智能电网及其关键技术综述

薛春（天津滨江世纪广场有限公司，天津，邮编： 300021）

1 智能电网的特征及发展现状

1.1 智能电网的内涵和特征

目前对于智能电网尚未有统一的定义，但一致认为智能电网是一个中长期的目标和愿景(v i s i o n o文献[13—15]主要强调了突出自愈功能的智能电网，文献[16—171提出了智能配电网的定义，认为研究重点关注的应为配电网；文献[18—20]阐述了一种将信息与通信、控制技术集成到电力系统所有相关环节，覆盖从需求侧到发电侧以及电力市场的全面智能电力网络。但也有能源专家认为“互动电网”更能体现下一代电网的特征。

1）自愈的电网(包括对事故的预测与决策）。通过实时采集电力系统的动态信息，及时发现并快速诊断可能存在的隐患，预测故障及其可能引发的系统震荡和级联事件，进行风险评估并且采取预防和校正控制手段，如将大电网按照风险等级适当分区等；当故障发生后，迅速把电网中有问题的元件从系统中隔离出去，并自动进行必要的事故控制和恢复控制，保证用户供电的连续性，防止大面积停电．的发生

2）互动的电网。与传统的“单向电网”相比，智能电网将实现需求侧响应功能，鼓励用户参与电力系统的运行和管理。电力供应方与用户问建立双向实时的通信系统，可实时通知用户其电力消费的成本、实时电价、电网目前的状况、计划停电信息以及其他一些服务的信息，从而用户也可以根据这些信息制定自己的电力使用的方案，有助于平衡供求关系，确保系统的可靠性。

3）安全的电网。智能电网的安全策略包含应付威慑、实现预防、检测和反应，以尽量避免和减轻事故对电网和经济的影响。智能电网需要通过加强电力企业与政府之间的密切沟通，并且在电网规划中强调安全风险，加强电网运行安全和网络安全等手段，提高智能电网抵御风险的能力。

4）优质的电网。新型的智能电网可提供满足不同用户需求的优质电能，并且能对电能质量进行分级和价格联动。

5）高效的电网。通过高速通信网络实现对运行设备进行在线状态监测，获取设备的运行状态，提高单个资源的利用效率，整体优化调整电网资产的管理和运行，实现最低的运行维护成本及投资。

6）市场化的电网。智能电网通过市场上供给和需求的互动，将形成更为紧密与高效的市场行为模式；通过有效的市场设计可以提高电力系统的规划、运行和可靠性管理水平，从而促进电力市场的自由买卖以及公平竞争。

7）兼容的电网。智能电网打破了传统单一的远端集中式发电，而实现集中发电与分散发电的兼容。各种可再生能源分布式发电和储能系统以“即插即用”的形式接人，扩大了系统运行调节的可选资源范围，满足电网与自然环境的和谐发展。

8）多元化的电网。以输配电网为物理实体，以集成、高速、双向的通信网络信息系统为平台的智能电网，将电力系统的监视、控制、维护、能量调度、配电管理、市场运营、企业资源计划等系统统一集合在智能电网大平台上，在此基础上实现各种业务的交互与集成。

1.2 各国智能电网发展现状

目前智能电网建设正处在初始阶段。由于不同国家的经济与发展条件的不同，各国都结合本国的特点来规划和发展智能电网，因此其发展重点和步骤也不相同。

欧美等发达国家的高科技产业发达，负荷增长相对较小，输电网架构变化较小，电力工业已步人成熟期，在过去一段时间内电力投资相对较少。但近年的大停电事故使政府对电网安全可靠运行重新予以重视。同时为了最有效地利用资源，这些围家关注的重点是停电时间最小化和市场效益最大化，更多地从市场、安全、电能质量和环境等方面出发，重点强调信息技术与电网的结合及基于信息的业务重整。许多研究侧重从用户端来考虑智能电网的功能，来建立一个高效、安全、环保、灵活和互动的智能电网。

美国的智能电网突出可再生能源和新技术应用，并力求将分散的智能电网集结成全国性的先进电力网络，实现全国范围内的发输配和用电系统的优化运行和管理，同时进一步考虑与加拿大、墨西哥等地电网互联和优化合作。

目前，英、法、意等国都在加快推动智能电网的规划和建设。欧洲智能电网计划将广域电力输送网络技术与智能电网结合形成广域智能网络，最终范围将覆盖到欧盟、北非、中东等国家和地区。

在亚洲经济发达的日本和韩国相继开展了智能电网的研发。日本政府所定义的智能电网重点在大规模开发太阳能等新能源，确保电网系统稳定。日本政府计划于2010年开始在孤岛进行大规模的智能电网建毅试验，主要研究在大规模利用太阳能的情况下，如何统一控制电力和频率的波动，以及储能技术等课题。2009年3月，东京工业大学成立了“综合研究院”，并拟进行可再生能源如何与电力系统相融合的智能电网项目。

2 智能电网的关键基础技术

美国能源部下属国家再生能源实验室(N R E L）认为智能电网具有如下的特性：具有先进的测量、监视、保护和控制的功能；更加安全、可靠、经济和环保。智能电网的关键基础技术包括集成的通信技术、先进的传感和测量技术、先进的电网设备、先进的控制技术以及决策支持和可视化的人机接口技术。

2.1 集成的通信技术

智能电网的通信系统将集成各种通信技术，并可采用开放式的通信网架，具有高速、集成、兼容、双向的特质，可以动态响应实时信息与功率交互，为智能传感器和控制装置、控制中心、保护系统和需求响应系统提供一个安全的“即插即用”的网络平台。

