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智能电网未来电网的发展态势

智能电网——未来电网的发展态势

文章编号：

1000-3673（2009）14-0001-05中图分类号：

TM7文献标志码：

A学科代码：

470·4054

智能电网——未来电网的发展态势

胡学浩

（中国电力科学研究院，北京市海淀区100192）

SmartGrid—ADevelopmentTrendofFuturePowerGrid

HUXue-hao

（ChinaElectricPowerResearchInstitute，HaidianDistrict，Beijing100192，China）

ABSTRACT:

Smartgridbecomesthehottopicconcerningfuturepowergriddevelopmenttrendhomeandabroadinrecentyears.TheR&Dbackground,concept,majorcharacteristics,drivingforcesofdevelopment,coretechnologies,someprogressindomesticpowergridandsomenewtrendsabroadare

describedandanalyzed.SomepointsofviewfordevelopingsmartgridinChinaarepresented.

KEYWORDS:

smartgrid；advancedmeteringinfrastructure

（AMI）；demandresponse；demandsidemanagement（DSM）；phasormeasurementunit（PMU）；wideareameasurementsystem（WAMS）；cleanenergy；distributedgeneration

摘要：

智能电网已成为近年来国内外有关未来电网发展趋势的热门话题。

文章简述和分析了智能电网研究开发背景情况，智能电网的概念、特性和发展智能电网的驱动力，智能电网包含的主要技术，我国智能电网技术研究取得的部分进展以及目前国外智能电网技术研究的新动向。

对于如何发展我国智能电网，作者提出了自己的看法。

关键词：

智能电网；先进的表计基础设施（AMI）；需求响应；需求侧管理（DSM）；相量测量单元（PMU）；广域测量系统（WAMS）；清洁能源；分布式发电

0引言

　　智能电网（SmartGrid）是近年来国际上关于未来电网发展态势的一个异常热门的名词和话题。

该名词是由美国首先提出的，美国电科院（EPRI）于2000年前后提出了Intelli-Grid的概念，认为这是未来电网发展的态势和解决21世纪电网面临的各种问题的途径，该英文术语中文译成智能电网是比较贴切的。

美国能源部（DOE）于2004年前后启动了Grid-Wise（网络智能化）项目，其目标主要是针对配电系统的。

尽管所用名词不同，但含义和目的等大同小异[1-6]。

　　欧洲则采用SmartGrid的术语，“Smart”一词的原意为“明智的”、“聪明的”，似乎没有“Intelligent”那么“智慧”和“智能”，但在我国SmartGrid也同样译成“智能”电网。

欧洲于2005年成立了“智能电网欧洲技术论坛”，并于2006年推出了研究报告“EuropeanSmart-GridsTechnologyPlatform：

VisionandStrategyforEurope’sElectricityNetworksoftheFuture”（欧洲智能电网技术平台：

欧洲未来电网的远景和策略）[7]，全面阐述了欧洲关于智能电网的发展理念和思路。

　　笔者于2008年11月在北京参加了中美清洁能源合作组织（JointUS-ChinaCooperationonCleanEnergy，JUCCCE）组织的“SmartGrid”的专题研讨会和中美绿色能源论坛组织的“SmartGrid”专

题研讨会，来自美国的许多专家均采用“SmartGrid”的称谓，显然，“SmartGrid”这个术语在全世界已被普遍接受、采纳和应用，与其相对应，国内则基本上采用“智能电网”的译法和一致的称谓。

1智能电网的概念、特性和发展智能电网的驱动力

1.1智能电网的概念和特性

　　由于智能电网目前正处于开始研究和开发阶段，各国、各研究机构、各设备制造厂家、各电力公司的专家对该术语的确切定义是什么、到底包含哪些技术、应具有什么特性和功能、技术开发的重点是什么、能发挥什么作用等尚未形成一致的意见，而且各国的国情、经济发展水平、发展战略和政策差异很大；因此，目前世界上还没有统一而明确的定义。

