智能电网综述

摘要21世纪能源可持续发展与能源利用成为世界各国关注的重要问题，智能电网对新能源战略以及走环境可持续发展道路至关重要。智能电网涉及众多技术问题与基本理念。本文阐述了智能电网的基本概念与特性，发展的原动力，智能电网的技术构架和关键技术，并提出了关于发展中国智能电网的建议。

【关键词】智能电网 新能源 原动力 智能电网技术

1 背景

随着传统能源的枯竭和环境的恶化，全世界逐步达成共识，要大力开发新技术，使用清洁能源。各种能源最终以电能的形式被人们使用，电力行业对于节能减排至关重要。同时人们开始思考如何提高大电网的安全性稳定性并使电网具有坚强和自愈的特性。智能电网是21世纪重大科技创新和发展趋势，相比于传统电网，智能电网可以提高电网效率，提高能源安全，改善电能质量，提高电网的稳定性与安全性，完善电力市场，促进社会经济发展，实现低碳环保可持续发展。与此同时，现代通信、信息、计算机、微电子和电力电子技术的迅速发展并引入电网应用，为电网自动化提供了有力工具。

2 智能电网的概念和特点

2.1 智能电网的概念

智能电网不是一个单独的设备、应用、系统或网络，甚至不是一个单独的理念。对于什么是智能电网这个问题，学术上没有一个统一的定义。美国能源部和电力公司普遍遵循一个主题：智能电网利用通信技术和信息技术来优化从供应者到消费者的电力传输和配电。图1所示为智能电网的基本概念。

天津大学余贻鑫认为：智能电网是自动的和广泛分布的能量交换网络，它具有电力和信息双向流动的特点，同时它能够监测从发电厂到用户电器之间的所有元件，它将分布式计算和提供实时信息的通信的优越性用于电网，并使之能够维持设备层面上即时的供需平衡。

2.2 智能电网的特点

目前国际上对智能电网的特点基本达成共识，即自愈、安全、兼容、交互、协调、高效、优质集成等。

2.2.1 坚强和智能是现代智能电网发展的本质

坚强意味着电网具有很强的安全性，稳定性，有极强的抵御风险的能力。智能意味着高度自动化和自愈能力。

2.2.2 自愈

对电网的运行状态进行连续的在线自我评估，并采取预防性的控制手段，消除故障隐患；故障发生时，在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复。

2.2.3 互动

使电力供应商与消费者建立实时信息联系，及时向用户通知电价、停电消息以及其他一些服务信息，而用户也可以将自己的用电计划及时反馈给供应商，平衡供需关系，有力于电网稳定性。同时通过市场交易激励电力市场主体参与电网安全管理，提升电力系统的安全运行水平。

2.2.4 优质电能供应

用户对电能质量越来越重视。智能电网可以根据不同的电力价格提供不同等级的电能。随着电力电子技术、测控技术和通信技术的发展，智能电网可以实现电能质量问题的快速诊断和解决方案，对于线路故障等故障引起的质量波动，它的高级组件可以使用最新的超导、储能、电力电子等方面的研究成果提高电能质量。

2.2.5 兼容各种发电和储能系统

智能电网不仅可以兼容大规模集中式的电厂，还将兼容不断增多的分布式能源（DER）。分布式能源包括分布式电源和储能。表1显示了分布式发电与传统发电单元的关键差异。

2.2.6 活跃市场

智能电网对电力市场有推进作用。智能电网实现了用户与供电商“双向通信”和“双向电力传输”，使普通用户参与进电力市场，甚至有部分用户可实现自给自足。智能电网为实时电力市场提供完善的技术，发电侧与用户的互动性增强，电网的运行效率更高。可以吸引更多的电力市场参与者，分散市场风险，使电力生产、输送、销售等环节更高效，更公平。同时消费者通过与生产商的“双向通信”可以获得实时电价，制定用电计划并反馈给供电商，使电力市场价格更合理。

