智能电网的研究与应用

齐佳鑫

(广西电网公司柳州供电局，广西 柳州 545005)

1 前言

目前，电力行业的发展面临投资效率低、供电可靠性差、应变突发事故能力差、环境破坏严重等诸多问题。欧美等发达国家认为解决这些问题的最佳办法是建设一个基于全新技术和构架的更可靠、更坚强、更经济、更高效、更为环境友好、使用更安全的“智能电网”［1］。一时间，世界许多国家争相开展智能电网的建设。我国对智能电网的研究可以说是起步比较早的，文献［2］在2000年就提出了数字电力系统这一概念，与智能电网如出一辙。文献［3］在2007年提出了“数字南方电网”的构想。在2009年特高压输电技术国际会议上，我国提出了统一坚强智能电网概念，它是以统一规划、统一标准、统一建设为原则，以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的国家电网，其中坚强是智能电网的基础，智能是坚强电网充分发挥作用的关键，两者相辅相成，协调统一［4］。我国政府大规模的投资计划保证了2020年前将全面建成智能电网。

2 智能电网的概念及功能

由于智能电网正处于开始研究和开发阶段，各国研究机构、电力公司、专家等对其没有统一而明确的定义。2001年，美国电科院最早提出“Intelligrid”概念。2005年，随着“智能电网欧洲技术论坛”的正式成立，提出了SmartGrids(智能电网)概念，并在2006年推出了研究报告［5］，全面阐述了智能电网的发展思路。2008年美国能源部也采用SmartGrids概念出版了一份报告［6］。目前SmartGrids这个称谓已被全世界普遍采用。简单地说，它是一种以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成的新型电网，具有提高能源效率、减少对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少输电网的电能损耗等诸多优点［7］。一般来说，智能电网具有以下功能特点［5－13］。

2.1 坚强

无论是电网发生大扰动和故障还是计算机遭到外部攻击，智能电网均能保持对用户的供电能力，保证电网的安全运行。

2.2 自愈

自愈智能电网是实现安全可靠运行的主要功能，指对电网的运行状态进行在线自我评估，及时发现、快速诊断和消除故障隐患，避免对用户的供电中断。

2.3 兼容

传统电力网络主要是面向远端集中式发电，智能电网能够同时适应集中发电与分布式发电模式，支持可再生能源的正确、合理的接入，从而满足用户多样化的电力需求。

2.4 互动

完全竞争性的电力市场要求用户侧支持双向通信，即用户可以通过智能电表实时获取用电信息和实时变化的不同供电商的电价，真正实现全国范围内电力市场完全竞争，更好地激励电力企业参与电网安全和质量管理，从而提升电力系统的安全运行水平和电能质量。

2.5 优化

使用先进的信息和监控技术优化设备和资源的使用效益，合理地安排设备的运行与检修，提高资产的利用效率，降低投资成本和运行维护成本。

2.6 集成

通过不断的流程优化、信息整合，实现监视、控制、维护、能量管理(EMS)、配电管理(DMS)、市场运营(MOS)、企业资源规划(ERP)等和其他各类信息系统之间的综合集成，并实现在此基础上的业务集成，不断提升电力企业的管理效率。

3 我国发展智能电网的动因及现状

3.1 我国发展智能电网的动因

随着能源安全与气候变化逐渐成为一个全球性问题，智能电网成为当今电网发展变革的最新方向。我国国家电网研究院副院长胡兆光指出，推动可再生能源的优化配置是发展智能电网的主要目的之一。我国以火力发电为主，使得煤炭资源的消耗非常巨大，而广泛分布于中西部的风力、水力等可再生能源却得不到有效利用，同时75%以上的能源需求又集中在东部、中部地区，一次能源资源与生产力布局非常不平衡，从此国情出发，建设具有坚强骨干网架的智能电网，不但能解决各种大规模清洁能源的接入和输出给电网安全稳定运行带来的诸多问题，而且可以最大限度地发挥电网资源的优化配置，提高电力系统运行效率。此外，由于我国电工行业核心竞争力不强，发展智能电网将带动电力、电子、信息、通信、传感器和储能等诸多高新技术领域的发展，对加速我国技术创新、推动产业结构调整有着深远的影响［14］。

