智能电网发展技术综述

2010-04-02中国民航机场建设集团公司静恩波

电气技术与经济 2010年3期

■ 中国民航机场建设集团公司静恩波

0 引言

随着市场化改革的推进、气候变化的加剧，环境监管日益严格，可再生能源等分布式发电资源数量不断增加，智能电网(Smart Grid)的概念应运而生。其目标是利用现代测量、通信、计算机、自动化等先进技术，允许可再生能源顺利接入电网，提高电力系统的能源转换和传输效率，确保电网运行更可靠、更灵活、更经济，为用户提供更高的供电质量和更优质的服务。

本文阐述了智能电网的特点和研究目标、智能电网与传统电网的区别、国内外对智能电网的研究和应用案例，重点阐述了智能电网的关键技术和功能，最后对我国在智能电网发展中所面临的机遇和挑战作了论述。

1 智能电网的特点和研究目标

1．1 智能电网的特点

(1)自愈性。应用嵌人系统中的传感器和自动控制装置预测、获取实时信息，对电网的运行状态进行在线分析，并采取预防性的窄制手段，及时发现、快速诊断和消除故障隐患。

(2)互动性。智能电网应能够将用户的设备和用电行为整合入电网的设计、运行和通信中，支持电力交易的有效开展，实现资源的优化配置。同时通过市场交易更好地激励电力市场主体参与电网安全管理，从而提升电力系统的安全运行水平。

(3)高电能质量。作为更清洁、更稳定电力供应的智能电网技术，可以减少停电时间和损失。

(4)优化。实现资产规划、建设、运行维护等全寿命周期环节的优化，合理地安排设备的运行与检修，提高资产的利用效率，有效地降低运行维护成本和投资成本，减少电网损耗。

(5)电网兼容性。智能电网不仅能够承担传统的电力负荷，而且还能够整合燃料电池、可再生能源和其他的分布式发电技术。

(6)集成。通过不断的流程优化、信息整合、实现企业管理、生产管理、调度自动化与电力市场管理业务的继承，形成全面的辅助决策支持体系，不断提升电力企业的管理效率。

(7)抵御攻击。实时信息技术使得电网操作人员能够快速隔离受影响的区域并重新调整潮流，具有快速恢复供电的能力。

1．2 智能电网研究的目标

(1)以抵御事故扰动为目的，实现安全稳定运行，降低大规模停电的风险。

(2)使分布式电源(包含分布式发电、分布式储能和电力用户的需求响应)得到有效利用。

(3)提高电网资产的利用率。

(4)提高用户用电效率、可靠性和电能质量。

2 智能电网与传统电网的区别

从宏观上讲，智能电网与传统电网管理运行模式相比，它是一个完整的企业级信息框架和基础设施体系，可以实现对电力客户、资产及运营的持续监视，提高管理水平、工作效率、电网可靠性和服务水平。传统电网的电力资源没有被合理配置，造成能源和财富的损失。

从微观上讲，与传统电网相比，智能电网进一步优化各级电网控制，构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系结构，通过集中与分散相结合，灵活变换网络结构、智能重组系统结构、最佳配置系统效能、优化电网服务质量，实现与传统电网截然不同的电网构成理念和体系。

3 国内外智能电网研究与应用案例

3．1 国外智能电网的研究

欧美各国对智能电网的研究开展较早，且已经形成强大的研究群体。由于各国的具体情况不同，其智能电网的建设动因和关注点也不同。美国主要关注电力网络基础架构的升级更新，同时最大限度地利用信息技术，实现系统智能。欧洲则重点关注可再生能源和分布式能源的发展，并带动整个行业发展模式的转变。

2006年，美国IBM公司与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。2009年2月，IBM与地中海岛国马耳他签署协议——双方建立一个“智能公用系统”，以实现该国电网和供水系统的数字化。2008年9月，Google与GE对外宣布共同开发清洁能源业务，核心是为美国打造国家智能电网，同时强调，21世纪的电力系统必须结合先进的能源和信息技术，而这正是Google与GE的优势领域。2009年2月，Google表示已开始测试名为Google电表(Power Meter)的用电监测软件。2009年1月，美国白宫发布的《复苏计划尺度报告》宣布：将铺设或更新3 000输电线路，并为4 000万美国家庭安装智能电表。美国还将集中对落后的电网系统进行升级换代，建立美国横跨4个时区的统一电网，逐步实现太阳能、风能、地热能的统一入网管理。

