智能電網涉及的關鍵技術及應用

智能電網的技術概況

智能電網是為了實現能源替代和兼容利用，它需要在創建開放的系統和建立共享的信息模式的基礎上，整合系統中的數據，優化電網的運行和管理。它主要是通過終端傳感器將用戶之間、用戶和電網公司之間形成即時連接的網絡互動，從而實現數據讀取的實時（real-time）、高速（high-speed）、雙向（two-way）的效果，整體性地提高電網的綜合效率。它可以利用傳感器對發電、輸電、配電、供電等關鍵設備的運行狀況進行實時監控和數據整合，遇到電力供應的高峰期之時，能夠在不同區域間進行及時調度，平衡電力供應缺口，從而達到對整個電力系統運行的優化管理；同時，智能電表也可以作為互聯網路由器，推動電力部門以其終端用戶為基礎，進行通信、運行寬帶業務或傳播電視信號。

2009年6月27～28日，第一屆智能電網研究論壇在天津大學召開。論壇共安排了十四個學術報告，從智能電網的基本理念、技術組成、設備需求等多個角度對我國智能電網的建設和發展進行了探討。天津大學余貽鑫院士的報告為“智能電網的原動力、技術組成和實施路線”。報告中提出，系統安全穩定運行、需求側管理、分布式電源等是推進智能電網建設的原動力。智能電網是綜合應用通訊、高級傳感器、分布式計算等技術，提高輸配電網絡的安全性、可靠性和效率。

華中科技大學程時杰院士在“儲能技術及其在智能電網中的應用”的報告中指出，在可再生能源發電所占比例較大的電力系統中，儲能技術的應用是解決如何保證系統正常運行這個難題的一條可行的途徑。并提出了智能電網對儲能系統的基本要求，即足夠大的儲能容量、足夠快的功率響應速度、足夠大的交換功率、足夠高的儲能效率、足夠小的放電周期、足夠長的使用壽命、足夠小的運行費用。

天津大學電氣與自動化工程學院院長王成山教授作了“分布式電源、微網、智能配電系統”的報告，分別對分布式電源、微網和智能配電系統的關鍵技術、應用以及存在的問題進行了介紹，并分析了三者之間的關系。山東理工大學徐丙垠教授的“智能配電網中的配電自動化技術”、加拿大卑詩省水電公司欒文鵬的“高級量測系統”、國家電網需求側管理中心陳江華的“我國需求側管理實踐成效與展望”、ABB公司劉前進的“智能電網—遠景，技術與應用”等，都從不同角度分析和探討了智能電網的技術特點、實現方式和發展前景。

2智能電網的關鍵技術

我國數字化電網建設涵蓋了發電、調度、輸變電、配電和用戶各個環節，包括：信息化平臺、調度自動化系統、穩定控制系統、柔性交流輸電，變電站自動化系統、微機繼電保護、配網自動化系統、用電管理采集系統等。實際上，目前我國數字化電網建設可以算是智能電網的雛形。

2.1參考量測技術

參數量測技術是智能電網基本的組成部件，先進的參數量測技術獲得數據并將其轉換成數據信息，以供智能電網的各個方面使用。它們評估電網設備的健康狀況和電網的完整性，進行表計的讀取、消除電費估計以及防止竊電、緩減電網阻塞以及與用戶的溝通。

未來的智能電網將取消所有的電磁表計及其讀取系統，取而代之的是可以使電力公司與用戶進行雙向通信的智能固態表計。基于微處理器的智能表計將有更多的功能，除了可以計量每天不同時段電力的使用和電費外，還有儲存電力公司下達的高峰電力價格信號及電費費率，并通知用戶實施什么樣的費率政策。更高級的功能有用戶自行根據費率政策，編制時間表，自動控制用戶內部電力使用的策略。

