宮一玉，張  璞，劉兆燕，滕蘇鄲，高楊鶴，余瀟瀟

　　（北京市電力公司，北京100031）

　　摘  要： 從能源替代、環境保護、電網結構、電能質量4個方面，闡述了智能電網產生的背景；深入探討了各國對智能電網的定義及原因；分析了智能電網的特征及基本要求，并著重對智能電網在用戶側的兩項先進技術——需求側管理和分布式能源并網進行了分析，對于總結智能電網在用戶側的發展有一定的價值。

　　關鍵詞： 智能電網；需求側管理；分布式能源

0 引言

　　傳統能源日漸短缺和環境污染問題是制約人類社會持續發展的因素。電能作為清潔能源在終端能源所占的比重也日漸增加，現代電網在規模不斷壯大的同時，也受到能源、環境、經濟、政治等因素的考驗，主要表現在以下幾方面[1]：

　　（1）能源替代的緊迫性。煤炭、石油、天然氣等資源日益枯竭，而目前還未出現新能源可以完全代替傳統火電燃料。（2）改善環境的緊迫性。電能的清潔性已得到廣泛認可，并逐漸通過電采暖、電動汽車的廣泛推廣。（3）電網結構的潛在威脅。大電網結構逐漸形成，電網結構高度互聯，因此小范圍的故障都有可能蔓延到全網。與此同時電力設備也日漸老化，老化的電力設備不易被察覺，容易造成小范圍的故障。（4）電能質量的要求日益提高。隨著各類金融中心、數據中心的成立，電力用戶對電能質量的要求也日益提高，與此同時，電力電子設備的廣泛應用會對電能質量產生負面的影響。

　　在如此嚴峻的形勢下，保證電力系統可靠、安全、環保、智能的運行，是21世紀電網人面對的困難和挑戰。在這樣的發展背景下，智能電網（Smart Grid）的概念應運而生，并在全球范圍內得到廣泛認同，成為世界電力工業的共同發展趨勢。世界各國都制定了各自的智能電網發展路線，2006年美國IBM公司與電力企業合作，研究智能電網的建設發展方案；2007年，我國華東電網也啟動了智能電網的研究，規劃在2030年華東電網將全面建成可靠、安全、環保的智能電網[2]。

　　隨著科技的發展，能效技術、可再生能源技術、新型交通技術等各種低碳技術將大規模應用于電網，安全、穩定、高效、經濟的智能電網將逐步形成。

　　本文明確了智能電網的定義，分析了智能電網的各類特征，探討了實現智能電網過程中的用戶側的兩項先進技術——需求側管理和分布式能源并網，對于總結智能電網在用戶側的變化有重要的意義。

1 智能電網的定義

　　雖然智能電網(Smart Grid)的理念在21世紀初就已經被提出，然而目前國際上仍然未形成統一的“智能電網”的定義[3~5]。

　　美國能源部在其研究報告中將智能電網描述為：智能電網是指將先進的數字化技術應用于現代電網中，包括輸電網、配電網、電力消費者以及分布式發電及儲能技術，提高電網運行的可靠性、安全性和運行效率。

　　歐盟將智能電網定義為:智能電網是指在保證安全、可靠、經濟電力供應的同時，將接于電網的用戶——電能生產者、消費者、產消合一者智能化地集成為一個整體。

　　中國國家電網公司將其提出的堅強智能電網描述為:以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強網架為基礎，以通信信息平臺為支撐，具有信息化、白動化、互動化特征，包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度六大環節，涵蓋所有電壓等級，實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合，具有堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放和友好互動內涵的現代電網[6-7]。

　　以上3種對于智能電網的定義側重點不同，這是因為各個國家的能源結構、電網狀況、管理體制等背景不同。美國是將數字化引入智能電網的概念，試圖將先進的IT技術與大電網技術相融合，驅動電網智能化的發展；歐洲國家的輸電網已經基本成型，歐洲國家所提出的智能電網主要側重于配電網的智能化和自動化；國內輸電網正處于高速發展的階段，“五橫五縱”的特高電網將逐步形成，因此，中國的智能電網更加側重于輸電網的智能化。

