對智能電網基礎性問題的思考

_熊皓清 孫建華

隨著美國政府于2009年以來開展的一系列電網改造計劃的出臺和實施，智能電網（Smart Grid）的概念逐漸得到了世界范圍內的認可。2009年5月21日，中國國家電網公司正式發布了“建設堅強智能電網”的研究報告。該報告指出：國家電網公司要通過建設堅強智能電網，實現各類電源和用電設施并網接入標準化和電網運行控制智能化，提高電力系統資產的運營效益和全社會的能源效率，提高電能質量和供電可靠性，創新商業服務模式，提升電網與客戶雙向互動能力和客戶增值服務水平。

智能電網不僅是一個特定的新興技術名詞，更是一個對未來電網發展的宏觀理念，其概念可歸結為以下三個層次。

第一層次：某些學者基于個人經驗給出的對未來電網發展的一種宏觀定義。

第二層次：跨國公司或團體對未來世界的一種宏觀構想或理念，例如IBM提出的較為系統的“智慧地球”理念，“智能電網”是其中的一部分。

第三層次：某些國家及其部門為尋找新經濟增長點或促進社會發展而提出的具體的戰略計劃，例如，美國奧巴馬政府提出的智能電網計劃、歐盟搭建的智能電網技術平臺以及我國國家電網公司提出的“堅強智能電網”建設計劃。在這一層面上，“智能電網”的概念是國家或區域組織集合絕大部分人的理念所達成的一種協議，而且隨后將開動國家機器付諸實踐。

因此，第一層次到第三層次的過程即是把智能電網理論逐步推廣完善的過程，也是逐漸將其從理想概念轉化為具體軟硬件設施和運行模式的過程。

智能電網的特征

1.互動性。智能電網的一個重要特點是不僅可以使用戶圍繞電費去改變他們的行為，而且為用戶改變自己的行為提供必要的幫助。一方面，在高負荷情況下用電需要更高的電費，從而促使用戶主動地進行自我調節。另一方面，智能電網將用戶設備和行為考慮到電網的設計、運行和通信中。這使用戶能夠更好地在家庭和企業控制（或被控制于）“智能家電”和“智能設備”。其中，更先進的通信能力為客戶提供了便利的工具，使他們可以獲得實時電價，并以此為基礎調整自己的負荷。

2.抗攻擊性。智能電網首先應該是一個堅強的網絡，可以保證供電的可靠性。通過各種新型技術手段的應用以及新的電網設計、運行方式，智能電網技術能夠更好地響應人為或自然原因導致的電網事故。其中，實時信息和實時控制技術使得電網運行人員能夠迅速準確地隔離受影響的區域以及重新調整潮流分布，從而維持電網的穩定運行。

3.高質量電力。國外研究表明，每年電能質量事故平均花費美國商家超過100萬美元。通過采用先進的電能質量控制設備和控制策略，智能電網可以提供質量更高的電力，包括更好、更嚴格的頻率控制和電壓控制等，從而使用戶因電能質量而受到的損失降低。

4.兼容性。隨著發電技術的發展，特別是風能、太陽能等新能源的大量采用，電網內接入電源的類型趨于多樣化。智能電網除了繼續供應傳統電力之外，也可接入燃料電池、可再生能源、微型渦輪機以及其他各種分布式發電形式。這些發電單元往往規模較小，在電網內局部集中或者呈點狀分布，它們使得居民、商業和工業用戶能夠自行發電，并賣出過剩電力給電網，同時也提升了供電可靠性和電能質量，減少了電力成本，并為用戶提供了更多選擇。

5.促進電力市場。智能電網中的新技術可以提升輸電網的運行管理水平，從而增強系統大宗電力的傳輸能力，這將有利于創建一個開放的電力市場。在這個市場中，能夠在地理范圍上實現遠距離輸電，從而能夠輕易地將電賣給任何地方的用戶。同時，智能電網內的各種先進的傳感器和處理程序可以為電力交易提供豐富的信息。此外，智能化的配電網將有利于電力的分配，同時也為各類用戶都參與到市場中提供了可能。

6.優化資產。智能電網通過優化系統運行，更高效率地利用系統設備，降低運行和維護成本。優化后的電網潮流減少了浪費，對低成本發電資源的使用實現最大化。此外，通過協調區域間能量交換將提升現有電網資產的使用并減少電網阻塞和瓶頸，從而最終產生出消費者盈余。

智能電網的基本功能

1.負荷自調節。一般情況下，連接于電網的負荷是隨外部因素變化的。當一個很受歡迎的電視節目開始，數以百萬計的電視機同時開啟，負載會陡然增加。在傳統電網中，為了應對快速增長的耗電量（其增長速度超過了啟動大型發電機的時間），一些備用發電機處于熱備用模式，從而增加了系統的運行成本。而智能電網會警告所有個體電視機用戶或其他較大的客戶，暫時不要同時開啟新的負荷，或在開啟新負荷的同時關閉一些負荷，從而減緩總負荷的增長速度，使得系統有時間開啟一個較大的發電機，減少了因熱備用而增加的費用。此外，利用數學預測算法，可以計算出需要使用的備用發電機的數量，進而可以更有效更經濟的調整系統。

