第1章 智能電網(wǎng)概論

1.1 智能電網(wǎng)含義及特征

1.1.1 智能電網(wǎng)的定義

為應(yīng)對氣候變化、保障能源安全、促進經(jīng)濟發(fā)展，近年來在世界范圍內(nèi)正在推動新一輪的能源革命。這場能源革命是一次以技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)，以電力為核心，以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、促進節(jié)能降耗、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的深刻變革。大量的通信技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、分析決策技術(shù)等與電力技術(shù)的深度融合，促使智能電網(wǎng)成為新型現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，發(fā)展智能電網(wǎng)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)達成廣泛共識。

智能電網(wǎng)( Smart Grid)是當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢②，開創(chuàng)了電力系統(tǒng)發(fā)展的新紀元。智能電網(wǎng)是最近提出的概念，至今還沒有一個統(tǒng)一的概念。在智能電網(wǎng)的發(fā)展過程中，關(guān)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(fā)，提出了一個大膽的戰(zhàn)略發(fā)展計劃，對電網(wǎng)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(chǎn)出、進行多種能源之間的轉(zhuǎn)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(nèi)容為“智能電網(wǎng)”的提出奠定了基礎(chǔ)。3年后即2006年，美國IBM公司提出了“智能電網(wǎng)”解決方案，內(nèi)容主要包括似下幾個方面：一是通過傳感器連接資產(chǎn)和設(shè)備提高數(shù)字化程度;二是數(shù)據(jù)的整合體系和數(shù)據(jù)的收集體系;三是進行分析的能力，即依據(jù)已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，以優(yōu)化運行和管理。通過以上幾個方面達面向智能電網(wǎng)的需求響應(yīng)及其電價研究到自動監(jiān)控電網(wǎng)、優(yōu)化電網(wǎng)性能、防止斷電、快速恢復(fù)供電的目的。至此.智能電網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)系統(tǒng)進行升級換代，建立橫跨4個時區(qū)的統(tǒng)一電網(wǎng)，重點研發(fā)可再生能源和分布式電源并網(wǎng)技術(shù).發(fā)展智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，最大限度地發(fā)揮美國國家電網(wǎng)的價值和效率，將逐步實現(xiàn)美國太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿慕y(tǒng)一入網(wǎng)管理，全面推進分布式能源管理，創(chuàng)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(wǎng)有三個目的：一是由于美國電網(wǎng)設(shè)備比較落后，急需進行更新改造，提高電網(wǎng)運營的可靠性;二是通過智能電網(wǎng)建設(shè)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(wǎng)。互動電網(wǎng)是指在創(chuàng)建開放的系統(tǒng)和建立共享的信息模式的基礎(chǔ)上，以智能電網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ).通過電子終端在用戶之間、用戶和電網(wǎng)公司之間形成網(wǎng)絡(luò)互動和即時連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的實時、高速、雙向的總體效果，實現(xiàn)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(fā)。它可以整合系統(tǒng)申的數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的管理.將電網(wǎng)提升為互動運轉(zhuǎn)的全新模式.形成電網(wǎng)全新的服務(wù)功能，提高整個電網(wǎng)的可靠性、可用性和綜合效率。互動電網(wǎng)具備可靠、自愈、經(jīng)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(shù)改造和提升現(xiàn)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(chuàng)新能源利用體系;三是建造消費者與生產(chǎn)者互動的精巧、智慧和專家服務(wù)化的能源運轉(zhuǎn)體系。

結(jié)合智能電網(wǎng)概念形成的三個里程碑事件，本書采用的智能電網(wǎng)定義為：智能電網(wǎng)( smart grids).就是智能化的電網(wǎng).是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設(shè)備技術(shù)、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好的目標(biāo)。

