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1、智能电网知识引言 当前，节能减排、绿色能源、可持续发展成为各国关注的焦点。人类能源发展面临的第一挑 战，是以可再生能源逐步替代化石能源，建造能源使用的创新体系，以信息技术彻底改造现 有的能源利用体系，最大限度地开发电网体系的能源效率。因此期望通过一个数字化信息网 络系统将能源资源开发、输送、存储、转换、输电、配电、供电、售电、服务以及蓄能与能 源终端用户的各种电气设备和其它用能设施连接在一起，通过智能化控制实现精确供能、对 应供能、互助供能和互补供能，将能源利用效率和能源供应安全提高到全新的智能电网是经 济和技术发展的必然结果，具体是指利用先进的技术提高电力系统在能源转换效率、电能利 用率、供
2、电质量和可靠性等方面的性能。智能电网的基础是分布式数据传输、计算和控制技 术，以及多个供电单元之间数据和控制命令的有效传输技术。1、智能电网的基本状况1.1 智能电网的含义 智能电网并没有一个确定的概念，各个领域的专家从不同角度阐述了智能电网的内涵，并且 随着研究和实践的深入对其不断细化。天津大学余贻鑫院士给出如下定义：智能电网是指一 个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都得到实时监控，并保证从发电厂到用 户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。智能电网通过广泛应用的分布式智能和 宽带通信，以及自动控制系统的集成，能保证市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无 缝连接及实时互动
3、。总之，智能电网就是通过传感器把各种设备、资产连接到一起，形成一 个客户服务总线，从而对信息进行整合分析，以此来降低成本，提高效率，提高整个电网的 可靠性，使运行和管理达到最优化。1.2 我国的智能电网的发展现状 随着我国经济的快速发展，对电力的需求日益增强，而国内能源结构不合理、能源分布不均 衡严重制约电力行业的发展。特高压电网解决了远距离、大容量输电问题，在一定程度上解 决了能源输送问题，但“重电源轻电网”导致供电可靠性较低，同时网架结构薄弱则限制了 新能源有效利用。2007年10 月，华东电网正式启动了以提升大电网安全稳定运行能力为目 的的智能互动电网可行性研究项目。2008 年 4 月
4、，在前期智能电网研究成果的基础上，华 东电网启动高级调度中心项目群建设，该项目是智能电网建设蓝图“三步走”的第一阶段“巩 固提升”的重点内容。2009年5月 21日，在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议” 上，国家电网公司正式宣布将建设“坚强的智能电网”，并公布了规划试点、全面建设、引 领提升三阶段的建设方案。1.3 国外智能电网的发展现状 长期以来，由于风电电价高于火电电价，作为清洁能源的风电对于解决能源。早在2003年 美国电力研究院(EPRI)就已经将未来电网定义为“智能电网”同年6月，美国能源部输 配电办公室发布的“Grid 2030：电力的下一个100年的国家设想”的报告描绘
5、了美国未来电 力系统的设想，并确定了各项研发和试验工作的分阶段目标。2004年美国Battelle研究所和 IBM 公司也先后提出自己对“智能电网”的理解。美国宾夕法尼亚新泽西马里兰互联电 网公司在2006 年底完成的战略规划将智能电网建设作为其发展愿景。2008 年美国科罗拉多 州的波尔得(Boulder)宣布成为全美第一个智能电网城市，家庭用户可以和电网互动，了解实 时电价，合理安排用电；同时电网还可以根据实际情况进行电力的实时调配，提高供电可靠 性。其他国家也纷纷启动智能电网相关研究和建设规划。日本政府计划在与电力公司协商后，于2010 年开始在孤岛进行大规模的构建智能电网试验；韩国计划
