基于智能電網的建設現狀及其發展方向綜述

楊瓊，范李平

(湖北省宜昌供電公司變電運行中心，湖北 宜昌 443000)

1 引言

隨著全球資源和環境壓力的不斷增大、電力體制改革的逐漸深化，以及用戶對供電可靠性和電能質量要求的不斷提升，要求未來的電網更加安全、可靠、經濟、高效［1］。為此，建設適應經濟社會發展的智能電網，已成為國際電力工業界積極應對未來挑戰的共同選擇。智能電網是利用傳感器連接更多的資產和設備，實現對發電、配電、輸電、供電等關鍵設備運行狀況的實時監控，并把獲得的數據通過網絡系統進行收集、整合，最后通過對數據的分析挖掘，達到優化管理整個電力系統運行、降低成本、提高效率、節能降損、實現環境清潔和友好的目的。智能電網是以特高壓電網為骨干網架，以各級電網協調發展為基礎，利用先進的通信、信息和控制技術，構建以信息化、自動化、互動化為特征的統一堅強智能化電網。

2 國內外智能電網的研究和發展

2.1 智能電網概述

智能電網實質上是以先進的計算機、電子設備和高級元器件等為基礎，引入通信、自動控制和其他信息技術，從而實現對整個電力網絡的升級改造，將能源資源的生產、儲存、運輸、轉換、發電、輸電、配電、供電以及各種用電、用能設備信息化、聯網化和智能化整合，解決各種能源資源之間的優化平衡、各種電源轉換之間的優化平衡、各種能源需求之間的優化平衡，從而提高能源資源的利用效率、能源設備的使用效能、能源投資的經濟效益以及節能減排的實際效果，最終達到電力網絡運行更加安全可靠、經濟、環保、節能減排這一根本目標［2］。

2.2 國外智能電網發展情況

自本世紀初，國內外電力企業、研究機構和學者對未來電網的發展模式進行思考與探索。目前，美國、日本、韓國以及歐洲各國都相繼開展了智能電網相關研究，而其中最具代表性的是美國與歐洲［3］。對于美國來說，對復雜大電網的安全穩定控制，即所謂的“自愈”能力，是其智能電網發展的最初驅動，雖然困難重重但至今仍然是最重要的研究課題;而對于歐洲智能電網的發展，嚴格的溫室氣體排放政策顯然起到了更大的推動作用，分布式能源和可再生能源接入的研究也相應獲得了更多的支持。

在國家戰略方面，智能電網建設已成為國家經濟和能源政策的重要組成部分，加大基礎產業投資，拉動國內需求，推動勞動就業，積極應對國際金融危機。在電網發展基礎方面，發達國家的電力需求趨于飽和，電網經過多年的快速發展，網架結構穩定、成熟，具備較為充裕的輸配電供應能力，電網新增建設規模有限。在研究驅動力方面，美國主要是對陳舊老化的電力設施進行更新改造或依靠技術手段提高利用效率，歐洲國家主要是促進并滿足風能、太陽能和生物質能等可再生能源快速發展的需要。在功能目標方面，利用先進的信息化、數字化技術提升電力工業技術裝備水平，提高資源利用效率，積極應對環境挑戰，提高供電可靠性和電能質量，完善社會用戶的增值服務。在研究重點方面，主要關注可再生能源、分布式電源發展和用戶服務，提升用戶服務水平和節約用電［4］。在工作進展方面，處于研究和實踐的起始階段，概念和內涵還不統一，技術路線也不相同。總的來看，不同國家的國情不同，發展智能電網的方向和重點也不同。

2.3 國內智能電網發展情況

我國在智能電網的方面研究開展也比較早，在二十世紀末，就提出了數字電力系統的概念，開展了分布電力技術和微電網技術的研究;國家電網在2007年制訂了數字化電網、數字化變電站關鍵技術的研究框架，實施了重大項目的研究。

國家電網公司建設“堅強智能電網”的發展規劃共分為以下三個階段［5］:

(1)2009～2010年為規劃試點階段。重點開展智能電網的發展規劃工作，制定技術和管理標準，開展關鍵技術研究和設備的研制，開展各環節的試點工作;(2)2011～2015年為全面建設階段。加快特高壓電網和城鄉配電網的全面建設，初步形成智能電網運行控制和互動服務體系，關鍵技術和裝備實現重大突破和廣泛應用;(3)2016～2020年為引領提升階段。全面建成統一的堅強智能電網，技術和裝備全面達到國際先進水平。電網優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“即插即用”，智能電表實現普及應用。

