智能电网技术现状研究(1)

一、提出智能电网概念的背景

智能电网的概念首先是在欧美发达国家提出的。由于计算机、通信、电力电子等新技术的飞速发展，社会各行各业都已经应用这些新技术提高行业的现代化水平，电力工业是一个传统的产业，已经经历了上百年的历史，而且欧美发达国家的电网设备已经进入老化的时期，迫切要求更新改造，而这些新技术的发展使得实现电网智能化成为可能;欧美很多国家都实施了电力的市场交易，电力市场的自由化迫切要求发电、电网、零售商和用户参与电力市场，用户要求实时报价，这就要求电网能够智能化以满足其对电网信息的需求;广大用户对可靠性和服务水平的要求不断提高，不进行电网的智能化改造就不可能提高供电的可靠性;同时分布式电源，特别是可再生能源的涌入要求电网实现智能化，以使其能随时与电网互联，满足其参与市场竞争的需求;特别是2003年美加大停电后，美国的政府机构、科研部门、大学开始注意到美国电网的脆弱性，开始研究如何提高电网的可靠性，基于以上几个方面的原因，欧美国家相继提出了其智能电网的概念。

二、国内外研究现状

为了应对电力市场的自由化、用户对供电可靠性和电能质量的要求不断提高以及大量分布式电源的引入，特别是2003年美加大停电出现的问题，以欧美发达国家为代表，上至欧盟委员会、美国能源部，下至各种类型的电力企业与组织，纷纷投入相当的精力研究智能电网，力图尽早取得突破。日本、加拿大、澳大利亚等国家也开始注意到电网的这一新发展动向，正在积极跟进。国内对智能电网的研究是一个逐步成长的过程，早在2000年，清华大学卢强院士就提出了“数字电力系统”的概念，随后电力系统的数字化在稳步推进，电力企业也纷纷提出建立数字化电网、信息化企业的构想，国家电网公司也提出了要建设数字化电网、信息化企业的发展战略，并制定了“数字化电网关键技术研究框架”，试图探讨电网和企业的数字化问题，应该说国内所提的数字化电网的概念是目前所说的智能电网概念的重要组成部分，而且国内对智能电网的研究还没有形成系统的理论和实践体系。

1、国外研究情况

自2003年起，美国多个政府及民间组织分别对电力行业现状和智能电网愿景进行了分析，并提出了各自的定义和行动计划建议，其中具有典型意义的是美国电力科学研究院(EPRI)提出的智能电网(Intelligrid)定义和美国能源部下属国家能源技术实验室的“现代化电网(Modern Grid)”的定义。

(1)美国电力科学研究院(EPRI)研究的智能电网(IntelliGrid)

美国电力科学研究院从2003年开始，历时18个月，研究了综合能源及通信系统体系架构IECSA项目(Integrated Energy and Communication Systems Architecture)，并将未来电网定义为“智能电网(IntelliGrid)”。

按照美国电力科学研究院的定义，未来的电网将是高速通信网络和电力网络的有机结合，形成一个统一的电力能源和通信系统，它对未来电力系统的描述可以概括为：电力系统包含大量的自动输电和配电系统，它们运行在一个高效、可靠且相互协调的模式下;系统能够以自愈的方式处理紧急情况，同时对能量市场和电力公司的业务需求能够给予快速响应;系统能够服务于数量巨大的用户，同时具备一个智能的通信基础设施以实现及时、安全、自适应的信息交换，从而保证为社会提供可靠而经济的能源。其目标是：

 自愈(Self-Healing)和在电网出现紧急状况前能自适应地解决问题，这是智能电网最重要的特点，因此也称其为自愈电网(Self-Healing Grid，SHG);

 交互(Interactive)，与用户和市场的交互;

 优化(Optimized)，以使资源和设备得到最好的应用;

 预测(Predictive)，而不是被动地反应，在事故前预防紧急情况而不是事故后的解决问题;

 分布式的资产和信息(Distributed assets and information)，跨地理和组织边界的分布式的资产和信息的管理;

 集成(Integrated)，将所有主要的信息进行集成和合并;

 安全(More Secure)，使电网面对所有攻击更加安全。

在这个目标下，智能电网的主要组成部分有：

综合能源和通信系统(IECSA)，这是一个开放式的、基于标准的架构，集成了数据通信网络和智能设备，用来支持未来电力的交换，所以未来的智能电网必然是建立在基于统一标准的高速通信系统之上的。

输配电系统的快速仿真和建模(Transmission Fast Simulation and Modeling (T-FSM)，Distribution Fast Simulation and Modeling (D-FSM))，这是实现故障的定位和隔离、网络重构等自愈功能的基础。

用户管理系统，把积极的电力用户集成到电网中，使用户参与到输配电运行的辅助服务中来。

分布式电源管理系统，把分布式电源集成到电网中，使分布式电源能够提供更多的辅助服务。

高级的电力电子设备，基于电力电子技术的FACTS技术参与到电网的动态管理中，实现电网的自愈。

高级的传感器技术，自动把分布式电源接入电网中，使得参与者能够提供辅助服务。

电能质量优化和评估系统，使电能质量能够优化和评估。

(2)美国国家能源技术实验室(NETL)研究的“现代化电网(Modern Grid)”

