第1章 智能電網概論

1.1 智能電網含義及特征

1.1.1 智能電網的定義

為應對氣候變化、保障能源安全、促進經濟發展，近年來在世界范圍內正在推動新一輪的能源革命。這場能源革命是一次以技術創新為先導，以電力為核心，以優化能源結構、提高能源效率、促進節能降耗、實現可持續發展為目標的深刻變革。大量的通信技術、計算機技術、信息技術、自動控制技術、分析決策技術等與電力技術的深度融合，促使智能電網成為新型現代電網的發展趨勢，發展智能電網已經在世界范圍內達成廣泛共識。

智能電網( Smart Grid)是當前電力系統發展的主要趨勢②，開創了電力系統發展的新紀元。智能電網是最近提出的概念，至今還沒有一個統一的概念。在智能電網的發展過程中，關于其概念的形成，具有三個里程碑式事件：

第一個就是2003年美國從自身的國家利益出發，提出了一個大膽的戰略發展計劃，對電網的運行模式進行了明確，它考慮了多種能源的輸入，可以進行多種能源的產出、進行多種能源之間的轉換，主要考慮的問題是國家安全和可再生能源的利用。這些基本內容為“智能電網”的提出奠定了基礎。3年后即2006年，美國IBM公司提出了“智能電網”解決方案，內容主要包括似下幾個方面：一是通過傳感器連接資產和設備提高數字化程度;二是數據的整合體系和數據的收集體系;三是進行分析的能力，即依據已經掌握的數據進行相關分析，以優化運行和管理。通過以上幾個方面達面向智能電網的需求響應及其電價研究到自動監控電網、優化電網性能、防止斷電、快速恢復供電的目的。至此.智能電網的概念正式誕生。

第二個是奧巴馬上任后提出的能源計劃。其內容除了已公布的計劃.美國還將著重集中對每年耗費1200億美元的電路損耗和故障維修的電網系統進行升級換代，建立橫跨4個時區的統一電網，重點研發可再生能源和分布式電源并網技術.發展智能電網產業，最大限度地發揮美國國家電網的價值和效率，將逐步實現美國太陽能、風能、地熱能的統一入網管理，全面推進分布式能源管理，創造世界上最高的能源使用效率。

由此可以看出，美國政府的智能電網有三個目的：一是由于美國電網設備比較落后，急需進行更新改造，提高電網運營的可靠性;二是通過智能電網建設將美圖拉出金融危機的泥潭;三是提高能源利用效率。

第三個是我國能源專家武建東提出的互動電網。互動電網是指在創建開放的系統和建立共享的信息模式的基礎上，以智能電網技術為基礎.通過電子終端在用戶之間、用戶和電網公司之間形成網絡互動和即時連接，實現數據讀取的實時、高速、雙向的總體效果，實現電力、電訊、電視、遠程家電控制和電池集成充電等的多用途開發。它可以整合系統申的數據，優化電網的管理.將電網提升為互動運轉的全新模式.形成電網全新的服務功能，提高整個電網的可靠性、可用性和綜合效率?；与娋W具備可靠、自愈、經濟、兼容、集成和安全等特點，主要解決三個問題.一是以信息技術改造和提升現有的能源體系，尤其是提高能源效率;二是逐步建立以可再生能源替代化石能源的創新能源利用體系;三是建造消費者與生產者互動的精巧、智慧和專家服務化的能源運轉體系。

結合智能電網概念形成的三個里程碑事件，本書采用的智能電網定義為：智能電網( smart grids).就是智能化的電網.是建立在集成的、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技術的應用，實現電網可靠、安全、經濟、高效、環境友好的目標。

1.1.2 智能電網的特征

1.自愈

自愈是指電網在不用人為干預或者很少人為干預的情況下能夠自動儉測、分析系統中的故障原件，實現故障原件隔離和系統自我恢復.保證對用戶的持續供電服務。自愈作為智能電網的重要特征，意味著電網具有免疫功能。智能電網能夠利用在線監測系統進行持續地自我評估，預測可能出現的問題，發現已經存在的或正在發展的間題，并自動采取措施加以控制或糾正。智能電網能夠充分應用數據獲取技術，執行決策支持算法，避免或限制電力供應的中斷，迅速恢復供電服務，減少供電服務的中斷。智能電網能夠利用基于實時測量的概率風險評估將確定最有可能出現故障的設備、發電廠和線路;實時應急分析將確定電網整體的健康水平，觸發可能導致電網故障發展的早期預警。確定是否需要立即進行檢查或采取相應的措施。智能電網能夠利用本地及遠程設備的通信將幫助分析故障、電壓降低、電能質量差、過載和其他不希望的系統狀態，采取適當的控制行動。智能電網也可經常應用連接多個電源的網絡設計方式，當出現故障或發生其他問題時，在電網設備中先進的傳感器能確定故障并與附近的設備進行通信，以切除故障元件或將用戶迅速地切換到另外的可靠的電源上;同時，傳感器還有檢測故障前兆的能力，在故障實際發生前，將設備狀況告知系統，系統就會及時提出預警信息。