6、在2011年前建立一个“智能 电网”综合性试点项目，届时能提高该国环保能源的能力；澳大利亚政府在最新的预算案中 已划拨1 亿澳元用于智能电网建设。2 发展智能电网的必要性及智能电网的性能要求 电网的安全、稳定和高效运行对于任何一个国家的可持续发展都具有重要意义。一个现代化 的电网必须从根本上保证国家能源安全、优化资源配置、带动上下游产业链发展、体现电网 企业社会责任、提高电网企业资产利用率和投资效益、适应能源结构变化和体制改革要求。 因此，在电网发展和建设过程中，有必要提高科技投入，早日实现电网的智能化。 智能电网的性能特征体现了它与传统电网的区别，可以总结为以下6 个方面:自治和自愈能 力、
7、防御能力、电网兼容性、高效运营和管理、优质和友好性、电力交易的方便性。2.1 自治和自愈能力 自治和自愈能力是指电网维持自身稳定运行、评估薄弱环节和应对紧急状态的能力。目前 电网的安全稳定计算和紧急预案制定仍以离线分析为主，其分析结果往往偏于保守，且无法 在任何时刻都符合电网的实际运行情况。在智能电网中，电网将具备更强的自我管理和自我 恢复能力，主要体现在以下几点:1）电网能够自动合理安排运行方式，协调国家、大区、省 级、地县各级电网，根据潮流、负荷、气象条件等情况确定运行参数 ;2）电网具有在线安全 稳定分析能力，能快速对自身状态进行评估，明确电网安全稳定的薄弱环节并自动提出解决 方案;3）
8、有快速的反应能力，力保电力系统三道防线;4）能针对实际情况修改或制定黑启动方 案。2.2 防御能力 防御能力是指电网抵御外部破坏的能力。外部破坏包括自然力、人为、恐怖主义、战争等 因素，因此，智能电网应从2 方面提高防御能力:（1）抵御物理破坏的能力，要求当系统失去多台发电机、多台变压器或多条主要线路以后， 电网仍能维持稳定运行并向关键负荷稳定地输送电力。（2）维护信息安全的能力，要求当系统的控制中心、微机保护、数据库、信息和通信系统等 设备受到信息战层面的攻击时，电网仍能保持正常运行。2.3 电网兼容性 电网兼容性是指电力系统能够开放性地兼容各种类型设备的能力。电网涉及的产业链较长， 包括发
9、电、燃料、环保、需求侧、装备制造等领域，因此，一个开放的、高兼容性的电网对 于各产业的充分发育、增加就业岗位、促进节能减排具有重要意义。电网的兼容性应包括以 下3个方面：（1）兼容一次设备，包括特高压、FACTS、传统能源、清洁能源、储能装置等； （2）兼容二次设备，包括保护、测量、控制和通信装置、软件等 ;（ 3）推动标准化，实现即 插即用。2.4 高效运营和管理 高效运营和管理是指电网提高设备利用率、减少线损、降低运营成本的能力。目前，电网建 设和运行存在以下几个问题:1、电网往往要被动地适应负荷，因此部分设备和输电通道的全年利用率不高；2、配电网线损较大，配电网的设备和运行函需优化；3、
10、检修以定期检修为主，检修计划的安排不能完全与设备状态匹配。在智能电网中，在合 理规划电网的基础上，将会引入先进的信息管理系统和监控技术，并适时引入状态检修和需 求侧管理，从而提升资产利用率，优化电网的投资，降低企业成本。2.5 优质和友好性 优质和友好性是指电网与需求侧、发电商、环境和谐相处的能力。在智能电网中，电网、发电商、需求侧将会形成互动的关系；需求侧和发电商将可以互相选择，而智能电网将为其 提供完成交易的信息处理平台和物理载体。此外，环保因素在电力调度和消费中的影响将会 上升。智能电网的优质和友好性主要包括以下几方面:1、针对电网、需求侧和发电商建立支持各方互动的可视化操作界面；2、吸
11、纳需求侧和分布式电源主动参与电网的运行和交易；3、建立健全的信息发布体系，尽量避免消息不对称；4、提高电能质量；5、对用户的差异化需求提供个性化服务；6、采用合理机制，提高清洁能源的竞争力，促进节能减排。2.6 电力交易的方便性 电力交易的方便性要求电网能在任何交易机制下快速、及时、准确地处理电力交易合约。目前，电力交易体制和电力能源结构正在发生变革。在交易体制方面，一些国家和地区已在 电力交易中引入竞争机制。我国也正在探索如何建立适合我国国情的电力交易制度。 2009 年的政府工作报告指出要“继续深化电价改革，逐步完善上网电价、输配电价和销售电 价形成机制，适时理顺煤电价格关系”。同时，中国
