智能电网的技术体系

肖立业

（中国科学院电工研究所，北京 100190）

1 引言

随着电力在终端能源中所占比例的不断提高，人类社会对电网的依赖程度也越来越高，从而对电网的安全性、可靠性和电能质量提出了越来越高的要求。近些年来，新能源得到了飞速的发展，新能源的规模开发利用将导致发电方式、输配电方式和电能利用方式的重大变革，从而对电网带来新的重大挑战。与此同时，节能减排压力日益增大，提高电网的综合效率和效益也已刻不容缓。以上几个方面的因素，迫使人们思考如何整体提升电网的发展水平来应对这些重大挑战。于是，经过长时间的酝酿和准备，提出了智能电网的思想。近些年来，智能电网的发展日益受到广泛的关注，但是到底什么是智能电网，目前还没有一个统一的定义，不同的学者从不同的角度给智能电网下了不尽相同的定义[1-6]。尽管定义各不相同，但均大同小异。笔者个人认为[7]，从总体上看，电网的发展总是与特定时期的能源体系、技术发展水平和需求相适应的，智能电网的本质就是利用现代信息技术、新材料技术、储能技术和新的电网组织结构等来运行和管理电网，使电网能够大规模地容纳新能源的接入，并使电网更加高效、安全、可靠，从而为实现能源体系的重大变革提供基础，因而智能电网也将是未来能源生产、传输、分配和利用的主体，具有广阔的前景和巨大的产业带动作用。近年来，欧美国家已经纷纷把发展智能电网作为国家战略，并通过建设智能电网示范城市来整体推动智能电网技术和产业的发展，为争夺下一轮经济增长的制高点奠定基础。本文将重点讨论智能电网的目标和技术体系，并就我国智能电网技术发展提出了几点建议。

2 智能电网的发展目标[1-11]

智能电网是因现有电网存在的安全稳定性等问题、新能源的发展和节能减排等的需要而逐渐发展起来的，并将高度集成了信息技术、新材料技术、储能技术等先进技术，其发展目标主要包括：

（1）能够实现电网信息的高度集成和共享，采用统一的平台和模型，实现标准化、规范化和精细化的管理。

（2）支持分布式电源的大量接入，以提高电网的整体性、效率和灵活性；支持大量间歇性电源（可再生能源发电系统）的规模接入。

（3）能够协调发电系统和储能系统的优化选择。

（4）支持大量的电动汽车智能充电设备的接入，并利用电动汽车电池作为储能设备，在系统需要时提供功率支撑。

（5）能够实现自愈并能抵抗攻击和抵御自然灾害，即无论发生什么事故和攻击，电网都能自我保护或自我恢复以保障电网的安全可靠运行。

（6）能够实现发电厂（或设备）与用户的自适应互动，达到能源资源和设备的综合优化利用，提高电网的总体效益。

（7）能够实现终端用户（电力调节设备、补偿设备和用户能源管理系统等）的控制和总体配电系统的控制，取得满足要求的稳定性和电力质量。

（8）支持电力市场和电力交易的有效开展，实现资源的合理配置，降低电网损耗，提高能源的综合利用效率。

3 智能电网的技术体系[1-11]

智能电网不是一门技术，而是众多技术的高度集成。根据智能电网的涵义及其发展目标，智能电网的技术体系将主要包括：

（1）灵活的电力网络拓扑结构。传统的放射状网络不能保障在线路发生故障时快速恢复对负载供电。灵活的可重构的网络结构，是智能电网的物理基础，它使得电网在经历故障时，能够把故障的影响控制在最小的范围，并可以实现快速的供电恢复。为此，在配电系统侧面，需要发展环形配电网、环形母线和分布式微型电网，实现双向潮流控制和电路间的功率交换。在输电系统层面，需要根据可再生能源的分布、负荷分布和储能系统的分布，合理确定输电网的结构及电力输送方式。

（2）高级传感和测量技术。用于实现远程监测控制、分时电价和用户侧管理的快速准确响应，主要包括智能电表，以及广域分布的能够实时监测设备和网络的运行参数、状态参数、故障状态及故障定位的大量传感器和测量单元。传感器和测量单元能够与通信系统有机整合。因此，发展高精度低能耗的传感器及其网络，并实现传感器与测量单元的能源供应（传感器与微小能源系统的结合）是十分必要的。

（3）专用芯片技术。智能电网将采用大量的芯片来武装现有的设备，从而对设备进行智能化升级，使之能够根据电网的需要完成特定的任务，主要包括：智能电表所用的计量芯片、用电设备与控制设备的智能驱动芯片与控制芯片、精确计时用的时钟芯片、设备与传感器的通信系统芯片等。