智能电网欧洲技术论坛于2005年成立。欧盟第5次框架计划(FP5)中的“欧洲电网中的可再生能源和分布式发电整合”专题下包含了50多个项目，分为分布式发电、输电、储能、高温超导体和其他整合项目5大类，其中多数项目于2001年开始实施并达到了预期目的，被认为是发展互动电网第一代构成元件和新结构的起点。2006年欧盟理事会的能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》明确强调，智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。目前英、法、意等都在加快推动智能电网的应用和变革，意大利的有关电网2001年已经率先实现了智能化。法国电力公司日前正在美国诺福克试验一种特动态能源储存系统，它有助于电网协调来自北海的间歇性风电。法国电力公司同意与瑞士ABB公司之间的交易，即使用ABB公司SVC Light的“聪明电网”技术。

3．2 国内智能电网的研究

在借鉴欧美智能电网研究的基础上，国内学者对我国发展智能电网的特点、技术组成以及实现顺序等进行了研究。在2009年5月召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司公布了对智能电网内涵的定义，即统一坚强智能电网是以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含发电、输电、变电、配电、用电和调度6大环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代化电网。

华东电网公司于2007年在国内率先开展了智能电网可行性研究，并设计了2008—2030年“三步走”的行动计划，在2008年全面启动了以高级调度中心项目群为突破的第一阶段工作，以整合提升调度系统、建设数字化变电站、完善电网规划体系、建设企业统一信息平台为4条主线，力争到2010年全面建成华东电网高级调度中心，使电网安全控制水平、经营管理水平得到全面提升。

2009年2月，作为华北公司智能化电网建设的一部分——华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组验收。这套系统首次将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成，调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换，便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。在控制系统新技术方面，由中国电力科学研究院等单位承担的国家973计划项目“提高大型互联电网运行可靠性的基础研究”中，研究人员开展了基于智能和专家系统的电力系统故障诊断和恢复控制技术研究，为智能型的电力系统动态调度与控制提供了基本的分析工具，开发成功电网在线运行可靠性评估、预警和决策支持系统平台，为新的智能化电网运行控制开发提供了系统的研发平台。有专家认为我国实施智能电网改造初期投资只需要3 000—5 000亿元，但是其对变压器、智能终端、网络管理技术等行业有较大的拉动作用。如果扩大投资规模，我国将可能成为主导全球互动电网变革的领先国家。

3．3 智能电网的应用案例

3．3．1 美国的应用案例

(1)美国夏威夷大学研发的配电管理系统平台。平台集成了先进的计量设备作为家庭需求响应的入口，家庭节能自动化，配电系统内分布式发电、储存、负荷的优化调度，并使配电系统成为一个可控整体与电网中其他整体配合运作。

(2)伊利诺伊理工大学的“完美电网”。该完美电网将利用先进技术创造微网来反映不同的电网条件，提高可靠性，减少负荷。这个模型能够复制于各种市一级规模的系统，在这种系统里，用户具有参与电力市场的机会。

(3)沿海城市微网。微网与现在的电网很相似，但规模要小得多。它的独特功能在于：在大电网受到干扰时，微网能够与大电网隔离并保证用户不被影响，而干扰消失后又能重新恢复与大电网的联系。

(4)清洁能源技术。柯林斯堡市和市有公共事业支持多种不同的清洁能源举措，包括在市里建设一个零能耗地区，其中之一是促进配电系统的转型和现代化。在保证电力传输高效和可靠的前提下，发展一个集成各种分布式资源的系统，促进新能源如风能、太阳能的使用。

(5)美国于2008年3月在科罗拉多州的一座小城波尔得建成了美国第一座智能电网城市。

3．3．2 欧洲的应用案例

从1984年开始，欧洲开始实施自己的研究与技术开发计划(简称“框架计划”)，目前已经执行了6个框架计划。该计划具有研究国际前沿和预竞争性科技难点的特点，是欧盟投资最多、内容最丰富、市场目的最明确的全欧洲性科研与技术开发计划。当前的第7个框架协议(FP7)认定能源研究领域为智能电力网络，其目标是：提高欧洲电气系统和网络效率、安全性和可靠性。创立于2005年的欧洲智能电网技术平台着力于将来欧洲电力网络的研究和发展，它的目标就是规划2020年及以后的欧洲电网发展，是欧洲技术平台的重要组成部分。

意大利的特拉哥斯托里项目始于2000年，2700万家庭用户应用了通过窄带宽电力通信的智能电表。在德国施图臀湖的虚拟电厂项目中，住宅区先前的能源系统已经转换为一个小型的虚拟电厂。发电单元包括：1个热电联产机组，一些太阳能光伏系统，1个既供电又当负荷的电池系统。

4 智能电网的关键技术和功能

智能电网的关键技术主要由4部分组成，分别是高级量测体系(Advanced Metering Infrastructure，AMI)、高级配电运行体系(Advanced Distribution Operation Infrastructure，ADOI)、高级输电运行体系(Advanced Transmission Operation Infrastructure，ATOI)和高级资产管理体系(Advanced Asset Management Infrastructure，AAMI)。智能电网必须具备灵活的网络结构和集成的通信系统，才能形成上述四大体系。