12、电监会也己着手建立双边交易试点。因此，智能电网既要适应现有的电力交易制度，也要为未来的发展留有裕度;其主要功能如 下：1、支持电力市场，能够公正、快速、准确地处理各种交易合约；2 、快捷简便的业务结算能力；3 、建立需求侧响应机制和开放性平台，吸引需求侧和分布式电源参与电力交易；4 、具有系统升级能力，以适应进一步改革的需要。3 智能电网的基础技术和信息管理系统3.1 智能电网的基础技术 智能电网的构建将有赖于多项基础技术的发展、推广和应用。本文从以下4 个角度归纳建设 智能电网所需的基础技术:电力设备、量测与通信设备、信息管理系统、决策与控制理论。智 能电网应具有灵活坚强的拓扑，因此需要研究
13、更为先进的电力设备，主要包括电源和储能技 术、输配电技术、电力电子技术、高效能源材料技术4 大类。1、电源和储能技术。目前世界各国的能源结构均在调整中，以求提高能源利用效率，避免 由于化石能源的大量消耗造成严重的环境污染。今后电源技术将集中于核能、风能、太阳能、 生物质能、氢能、燃料电池等清洁能源技术，以及洁净煤燃烧技术、高参数超超临界机组、 超临界大型循环流化床、多联产系统技术、超级电容器、飞轮储能等方面。2 、输配电技术。在电网网架建设中，既要发展大容量远距离低损耗输电技术，也要研究分 布式供能技术以缓解输电网压力。输配电技术主要集中于特高压交直流输电、特高压绝缘、 高温超导、微型电网等方
14、面。3 、电力电子技术。主要包括耐高压大电流电力电子器件，轻型直流输电，以及固态变压器、固态断路器、统一潮流控制器、静止无功补偿器、TCSC、有源滤波器、动态电压恢复器、静 止同步补偿器等FACTS装置。4、高效能源材料技术。主要包括太阳能电池相关材料，燃料电池关键材料，高容量储氢、 高效二次电池材料，超导关键材料及制备技术，以及高效能量转换等。3.2 信息管理系统 智能电网中的信息管理系统应主要包括采集与处理、分析、集成、显示、信息安全5 个 功能。1、信息采集与处理。主要包括详尽的实时数据采集系统、分布式的数据采集和处理服 务、智能电子设备资源的动态共享、大容量高速存取、冗余备用、精确数据
15、对时等。2、信息分析。对经过采集、处理和集成后的信息进行业务分析，是开展电网相关业务 的重要辅助工具。纵向包括“发电-输电-配电-需求侧”4 级产业链业务分析和“国家-大区- 省级-地县”4 级电网信息分析。横向包括发电计划、停电管理、资产管理、维护管理、生 产优化、风险管理、市场运作、负荷管理、客户关系管理、财务管理、人力资源管理等业务 模块分析。3、信息集成。智能电网的信息系统在纵向上要实现产业链信息集成和电网信息集成， 横向上要实现各级电网企业内部业务的信息集成。为此有必要借鉴或利用面向服务架构等系 统架构或标准，开发高效标准化的信息集成系统。4 、信息显示。为各类型用户提供个性化的可视
16、化界面，需要合理运用平面显示、三维 动画、语音识别、触摸屏、地理信息系统（GIS）等视频和音频技术。5、信息安全。智能电网必须明确各利益主体的保密程度和权限，并保护其资料和经济 利益。因此，必须研究复杂大系统下的网络生存、主动实时防护、安全存储、网络病毒防范、 恶意攻击防范、网络信任体系与新的密码等技术。4 智能电网的功能实现智能电网各项功能的实现，有赖于在完善各项基础技术的基础上，将其有效应用到电网 运作的各环节，实现分散控制和集中控制的协调。本文从智能控制中心、智能变电站、智能 线路、智能保护系统、智能需求侧管理5 个角度介绍智能电网的功能。4.1 智能控制中心智能控制中心是现有的EMS, DMS, SCADA,虚拟电厂（virtual power plant）等技术的再升级和结 合，主要具有以下功能:可视化互操作平台、预测功能、交易与调度功能、快速安全稳定分
