智能電網——電網和電力設備創(chuàng)新發(fā)展的“引擎”

國網信通公司 王熙亮

智能化對我們已經不再陌生，智能手機、智能城市、智能交通、智能電網以及各種智能化終端在改變我們的生活。智能化給我們帶來了全新的體驗和感受。在世界經濟發(fā)展幾乎失去方向的時候，智能化成為了經濟發(fā)展的新亮點，智能化將成為電網和電力設備創(chuàng)新發(fā)展的新“引擎”。智能電網時代已經到來，世界范圍內智能電網的建設進程已經全面啟動。其中主要的幾大智能電網計劃分別是美國的全國統(tǒng)一智能電網計劃、歐盟的超級智能電網計劃以及中國的堅強智能電網計劃。

一、世界發(fā)達國家智能電網建設計劃

1 美國智能電網概況

進入21世紀，美國連續(xù)發(fā)生幾次大的電網事故，讓一貫認為自己是世界老大、技術最新進的美國人飽受停電之苦，美國電力工作者回頭看看自己陳舊電網，才恍然大悟，電網需要現代化改造。結合美國的經濟刺激計劃，提出了智能電網的概念。

2009年8月5日，奧巴馬：建設一個距離4000公里以上的“更堅強，更智能的電網”。撥款24億美元補貼研發(fā)和制造電動汽車及儲能電池。他認為：很久以來美國在能源創(chuàng)新性領域沒有作為，而中國、日本等國家已經遠遠走在了前面。

美國智能電網建設從理論研究到實踐探索都積累一定的經驗?；谡囊幌盗嘘P于智能電網建設的規(guī)劃，美國正穩(wěn)步推進其智能電網的建設。根據2009年的美國經濟刺激法案，美國能源部確定了兩個專項投資計劃，分別為“智能電網投資撥款計劃”及“智能電網示范計劃”，投資額分別為33.75億美元和6.15億美元。受此推動，2010年，美國的智能電網項目的數量大幅增長，總投資額超過100億美元。美國的智能電網致力于在基礎設施老化背景下，建設安全可靠電網，并提高用電側效率以及降低用電成本。

2 歐洲智能電網概況

歐洲智能電網的發(fā)展主要以歐盟為主導，由其制定整體目標和方向、提供政策及資金支持。歐洲智能電網的最根本出發(fā)點是推動歐洲的可持續(xù)發(fā)展，減少能源消耗及溫室氣體排放。圍繞該出發(fā)點，歐洲的智能電網目標是支撐可再生能源以及分布式能源的靈活接入，以及向用戶提供雙向互動等功能。

歐洲智能電網的主要推進者有歐盟委員會、歐洲輸電及配電運營公司、科研機構以及設備制造商，分別從政策、資金、技術、運營模式等方面推進研究試點工作，預計在2010年至2018年期間，歐盟對智能電網的總投資額約為20億歐元。歐盟計劃在2020年實現在其能源消費結構中，清潔能源及可再生能源占比超過20%的目標，并完成歐洲電網互通整合等核心變革內容。

歐洲各國結合各自的科技優(yōu)勢以及電力發(fā)展特點，積極加入到智能電網的研究及試點項目實施過程中，呈現出鮮明的特色。如：歐洲北海國家（英法德等）著重發(fā)展泛歐洲電網互聯，意大利著重發(fā)展智能表計（AMI）及互動式配電網絡，而丹麥著重發(fā)展風力發(fā)電及配套控制等如圖1。

3 日本智能電網概況

日本電網基礎設施條件較為完善，配網側自動化水平一直走在世界前列，其電力行業(yè)發(fā)展的矛盾主要集中在能源資源的短缺及國土面積的狹小。因此日本政府提出到2020年，所有能源消耗中的10%需來自可再生能源。日本智能電網計劃的核心是大規(guī)模推廣開發(fā)“與太陽能發(fā)電時代相適應的電網”，其重點研究領域集中在太陽能發(fā)電輸出功率預測系統(tǒng)、高性能蓄電池系統(tǒng)和與蓄電池相組合的供需控制系統(tǒng)等如圖2。

