)很多，不是一家或者幾家單位能做好的事情，需要積極推動全社會的廣泛參與。

新能源規(guī)模開發(fā)利用對電網(wǎng)帶來的影響是根本性的挑戰(zhàn)，因此智能電網(wǎng)的發(fā)展要以促進(jìn)新能源規(guī)?；脼橹匦?，不僅要考慮大型可再生能源系統(tǒng)的接入問題，也要充分考慮分布式能源和電動汽車的發(fā)展問題。為了能夠更好地推進(jìn)我國智能電網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)在國內(nèi)選擇有代表性的城市或者關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過建設(shè)示范城市和示范點(diǎn)，整體推進(jìn)智能電網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和形成。

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