智能电网的来历、发展、意义

1 智能电网及其发展

1. 1 智能电网的定义

“智能电网”（Smart Grid） ，最早出自美国“未来能源联盟智能电网工作组”在2003 年6 月份发表的报告。报告将智能电网定义为“集成了传统的现代电力工程技术、高级传感和监视技术、信息与通信技术的输配电系统，具有更加完善的性能并且能够为用户提供一系列增值服务。”在此之后，陆续有一些文章、研究报告提出智能电网的定义;此外还有类似的“Intelli Grid”、“Modern Grid（现代电网） ”的称谓。尽管这些定义、称谓在具体的说法上有所不同，但其基本含义与以上给出的定义是一致的。

“智能”二字，很容易使人认为智能电网是一个属于二次系统自动化范畴的概念。事实上，智能电网是未来先进电网的代名词，我们可从技术组成和功能特征两方面来理解它的含义。

1） 从技术组成方面讲，智能电网是集计算机、通信、信号传感、自动控制、电力电子、超导材料等领域新技术在输配电系统中应用的总和。这些新技术的应用不是孤立的、单方面的，不是对传统输配电系统进行简单地改进、提高，而是从提高电网整体性能、节省总体成本出发，将各种新技术与传统的输配电技术进行有机地融合，使电网的结构以及保护与运行控制方式发生革命性的变化。

2） 从功能特征上讲，智能电网在系统安全性、供电可靠性、电能质量、运行效率、资产管理等方面较传统电网有着实质性的提高;支持各种分布式发电与储能设备的即插即用;支持与用户之间的互动。

1. 2 智能电网的发展

尽管智能电网的概念是在2003 年提出的，但智能电网技术的发展最早可追溯到20 世纪60 年代计算机在电力系统的应用。20 世纪80 年代发展起来的柔性交流输电（ FACTS） 与诞生于20 世纪90 年代的广域相量测量（WAMS） 技术，也都属于智能电网技术的范畴。进入21 世纪，分布式电源（Dist ributed Elect rIC Resource ，DER ，包括分布式发电与储能） 迅猛发展。人们对DER 并网带来的技术与经济问题的关注，在一定程度上催生了智能电网。

近年来，国际上对智能电网的研究可谓方兴末艾。2002 年，美国电科院创立了“Intelli Grid”联盟（原名称为GEIDS） ，开展现代智能电网的研究，已提出了用于电网数据与设备集成的Intelli2Grid 通信体系; 2003 年7 月， 美国能源部发表“Grid2030”报告，提出了美国电网发展的远景设想，之后美国能源部先后资助了GridWise 、Grid2Works、MGI （现代电网） 等智能电网研究计划。在实际应用方面，德克萨斯州的CenterPoint 能源公司、圣狄戈水电公司（SDG & E） 等都在着手智能电网项目的实施或制定发展规划;作为美国盖尔文电力行动计划（ GEI） 的一部分，伊利诺斯工学院（ IIT） 正在实施“理想电力（ Perfect Pow2er） ”项目。

欧洲国家也在积极推动智能电网技术研发与应用工作。欧盟于2005 年成立了“智能电网技术论坛”;以欧洲国家为基础的国际供电会议组织（CIRED） 于2008 年6 月召开了“智能电网”专题研讨会。在智能电网建设方面，意大利电力公司（ ENEL） 在2002 年～2005 年投资了21 亿欧元实施智能读表项目，使高峰负荷降低约5 %，据报道每年可节省投资近5 亿欧元; 法国电力公司（ EDF） 以智能电网作为设计方针，改造其配电自动化系统。

我国对智能电网的研究与讨论起步相对较晚，但在具体的智能电网技术研发与应用方面基本与世界先进水平同步。我国地区级以上电网都实现了调度自动化，35 kV 以上变电站基本都实现了变电站综合自动化，有200 多个地级城市建设了配电自动化。广域相量测量系统（WMAS） 、FACTS 等技术的研发与应用都有突破性进展。最近，国家电网公司提出“建设坚强的智能化电网”，极大地推动了我国智能电网研究的开展。