對于電力公司來說，參數量測技術給電力系統運行人員和規劃人員提供更多的數據支持，包括功率因數、電能質量、相位關系（WAMS）、設備健康狀況和能力、表計的損壞、故障定位、變壓器和線路負荷、關鍵元件的溫度、停電確認、電能消費和預測等數據。新的軟件系統將收集、儲存、分析和處理這些數據，為電力公司的其他業務所用。

未來的數字保護將嵌入計算機代理程序，極大地提高可靠性。計算機代理程序是一個自治和交互的自適應的軟件模塊。廣域監測系統、保護和控制方案將集成數字保護、先進的通信技術以及計算機代理程序。在這樣一個集成的分布式的保護系統中，保護元件能夠自適應地相互通信，這樣的靈活性和自適應能力極大地提高可靠性，因為即使部分系統出現了故障，其他的帶有計算機代理程序的保護元件仍然能夠保護系統。

2.2智能電網通信技術

建立高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能電網的基礎，沒有這樣的通信系統，任何智能電網的特征都無法實現。因為智能電網的數據獲取、保護和控制都需要這樣的通信系統的支持，因此建立這樣的通信系統是邁向智能電網的第一步。同時通信系統要和電網一樣深入到千家萬戶，這樣就形成了兩張緊密聯系的網絡—電網和通信網絡，只有這樣才能實現智能電網的目標和主要特征。高速、雙向、實時、集成的通信系統使智能電網成為一個動態的、實時信息和電力交換互動的大型的基礎設施。當這樣的通信系統建成后，它可以提高電網的供電可靠性和資產的利用率，繁榮電力市場，抵御電網受到的攻擊，從而提高電網價值。

　適用于智能電網的通信技術需具備以下特征：一是具備雙向性、實時性、可靠性特征，出于安全性考慮理論上應是與公網隔離的電力通信專網。二是具備技術先進性，能夠承載智能電網現有業務和未來擴展業務。三是最好具備自主知識產權，可具有面向電力智能電網業務的定制開發和業務升級能力。
作為國家電網公司從事骨干信息通信網絡建設、運行管理的直屬公司，國網信息通信有限公司高度重視智能電網建設工作，積極開展相關前期研究工作，并著力推進有關信息通信技術（ICT）的軟硬件產品研發，開展新一代電力信息通信（ICT）網絡模式研究,加快信息通信產業化發展。

電力客戶用電信息采集系統是智能電網的重要組成部分，信通公司積極參與其中與信息通信專業相關的研究，向國家電網公司提交了通信專題技術報告。同時，積極推進產業化進程，進一步完善了用電信息采集主站軟件平臺、基于電力線寬帶通信技術的采集器等產品。

智能電網客戶服務是智能電網用電環節的重要組成部分，是實現電網與客戶之間實時交互響應，增強電網綜合服務能力，滿足互動營銷需求，提升服務水平的重要手段。信通公司將智能電網客戶服務試點分別設立在北京蓮香園小區和阜成路95號院。其中，阜成路95號院試點以光纖入戶為主要特點，以機頂盒和電視機為展現手段，實現三表抄收和查詢、物業、配送、網絡增值等一系列特色服務，體現出良好的交互性和智能化特色。

2.3信息管理系統

智能電網中的信息管理系統應主要包括采集與處理、分析、集成、顯示、信息安全等五個功能。（1）信息采集與處理。主要包括詳盡的實時數據采集系統、分布式的數據采集和處理服務、智能電子設備(intelligentelectronicdevice，IED)資源的動態共享、大容量高速存取、冗余備用、精確數據對時等。（2）信息分析。對經過采集、處理和集成后的信息進行業務分析，是開展電網相關業務的重要輔助工具。縱向包括“發電–輸電–配電–需求側”四級產業鏈業務分析和“國家–大區–省級–地縣”四級電網信息分析。橫向包括發電計劃、停電管理、資產管理、維護管理、生產優化、風險管理、市場運作、負荷管理、客戶關系管理、財務管理、人力資源管理等業務模塊分析。（3）信息集成。智能電網的信息系統在縱向上要實現產業鏈信息集成和電網信息集成，橫向上要實現各級電網企業內部業務的信息集成。（4）信息顯示。為各類型用戶提供個性化的可視化界面，需要合理運用平面顯示、三維動畫、語音識別、觸摸屏、地理信息系統(GIS)等視頻和音頻技術。（5）信息安全。智能電網必須明確各利益主體的保密程度和權限，并保護其資料和經濟利益。因此，必須研究復雜大系統下的網絡生存、主動實時防護、安全存儲、網絡病毒防范、惡意攻擊防范、網絡信任體系與新的密碼等技術。

