基于智能电网的建设现状及其发展方向综述

杨琼，范李平

(湖北省宜昌供电公司变电运行中心，湖北 宜昌 443000)

1 引言

随着全球资源和环境压力的不断增大、电力体制改革的逐渐深化，以及用户对供电可靠性和电能质量要求的不断提升，要求未来的电网更加安全、可靠、经济、高效［1］。为此，建设适应经济社会发展的智能电网，已成为国际电力工业界积极应对未来挑战的共同选择。智能电网是利用传感器连接更多的资产和设备，实现对发电、配电、输电、供电等关键设备运行状况的实时监控，并把获得的数据通过网络系统进行收集、整合，最后通过对数据的分析挖掘，达到优化管理整个电力系统运行、降低成本、提高效率、节能降损、实现环境清洁和友好的目的。智能电网是以特高压电网为骨干网架，以各级电网协调发展为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能化电网。

2 国内外智能电网的研究和发展

2.1 智能电网概述

智能电网实质上是以先进的计算机、电子设备和高级元器件等为基础，引入通信、自动控制和其他信息技术，从而实现对整个电力网络的升级改造，将能源资源的生产、储存、运输、转换、发电、输电、配电、供电以及各种用电、用能设备信息化、联网化和智能化整合，解决各种能源资源之间的优化平衡、各种电源转换之间的优化平衡、各种能源需求之间的优化平衡，从而提高能源资源的利用效率、能源设备的使用效能、能源投资的经济效益以及节能减排的实际效果，最终达到电力网络运行更加安全可靠、经济、环保、节能减排这一根本目标［2］。

2.2 国外智能电网发展情况

自本世纪初，国内外电力企业、研究机构和学者对未来电网的发展模式进行思考与探索。目前，美国、日本、韩国以及欧洲各国都相继开展了智能电网相关研究，而其中最具代表性的是美国与欧洲［3］。对于美国来说，对复杂大电网的安全稳定控制，即所谓的“自愈”能力，是其智能电网发展的最初驱动，虽然困难重重但至今仍然是最重要的研究课题;而对于欧洲智能电网的发展，严格的温室气体排放政策显然起到了更大的推动作用，分布式能源和可再生能源接入的研究也相应获得了更多的支持。

在国家战略方面，智能电网建设已成为国家经济和能源政策的重要组成部分，加大基础产业投资，拉动国内需求，推动劳动就业，积极应对国际金融危机。在电网发展基础方面，发达国家的电力需求趋于饱和，电网经过多年的快速发展，网架结构稳定、成熟，具备较为充裕的输配电供应能力，电网新增建设规模有限。在研究驱动力方面，美国主要是对陈旧老化的电力设施进行更新改造或依靠技术手段提高利用效率，欧洲国家主要是促进并满足风能、太阳能和生物质能等可再生能源快速发展的需要。在功能目标方面，利用先进的信息化、数字化技术提升电力工业技术装备水平，提高资源利用效率，积极应对环境挑战，提高供电可靠性和电能质量，完善社会用户的增值服务。在研究重点方面，主要关注可再生能源、分布式电源发展和用户服务，提升用户服务水平和节约用电［4］。在工作进展方面，处于研究和实践的起始阶段，概念和内涵还不统一，技术路线也不相同。总的来看，不同国家的国情不同，发展智能电网的方向和重点也不同。

2.3 国内智能电网发展情况

我国在智能电网的方面研究开展也比较早，在二十世纪末，就提出了数字电力系统的概念，开展了分布电力技术和微电网技术的研究;国家电网在2007年制订了数字化电网、数字化变电站关键技术的研究框架，实施了重大项目的研究。

国家电网公司建设“坚强智能电网”的发展规划共分为以下三个阶段［5］:

