智能電網是一個新趨勢，也是一個新概念。目前，我國的很多科研單位和企業已經開始了智能電網的研究和開發。

　　面對國內火熱的智能電網開發局面，天津大學余貽鑫院士認為，智能電網不是一個單純的技術問題，它涉及許多基本理念，而國內目前在智能電網認識上的混亂恰恰發生在這些基本理念上。本文試圖在基本理念層面厘清我國智能電網發展脈絡。

　　智能電網是自動的和廣泛分布的能量交換網絡，它具有電力和信息雙向流動的特點，同時能夠監測從發電廠到用戶電器之間的所有元件。智能電網將分布式計算和提供實時信息的通信的優越性用于電網，并使之能夠維持設備層面上即時的供需平衡。

　　目前，以美國為首的西方國家正對智能電網的研究加大投入力度，在我國，相關研究和布局也已經啟動。

　　但是，智能電網程序性的和技術性的挑戰是巨大的。為推進智能電網，需要長期持續的研發，需要出臺旨在激勵智能電網的法規,并通過開放式的方式建立國家標準和鼓勵眾多相關產業積極參與。

　　智能電網的原動力

　　實施智能電網的原動力主要有五點，其中前四點是電網視角的思考，最后一點是出于國家經濟和產業發展視角的思考。

　　1）實現大系統的安全穩定運行，降低大規模停電風險。

　　近年來世界上大面積連鎖停電頻繁發生，損失巨大。如2003年美國東北地區大停電所造成的經濟損失約60億美元，充分暴露了基于傳統電網的脆弱性。一般認為，提高系統的全局可視化程度和預警能力，以及實現自愈，是增強電網的可靠性和避免因事故引起系統崩潰的關鍵。進而考慮到復雜大電網對自然災害和人為惡意攻擊的脆弱性，未來的電網會成為更魯棒的——自治的和自適應的基礎設施，能夠通過自愈的響應減小停電范圍和快速恢復供電。

　　2）分布式電源的大量接入和充分利用。

　　目前，世界上許多國家已把發展可再生能源技術提升到國家戰略的高度。美國總統奧巴馬更認為，“引領世界創造清潔能源經濟的國家將引領21世紀的全球經濟”。

　　分布式發電是靠近負荷端的小規模電力發電技術，它能夠降低成本、提高可靠性。在可再生的清潔能源中，太陽能和風能由于其在地理上天然是分布式的，因此分布式的太陽能和風能的發電技術受到廣泛的重視。

　　屬于分布式電源的還有小型、微型燃氣輪機（如冷熱電聯產系統，CHP），以及小規模儲能和下邊將介紹的需求響應等。未來的幾萬千瓦的微型核電也在視野當中。

　　隨著技術的進步，可預見未來的電網會逐漸擺脫過去單一集中式發電的模式，而轉向分布式發電輔助集中式發電的模式。如丹麥的電網在上世紀80年代中期還是一個集中式的系統，而今天則成了更為分散的系統。（見圖1）

圖1 丹麥發電行業在過去二十幾年的演變（來源：丹麥能源局）

　　當大量的分布式電源集成到大電網中時，多數是直接接入各級配電網，使得電網自上而下都成了支路上潮流可雙向流動的電力交換系統，但現時的配電網絡是按單向潮流設計，不具備有效集成大量分布式電源的技術潛能。從而難以處理分布式電源的不確定性和間歇性，難以確保電網的可靠性和安全問題。

　　3）峰荷問題和需求側管理。

　　由于現時還沒有經濟有效的大容量能量存儲手段，致使電的發生和消費必須隨時保持平衡。而電力負荷是隨時間而變化的，為滿足供需平衡，電力設施必須根據全年的峰荷來規劃和建造。

　　但由于系統處于峰荷附近的時間每年很短，所以電力資產利用率低下。美國現實電網資產的利用系數約為55%，而發電資產利用率也不高。其中占整個電網總資產75%的配電網資產的利用率更低，年平均載荷率僅約44%，浪費了大量的固定資產投入。

　　調查表明：我國目前10kV配電資產利用率比美國還低。多數城市10kV配電線路和變壓器的年平均載荷率低于30%；在電網出現一個主要元件故障后還可保證安全的條件下，峰荷時的線路載荷率全部在50%以下。解決上述問題的辦法之一，是縮小負荷曲線峰谷差。

