近年來(lái)，電力系統(tǒng)正面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，其中包括全球氣候變暖、能源安全需求壓力和生態(tài)文明意識(shí)的提升，以及數(shù)字化社會(huì)對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求等。為此，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了許多與“智能電網(wǎng)”開(kāi)發(fā)和實(shí)踐相關(guān)的研究。

從電網(wǎng)的角度來(lái)說(shuō)，智能電網(wǎng)的原動(dòng)力至少包含下述4個(gè)方面：

①實(shí)現(xiàn)事故擾動(dòng)情況下大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)和增強(qiáng)災(zāi)難性事件后的快速恢復(fù)能力;

②實(shí)現(xiàn)大量分布式電源(DER)的無(wú)縫接入和充分利用;

③高級(jí)市場(chǎng)化和需求側(cè)管理;

④滿(mǎn)足數(shù)字化社會(huì)對(duì)電網(wǎng)供電的高可靠性、高質(zhì)量和高效率的要求。

從廣義層面來(lái)看，由于智能電網(wǎng)的實(shí)施涉及許多技術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域，智能電網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是催生新的技術(shù)和商業(yè)模式，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命。

智能電網(wǎng)涉及許多重要的理念，厘清這些理念有助于科學(xué)高效地實(shí)施智能電網(wǎng)工程。本文對(duì)其中的一些基本理念進(jìn)行了闡述。

1智能電網(wǎng)最本質(zhì)的技術(shù)特點(diǎn)

智能電網(wǎng)最本質(zhì)的技術(shù)特點(diǎn)是：電力和信息的雙向流動(dòng)性，并由此建立起一個(gè)高度自動(dòng)化和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò);把分布式計(jì)算、通信和互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)引入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)交換并達(dá)到設(shè)備層次上近乎瞬時(shí)的供需平衡。有如下四個(gè)方面的特點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)。

1.1靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和綜合能源及通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(IECSA)

由于DER的廣泛接入，電網(wǎng)(含輸電網(wǎng)和配電網(wǎng))每條支路的電力潮流都可能是雙向的和時(shí)變的，因此，為了使智能電網(wǎng)的潛在效益最大化，配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該是靈活的、可重構(gòu)的，應(yīng)該使用柔性交直流輸配電裝置和以智能萬(wàn)用變壓器(IUT)為代表的其他電力電子裝置，其中智能萬(wàn)用變壓器已被看成智能配電網(wǎng)的基石，在能源互聯(lián)網(wǎng)的概念中它屬于能量路由器。此外，電力所及之處均有可靠的雙向通信網(wǎng)絡(luò)。從底層的傳感器和智能代理開(kāi)始，能源網(wǎng)和信息通信網(wǎng)將高度融合。

1.2廣泛的分布式電源(DER)

DER包括分布式發(fā)電、分布式儲(chǔ)能和需求響應(yīng)。其中，太陽(yáng)能、風(fēng)能和需求響應(yīng)是按照自然地理學(xué)進(jìn)行分布的。這里“需求響應(yīng)”的定義是：在正常耗電模式下，終端用戶(hù)用電情況能夠隨著零售電價(jià)的變化而變化，或當(dāng)電力零售市場(chǎng)電價(jià)過(guò)高或電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性受到損害時(shí)，用戶(hù)會(huì)減小用電量。因此，如下觀察結(jié)果值得注意。

(1)當(dāng)DER發(fā)電接近電力負(fù)荷時(shí)，功率與能量可以就地消納，因此它可以節(jié)省電網(wǎng)的投資、降低網(wǎng)損和電網(wǎng)的運(yùn)維成本。加之傳統(tǒng)電力價(jià)格逐年上升，太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本迅速下降，分布式儲(chǔ)能成本也在不斷下降，以燃?xì)鉃橹鞯姆植际綗犭娐?lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)的能源利用率將會(huì)高于80%。這一切預(yù)示著分布式發(fā)電成本與零售電價(jià)之間有望持平。而且分布式發(fā)電可以提高對(duì)用戶(hù)供電的可靠性，增強(qiáng)電網(wǎng)的安全性。因此，世界上與智能電網(wǎng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)施相關(guān)的研究主要是關(guān)于分布式發(fā)電的。