2 智能電網的特征及基本要求

　　雖然各國對于對于智能電網定義的側重點略有不同，然而通過分析可以看出以上智能電網的定義有5項關鍵特征。如圖1。

　　自愈:實時掌握電網運行狀態，預測電網運行趨勢，及時發現、快速診斷故障隱患和預防故障發生;故障發生時，無需或只需少量人工干預，就能夠快速隔離故障，自我恢復，避免大面積停電的發生。

　　兼容:電網能夠同時適應集中式發電和分布式發電模式，實現與負荷側的交互，支持各種清潔、綠色、可再生能源的接入，滿足電網與自然環境的諧調發展。

　　優化:優化資產規劃、建設、運行、維護等各個環節，提高資產的利用效率，降低運行、維護和投資成本。

　　互動:實現與用戶的智能互動，有效展開電力交易，實現資源的優化配置，提供最佳的電能質量和供電可靠性。

　　集成:實現監測、控制、保護、維護、調度和電力市場管理等數字化信息系統的全面集成，形成全面的輔助決策體系。

　　具備自愈、兼容、優化、互動、集成5項特征的智能電網能夠充分利用現代測量、通信、計算機、自動化等IT技術，達到電網運行更可靠、更靈活、更經濟，為用戶提供更優質的服務目標。這與現行電網運行的安全、經濟、電能質量的基本目標相一致，并且還強調了智能電網的靈活性、可監控、互操作性三項基本要求。

　　（1）靈活性

　　靈活性是指在電網運行過程中，系統功率/負荷發生較快的變化，引起較大功率波動時，能夠通過調整發電機出力或電力負荷，保證系統功率平衡的能力。

　　在傳統電網中，靈活源主要自發電側，不可控源主要來自用戶側，電力流總體呈發電-輸電-變電-配電單向流動；然而在智能電網中，由于多樣化電力負荷的快速增長，高密度、高滲透率的分布式電源的廣泛應用，電力系統不確定、不可控的因素增多，使得電力流方向不再單一，因此對電力系統的靈活性提出了更高的要求。

　　提高智能電網靈活性需要解決的關鍵問題就是提高調動系統靈活源的能力，并對其實時管理控制，使其能有效跟蹤不可控源的電力生產和消費，在保持系統安全穩定的前提下，實現全系統的實時平衡。

　　（2）可監控性

　　由于智能電網中靈活源增多，電力流呈多方向化發展，加劇了電網面臨的不確定性，因此必須提高全網的監測和控制，實時跟蹤電網中靈活源的動態，保證系統潮流的實時平衡；再者，隨著社會的發展，輸電走廊的獲取難度加大，為了提高電網的利用率，電網更多地運行在臨界穩定運行狀態，加大了電網的安全穩定風險。為了保持電網的安全穩定性，需要進一步提高電網的可監控性。

　　（3）互操作性

　　互操作性是指保證2個或更多網絡、系統、設備、應用或元件之間相互通信以及在不需要過多人工介入即可有效、安全、協調運行的能力。

　　為了提高電網的智能化，智能電網需在多個層級上滿足互操作性要求，智能電網不是將現有的電網推到重建，而是在現有設施的基礎上進行擴展和升級，因此需要現代信息通信技術、傳感技術、控制技術和電力技術的完美結合，提高電網的互操作性，實現智能電網的各種互動與交易需求。

　　目前各國學者對于電網智能化的研究都是基于提高電網的靈活性、可監控性、互操作性三個方面展開的。如今國內在提高電網可監控性方面開展了大量的工作，在提高電網靈活性和互操作性方面研究不足，特別是在需求側管理方面，受到各方面因素的制約。

3 智能電網主要技術

　　國內提出的智能電網技術領域非常廣泛，覆蓋發電、輸電、變電、配電、用電、調度6個環節，包括了高級計量基礎設施、高級配電運行系統、高級輸電運行系統、高級資產管理系統4個技術支持系統，涵蓋了需求側管理技術、新能源并網技術、廣域測量技術等[8-9]。智能電網與現代電網的區別如表1。

　　3.1 需求側管理

　　需求側管理是指電力用戶針對市場價格信號或激勵機制做出響應，并改變原有電力消費模式的行為。電力需求側管理從根本上改變了單純依靠電源建設來滿足電力需求增長的傳統理念，它是將電力需求側納入規劃，與供應側資源統一管理優化，通過整合各類先進的信息、控制及通信技術，增強了電網與用戶的互動性，實現了電力能源消耗的動態管理[10]。

