智能電網(wǎng)中技術(shù)問題探討

關(guān)貝貝，王 洋，吳明鋒

（1.國網(wǎng)山西省電力公司運(yùn)城供電公司，山西 運(yùn)城 044000；2.中鐵電氣集團(tuán)北方公司，山西 太原 030024；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

電網(wǎng)是關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)命脈的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)。過去的50年，電力網(wǎng)絡(luò)由開始的“局部電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)”發(fā)展到“互聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)”，其主要是由規(guī)模為1 000～3 000 MW的發(fā)電站分配電力到各主要的負(fù)荷中心，再由負(fù)荷中心為個人用戶提供電力。發(fā)電站的主要作用是提供足夠的電力。到20世紀(jì)末，這種模式已經(jīng)難以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會需要。首先，原來的預(yù)測技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)不能為用戶在適當(dāng)?shù)臅r間提供期望的電力，但輸配電、發(fā)電、信息化、數(shù)字化等技術(shù)的進(jìn)步為解決這一問題提供了相應(yīng)的支持；其次，環(huán)境問題的提出和能源的地緣依賴性限制了經(jīng)濟(jì)增長規(guī)模，當(dāng)今電網(wǎng)需要應(yīng)對日益嚴(yán)峻的資源和環(huán)境壓力，實現(xiàn)大范圍的資源優(yōu)化配置，提高全天候供電運(yùn)行能力，滿足能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要，適應(yīng)電力體制改革[1,2]?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)面臨的主要挑戰(zhàn)如下所示[3,4]。

a）全球暖化、能源壓力和生態(tài)文明意識的提升。

b）能源供應(yīng)商和客戶之間的隱私問題。

c）網(wǎng)絡(luò)攻擊的安全威脅。

d）國家采用替代發(fā)電能源的目標(biāo)。

e）間歇供應(yīng)時保持穩(wěn)定的電力更加復(fù)雜。

f）減少高峰用電需求過程中浪費(fèi)的能量，從而確保足夠的儲備。

為解決這些挑戰(zhàn)，北美和歐洲已經(jīng)形成了相應(yīng)的研究群體，開展“智能電網(wǎng)”的研究和實踐，我國也已開始相關(guān)研究。智能電網(wǎng)（Smart Grid）也叫知識型電網(wǎng)（Intelligrid）或者現(xiàn)代電網(wǎng)（Modern Grid），是有機(jī)融合了信息、通信、控制等多種前沿技術(shù)的輸配電系統(tǒng)[5,6]；其發(fā)展目標(biāo)是建設(shè)節(jié)能、環(huán)保、高效、可靠、穩(wěn)定的現(xiàn)代化電網(wǎng)。

1 智能電網(wǎng)的概念與特征

智能電網(wǎng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，可由多種方式來描述。目前智能電網(wǎng)還沒有一個確切的概念，簡單來說，智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化，集成新能源、新材料、新設(shè)備和先進(jìn)的信息技術(shù)、電網(wǎng)控制技術(shù)，實現(xiàn)電力在發(fā)、輸、配、用過程中的數(shù)字化管理、智能化決策、互動化交易，優(yōu)化資源配置，充分滿足用戶對電力的需求，確保電力供應(yīng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)，滿足環(huán)保約束，適應(yīng)電力市場化發(fā)展。其主要特征簡單概括為：自我管理與自我恢復(fù)，優(yōu)質(zhì)電能質(zhì)量，雙向電力服務(wù)，兼容與開放，經(jīng)濟(jì)高效。

2 商業(yè)管理

智能電網(wǎng)的發(fā)展并不需要更換現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)，這一過程從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面考慮是不現(xiàn)實的。相反，發(fā)展智能電網(wǎng)可以加強(qiáng)現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)和功能，同時盡可能地利用原來的物理基礎(chǔ)設(shè)施。智能電網(wǎng)的幾個功能如下所示。

a）需要具有自愈能力。

b）具有高可靠性。

c）資產(chǎn)優(yōu)化管理。

d）經(jīng)濟(jì)高效。

e）與用戶友好互動。

f）兼容大量分布式電源的接入。

智能電網(wǎng)技術(shù)從根本上改變了電力市場運(yùn)行模式，出現(xiàn)一些新的市場成員，如能源零售商和貿(mào)易商、分布式發(fā)電運(yùn)營商等（圖1）。

圖1 電力市場交易簡圖

3 關(guān)鍵的技術(shù)問題

智能電網(wǎng)的技術(shù)組成有多種，其包括分布式發(fā)電、量測技術(shù)等。這里主要討論通信和控制技術(shù)，提出多層通信結(jié)構(gòu)模式。

3.1 通信結(jié)構(gòu)與技術(shù)

