近年來，電力系統正面臨著越來越多的挑戰，其中包括全球氣候變暖、能源安全需求壓力和生態文明意識的提升，以及數字化社會對供電可靠性和電能質量的嚴格要求等。為此，我國已經開展了許多與“智能電網”開發和實踐相關的研究。

從電網的角度來說，智能電網的原動力至少包含下述4個方面：

①實現事故擾動情況下大電網的安全穩定運行，降低大規模停電的風險和增強災難性事件后的快速恢復能力;

②實現大量分布式電源(DER)的無縫接入和充分利用;

③高級市場化和需求側管理;

④滿足數字化社會對電網供電的高可靠性、高質量和高效率的要求。

從廣義層面來看，由于智能電網的實施涉及許多技術和商業領域，智能電網的一個關鍵目標是催生新的技術和商業模式，從而實現產業革命。

智能電網涉及許多重要的理念，厘清這些理念有助于科學高效地實施智能電網工程。本文對其中的一些基本理念進行了闡述。

1智能電網最本質的技術特點

智能電網最本質的技術特點是：電力和信息的雙向流動性，并由此建立起一個高度自動化和廣泛分布的能量交換網絡;把分布式計算、通信和互聯網的優勢引入電網，實現信息實時交換并達到設備層次上近乎瞬時的供需平衡。有如下四個方面的特點需要強調。

1.1靈活的網絡拓撲結構和綜合能源及通信系統體系結構(IECSA)

由于DER的廣泛接入，電網(含輸電網和配電網)每條支路的電力潮流都可能是雙向的和時變的，因此，為了使智能電網的潛在效益最大化，配電網拓撲結構應該是靈活的、可重構的，應該使用柔性交直流輸配電裝置和以智能萬用變壓器(IUT)為代表的其他電力電子裝置，其中智能萬用變壓器已被看成智能配電網的基石，在能源互聯網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絡。從底層的傳感器和智能代理開始，能源網和信息通信網將高度融合。

1.2廣泛的分布式電源(DER)

DER包括分布式發電、分布式儲能和需求響應。其中，太陽能、風能和需求響應是按照自然地理學進行分布的。這里“需求響應”的定義是：在正常耗電模式下，終端用戶用電情況能夠隨著零售電價的變化而變化，或當電力零售市場電價過高或電網系統可靠性受到損害時，用戶會減小用電量。因此，如下觀察結果值得注意。

(1)當DER發電接近電力負荷時，功率與能量可以就地消納，因此它可以節省電網的投資、降低網損和電網的運維成本。加之傳統電力價格逐年上升，太陽能光伏發電成本迅速下降，分布式儲能成本也在不斷下降，以燃氣為主的分布式熱電聯產(CHP)系統的能源利用率將會高于80%。這一切預示著分布式發電成本與零售電價之間有望持平。而且分布式發電可以提高對用戶供電的可靠性，增強電網的安全性。因此，世界上與智能電網的開發和實施相關的研究主要是關于分布式發電的。

事實上，天津大學所做的研究已經表明，在當今的中國，從社會總成本的角度看，實施“分布式光伏發電+有源配電網”計劃(例如，給無儲能系統的分布式光伏發電站局部接入有源配電網)比實施一個“大規模集中式可再生能源發電基地+長距離傳輸”計劃(例如，將一個風電與火電結合的大規模發電基地通過±800kV超高壓(UHV)、2000km長距離直流輸電線接入到負荷中心的一個大容量電力系統)所花費的社會總成本要低。

因此，如何處理數以萬計的分布式電力資源并應對其間歇性、多變性和不確定性，同時確保電網的可靠性、人身和設備安全及市場的活力是未來電網發展所面臨的挑戰。

(2)研究表明，電網中存在大量的可平移負荷，這些負荷可與電網友好合作(猶如虛擬電源)，從而實現削峰填谷(可提高資產利用率、提高發電效率和降低網損)并達到設備層次上近乎瞬時的供需平衡(例如，需求響應和負荷控制可能對太陽能和風能等的間歇性、多變性和不確定性發揮補償作用)。與傳統電網把時刻滿足負荷需求作為剛性約束相比，這是革命性的變化。智能電網將通過智慧型電表基礎設施建設(AMI)、即插即用技術和先進的電力市場來協調需求側響應和負荷控制。同時綜合考慮負荷與配電系統的控制和管理。

(3)插電式混合動力電動汽車與智能汽車電網(V2G)技術本身都具備負荷和電源的雙重屬性，它們的充電功率和存儲能量均很大;另外，與分布式光伏發電和風電等相比，這些電動汽車接入電網的位置和容量具有更大的不確定性。一方面，作為一種新型負荷，電動汽車的大量接入使得配電網的負荷增大且特性更加復雜多變，對未來電網的規劃與運行提出了挑戰;另一方面，作為一種儲能裝置，電動汽車又可為電網的削峰填谷和頻率調節等提供重要的潛在調控手段。為此，智能電網應該為電動汽車提供一種即插即用的平臺(包括先進的市場與新型技術支持)。