　　現今電力企業實施需求側管理主要從以下幾個方面進行：

　　（1）智能電表。智能電表是實現需求側管理的信息終端和控制終端。智能電表通過幾代的發展，不僅能夠實時的記錄用戶的用電信息，而且由于其與通信網絡友好接入，因此新一代智能電表還具有遠程抄表，分段記錄、故障定位、電能質量監測及竊電監測等功能，初步實現了電網與用戶的友好交互。

　　（2）雙向通信。實時、高速與集成的雙向通信技術是實現智能電網與用戶之間信息互動的基礎，也是確保智能電網實現開放式“即插即用”電網架構的先決條件。雙向通信可以輔助用戶實時合理、快速與準確參與各類需求側管理項目。

　　（3）用戶門戶。用戶門戶是電網與用戶的接口，它掙了了多種軟硬件技術，以實現智能電網可靠地獲取用戶的用電信息，實現遠程負荷監控等用戶管理。用戶也可以通過用戶門戶實現在線預付電費、定制需求側相應策略等。

　　（4）智能家居。智能家居是指將家庭中的各種用電設備、家庭安全報警系統、智能電表等通過互聯網與電腦相連，使用戶可以遠程控制家庭內的用電設備，并向用戶反映各類電器的電費影響，協助用戶決策家用電器的合理使用，增強用戶在需求側管理的參與度。

　　（5）改進的客戶服務。為了提升用戶參與需求側管理的積極性，電力企業需要改進客戶服務，包括靈活的計費方式、多種可選擇的電價方案、停電預通知、詳實的電費信息、電能節約向導等。

　　3.2 分布式能源并網

　　近年來，分布式能源技術發展迅速，在丹麥、芬蘭、挪威等北歐國家，現有的分布式發電裝機容量己超過其總裝機容量的30%。可以預見，隨著傳統資源逐漸枯竭，人們的環保意識增強，分布式能源的發展將會進一步加大[11]。

　　分布式能源是指安裝在用戶側的能源綜合利用系統，主要包括分布式電源和分布式儲能系統，同時還包含負荷側能量管理系統和熱電聯產系統。其中，分布式電源的形式包括風力發電、光伏發電、微型燃汽輪機和小水電等，分布式儲能系統則包括燃料電池、蓄電池等

　　大規模的分布式能源的并網使得可再生能源充分利用的同時，對于電網結構、能量形式、保護控制也帶來了考驗，電網中功率流動、信息交換和控制方式的復雜程度大大增加。因此需要從以下幾個方面探索分布式能源并網的問題。

　　（1）優化分布式能源并網的運行管理。分布式能源并網與常規能源并網不同，一方面分布式能源并網會使功率發生雙向性流動，改變原有電網的潮流方向；另一方面，風電、光伏發電等分布式電源具有能源間歇性的特點，為了使其能效能夠充分發揮，需要優化分布式電源的調度管理，并通過分布式儲能裝置實現電網潮流的動態平衡。

　　（2）合理規劃分布式能源的接入方案。隨著分布式能源并網的蓬勃發展，不同類型、容量和數量的分布式電源接入電網后，電網結構不再是單一的垂直輻射式，而是出現了雙向流動的形式，因此必須合理規劃和設計分布式電源的類型、安裝地點和容量等，有效發揮分布式能源和提高供電可靠性。

　　（3）改進繼電保護系統。大量分布式能源的接入，會導致系統潮流的多方向流通，進而使原有的繼電保護裝置能不滿足要求，因此必須對現有保護系統從工作原理到動作邏輯上加以改造，使之能夠靈活適應的變化，確保將故障范圍鎖定在最小范圍內。

　　（4）推廣微電網技術。微電網是指由分布式電源、儲能裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與大電網并網運行，也可以孤立運行。對于輸電成本高、對電能質量要求高的集中電力用戶區，將分布式能源以微電網的形式接入大電網，是對分布式電源利用效能最高的一種方式。

4 小結

　　各種低碳技術的大規模應用主要集中在可再生能源發電和終端用戶方面，使智能電網與傳統電網相比在發電側和用戶側的特性發生了重大改變，因此充分發揮需求側管理調節能力，合理地發展分布式能源并網，充分發揮可再生能源效用，對于建設智能電網有著重要的意義。

　　參考文獻

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