智能電網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)

上海市節(jié)能協(xié)會 藍毓俊

國家電網(wǎng)公司于2009年5月21日發(fā)布了建設(shè)“堅強智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃。到2020年將全面建成統(tǒng)一的“堅強智能電網(wǎng)”，以統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一建設(shè)為原則，以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、自動化、互動化特征的現(xiàn)代化電網(wǎng)。

1 智能電網(wǎng)的提出和發(fā)展

1.1 什么是智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)(Smart Grid)最早于2003年6月，由美國“未來能源聯(lián)盟智能電網(wǎng)工作組”提出的。當(dāng)時提出智能電網(wǎng)的定義為“集成了傳統(tǒng)的現(xiàn)代電力工程技術(shù)、高級傳感和監(jiān)視技術(shù)、信息與通信技術(shù)的輸配電系統(tǒng)，具有更加完善的性能并且能夠為用戶提高一系列增值服務(wù)”。目前各國專家對智能電網(wǎng)有多種解釋，在世界上還沒有一個很權(quán)威的統(tǒng)一的定義。在以后的一些報告中所提出的智能電網(wǎng)定義，在說法上也有所不同，但基本含義還是一致的。例如有的專家提出智能電網(wǎng)是利用傳感、嵌入式處理、數(shù)字化通信和IT技術(shù)，將電網(wǎng)信息集成到電力公司的流程和系統(tǒng)，使電網(wǎng)可觀測（能夠監(jiān)測電網(wǎng)所有元件的狀態(tài)），可控制（能夠控制電網(wǎng)所有元件的狀態(tài)）和自動化（可自適應(yīng)并實現(xiàn)自愈）；也有專家認(rèn)為智能電網(wǎng)是通過信息技術(shù)和電力運營技術(shù)結(jié)合起來，使電力系統(tǒng)各部分（發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等）自動化的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，以實現(xiàn)完全的終端對終端的系統(tǒng)進入視野——可視化（a total end-to-end systems view）的電網(wǎng)等。

1.2 對于“智能電網(wǎng)”的不同看法

我國專家認(rèn)為：智能電網(wǎng)應(yīng)包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電 、變電 、配電 、用電和調(diào)度共六個領(lǐng)域，具有信息化、數(shù)字化 、自動化 、互動化等主要“智能”技術(shù)特征；

美國發(fā)展智能電網(wǎng)的重點在配電和用電側(cè)，推動可再生能源發(fā)展，注重商業(yè)模式的創(chuàng)新和用戶服務(wù)的提升等。

1.3 美國的智能電網(wǎng)計劃

1）美國的智能電網(wǎng)計劃

2009年美國總統(tǒng)奧巴馬宣布計劃撥40億美元，用于投資智能電網(wǎng)。美國統(tǒng)稱為統(tǒng)一智能電網(wǎng)（Unified National Smart Grid），是指將基于分散的智能電網(wǎng)結(jié)合成全國性的網(wǎng)絡(luò)體系。

2）美國建設(shè)智能電網(wǎng)的主要作用

美國希望通過建設(shè)統(tǒng)一智能電網(wǎng)實現(xiàn)美國電力網(wǎng)絡(luò)的智能化，以解決分布式能源體系的需要，并以長短距離、高低電壓的智能網(wǎng)絡(luò)來連接客戶電源。

在保護環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)前提下，營建新的輸電電網(wǎng)，實現(xiàn)可再生能源的優(yōu)化輸配，提高電網(wǎng)的可靠性和清潔性等。智能電網(wǎng)可以平衡整合類似美國亞利桑那州的太陽能發(fā)電和俄亥俄州的工業(yè)用電等跨州用電的需求，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的電力優(yōu)化調(diào)度、監(jiān)測和控制，從而實現(xiàn)美國整體的電力需求管理，為實現(xiàn)美國跨區(qū)的可再生能源提供平衡。

解決太陽能、氫能、水電能和車輛電能的存儲，以幫助用戶出售多余電力，包括解決電池系統(tǒng)向電網(wǎng)回售富裕電能。實際上，這個體系就是以美國的可再生能源為基礎(chǔ)，實現(xiàn)美國發(fā)電、輸電、配電和用電體系的優(yōu)化管理。

3）美國建設(shè)智能電網(wǎng)的初步規(guī)劃

美國正在規(guī)劃建設(shè)美國第一座全集成“智能電網(wǎng)城市”——科羅拉多州（Colo）博爾德市（Boulder）的智能電網(wǎng)。美國建設(shè)智能電網(wǎng)規(guī)劃也考慮了將加拿大、墨西哥等地電力整合的合作。