2.4智能調度技術

智能調度是智能電網建設中的重要環節，智能電網調度技術支持系統則是智能調度研究與建設的核心，是全面提升調度系統駕馭大電網和進行資源優化配置的能力、縱深風險防御能力、科學決策管理能力、靈活高效調控能力和公平友好市場調配能力的技術基礎。
現有的調度自動化系統面臨著許多問題，包括非自動、信息的雜亂、控制過程不安全、集中式控制方法缺乏、事故決策困難等。為適應大電網、特高壓以及智能電網的建設運行管理要求，實現調度業務的科學決策、電網運行的高效管理、電網異常及事故的快速響應，必須對智能調度加以分析研究。

為加快推進智能電網調度技術支持系統總體設計和應用功能規范編寫工作，國網電力科學研究院受國家電力調度中心委托，承擔智能電網調度技術支持系統總體設計工作。2009年7月6日至18日，在國調中心帶領下，國網電科院工作組順利完成智能電網調度技術支持系統總體設計，并討論確定智能電網調度技術支持系統功能規范體系，為一體化智能電網調度技術支持系統的快速有序建設提供指導。國網電科院工作組成員全程參與了智能電網調度技術支持系統基礎平臺和四大應用的總體設計，承擔并順利完成調度計劃應用、安全校核應用和調度管理應用的功能流程和總體設計。

2.5高級電力電子技術

電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行變換及控制的一種現代技術，節能效果可達10%～40%，可以減少機電設備的體積并能夠實現最佳工作效率。目前，半導體功率元器件向高壓化、大容量化發展，電力電子產業出現了以SVC為代表的柔性交流輸電技術、以高壓直流輸電為代表的新型超高壓輸電技術、以高壓變頻為代表的電氣傳動技術，以智能開關為代表的同步開斷技術，以及以靜止無功發生器、動態電壓恢復器為代表的用戶電力技術等。
柔性交流輸電技術是新能源、清潔能源的大規模接入電網系統的關鍵技術之一，將電力電子技術與現代控制技術相結合，通過對電力系統參數的連續調節控制，從而大幅降低輸電損耗、提高輸電線路輸送能力和保證電力系統穩定水平。

　高壓直流輸電技術對于遠距離輸電、高壓直流輸電擁有獨特的優勢。其中，輕型直流輸電系統采用GTO、IGBT等可關斷的器件組成換流器，使中型的直流輸電工程在較短輸送距離也具有競爭力。此外，可關斷器件組成的換流器，還可用于向海上石油平臺、海島等孤立小系統供電，未來還可用于城市配電系統，接入燃料電池、光伏發電等分布式電源。輕型直流輸電系統更有助于解決清潔能源上網穩定性問題。

高壓變頻技術最大的優點是節電率一般可達30%左右，但缺點是成本高，并產生高次諧波污染電網。同步開斷(智能開關)技術是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開或閉合。目前，高壓開關大都是機械開關，開斷時間長、分散性大，難以實現準確的定相開斷。實現同步開斷的根本出路在于用電子開關取代機械開關。

2.6分布式能源接入技術

智能電網的核心在于構建具備智能判斷與自適應調節能力的多種能源統一入網和分布式管理的智能化網絡系統，可對電網與用戶用電信息進行實時監控和采集，且采用最經濟與最安全的輸配電方式將電能輸送給終端用戶，實現對電能的最優配置與利用，提高電網運營的可靠性和能源利用效率。