1.1.2 智能電網(wǎng)的特征

1.自愈

自愈是指電網(wǎng)在不用人為干預(yù)或者很少人為干預(yù)的情況下能夠自動儉測、分析系統(tǒng)中的故障原件，實現(xiàn)故障原件隔離和系統(tǒng)自我恢復(fù).保證對用戶的持續(xù)供電服務(wù)。自愈作為智能電網(wǎng)的重要特征，意味著電網(wǎng)具有免疫功能。智能電網(wǎng)能夠利用在線監(jiān)測系統(tǒng)進行持續(xù)地自我評估，預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在的或正在發(fā)展的間題，并自動采取措施加以控制或糾正。智能電網(wǎng)能夠充分應(yīng)用數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，執(zhí)行決策支持算法，避免或限制電力供應(yīng)的中斷，迅速恢復(fù)供電服務(wù)，減少供電服務(wù)的中斷。智能電網(wǎng)能夠利用基于實時測量的概率風(fēng)險評估將確定最有可能出現(xiàn)故障的設(shè)備、發(fā)電廠和線路;實時應(yīng)急分析將確定電網(wǎng)整體的健康水平，觸發(fā)可能導(dǎo)致電網(wǎng)故障發(fā)展的早期預(yù)警。確定是否需要立即進行檢查或采取相應(yīng)的措施。智能電網(wǎng)能夠利用本地及遠程設(shè)備的通信將幫助分析故障、電壓降低、電能質(zhì)量差、過載和其他不希望的系統(tǒng)狀態(tài)，采取適當(dāng)?shù)目刂菩袆印Ｖ悄茈娋W(wǎng)也可經(jīng)常應(yīng)用連接多個電源的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方式，當(dāng)出現(xiàn)故障或發(fā)生其他問題時，在電網(wǎng)設(shè)備中先進的傳感器能確定故障并與附近的設(shè)備進行通信，以切除故障元件或?qū)⒂脩粞杆俚厍袚Q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(fā)生前，將設(shè)備狀況告知系統(tǒng)，系統(tǒng)就會及時提出預(yù)警信息。

2.互動

在智能電網(wǎng)中，用戶將和電網(wǎng)進行自適應(yīng)互動，成為電力系統(tǒng)的完整組成部分之一。鼓勵和促進用戶參與電力系統(tǒng)的運行和管理是智能電網(wǎng)的另一重要特征。從智能電網(wǎng)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(guān)系，確保系統(tǒng)的可靠性;從用戶的角度來看，電力消費是一種經(jīng)濟的選擇，通過參與電網(wǎng)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(wǎng)中，用戶將根據(jù)其電力需求和電力系統(tǒng)滿足其需求的能力的平衡來調(diào)整消費。同時，需求響應(yīng)( 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(zhuǎn)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(diào)峰電廠的運營，同時也提供了大量的環(huán)境效益。在智能電網(wǎng)中，和用戶建立的雙向?qū)崟r的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)鼓勵和促進用戶積極參與電力系統(tǒng)運行和管理的基礎(chǔ)。實時通知用戶其電力消費的成本、實時電價、電網(wǎng)的狀況、計劃停電信息以及其他一些服務(wù)的信息，同時用戶也可以根據(jù)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(wǎng)摹本要求之一，而智能電網(wǎng)將具有抵御攻擊或者被攻擊后快速恢復(fù)的能力。智能電網(wǎng)的設(shè)計和運行都將阻止攻擊，最大限度地降低攻擊后產(chǎn)生的不良后果，快速恢復(fù)供電服務(wù)。智能電網(wǎng)電能同時承受對電力系統(tǒng)的幾個部分的攻擊及在一段時間內(nèi)多重協(xié)調(diào)的攻擊。，智能電網(wǎng)的安全策略包含威懾、預(yù)防、檢測、反應(yīng)，以盡量減少和減輕對電網(wǎng)和經(jīng)濟發(fā)展的影響。不管是物理攻擊還是網(wǎng)絡(luò)攻擊，智能電網(wǎng)要通過加強電力企業(yè)與政府之間重大威脅信息的密切溝通、在電網(wǎng)規(guī)劃中強調(diào)安全風(fēng)險、加強網(wǎng)絡(luò)安傘等手段，提高智能電網(wǎng)抵御風(fēng)險的能力。