2.需求響應支持。需求響應支持使發電機和負荷能夠實現自動化方式的實時互動，協調需求從而拉平峰谷。通過提供給用戶充足的信息，并以經濟手段引導用戶，可以減少發生在負荷高峰時的需求，從而有利于減少后備發電機的費用、延長設備壽命。同時，用戶可更多的利用低優先級的設備，使他們只在電價最便宜的時候使用能源。

3.分布式供電。亦即分散化的發電模式。分布式發電允許用戶就近發電，而且是采用他們所能夠找到的任何方式來進行發電。用戶可以控制自己的電源，從而使得他們能夠在一定程度上獨立于電網。傳統電網被設計成由發電廠向用戶的單向潮流流動，但是如果因分布式發電而使局部的子網生產了多余的電量，那么將可能會影響可靠性的問題，而智能電網就能夠管理這些電量。

4.完備的電價信息。在許多西方國家，包括比利時、荷蘭和英國，電力公共事業單位已經為家庭安裝具有不同電價的電表，用以區分他們在晚間和周末時使用的電力，此時的工業負荷是非常低的，電價較為便宜。這一想法將在智能電網中被深化，通過使用先進的傳感器和交易系統，在智能電網中電價將實現秒計的變化，而電力設備能夠給出實時響應。此外，用戶個人的喜好（例如只喜歡用綠色能源）也將被考慮進交易系統。

智能電網的關鍵技術

構建智能電網涉及計量技術、通信技術、信息處理、數學建模等諸多方面，需要在現有電網的基礎上進行諸多研究，對于目前已采用的一些技術則需要進一步發展。此外，智能電網中許多關鍵技術已經在其他領域中使用，例如制造業和電信業，這些技術也需要引入到現在的電網中。

1.整合的通信技術。電力系統的通信技術日新月異，但并沒有能相互協調形成一體化的通信系統。同時，在系統內大多數情況下，數據是經由調制解調器來搜集，而非直接的網絡連接。這些都將使得信息傳遞的速度變慢，準確性降低。在智能電網中，需要整合的通信技術，通過該技術構建的通信系統，將可實現實時控制和信息數據交互，從而可以以之為基礎優化系統的穩定性、資產利用率和安全性。在此方面亟待改進的領域包括：變電站自動化、需求側相應、配電自動化、監控技術和SCADA、能量管理系統、無線mesh網絡、電力線載波通信和光纖通信等。

2.傳感與測量技術。在智能電網中，傳感與測量技術的核心任務是評價電力擁塞和電網穩定性，監測設備狀態、防竊電以及對控制策略提供支持。在此方面的主要技術包括：先進的微處理器儀表（例如：智能儀表）、自動化抄表設備、廣域監測系統、電磁特征信號測量與分析系統、實時定價工具、背向電臺技術以及數字繼電保護等。

其中，智能儀表具有重要意義。智能化的數字式儀表能夠實時地記錄電力使用情況，為系統提供從電廠到用戶電源插座，以及其他智能電網設備之間的通信路徑。通過該路徑，可以完全掌握系統的運行情況，從而實現對全網各設備的靈活調度。

3.先進的一次設備。智能電網需要由諸多先進的一次設備構成，它們涉及超導技術、容錯技術、存儲技術、電力電子技術、診斷組件技術等。具體來說主要包括：靈活交流輸電系統設備、高壓直流輸電、第一代和第二代超導線、高溫超導電纜、分布式能源發電與存儲設備、復合導體以及智能家電等。

4.先進的控制技術。智能電網的運行比現有電網復雜得多，因此，必須研究與之適應的控制技術。這些技術主要分為三個方面：分布式智能管理，主要涉及系統總體和局部的控制；分析工具，包括計算算法和軟件實現兩個部分，為系統控制提供支持；運行應用，主要是將控制決策施加于系統，要求系統中有足夠多的可控環節，涉及SCADA、變電站自動化，以及需求側響應等。

5.更為友好和便捷的人機交互。在智能電網中需要進一步提高人機交互的效率，使得操作員和管理者能夠對越來越復雜的電網進行有效的管理。

6.標準與團體。智能電網的實現需要有相關標準的支持，在這方面，IECTC57已經創建了一個國際標準族，可以作為智能電網標準的一部分。

對河南電網的影響

由我國智能電網建設的戰略方向和歐美智能電網發展的特點可以看出，我國智能電網建設與輸電網調度有非常大的關系。

我國的智能電網建設的重點之一是輸電網的智能化，因此對輸電網調度的智能化、高級化、精確化的要求進一步提高。從河南省網的建設和運行情況來看，我們應進一步加強大電網運行控制的能力，建設以信息化、數字化、自動化、互動化為特征的國際領先的堅強電網。在這過程中應對智能電網所涉及的有關輸電系統的功能、特征和技術予以更多的關注，特別是智能儀表、通信系統和控制系統。同時，從長遠考慮，也應對配網相關的智能電網技術予以關注和應用，以使得全系統能夠協調發展，最終完全實現智能電網的建設。