（4）通信技术。基于统一标准下的开放并高度集成的通信系统，将覆盖从发电机到用户终端的全部范围，可以实现对电网中每一个设备的实时控制和信息交换，电网中的每一部分均可以双向通信。通信网可以对网络智能传感器和控制装置、控制中心、保护系统和用户建立一个安全的“即插即用”的应用环境，并可以实现系统全部参数和状态的可视化。按照不同的层次，通信网包括三个层次：用户户内通信网（HAN）、局域通信网（LAN）和广域通信网（WAN）。HAN通过网关或用户入口把智能电表和用户户内可控的电器或装置连接起来，使得用户能根据电力公司的需要，参与电力市场。LAN连接智能电表和数据集中器，数据集中器可以即时或按照预先设定的时间收集或接收附近电表的计量值或信息，也可以中继数据中心发给下游电表和用户的命令和信息，同时数据集中器通过WAN和数据中心相连。在通信网络中，可以根据通信的具体要求，分别采用不同的媒介来实施通信，如电力线载波通信（PLC）、Zigbee、W/WiMedia/WiFi、因特网（IPv4和IPv6）、光纤以太网、第三代（3G）无线语音和数据通信、无线通信等。

（5）通用信息平台。主要包括电网的数据中心及分布式数据中心的结构、可兼容的功能软件，可以多种通信方式实现数据的动态共享、大容量高速存取、冗余备用、精确数据对时等。基于这个平台，还可以进行发电-输电-配电-用户的产业链业务分析以及国家-区域-地区-局域网络信息分析，并形成发电计划-停电计划-资产管理-生产优化-风险管理-负荷管理-市场管理等。该平台运用平面显示、三维动画、语音识别、触摸屏、地理信息系统（GIS）等视频和音频技术，提供个性化的可视化界面。

（6）网络安全与信息安全技术。由于智能电网是一个高度信息化的电网，电网安全的涵义将不仅仅限于传统意义上，保障其通信网络和信息安全是十分重要的，主要包括：复杂大系统下的网络生存、主动实时防护、数据安全存储、网络病毒防范、恶意攻击防范、信息信任体系、新的密码技术、信息系统实时镜像备用等。

（7）发电功率与负荷的短期预测技术。强大的预测与预警能力是智能电网的重要特征。预测预警以高性能传感、测量、通信和信息处理为基础，可实现信息的短时甚至超时的预测和预警，主要包括：各类负荷的短期预测、气象短期预测、可再生能源的发电功率短期预测等。

（8）电网实时仿真与模拟技术。实时仿真与模拟是包含状态评估、风险评估、控制与优化的计算与软件系统，它不仅仅限于对紧急情况做出快速反应，而且能为电网提供强大的数学支持。实时仿真与模拟技术建立在信息获取（传感与测量）和通信及信息平台的基础之上，能够对所有设备（发电、输配电、用电、功率变换）和网络进行建模，利用超级计算或针对电网的具体结构，采用分布式网络计算（或者云计算）的方式来实现。通过仿真和模拟，并结合专家系统，可以获得电网在不同状态下的优化运行方案，可对可能出现的问题（如稳定裕度不足、阻尼和备用不足等）进行预测并提前给出相应的优化解决方案，从而改善电网稳定性、安全性、可靠性和整体效率效益。

（9）电力电子与控制技术。电力电子与控制技术是实现优化运行方案的关键。主要包括高级电力电子器件（如新型SiC器件、GaN器件、VCD金刚石器件等）、多功能固态开关、智能电子装置、柔性交流输（配）电装置（FACTS和D-FACTS）、故障电流限制器、智能万用变压器等。智能电网可以采用新的控制逻辑，使这些控制装置协同运行，从而实现集成控制，以全面提高电网的输送能力、安全性、可靠性、稳定性和电力质量。

（10）数字式电力设备。主要是利用传感技术、仿真技术、通信技术和嵌入式系统，对电力设备进行数字化智能化升级，使得运营商能够准确识别电力设备的运行状态、运行能力、过载能力、故障发生的可能性及对这些设备进行寿命评估。数字式电力设备包括变压器、电抗器、开关、输配电线路等，也可以包括数字变电站。数字式电力设备实现的关键是采用合适的传感技术和精确的仿真模型和评估模型。