2 智能配电网的功能特征

智能配电网（Smart Dist ribution Grid ，SDG）指智能电网中配电网部分的内容。与传统的配电网相比，SDG具有以下功能特征。

1） 自愈能力。自愈是指SDG能够及时检测出已发生或正在发生的故障并进行相应的纠正性操作，使其不影响对用户的正常供电或将其影响降至最小。自愈主要是解决“供电不间断”的问题，是对供电可靠性概念的发展，其内涵要大于供电可靠性。例如目前的供电可靠性管理不计及一些持续时间较短的断电，但这些供电短时中断往往都会使一些敏感的高科技设备损坏或长时间停运。

2） 具有更高的安全性。SDG 能够很好地抵御战争攻击、恐怖袭击与自然灾害的破坏，避免出现大面积停电;能够将外部破坏限制在一定范围内，保障重要用户的正常供电。

3） 提供更高的电能质量。SDG 实时监测并控制电能质量，使电压有效值和波形符合用户的要求，即能够保证用户设备的正常运行并且不影响其使用寿命。

4） 支持DER 的大量接入。这是SDG 区别于传统配电网的重要特征。在SDG里，不再像传统电网那样，被动地硬性限制DER 接入点与容量，而是从有利于可再生能源足额上网、节省整体投资出发，积极地接入DER 并发挥其作用。通过保护控制的自适应以及系统接口的标准化，支持DER 的“即插即用”。通过DER 的优化调度，实现对各种能源的优化利用。

5） 支持与用户互动。与用户互动也是SDG区别于传统配电网的重要特征之一。主要体现在两个方面：一是应用智能电表，实行分时电价、动态实时电价，让用户自行选择用电时段，在节省电费的同时，为降低电网高峰负荷作贡献;二是允许并积极创造条件让拥有DER （包括电动车） 的用户在用电高峰时向电网送电。

6） 对配电网及其设备进行可视化管理。SDG全面采集配电网及其设备的实时运行数据以及电能质量扰动、故障停电等数据，为运行人员提供高级的图形界面，使其能够全面掌握电网及其设备的运行状态，克服目前配电网因“盲管”造成的反应速度慢、效率低下问题。对电网运行状态进行在线诊断与风险分析，为运行人员进行调度决策提供技术支持。

7） 更高的资产利用率。SDG 实时监测电网设备温度、绝缘水平、安全裕度等，在保证安全的前提下增加传输功率，提高系统容量利用率;通过对潮流分布的优化，减少线损，进一步提高运行效率;在线监测并诊断设计的运行状态，实施状态检修，以延长设备使用寿命。

8） 配电管理与用电管理的信息化。SDG 将配电网实时运行与离线管理数据高度融合、深度集成，实现设备管理、检修管理、停电管理以及用电管理的信息化。

3 智能配电网的主要技术内容

SDG集现代电力新技术于一体，具体内容主要有以下几个方面。

1） 配电数据通信网络。这是一个覆盖配电网中所有节点（控制中心、变电站、分段开关、用户端口等） 的IP 通信网，采用光纤、无线与载波等组网技术，支持各种配电终端与系统“上网”。它将彻底解决配电网的通信瓶颈问题，给配电网保护、监控与自动化技术带来革命性的变化，并影响一次系统技术的发展。

2） 先进的传感测量技术，如光学或电子互感器、架空线路与电缆温度测量、电力设备状态在线监测、电能质量测量等技术。

3） 先进的保护控制技术，包括广域保护、自适应保护、配电系统快速模拟仿真、网络重构等技术。

4） 高级配电自动化。目前的配电自动化技术包括配电运行自动化（安全监控和数据采集、变电所综合自动化、馈线自动化） 、配电管理自动化（配电地理信息系统、设备管理、检修管理等） 以及用户自动化这3 个方面的内容。这些内容都属于SDG技术的范畴。

为与目前大家熟知的配电自动化区分，美国电科院提出了高级配电自动化（Advanced Dist ri2bution Automation ，ADA） 的概念。ADA 是传统配电自动化（DA） 的发展，也可认为是SDG 中的配电自动化。ADA 的新内容主要支持DER 的“即插即用”，它采用IP 技术，强调系统接口、数据模型与通信服务的标准化与开放性。

为使SDG 技术概念更有针对性，笔者建议ADA 仅包括配电运行自动化与配电管理自动化，将用户自动化内容列入下面介绍的高级量测体系。

5 ） 高级量测体系（ Advanced MeteringArchitecture ，AMA） 是一个使用智能电表通过多种通信介质，按需或以设定的方式测量、收集并分析用户用电数据的系统。AMA 是支持用户互动的关键技术，是传统AMR 技术的新发展，属于用户自动化的内容。