分布式電源（DER）的種類很多，包括小水電、風力發電、光伏電源、燃料電池和儲能裝置（如飛輪、超級電容器、超導磁能存儲、液流電池和鈉硫蓄電池等）。一般來說，其容量從1kW到10MW。配電網中的DER由于靠近負荷中心，降低了對電網擴展的需要，并提高了供電可靠性，因此得到廣泛采用。特別是有助于減輕溫室效應的分布式可再生能源，在許多國家政府政策上的大力支持下，迅速增長。目前，在北歐的幾個國家，DER已擁有30%以上的發電量分額。在美國DER目前只占總容量的7%，而預期到2020年時這一份額將達25%。

大量的分布式電源并于中壓或低壓配電網上運行，徹底改變了傳統的配電系統單向潮流的特點，要求系統使用新的保護方案、電壓控制和儀表來滿足雙向潮流的需要。然而，通過高級的自動化系統把這些分布式電源無縫集成到電網中來并協調運行，將可帶來巨大的效益。除了節省對輸電網的投資外，它可提高全系統的可靠性和效率，提供對電網的緊急功率和峰荷電力支持，及其他一些輔助服務功能，如無功支持、電能質量改善等；同時，它也為系統運行提供了巨大的靈活性。如在風暴和冰雪天氣下，當大電網遭到嚴重破壞時，這些分布式電源可自行形成孤島或微網向醫院、交通樞紐和廣播電視等重要用戶提供應急供電。

3智能電網的功能實現

目前，智能電網研究較為成熟的主要是美國，美國多個州已開始設計智能電網系統，GE、IBM、西門子、Google、Intel等信息產業龍頭都已投入智能電網業務。

美國能源部中國辦公室的MaitinSchoenbauer出席了2009年6月在天津大學召開的第一屆智能電網研究論壇，介紹了美國智能電網的有關情況。MartinSchoenbauer介紹了“美國能源部智能電網業務”，美國能源部正在發起建立智能電網信息共享交流平臺和信息庫，資助智能電網技術研發項目，并指出清潔能源和智能電網將是中美能源領域合作的重要內容。
美國科羅拉多州的波爾得市是美國第一個智能電網城市。每戶家庭都安排了智能電表，人們可以很直觀地了解當時的電價，從而把一些事情，比如洗衣服、燙衣服等安排在電價低的時間段。電表還可以幫助人們優先使用風電和太陽能等清潔能源。同時，變電站可以收集到每家每戶的用電情況。一旦有問題出現，可以重新配備電力。

在美國西弗吉尼亞州，阿勒格尼電力公司(AlleghenyEnergy)的“超級電路”項目(SuperCircuitproject)把先進的監測、控制和保護技術結合在一起，從而增強供電線路的可靠性與安全性。該電網將整合生物柴油發電、能量儲存以及先進的計量基礎設施(智能儀表)和通信網絡，迅速地預測、確定并幫助解決網絡問題。

美國科羅拉多州科林斯堡（FortCollins）及該市擁有的公用事業公司支持多項清潔能源計劃。其中一項涉及在五個用戶區域內把太陽能和風能等近30種可再生能源結合在一起。該計劃與其他一些分布式供電系統共同支持該市一個稱為FortZED的零能耗區。

美國夏威夷大學(UniversityofHawaii)在研制一個配電管理系統平臺，它采用智能計量作為門戶站，綜合了需求反應、住宅節能自動化、分布式發電優化管理、配電系統的儲存與負荷、允許配電系統與主電網中其他系統協調的各種控制手段。

美國伊利諾伊理工學院(IllinoisInstituteofTechnology)的“完美電力”(PeRFectPower)項目應用先進技術建設微型電網的原型，該微型電網能夠對主電網的變化作出反應，增強電網的可靠性，并降低電力需求。