日本智能電網建設工作由政府主導，日本經產省在2010年度預算中列入55億日元（約4.5億元人民幣）支持研發(fā)智能電表和蓄電池技術。2010年4月日本經產省批準橫濱市、豐田市、關西文化學術研究都市和北九州市開展智能城市建設工作，其中橫濱市計劃到2014年建設27MW的光伏發(fā)電系統(tǒng)，為4000戶居民提供家庭能源管理解決方案，支持2000輛電動汽車的日常行駛，參與廠商包括埃森哲公司（日本）、東京燃氣公司、東京電動汽車公司、日立公司、尼桑公司、松下公司、明電舍公司等。整個項目5年計劃投資額為740億日元（約60億元人民幣）。

日本電力中央研究所提出了可應對將來可再生能源等分散電源的大量并網、以及供需雙方整體控制的新一代電網—“TIPS”（Triple “I”Power Systems）”的概念，并且正在進行相關的技術開發(fā)。

ICT由以下3要素所構成：1）在接入可再生能源等分散型電源的同時，實現供需雙方的整體運行和控制的“用電地區(qū)安全通信網絡”；2）為防止大停電的“大范圍·快速控制網絡”；3）維護、監(jiān)控電力流通設備的“設備維護、運行傳感器網絡”。

二、中國智能電網的目標

中國的經濟、工業(yè)化和城市化的發(fā)展速度是前所未有的，能源和電力需求巨大，能源問題和碳排放問題將成為中國經濟發(fā)展的瓶頸，智能電網是解決能源問題的重要途徑。

中國智能電網建設工作以國家電網公司和南方電網公司為主體。智能電網建設也就成為國家電網公司“十二五”期間的重要工作任務之一。

國家電網公司提出到2015 年基本建成具有信息化、自動化、互動化特征的堅強智能電網，形成以華北、華中、華東為受端，以西北、東北電網為送端的三大同步電網，使電網的資源配置能力、經濟運行效率、安全水平、科技水平和智能化水平得到全面提升，初步建成世界一流電網。

南方電網在2010年7月提出“建設一個覆蓋城鄉(xiāng)的智能、高效、可靠的綠色電網（簡稱CCCGP）”，并確立了一批試點項目，大力推進廣州中新知識城、珠海橫琴新區(qū)智能配網、大容量電化學儲能等示范項目的建設，通過建設國家級智能電網實驗中心等平臺，形成南方電網在智能電網領域的自主知識產權。

三、智能電網給電網和電力設備企業(yè)注入了新的活力

從1882年愛迪生建成世界上第一座發(fā)電廠到現在，電力工業(yè)經歷了約130年的發(fā)展，但是發(fā)電、輸電、配電和用電的原理和主要技術基本沒有變化。今天智能電網的概念包括了全部現代電力電子技術和信息通信技術在電力工業(yè)的應用，為電力工業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了新的機遇，它不僅是電網企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的“火車頭”，也是電力設備企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的“火車頭”。

智能電網，實質就是電網的智能化，它是建立在集成、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環(huán)境友好以及新能源的廣泛接入和有效利用。

智能電網離不開智能電力設備，電力設備不智能化，電網怎么智能化，因此建設智能電網離不開電力設備企業(yè)。智能電網也是電力設備企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的機遇。智能電網建設主要集中在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調度六個環(huán)節(jié)：

1 發(fā)電環(huán)節(jié)

1）常規(guī)電源網廠協調關鍵技術應用。

2）清潔能源－風電、太陽能發(fā)電等的并網、運行和控制。

3）大容量儲能設備和技術的研發(fā)和應用。

2 輸電環(huán)節(jié)

1）FACTS技術應用。

2）輸電線路狀態(tài)監(jiān)測。

3）輸電線路智能化巡檢。

4）輸電線路狀態(tài)評估和狀態(tài)檢修。

3 變電環(huán)節(jié)

1）智能變電站新建和改造。

2）變電設備狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)檢修。

4 配電環(huán)節(jié)

1）配電自動化與配電信息化系統(tǒng)建設

2）分布式發(fā)電/儲能及微網的接入與協調控制

四、近期國網智能電網建設

作為“十二五”開局之年的2011年，是智能電網進入全面建設階段的第一年，國家電網公司計劃在2011年2925億元的電網投資向智能建設方面傾斜，預計2011年將有約500億元用于智能化建設，同比增長150%。其中，智能電表仍是電網智能化建設的主要投資對象。未來4～5 年，國家電網公司將投資460億元用于智能電表采購，其中2011 年計劃采購智能電表5000萬只，較2010年增長約11%。按照電表平均價格為180～200 元/只計算，2011 年智能電表投資約為90億～100億元，約占智能化建設投資的20%。