　　同時為了應對電網偶然事件和電力負荷的不確定性，電力系統必須隨時保持（10％~13％）發電容量裕度（又稱旋轉備用），以確保可靠性和峰荷需求,這也增加了發電成本和對發電容量的需求。

　　幸運的是，現實系統中存在著大量能與電網友好合作的負荷。如空調、電冰箱、洗衣機等電器在電力負荷高峰（電價高）的時段可以暫停使用，而適當平移到供電不緊張（電價低）的電力負荷的低谷時段再使用，幫助電網實現電力負荷曲線的削峰和填谷。

　　如圖2所示，在美國典型峰荷日的峰荷時刻，居民用電功率占到峰荷的30%，而其中2/3，即20%屬于可與電網友好合作的負荷，其值超過占峰荷13％的旋轉備用容量。如果能夠提供相應的技術支撐，通過電力公司與終端用戶的互動（需求響應或用電管理），則可實現電力負荷曲線的削峰填谷。

　　我國城市中居民用電在年典型峰荷日的峰荷時大多占到峰荷的15%~20%，其中約有一半是可以與電網友好合作的可平移負荷。應該注意到，如果我們能消減6%~8%的峰荷，其所節約的電力資產額已是十分巨大的。更何況，商業用戶和工業用戶負荷，均具有與電網友好合作的潛力。

　　這種需求側用戶與電網之間的友好合作，在必要時，也可取代旋轉備用，支持系統的安全運行。比如，在2008年初的一天下午，美國得克薩斯州經歷了風力發電突然的、未預料到的急劇下降：在3個小時里發電下降130萬kW。此時一個緊急起動了的需求響應程序，使大型工業和商業用戶在10分鐘內恢復了大部分失去的供電，起到了對此類間歇性電源波動性緩沖的作用。這一緊急需求響應程序的前提是電網公司與用戶之間預先簽訂了協議。

　　4）對電網各種約束（提高可靠性、提高電能質量、節能降損和環保）日益嚴格。

　　近20年，通信和信息技術得到了長足的發展。美國在20世紀80年代，內嵌芯片的計算機化的系統、裝置和設備，以及自動化生產線上的敏感電子設備的電氣負載還很有限。而在今天，這部分電力負荷的比重已升至40%以上，預計2015年將超過60%，對電網的供電可靠性和電能質量提出了很高的要求。

　　調查表明，每年美國企業因電力中斷和電能質量問題所耗掉的成本超過1000億美元，相當于用戶每花1美元買電，同時還得付出30美分的停電損失。其中，僅擾動和斷電（不計大停電）每年的損失就達790億美元。表1給出了美國電力科學院（EPRI）對未來20~30年用戶對供電可靠性需求的預測。目前的電網不僅滿足不了數字化社會的這些需要，而且它在數字化技術的自身應用方面也相對落后，特別是在配電網方面。

　　隨著產業結構的調整和產業升級，我國會有日益增多的數字化企業對供電可靠性和電能質量提出更高的要求。

　　事實上，配電網也是提高用戶供電可靠性的頸瓶。調查表明，我國10kV以下電網對用戶停電時間的影響占到70%~80%以上。即使減去計劃停電時間，我國大城市用戶年平均停電時間也大都在1個小時以上，多數為幾個小時，甚至更長。而日本東京由于配電網的網絡拓撲結構靈活和實現了配電自動化，其用戶的年平均停電時間僅為2~5分鐘; 在電網出現一個主要元件故障后還可保證安全的條件下，峰荷時的線路載荷率可達75%~85%（如前所述我國該值小于50%）。

　　5）尤其值得我們注意的是：由于技術涉獵廣泛，智能電網的一個關鍵目標是要催生新的技術和商業模式，為經濟和科技發展提供新的支撐點，實現產業革命。思科預言，智能電網比互聯網絡擁有更大的市場空間。

　　 智能電網的總體設想

　　為了使前述的各種需要得以滿足，對智能電網的總體設想是：

　　智能化：具有可遙感系統過載的能力和網絡自動重構，即“自愈”的能力，以防止或減輕潛在的停電；在系統需要作出人為無法實現的快速反應時，能根據電力公司、消費者和監管人員的要求，自主地工作。

