第1章 智能電網(wǎng)概論

1.1 智能電網(wǎng)含義及特征

1.1.1 智能電網(wǎng)的定義

為應(yīng)對(duì)氣候變化、保障能源安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，近年來(lái)在世界范圍內(nèi)正在推動(dòng)新一輪的能源革命。這場(chǎng)能源革命是一次以技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)，以電力為核心，以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、促進(jìn)節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的深刻變革。大量的通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、分析決策技術(shù)等與電力技術(shù)的深度融合，促使智能電網(wǎng)成為新型現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)展智能電網(wǎng)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)達(dá)成廣泛共識(shí)。

智能電網(wǎng)( Smart Grid)是當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)②，開(kāi)創(chuàng)了電力系統(tǒng)發(fā)展的新紀(jì)元。智能電網(wǎng)是最近提出的概念，至今還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的概念。在智能電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中，關(guān)于其概念的形成，具有三個(gè)里程碑式事件：

第一個(gè)就是2003年美國(guó)從自身的國(guó)家利益出發(fā)，提出了一個(gè)大膽的戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行模式進(jìn)行了明確，它考慮了多種能源的輸入，可以進(jìn)行多種能源的產(chǎn)出、進(jìn)行多種能源之間的轉(zhuǎn)換，主要考慮的問(wèn)題是國(guó)家安全和可再生能源的利用。這些基本內(nèi)容為“智能電網(wǎng)”的提出奠定了基礎(chǔ)。3年后即2006年，美國(guó)IBM公司提出了“智能電網(wǎng)”解決方案，內(nèi)容主要包括似下幾個(gè)方面：一是通過(guò)傳感器連接資產(chǎn)和設(shè)備提高數(shù)字化程度;二是數(shù)據(jù)的整合體系和數(shù)據(jù)的收集體系;三是進(jìn)行分析的能力，即依據(jù)已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，以優(yōu)化運(yùn)行和管理。通過(guò)以上幾個(gè)方面達(dá)面向智能電網(wǎng)的需求響應(yīng)及其電價(jià)研究到自動(dòng)監(jiān)控電網(wǎng)、優(yōu)化電網(wǎng)性能、防止斷電、快速恢復(fù)供電的目的。至此.智能電網(wǎng)的概念正式誕生。

第二個(gè)是奧巴馬上任后提出的能源計(jì)劃。其內(nèi)容除了已公布的計(jì)劃.美國(guó)還將著重集中對(duì)每年耗費(fèi)1200億美元的電路損耗和故障維修的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)換代，建立橫跨4個(gè)時(shí)區(qū)的統(tǒng)一電網(wǎng)，重點(diǎn)研發(fā)可再生能源和分布式電源并網(wǎng)技術(shù).發(fā)展智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，最大限度地發(fā)揮美國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的價(jià)值和效率，將逐步實(shí)現(xiàn)美國(guó)太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿慕y(tǒng)一入網(wǎng)管理，全面推進(jìn)分布式能源管理，創(chuàng)造世界上最高的能源使用效率。

由此可以看出，美國(guó)政府的智能電網(wǎng)有三個(gè)目的：一是由于美國(guó)電網(wǎng)設(shè)備比較落后，急需進(jìn)行更新改造，提高電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的可靠性;二是通過(guò)智能電網(wǎng)建設(shè)將美圖拉出金融危機(jī)的泥潭;三是提高能源利用效率。

第三個(gè)是我國(guó)能源專家武建東提出的互動(dòng)電網(wǎng)。互動(dòng)電網(wǎng)是指在創(chuàng)建開(kāi)放的系統(tǒng)和建立共享的信息模式的基礎(chǔ)上，以智能電網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ).通過(guò)電子終端在用戶之間、用戶和電網(wǎng)公司之間形成網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)和即時(shí)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的實(shí)時(shí)、高速、雙向的總體效果，實(shí)現(xiàn)電力、電訊、電視、遠(yuǎn)程家電控制和電池集成充電等的多用途開(kāi)發(fā)。它可以整合系統(tǒng)申的數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的管理.將電網(wǎng)提升為互動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的全新模式.形成電網(wǎng)全新的服務(wù)功能，提高整個(gè)電網(wǎng)的可靠性、可用性和綜合效率。互動(dòng)電網(wǎng)具備可靠、自愈、經(jīng)濟(jì)、兼容、集成和安全等特點(diǎn)，主要解決三個(gè)問(wèn)題.一是以信息技術(shù)改造和提升現(xiàn)有的能源體系，尤其是提高能源效率;二是逐步建立以可再生能源替代化石能源的創(chuàng)新能源利用體系;三是建造消費(fèi)者與生產(chǎn)者互動(dòng)的精巧、智慧和專家服務(wù)化的能源運(yùn)轉(zhuǎn)體系。

結(jié)合智能電網(wǎng)概念形成的三個(gè)里程碑事件，本書(shū)采用的智能電網(wǎng)定義為：智能電網(wǎng)( smart grids).就是智能化的電網(wǎng).是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好的目標(biāo)。