1.4 歐洲的智能電網(wǎng)計劃

1）歐洲的智能電網(wǎng)

歐洲把智能電網(wǎng)稱為超級智能電網(wǎng)（Super Smart Grid）。它是將廣域電力輸送網(wǎng)絡(luò)與智能電網(wǎng)結(jié)合起來的廣域智能網(wǎng)絡(luò)，使用范圍涉及歐盟、北非、中東等國家和地區(qū)；通過超級智能電網(wǎng)計劃，充分利用潛力巨大的北非沙漠太陽能和風(fēng)能等可再生能源發(fā)展?jié)M足歐洲的能源需要，完善未來的歐洲能源系統(tǒng)；

2）歐洲建設(shè)智能電網(wǎng)的策略

2006年歐盟理事會的能源綠皮書《歐洲可持續(xù)的、競爭的和安全的電能策略》明確強調(diào)，歐洲已進入一個新的能源時代，智能電網(wǎng)技術(shù)是保證歐盟電網(wǎng)電能質(zhì)量的一個關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向。目前，英、法、意等國都在加快推動智能電網(wǎng)的應(yīng)用和變革。

2009年初，歐盟有關(guān)圓桌會議進一步明確要依靠智能電網(wǎng)技術(shù)將北海和大西洋的海上風(fēng)電、歐洲南部和北非的太陽能融入歐洲電網(wǎng)，以實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模集成的跳躍式發(fā)展。

2 國家電網(wǎng)公司建設(shè)“堅強智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃

國家電網(wǎng)公司建設(shè)“堅強智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃分為以下三個階段：

第一階段2009年～2010年為規(guī)劃試點階段。重點開展堅強智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃工作，制定技術(shù)和管理標(biāo)準(zhǔn)，開展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和設(shè)備研制，開展各環(huán)節(jié)的試點工作。

第二階段2011年～2015年為全面建設(shè)階段。加快特高壓電網(wǎng)和城鄉(xiāng)配電網(wǎng)建設(shè)，初步形成智能電網(wǎng)運行控制和互動服務(wù)體系，關(guān)鍵技術(shù)和裝備實現(xiàn)重大突破和廣泛應(yīng)用。

第三階段2016年～2020年，為引領(lǐng)提升階段，全面建成統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)，技術(shù)和裝備全面達到國際先進水平。屆時，電網(wǎng)優(yōu)化配置資源能力大大提升，清潔能源裝機比例達到35%，分布式電源實現(xiàn)“即插即用”，智能電表普及應(yīng)用。

上海市電力公司為了打造建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的目標(biāo)，積極為建設(shè)堅強智能受端電網(wǎng)打下基礎(chǔ)，其中 包括完成建設(shè)國網(wǎng)公司信息化“SG186”示范工程；2010年建成100千瓦級儲能電站示范工程；研發(fā)電動汽車及相配套的充電站技術(shù)；在崇明建成兆瓦級光伏發(fā)電站及智能電網(wǎng)的示范工程；建成國內(nèi)最大海上100兆瓦東海大橋風(fēng)電場；建成符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的智能化（數(shù)字化）變電站；初步建成上海電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)等。規(guī)劃實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”高度一體化融合，將上海世博園區(qū)電網(wǎng)建設(shè)成我國堅強智能受端電網(wǎng)的示范工程等。

3 國家電網(wǎng)公司建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的基本內(nèi)涵

“堅強”和“智能”是堅強智能電網(wǎng)的基本內(nèi)涵。信息化是指實時和非實時信息的高度集成、共享與利用；數(shù)字化是指電網(wǎng)對象、結(jié)構(gòu)、特性及狀態(tài)的定量描述和各類信息的精確高效采集與傳輸；自動化是指電網(wǎng)控制策略的自動優(yōu)選、運行狀態(tài)的自動監(jiān)控和故障狀態(tài)的自動恢復(fù)；互動化是指電源、電網(wǎng)和用戶資源的友好互動和協(xié)調(diào)運行。因此堅強智能電網(wǎng)是以堅強網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，是堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動的現(xiàn)代電網(wǎng)。

