未來智能電網的發展與應用

沈 梁 毛西吟 白 熊

（杭州市電力局，杭州 310009）

智能電網是當前電力工業的關注熱點，也是電網的發展方向[1-2]。世界各國對智能電網有不同的定義，但都離不開信息化、自動化和自愈能力[3]。中科院電工所曾對智能電網有如下定義：智能電網是以包括各種發電設備、輸配電網絡、用電設備和儲能設備的物理電網為基礎，將現代先進的傳感測量技術、網絡技術、通信技術、計算技術、自動化與智能控制技術等與物理電網高度集成而形成的新型電網，它能夠實現觀測、控制自動化和系統綜合優化平衡，從而使電力系統更加清潔、高效、安全、可靠。與中國強調物理設備的應用技術相比，歐美的智能電網更強調能源的雙向流動使電力市場多元化，保證市場充分競爭，并和智能城市一起建設。這些差異主要由地區監管機制、遺留基礎設施和經濟發展重點不同而產生[4-8]。

總的來講，智能電網能夠優化電力供應，促進電網雙向溝通，實現終端用戶的能源管理，最大限度減少供電中斷，并按需傳輸電量。如各種新能源發電技術、電動汽車與輸配電網的集成，將帶來常規電廠減負，用戶側用電成本下降，碳排放量減少。在設備技術層面，智能電網能監測、控制電網設備的狀態，可自適應各種運行狀態并在出現故障時實現自愈，并可將信息集成到電力公司的流程和系統中。這些實現依靠遍布于電網內的各類智能傳感和控制設備，并利用智能信息采集和高級分析增強能源效率和可靠性。新一代電網將帶來新的市場機會，非傳統電力價值鏈的企業將對傳統的電力設備技術企業發起挑戰，專業智能電網服務公司會得到更多的市場份額。

1 智能電網的發展現狀

目前有90個試點項目正在全球推進，同時，還有近90個項目正在籌建中。試點主要集中在北美、歐洲和澳大利亞。美國2012年在智能電網上的投資接近70億美元，其第一座全集成智能電網城市博爾德也在建設中。英國投資 2.9億美元給每個家庭安裝“智能電表”，計劃在2020年前完成。德國和西班牙政府都出臺了相關政策，大力推動電動汽車的消費。澳大利亞在2009年通過新法案，規定到2020年澳大利亞20%電力必須來自可再生能源，并推行智能電網高級量測體系項目，引入分時電價。

此外韓國、日本和阿聯酋在打造智能電網城市的進程中也處于前列。韓國和伊利諾伊智能電網合作，建設韓國第一個智能城市松島。日本建設智能城市橫濱，主要通過大量引入可再生能源與電動汽車，實施智能能源管理。阿聯酋將建成全球首座“零碳城市”—馬斯達爾城。這些項目成功后相關國家將向全球出口智能電網技術和解決方案。

中國、印度、巴西等發展中大國同樣在加快提升電網的智能水平，尤其是中國，智能電網項目也非常活躍。每年投資近百億加快智能基礎設施建設，滿足城鎮化和經濟增長要求，提高電力供應可靠性、電能質量以及電網恢復能力。

伴隨著智能電網建設的推進，各種問題不斷涌現。首先智能電網發展導致利益相關方不斷增加，作為智能電網建設主體的電網公司需處理的關系日益復雜。其次由于智能電網信息化的要求，如何確保數據安全是各方參與者面臨的一大難題。另外未來的立法方向不夠明朗，電力市場監管方也未出臺強有力的政策議程來激勵。最后就是智能電網的真正價值和好處尚未得到充分驗證，智能電網試點項目推進速度緩慢。

2 影響智能電網發展的因素

2.1 傳統電網的局限

經濟、社會的高速發展，電網呈現出日新月異的變化，使得電網復雜程度不斷提高、電網數據范圍和容量大規模增加，這需要電網管理者有更好的數據處理和分析能力。同時社會文明程度不斷提高，人們越發青睞環境友好型能源與設備。小型風電機、電動汽車等設備會更多地被使用，用戶與電網系統的互動增加，信息和能量也將雙向流動。從長遠看，傳統電網將無法適應這些要求，這是驅動智能電網發展的動力之一。

