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1、智能控制技术智能控制技术 1 1现代大电网复杂多变的物理结构、运行方式以及动态特性，使稳定监护和协调控制难度大大增加；而可再生能源发电使整个电网的规划和运行增加了新的不确定因素。特别是随着分布式发电和储能设备的推广应用，将使许多传统意义上的负荷(consumer)演变为新型的“负荷兼电源”(producer+consumer=PROSUMER)，其潮流将是与实时电价相关的双向潮流，更将增加系统监护和协调控制的难度。许多大容量发电厂远离负荷中心，使大量的电能需要远距离超高压输送，并为了经济效益而形成超大规模的互联系统(如北美和欧洲电力系统)。由于电网互联规模超前于动态安全监控技术的发展，故障引发
2、级联事件并进而演变为大面积停电的风险加剧。2003 年的美加大停电引起了人们的新思考，如何提高大电网的安全稳定性提高电网的稳定监控和决策水平使电网具有自愈(self-healing)能力，并优化电能资源配置成为研究重点。与此同时，现代通信、信息、计算机、微电子和电力电子技术的迅速发展并引入电网应用，为电网自动化提供了有力工具。正是在这内、外两方面因素的推动下，新型智能电网(Smart Grid)概念被提出，并迅速得到广泛的关注。早在上世纪末，美国电力科学研究院(EPRI)就提出了针对灾变防御的自愈电网(SHG)概念。在美国国防部的支持下，EPRI 在 1999-2003 年间，开发了电力基础设
3、施战略防护系统(strategic power infrastructure defense，SPID)，成为自愈电网的前期丁作；2003-2004 年，EPRI 完成了综合能源及通信体系结构(1ECSA)的开发，并随后拓展成为智能电网体系结构(IntelliGrid Architecture)，可认为是智能电网的前期工作和基础7-11。2006 年美国 IBM 公司曾与电力研究机构和电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。这可以看作是实现智能电网的一个典型方案，但该方案较侧重于配网及用户侧的智能化。本文首先阐述了智能电网的核心思想和主要功能特征以及关键技术，介绍了欧美以及一些亚洲国家建设智能
4、电网的情况；然后给出了阿海珐输配电公司对智能电网建设的看法。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(vision o 文献1315主要强调了突出自愈功能的智能电网，文献16171 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1820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。综合文献所述，智能电网应以现代输配电网为物理基础，建立在集成和高速双向的通信网络平台上，综合
5、应用先进的传感和测量、计算机、微电子、电力电子、控制以及智能决策等技术，利用电网实时全景信息，进行实时监控、灾变防护和用户互动，以实现可靠、安全、经济、优质、高效的电网运行和可持续发展。最终实现的智能电网应具有以下关键特征：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
6、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
7、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
8、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
9、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。2009 年 1 月，美国发布了经济复兴计划进度报告 ，宣布将铺设或更新 4 827 km (3 000 英里)输电线路，并在未来三年内为美国家庭安装 4 000 万个智能电表 。2009 年 2 月，总额达 7 870 亿美元的美国复苏与再投资法案签署生效，其中新能源为主要领域之一，重点包括发展高效
10、电池、智能电网、碳储存和碳捕获、可再生能源如风能、太阳能等。此后，美国政府又宣布了一项约 40 亿美元用于开发新的电力传输技术的计划，美国能源部(DOE)也宣布拟拨 39 亿美元资助美国复苏与再投资法案相应的项目，电力运营商等可在制定智能电网相关项目计划时向 DOE 申请提供资金。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。欧盟于 2005 年启动建设智能电网技术平台(Smart Grids Technology Platfofin)。2006
11、 年欧盟理事会的能源绿皮书欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略明确强调欧洲已经进人一个新能源时代，智能电网技术是关键技术和发展方向28-30。同时欧盟拟成立智能电网协会，进一步加强智能电网的研发和协调，提供权威信息并制定标准。2009 年初，欧盟有关圆桌会议进一步明确要依靠智能电网技术将北海和大西洋的海上风电、欧洲南部和北非的太阳能融人欧洲电网，以实现可再生能源大规模集成的跳跃式发展。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
12、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。韩国把智能电网的重点定为电力产业供求双方的用户互动系统，并大力发展可再生能源发电的联网和存储技术，在不断降低成本和提高效率的同时，提高整个电网的可靠性及可用性 。韩国政府计划2011 年前在济州岛建立一个智能电网综合性试点项目。该项目将融合新型信息技
13、术以及卫星定位技术，实现对电力需求和供应的在线实时监控，并可作为未来智能电网建设的测试基地 ，并在 2030 年成为世界上第一个真正意义上的智能电网国家。各国政府积极推进智能电网建设，一些小型的智能电网已先后建成。早在 2001 年，意大利的电力公司就安装和改造了 3 000 万台智能电表，建立了智能化计量网络。2005 年在意大利 EnelSPA建设的智能电网，采用了自主研发的测量仪表及软件系统，被认为是第一个部分采用智能电网技术的商用网络。东京电力公司的电网通过光纤通信网络，逐步实现对系统范围内已呈网状结构的 6 kV 中压馈线进行实时量测和自动控制，成为未来智能配电网的基础。2008 年
14、 4 月，美围科罗抟多州波尔得市已经建成全美第一个智能电网，与此同时美国还有 10 多个州正在开始推进智能电网发展计划。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(NREL)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
15、、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
16、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。具体包括大功率风力发电和太阳能发电场的