3.2 我国智能电网的发展现状

我国对智能电网的研究可以追溯到1999年，清华大学提出“数字电力系统”的理念。2005年国家电网公司实施“SG186”工程，开始进行数字化电网和数字化变电站的框架研究和示范工程建设;2007年10月，华东电网率先开展了智能电网可行性研究，并规划了从2008年至2030年的“三步走”战略，在2008年全面启动了以高级调度中心项目群为突破的第一阶段工作，以整合提升调度系统、建设数字化变电站、完善电网规划体系、建设企业统一信息平台为4条主线，力争到2010年全面建成华东电网高级调度中心［15］。同年，上海市电力公司在智能表计、配电自动化以及用户互动等方面开展了智能配电网研究，华北电网公司也启动了数字电表等用户侧的智能电网相关实践。2009年2月，华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组的验收［16］，该系统首次将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成，调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换，便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。2009年5月，在2009特高压输电技术国际会议上，国家电网公司发布了建设中国坚强智能电网的发展战略，提出建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制等技术，构建以信息化、自动化、数字化、互动化为特征的国际领先、自主创新、中国特色的坚强智能电网［4］。

在网架建设方面，2009年1月初，中国首个特高压输变电工程—晋东南－南阳－荆门1000kV特高压交流试验示范工程投入商业运营，该工程全长640km，是目前世界上运行电压最高、输送能力最大、代表国际输变电技术最高水平的特高压交流输变电工程。2009年12月，南方电网±800kV云广特高压直流输电示范工程单极顺利投产，形成了“五条直流、八条交流”13条500kV西电东送大通道，每条都在1000公里及以上，最大输电能力超过2300万kW，是国内西电东送规模最大、效益最好、发展后劲最强的电网。按照规划，国家电网公司将在2020年前后基本形成覆盖华北、华中、华东地区的特高压电网，实现“西电东送，南北互供”［17］。

4 智能电网的组成

智能电网作为一个完整的电网系统，应包含智能发电系统、智能输电系统、智能配电系统、用户侧智能电表全部环节。

4.1 智能发电系统

传统火力发电消耗了大量的煤炭资源，运行成本高、损耗大，对环境污染严重，然而广泛分布于中西部的风力、水力等可再生能源却得不到有效利用，在发电过程中造成了浪费。智能发电系统应在提高火力发电效率、降低火力发电比例的基础上，增加核电比例，并接入风电、水电、太阳能等可再生的分布式电源，以提高系统的整体性、效率和灵活性，可以通过协同的、分布式的控制来优化系统性能，从而在发生重大系统故障时可利用它们进行局部供电(微型电网)［12］。

4.2 智能输电系统

在我国，80%以上的煤炭、水电和风能资源分布在西部、北部地区，而75%以上的能源需求则集中在东部、中部地区，一次能源资源与需求侧布局非常不平衡，这就决定了我国将来的能源供应要形成在全国范围内资源优化配置的发展格局，所以对于我国来说建设智能输电系统更为重要。智能输电系统应包括智能变电站，智能输电线路，智能输电通讯系统，智能控制中心。

4.2.1 智能变电站

智能变电站作为智能输电系统的重要组成部分，在电力系统中起到变换电压、接受和分配电能、控制电力流向和调整电压的作用。近年来，随着数字化技术的不断进步和IEC61850标准在国内的推广应用，变电站自动化系统发生了重大技术变革，数字化变电站试点建设在国内迅速展开，为我国智能电网建设打下了良好的基础。智能变电站应在此基础上向高度集成化、数字化、信息化和标准统一化的方向发展［18］。

(1)变电站集成化

数字信号处理芯片(DSP)、高速数据采集系统、嵌入式实时操作系统、大容量Flash和可编程逻辑器件CPLD等以及模块化技术的应用，使得保护和测控装置能力更强、更加集成。

(2)变电站数字化

智能变电站的数字化平台既可以使变电站独立于控制中心和其他变电站运行，又可以与其他站以及控制中心互相通信，并可实现智能测量。

(3)变电站信息化

基于全球定位系统(GPS)的PMU在电力系统的广泛应用，形成了电网的WAMS。通过高速通信网络，WAMS能够实现广域电网运行状态的在线同步测量和相量数据的汇总，进而为电网全局电压稳定性在线同步监测创造了条件。

4.2.2 智能输电线路

智能输电线路需要新型复合导线技术、柔性交流输电技术、柔性直流输电技术以及特高压输电技术的应用。新型复合导线技术主要包括高温超导技术和碳纤维复合材料技术;柔性交流输电技术(FACTS)是将电力电子技术、微机处理技术和控制技术应用与输变电系统，以提高输电系统的可靠性、可控性、运行性能和电能质量，我国已成功自主开发了固定串补装置(FSC)、可控串补装置(TCSC)、静止无功补偿装置(SVC)、可控并联电抗器(CSR)和静止同步补偿装置(STATCOM)等装置;柔性交流输电技术相比传统的直流输电技术具有设计紧凑化、模块化，易于调试、维护和扩展等优点［19，20］。