美国国家能源技术实验室(NETL)是美国能源部下属的研究机构，其内部成立了现代化电网计划团队，该团队在美国召开了七次现代化电网区域首脑会议，邀请来自政府、电力公司、区域输电组织、消费者和环境保护团体、大学、研究和发展机构的领导人共同讨论制定现代化电网构想的方法，并于2007年1月发布了其关于未来电网的构想，并称之为：现代化电网的系统化构想。该构想由五个主要要素组成，分别为关键成功因素、性能、主要特征、关键技术领域以及指标体系，为现代化电网描绘了美好的前景。本文关于智能电网的目标、主要特征以及关键技术领域的内容就是以此为基础阐述的。

(3)欧洲委员会的“欧洲智能电网技术平台”(Smart Grids)

在欧洲，智能电网建设的驱动因素可以归结为市场、安全与电能质量、环境等三方面。欧洲电力企业受到来自开放的电力市场的竞争压力，亟须提高用户满意度，争取更多用户。因此提高运营效率、降低电力价格、加强与客户互动就成为了欧洲智能电网建设的重点之一。与美国用户一样，欧洲电力用户也对电力供应和电能质量提出了更高的要求。而对环境保护的极度重视，则造成欧洲智能电网建设比美国更为关注可再生能源的接入，以及对野生动物的影响。为此，2005年欧盟委员会启动了相关的研究与建设工作，提出了在欧洲要建设的智能电网的定义，并制定了“未来欧洲电网构想和战略”以及“未来欧洲电网战略研究计划”，提出了未来欧洲智能电网必须是灵活的(Flexible)、可接入的(Accessible)、可靠的(Reliable)和经济的(Economic)。欧洲电网战略研究计划提出了5个主要研究领域共19个研究任务。

2、国内研究情况

国内对智能电网的研究还处于起步阶段，2000年，清华大学卢强院士提出了“数字电力系统”(Digital Power Systems，缩写为DPS)的概念，并将其定义为：某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地、形象化地、实时地描述与再现。如果做到了这一点，就可以说我们建立了该实际电力系统的数字电力系统。这一定义认为数字电力系统主要包括管理和决策的科学化、安全稳定性实时评估与改善、经济运行策略制定和实行、紧急控制的实施、最适解列方案的实施、快速恢复策略的制定、科学研究和系统规划设计等七个方面的主要功能。卢强院士将一个实际的电力系统和一个数字电力系统对应起来，通过数字电力系统的实时仿真来实现对实际电力系统的控制。其所定义的数字电力系统及其功能都包含在目前所热议的智能电网的概念中，因此可以说，数字电力系统是智能电网的一个子集。

近年来，国家电网公司制定了“构建数字化电网，打造信息化企业”的战略目标，并于2007年制定了“数字化电网关键技术研究框架”，该框架对数字化电网的内涵进行了的描述：数字化电网面向输电网和配电网，综合运用各种先进科技和数字化手段，对实际电网进行全面、精确的数字化描述，为电网生产全过程提供完整、统一、准确地信息，实现对电网直观、实时的监控和智能分析，并为规划、计划、设计、建设、运行、调度、营销等各个环节的科学决策提供技术支持，保证电网安全稳定、经济优质运行，提高电网公司生产效率，为建设信息化企业奠定基础。这一内涵描述是将实际物理电网上的分散的信息和数据集中到电脑网络上进行共享和展示，使得物理电网有了一种数字化的表述方式。这一概念仍然以电网的信息化为核心，从电网信息的产生、获取、传输、处理、共享、应用及管理等方面对电网进行描述，因此这一数字化电网的概念是从企业管理和电网信息化的角度来描述的。

国内的电力公司在智能电网的研究和实践还很少，目前主要有华东电网公司帅军庆总经理提出了要建设华东智能电网的设想，并发表了《瞄准世界前沿 建设智能电网》的文章。文章结合华东电网公司的现状和今后发展的要求，论述了建设智能电网符合电网未来的发展方向，建设智能电网将带来电网发展的深刻变化，并提出了华东电网公司建设智能电网的战略构思和行动计划。文章认为，智能电网是世界电网发展的新趋势，也符合华东区域经济社会发展的要求，同时华东电网初步具备智能电网的建设条件，因此建设智能电网符合电网未来的发展方向，在此基础上，文章概括了智能电网的特点为：自愈、安全、经济、清洁，能够提供适应未来经济社会发展需要的优质电力与服务，并提出了电网企业在建设智能电网过程中的重要特征为：关注未来、随需而变、迅速掌控、服务优质。最后文章提出了华东电网公司建设智能电网的战略构思和行动计划，其智能电网建设愿景是以提升大电网安全稳定运行能力为中心，打造一个平台，确立三个阶段，提升五个能力，争取在2030年将华东电网全面建设成为智能电网。其战略构思和行动计划就是打造一个精细、高效的电网生产和企业管理集成平台，确立了巩固提升(2008~2010年)、全面转型(2011~2020年)、引领超越(2021~2030年)的三个阶段，提升大电网规划的统一优化、驾驭大电网安全运行、电网资产全寿命管理、企业级辅助决策和自主创新的五个能力，通过这一战略构思和行动计划的实施，全面统筹推进华东智能电网的建设实践。这是国内第一个提出了建设智能电网具体构想的电力企业。