智能電網(wǎng)是電網(wǎng)和現(xiàn)代信息技術(shù)融合于一體的新型電網(wǎng), 其實(shí)施不僅能使用戶獲得高安全性、高可靠性、高質(zhì)量、高效率和價(jià)格合理的電力供應(yīng), 還能提高國家的能源安全, 改善環(huán)境, 推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展, 同時(shí)能夠激勵(lì)市場和不斷創(chuàng)新, 從而提高國家的國際經(jīng)濟(jì)競爭力。智能電網(wǎng)已成為解決21世紀(jì)全球能源問題的新戰(zhàn)略。智能電網(wǎng)涉及許多重要的理念, 厘清這些理念有助于科學(xué)高效地實(shí)施智能電網(wǎng)工程。其中的一些基本理念可概括如下:

    智能電網(wǎng)最本質(zhì)的特點(diǎn)是: 電力和信息的雙向流動(dòng)性, 并由此建立起一個(gè)高度自動(dòng)化和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò); 把分布式計(jì)算和通信的優(yōu)勢引入電網(wǎng), 實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)交換和達(dá)到設(shè)備層次上近乎瞬時(shí)的供需平衡。

    ① 智能電網(wǎng)將由靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜图傻哪芰颗c通信系統(tǒng)組成。由于分布式電源廣泛接入, 電力網(wǎng)從上到下(輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的)每條支路的潮流都可能是雙向的和時(shí)變的。欲使智能電網(wǎng)的潛在效益最大化, 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋺?yīng)該靈活, 使用柔性交直流輸、配電裝置, 且電力電子的智能萬用變壓器(IUT)已被看作智能配電網(wǎng)的基石(corner stone)。進(jìn)而電所及之處均有可靠的雙向數(shù)字通信, 從底層的傳感器和智能代理開始能源網(wǎng)和信息通信網(wǎng)高度融合。

    ② 廣泛的分布式。鑒于分布式電源靠近電力負(fù)荷, 功率與能量可以就地平衡, 所以它可以降低電網(wǎng)的投資、網(wǎng)損和運(yùn)維成本, 再加之太陽能等可再生能源的成本正在大幅度減低, 儲(chǔ)能價(jià)格也在不斷下降, 以燃?xì)鉃橹鞯姆植际侥茉?如冷熱電聯(lián)產(chǎn)CHP)系統(tǒng)的能源利用率已經(jīng)可以大于80%, 這一切都預(yù)示著分布式電源的單位電能成本與電網(wǎng)平價(jià)的時(shí)機(jī)已在視野之中。而且分布式電源可以提高對(duì)用戶供電的可靠性, 而在數(shù)字化社會(huì)中可靠性價(jià)值很高。所以設(shè)想中的智能配電網(wǎng)(含主動(dòng)配電網(wǎng)和微網(wǎng))將是分布式智能的基礎(chǔ)設(shè)施(如圖1所示), 能夠應(yīng)對(duì)太陽能和風(fēng)能發(fā)電等可再生能源的間歇性、多變性和不確定性, 綜合協(xié)調(diào)各種形式分布式能源的產(chǎn)生與消納。

    ③ 由于恐怖襲擊、軍事威脅、元件故障、自然災(zāi)害等擾動(dòng)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)的大量存在, 迫切需要把電力系統(tǒng)的聯(lián)鎖停電的損失減到最小。這要求我們對(duì)思考系統(tǒng)的方法、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和許多正在進(jìn)行中的復(fù)雜交互網(wǎng)絡(luò)的研究作出重大改變。智能電網(wǎng)的分布式智能基礎(chǔ)設(shè)施使其能夠?qū)ι鲜鰯_動(dòng)做出自愈的響應(yīng), 在緊急狀態(tài)下它能分片實(shí)現(xiàn)“自適應(yīng)孤島運(yùn)行”, 并且其后能夠快速恢復(fù)全系統(tǒng)的正常運(yùn)行, 從而把電力系統(tǒng)聯(lián)鎖停電的損失減到最小。微網(wǎng)與大電網(wǎng)的無縫連接(如圖2所示), 也是建立在這一理念之上的。

    ④ 在智能電網(wǎng)中由于能夠?qū)崟r(shí)交換信息, 且信息高度共享, 致使(但不局限于):

• 用戶中可平移負(fù)荷可與電網(wǎng)友好合作, 從而實(shí)現(xiàn)消峰填谷(可提高資產(chǎn)利用率、提高發(fā)電效率和降低網(wǎng)損)和達(dá)到設(shè)備層次上近乎瞬時(shí)的供需平衡(如需求響應(yīng)和負(fù)荷控制可對(duì)太陽能和風(fēng)能等的間歇性、多變性和不確定性發(fā)揮補(bǔ)償作用)。同傳統(tǒng)電網(wǎng)把滿足負(fù)荷需求作為剛性約束相比, 這是革命性的變化, 是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。

• 能夠開發(fā)高級(jí)電力市場, 以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)公司、各種相關(guān)企業(yè)與電力用戶效益的最大化。