代之以结合各国的具体情况，提出了多种不同但又接近的定义。

　　根据目前收集到的资料和初步研究，简单地说，智能电网就是将先进的传感测量技术、信息技术、通

信技术、计算机技术、自动控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成的新型电网，它具有提高

能源效率、减小对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少电网的电能损耗、实现与用户间的互动

和为用户提供增值服务等多个优点。

　　既然是智能电网，其重点就在智能化上。

智能化主要体现在以下几方面：

可观测——采用先进的量测、传感技术；可控制——对观测状态进行有效控制；嵌入式自主的处理技术；实时分析——数据到信息的提升；自适应和自愈等。

智能电网主要具有坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征。

　　1）坚强（robust或strong）。

　　在电网发生大扰动和故障时，电网仍能保持对用户的供电能力，而不发生大面积停电事故；在自然灾害和极端气候条件下或人为的外力破坏下仍能保证电网的安全运行；具有确保信息安全的能力和防计算机病毒破坏的能力。

　　2）自愈（self-healing）。

　　具有实时、在线连续的安全评估和分析能力，强大的预警控制系统和预防控制能力，自动故障诊断、故障隔离和系统自我恢复的能力。

　　3）兼容（compatible）。

　　支持可再生能源的正确、合理的接入，适应分布式发电和微电网的接入，能使需求侧管理的功能更加完善和提高，实现与用户的交互和高效互动，满足用户多样化的电力需求。

　　4）经济（economical）。

　　支持电力市场和电力交易的有效开展；实现资源的合理配置；降低电网损耗；提高能源利用效率；为用户提供可承受电价水平的电力。

　　5）集成（integrated）。

　　实现电网信息的高度集成和共享，采用统一的

平台和模型，实现标准化、规范化和精细化管理。

　　6）优化（optimized）。

　　优化资产的利用，降低投资成本和运行维护成本。

1.2发展智能电网的驱动力

　　尽管各国都将智能电网作为其未来电网的发展目标，但其发展的驱动力略有不同。

　　笔者认为我国发展智能电网的驱动力主要在于以下几方面：

1）充分满足电力负荷高速增长的需求；2）确保电力供应的安全性和可靠性；3）提高电力供应的经济性及节能；4）发展可再生能源，改变电源结构，防止能源危机，满足环境保护的要求；5）保证电能质量，实现对用户的优质和增值服务；6）适应电力市场化的要求，提高电力企业的运行和管理水平，增强电力企业的竞争力。

　　美国发展智能电网的驱动力大致为以下几方面[1-5]：

1）关注现有电网基础设施的升级和更新，提高供电的可靠性，避免发生类似“8.14”的北美大面积停电事故，防止恐怖袭击；2）最大限度地利用其突飞猛进的信息技术、通信技术和计算机技术，将其与传统电网紧密结合起来；3）利用其先进的表计基础设施（advancedmeteringinfrastructure，AMI）和需求响应（demandresponse，DR）等技术，实现与用户间的双向流动，促进电力公司在不断开放的电力市场中更好地为客户服务。

　　欧洲发展智能电网的驱动力大致为以下3方面[7]：

1）供电的安全性问题，包括一次能源的缺乏、提高供电能力、供电可靠性和电能质量；2）环境问题，包括实现京都协议，关心气候变化，保护自然环境；3）国际市场问题，包括提供低廉的电价和提高能效，进行创新和提高竞争能力，有关垄断的管制规程等。

　　我国发展智能电网的驱动力与欧美稍有差别，特别要注意的是，我国把充分满足用户对电力的需求放在首位。

由于我国国民经济的持续高速发展和能源基地与负荷中心相距甚远的特点，以及我国的经济发展水平，使得我国将以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网建设作为发展智能电网的物理基础。