統一堅強智能電網的發展戰略目標:在特高壓輸電技術取得重大突破的基礎上，為更好地服務經濟、社會、環境協調發展的需要，國家電網公司提出了建設堅強智能電網的發展構想，即建設以統一規劃、統一標準、統一建設為原則，以特高壓電網為骨干網架，各級電網協調發展，具有信息化、自動化、互動化特征的國家電網。

3 堅強智能電網的實現方法和突破點

我國的堅強智能電網建設是一項復雜的系統工程，涉及發電、輸電、變電、配電、用電及調度等六個環節，建設中國特色的堅強智能電網應該在既有電網的基礎上，對電力系統的各個環節進行分析，尋找突破點，逐步提升和完善。

3.1 智能發電

建設堅強智能電網在發電環節的發展目標:以“一特四大(即特高壓、大煤電、大水電、大核電和大可再生能源基地)”發展戰略為導向，引導電源集約化發展，協調推進大煤電、大水電、大核電和大可再生能源基地的開發;加強廠網協調，提高電力系統安全運行水平;實施節能發電調度，提高常規電源的利用效率;減少發電環節溫室氣體的排放，降低對氣候變化的影響;優化電源和電網結構，促進大規模風電、光伏發電等新能源的科學合理利用。在智能電網建設過程中，系統中接入的諸如風能、太陽能、大容量儲能裝置等分布式電源將占較大比重，需要重點解決分布式電源的并網規劃、運行、控制、預測等問題，提升可再生能源的協調運行水平。在信息傳輸方面，實現廠網信息的雙向交互，提高電網對發電側的控制水平，提高能源利用效率，促進節能降耗［6］。優化機組運行方式，提升廠網協調水平，保障電力系統安全穩定運行，減少對環境和氣候的影響，實現能源的可持續發展。隨著環保意識的增強和國家能源政策的實施，新能源發電和分布式電源將有很大的發展空間，并在裝機容量中占有相當大的份額，電源的構成將會發生顯著的變化。

3.2 智能輸電

實現輸電網智能運行是智能電網建設的重要內容，國內各個區域電網都建立了廣域測量保護系統，初步實現了電網的動態監控，部分區域電網已經開始了高級調度中心的實踐，這些都為智能輸電的實現創造了條件［7］。在輸電環節應該加快建設以特高壓為骨干電網、各級電網協調發展的堅強網架結構;全面實施輸電線路狀態檢修和全壽命周期管理，通過建設輸電線路狀態監測中心，實現對特高壓線路、重要輸電走廊、災害多發區的環境和運行狀態參數的集中監測和災害預警;廣泛采用柔性交流輸電(FACTS)技術，提高線路輸送能力和電壓、潮流控制的靈活性，在技術和裝備領域全面達到國際領先水平。這些都為智能輸電的實現創造了條件。在輸電環節應該加快建設以特高壓為骨干電網、各級電網協調發展的堅強網架結構;全面實施輸電線路狀態檢修和全壽命周期管理，通過建設輸電線路狀態監測中心，實現對特高壓線路、重要輸電走廊、災害多發區的環境和運行狀態參數的集中監測和災害預警;廣泛采用柔性交流輸電(FACTS)技術，提高線路輸送能力和電壓、潮流控制的靈活性，在技術和裝備領域全面達到國際領先水平。通過特高壓交流10000kV、直流士500kV與各級電網協調發展，構建堅強的物理網架基礎。從我國特高壓電網的發展規劃可以看出，在智能電網條件下，

特高壓將是電網的基本骨架，用于連接大型的區域電網，而超高壓將是區域電網的核心部分。利用先進的FACTS技術、輸電快速仿真與模擬技術、高級保護與控制技術，大大提高輸電系統的傳輸容量，并能有效地抑制區域間電網的功率振蕩，增強輸電系統的穩態和動態運行性能。

3.3 智能變電

在智能電網建設中，變電環節需要制定智能變電站和智能設備的技術標準和規范，通過采用通信網絡技術、智能化的電氣設備、自動化的運行管理系統，將樞紐變電站全面建成或改造為智能變電站，使數據采集、傳輸和處理均實現數字化、智能化［8］。在變電站建設完整、準確、實時的信息采集系統，實現電網運行數據的全面采集和實時共享，作為支撐電網實時控制、智能調節和各類高級應用的數據基礎;積極構建和完善各種智能設備的狀態預警能力和故障自我診斷能力。智能變電站應該具有智能檢修能力，時刻監測分析變電站各種設備(如變壓器、斷路器、母線、互感器、避雷器和隔離開關等)的狀態，實現設備的狀態檢修，從而優化使用和節約人力成本。

