智能电网中技术问题探讨

关贝贝，王 洋，吴明锋

（1.国网山西省电力公司运城供电公司，山西 运城 044000；2.中铁电气集团北方公司，山西 太原 030024；3.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

电网是关系到国民经济命脉的基础产业和公用事业。过去的50年，电力网络由开始的“局部电网网络”发展到“互联电力网络”，其主要是由规模为1 000～3 000 MW的发电站分配电力到各主要的负荷中心，再由负荷中心为个人用户提供电力。发电站的主要作用是提供足够的电力。到20世纪末，这种模式已经难以满足经济发展和社会需要。首先，原来的预测技术和数据处理技术不能为用户在适当的时间提供期望的电力，但输配电、发电、信息化、数字化等技术的进步为解决这一问题提供了相应的支持；其次，环境问题的提出和能源的地缘依赖性限制了经济增长规模，当今电网需要应对日益严峻的资源和环境压力，实现大范围的资源优化配置，提高全天候供电运行能力，满足能源结构调整的需要，适应电力体制改革[1,2]。现代电力系统网络面临的主要挑战如下所示[3,4]。

a）全球暖化、能源压力和生态文明意识的提升。

b）能源供应商和客户之间的隐私问题。

c）网络攻击的安全威胁。

d）国家采用替代发电能源的目标。

e）间歇供应时保持稳定的电力更加复杂。

f）减少高峰用电需求过程中浪费的能量，从而确保足够的储备。

为解决这些挑战，北美和欧洲已经形成了相应的研究群体，开展“智能电网”的研究和实践，我国也已开始相关研究。智能电网（Smart Grid）也叫知识型电网（Intelligrid）或者现代电网（Modern Grid），是有机融合了信息、通信、控制等多种前沿技术的输配电系统[5,6]；其发展目标是建设节能、环保、高效、可靠、稳定的现代化电网。

1 智能电网的概念与特征

智能电网是一个复杂的系统，可由多种方式来描述。目前智能电网还没有一个确切的概念，简单来说，智能电网就是电网的智能化，集成新能源、新材料、新设备和先进的信息技术、电网控制技术，实现电力在发、输、配、用过程中的数字化管理、智能化决策、互动化交易，优化资源配置，充分满足用户对电力的需求，确保电力供应的安全、可靠和经济，满足环保约束，适应电力市场化发展。其主要特征简单概括为：自我管理与自我恢复，优质电能质量，双向电力服务，兼容与开放，经济高效。

2 商业管理

智能电网的发展并不需要更换现有的电力网络，这一过程从技术和经济方面考虑是不现实的。相反，发展智能电网可以加强现存网络的服务和功能，同时尽可能地利用原来的物理基础设施。智能电网的几个功能如下所示。

a）需要具有自愈能力。

b）具有高可靠性。

c）资产优化管理。

d）经济高效。

e）与用户友好互动。

f）兼容大量分布式电源的接入。

智能电网技术从根本上改变了电力市场运行模式，出现一些新的市场成员，如能源零售商和贸易商、分布式发电运营商等（图1）。

图1 电力市场交易简图

3 关键的技术问题

智能电网的技术组成有多种，其包括分布式发电、量测技术等。这里主要讨论通信和控制技术，提出多层通信结构模式。

3.1 通信结构与技术

智能电网的实现需要高速、双向、实时、集成的通信系统作为基础，因为智能电网中的数据获取与传输、保护和控制都是一个双向实时的过程。这一技术领域主要关注三个问题：首先，是开放的通信架构，它形成一个“即插即用”的环境，使电网各个元件之间能够进行网络化的通信；其次，统一的技术标准，它主要是保证传感器、智能电子设备以及应用系统之间实现无缝通信，也就是信息在所有这些设备和系统之间能够得到完全的理解，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；最后，通信过程中会遇到乱序和时延问题，在建立模型和实际过程中要根据具体情况来分析。下面根据已有的经验，提出一个多层通信结构。

智能电网一般在大范围内布设，因此其通信设施必须覆盖整个区域，下面（图2）给出其通信设施的一个多层结构并加以讨论。

图2 智能电网多层结构

家庭区域网HANs（Home Area Networks） 可与各种智能设备（量测器，传感器，执行器等）通信，从而提供电力的有效管理和需求响应。邻居区域网 NANs（Neighborhood Area Networks） 连接多个 HANs到可达点。广域网 WANs（Wide area networks） 建立HANs与有效系统间的通信，以便传输信息。

通信网络的三层结构可使智能电网经济、有效、可靠、安全地运行。但是，对于智能电网的通信结构仍要面对很多挑战：互操作性，海量数据，多链路，优质的服务和安全性等。

智能电网可以利用多种能源发电（太阳能，风能，水电等）。这些能源发电价格和可靠性上有所不同，如何合理有效地使用不同能源发电，使用户既能满足要求又能节省资源，是一个值得研究的问题。

智能电网的发电、输电、配电，使用过程中都存在数据流。多种技术将用来设计通信结构，以便为控制中心提供足够的信息量。通信网络的多层拓扑结构的主要问题是子网络间的互操作性。智能设备所产生的数据量在未来将出现爆炸式增长，这会给智能电网的通信设施相当大的负荷。大量的实时和已有数据出现在智能电网中，并且一天内不同时段数据量变化很大，因此通信交通要适应数据的快速变化能力。高峰时段，数据通信需要更高的数据传输速率和更可靠的服务。由于数据传输延迟、带宽、可靠性和安全性等区别，不同类别的数据具有不同的服务优先级。

智能电网将使用计算机网络控制和监测电力基础设施。这就会给智能电网带来外界的攻击。许多潜在的威胁：如员工的轻率、违反授权等都会给网络带来外部攻击。

3.2 控制技术

智能电网控制技术体系融合了先进控制与设备制造技术、信息与通信技术、标准与试验评估技术等众多技术（图3），其中信息与通信技术是实现智能电网控制功能的“中枢神经”，电力电子与储能技术则扮演智能电网控制的“执行机构”，而标准与试验评估则构成智能电网控制得以顺利实施的制度与管理层面的“保障”。

4 结论

电网智能化是全球电网未来发展的必由之路，其中尚未解决的问题还有很多，如多智能体技术如何在智能网中得以应用，分布式估计和预测问题等，下一步的研究重点为智能电网中的通信和控制问题以及分布式优化问题。我国应大力发展分布式储能技术和分布式智能电网，打造具有中国特色的坚强智能电网。

图3 智能电网控制技术构成

［1］ 余贻鑫，栾文鹏.智能电网评述［J］.中国电机工程学报，2009，29（30）：1-8.

［2］ 林宇锋，钟金，吴复立.智能电网技术体系探讨［J］.电网技术，2009，33（12）：8-14.

［3］ H.Gharavi，R.Ghafurian.Smart Grid：The Electric Energy system of the Future ［J］.Proceedings of the IEEE，2011，99（6）：917-921.

［4］ P.Daly，J.Morrison.Smart grids-strategic deployment document for european electricity networks of the future ［J］.Smart Grids European Technology Platform，2010，20（12）：110-118.

［5］ 季阳，艾芊，解大.分布式发电技术与智能电网技术的协同发展趋势［J］.电网技术，2010，32（12）：15-23.

［6］ 韩民晓.智能电网控制技术及其发展［J］.科技导报，2010，28（23）：113-117.