智能电网综述

1. 智能电网发展背景

1.1电能生产的现状及趋势

煤炭、石油等发电一次能源的损耗和价格持续上涨，而且我国能源结构存在煤电比重过大的不平衡问题，煤电生产在电力生产总量所占比例远高于世界平均水平。这种严重依赖于煤电的电源局面，显然不利于长期可持续发展的要求。同时传统能源发电所带来的环境污染、温室效应等问题越来越严重。面对电力部门与用户对电能的质量和需求提出的高要求，人们对低污染、可再生新能源发电方式的关注度逐渐增加。根据我国的能源状况和社会科技、经济发展水平，当前我国发改委能源研究所提出了要重点发展风力发电、生物质发电、太阳能等可再生能发电。

新能源发电为人类解决能源短缺和污染问题描绘了令人振奋的前景，但要使这幅蓝图真正成为现实的确还面临着诸多挑战。

1.2建设智能电网是能源可持续发展的需要

国家电网公司制定的《坚强智能电网技术标准体系规划》，明确了坚强智能电网发展技术标准路线图，是世界上首个用于引导智能电网技术发展的纲领性文件。建设智能电网是未来我国能源可持续发展的需要，它不仅能解决当前清洁能源上网难等问题，提高能源利用效率，还将改变人们的生活方式。

应用智能电网技术，在发电侧应用智能电网技术既可以有效的提升系统的清洁能源接纳能力，又可以提高系统发电技术的效率。而在电网环节可以降低线路损耗，提高输电效率，提升电网基础设施资源利用率和供电可靠性，从而达到节能减排的目的，在配电侧通过用电信息才接系统及智能用电终端，将用电信息反馈给用户，有助于其调整用电模式，改变用电理念，提高用电效率，同时可以促进分布式电源的接入，从而达到智能互动和绿色节能的功能。

2 智能电网简介

2.1 智能电网概述

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当前，智能电网成为全球关注的焦点，各国把发展智能电网作为抢占未来低碳经济制高点的重要战略措施，纷纷启动智能电网建设。智能电网为全球电力、电信产业、通信产业、电视媒体等提供了新机遇，成为拉动世界经济的下一个引擎，是世界电网发展的新趋势。

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将对其不断细化。根据IBM中国公司高级电力专家Martin Hauske的解释，智能电网有3个层面的含义：首先是利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控；然后把获得的数据通过网络系统进行收集、整合;最后通过对数据的分析、挖掘，达到对整个电力系统运行的优化管理。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。

总之，智能电网就是通过传感器把各种设各、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。

2.2 智能电网的功能及特征

智能电网（Smart Grid）是以物理电网为基础，建立在集成的、高速双向通信网络上，将现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网，其内涵是实现电网的信息化、数字化、自动化和互动化。智能电网是一种智能化的未来电力系统，通过智能通信系统来连接所有电力供应、电力网络和电力需求等组成要素，同时为电力供应单位和电力消费者带来巨大的效益。

一般来说，智能电网有以下主要特征。

①自愈。对电网运行状态进行连续的在线自我评估，并采取预防性控制手段及时发现、快速诊断并消除故障隐患；当发生故障时，在没有或有少量人工干预下，能快速隔离故障，自我恢复，避免造成大面积停电事故。

②互动。电力系统运行与批发、零售电力市场实现无缝衔接，支持电力市场交易的有效开展，实现资源的优化配置，同时通过市场交易更好地激励电力市场

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主体参与电网安全管理，从而提升电力系统的安全运行水平，实现与客户的智能互动，以最佳的电能质量和供电可靠性满足客户需求。

③坚强。未来的智能电网安全是首要问题，整个系统应确保一定的集成和平衡，必须具有组织、探测、响应、和自动恢复人为破坏的能力。智能电网要能够抵御物理和信息两类攻击，必须做到：通过掩藏、分散、消除或者减少单点故障来减小攻击的威胁；通过保护关键资产免受物理和信息攻击，以减小电网的弱点；通过恢复核心电力组件来尽量减小攻击造成的影响。

④兼容各种发电和储能系统。智能电网能够兼容大的、集中的大电厂，还能兼容不断增加的分布式能源。分布式能源将是多样的、广泛分布的，包括可再生能源、分布式电源和储能。既能适应大电源的集中接入，也支持分布式发电方式友好接入以及可再生能源的大规模应用，满足电力与自然环境、社会经济和谐发展的要求。