3.4 智能配電

配電網的智能化是智能電網的重要組成部分，尤其在歐美等發達國家，智能配電網是建設智能電網的核心內容。當前，我國的配電環節的網架結構相對薄弱，自動化程度較低，配電網技術標準和規范不完善，需要強化配電網基礎信息管理，構建智能配電技術架構體系，建成靈活、高效、合理的配電網絡。為適應智能電網建設的需求，配電網應該具備靈活重構、潮流優化能力，實現儲能裝置及分布式電源兼容接入與統一控制，在發生緊急狀況時能夠支撐主網安全穩定運行，使供電可靠性和電能質量都得到顯著提高;積極完成配電自動化系統的全面建設，全面推廣智能電網配電環節示范工程的應用成果，爭取使主要技術裝備達到國際領先水平。

3.5 智能用電

當前用電設備的智能化和信息采集交互能力較低，應該全面開展智能用電服務，推廣應用智能電表等高級量測裝置，構建智能化雙向互動體系，實現電網與用戶的積極交互，提升用戶服務質量，滿足多元化的用電需求。通過智能電表可以對用電設備實現全面監控，實時或定時讀取用戶的多種計量值，例如用電功率、用電量、電壓、電流及其他信息，成為電網事實上的傳感器。建立計量數據管理系統(MDMS)，作為具有分析功能的數據庫，通過與智能電表等高級量測裝置互聯，收集數據、處理和儲存智能電表的計量數值。積極開展網絡化管理，通過網關或用戶入口，把智能電表和用戶室內的可控電器或裝置連接起來，使用戶能夠根據電力公司的需要，積極參與需求響應和電力市場。積能用電示范園區的建設，電網公司或政府在政策上予以支持，通過推動智能樓宇、智能家電等領域的技術創新，改變終端用戶的用電模式，提高用戶用電效率。

智能電表等高級量測系統是電力企業和用戶聯系的紐帶，不僅為電力公司提供遍布全部用戶的通信網絡，而且可以使用戶參與到電力市場中，為系統的運行和資源管理帶來顯著的經濟效益。智能電網通過電子終端將用戶和電網公司之間形成網絡互動和即時連接，實現電力數據讀取的實時、高速、雙向的總體效果，實現智能家電控制和電池集成充電等的多用途開發，實現用戶富余電能的回售;可以優化電網的管理，將電網提升為互動運轉的全新模式，形成電網全新的服務功能，提高整個電網的可靠性和綜合效率。因此，各種高級測量儀表、用戶友好的智能電器等智能化設備將得到全面推廣應用。

3.6 智能調度

調度的智能化是智能電網的核心體現，智能調度是建設堅強智能電網的關鍵內容，是智能電網運行控制的神經中樞。為適應智能電網的需求，調度系統應該具備更為全面而準確的數據采集系統，具有強大的智能安全預警功能，在調度決策中注重系統安全與經濟的協調:在系統故障時，能夠快速的診斷故障和提供故障恢復決策;能夠利用可視化技術，將電網的實時運行情況全面而直觀地提供給調度員［9］。

在智能電網建設過程中，調度環節應該在已有調度技術的基礎上，重點解決大電網安全穩定運行問題，實現資源大范圍優化配置;研究風電場及分布式電源的有效接入和控制技術，實現節能減排;開展智能調度技術支持系統、備用調度、應急指揮控制中心建設和調度通信數據網建設，在各級調度中心逐步建成智能調度決策支持系統;建設實時監控與預警、安全校核、調度計劃和調度管理等應用功能，全面提升大電網調度駕馭能力、資源優化配置能力和靈活高效調度能力，保障電網安全、穩定、經濟、優質運行。

調度環節在智能電網建設中的重要性不言而喻，本文的后續章節結合多Agent技術對智能調度系統做了重點研究。智能電網是未來電力系統發展的必然趨勢，是應對能源、環境、氣候、經濟、社會等各方面挑戰的必然選擇。我國堅強智能電網的建設要吸收、消化國內外智能電網領域的研究成果和實踐經驗，立足于我國電網建設的實際水平，充分做好初期的規劃、標準規范、關鍵技術研究和各環節工程示范工作，以統一規劃、統一標準、統一建設為原則，最終實現具備信息化、自動化、互動化特征的自主創新、中國特色、世界領先的堅強智能電網目標。