4．1 高级量测体系AMI

AMI主要功能是使系统同负荷建立起联系，使用户能够支持电网的运行。AMI关键技术和功能主要包括：

(1)智能电表。“智能电表”不但能显示用电量，而且能显示电能价格，将推动新的用电方式和生活方式。

(2)通信网络。采取固定的双向通信网络，能够把采集的数据信息实时地从智能电表传到数据中心，是全部高级应用的基础。

(3)计量数据管理系统。这是一个带有分析工具的数据库，通过与AMI自动数据收集系统的配合使用，处理和储存电表的计量值。

(4)用户室内网。通过网关或用户入口把智能电表和用户户内可控的电器或装置连接起来，使得用户能根据电力公司的需要，积极参与需求响应或电力市场。

(5)提供用户服务。如分时或实时电价等。

(6)远程接通或断开。

AMI的技术组成与功能如图1所示。

4．2 高级配电运行体系ADOI

ADOI主要的功能是使系统可自愈。为了实现自愈，电网应具有灵活的可重构的配电网络拓扑和实时监视、分析系统目前状态的能力。后者包括识别故障早期征兆的预测及对已经发生的扰动作出响应的能力。而在系统中安放大量的监视传感器并把它们连接到一个安全的通信网上去，是作出快速预测和响应的关键。ADOI的技术组成与功能如图2所示。

4．3 高级输电运行体系ATOI

ATOI强调阻塞管理和降低大规模停运的风险，ATOI同AMl、ADOI和AAMI的密切配合实现输电系统的(运行和资产管理)优化。ATOI关键技术和功能主要包括：输电阻塞管理、输电SCA．DA、WAMS、输电GIS技术、EMS高级报警可视化、输电系统仿真与模拟等。ATOI的技术组成与功能如图3所示。

4．4 高级资产管理体系AAMI

AAMI主要实现电力资产管理，大大改进电网的运行和效率。主要分为4个层次：用户层、业务逻辑层、应用服务层和系统服务层。主要的管理分为：设备资产管理、缺陷管理、发电计划及项目管理、检修管理及备品备件管理等。AAMI的技术组成与功能如图4所示。

综上所述，智能电网由下述4个体系构成：AMI授权给用户，使系统同负荷建立起联系，并使用户能够支持电网的运行；ADOI使系统可自愈；ATOI强调阻塞管理；AAMI大大地改善资产管理。四者的集成将大大改进电网的运行和效率。

5 智能电网发展面临的机遇和挑战

在发展智能电网上，我国面临着很多新的机遇和挑战。在机遇方面，智能电网的建设可以大力提高我国电力工业的发展和运营水平。

(1)智能电网的发展将为太阳能技术及设备、蓄电池及储能技术、风力发电技术及设备、谐波抑制技术、柔性输电技术及设备、智能化变电站及其智能开关等设备、配电自动化系统及其设备、通信技术等行业带来机遇。

(2)在发展智能电网过程中，要积极深入研究，主动申报专利，保护自己的知识产权。

(3)我国是世界上水电资源最丰富、水电年发电量最多、水电装机容量最大的国家，我国发展的智能电网必须比其他国家更加注重对水电优势的利用。

(4)要积极研究并提前制订信息技术和运筹技术、电力信息、智能电表、智能电器等方面技术和行业标准，避免各自为政。

智能电网带来机遇的同时，也带来了挑战。

(1)要正确认识发展智能电网没有现成的模式可以遵循，必须结合我国国情积极进行创新。

(2)关注并积极防范投资风险。在金融危机中发展智能电网，可能需要考虑未来的还贷压力。

(3)要积极防范信息风险。信息采集安全(传感器)、通信安全、数据安全都需要给予高度重视。

(4)发展智能电网需要电力工业、电器工业、信息工业密切配合、协同发展，不是单凭电网企业自身就能发展起来的。

(5)发展智能电网需要健全的政策和法制环境，要努力获得消费者、监管者和立法者的支持。

(6)智能电网将带来能源观念的变革，促进电力企业管理创新和技术创新。

6 结语

未来的电网发展必须更加适应多种能源类型的发电方式的需要，更加适应高度市场化的电力交易的需要。为此，不同的国家和组织都提出要建设具有灵活、清洁、安全、经济、友好等性能的智能电网，将智能电网视为未来电网的一个发展方向。

尽管智能电网的研究与实践还处于初级阶段，但是建设智能电网已经成为世界电力行业的一个美好愿景，必将进一步推动电力工业的改革与进步。智能电网的发展，将为我国发电工业、电网工业、电器工业、信息技术工业、电子技术、通信技术提供新的经济增长点，将在未来的几十年为促进我国的就业、拉动国民经济增长、保护生态环境、改善能源结构、提高人民群众的生活水平作出积极的贡献。