事實(shí)上，天津大學(xué)所做的研究已經(jīng)表明，在當(dāng)今的中國(guó)，從社會(huì)總成本的角度看，實(shí)施“分布式光伏發(fā)電+有源配電網(wǎng)”計(jì)劃(例如，給無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)的分布式光伏發(fā)電站局部接入有源配電網(wǎng))比實(shí)施一個(gè)“大規(guī)模集中式可再生能源發(fā)電基地+長(zhǎng)距離傳輸”計(jì)劃(例如，將一個(gè)風(fēng)電與火電結(jié)合的大規(guī)模發(fā)電基地通過(guò)±800kV超高壓(UHV)、2000km長(zhǎng)距離直流輸電線(xiàn)接入到負(fù)荷中心的一個(gè)大容量電力系統(tǒng))所花費(fèi)的社會(huì)總成本要低。

因此，如何處理數(shù)以萬(wàn)計(jì)的分布式電力資源并應(yīng)對(duì)其間歇性、多變性和不確定性，同時(shí)確保電網(wǎng)的可靠性、人身和設(shè)備安全及市場(chǎng)的活力是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

(2)研究表明，電網(wǎng)中存在大量的可平移負(fù)荷，這些負(fù)荷可與電網(wǎng)友好合作(猶如虛擬電源)，從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷(可提高資產(chǎn)利用率、提高發(fā)電效率和降低網(wǎng)損)并達(dá)到設(shè)備層次上近乎瞬時(shí)的供需平衡(例如，需求響應(yīng)和負(fù)荷控制可能對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能等的間歇性、多變性和不確定性發(fā)揮補(bǔ)償作用)。與傳統(tǒng)電網(wǎng)把時(shí)刻滿(mǎn)足負(fù)荷需求作為剛性約束相比，這是革命性的變化。智能電網(wǎng)將通過(guò)智慧型電表基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(AMI)、即插即用技術(shù)和先進(jìn)的電力市場(chǎng)來(lái)協(xié)調(diào)需求側(cè)響應(yīng)和負(fù)荷控制。同時(shí)綜合考慮負(fù)荷與配電系統(tǒng)的控制和管理。

(3)插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)與智能汽車(chē)電網(wǎng)(V2G)技術(shù)本身都具備負(fù)荷和電源的雙重屬性，它們的充電功率和存儲(chǔ)能量均很大;另外，與分布式光伏發(fā)電和風(fēng)電等相比，這些電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)的位置和容量具有更大的不確定性。一方面，作為一種新型負(fù)荷，電動(dòng)汽車(chē)的大量接入使得配電網(wǎng)的負(fù)荷增大且特性更加復(fù)雜多變，對(duì)未來(lái)電網(wǎng)的規(guī)劃與運(yùn)行提出了挑戰(zhàn);另一方面，作為一種儲(chǔ)能裝置，電動(dòng)汽車(chē)又可為電網(wǎng)的削峰填谷和頻率調(diào)節(jié)等提供重要的潛在調(diào)控手段。為此，智能電網(wǎng)應(yīng)該為電動(dòng)汽車(chē)提供一種即插即用的平臺(tái)(包括先進(jìn)的市場(chǎng)與新型技術(shù)支持)。

除了在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用，分布式儲(chǔ)能也可應(yīng)用于配電系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、改善電能質(zhì)量和提高可再生能源的接入能力等。因此，智能電網(wǎng)將為分布式儲(chǔ)能與配電系統(tǒng)間更多的交互與協(xié)調(diào)控制提供基本的平臺(tái)。

令人可喜的是，近年來(lái)分布式儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展十分迅速，有望突破儲(chǔ)能成本過(guò)高的瓶頸。

1.3分布式智能基礎(chǔ)設(shè)施

(1)在微處理器時(shí)代之前創(chuàng)建的電力基礎(chǔ)設(shè)施(基于集中規(guī)劃和控制)，在很大程度上限制了電網(wǎng)的靈活性，降低了電網(wǎng)的效率、安全性和可靠性。此外，由于未來(lái)電網(wǎng)中將接入數(shù)量巨大的DER，并且其發(fā)電量又難以預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)的集中控制模式將更加難以適用于未來(lái)電網(wǎng)的運(yùn)行。因此智能電網(wǎng)特別是智能配電網(wǎng)將成為分布式智能基礎(chǔ)設(shè)施。