(1)2009～2010年为规划试点阶段。重点开展智能电网的发展规划工作，制定技术和管理标准，开展关键技术研究和设备的研制，开展各环节的试点工作;(2)2011～2015年为全面建设阶段。加快特高压电网和城乡配电网的全面建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用;(3)2016～2020年为引领提升阶段。全面建成统一的坚强智能电网，技术和装备全面达到国际先进水平。电网优化配置资源能力大大提升，清洁能源装机比例达到35%，分布式电源实现“即插即用”，智能电表实现普及应用。

统一坚强智能电网的发展战略目标:在特高压输电技术取得重大突破的基础上，为更好地服务经济、社会、环境协调发展的需要，国家电网公司提出了建设坚强智能电网的发展构想，即建设以统一规划、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。

3 坚强智能电网的实现方法和突破点

我国的坚强智能电网建设是一项复杂的系统工程，涉及发电、输电、变电、配电、用电及调度等六个环节，建设中国特色的坚强智能电网应该在既有电网的基础上，对电力系统的各个环节进行分析，寻找突破点，逐步提升和完善。

3.1 智能发电

建设坚强智能电网在发电环节的发展目标:以“一特四大(即特高压、大煤电、大水电、大核电和大可再生能源基地)”发展战略为导向，引导电源集约化发展，协调推进大煤电、大水电、大核电和大可再生能源基地的开发;加强厂网协调，提高电力系统安全运行水平;实施节能发电调度，提高常规电源的利用效率;减少发电环节温室气体的排放，降低对气候变化的影响;优化电源和电网结构，促进大规模风电、光伏发电等新能源的科学合理利用。在智能电网建设过程中，系统中接入的诸如风能、太阳能、大容量储能装置等分布式电源将占较大比重，需要重点解决分布式电源的并网规划、运行、控制、预测等问题，提升可再生能源的协调运行水平。在信息传输方面，实现厂网信息的双向交互，提高电网对发电侧的控制水平，提高能源利用效率，促进节能降耗［6］。优化机组运行方式，提升厂网协调水平，保障电力系统安全稳定运行，减少对环境和气候的影响，实现能源的可持续发展。随着环保意识的增强和国家能源政策的实施，新能源发电和分布式电源将有很大的发展空间，并在装机容量中占有相当大的份额，电源的构成将会发生显著的变化。

3.2 智能输电

实现输电网智能运行是智能电网建设的重要内容，国内各个区域电网都建立了广域测量保护系统，初步实现了电网的动态监控，部分区域电网已经开始了高级调度中心的实践，这些都为智能输电的实现创造了条件［7］。在输电环节应该加快建设以特高压为骨干电网、各级电网协调发展的坚强网架结构;全面实施输电线路状态检修和全寿命周期管理，通过建设输电线路状态监测中心，实现对特高压线路、重要输电走廊、灾害多发区的环境和运行状态参数的集中监测和灾害预警;广泛采用柔性交流输电(FACTS)技术，提高线路输送能力和电压、潮流控制的灵活性，在技术和装备领域全面达到国际领先水平。这些都为智能输电的实现创造了条件。在输电环节应该加快建设以特高压为骨干电网、各级电网协调发展的坚强网架结构;全面实施输电线路状态检修和全寿命周期管理，通过建设输电线路状态监测中心，实现对特高压线路、重要输电走廊、灾害多发区的环境和运行状态参数的集中监测和灾害预警;广泛采用柔性交流输电(FACTS)技术，提高线路输送能力和电压、潮流控制的灵活性，在技术和装备领域全面达到国际领先水平。通过特高压交流10000kV、直流士500kV与各级电网协调发展，构建坚强的物理网架基础。从我国特高压电网的发展规划可以看出，在智能电网条件下，

特高压将是电网的基本骨架，用于连接大型的区域电网，而超高压将是区域电网的核心部分。利用先进的FACTS技术、输电快速仿真与模拟技术、高级保护与控制技术，大大提高输电系统的传输容量，并能有效地抑制区域间电网的功率振荡，增强输电系统的稳态和动态运行性能。