4 智能電網(wǎng)的主要特征

4.1 自愈

有自愈能力的現(xiàn)代化電網(wǎng)可以發(fā)現(xiàn)并對電網(wǎng)的故障作出反應(yīng)，快速解決，減少停電時間和經(jīng)濟損失；突出智能電網(wǎng)的自愈功能制止級聯(lián)事件演變成大的停電事故，實施事件響應(yīng)的快速仿真決策，主動介列靈活分區(qū)的分布協(xié)調(diào)/自適應(yīng)控制以及在緊急狀態(tài)下對分布式能源的輔助服務(wù)；具有故障定位與隔離（FLIR，對減少停電時間意義較大）和 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，非故障部分迅速恢復(fù)供電功能；注重電壓與無功控制（VVC）支持電網(wǎng)自愈；當(dāng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，繼電保護具有再整定功能RPR，實現(xiàn)智能化電力系統(tǒng)更新運行方式后的保護，以達到電網(wǎng)在任一重構(gòu)時，要求一個新的電網(wǎng)方案和繼電保護的配合等。

4.2 安全及可靠性

現(xiàn)代化的電網(wǎng)在建設(shè)時即考慮徹底的安全和可靠性，開展提高電網(wǎng)安全和可靠性的戰(zhàn)略研究，提高整個電力系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

4.3 互動性

在現(xiàn)代化電網(wǎng)中，商業(yè)、工業(yè)和居民等能源消費者可以看到電費價格、有能力選擇最合適自己的供電方案和電價；開展研制高級電能表為基礎(chǔ)的計量體系（AMI），這是一種基于開放性的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展模式、是將所有消費者信息一體化的方法，它能讓消費者能更高效地利用電能，及時探測系統(tǒng)中的問題，從而讓電力公司可以快速診斷和消除故障隱患。高級計量體系能實現(xiàn)“友好型消費高效”概念中的“設(shè)備價格”，例如能源按其成本被實施定價的價格信號，被傳輸?shù)健爸悄堋奔彝タ刂苹蚪K端消費設(shè)備上，這些設(shè)備能自動的一次處理基于此時的消費愿望以及此時系統(tǒng)能力的信息，從而節(jié)約了那些本會被大量消耗的能源。

4.4.提供適應(yīng)21世紀(jì)需求的電能質(zhì)量

現(xiàn)代化的電網(wǎng)不會有電壓跌落、電壓尖刺、擾動和中斷等電能質(zhì)量問題，適應(yīng)數(shù)據(jù)中心、計算機、電子和自動化生產(chǎn)線的需求；

4.5.適應(yīng)所有的電源種類和電能儲存方式

現(xiàn)代化的電網(wǎng)要允許各類可再生能源、清潔能源、新能源和分布式供能的即插即用地連接，包括電能儲存設(shè)備等。

4.6 可市場化交易

現(xiàn)代化的電網(wǎng)支持持續(xù)的全國性、區(qū)域性及省市間的電力市場交易，允許地方性與局部的電力改革或電力市場的革新。

4.7 優(yōu)化電網(wǎng)資產(chǎn)提高運營效率

現(xiàn)代化電網(wǎng)可以在已建成系統(tǒng)中提供更多的能量，僅需建設(shè)少許新的基礎(chǔ)設(shè)備，花費很少的運行維護成本。

5 智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域

5.1 發(fā)電領(lǐng)域：風(fēng)電場、光伏發(fā)電及分布式供能的并網(wǎng)和儲能關(guān)鍵技術(shù)研究；

5.2 輸電領(lǐng)域：安全監(jiān)控（大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制、網(wǎng)域測量技術(shù)、相量測量裝置、傳感器和量測技術(shù)）；特高壓交直流相關(guān)設(shè)備研制和關(guān)鍵技術(shù)研究；750kV可控電抗器和串補補償裝置關(guān)鍵技術(shù)研究及相關(guān)設(shè)備研制等；

5.3 變電領(lǐng)域：智能化（數(shù)字化）變電站、靈活交流輸電技術(shù)、無功補償發(fā)生器（STATCOM,SVC）、故障電流限制器的研究，尤其是對超導(dǎo)技術(shù)包括超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器及超導(dǎo)儲能系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)研究；

5.4 配電領(lǐng)域：儲能技術(shù)（鈉流電池）、電動汽車充電、配電自動化、微電網(wǎng)技術(shù)框架和接入技術(shù)與分布式儲能裝置研究；

5.5 用電領(lǐng)域：智能電表、用電信息采集系統(tǒng)、可再生能源即插即用技術(shù)；雙向互動營銷技術(shù)、示范工程建設(shè)及高級量測和家電控制配套技術(shù)研究；

5.6 調(diào)度領(lǐng)域：一體化智能調(diào)度系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)度可視化、數(shù)字化電網(wǎng)、智能調(diào)度管理模式和技術(shù)支持系統(tǒng)以及智能電網(wǎng)信息架構(gòu)與模型的研究等。