如圖1所示，以智能配電網(wǎng)為例，它被分成許多片(cell)。正常運(yùn)行條件下，兩片之間的交換功率可以根據(jù)制訂好的計(jì)劃進(jìn)行調(diào)度。每片中有許多由片內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)相互連接起來(lái)的智能網(wǎng)絡(luò)代理(INA)，如繼電保護(hù)裝置和DER等。這些代理能夠收集和交流系統(tǒng)信息，可以對(duì)局部控制做出自主決策(如繼電保護(hù))，也可以通過(guò)各片配電系統(tǒng)快速仿真與建模(DFSM)協(xié)調(diào)做出決策(如電壓調(diào)節(jié)、無(wú)功優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等);同時(shí)各片之間有通信聯(lián)系，各片可以自主做出決策，也可由裝有DFSM系統(tǒng)的配電運(yùn)營(yíng)中心協(xié)調(diào)各片間的決策。此外，輸電網(wǎng)調(diào)度中心和由該輸電網(wǎng)供電的配電運(yùn)營(yíng)中心之間也有通信鏈接。

裝有輸電快速仿真與建模(TFSM)系統(tǒng)的輸電調(diào)度中心，根據(jù)區(qū)域電力系統(tǒng)的要求協(xié)調(diào)做出決策，實(shí)現(xiàn)跨地理邊界和組織邊界的智能控制，使整個(gè)系統(tǒng)具備了自愈能力和韌性。

(2)系統(tǒng)“韌性”包括承受蓄意攻擊、偶然事故或自然發(fā)生的威脅或事件的能力及從中恢復(fù)的能力。這要求我們改變對(duì)系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和目前研究的許多復(fù)雜的交互網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)。如圖1所示的分布式智能基礎(chǔ)設(shè)施能夠?qū)η笆龅臄_動(dòng)做出自愈的響應(yīng)，在緊急狀態(tài)下，它能分片實(shí)現(xiàn)“自適應(yīng)孤島運(yùn)行”，并使整個(gè)系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)韌性并將電力系統(tǒng)的停電損失減到最小。

(3)智能配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與控制策略必須滿(mǎn)足現(xiàn)在電網(wǎng)所不能滿(mǎn)足的兩個(gè)基本要求：

綜合考慮終端用戶(hù)控制和總體配電系統(tǒng)控制。終端用戶(hù)系統(tǒng)除擁有可與電網(wǎng)友好合作的可平移負(fù)荷之外，還有分布式發(fā)電和儲(chǔ)能、電力調(diào)節(jié)設(shè)備、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和能量管理系統(tǒng)。所有這些設(shè)備和負(fù)荷的控制必須和配電系統(tǒng)控制綜合考慮，以達(dá)到系統(tǒng)性能的最優(yōu)和期望的安全性與電能質(zhì)量;

(4)圖1中的每一片可以是一個(gè)智能微電網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)微網(wǎng))或含有多個(gè)微網(wǎng)的配電網(wǎng)。微網(wǎng)是為滿(mǎn)足一群用戶(hù)(小區(qū)或城鎮(zhèn))或單個(gè)用戶(hù)(如大學(xué)、樓宇或企業(yè))能量需求的一種集成系統(tǒng)。微網(wǎng)和分布式發(fā)電的關(guān)鍵區(qū)別在于它有能力進(jìn)行孤島協(xié)調(diào)控制。正常運(yùn)行時(shí)，可再生能源的間歇性、波動(dòng)性和不確定性可在微網(wǎng)內(nèi)部得到補(bǔ)償，從而盡可能地將它與大電網(wǎng)連絡(luò)線(xiàn)上的功率維持在恒定水平，有助于大電網(wǎng)安全運(yùn)行。因而，對(duì)大電網(wǎng)而言它是個(gè)“好市民”，在未來(lái)它將會(huì)更廣泛地存在于智能電網(wǎng)中，研究者也應(yīng)更加重視如何降低其成本。