3 智能电网的驱动因素

建设智能电网的价值和效益是综合的，如图2所示，主要包括以下方面：

（1）改善系统可靠性。

（2）改善电网可信赖性。

（3）改善电网运行的经济性。

（4）改善电网运营效率。

3.1能源需求不断增加

全世界正面对着人口不断增加和不可再生能源不断递减的严峻挑战。目前的传统能源只够维持几十年到200年之间，图3所示为不断减少的能源。能源是经济社会发展的保证，从国家层面上讲，必须提高能源利用效率，走能源更安全，环境更友好的道路。新世纪以来电能成为越来越重要的能源，中国电能占终端能源消费的比重每提高1个百分点，单位GDP能耗可下降4%。我们必须处理好可靠的能源供给、环境的可持续发展以及经济的不断发展之间的矛盾。智能电网可以实现安全、高效、清洁的能源目标。

3.2 电网复杂度越来越高

随着电力系统的范围和复杂度的不断增加，各个电力系统之间的互连也更加迫切。为了降低大规模电力系统发生故障的可能性，对电网的安全性，稳定性提出了新的更高的要求，要求用更加智能化的电力系统来满足不断发展的电力需求。2003年美国东北地区大停电引起全世界的关注，这场停电给该区域造成了约60亿美元的损失。这场停电充分反映了大规模电网的脆弱性。智能电网通过实时采集数据，经过数据优化分析完成自我诊断，采取预防性控制，极大的保证电力的可靠运行。

3.3 电力用户的需要

电力用户对电网的可靠性和电能质量提出越来越高的要求。建设智能电网后，电网可靠性和电能质量将会有很大的提高。智能电网的高可靠性不仅可以减小未来停电事故发生的频率，还能使电网从事故中更快的恢复。

3.4 分布式能源（DER）的接入

智能电网将允许不同类型的发电及储能系统接入电网，分布式发电（DER）有利于高效的连接发电侧和用户侧，使双方同时参与电力系统的优化运行，同时可以摆脱对单一能源的依赖，提高电网可靠性。风能和太阳能是目前大力发展的清洁能源，它们具有间歇性，无法预测。大规模风电和太阳发电的接入给电网安全稳定运行带来极大的挑战，也极大的制约了它们的并网。智能电网技术可提高电网管理大规模间接性可再生能源发电的能力，对间歇性能源发电的峰和谷作出即刻的反应，从而吸纳更多的可再生能源。

4 构建智能电网的技术体系

智能电网主要由4部分构成：高级量测体系（AMI）；高级配电体系（ADO）；高级输电体系（ATO）；高級资产管理（AAM）。智能电网4个部分之间是密切相关的，表现在以下方面：

（1） AMI同用户建立通信联系提供带时标的系统信息。

（2）ADO使用AMI的通信收集配电信息改善配电运行。

（3） ATO使用ADO信息改善输电系统运行和管理输电阻塞，使用AMI让用户能够访问市场。

（4） AAM使用AMI，ADO和ATO的信息与控制改善运行效率和资产使用。综合文献，图4表示了智能电网技术组成。

4.1 高级量测体系（AMI）

智能电网按一定顺序建设可以降低成本，减小难度。一般把AMI视为实现智能电网的第一步。AMI不是一个独立的技术体系，它包括家庭网络系统，智能表计，本地通信网络，连接电力公司数据中心的通信网络，表计数据管理系统和数据集成平台。智能表计可将耗能情况和电网实时信息传给本地用户，电力公司利用AMI的历史数据和实时数据来帮助优化电网运行。AMI通过网络将电网、用户、电商联成一个整体，是用户直接参与到电力市场的同时，也将大力提高电力企业的运行机制。

4.2 高级配电体系（ADO）

通常110kV及以下电力网络属于配电网络，配电网络直接面向用电用户，是保证电网运行稳定，电能质量和提高运行效率的关键环节。我国要实现智能电网的要求，智能配电要重点研究。ADO的技术组成主要包括：高级配电自动化、智能通用变压器、DER运行、微网运行和需求响应。ATO具有自愈和不间断供电功能；将设备进行可视化管理，为运行人员调度决策提供技术支持；实现与用户的双向互动；实施状态检修与在线监测，延长设备寿命。

4.3 高级输电体系（ATO）

ATO强调阻塞管理和降低大规模停运的风险，通过新型电力电子装置和超导研发装置研发实现优化电力系统的运行参数或网络参数，提高交流电力系统线路的输电能力。其技术组成主要有：（1）变电站自动化；（2）输电的地理信息系统；（3）广域量测系统；（4）高速信息处理；（5）高级保护与控制；（6）模拟、仿真和可视化工具；（7）高级的输电网络元件，如电力电子(灵活交流输电，固态开关等)、先进的导体和超导装置；（8）先进的区域电网运行。