4.經(jīng)濟

智能電網(wǎng)優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)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(wǎng)能夠較好地實現(xiàn)資產(chǎn)規(guī)劃、建設(shè)、運行維護等全面向智能電網(wǎng)的需求響應(yīng)及其電價研究壽命周期環(huán)節(jié)的優(yōu)化，方便電網(wǎng)運行設(shè)備檢修，從而大大提高電力資產(chǎn)利用率，科學(xué)地降低運行維護成本和投資成本，降低電網(wǎng)損耗。

智能電網(wǎng)通過高速通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對運行設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測.以獲取設(shè)備的運行狀態(tài)，在最恰當(dāng)?shù)臅r間給出需要維修設(shè)備的信號，實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修，同時使設(shè)備運行在最佳狀態(tài)。系統(tǒng)的控制裝置可以被調(diào)整到降低損耗和消除阻塞的狀態(tài)：通過對系統(tǒng)控制裝置的這些調(diào)整，選擇最小成本的能源輸送系統(tǒng)，提高運行的效率。最佳的容量、最佳的狀態(tài)和最佳的運行將大大降低電網(wǎng)運行的費用。此外，先進的信息技術(shù)將提供大量的數(shù)據(jù)和資料.并將集成到現(xiàn)有的企業(yè)范圍的系統(tǒng)中，大大加強其能力，以優(yōu)化運行和維修過程。這些信息將為設(shè)計人員提供更好的工具，創(chuàng)造最佳的設(shè)計，為規(guī)劃人員提供所需的數(shù)據(jù)，從而提高其電網(wǎng)規(guī)劃的能力和水平。這樣，運行和維護費用以及電網(wǎng)建設(shè)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(tǒng)經(jīng)濟運行的重要一環(huán)。通過計費差，調(diào)節(jié)波峰、波谷用電量，使用電盡量平穩(wěn)。對于用電大戶來說，這一舉措將更具經(jīng)濟效益。有效的電能管理包括三個主要的步驟，即監(jiān)視、分析相控制。監(jiān)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(yīng)的控制方案。通過監(jiān)測能夠使我們“看到”問題;控制就是依據(jù)這些信息可作出正確的峰谷調(diào)整，賦予電能原始數(shù)據(jù)額外的意義。最大化能源管理的關(guān)鍵在于將電力監(jiān)視和控制器件、通信網(wǎng)絡(luò)和可視化技術(shù)集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)。

電只要發(fā)出來，就消耗了能量。如果能記錄用電信息，根據(jù)歷史用電信息來預(yù)測發(fā)電量，使發(fā)電量與用電量相當(dāng)，不產(chǎn)生多余的電量，才是真正的節(jié)能：用戶還可以將預(yù)存的富余電力，在用電峰值時反饋回電網(wǎng)，幫助電網(wǎng)減小發(fā)電負擔(dān).從中獲得收益。

5.兼容

智能電網(wǎng)將安全、無縫地容許各種不同類型的發(fā)電和儲能系統(tǒng)接入系統(tǒng).擴大系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)的可選資源范圍，促進智能電網(wǎng)與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。改進的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)將使各種各樣的發(fā)電和儲能系統(tǒng)容易接入。從小到大各種不同容量的發(fā)電和儲能在所有的電壓等級上都可以互聯(lián)，包括分布式電源如光伏發(fā)電、風(fēng)電、先進的電池系統(tǒng)、即插式混合動力汽車和燃料電池。商業(yè)用戶安裝自己的發(fā)電設(shè)備(包括高效熱電聯(lián)產(chǎn)裝置)和電力儲能設(shè)施將更加容易和更加有利可圖。在智能電網(wǎng)中，大型集中式發(fā)電廠包括環(huán)境友好型電源，如風(fēng)電和大型太陽能電廠和先進的核電廠將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。加強輸電系統(tǒng)的建設(shè)，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(zhì)量，特別是應(yīng)對戰(zhàn)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(xué)浩，智能電網(wǎng)：未來電網(wǎng)的發(fā)展態(tài)勢[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009, 33(14):1-5.