智能電網(wǎng)的實現(xiàn)需要高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，因為智能電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)獲取與傳輸、保護(hù)和控制都是一個雙向?qū)崟r的過程。這一技術(shù)領(lǐng)域主要關(guān)注三個問題：首先，是開放的通信架構(gòu)，它形成一個“即插即用”的環(huán)境，使電網(wǎng)各個元件之間能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的通信；其次，統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它主要是保證傳感器、智能電子設(shè)備以及應(yīng)用系統(tǒng)之間實現(xiàn)無縫通信，也就是信息在所有這些設(shè)備和系統(tǒng)之間能夠得到完全的理解，實現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備之間、設(shè)備和系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的互操作功能；最后，通信過程中會遇到亂序和時延問題，在建立模型和實際過程中要根據(jù)具體情況來分析。下面根據(jù)已有的經(jīng)驗，提出一個多層通信結(jié)構(gòu)。

智能電網(wǎng)一般在大范圍內(nèi)布設(shè)，因此其通信設(shè)施必須覆蓋整個區(qū)域，下面（圖2）給出其通信設(shè)施的一個多層結(jié)構(gòu)并加以討論。

圖2 智能電網(wǎng)多層結(jié)構(gòu)

家庭區(qū)域網(wǎng)HANs（Home Area Networks） 可與各種智能設(shè)備（量測器，傳感器，執(zhí)行器等）通信，從而提供電力的有效管理和需求響應(yīng)。鄰居區(qū)域網(wǎng) NANs（Neighborhood Area Networks） 連接多個 HANs到可達(dá)點。廣域網(wǎng) WANs（Wide area networks） 建立HANs與有效系統(tǒng)間的通信，以便傳輸信息。

通信網(wǎng)絡(luò)的三層結(jié)構(gòu)可使智能電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、有效、可靠、安全地運(yùn)行。但是，對于智能電網(wǎng)的通信結(jié)構(gòu)仍要面對很多挑戰(zhàn)：互操作性，海量數(shù)據(jù)，多鏈路，優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和安全性等。

智能電網(wǎng)可以利用多種能源發(fā)電（太陽能，風(fēng)能，水電等）。這些能源發(fā)電價格和可靠性上有所不同，如何合理有效地使用不同能源發(fā)電，使用戶既能滿足要求又能節(jié)省資源，是一個值得研究的問題。

智能電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、配電，使用過程中都存在數(shù)據(jù)流。多種技術(shù)將用來設(shè)計通信結(jié)構(gòu)，以便為控制中心提供足夠的信息量。通信網(wǎng)絡(luò)的多層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要問題是子網(wǎng)絡(luò)間的互操作性。智能設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量在未來將出現(xiàn)爆炸式增長，這會給智能電網(wǎng)的通信設(shè)施相當(dāng)大的負(fù)荷。大量的實時和已有數(shù)據(jù)出現(xiàn)在智能電網(wǎng)中，并且一天內(nèi)不同時段數(shù)據(jù)量變化很大，因此通信交通要適應(yīng)數(shù)據(jù)的快速變化能力。高峰時段，數(shù)據(jù)通信需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更可靠的服務(wù)。由于數(shù)據(jù)傳輸延遲、帶寬、可靠性和安全性等區(qū)別，不同類別的數(shù)據(jù)具有不同的服務(wù)優(yōu)先級。

智能電網(wǎng)將使用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)測電力基礎(chǔ)設(shè)施。這就會給智能電網(wǎng)帶來外界的攻擊。許多潛在的威脅：如員工的輕率、違反授權(quán)等都會給網(wǎng)絡(luò)帶來外部攻擊。

3.2 控制技術(shù)

智能電網(wǎng)控制技術(shù)體系融合了先進(jìn)控制與設(shè)備制造技術(shù)、信息與通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與試驗評估技術(shù)等眾多技術(shù)（圖3），其中信息與通信技術(shù)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)控制功能的“中樞神經(jīng)”，電力電子與儲能技術(shù)則扮演智能電網(wǎng)控制的“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”，而標(biāo)準(zhǔn)與試驗評估則構(gòu)成智能電網(wǎng)控制得以順利實施的制度與管理層面的“保障”。

4 結(jié)論

電網(wǎng)智能化是全球電網(wǎng)未來發(fā)展的必由之路，其中尚未解決的問題還有很多，如多智能體技術(shù)如何在智能網(wǎng)中得以應(yīng)用，分布式估計和預(yù)測問題等，下一步的研究重點為智能電網(wǎng)中的通信和控制問題以及分布式優(yōu)化問題。我國應(yīng)大力發(fā)展分布式儲能技術(shù)和分布式智能電網(wǎng)，打造具有中國特色的堅強(qiáng)智能電網(wǎng)。

圖3 智能電網(wǎng)控制技術(shù)構(gòu)成

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