2.2 先进的传感与测量技术

该技术是智能电网信息的基础，主要用于智能仪表、广域测量系统和电网设备在线监测方面。

2.2.1 智能仪表

智能电网中的智能仪表(Smart Meter）采用先进测量架构(AMI）新技术，除测量功能以外，还可提供实时电价、供求状态等更详尽的用电信息。AMI也引领着未来的自动抄表技术和智能住宅技术的发展。

2.2.2 广域测量系统(WAMS）

广域测量系统是由基于全球定位系统(GPS）的同步相量测量装置PMU群及其通信系统组成。它可以动态地测量和计算电力系统的运行状态相量和发电机功角。在WAMS基础上结合先进的控制理论和智能技术开发的广域保护和控制系统可以快速分析系统状态，鉴别其安全性。在存在风险的情况下，广域保护和控制系统可通过切机、切负荷、主动解列和灵活分区等安全控制措施，制止级联跳闸和缩小停电范围，还可从集中监视控制发展到分布协调控制。作为自愈电网计划的一部分，WAMS及其应用已成为电网安全控制的研究热点。

2.2.3 电网设备的在线监测

该技术包括电气量以及非电气量的监测。电气量监测主要通过监测电网设备的电流、电压、相角、功率、功率因数等运行状态量；非电气量监测则包括监测电气设备中的介质的压力、流量、气体成分、温度等。采用先进的传感器通过对以上各状态量的监视，可完成电网设备的在线诊断，为实施电网设备的状态检修和管理提供必要的信息。现时采用电网在线监测技术的应用主要包括变压器在线监测、断路器状态监测以及线路容量动态监测等。

2.3 先进的电网设备技术

先进的电网一次设备是智能电网实现的物理基础。以下4个方面的电网设备技术发展值得关注：再生能源发电和运行技术；电力电子技术；大容量储能技术；超导技术。

应当指出，超导技术对于低能耗大容量输电有重要意义，而电力电子技术和新型储能技术对提高输配电网的可控性和稳定性起重大作用，并可使风能等新能源引起的发电功率和频率不稳定等问题得到解决。另外，在配电系统中的新型的储能设备，如混合动力汽车充电站及充电电池，也是目前智能电网研发中的热点。

2.4 先进的控制技术

现代控制理论、优化理论和人工智能技术在控制领域的综合应用形成了先进的控制技术。其用于智能电网中分析、诊断和预测系统状态，并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动。

未来控制技术的分析和诊断功能将引进专家系统，采用自动控制，决策和执行将可在秒级水平上，必将极大地提高电网的可靠性。分布式智能多代理(multi．agent）技术，可用于用户需求响应，及实现变电站和输配电线路的分散协调控制。而位于控制中心的高速计算机可运用先进控制技术，并基于WAMS实时信息，实现广域保护和控制。

2.5 决策支持和可视化技术

决策支持系统可识别和确定电网中的实时问题及发展趋势，然后运用知识库和科学推理方法进行分析，以提出解决问题和决策支持的方案，并将相应的系统情况、多种选择以及每种选择的可行性等展示给运行人员。它也可用于需求侧管理系统(DSM）和用户的需求响应。而可视化技术则将各种信息形成便于运行人员分析和决策的可视化信息，从而大大提高工作效率和决策准确性。

将上述各种基础技术进行集成与综合应用，可以形成智能电网的各种功能系统(如新一代的能量管理系统、设备监测系统和市场运营系统等），共同实现现代电网安全、可靠、经济、优质运行的目标。3A R EVAT&D对智能电网建设的看法

阿海珐输配电公司(A R EVAT&D）正积极开展智能电网最新技术的研发和提供智能电网相关的先进设备、系统和服务。为了确保电力系统的安全可靠运行和取得最好的经济效益，并实现节能、环保和可持续发展，A R EVAT&D认为，在智能电网建毅中需要特别注意以下几点：

1）智能电网是一个长远目标，建设智能电网一定要注意实效，从实际情况和需要出发，有计划、有步骤、有重点地予以实施，且应先试点再推广。

2）应当优先发展坚强的输电网架，形成良好的一次系统，注意加强一次系统运行可靠性和操作控制的灵活性。在这方面直流输电技术和FACTS技术应予以重视。

3）在发展优良的一次系统同时，大力加强新技术在二次保护和控制系统中的综合与集成应用。特别是WAMS技术和在此基础上发展的广域保护和控制系统，以及新一代的基于PMU的能量管理系统和设备监测系统，必将对电力系统的安全可靠优质运行发挥重大作用，可予以重点研发应用。

4）在条件许可的地方，大力发展可再生能源。但应先进行试点，并重点解决大功率风力发电并网运行可能引起的频率和电压的波动和稳定问题，确保系统安全。

5）在智能输电网建设同时，应积极对智能配电网建设进行规划，对关键新技术(如风力和太阳能发电、分布式发电、微网技术等）进行重点研发和试点应用。大力推进配电系统数字化、信息化和自动化，促进市场环境下的需求侧响应与互动，积极研发相应的关键技术，包括数字计量、双向通信、基于PMU的新一代变电站和馈线自动化系统和配网实时监控和可视化决策支持系统等各个方面。

6）要建设好智能电网，不仅需要智能技术(smarttechnology）还必须有产、学、研相结合的优秀的智能电网建设团队(smartteam），并积极促进和大力开展国际合作，从而可制订统一的智能电网标准，有效地进行关键技术的合作研发和国际交流，建设高质量的智能电网。