（11）分布式电力技术。由于分布式电源靠近负荷，因此可以减少电网扩展输送容量的需求，并提高了供电可靠性和电能质量，从而带来很大的综合效益。分布式电源是智能电网的重要物理基础之一，可以通过新的网络结构和控制运行方式与配电网高度整合。分布式电源可以是各种靠近用户的可再生能源电源（如小水电、风电、太阳能、小型燃气轮机、生物质、海洋能等发电），也可以是储能系统，还可以是电动汽车的充电站。多个分布式电源，通过协同控制，还可以充当一个发电厂（虚拟发电厂）。

（12）大型可再生能源电站并网技术。由于可再生能源与传统能源有很大的不同，其并网技术是制约可再生能源规模开发利用的瓶颈。对于大型的可再生能源电站，要从电网的统筹规划、协调调度、旋转和储能备用、无功补偿技术、大型可再生能源电站对电力系统稳定性的影响、大型电站的数学建模与整体协调控制、继电保护协调配合等方面入手。

（13）储能技术。现有电网的功率瞬态平衡主要是通过机组惯性来实现的。由于可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点，因此，未来智能电网没有储能系统作为支撑是难以想象的。储能技术，除了包括高效高密度的储能单元（如化学电池、飞轮、超级电容器、超导储能、燃料电池等）技术外，还包括大型储能电站的拓扑结构及其整体协调控制技术，大型抽水储能电站和集中式电动汽车充电站或电动汽车充电站网络也是重要的发展方向。

（14）超导电力技术。超导电力技术主要是基于超导无阻高密度载流能力发展起来的应用技术，主要包括超导输电电缆、超导限流器、超导变压器、超导电机和超导储能系统。超导电力技术在提高电网输送容量和电力系统稳定性、降低网络损耗、改善电能的质量、提高电网安全可靠性、降低气设备的占地面积等多方面具有显著的优势，因此被美国能源部誉为21世纪电力工业的惟一高技术储备。美国能源部在Grid2030计划和2009年出台的智能电网项目中，均把超导电力技术作为重要的发展方向。

（15）先进材料技术。先进的材料是智能电网的物质基础。今后一段时间内，围绕智能电网的发展需求，应重点研究发展的材料技术包括：电池用高效能源材料（如燃料电池及高容量储氢用关键材料、超级电容器电极材料及介质、高效电池材料）、先进导电材料和绝缘材料、高温超导材料、高强度高电导材料、先进绝缘材料与低温绝缘材料、先进传感器材料（如高效热电转换材料、压电材料、巨磁阻材料、抗机械应力和温度变化的光纤材料）等。

4 我国智能电网技术发展的有关建议

智能电网将是能源生产、分配和利用的主体，事关国家重大战略和整体安全，是下一轮经济增长的制高点之一，因此智能电网技术的发展应该由国家组织进行顶层设计。智能电网涉及的技术和产业很多，不是一家或者几家单位能做好的事情，需要积极推动全社会的广泛参与。

新能源规模开发利用对电网带来的影响是根本性的挑战，因此智能电网的发展要以促进新能源规模化利用为重心，不仅要考虑大型可再生能源系统的接入问题，也要充分考虑分布式能源和电动汽车的发展问题。为了能够更好地推进我国智能电网技术和产业的发展，应在国内选择有代表性的城市或者关键环节，通过建设示范城市和示范点，整体推进智能电网技术和产业的发展和形成。

[1] Research Reports International, Understand the S mart Grid [R], August 2007.

[2] 陈树勇等. 智能电网技术综述[J].电网技术,2009,33(8):1.

[3] 余贻鑫,栾文鹏.智能电网概述.第一届智能电网研究学术论坛会议资料.天津大学,2009:236.

[4] 余贻鑫.智能电网的技术组成和实现顺序. 第一届智能电网研究学术论坛会议资料.天津大学,2009:243.

[5] 胡学浩.中国电力科学院学术报告, 2009.6.

[6] 王明俊.智能电网的推动因素、研发路线和难点问题.第一届智能电网研究学术论坛会议资料.天津大学,2009:334.

[7] 肖立业.智能电网发展报告.高技术发展报告, 2010版, 科学出版社即将出版.

[8] 美国能源部. 2003年, Grid 2030, http://electricity.doe.gov.

[9] 张文亮等. 智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术,2009,33(13):1.

[10] 钟金等. 建设信息时代的智能电网.第一届智能电网研究学术论坛会议资料.天津大学, 2009:379.

[11] 王成山. 可再生能源与分布式发电接入技术研究.第一届智能电网研究学术论坛会议资料. 天津大学,2009:248.