2.2 城市化的契機

智能電網的建設需要資金和試驗。具備一定規模的城市能夠為智能電網項目提供額外籌資渠道，包括公共及私營部門的合作、未來可能出現的綠色債券市場，在公共和私營領域為可持續發展項目籌集資金。

另外，新規劃的城市是一個理想的試驗場所，可提供規模化測試的機會和一定規模的人力和服務設施，并且不會影響絕大多數的工業生產和居民用電。新城建設為測試智能電網解決方案提供了獨特的機會，激發大量需要的智能電網創新。

2.3 公共政策的配合

隨著人們對氣候變化和低碳議程的關注度逐漸提高，不僅是政府部門需要轉變，監管機構同樣需要將政策目標轉化為監管框架。同時，一些行業層面的舉措需要實施，從而調整行業的標準，保證智能電網的可交互性、數據保密性和數據安全等。

政府部門應充分發揮在政策制定、促進國際交流、基礎設施投資等方面的積極作用。通過賦予明確的行政權力來推動智能電網轉型，為投資打下基礎。如政府職能部門需要加快標準制定過程，改善可交互性，在已經實施這些標準的國家和地區，應將標準融入試點項目的設計中；監管機構需要建立與政策議程相配套的監管激勵機制并制定合理的刺激措施，凈化監管環境使其充分反映政策目標。在保護消費者利益、平衡各項政策目標的同時，鼓勵價值鏈上的私營部門積極參與和創新。而作為試點執行機構的電力公司需選擇合適的試點項目，并確保有效執行試點實施的各個環節。從企業層面看，有必要建立畢業生和實習生儲備機制，重新培訓現有工作人員。

2.4 試點項目的經驗

成功的試點項目將會成為智能電網建設的強大推動力。如果試點項目能成功應對各個階段的不同挑戰，能順利進入推廣階段，將大大推進智能電網主流化進程。

試點項目的生命周期包括：行業背景準備、范圍界定、執行和經驗傳播等各個環節，如圖1所示。

圖1 試點項目生命周期示意圖

成功的試點項目離不開良好的行業背景，因此，智能電網的推進需要政府賦予項目明確的行政權力，并創造有利的監管環境。行業內部也需要加快可交互性標準的推廣，并聯合開發可靠技術為數據保密和數據安全提供保障。

周密詳盡的范圍界定是智能電網試點成功的關鍵決定因素。范圍界定工作包括：

1）明確范圍和設計參數。

2）避免目標重疊。

3）把握開發新運行模式和商業模式的機會。

4）衡量試點廣泛成果，完善未來監管合約內容。

5）打造多學科團隊，明確職責和設計權限。

6）確立客戶價值觀。

試點項目在現場執行中可能遇到技術難點、流程障礙或地形差異等多重挑戰，因此必須在執行階段保持足夠的靈活性和應變能力，以應對各項突如其來的挑戰。根據實際業務情況和數據應用調整業務流程、系統功能、進行能力差距分析、積極交流變革經驗。

早期試點成果已給智能電網實施的績效和挑戰帶來重要的啟發，這些信息和啟發又對下一輪的試點設計和建設產生影響。

改進試點設計和執行的知識交流工作包括如下。

1）系統性地收集試點數據。

2）分享試點設計參數。

3）制定通用標準規范。

4）注重現場經驗交流。

5）利用數據挖掘智能電網最大潛力。

6）與監管機構溝通并推進主流化。

3 未來智能電網的主要技術支撐和應用

在發展低碳經濟和減少對石油依賴的背景下，世界能源發展和消費方式正發生著深刻變革，如分布式能源應用比例加大、電動汽車的重新興起、用戶與電網的互動等。這些變革是智能電網的重要驅動力，智能電網技術需支持這些新能源消費方式。

3.1 支持分布式能源的技術

分布式能源由于在發電成本、利用效率、清潔環保以及能源設施抵御攻擊安全性方面的優勢，正在逐步崛起。但隨著分布式能源接入電網比例的增加，配電網的規劃、運行面臨著穩定性、電壓調節、潮流管理和保護的適應性等挑戰，智能電網技術必須尋求解決方案。