3.3 智能变电

在智能电网建设中，变电环节需要制定智能变电站和智能设备的技术标准和规范，通过采用通信网络技术、智能化的电气设备、自动化的运行管理系统，将枢纽变电站全面建成或改造为智能变电站，使数据采集、传输和处理均实现数字化、智能化［8］。在变电站建设完整、准确、实时的信息采集系统，实现电网运行数据的全面采集和实时共享，作为支撑电网实时控制、智能调节和各类高级应用的数据基础;积极构建和完善各种智能设备的状态预警能力和故障自我诊断能力。智能变电站应该具有智能检修能力，时刻监测分析变电站各种设备(如变压器、断路器、母线、互感器、避雷器和隔离开关等)的状态，实现设备的状态检修，从而优化使用和节约人力成本。

3.4 智能配电

配电网的智能化是智能电网的重要组成部分，尤其在欧美等发达国家，智能配电网是建设智能电网的核心内容。当前，我国的配电环节的网架结构相对薄弱，自动化程度较低，配电网技术标准和规范不完善，需要强化配电网基础信息管理，构建智能配电技术架构体系，建成灵活、高效、合理的配电网络。为适应智能电网建设的需求，配电网应该具备灵活重构、潮流优化能力，实现储能装置及分布式电源兼容接入与统一控制，在发生紧急状况时能够支撑主网安全稳定运行，使供电可靠性和电能质量都得到显著提高;积极完成配电自动化系统的全面建设，全面推广智能电网配电环节示范工程的应用成果，争取使主要技术装备达到国际领先水平。

3.5 智能用电

当前用电设备的智能化和信息采集交互能力较低，应该全面开展智能用电服务，推广应用智能电表等高级量测装置，构建智能化双向互动体系，实现电网与用户的积极交互，提升用户服务质量，满足多元化的用电需求。通过智能电表可以对用电设备实现全面监控，实时或定时读取用户的多种计量值，例如用电功率、用电量、电压、电流及其他信息，成为电网事实上的传感器。建立计量数据管理系统(MDMS)，作为具有分析功能的数据库，通过与智能电表等高级量测装置互联，收集数据、处理和储存智能电表的计量数值。积极开展网络化管理，通过网关或用户入口，把智能电表和用户室内的可控电器或装置连接起来，使用户能够根据电力公司的需要，积极参与需求响应和电力市场。积能用电示范园区的建设，电网公司或政府在政策上予以支持，通过推动智能楼宇、智能家电等领域的技术创新，改变终端用户的用电模式，提高用户用电效率。

智能电表等高级量测系统是电力企业和用户联系的纽带，不仅为电力公司提供遍布全部用户的通信网络，而且可以使用户参与到电力市场中，为系统的运行和资源管理带来显著的经济效益。智能电网通过电子终端将用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现电力数据读取的实时、高速、双向的总体效果，实现智能家电控制和电池集成充电等的多用途开发，实现用户富余电能的回售;可以优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，形成电网全新的服务功能，提高整个电网的可靠性和综合效率。因此，各种高级测量仪表、用户友好的智能电器等智能化设备将得到全面推广应用。

3.6 智能调度

调度的智能化是智能电网的核心体现，智能调度是建设坚强智能电网的关键内容，是智能电网运行控制的神经中枢。为适应智能电网的需求，调度系统应该具备更为全面而准确的数据采集系统，具有强大的智能安全预警功能，在调度决策中注重系统安全与经济的协调:在系统故障时，能够快速的诊断故障和提供故障恢复决策;能够利用可视化技术，将电网的实时运行情况全面而直观地提供给调度员［9］。

在智能电网建设过程中，调度环节应该在已有调度技术的基础上，重点解决大电网安全稳定运行问题，实现资源大范围优化配置;研究风电场及分布式电源的有效接入和控制技术，实现节能减排;开展智能调度技术支持系统、备用调度、应急指挥控制中心建设和调度通信数据网建设，在各级调度中心逐步建成智能调度决策支持系统;建设实时监控与预警、安全校核、调度计划和调度管理等应用功能，全面提升大电网调度驾驭能力、资源优化配置能力和灵活高效调度能力，保障电网安全、稳定、经济、优质运行。