　　高效：少增加乃至不增加基礎設施就能滿足日益增長的消費需求。

　　包容：能夠容易和透明地接受任何種類的能量，包括太陽能和風能；能夠集成各種各樣已經得到市場證明和可以接入電網的優良技術，如成熟的儲能技術。

　　激勵：使消費者與電力公司之間能夠實時地溝通，從而消費者可以根據個人偏好定制其電能消費。

　　機遇：具有隨時隨地利用即插即用創新的能力，從而創造新的機遇和市場。

　　重視質量：能夠提供數字化經濟所需要的可靠性和電能質量（如，極小化電壓的凹陷、尖峰、諧波、干擾和中斷）。

　　魯棒：自愈、更為分散并采用了安全協議，使系統有抵御人為攻擊和自然災害的能力。

　　環保：減緩全球氣候變化，提供可大幅度改善環境的切實有效的途徑。

　　圖2 美國典型峰荷日峰荷期間各類負荷所占比重

　　智能電網將像互聯網那樣改變人們的生活和工作方式，并激勵類似的變革。但由于其本身的復雜性和涉及廣泛的利益相關者，實現智能電網需要漫長的過渡、持續的研發和多種技術的長期共存。短期內，我們可以著眼于實現一個較為智能的電網（有人用smarter grid稱呼它）。它利用已有的或不久的將來就可配置的技術，使目前的電網更有效；在提供優質電力的同時，也提供相當大的社會效益，如較小的環境影響等。

　　三類智能電網技術

　　從如上所述的原動力和總體構想可知,智能電網將從一個集中式的、生產者控制的網絡，轉變成大量分布式輔助較少集中式的、與更多的消費者互動的網絡。它將把工業界最好的技術和理念應用于電網，如開放式的體系結構、互聯網協議、即插即用、共同的技術標準、非專用化和互操作性等。事實上，其中有些已經在電網中應用。但是僅當輔以體現智能電網的雙向數字通信和即插即用能力的時候，其潛能才會噴發出來。

　　與智能電網相關的技術非常之廣，可以把它分為三類，即智能電網技術、智能電網可帶動的技術和為智能電網創建平臺的技術。

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　　1）智能電網技術

　　下邊僅列舉幾個極具價值的智能電網技術：

　　高級計量體系 (AMI)。它是一個用來量測、收集、儲存、分析和運用消費者用電信息的系統。作為AMI重要組成部分之一的智能電表，事實上已成為一個多功能的傳感器，將電力公司和用戶緊密相連，使雙方可以配合互動。若實施靈活的電能定價策略，則可以激勵消費者主動地參與實時電力市場，提供需求響應。

　　這種交互在后臺進行，只需最低限度的人為干預，但是能夠明顯地節省原本會消費掉的電能。同時，AMI的實施將為電網鋪設最后一段雙向通信，為電網從上到下處處可觀測奠定了通信基礎，其技術意義十分巨大。

　　圖3所示為對其效益的一種估計, 可見它的效益是多方面的和巨大的。目前，北美的許多州（或省）政府機構已頒布立法條例來推動AMI技術的實施，并把AMI視為是實現智能電網的第一步。經驗表明投資通常可在5~10年內回收。

　　電網可視化技術和海量數據管理。在原動力1）中，我們已強調了提高全局可視化的必要，因為它可使電網運行人員獲得全局的情境知曉。

　　電網的可視化技術和相關的工具已應用于大電網的在線實時監控等方面。但總體上看，所獲得的情景知曉還很有限。與此同時，隨著智能電網的實施，也需要為電力公司和電能消費者提供情景知曉。為此需要為各級電網調度人員和消費者提供多方面的、生動的可視化界面。

　　智能電網實施之后，電力公司所面對的是海量的數據，必須找到適合于海量數據管理的方法，并基于這些數據開發電網的高級應用軟件，實現情景知曉和優化決策。

　　國內外下一代可視化的開發都正在進行中，如美國能源部在橡樹嶺國家實驗室的開發項目維爾德(VERDE,動態地可視化地球上的能源資源）。它通過集成實時傳感器數據、天氣信息和帶有地理信息的電網模型，提供廣域電網的知曉。它將能夠查看國家層次上電網的狀態，而且在需要時能在幾秒內轉到深入檢查街道一級電網的具體細節。它將為電力公司提供有關大停電和電能質量以及洞察系統運行的快速信息。

　　廣域量測系統/相量測量單元(WAMS/PMU)。它可提供大范圍的情境知曉，其工作可以減輕電網的阻塞和瓶頸,縮小和防范系統大停電。它同目前使用的數據采集和監視控制 (SCADA) 技術相比, 就質量而言,猶如前者向電網提供的是一個“核磁共振成像術”,而后者僅提供“X 射線”。