從實現分布式能源應用的可靠性、經濟性、靈活性、可預測和可控性，以及電網與其他能源網絡的協同規劃和優化運行等方面，支持分布式能源的智能電網技術可分為分布式發電技術和支持分布式能源應用的技術兩類。

發電技術主要包括風力發電、光伏發電、微型水力發電、生物質能發電、燃料電池等。

支持分布式能源應用的技術包括如下。

1）新型的配電網規劃、運行技術，使其能適應分布能源的接入，適應雙向潮流的電網運行和繼電保護。

2）微氣象數值預報、小型光伏發電、風力發電的預測技術，通過準確的預測保證電網調度安全。

3）與分布式發電協同的用戶側儲能技術，起到削峰填谷的作用，減小電網波動。

4）微網技術，包括微網的體系結構設計技術、微網的能量管理技術、微網與配電網的協調運行控制技術

5）分布式能源參與需求響應、需求側管理技術，分布式能源與電網互動技術包括：互動機制、信息系統集成，分布式能源和需求側管理（DSM）的協調。

3.2 電動汽車

電動汽車具備減排、分布式儲能功能，是智能電網聚焦的關鍵領域。

目前電動汽車有待突破重點在于電池技術，電池的壽命、續航能力、性價比和實用性是關鍵挑戰。未來需深入規劃、設計，從規范標準等方面考慮電網支持大規模插入式電動汽車充放電的解決方案。電動汽車充放電需信息集成的電動車調度系統，這套系統要配備電池管理系統BMS、電動汽車車載能量管理系統、充放電站監控系統、計費系統、電網控制中心EMS系統、電動汽車充放電站運營中心。目前對于電動汽車充放電技術的研究集中在有序充電（TC及V1G模式），未來有望在這方面有突破并得到應用。

TC模式：時間控制方式，電動汽車在給定的時刻開始充電。

V1G 模式：電動汽車與電網進行實時通信，可在電網允許時刻進行充電，電動汽車與電網的能量管理系統通信，并受控制，實現電動汽車與電網間充、放電。電動汽車可以作為移動電能存儲設備、備用電源使用。

V1G模式需要安全充電技術和充電控制算法的支持。

未來將加快發展非接觸電力傳輸充電裝置，非接觸式大功率充電系統的電源端主機通過隱藏在地下的發射天線和車里的接收天線在諧振的狀態下充電，使電動汽車與充電裝置之間無電線接觸。

3.3 實現用戶需求側管理的智能電網技術

新型智能電網會帶來更多的分布式電源，使傳統的用電方不再永遠耗電，也會在某些時候成為發電方。因此需要完善用戶需求側管理，使其更好地服務于智能電網技術。高級計量體系技術，通過雙向計量、雙向實時通信的基礎設施進行用戶負荷信息的采集和應用，并支持分布式電源和電動汽車參與需求響應；智能電能表技術，不僅能統計峰谷用電，還得采用分時電價和動態電價定價模型。

高級計量體系的建立是分布式能源、電動汽車和儲能裝置實現與電網互動的基礎，應將高級計量體系的建設放在智能電網建設的優先位置。

總體上看，高級計量體系的技術是成熟的，具備實用性和大規模推廣的條件，這也被歐美的智能電網實踐所證明。但要實現用戶需求側管理的效益，靈活電價和需求側管理的激勵機制和政策框架的建立是關鍵。

3.4 物聯網技術

物聯網是把所有物品通過信息傳感設備與網絡連接起來，實現智能化識別和管理。通過先進的傳感、監測和控制功能，使電力網絡能夠應對實時狀況并進行自我修正。智能電表也是網絡上一類重要節點。物聯網能提供雙向通信及互動能力，促進電網向全網智能化轉變。

4 結論

智能電網的發展，可以充分吸納新型、潔凈、可再生資源的間歇性發電，實現保護環境、減少資源損耗，對于發展低碳經濟有積極的作用，符合可持續發展。此外智能電網的發展需融合新技術的應用，給電力企業帶來挑戰的同時，也有利于其自身的不斷發展。

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