⑤优质电能供应。智能电网能够减小由于输配电元件以及闪电、开关浪涌、线路故障、谐波源等问题引起的电能质量扰动，它将应用高级的控制方法检测重要组件，实现电能质量问题的快速诊断和周密解决方案。在数字化高科技占主导的经济模式下，智能电网将多种高级技术和先进设备适用于每一个层次的电力生产和输送环节上，为用户提供优质的电能和不同电压等级、不同时段的实时电价。

⑥优化资产和高效经济。优化资源配置，提高设备传输容量和利用率，资产优化包括配电、运行、区域输电组织RTC和数据区域层及规划层等方面；在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口；支持电力市场竞争的要求，实行动态的浮动电价制度，实现整个电力系统优化运行。通过流程的不断优化、信息整合，实现企业管理、生产管理、调度自动化与电力市场管理业务的集成，形成全面的辅助决策支持体系，支撑企业管理的规范化，不断提升电力企业的管理效益。

⑦活跃市场。未来的电力计划和使用将基于批发和零售模式，建立完全开放的自由市场，实现完全的商业化运行。经济约束的选择将驱使电网更加可靠，并使电力公司与用户之间用新的服务模式来进一步满足电力市场参与者的需求。

⑧信息集成。实现包括监视、控制、维护、能量管理配电管理、市场运营、企业资源规划等和其他各类信息系统之间的综合集成，并实现在此基础上的业务集成。

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3 智能电网的优越性

传统电网是一个刚性系统，电源的接入与退出、电能量的传输等都缺乏弹性，致使电网没有动态柔性及可组性；垂直的多级控制机制反应迟缓，无法构建实时、可配置、可重组的系统；系统自愈、自恢复能力完全依赖于实体冗余；对客户的服务简单、信息单向；系统内部存在多个信息孤岛，缺乏信息共享。虽然局部的自动化程度在不断提高，但由于信息的不完善和共享能力的薄弱，使得系统中多个自动化系统是割裂的、局部的、孤立的，不能构成一个实时的有机统一整体。

与传统电网相比，智能电网将进一步拓展对电网全景信息(完整的、正确的、具有精确时间断面的、标准化的电力流信息和业务流信息等)的获取能力，以坚强、可靠、通畅的实体电网架构和信息交互平台为基础，以服务生产全过程为需求，整合系统各种实时生产和运营信息，通过加强对电网业务流实时动态的分析、诊断和优化，为电网运行和管理人员提供更为全面、完整和精细的电网运营状态图，并给出相应的辅助决策支持，以及控制实施方案和应对预案，最大程度地实现更为精细、准确、及时、绩优的电网运行和管理。

4 国内外智能电网的发展状况

4.1 国外研究状况

当前，全球电力行业正面临着前所未有的电力体系效益最大化的挑战和机遇，建设智能电网已成为世界电力系统发展变革的最新动向。智能电网的经济价值和新能源的高利用率，已引起各国政府的高度重视。目前，全球智能电网建设升温，欧美日等世界发达国家正在启动智能电网建设，智能电网吸引着越来越多的企业参与，诸如IBM、西门子、微软、Google、Intel、GE、通用电气、思科等，更多的组织机构在尝试研究和应用智能电网技术。由于各国国情不同，所处的发展阶段及资源分布不同，因而各国的智能电网在内涵、建设重点、发展方向等方面有着各自的特点。以下以美国为例简单介绍国外智能电网的研究状况。

美国的智能电网计划被称为统一智能电网(Unified National Smart Grid)，是指将基于分散的智能电网结合成全国性的网络体系。这个体系就是以美国的可再生能源为基础，实现美国发电、输电、配电和用电体系的优化管理。体系包括：通过统一智能电网实现美国电网的智能化，解决分布式能源体系的需要，以长短途、

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高低压的智能

网络联结客户电源，营建新的输电电网，实现可再生能源的优化输配和平衡，提高电网的可靠性和清洁性，实现美国电网整体的电力优化调度、监测、控制和管理，同时解决太阳能、氢能、水电能和车辆电能存储以及电池系统向电网回售富裕电能等。

美国强调智能电网的稳定性。美国智能电网发展大致可分为3个阶段：第1阶段是2009年，各州政府计划并着手发展智能电网；第2阶段是2010-2020年，家电设备能通过有线或无线方式远距离操作；第3阶段是2030年，各种电器设备都能自行控制负荷量。美国智能电网发展重点在配电和用电侧，研发可再生能源和分布式电源并网技术，同时发展智能电表，使消费者可以根据自身需要在不同价格时段使用电力，推动可再生能源发展。

