21世紀我國智能電網的發展脈絡

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）

　　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。