调度环节在智能电网建设中的重要性不言而喻，本文的后续章节结合多Agent技术对智能调度系统做了重点研究。智能电网是未来电力系统发展的必然趋势，是应对能源、环境、气候、经济、社会等各方面挑战的必然选择。我国坚强智能电网的建设要吸收、消化国内外智能电网领域的研究成果和实践经验，立足于我国电网建设的实际水平，充分做好初期的规划、标准规范、关键技术研究和各环节工程示范工作，以统一规划、统一标准、统一建设为原则，最终实现具备信息化、自动化、互动化特征的自主创新、中国特色、世界领先的坚强智能电网目标。

4 未来智能电网所面临的机遇和挑战

智能电网的发展，我国面临着许多新的机遇和挑战。在机遇方面，智能电网的建设可以大力提高我国电力工业的发展和运营水平，提高经济效能。

(1)分布式发电技术。分布式发电是指将电力系统以小规模(发电功率在数千瓦至50MW的小型模块)、分散式方式布置在用户附近，可独立地输出电能的系统。分布式发电具备投资省、系统可靠性高、能源种类多样(比如风力发电、太阳能热电站、太阳能光伏发电、太阳能热气流发电、生物质能发电、燃料电池发电和小型燃气轮机发电等)等优点。也有研究指出到2010年，新增分布式电源容量将占新增电源总量的20%。所以说，分布式发电联合电网运行是今后分布式发电技术发展的必然趋势。

(2)储能技术。储能技术是指将电能通过某种装置转换成其它便于存储的能量高效存储起来，同时在需要的时候，可以将所存储的能量方便地换成所需形式能量的一种技术，它包括两个方面的内容:一是高效大容量存储能量的方法，二是快速高效的能量转换。

(3)电力电子技术。三相电压源型逆变器可以提供各种分布式能源、储能装置、用户电力装置与电网的接口。将电力电子技术用于用户侧，进行无功补偿，可以提高用户的用电效率，进行谐波补偿，可以改变对用户的供电品质，减小用户对电网的不良影响。

(4)高级计量技术。参数量测技术是智能电网基本的组成部件，先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性，进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统，取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计将有更多的功能，除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外，还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并通知用户实施什么样的费率政策。更高级的功能有用户自行根据费率政策，编制时间表，自动控制用户内部电力使用的策略。

(5)网络通信技术。建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统，任何智能电网的特征都无法实现，因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持，因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统要和电网一样深入到千家万户，这样就形成了两张紧密联系的网络—电网和通信网络，只有这样才能实现智能电网的目标和主要特征。当这样的通信系统建成后，它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率，繁荣电力市场，抵御电网受到的攻击，从而提高电网价值。

(6)高级电力系统监测和控制系统。先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测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的装置和算法。这些技术将提供对输电、配电和用户侧的控制方法并可以管理整个电网的有功和无功［10］。从某种程度上说，先进控制技术紧密依靠并服务于其他四个关键技术领域，如先进控制技术监测基本的元件(参数量测技术)，提供及时和适当的响应(集成通信技术;先进设备技术)并且对任何事件进行快速的诊断(先进决策技术)。另外，先进控制技术支持市场报价技术以及提高资产的管理水平。

5 小结

随着我国经济的不断快速发展，对能源的需求不断提高，而以智能电网为代表的新能源经济时代即将到来，将在很大程度上减少对资源的浪费，并将电网形成一个有效的智能体系。通过智能电网的各种关键技术的不断发展完善，技术与电力生产的各项业务不断结合，智能电网将实现自愈、安全、交互、协调、兼容、高效、优质、集成的核心特征。电网发展方向已不仅是本行业、本领域的需求反映，更是各行各业共同作用的结果，智能电网的发展取决于其中各个环节的关键前沿技术的突破和应用，也必然会推动相关技术的发展和推广。

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