1.1.2 智能電網(wǎng)的特征

1.自愈

自愈是指電網(wǎng)在不用人為干預(yù)或者很少人為干預(yù)的情況下能夠自動(dòng)儉測(cè)、分析系統(tǒng)中的故障原件，實(shí)現(xiàn)故障原件隔離和系統(tǒng)自我恢復(fù).保證對(duì)用戶的持續(xù)供電服務(wù)。自愈作為智能電網(wǎng)的重要特征，意味著電網(wǎng)具有免疫功能。智能電網(wǎng)能夠利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)地自我評(píng)估，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在的或正在發(fā)展的間題，并自動(dòng)采取措施加以控制或糾正。智能電網(wǎng)能夠充分應(yīng)用數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，執(zhí)行決策支持算法，避免或限制電力供應(yīng)的中斷，迅速恢復(fù)供電服務(wù)，減少供電服務(wù)的中斷。智能電網(wǎng)能夠利用基于實(shí)時(shí)測(cè)量的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估將確定最有可能出現(xiàn)故障的設(shè)備、發(fā)電廠和線路;實(shí)時(shí)應(yīng)急分析將確定電網(wǎng)整體的健康水平，觸發(fā)可能導(dǎo)致電網(wǎng)故障發(fā)展的早期預(yù)警。確定是否需要立即進(jìn)行檢查或采取相應(yīng)的措施。智能電網(wǎng)能夠利用本地及遠(yuǎn)程設(shè)備的通信將幫助分析故障、電壓降低、電能質(zhì)量差、過(guò)載和其他不希望的系統(tǒng)狀態(tài)，采取適當(dāng)?shù)目刂菩袆?dòng)。智能電網(wǎng)也可經(jīng)常應(yīng)用連接多個(gè)電源的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方式，當(dāng)出現(xiàn)故障或發(fā)生其他問(wèn)題時(shí)，在電網(wǎng)設(shè)備中先進(jìn)的傳感器能確定故障并與附近的設(shè)備進(jìn)行通信，以切除故障元件或?qū)⒂脩粞杆俚厍袚Q到另外的可靠的電源上;同時(shí)，傳感器還有檢測(cè)故障前兆的能力，在故障實(shí)際發(fā)生前，將設(shè)備狀況告知系統(tǒng)，系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)提出預(yù)警信息。

2.互動(dòng)

在智能電網(wǎng)中，用戶將和電網(wǎng)進(jìn)行自適應(yīng)互動(dòng)，成為電力系統(tǒng)的完整組成部分之一。鼓勵(lì)和促進(jìn)用戶參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行和管理是智能電網(wǎng)的另一重要特征。從智能電網(wǎng)的角度來(lái)看，用戶的需求完全是另一種可管理的資源，它將有助于平衡供求關(guān)系，確保系統(tǒng)的可靠性;從用戶的角度來(lái)看，電力消費(fèi)是一種經(jīng)濟(jì)的選擇，通過(guò)參與電網(wǎng)的運(yùn)行和管理，修正其使用和購(gòu)買電力的方式，從而獲得實(shí)實(shí)在在的好處。在智能電網(wǎng)中，用戶將根據(jù)其電力需求和電力系統(tǒng)滿足其需求的能力的平衡來(lái)調(diào)整消費(fèi)。同時(shí)，需求響應(yīng)( DR)計(jì)劃將滿足用戶在能源購(gòu)買中有更多選擇的基本需求，減少或轉(zhuǎn)移高峰電力需求的能力使電力公司盡量減少資本開(kāi)支和營(yíng)運(yùn)開(kāi)支，通過(guò)降低線損和減少效率低下的調(diào)峰電廠的運(yùn)營(yíng)，同時(shí)也提供了大量的環(huán)境效益。在智能電網(wǎng)中，和用戶建立的雙向?qū)崟r(shí)的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鼓勵(lì)和促進(jìn)用戶積極參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和管理的基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)通知用戶其電力消費(fèi)的成本、實(shí)時(shí)電價(jià)、電網(wǎng)的狀況、計(jì)劃停電信息以及其他一些服務(wù)的信息，同時(shí)用戶也可以根據(jù)這些信息制定自己的電力使用的方案。

3.可靠

安全可靠供電是用戶對(duì)電網(wǎng)摹本要求之一，而智能電網(wǎng)將具有抵御攻擊或者被攻擊后快速恢復(fù)的能力。智能電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都將阻止攻擊，最大限度地降低攻擊后產(chǎn)生的不良后果，快速恢復(fù)供電服務(wù)。智能電網(wǎng)電能同時(shí)承受對(duì)電力系統(tǒng)的幾個(gè)部分的攻擊及在一段時(shí)間內(nèi)多重協(xié)調(diào)的攻擊。，智能電網(wǎng)的安全策略包含威懾、預(yù)防、檢測(cè)、反應(yīng)，以盡量減少和減輕對(duì)電網(wǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。不管是物理攻擊還是網(wǎng)絡(luò)攻擊，智能電網(wǎng)要通過(guò)加強(qiáng)電力企業(yè)與政府之間重大威脅信息的密切溝通、在電網(wǎng)規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)安全風(fēng)險(xiǎn)、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安傘等手段，提高智能電網(wǎng)抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力。