但由于我国在输电网侧的智能化技术已经取得较大的成果，因此智能电网技术的开发重点还是应该放在配电和用电侧。

　　智能电网是整个电力行业未来技术发展和管理模式的转型，在电网面对21世纪的各种挑战面前，智能电网无疑是各国电网未来发展方向的共同选择。

通过智能电网的建设，电力输、配、售、用电的各个领域都将发生质的飞跃和提高。

2发展智能电网的主要技术方向

　　国外一些专家认为，未来智能电网的主要发展方向和技术发展重点应包括以下内容[1-7]：

1）先进的相量测量（phasormeasurementunit，PMU）和广域测量技术（wideareameasurementsystem，WAMS）；

2）先进的三维、动态、可视化电网调度自动化技术；3）可再生能源的接入和并网技术[8]；4）先进的表计基础设施和自动抄表系统（automaticmetersidemanagement，DSM）；6）使配电系统“自愈（self

healing）”成为可能的先进的配电自动化、高级配电运行（advanceddistributionoperation，ADO）功能；7）分布式发电（distributedgeneration或distributedenergyresources，DG或DER）、微电网技术及电力

储能技术等。

　　国外往往将智能电网的开发重点放在配电网，主要考虑为：

输电网的格局已基本形成，发展相对缓慢，而配电系统是与用户直接关联的，发展的需求量极大。

据有关资料统计，北美的变电站级配电信息和通信系统安装配置量不高，馈线级的配电自动化率更低。

90%的停电和故障扰动发生在配电网

中。

大力发展配电系统对提高用户的供电能力和服务水平、保证供电质量、促进技术发展和拉动经济

大有好处。

　　国外有些专家认为，配电网中的智能电网技术开发主要包括以下几方面[9]：

　　1）先进的表计基础设施。

　　包括智能表计系统开发和表计数据管理，支持与用户间的双向通信，不但包括商业和工业用户，而且应包括居民用户的市场信息，采用自动化的计算机代理系统，与家庭的自动化系统相连，并能响应电价信息。

　　2）配电及停运管理（distributionandoutagemanagement）。

配电侧要节省费用和改善对客户的服务，其关键点在于配电管理系统（distributionmanagementsystem，DMS），而对智能电网的要求是：

①软件系

统必须提供自愈的功能，以便立即获悉电网扰动的信息并及时对其做出响应，使对客户的影响最小化；②智能电网要提供无缝的图像化接口，具有实时功能，将来自于各渠道的有关网络的信息以动态系统拓扑模型的方式集成在一起；③第1代故障投诉（trouble-call）型停电管理系统（outagemanagementsystem，OMS）目前已在大多数电力公司中应用，但它要让位于智能化的DMS/OMS平台，因为它与AMI紧密联系，其接口方面要有新的创新型技术，以利于数据的上下传送和连接。

通过将实时的DMS/OMS功能实施、遥测技术和集成安全性结合在一起，智能电网将成为真正的自愈电网。

　　3）配电和变电站自动化。

配电系统远远落后于输电系统，自动化的设备投切可减少运行人员对设备的手动操作，以便及时对网络结构进行修改，适应运行的要求。

　　4）智能配电网模拟和优化技术。

建设先进的智能配电网模拟和优化技术，使智能电网规划得更好，性能更加优越，智能电网的运行可以通过模拟器对实时条件进行模拟，从而改进运行性能，提高应对事故和灾害的能力。

　　此外还要实现企业业务智能化，因为这是覆盖在智能配电系统技术之上的，通过这层，数据才能成为可操作的信息，以实现信息技术（IT）与运行之间的桥梁作用。

不断增加模型的复杂性和基于人工智能的软件，有助于从数据中产生知识和效率。

3我国智能电网技术研究取得的部分进展

3.1输电领域

　　1）PMU、WAMS/WAMAP。

　　我国在PMU技术领域的研究和应用非常迅速。

据不完全统计，目前我国已投入电网运行的PMU装

置已超过700套，成为世界上安装PMU装置最多的国家。

2004年和2005年东北电网曾利用WAMS进

行2次大扰动试验，通过PMU/WAMS系统进行记录和分析。

华东电网于2005年开始建设广域监测分

析与保护控制系统（wideareameasurementanalysisprotectionsystem，WAMAP），在WAMS系统的基础上实现保护及控制功能。