4 未來智能電網所面臨的機遇和挑戰

智能電網的發展，我國面臨著許多新的機遇和挑戰。在機遇方面，智能電網的建設可以大力提高我國電力工業的發展和運營水平，提高經濟效能。

(1)分布式發電技術。分布式發電是指將電力系統以小規模(發電功率在數千瓦至50MW的小型模塊)、分散式方式布置在用戶附近，可獨立地輸出電能的系統。分布式發電具備投資省、系統可靠性高、能源種類多樣(比如風力發電、太陽能熱電站、太陽能光伏發電、太陽能熱氣流發電、生物質能發電、燃料電池發電和小型燃氣輪機發電等)等優點。也有研究指出到2010年，新增分布式電源容量將占新增電源總量的20%。所以說，分布式發電聯合電網運行是今后分布式發電技術發展的必然趨勢。

(2)儲能技術。儲能技術是指將電能通過某種裝置轉換成其它便于存儲的能量高效存儲起來，同時在需要的時候，可以將所存儲的能量方便地換成所需形式能量的一種技術，它包括兩個方面的內容:一是高效大容量存儲能量的方法，二是快速高效的能量轉換。

(3)電力電子技術。三相電壓源型逆變器可以提供各種分布式能源、儲能裝置、用戶電力裝置與電網的接口。將電力電子技術用于用戶側，進行無功補償，可以提高用戶的用電效率，進行諧波補償，可以改變對用戶的供電品質，減小用戶對電網的不良影響。

(4)高級計量技術。參數量測技術是智能電網基本的組成部件，先進的參數量測技術獲得數據并將其轉換成數據信息，以供智能電網的各個方面使用。它們評估電網設備的健康狀況和電網的完整性，進行表計的讀取、消除電費估計以及防止竊電、緩減電網阻塞以及與用戶的溝通。未來的智能電網將取消所有的電磁表計及其讀取系統，取而代之的是可以使電力公司與用戶進行雙向通信的智能固態表計。基于微處理器的智能表計將有更多的功能，除了可以計量每天不同時段電力的使用和電費外，還有儲存電力公司下達的高峰電力價格信號及電費費率，并通知用戶實施什么樣的費率政策。更高級的功能有用戶自行根據費率政策，編制時間表，自動控制用戶內部電力使用的策略。

(5)網絡通信技術。建立高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能電網的基礎，沒有這樣的通信系統，任何智能電網的特征都無法實現，因為智能電網的數據獲取、保護和控制都需要這樣的通信系統的支持，因此建立這樣的通信系統是邁向智能電網的第一步。同時通信系統要和電網一樣深入到千家萬戶，這樣就形成了兩張緊密聯系的網絡—電網和通信網絡，只有這樣才能實現智能電網的目標和主要特征。當這樣的通信系統建成后，它可以提高電網的供電可靠性和資產的利用率，繁榮電力市場，抵御電網受到的攻擊，從而提高電網價值。

(6)高級電力系統監測和控制系統。先進的控制技術是指智能電網中分析、診斷和預測狀態并確定和采取適當的措施以消除、減輕和防止供電中斷和電能質量擾動的裝置和算法。這些技術將提供對輸電、配電和用戶側的控制方法并可以管理整個電網的有功和無功［10］。從某種程度上說，先進控制技術緊密依靠并服務于其他四個關鍵技術領域，如先進控制技術監測基本的元件(參數量測技術)，提供及時和適當的響應(集成通信技術;先進設備技術)并且對任何事件進行快速的診斷(先進決策技術)。另外，先進控制技術支持市場報價技術以及提高資產的管理水平。

5 小結

隨著我國經濟的不斷快速發展，對能源的需求不斷提高，而以智能電網為代表的新能源經濟時代即將到來，將在很大程度上減少對資源的浪費，并將電網形成一個有效的智能體系。通過智能電網的各種關鍵技術的不斷發展完善，技術與電力生產的各項業務不斷結合，智能電網將實現自愈、安全、交互、協調、兼容、高效、優質、集成的核心特征。電網發展方向已不僅是本行業、本領域的需求反映，更是各行各業共同作用的結果，智能電網的發展取決于其中各個環節的關鍵前沿技術的突破和應用，也必然會推動相關技術的發展和推廣。

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