2011年國家電網公司還將完成兩批智能電網建設試點工程，加快推廣智能變電站、配電自動化、電力光纖到戶等重點項目，在北京、揚州等地建設一批綜合示范工程。利用在終端供電網的優(yōu)勢，國家電網將在2011年繼續(xù)推動電動汽車充電設施建設，按照“換電為主、插充為輔，集中充電、統(tǒng)一配送”的基本商業(yè)模式，加快充換電站的布局和建設，預計全年將建成充換電站150 座，并在北京、杭州、天津、合肥、南昌等城市建成電動汽車充換電服務網絡。

五、物聯網在智能電網中的應用

1 傳感器網絡—智能電網的信息感知末梢，如圖3。

2 物聯網（IOT）的概念

物聯網(The Internet of things)指的是將各種信息傳感設備，如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡。簡單來說就是把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。

物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡。其中的“物”要滿足以下條件才能夠被納入“物聯網”的范圍：要有信息的接收和處理手段；要有數據傳輸能力；要有一定的信息存儲功能；要有自主計算能力；遵循物聯網的通信協議；在世界網絡中有可被識別的唯一編號等特征。電網和電力系統(tǒng)以及相關物品與設備等滿足這些特征，而且電力系統(tǒng)的自動化水平與信息化水平高，基礎通信條件好，有利于推進物聯網應用的快速發(fā)展。

互聯網——人人互聯，實現世界范圍內人人之間的互通互聯

物聯網——物物互聯，互聯網向物理世界的延伸

1）發(fā)展規(guī)模

目前，使用互聯網的人數超過3.38億；互聯網已成為人們獲取信息和人際溝通的不可或缺的基礎設施。移動通信用戶超過7億；據Beecham Research分析，2009年全球物聯網終端規(guī)模為9,926萬，年增長率接近70%；其中亞太地區(qū)為2,429萬，年增長率接近44%。

2）物聯網的三大要素

信息采集：將傳感器或RFID等采集設備嵌入需要關注和采集的地點、物體以及系統(tǒng)中，實時獲取其狀態(tài)及狀態(tài)的變化。

信息處理：借助云計算等新的運算處理系統(tǒng)來處理信息和輔助決策

信息傳遞：建設無處不在的無線寬帶網絡，對采集到的數據進行安全、有效的傳遞。

3 全面的信息感知是實現物聯網的基礎

包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器和終端、傳感器網絡和傳感器網關等；要突破的方向是解決低功耗、小型化和低成本的問題。

4 物聯網城市

無錫市：建立國家傳感網創(chuàng)新示范區(qū)，規(guī)劃總面積20平方公里。到2012年完成傳感網示范基地建設,產業(yè)規(guī)模達到1000億元, 2015年達到2500億。

北京市：2009年第一季度宣布未來3年投資1000億用于寬帶社區(qū)建設。近期宣布著手制定物聯網5年發(fā)展規(guī)劃，在醫(yī)療衛(wèi)生、教育文化、水電氣熱等公共服務領域和社區(qū)農村基層服務領域，開展智能醫(yī)療、電子交費、智能校園、智能社區(qū)、智能家居等建設，實行個性化服務。

5 物聯網在電力系統(tǒng)應用中的基本定位

物聯網在電力應用主要集中在以下幾個方面：

無線抄表及配電監(jiān)測、配電自動化；智能小區(qū)（智能用電、智能家居、智能家電等）；智能巡檢/巡視、輸電線路在線監(jiān)測、設備狀態(tài)監(jiān)測；電力資產的防護及防盜預警、人員及電力現場作業(yè)監(jiān)管；資產的全壽命管理；電廠特別是可再生能源的監(jiān)測等。

6 物聯網在智能電網中的應用

堅強智能電網以堅強網架為基礎，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，覆蓋所有電壓等級的各個環(huán)節(jié)，實現“電力流、信息流、業(yè)務流”的高度一體化融合。

六、結束語

智能電網建設需要政府、研究機構、電力企業(yè)和電力設備制造企業(yè)以及用戶的廣泛參與和合作，它不僅給電網和電力設備企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展的良好機遇，也是社會進步和改善我們生活的重要途徑。不久的將來，智能用電家居可能會進入你的家庭就，也許你回開上一輛電動汽車，使用上一個智能用電終端，會體驗到智能電網給我們生活帶來的方便和樂趣。