1.4信息的實(shí)時(shí)交換與高度共享

輸電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)使用的信息技術(shù)與配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)使用的信息技術(shù)一樣。實(shí)質(zhì)上，任何智能電網(wǎng)的命脈都是這些用以驅(qū)動(dòng)其運(yùn)行的數(shù)據(jù)和信息，而這些數(shù)據(jù)和信息使開(kāi)發(fā)新的和改進(jìn)的運(yùn)營(yíng)策略成為可能。從電力系統(tǒng)任一層收集到的數(shù)據(jù)，包括用戶(hù)耗電量、配電量、輸電量、發(fā)電量和電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，都可能同其他層相關(guān)，用于改善其他層的運(yùn)行狀況。因此，在這些利益相關(guān)者之間進(jìn)行實(shí)時(shí)和及時(shí)的數(shù)據(jù)共享是智能電網(wǎng)的基本要素。

2智能電網(wǎng)的基本功能和相關(guān)技術(shù)

智能電網(wǎng)是一個(gè)推動(dòng)者，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的智能電網(wǎng)應(yīng)該有如下基本功能。

(1)便于更廣泛地參與。

能夠激勵(lì)電力用戶(hù)，及時(shí)向用戶(hù)提供關(guān)于他們電量消耗的詳細(xì)信息，以及各種可供用戶(hù)選擇的包括實(shí)時(shí)(或分時(shí))的電價(jià)方案;

能容易和透明地接受任何種類(lèi)的能源;

以大量“即插即用”的DER補(bǔ)充集中式發(fā)電，從而創(chuàng)造新的機(jī)遇和市場(chǎng)。

(2)提高效率。

終端用戶(hù)可以積極參與到成熟、健康和綜合的電力市場(chǎng)中;

提高電能質(zhì)量，有各種各樣的質(zhì)量/價(jià)格方案可供選擇;

優(yōu)化資產(chǎn)利用和高效運(yùn)行。

(3)提高可靠性和韌性。

自愈，即發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)可自愈，以降低停電影響;

抵御攻擊，即遇到攻擊或自然災(zāi)害時(shí)具有快速恢復(fù)供電的能力。

除上述三種基本功能外，智能電網(wǎng)還有一些其他基本功能，在這里不一一贅述。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要通過(guò)創(chuàng)新引入新的技術(shù)和新的商業(yè)模式。這些技術(shù)包括：

(1)智能電網(wǎng)技術(shù)，包括電網(wǎng)廣域監(jiān)視(電網(wǎng)廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)/相量測(cè)量裝置(WAMS/PMU)和態(tài)勢(shì)感知)與控制系統(tǒng)、信息和通信技術(shù)(ICT)的集成、可再生能源和分布式能源發(fā)電的集成、輸電網(wǎng)的擴(kuò)展應(yīng)用(如柔性交直流輸電技術(shù))、靈活的配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和先進(jìn)的配電網(wǎng)管理技術(shù)、AMI和用戶(hù)側(cè)管理系統(tǒng)等。

(2)智能電網(wǎng)可帶動(dòng)的技術(shù)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電裝置、電動(dòng)車(chē)輛充電基礎(chǔ)設(shè)施、綠色節(jié)能建筑和智能家電等，其中電動(dòng)汽車(chē)和綠色建筑可能成為智能電網(wǎng)最重要的應(yīng)用。

(3)為智能電網(wǎng)創(chuàng)建平臺(tái)的技術(shù)，包括綜合的通信技術(shù)、傳感和測(cè)量技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、電力電子技術(shù)、診斷技術(shù)和超導(dǎo)技術(shù)等。

為了加速智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，在智能電網(wǎng)中將應(yīng)用工業(yè)界最好的技術(shù)和理念，如開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、即插即用技術(shù)、共同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、非專(zhuān)用化和互操作性等。事實(shí)上，有些技術(shù)已經(jīng)在電網(wǎng)中得到了應(yīng)用;但只有在體現(xiàn)智能電網(wǎng)的雙向數(shù)字通信和即插即用能力的時(shí)候，這些技術(shù)的潛能才能得到充分的利用。

3需特別注意的事項(xiàng)

3.1智能電網(wǎng)的效益是廣泛而巨大的

根據(jù)美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)2011年的報(bào)告，預(yù)計(jì)2010—2030年，美國(guó)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的現(xiàn)代化所需的成本為3380億~4760億美元;而這20年內(nèi)的效益估計(jì)為12940億~20280億美元，是投資成本的2.8~6倍。我國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施不僅能使我們獲得高安全性、高可靠性、高質(zhì)量、高效率和價(jià)格合理的電力供應(yīng)，還能提高國(guó)家的能源安全保障能力并改善環(huán)境，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)能夠激勵(lì)市場(chǎng)發(fā)展與創(chuàng)新，從而提高國(guó)家的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2智能電網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)和研發(fā)機(jī)遇是巨大的