　　SCADA通常每隔2秒或4秒測量一次，為電力系統提供穩態的觀測。而WAMS/PMU可以實現每秒多次采樣（如30樣本/秒），所測量結果也在時間上精確同步，可為電力系統提供動態的可視化。

　　分布式的智能代理（INAs）體系。 微處理器的時代之前創建的集中規劃和控制的電力基礎設施，在很大程度上限制了電網的靈活性，失去了效率，致使我們在安全性、可靠性等幾個關鍵方面承擔著風險。而配電網的分布式智能代理體系把配電系統分成許多片（cell）,每片中有許多由片內通信連接起來的智能網絡代理（以IA表示，如繼電保護、分布式能源等），這些代理能夠收集和交流系統信息，它們對局部控制可作出自主決策，也可以經片內的協調作出決策。同時各片之間，以及配電調度中心和輸電調度中心之間也通過通信聯絡起來，根據整個系統的要求協調決策，實現跨地理邊界和組織邊界的智能控制，使整個系統具有自愈功能。

　　基于分布式智能代理所開發的智能電網的核心軟件，是比實時還要快的快速仿真與模擬，它為協調決策提供數學支持和預測能力。

　　智能電網的四大功能，即高級計量體系（AMI）、高級配電運行（ADO）、高級輸電運行（ATO）和高級資產管理（AAM）等功能，都將在分布式智能代理體系下開發。

　　微電網。 微電網與“完美電力系統”的概念是密不可分的。“完美電力系統”具有向各種類型的終端用戶提供所需電力的靈活性，不會失敗。而智能微電網（Smart microgrids，簡稱微電網）及其與電力公司電網的無縫集成，是“完美電力系統”理想的結構之一。微電網是為滿足單個用戶或一小群用戶能量需求的一種集成的解決方案，在未來分布式發電和能量存儲廣泛使用的情況下將會普遍存在。由于在微網中發電和消費靠得很近，而具有改善能量傳輸效率、可靠性、安全性、電能質量以及運行成本的潛力。微電網力求與大電網協調運行：系統正常運行時，其與電網無縫集成；遇到緊急情況，它可以自適應孤島化運行。從用戶的角度看，微電網使他們能夠掌握自己能量命運，而不是依賴于單一的提供者。但是，較高的成本可能使微電網近期內只能在要害和關鍵部門應用。

　　可見，智能電網將加強電力交換系統的方方面面,包括發電、輸電、配電和消費等。僅從如上羅列的幾種智能電網的技術，我們就會發現，它將提供大范圍的情境知曉，其工作可以減輕電網的阻塞和瓶頸,縮小乃至防止大停電；使電力公司可通過雙向的可見性，倡導、鼓勵和支持消費者參與電力市場和提供需求響應；為電網運行人員提供更好“ 粒度” 的系統可觀性，使他們能夠優化潮流控制，并使電網具有自愈和事故后快速回復的能力；大量集成和使用分布式發電特別是可再生清潔能源發電；為消費者提供機會，使他們能以前所未有的程度積極參與能源選擇。

　　2）智能電網可帶動的技術

　　智能電網作為一個平臺，可推動和促進創新，使許多新技術可行，為它們的發展提供機會，并形成產業規模。舉例來說，智能電網可使人們：廣泛地使用插入式電動汽車；實現大規模能量存儲；一天24小時使用太陽能；無縫地集成風能等可再生能源；選擇自己的電源和用電模式；促進節能樓宇的開發。

　　需要澄清的是，這些技術本身不屬于智能電網的范疇，而是智能電網可帶動和促進的技術。智能電網技術所包含的是，那些能夠集成、與之接口和智能控制這些設備的技術。智能電網的最終成功取決于這些設備和技術是否能夠有效地吸引和激勵廣大的消費者。

　　3）為智能電網創建平臺的技術

　　美國能源部所列出的將推動智能電網的5個基礎性技術是：

　　集成的通信技術。基于安全和開放式的通信體系結構，為系統中每一節點都提供可靠的雙向通信，以便實現對電網中每一個成員的實時信息交換和控制，并確保網絡安全和信息的保密性、完整性和可用性。