4.2 国内研究状况

国内开展智能电网的体系性研究相对稍晚，但在智能电网相关技术领域开展了大量的研究和实践，在输电网建设、控制系统新技术和可再生能源发电等方面都取得了不同程度的研究成果。

国家电网公司大力推进特高压电网、“SG186”工程、一体化调度支持系统、资产全寿命周期管理、电力用户用电信息采集系统和电力通信等建设，打造坚强电网，强化优质服务，为智能电网建设奠定了坚实的基础。

2009年1月16日，晋东南—南阳—荆门的特高压交流试验示范工程建成投运。目前，特高压系统和设备运行平稳，全面验证了特高压交流输电的技术可行性、设备可靠性、系统安全性、设计和施工方案的先进性以及环境的友好性，实现了我国在远距离、大容量、低损耗的特高压核心技术和设备国产化上的重大突破。我国电网优化配置资源的能力明显增强。

2009年2月28日，作为华北公司智能化电网建设的一部分——华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组验收。这套系统首次将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成，调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换，便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。此外，该系统通过搭建并网电厂管理考核和辅助服务市场品质分析平台，能有效提升调度部门对并网电厂管

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理的标准化和流程化水平。

5 智能电网发展需要的关键支撑技术

在智能电网中，不限制于仅使用某方面的技术，而是将基于现代新材料技术、计算机软硬件技术、自动控制技术、传感器技术、电力电子器件技术、高温超导技术、信息技术、分布式发电技术以及现代通信技术的综合，为现代电网提供各种类型先进的测量、监视、保护和控制的电力设备，对传统电网进行升级改造，构造一个更加经济、安全、可靠、环保的电网。

根据美国能源部下属国家能源技术实验室对“现代电网”中技术方面定义和分类，对其支撑的关键技术可分为五类：

①集成的通信技术。智能电网应建立起高速的、全面集成的高速双向通信技术架构，使智能电网变成一个动态的、交互的，用于实时信息和功率交换的超级架构的网络。采用通信系统的开放式架构，可以对网络智能传感器和控制装置、控制中心、保护系统和用户建立一个安全的“即插即用”的应用环境。

②传感、计量和测量技术。在智能电网中，采用各种先进的传感器、结合双向通信的智能表计与监视系统，用以监视用户端用电状况、电网设备的健全状态与网络安全状态，提供智能电网安全经济运行的最基础的功能。

③先进的电网设备。先进的电网设备对电网的远行特性起着积极的作用。它包括超导输电电缆、故障电流限制器、复合导线、灵活交流输电系统设备(FACTS)、先进的储能装置、分布式发电装置、先进的变压器和断路器、智能电器、先进的保护控制设备等。

④先进的控制方法。电力系统自动控制可实现对电网的快速诊断，并对特定的电网瓦解或停电提供周密的解决方案。通过从所有电网主要设备中收集数据，输入到计算机的进行算法运算，可监视这些电网设备，并通过以确定性的和随机的观点分析数据去进行诊断和提供解决方案。先进的控制方法应支持诸如分布式能源和需求响应调度、配电自动化和变电站自动化、自适应继电保护、能量管理、市场定价、电网模拟、操作员显示和先进的可视化系统。用于先进的控制方法的三类技术包括:分布式智能代理(控制系统)、分析工具(软件算法和高速计算机)和运行应用(SCADA、需求响应等)。

⑤决策支持和人机接口。智能电网中使用信息系统技术，应能使操作和管理

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人员在日益增加的可变因素下利用这些工具来减少复杂性，保持电网的高效运行。在某些情形，可供操作员做出决策的时间缩短到秒级的水平。因此，现代电网需要非专门化的、无缝的、实时使用的应用和工具，以满足电网操作和管理人员做出快速决策的需要。带有改进接口的决策支持将扩展决策至所有等级的电网，它包括用户级的电网。

6 智能电网前沿技术

6.1 发电领域前沿技术

随着新能源的开发和科学技术的进步，各种新型发电技术层出不穷，如风能发电、核聚变发电、太阳能光伏发电、海洋能发电、生物质能发电、燃料电池发电、海水抽水蓄能发电、煤炭气化复合发电、太阳能热气流发电、太空太阳能发电、高空风力发电等，这里只介绍其中几种。

①核聚变发电。核能发电分为裂变能和聚变能两种。与核裂变正好相反，核聚变是氢元素发生原子核互相聚合作用伴随着能量释放的核反应过程。目前人类能够和平利用的只有裂变能，可控聚变能实用技术还在研究中。