4.2.3 智能输电通讯系统

高速、全面集成的双向通信构架使智能输电系统成为动态、交互、实时的功率交换网络。智能输电通信系统应具有如下特征［21］。

高速率——支持输电系统新的保护和控制应用所需要的高速、实时通讯。

高带宽——支持输电系统开展新业务和新功能所需求的高带宽和高数据传输速率。

高覆盖——支持所有相关场所的实时监视和控制功能。

高可靠——部分网络损坏后，通讯网仍能继续运行。

大容量——为满足电网规模的不断扩大和电力系统的实时要求，智能装置对信息的抽样必须在几ms内完成，导致通信网络交换数据的容量和抽样速率大幅增加。

开放性——具有即插即用功能，使电网元件之间能够进行网络化通讯。

统一性——可实现设备和设备之间、设备和系统之间、系统和系统之间的互操作功能。

4.2.4 智能控制中心

智能控制中心是智能输电系统的中枢，它将通过结合智能化的 EMS、DMS、SCADA、虚拟电厂、微型电网等技术，来实现以下功能:广域同步信息采集、可视化互操作平台、准确的预测功能、交易与调度功能、快速安全稳定分析功能、智能保护整定、预警报警与事故处理和控制中心的镜像备用等。在实际研究中，以分层分区的原则，根据不同级别的控制中心的权责和需求，对国家、大区、省地市的控制中心功能进行有针对性的设计［18］。目前，我国已经开始了高级调度中心建设。

4.3 智能配电系统

配电系统作为电力系统的最后一个环节直接面向终端用户，它的完善与否直接关系着广大用户的用电可靠性和用电质量，智能配电系统是综合了传统和前沿配电工程技术、高级传感和测控技术、现代计算机与通信技术的配电系统，它比传统的配电系统更加安全、可靠、优质、高效，而且支持分布式电源的大量接入。智能配电系统应包含系统的监视与控制、配电系统管理功能和与用户的交互(如负荷管理、量测和实时定价)。通过与智能电网的其他组成部分的协同运行，智能配电系统既可改善系统监视、无功与电压管理、降低网损和提高资产使用率，也可辅助优化人员调度和维修作业安排等。比如，一个智能配电系统在特定情况下可以形成一个微电网，它可以使用它本地的分布式电源，在数秒钟内反应来满足外部输配电网络的需求;对用户来说，微电网可以增加本地可靠性，降低馈线损耗，保持本地电压，提供更高的效率，保证电压降的修正或者提供不问断电源［22－24］。

4.4 用户侧智能电表

我国对智能电表的研究和应用虽然取得一些成绩，但也只是停留在简单的远程用电数据信息采集，这与智能电网高级计量的要求还有很大差距。在智能电网中的智能电表应具有以下基本功能［24］。

数据获取功能:一方面用户可以通过智能电表获取用户各用电设备的实时用电信息(包括有功、无功、功率因数、电压、电流)和工作状态;另一方面还可以通过电表的网络功能实时接收电网实时电价、电网频率、谐波情况等信息。

用户能量管理功能:用户根据不同电器的具体情况进行分级，在系统负荷高峰期、电价较高的情况下优先保证实时性强、耗电量低，对用户影响大的电器用电;在系统负荷低谷，电价较低的时候开启热水器、烘干机等大容量设备。

数据分析功能:根据各用电设备的历史用电记录进行分析，给用户提供详尽的分析报告。

遥控、遥调功能:通过内部通信网络对各类用电设备下达遥控、遥调的指令，使其能够根据电网状态调整用电情况。

远程管理功能:在用户不在家，可以启用远程管理功能查看用电状态，调整用电策略。

高级功能:利用人工智能技术构建家庭电力消耗模型，利用优化技术对模型进行优化，最终给出家庭用户电力使用建议。

此外在用户同意的前提下，智能电表所收集的用户用电数据还可上传至智能配电系统，用于分析本区域用户用电情况、特性和模态。这些分析结果可用于配电网络检修计划的制定，网络规划以及电价定价策略等方面，这对电网公司提高电网的使用效率，减少损耗起到了重要的作用。

5 结语

智能电网建设是一项复杂的系统工程，对我国社会经济发展、环境保护和节能减排等具有重大意义。我国对智能电网的研究和实践正处于起步阶段，有很多技术问题有待解决，应在吸取欧美等国家先进技术、经验的基础上，结合我国电网自身条件，建设符合我国电网构架的智能电网。

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