智能電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)極其廣泛，涉及許多技術(shù)性、體制性和社會(huì)性問(wèn)題;電網(wǎng)的變遷必將改變整個(gè)行業(yè)的商業(yè)模式。厘清其發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵性障礙將有利于智能電網(wǎng)最大限度地發(fā)揮其潛能。這些挑戰(zhàn)帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。

3.3一個(gè)整體良好的環(huán)境是智能電網(wǎng)發(fā)展的必要條件

(1)制訂法律、政策、標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展路線(xiàn)圖。智能電網(wǎng)的性質(zhì)決定了其參與者不再局限于電力公司和電力設(shè)備廠(chǎng)商，還應(yīng)包括廣大消費(fèi)者和眾多其他行業(yè);而且其組織、研發(fā)和實(shí)施均十分復(fù)雜。因此，需要由國(guó)家盡早制訂相應(yīng)的法律、政策、標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展路線(xiàn)圖，以鼓勵(lì)、支持和指導(dǎo)更多的企業(yè)和人群的參與。

(2)開(kāi)放先進(jìn)的電力市場(chǎng)。為了激勵(lì)在智能電網(wǎng)方面的創(chuàng)新，亟需建立一個(gè)成熟、健康、綜合的電力市場(chǎng)。其中包括：實(shí)施分時(shí)或?qū)崟r(shí)電價(jià)，使電能作為商品的市場(chǎng)價(jià)值得到合理的體現(xiàn);制訂政策，鼓勵(lì)分布式電力和能源的所有者將電賣(mài)給電網(wǎng)公司，促進(jìn)清潔能源的供應(yīng)(以固定價(jià)格)，以及確保電力公司和其他投資者的智能電網(wǎng)投資成本的回收等。

(3)智能電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)。事實(shí)上，智能電網(wǎng)是一個(gè)跨學(xué)科的產(chǎn)物，其互聯(lián)網(wǎng)思維與生俱來(lái)。1925—1950年，區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)的思想誕生并得到極大的推廣。事實(shí)上它已具有了互聯(lián)網(wǎng)的四個(gè)基本性質(zhì)，即互聯(lián)、開(kāi)放、對(duì)等和分享。智能電網(wǎng)愿景的最終實(shí)現(xiàn)需要引入互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最新的技術(shù)與理念。為了加速智能電網(wǎng)的創(chuàng)新，能源領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師們需要與通信、信息等互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的同行密切合作，使用共同的語(yǔ)言和協(xié)議，這樣可以最大程度發(fā)揮智能電網(wǎng)的潛能，從而為人類(lèi)提供廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

3.4智能電網(wǎng)的近期目標(biāo)和遠(yuǎn)期目標(biāo)

智能電網(wǎng)將像互聯(lián)網(wǎng)一樣改變著人們的生活和工作方式。由于智能電網(wǎng)需要持續(xù)的研發(fā)和顛覆性的技術(shù)突破，所以智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)將是一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過(guò)渡和與多種技術(shù)長(zhǎng)期共存的過(guò)程(回顧一下互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史就會(huì)明白)。短期內(nèi)可以著眼于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為智能的電網(wǎng)，即利用已有的或即將形成的技術(shù)使目前的電網(wǎng)更有效，使其在提供優(yōu)質(zhì)電力的同時(shí)創(chuàng)造較大的社會(huì)效益(如改善環(huán)境)。

3.5重視效益

智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展需要進(jìn)行持續(xù)的研究以預(yù)測(cè)不斷變化的需求，評(píng)估不斷變化的收益和成本。在實(shí)施智能電網(wǎng)時(shí)，需要時(shí)刻考慮所做的工作是否適用于市場(chǎng)?能否激勵(lì)用戶(hù)參與?是否可實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)優(yōu)化?是否能夠獲得高效運(yùn)行?電力公司和監(jiān)管機(jī)構(gòu)應(yīng)該持續(xù)地向消費(fèi)者證明：智能電網(wǎng)的效益最終會(huì)超過(guò)其成本的投入。