6） DER 并网技术，包括DER 在配电网的“即插即用”以及微网（MICro Grid） 两部分技术内容。DER 的“即插即用”包括DER 高度渗透的配电网的规划建设、DER 并网保护控制与调度管理、系统与设备接口的标准化等。微网是指接有分布式电源的配电子系统，它可在主网停电时孤立运行。

DER 并网研究内容还包括有源网络（ActiveNetwork） 技术。有源网络指分布式电源大量应用、深度渗透，潮流双向流动的网络。

7） DFACTS 是柔性交流输电（ FACTS） 技术在配电网的延伸，包括电能质量与动态潮流控制两部分内容。DFACTS 设备包括静止无功发生器（SVC） 、静止同步补偿器（ STA TCOM） 、有源电力滤波器（APF） 、动态不停电电源（UPS） 、动态电压恢复器（DVR） 与固态断路器（ SSCB） 、统一潮流控制器（UPFC） 等。

8） 故障电流限制技术，指利用电力电子、高温超导技术限制短路电流的技术。

综上所述，SDG技术包含一次系统与二次系统两方面的内容。一个具体的SDG功能的实现，往往涉及多项技术的综合应用。以自愈功能为例，首先一次网架的设计应该更加灵活、合理，并应用快速断路器、故障电流限制器等新设备;在二次系统中，应用广域保护、就地快速故障隔离等新技术，以及时检测出故障并进行快速自愈操作。

4 建设智能配电网的作用与意义

电力系统已诞生一百多年了，尽管其电压等级与规模与当年相比已有天壤之别，但系统的结构与运行原理并没有很大的变化。进入21 世纪，面对当今社会与经济发展对电力系统提出的新要求和计算机、电力电子等新技术的广泛应用，有必要重新审视过去电网建设的模式，探讨未来电网的发展新方向，而智能电网正是人们对这一问题思考、研究的结果。智能电网技术的发展正在给电力系统带来一场深刻的变革。

配电网直接面向用户，是保证供电质量、提高电网运行效率、创新用户服务的关键环节。在我国，由于历史的原因，配电网投资相对不足，自动化程度比较低，在供电质量方面与国际先进水平还有一定的差距。目前电力用户遭受的停电时间，95 %以上是由于配电系统原因造成的（扣除发电不足的原因） ;配电网是造成电能质量恶化的主要因素;电力系统的损耗有近一半产生在配电网;分布式电源接入对电网的影响主要是对配电网的影响;与用户互动、进行需求侧管理的着眼点也在配电网。因此，建设智能电网，必须给予配电网足够的关注。结合我国配电网实际，积极研发应用SDG技术，对于推动我国配电网的技术革命具有十分重要的意义。

SDG将使配电网从传统的供方主导、单向供电、基本依赖人工管理的运营模式向用户参与、潮流双向流动、高度自动化的方向转变。随着我国SDG建设的进展，将产生越来越明显的经济效益与社会效益，主要以下3 个方面。

1） 实现配电网的最优运行，达到经济高效。SDG应用先进的监控技术，对运行状况进行实时监控并优化管理，降低系统容载比并提高其负荷率，使系统容量能够获得充分利用，从而可以延缓或减少电网一次设备的投资，产生显著的经济效益和社会效益。

2） 提供优质可靠电能，保障现代社会经济的发展。SDG在保证供电可靠性的同时，还能够为用户提供满足其特定需求的电能质量;不仅可以克服以往故障重合闸、倒闸操作引起的短暂供电中断，而且可以消除电压聚降、谐波、不平衡的影响，为各种高科技设备的正常运行、为现代社会与经济的发展提供可靠优质的电力保障。

3） 推动新能源革命，促进环保与可持续发展。传统的配电网的规划设计、保护控制与运行管理方式基本上不考虑SER 的接入，而且为不影响配电网的正常运行，现有的标准或运行导则对接入的DER 的容量及其并网点的选择都做出了严格的限制， 制约了分布式发电的推广应用。SDG具有很好地适应性，能够大量地接入DER 并减少并网成本，极大地推动可再生能源发电的发展，大大降低化石燃料使用和碳排放量，在促进环保的同时，实现电力生产方式与能源结构的转变。