4.4 高级资产管理（AAM）

AAM是智能电网主要技术之一，功能包括优化资产使用运行、输配电网规、基于条件的维修、工程设计与建造、顾客服务、工作与资产管理及模拟仿真。实现AAM需要在系统中装设大量可以提供系统参数和设备“健康”状况的高级传感器。AAM的应用使电力资产时刻处于最佳工作状态，从而对电力资产的优化和科学管理起到积极作用。

5 智能电网的关键技术

实现智能电网，需要研发和应用一系列技术。综合文献，这些技术可以被归纳为以下5个关键技术领域：

（1）集成通信。

（2）传感与测量

（3）高级电力设施

（4）高级控制方法

（5）决策支持。

5.1 集成通信

集成通信技术是5个关键技术中的基础，也是整个智能电网所必须的。集成通信技术包括：（1）电力宽频通信。（2）无线通信技术。（3）其它通信技术。

5.2 传感与测量

5.2.1 智能电表

智能电表既可以收集，检测信息，又可以作为连接供电侧和用电侧的桥梁。在智能电网架构下，要求智能电表具有实时计量的功能，以提供带时标的电量信息，为电网高效节能管理提供了有用的实时信息，同时也要求它具有双向通信的功能

5.2.2 广域测量系统（WAMS）

广域测量系统是由基于全球定位系统（GPS）的同步相量测量装置PMU 群及其通信系统组成。它可以动态地测量和计算电力系统的运行状态相量和发电机功角。

5.2.3 电网设备的在线监测

该技术包括电气量以及非电气量的监测。采用先进的传感器通过对以上各状态量的监视，可完成电网设备的在线诊断，为实施电网设备的状态检修和管理提供必要的信息。

5.3 高级电力设施

高级电力设施在电网中起着非常重要的作用，可以实现更高输电容量、更优系统稳定性和电能质量、增强电力效率和实时的系统诊断。高级电力设施主要包括：（1）电力电子装置；（2）超导装置；（3）分布式发电及储能装置；（4）电网友好型装置等。

5.4 高级控制方法

现代控制理论、优化理论和人工智能技术在控制领域的综合应用形成了先进的控制技术。高级控制方法是用来分析、诊断和预测智能电网状况的装置和算法，并决策和采取合适正确的动作去排除、缓解或者避免电力短缺和电能质量问题。

5.5 决策支持

很多情况下，给予管理人员思考的时间是很少的。管理人员需要实时的电力设备信息和工具来快速做出决定。决策支持系统可识别和确定电网中的实时问题及发展趋势，然后运用知识库和科学推理方法进行分析，以提出解决问题和决策支持的方案，并将相应的系统情况、多种选择以及每种选择的可行性等展示给运行人员。

6 结语

智能电网在世界范围内尚属于新生事物，不同国家具有不同的现实情况和关注焦点，因而发展的重点也有所不同。但智能电网在世界范围内已成为电网发展的总趋势，同传统电网相比智能电网具有更宽广的安全稳定分析与控制，可以利用的信息更多更准确。它可以保证电力系统高安全、高可靠、高质量、高效率和电力价格合理，提高国家的能源安全和环境保护。

我国智能电网的发展应立足于国情需要，制定一个适合中国国情的目标，以便少走弯路，尽快实现智能电网的目标。欧美国家将重点放在发展智能配电网上，而我国在重视ATO的同时，也应对AMI、ADO和AAM予以足够的重视。考虑到新能源发电的特点及其发展远景, 我国也应该把新能源的利用作为我国智能电网发展的重心。

参 考 文 献

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作者简介

李昂（1994-），男，山东省菏泽市人。现就读于四川大学大学电气信息学院。专业为电气工程及其自动化。

赵彦一（1993-），男，辽宁省鞍山市人。现就读于四川大学大学电气信息学院。专业为电气工程及其自动化。

刘博文（1992-），男，北京市人。现就读于四川大学大学电气信息学院。专业为电气工程及其自动化。

作者单位

四川大学电气信息学院四川省成都市610065

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