4.經(jīng)濟(jì)

智能電網(wǎng)優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)資源合理配置，提高能源利用效率，減少電能損耗，降低投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。智能電網(wǎng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等全面向智能電網(wǎng)的需求響應(yīng)及其電價(jià)研究壽命周期環(huán)節(jié)的優(yōu)化，方便電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備檢修，從而大大提高電力資產(chǎn)利用率，科學(xué)地降低運(yùn)行維護(hù)成本和投資成本，降低電網(wǎng)損耗。

智能電網(wǎng)通過(guò)高速通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè).以獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間給出需要維修設(shè)備的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修，同時(shí)使設(shè)備運(yùn)行在最佳狀態(tài)。系統(tǒng)的控制裝置可以被調(diào)整到降低損耗和消除阻塞的狀態(tài)：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)控制裝置的這些調(diào)整，選擇最小成本的能源輸送系統(tǒng)，提高運(yùn)行的效率。最佳的容量、最佳的狀態(tài)和最佳的運(yùn)行將大大降低電網(wǎng)運(yùn)行的費(fèi)用。此外，先進(jìn)的信息技術(shù)將提供大量的數(shù)據(jù)和資料.并將集成到現(xiàn)有的企業(yè)范圍的系統(tǒng)中，大大加強(qiáng)其能力，以優(yōu)化運(yùn)行和維修過(guò)程。這些信息將為設(shè)計(jì)人員提供更好的工具，創(chuàng)造最佳的設(shè)計(jì)，為規(guī)劃人員提供所需的數(shù)據(jù)，從而提高其電網(wǎng)規(guī)劃的能力和水平。這樣，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用以及電網(wǎng)建設(shè)投資將得到更為有效的管理。

未來(lái)分時(shí)計(jì)費(fèi)、削峰填谷、合理利用電力資源成為電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要一環(huán)。通過(guò)計(jì)費(fèi)差，調(diào)節(jié)波峰、波谷用電量，使用電盡量平穩(wěn)。對(duì)于用電大戶來(lái)說(shuō)，這一舉措將更具經(jīng)濟(jì)效益。有效的電能管理包括三個(gè)主要的步驟，即監(jiān)視、分析相控制。監(jiān)視就是查看電能的供給、消耗和使用的效率;分析就是決定如何提高性能并實(shí)施相應(yīng)的控制方案。通過(guò)監(jiān)測(cè)能夠使我們“看到”問(wèn)題;控制就是依據(jù)這些信息可作出正確的峰谷調(diào)整，賦予電能原始數(shù)據(jù)額外的意義。最大化能源管理的關(guān)鍵在于將電力監(jiān)視和控制器件、通信網(wǎng)絡(luò)和可視化技術(shù)集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)。

電只要發(fā)出來(lái)，就消耗了能量。如果能記錄用電信息，根據(jù)歷史用電信息來(lái)預(yù)測(cè)發(fā)電量，使發(fā)電量與用電量相當(dāng)，不產(chǎn)生多余的電量，才是真正的節(jié)能：用戶還可以將預(yù)存的富余電力，在用電峰值時(shí)反饋回電網(wǎng)，幫助電網(wǎng)減小發(fā)電負(fù)擔(dān).從中獲得收益。

5.兼容

智能電網(wǎng)將安全、無(wú)縫地容許各種不同類型的發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)接入系統(tǒng).擴(kuò)大系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的可選資源范圍，促進(jìn)智能電網(wǎng)與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。改進(jìn)的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)將使各種各樣的發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)容易接入。從小到大各種不同容量的發(fā)電和儲(chǔ)能在所有的電壓等級(jí)上都可以互聯(lián)，包括分布式電源如光伏發(fā)電、風(fēng)電、先進(jìn)的電池系統(tǒng)、即插式混合動(dòng)力汽車和燃料電池。商業(yè)用戶安裝自己的發(fā)電設(shè)備(包括高效熱電聯(lián)產(chǎn)裝置)和電力儲(chǔ)能設(shè)施將更加容易和更加有利可圖。在智能電網(wǎng)中，大型集中式發(fā)電廠包括環(huán)境友好型電源，如風(fēng)電和大型太陽(yáng)能電廠和先進(jìn)的核電廠將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。加強(qiáng)輸電系統(tǒng)的建設(shè)，使這些大型電廠仍然能夠遠(yuǎn)距離輸送電力。同時(shí)，各種各樣的分布式電源的接人一方面減少對(duì)外來(lái)能源的依賴，另一方面提高供電可靠性和電能質(zhì)量，特別是應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)和恐怖襲擊具有重要意義。

①Pctcr F;ox-Pcnm-r蔣，張義斌，黃瀚等譯.智能電力[M].北京：中國(guó)電力fIj版社.2012. 03

②胡學(xué)浩，智能電網(wǎng)：未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009, 33(14):1-5.