②海洋能发电。海洋能通常是指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要是通过波浪、海流、潮汐、盐度差、温度差等方式，以动能、位能、物理化学能等形式通过海水自身呈现出来。目前，除了潮汐能发电技术已经基本成熟，有可能进行规模化开发利用外，其他海洋能发电技术还没有达到实际利用的技术要求，还有许多工程技术问题需要解决。

③生物质能发电。生物质燃烧发电是将生物质替代化石燃料在锅炉中燃烧，产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热，生成的高温高压蒸汽在燃气轮机中膨胀做功产生电能。目前生物质能发电技术主要包括：直燃发电技术、气化发电技术、沼气发电技术。开发生物质能发电技术既可降低对化石能源的依赖又可保护生态环境，发展前景十分广阔。

④高空风力发电。高空风是一种广泛、相对可靠且潜力巨大的能源。目前，高空风力发电主要有两种构架方式第一种是在空中建造发电站，在高空发电，然后通过电缆输送到地面；第二种类似放“风筝”，通过拉伸产生机械能，再由发电机转换为电能。高空风力发电项目在国内外仅停留在试验阶段，还面临诸多技术难题。

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6.2 输电领域前沿技术

输电领域的新技术主要有新型直流输电、半波长交流输电、分频交流输电、多相输电、无线输电和光纤输电等。

①新型直流输电。新型直流输电技术包括基于电压源换流器的高压直流输电、多端直流输电和采用电容换相换流器的直流输电。基于电压源换流器的高压直流（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC）输电系统采用了由具备自关断能力的绝缘栅双极晶体管器件构成的电压源换流器。这种输电方式对无功的需要大幅度减少，并且能够动态补偿交流母线的无功功率，解决了向弱交流系统以及无电源的负荷区的送电问题。多端直流（Multi-Terminal High Voltage Di-rect Current，MTDC）输电系统是指含有多个整流站或多个逆变站的直流输电系统，主要应用于由多个能源基地输送电能到远方的多个负荷中心和几个孤立的交流系统之间利用直流输电线路实现联网等。采用电容换相换流器（Capacitor Commutated Converter，CCC）的直流输电技术是指在常规高压直流输电的换流变压器二次侧串联一组电容器，用来补偿换流器的无功消耗。这种输电技术提高了高压直流输电运行的稳定性，且无需大容量的无功补偿装置，在远距离输电和受端系统较弱的情况下，有望取代常规高压直流输电而得到广泛应用。

②无线输电。所谓无线输电（Wireless Power Transmission，WPT），就是用微波源或激光器把直流电转变为微波或激光，然后由天线发射出去；大功率的电磁射束通过自由空间后被接收天线收集，经微波或激光整流器后重新转变为直流电。它的实质就是用微波束或激光束来代替输电导线，通过自由空间把电能从一处输送到另一处。无线输电技术的最大困难在交流输电、分频交流输电、多相输电等。上述几种典型新型输电方式的特点、技术基础、适应对象等都各有不同。

目前比较成熟的是新型直流输电，而其他的输电技术制约于科技水平和技术经济性能，还需要大量的理论研究和工程试验。

6.3 变电领域前沿技术

变电领域的新技术主要表现在电力电子器件的应用、机器人巡检技术等。 ①电力电子器件的应用。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的一种现代技术，节能效果可达10％～40％。智能电网大发展给大功率

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电力电子提供了广泛的应用空间。电力电子变压器具有体积小、电能转换质量和效率高、可分散式变电等优点。随着在高频大功率双向电力电子开关器件和电力电子变压器控制技术方面研究的进展，电力电子变换技术对电力能量进行转换与控制将是未来的发展趋势，这使得电力电子变压器替代传统的配电变压器成为可能。

②智能机器人巡检系统。变电站设备巡检机器人系统是集机电一体化技术、多传感器融合技术、电磁兼容技术、导航及行为规划技术、机器人视觉技术、安防技术、稳定的无线传输技术于一体的复杂系统，采用完全自主或遥控方式代替巡检人员，对变电站内室外一次设备的部分项目进行巡检，并对图像进行分析和判断，及时发现电力设备存在的问题，为无人值班变电站的推广应用提供了创新型的技术检测手段，提高了电网的可靠稳定运行水平。机器人在电力系统中的应用主要集中在电力设备，如线路、变压器、发电设备等的检测、检修和维护作业中。国内目前在变电站机器人设备巡检研发领域取得了长足的进展，并积累了许多宝贵经验，济南长清、天津吴庄等多个500 kV变电站已经有机器人巡检系统投入使用。