笔者认为今后该领域的主要方向应为：

开发新技术，提高测量和计算精度；探讨可观测性，在重要的母线上安装，以减少总安装量；充分挖掘和利用测量数据，获取有用信息，开发高级分析、控制功能，实现智能化的决策，以对系统实施更有效的控制。

　　2）FACTS技术。

　　我国已成功自主开发了固定串补装置（FSC）、可控串补装置（TCSC）、静止无功补偿装置（SVC）、可控并联电抗器（CSR）、静止同步补偿装置（STATCOM）等，并正在开发故障电流限制器（FCL）等。

这些装置的开发为实现电网的有效控制和提高运行调度的灵活性提供了必不可少的物理装置。

　　3）调度自动化/数字化电网。

　　我国已在高级调度中心建设、统一的数据平台建设（SG186工程）、数字化变电站建设方面迈出了一大步，在电力通信光纤主干道建设和数据通信网络化方面也取得了很大进展，大电网安全稳定实时预警及协调防御技术也取得实质性进展。

3.2配电、用电领域

　　1）AMR的工作正在开展。

　　我国在电能计量装置的研究和应用方面已取得一定进展，但与智能电网高级计量的要求还有很大距离。

目前还只是简单的远程用电数据信息采集。

主要集中在大型专变用户（100kVA及以上专变用户，覆盖率为53.2%）、中小型专变用户（100kVA以下专变用户，覆盖率为10.5%）和低压三相一般工商业用户（覆盖率为12.2%）、低压单相一般工商业用户（覆盖率为4.8%），居民用户的覆盖率很低，仅为3.4%（533.1万户）。

电能表计的远程费率时段更新、远程校准、特殊事件主动上报等高级功能尚未实现，电能表本身也不具备网络功能，不能实时接收电网实时电价等信息和根据预定策略控制相应电器设备的投切等。

　　2）分布式发电和微电网。

　　小型分布式电源（燃气轮机、内燃机、微燃机、太阳能光伏发电等）在城市配电网中的建设正在不断进行，但占全国发电装机总量的比例很小（0.5%左右），尚未对配电网产生明显的影响。

有关研究工作正在开展，试验手段正在建立。

　　3）储能技术。

　　钠硫电池、液流电池和锂离子电池等电化学储能技术的研究工作正在开展。

目前已成功研制出650AH钠硫电池单体；100kW/200kWh的全钒液流电池系统也已研制成功，正在开展全面测试；与储能电池相关的充电技术、监控和热管理技术以及用于能量双向传输的逆变器系统技术正在加紧研究。

这些储能设备主要用于变电站级，用于用户的小型储能技术以及利用电动汽车作为储能手段等的研究尚未开展。

　　4）用户电力技术（custompower）。

2MVA、10kV的动态电压恢复器（dynamicvoltagerestorer，DVR）正在北京挂网试运行。

其它无功补偿和控制技术正在不断地开发和实施。

4智能电网发展的新动向

　　由美国发起的智能电网研究和实施目前已逐渐推向全球，国外在智能电网的研究和开发方面也有一些新的动向[10]。

　　1）智能电网的概念大大扩展。

过去1~2年内，工业界“智能化”的核心定义已从“智能表计”迅速发展到“智能电网”，即原来关心的主要是AMI，目前还要包括：

①家域网（homeareanetworks，HANs），这有可能成为创新和投资的新热门；②网络侧的有效应用（如无功控制和自动化）；③电力公司的未来功能（如分布式发电、太阳能光伏发电、电动汽车）等。