除了在電動汽車中的應用，分布式儲能也可應用于配電系統的各個環節，以提高系統運行的可靠性、改善電能質量和提高可再生能源的接入能力等。因此，智能電網將為分布式儲能與配電系統間更多的交互與協調控制提供基本的平臺。

令人可喜的是，近年來分布式儲能技術的創新發展十分迅速，有望突破儲能成本過高的瓶頸。

1.3分布式智能基礎設施

(1)在微處理器時代之前創建的電力基礎設施(基于集中規劃和控制)，在很大程度上限制了電網的靈活性，降低了電網的效率、安全性和可靠性。此外，由于未來電網中將接入數量巨大的DER，并且其發電量又難以預測，傳統的集中控制模式將更加難以適用于未來電網的運行。因此智能電網特別是智能配電網將成為分布式智能基礎設施。

如圖1所示，以智能配電網為例，它被分成許多片(cell)。正常運行條件下，兩片之間的交換功率可以根據制訂好的計劃進行調度。每片中有許多由片內通信網絡相互連接起來的智能網絡代理(INA)，如繼電保護裝置和DER等。這些代理能夠收集和交流系統信息，可以對局部控制做出自主決策(如繼電保護)，也可以通過各片配電系統快速仿真與建模(DFSM)協調做出決策(如電壓調節、無功優化和網絡重構等);同時各片之間有通信聯系，各片可以自主做出決策，也可由裝有DFSM系統的配電運營中心協調各片間的決策。此外，輸電網調度中心和由該輸電網供電的配電運營中心之間也有通信鏈接。

裝有輸電快速仿真與建模(TFSM)系統的輸電調度中心，根據區域電力系統的要求協調做出決策，實現跨地理邊界和組織邊界的智能控制，使整個系統具備了自愈能力和韌性。

(2)系統“韌性”包括承受蓄意攻擊、偶然事故或自然發生的威脅或事件的能力及從中恢復的能力。這要求我們改變對系統、系統結構和目前研究的許多復雜的交互網絡的認識。如圖1所示的分布式智能基礎設施能夠對前述的擾動做出自愈的響應，在緊急狀態下，它能分片實現“自適應孤島運行”，并使整個系統快速恢復正常運行，從而提高系統韌性并將電力系統的停電損失減到最小。

(3)智能配電網的結構與控制策略必須滿足現在電網所不能滿足的兩個基本要求：

綜合考慮終端用戶控制和總體配電系統控制。終端用戶系統除擁有可與電網友好合作的可平移負荷之外，還有分布式發電和儲能、電力調節設備、無功補償設備和能量管理系統。所有這些設備和負荷的控制必須和配電系統控制綜合考慮，以達到系統性能的最優和期望的安全性與電能質量;

(4)圖1中的每一片可以是一個智能微電網(簡稱微網)或含有多個微網的配電網。微網是為滿足一群用戶(小區或城鎮)或單個用戶(如大學、樓宇或企業)能量需求的一種集成系統。微網和分布式發電的關鍵區別在于它有能力進行孤島協調控制。正常運行時，可再生能源的間歇性、波動性和不確定性可在微網內部得到補償，從而盡可能地將它與大電網連絡線上的功率維持在恒定水平，有助于大電網安全運行。因而，對大電網而言它是個“好市民”，在未來它將會更廣泛地存在于智能電網中，研究者也應更加重視如何降低其成本。

1.4信息的實時交換與高度共享

輸電網運行時使用的信息技術與配電網運行時使用的信息技術一樣。實質上，任何智能電網的命脈都是這些用以驅動其運行的數據和信息，而這些數據和信息使開發新的和改進的運營策略成為可能。從電力系統任一層收集到的數據，包括用戶耗電量、配電量、輸電量、發電量和電力市場運營數據，都可能同其他層相關，用于改善其他層的運行狀況。因此，在這些利益相關者之間進行實時和及時的數據共享是智能電網的基本要素。

2智能電網的基本功能和相關技術

智能電網是一個推動者，一個設計良好的智能電網應該有如下基本功能。

(1)便于更廣泛地參與。

能夠激勵電力用戶，及時向用戶提供關于他們電量消耗的詳細信息，以及各種可供用戶選擇的包括實時(或分時)的電價方案;

能容易和透明地接受任何種類的能源;

以大量“即插即用”的DER補充集中式發電，從而創造新的機遇和市場。

(2)提高效率。

終端用戶可以積極參與到成熟、健康和綜合的電力市場中;

提高電能質量，有各種各樣的質量/價格方案可供選擇;