2.互動

在智能電網中，用戶將和電網進行自適應互動，成為電力系統的完整組成部分之一。鼓勵和促進用戶參與電力系統的運行和管理是智能電網的另一重要特征。從智能電網的角度來看，用戶的需求完全是另一種可管理的資源，它將有助于平衡供求關系，確保系統的可靠性;從用戶的角度來看，電力消費是一種經濟的選擇，通過參與電網的運行和管理，修正其使用和購買電力的方式，從而獲得實實在在的好處。在智能電網中，用戶將根據其電力需求和電力系統滿足其需求的能力的平衡來調整消費。同時，需求響應( DR)計劃將滿足用戶在能源購買中有更多選擇的基本需求，減少或轉移高峰電力需求的能力使電力公司盡量減少資本開支和營運開支，通過降低線損和減少效率低下的調峰電廠的運營，同時也提供了大量的環境效益。在智能電網中，和用戶建立的雙向實時的通信系統是實現鼓勵和促進用戶積極參與電力系統運行和管理的基礎。實時通知用戶其電力消費的成本、實時電價、電網的狀況、計劃停電信息以及其他一些服務的信息，同時用戶也可以根據這些信息制定自己的電力使用的方案。

3.可靠

安全可靠供電是用戶對電網摹本要求之一，而智能電網將具有抵御攻擊或者被攻擊后快速恢復的能力。智能電網的設計和運行都將阻止攻擊，最大限度地降低攻擊后產生的不良后果，快速恢復供電服務。智能電網電能同時承受對電力系統的幾個部分的攻擊及在一段時間內多重協調的攻擊。，智能電網的安全策略包含威懾、預防、檢測、反應，以盡量減少和減輕對電網和經濟發展的影響。不管是物理攻擊還是網絡攻擊，智能電網要通過加強電力企業與政府之間重大威脅信息的密切溝通、在電網規劃中強調安全風險、加強網絡安傘等手段，提高智能電網抵御風險的能力。

4.經濟

智能電網優化能夠實現資源合理配置，提高能源利用效率，減少電能損耗，降低投資成本和運行維護成本。智能電網能夠較好地實現資產規劃、建設、運行維護等全面向智能電網的需求響應及其電價研究壽命周期環節的優化，方便電網運行設備檢修，從而大大提高電力資產利用率，科學地降低運行維護成本和投資成本，降低電網損耗。

智能電網通過高速通信網絡實現對運行設備的在線狀態監測.以獲取設備的運行狀態，在最恰當的時間給出需要維修設備的信號，實現設備的狀態檢修，同時使設備運行在最佳狀態。系統的控制裝置可以被調整到降低損耗和消除阻塞的狀態：通過對系統控制裝置的這些調整，選擇最小成本的能源輸送系統，提高運行的效率。最佳的容量、最佳的狀態和最佳的運行將大大降低電網運行的費用。此外，先進的信息技術將提供大量的數據和資料.并將集成到現有的企業范圍的系統中，大大加強其能力，以優化運行和維修過程。這些信息將為設計人員提供更好的工具，創造最佳的設計，為規劃人員提供所需的數據，從而提高其電網規劃的能力和水平。這樣，運行和維護費用以及電網建設投資將得到更為有效的管理。

未來分時計費、削峰填谷、合理利用電力資源成為電力系統經濟運行的重要一環。通過計費差，調節波峰、波谷用電量，使用電盡量平穩。對于用電大戶來說，這一舉措將更具經濟效益。有效的電能管理包括三個主要的步驟，即監視、分析相控制。監視就是查看電能的供給、消耗和使用的效率;分析就是決定如何提高性能并實施相應的控制方案。通過監測能夠使我們“看到”問題;控制就是依據這些信息可作出正確的峰谷調整，賦予電能原始數據額外的意義。最大化能源管理的關鍵在于將電力監視和控制器件、通信網絡和可視化技術集成在統一的系統內。

電只要發出來，就消耗了能量。如果能記錄用電信息，根據歷史用電信息來預測發電量，使發電量與用電量相當，不產生多余的電量，才是真正的節能：用戶還可以將預存的富余電力，在用電峰值時反饋回電網，幫助電網減小發電負擔.從中獲得收益。

5.兼容

智能電網將安全、無縫地容許各種不同類型的發電和儲能系統接入系統.擴大系統運行調節的可選資源范圍，促進智能電網與自然環境協調發展。改進的互聯標準將使各種各樣的發電和儲能系統容易接入。從小到大各種不同容量的發電和儲能在所有的電壓等級上都可以互聯，包括分布式電源如光伏發電、風電、先進的電池系統、即插式混合動力汽車和燃料電池。商業用戶安裝自己的發電設備(包括高效熱電聯產裝置)和電力儲能設施將更加容易和更加有利可圖。在智能電網中，大型集中式發電廠包括環境友好型電源，如風電和大型太陽能電廠和先進的核電廠將繼續發揮重要的作用。加強輸電系統的建設，使這些大型電廠仍然能夠遠距離輸送電力。同時，各種各樣的分布式電源的接人一方面減少對外來能源的依賴，另一方面提高供電可靠性和電能質量，特別是應對戰爭和恐怖襲擊具有重要意義。

①Pctcr F;ox-Pcnm-r蔣，張義斌，黃瀚等譯.智能電力[M].北京：中國電力fIj版社.2012. 03

②胡學浩，智能電網：未來電網的發展態勢[J].電網技術，2009, 33(14):1-5.