将需求响应与AMI相结合也是一种趋势，因为需求响应会大大改变用户的行为。

智能温度调节器、智能开关、智能用电器等的采用将吸引各种产品制造商参与进来；同时，客户有各种要求，也可以通过需求响应得到满足，要求电力公司具有各种增值服务。

　　2）系统集成商对电力公司有关智能电网决策的影响力将更大。

有些注意力已转向系统集成，由于大量表计数据的接入和通过更为广泛和智能化的传感器网络来显示运行数据，因此，系统集成势在必行。

　　3）不久的将来，注意力会转向一些特殊功能，如风电的接入、分布式太阳能发电、热电联产、电

动汽车、分布式储能技术等，而智能电网将使这些技术成为可能。

　　4）自开发AMI以来，前沿的通信技术的选择变得越来越复杂，在采用何种技术上往往有争议：

是采用宽带技术（broadband）还是射频（RF）或电力线载波（PLC）？

是用第三代移动通信技术（3G）还是通用无线分组业务（GPRS）或微波存取全球互通技术（WiMax）?

是采用电力专用网还是利用公用通信网？

家庭中用的表计可能要被“数据服务器”代替，以形成所谓的“虚拟表计”，并与家庭中的计算机相连，它可实施HANs功能，还可将用电度数传回供电公司。

国外智能电网技术的这些动向基本上都与配电网有关。

5笔者的几点看法

　　1）智能电网技术是目前国内外有关未来电网发展趋势研究的一个热点，对此必须密切跟踪和深入研究。

智能电网技术发展是一个渐进的过程，尽管我国许多专家和技术人员近期才使用这个术语，但某些相应的技术早已开始研究和开发，而且在某些领域已取得了一定的成果，特别是在输电领域，如WAMS技术、数字化变电站技术等。

　　2）鉴于中国经济和电力负荷的高速发展，能源和负荷分布不均，发展特高压电网及其它各级电网是目前中国电网建设的重点；所以有些人认为目前国内智能电网相关技术的开发重点应在输电网侧。

但笔者认为配电、用电侧的智能电网技术更值得大家高度关注，因为大量的与用户密切相关的智能电网技术在配电和用电侧，应加速开发和实施，并应按需求、有计划、分步骤地实施。

　　3）我国智能电网技术的实施与技术的成熟度、经济发展水平和实力、人民生活水平高低、国家所实施的法律法规等多种因素有关，实施是一个长期的过程，要根据实际的需求和可能逐步进行，期间会有变化，有些技术要试点后推广，切忌盲目投入。

　　4）智能电网将涉及许多电气产品、用品和技术，涉及到供应商的经济利益，不同产品供应商会采用不同的技术和标准，因此，产品标准将会是一个关键而有争议的问题，选用某种产品有时往往会决定技术的发展方向和走势。

智能电网技术的选择往往还取决于目前电力公司正在采用的产品和技术的应用实际是否成功。

应加强有关我国智能电网的相关标准的研究和建立，并尽可能与国际相关标准接轨。

　　5）应加强研究手段的建设，如：

开发包括分布式发电的配电网规划和计算分析程序，建立可研究新能源、分布式电源、储能元件、AMI、HANs技术的综合实验室，即要建设先进的智能配电网模拟和优化实验室。

　　6）智能电网是未来电网发展的一种趋势，但智能电网的概念比较侧重与智能有关的技术，笔者认为智能电网的提法有可能造成忽视作为基础的物理电网部分的倾向。

所以如果采用“下一代电网新技术”

的提法，也许能更充分全面地包括未来电网发展的全部新技术[11]。

参考文献

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（2）：

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[11]IpakchiA，AlbuyehF．Gridofthefuture[J]．IEEEPower&EnergyMagazine，2009，7

（2）：

52-62．

收稿日期：

2009-06-01。

作者简介：

胡学浩（1946—），男，教授级高级工程师，博士生导师，中国电力科学研究院副总工程师，近期主要从事分布式发电、微电网、新能源发电和智能电网等技术研究。

（责任编辑沈胡学浩杰）