優化資產利用和高效運行。

(3)提高可靠性和韌性。

自愈，即發生故障時系統可自愈，以降低停電影響;

抵御攻擊，即遇到攻擊或自然災害時具有快速恢復供電的能力。

除上述三種基本功能外，智能電網還有一些其他基本功能，在這里不一一贅述。

為了實現上述功能，需要通過創新引入新的技術和新的商業模式。這些技術包括：

(1)智能電網技術，包括電網廣域監視(電網廣域監測系統/相量測量裝置(WAMS/PMU)和態勢感知)與控制系統、信息和通信技術(ICT)的集成、可再生能源和分布式能源發電的集成、輸電網的擴展應用(如柔性交直流輸電技術)、靈活的配電網絡拓撲結構和先進的配電網管理技術、AMI和用戶側管理系統等。

(2)智能電網可帶動的技術，包括風力發電機組、光伏發電裝置、電動車輛充電基礎設施、綠色節能建筑和智能家電等，其中電動汽車和綠色建筑可能成為智能電網最重要的應用。

(3)為智能電網創建平臺的技術，包括綜合的通信技術、傳感和測量技術、儲能技術、電力電子技術、診斷技術和超導技術等。

為了加速智能電網的實現，在智能電網中將應用工業界最好的技術和理念，如開放式的體系結構、互聯網協議、即插即用技術、共同的技術標準、非專用化和互操作性等。事實上，有些技術已經在電網中得到了應用;但只有在體現智能電網的雙向數字通信和即插即用能力的時候，這些技術的潛能才能得到充分的利用。

3需特別注意的事項

3.1智能電網的效益是廣泛而巨大的

根據美國電力研究協會2011年的報告，預計2010—2030年，美國實現電網的現代化所需的成本為3380億~4760億美元;而這20年內的效益估計為12940億~20280億美元，是投資成本的2.8~6倍。我國智能電網發展戰略的實施不僅能使我們獲得高安全性、高可靠性、高質量、高效率和價格合理的電力供應，還能提高國家的能源安全保障能力并改善環境，推動可持續發展，同時能夠激勵市場發展與創新，從而提高國家的國際競爭力。

3.2智能電網所面臨的挑戰和研發機遇是巨大的

智能電網面臨的挑戰極其廣泛，涉及許多技術性、體制性和社會性問題;電網的變遷必將改變整個行業的商業模式。厘清其發展過程中的關鍵性障礙將有利于智能電網最大限度地發揮其潛能。這些挑戰帶來了前所未有的機遇。

3.3一個整體良好的環境是智能電網發展的必要條件

(1)制訂法律、政策、標準和發展路線圖。智能電網的性質決定了其參與者不再局限于電力公司和電力設備廠商，還應包括廣大消費者和眾多其他行業;而且其組織、研發和實施均十分復雜。因此，需要由國家盡早制訂相應的法律、政策、標準和發展路線圖，以鼓勵、支持和指導更多的企業和人群的參與。

(2)開放先進的電力市場。為了激勵在智能電網方面的創新，亟需建立一個成熟、健康、綜合的電力市場。其中包括：實施分時或實時電價，使電能作為商品的市場價值得到合理的體現;制訂政策，鼓勵分布式電力和能源的所有者將電賣給電網公司，促進清潔能源的供應(以固定價格)，以及確保電力公司和其他投資者的智能電網投資成本的回收等。

(3)智能電網與互聯網。事實上，智能電網是一個跨學科的產物，其互聯網思維與生俱來。1925—1950年，區域互聯電網的思想誕生并得到極大的推廣。事實上它已具有了互聯網的四個基本性質，即互聯、開放、對等和分享。智能電網愿景的最終實現需要引入互聯網領域最新的技術與理念。為了加速智能電網的創新，能源領域的科學家和工程師們需要與通信、信息等互聯網領域的同行密切合作，使用共同的語言和協議，這樣可以最大程度發揮智能電網的潛能，從而為人類提供廣泛的社會和經濟效益。

3.4智能電網的近期目標和遠期目標

智能電網將像互聯網一樣改變著人們的生活和工作方式。由于智能電網需要持續的研發和顛覆性的技術突破，所以智能電網的實現將是一個較為漫長的過渡和與多種技術長期共存的過程(回顧一下互聯網的發展歷史就會明白)。短期內可以著眼于實現一個較為智能的電網，即利用已有的或即將形成的技術使目前的電網更有效，使其在提供優質電力的同時創造較大的社會效益(如改善環境)。

3.5重視效益

智能電網的不斷發展需要進行持續的研究以預測不斷變化的需求，評估不斷變化的收益和成本。在實施智能電網時，需要時刻考慮所做的工作是否適用于市場?能否激勵用戶參與?是否可實現資產優化?是否能夠獲得高效運行?電力公司和監管機構應該持續地向消費者證明：智能電網的效益最終會超過其成本的投入。