　　傳感和測量技術。用以支持系統優化運行、資產管理和更快速、更準確的系統響應，例如遠程監測、分時電價和需求側管理等。

　　高級的組件。應用超導技術、儲能技術、電力電子技術和診斷技術等方面最新研究成果。

　　先進的控制方法。以使快速診斷和各種事件的精確解決成為可能。

　　完善的接口和決策支持。 用以增強人類決策，使電網運行和管理人員對系統的內在問題具有清晰的了解。

　　圖3 AMI 的效益分析示例（來源：Capgemni。圖中數字是指在本功能原有的基礎上，可節省投資或提高效益的百分數）

　　智能電網效益豐厚

　　智能電網的效益可以歸結為：電能的可靠性和電能質量提高方面的收益；電力設備、人身和網絡安全方面的收益；能源效率收益；環境保護和可持續發展的收益以及直接經濟效益。

　　智能電網為電力公司可帶來的直接經濟效益, 包括提高可靠性、削減運行費用、提高資產利用率和電網效率等。智能電網的關鍵是利用各種技術、資源和市場機制以實現高效。據美國能源部的報告：“智能電網的功能將紓緩阻塞和提高資產的利用率，在其實現后，估計通過美國現有的能源走廊可多送 50%~300%電力”。

　　長遠來看，智能電網是電網最經濟的建設方案。美國電科院在2004年對其后20年在美國實現智能電網成本所作的初步估算（以2002年美元的價值計）是，總成本為1650億美元（其中輸電占380億美元，配電和用戶參與占1270億美元），效益為6380億~8020億美元，效益與成本比為4：1~5：1。作為比較，實施智能電網平均每年的投資約為83億美元，而按目前傳統的電網建設模式，美國每年約需投資180億美元。

　　由于涉及廣泛的技術領域并有大量的消費者參與，智能電網的直接經濟效益，也包括通過加快把眾多的智能設備和各種可行的創新技術引進到電能的生產、分配、存儲和應用當中來，帶動眾多產業發展。這里所謂的智能設備，是指基于計算機或微處理器的所有設備，包括控制器、遠程終端單元（RTUs）和智能電子設備（IEDs）。它既包括電網的電力設備，如開關、電容器或斷路器，又包括在家庭、樓宇和工業設施中的電力設備。

　　插電式的混合動力汽車 （PHEVs）是一個創新技術的絕好例子。美國預計它的推廣應用“將每日減少石油消耗 620 萬桶，占目前進口量的52%”。在節省成本、改善環境的同時，可在每天的非高峰負荷時間充電，而在用電高峰期對電網提供支持，起到削峰填谷的作用。

　　三管齊下保障智能電網開發進程

　　為了能夠切實地獲得上述效益，在實施智能電網時需要注意三點。

　　首先，智能電網的實施所面臨的挑戰是巨大的。這不僅是由于它涉及廣泛的利益相關者，其組織、研發和實施均很復雜，而且需要人們轉變傳統的電網理念。智能電網的性質決定其參與者應不局限于電力公司、電力設備廠商，還應包括廣大消費者和眾多其他產業。需要通過開放式的方式由國家制定相應的政策和標準，以鼓勵和支持眾多企業的參與。

　　其次，智能電網是一個不斷發展的目標。需要進行長期的持續研究，以預測不斷變化的需求和評估不斷變化的收益和成本。在實施智能電網的時候需要時時刻刻地考慮：“我們所做的工作是否適用于市場？是否可激勵用戶參與？是否可實現資產優化？是否能夠獲得高效運行？”電力公司和監管機構應該持續地向消費者展示智能電網的效益最終是會超過其成本的。

　　第三，需要出臺旨在開放電力市場和激勵電力公司智能電網投資的新法規。其中包括實施分時或實時電價，使“電能”的商品市場價值得到合理的體現；制定鼓勵分布式電源賣電回電網的政策，如分步式潔凈能源的上網電價（feed in tariff）政策；保證電力公司智能電網投資成本回收的政策。

　　總之，智能電網將把一個集中式的、生產者控制的電網，轉變成大量分布式輔助較少集中式的和與更多的消費者互動的電網。其變遷的過程，必將改變行業的整個業務模型，且對所有利益相關者都有利。

　　在我國實施智能電網發展戰略，不僅能使我們獲得高安全、高可靠、高質量、高效率和價格合理的電力供應，還能提高國家的能源安全、改善環境、推動可持續發展，同時能夠激勵市場與創新，從而提高國家的國際經濟競爭力。

　　作者簡介：

　　余貽鑫 中國工程院院士、天津大學教授，從事電力大系統安全監視、防御與控制，城市配網分析、規劃與仿真和智能電網等方面的研究。

　　欒文鵬 加拿大卑詩省注冊工程師，IEEE高級會員，從事電力系統規劃分析、配電自動化、智能電網和智能抄表體系等方面的工作。