6.4 配电领域前沿技术

现代工业的发展对供电的可靠性、电能质量有越来越高的要求，分布式发电（如风力发电、燃料电池发电等）的快速发展，也对配电网提出了便捷可靠的入网方式要求。为满足用户对电力供给的需求，未来的配电技术必须具有如下特点：网络快速自愈、分布式电源易于接入、抗扰动能力强、提供优质电力、与用户互动等，与此对应的新型技术主要有以下几种。

①储能技术。现有的电能存储方式主要可分为机械储能、化学储能、电磁储能和相变储能等。超导体电流大，能量密度高，存取快速，可作为理想的电磁能储藏器，超导材料临界温度低一直是超导储能应用的限制因素，目前直接冷却超导储能（HTc-SMES）的研究受到了美、日等国的高度重视，但是与低温超导储能系统相比，HTc-SMES的研究仍处于起步阶段。目前，只有属于机械储能的抽水蓄能技术相对成熟，其他储能方式还处于示范阶段或初期研究阶段。

②配电网柔性输电技术。配电网柔性输电（Distribution Flexible AC Transmission Systems，DFACTS）技术是柔性交流输电（Flexible AC Transmission

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Systems，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装置的原理是通过检测电能质量的相关参数，控制快速的电子开关（动作时间在毫秒级）进行相应的补偿，提供满足特定用户需求的电能质量。DFACTS技术的充分发展，将使得电能质量、动态潮流等完全可控。

6.5 用电领域前沿技术

电力需求弹性不足一直是影响电网可靠运行的重要因素之一。在智能电网大框架下，需要新型用电技术提高电力需求弹性，提升电力需求侧管理的智能化水平，帮助电力用户与智能电网进行互动，更加高效、经济地管理用电。

①用电监控技术。用电监控技术包括用电监测和用电控制两部分，是通过在室内安装各种先进传感器，对用户的电力消费信息进行动态的、准实时监测，帮助消费者了解自身的详细用电信息，以指导消费者改变自身的用电行为；并在信息获取的基础上，结合用户的用电习惯，对整个住宅用电系统进行自动控制，在电器中合理分配电能。

②物联网。它是采用各种先进的家庭传感器全面采集家庭数据，并通过有线通信技术、无线通信技术，将数据、语音、视频等各种信号，按约定的协议，使各种家庭智能电器与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、跟踪、监控和管理的一种网络。未来的物联网不仅家用电器主人能够远程管理，而且家用电器可以自我管理或相互管理。通过物联网，各种家用电器就能以最经济、合理的方式工作，为人们带来舒适、节能的生活。

6.6 电网调度前沿技术

智能调度是智能电网建设中的重要环节，智能调度的建设体现了智能电网坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放等多方面特征。智能调度建设的开展使得电网调度在一体化智能应用支撑、大电网运行控制、新能源并网控制、调度计划运作和调度管理等方面都涌现出很多新的技术，下面重点介绍其中两点。

①大电网智能运行控制技术。大电网智能运行控制技术的目标是建成智能电网安全防御系统，将通过广域、迅捷、同步、精确的量测感知，自适应智能决策，基于决策指令和应对动态响应相协调的控制执行，形成具备自我感知、自我诊断、自我预防、自我愈合的大电网智能安全控制能力。

②大型可再生能源及分布式能源接入控制技术。目前，大型可再生能源及分

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布式能源接入电网的控制技术研究处于起步阶段。在可再生能源中，风电场输出功率具有间歇性和不确定性，大量风电接入电网会对运行调度带来较大的影响。尤其是很多地区风电具有反调峰特性，因此，风电场的接入控制技术一直受到电力运行调度人员的关注。随着光伏发电技术的成熟，光伏发电在我国的电力供应中将扮演越来越重要的角色。但光伏发电的输出功率随日照情况、温度等的变化而变化因此，研究光伏发电的接入控制技术对于光伏发电的进一步大规模应用具有很重要的意义。通过研究计及风电场等可再生能源的电力系统运行与控制的相关技术，在智能调度技术支持系统中建立可再生能源发电模型，实现计及大型可再生能源及分布式能源的电网调度控制，充分研究可再生能源、分布式能源对电力系统安全、稳定、优质和经济运行的影响。

7 智能电网的发展前景

智能电网是未来电力系统发展的必然趋势，是应对能源、环境、气候、经济、社会等各方面挑战的必然选择。在国内我们应始终坚持立足于我国电网建设的实际水平，以统一规划、统一标准、统一建设为原则，最终实现具备信息化、自动化、互动化特征的自主创新、中国特色、世界领先的坚强智能电网目标。

参考文献

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