• 面向電網(wǎng)運(yùn)行人員的態(tài)勢感知得以實(shí)現(xiàn), 從而大幅度減少聯(lián)鎖停電的發(fā)生, 提高大電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。

    ⑤ 智能電網(wǎng)將把集中式的、由生產(chǎn)者控制的電網(wǎng)轉(zhuǎn)變成具有大量分布式電源的, 并能與消費(fèi)者更多互動(dòng)的電網(wǎng)。未來智能配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制策略必須能支持現(xiàn)在結(jié)構(gòu)所不能支持的兩個(gè)基本要求:

• 終端用戶控制和總體配電系統(tǒng)控制綜合考慮。終端用戶系統(tǒng)擁有分布式電源, 電力調(diào)節(jié)設(shè)備, 無功補(bǔ)償設(shè)備和能量管理系統(tǒng)。所有這些設(shè)備的控制必須和配電系統(tǒng)控制綜合考慮, 以達(dá)到系統(tǒng)性能的最優(yōu)和期望的安全性與質(zhì)量。

• 支持高比重的或不同比重的分布式能源(含儲(chǔ)能)的接入, 以提高系統(tǒng)的整體性、效率和靈活性。

綜上所述可知, 電網(wǎng)變遷的過程必將改變整個(gè)行業(yè)的業(yè)務(wù)模型。

        智能電網(wǎng)的總體設(shè)想是: 智能化、高效、包容、激勵(lì)、機(jī)遇、重視質(zhì)量、抗干擾能力(魯棒性)強(qiáng)和環(huán)保等。

    ① 智能化: 具有預(yù)測分析能力、可遙感系統(tǒng)過載能力和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)重構(gòu)能力, 即“預(yù)防性控制”和“自愈”能力, 以防止或減輕潛在的停電危機(jī); 在需要系統(tǒng)做出人為無法實(shí)現(xiàn)的快速反應(yīng)時(shí), 系統(tǒng)能根據(jù)電力公司、消費(fèi)者和監(jiān)管人員的要求自主地工作。

    ② 高效: 少增加甚至不增加基礎(chǔ)設(shè)施就能滿足日益增長的消費(fèi)需求。

    ③ 包容: 能夠容易和透明地(開放式地)接受任何種類的能源, 包括太陽能和風(fēng)能; 能夠集成各種已經(jīng)得到市場證明并可接入電網(wǎng)的優(yōu)良技術(shù), 如成熟的儲(chǔ)能技術(shù)。

    ④ 激勵(lì): 使消費(fèi)者與電力公司之間能夠?qū)崟r(shí)地溝通, 消費(fèi)者可以根據(jù)個(gè)人偏好定制電能應(yīng)用和消費(fèi)。

    ⑤ 機(jī)遇: 具有隨時(shí)隨地利用即插即用的能力, 從而創(chuàng)造新的機(jī)遇和市場。

    ⑥ 重視質(zhì)量: 能夠提供數(shù)字化經(jīng)濟(jì)所需要的可靠性和電能質(zhì)量(如極小化電壓的凹陷、尖峰、諧波、干擾或中斷)。

    ⑦ 抗擾能力: 自愈、更為分散, 并采用了安全協(xié)議, 使系統(tǒng)在自然災(zāi)害和人為攻擊出現(xiàn)后具有可快速恢復(fù)的能力, 這樣可以在不需大規(guī)模增加投資的情況下, 減少系統(tǒng)的停電損失。

    ⑧ 環(huán)保: 減緩全球氣候變化, 提供可大幅度改善環(huán)境的切實(shí)、有效的途徑。

        設(shè)想中的智能電網(wǎng)(Smart Grid)將像互聯(lián)網(wǎng)那樣改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞?/span>, 并激勵(lì)類似的變革。由于智能電網(wǎng)需要持續(xù)的研發(fā)和顛覆性的技術(shù)突破, 所以其實(shí)現(xiàn)會(huì)是一個(gè)較為漫長的和多種技術(shù)長期共存的過程, 回顧一下互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史就會(huì)明白。短期內(nèi)可以著眼于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為智能的電網(wǎng)(smarter grid), 利用已有的或即將可以配置的技術(shù)使目前的電網(wǎng)更有效, 使其在提供優(yōu)質(zhì)電力的同時(shí), 還可以創(chuàng)造較大的社會(huì)效益(如改善環(huán)境)。電氣車輛和綠色建筑可能成為智能電網(wǎng)最具沖擊性的應(yīng)用。

    智能電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)可以分為如下3類:

    ① 智能電網(wǎng)技術(shù), 如圖3所示, 包括廣域量測系統(tǒng)(WAMS)、信息和通信技術(shù)(ICT)的集成、可再生的和分布式的發(fā)電的集成、輸電的擴(kuò)展應(yīng)用、配電網(wǎng)管理、高級(jí)量測基礎(chǔ)設(shè)施(AMI)、電動(dòng)車輛充電基礎(chǔ)設(shè)施和用戶側(cè)系統(tǒng)等。

    ② 智能電網(wǎng)可帶動(dòng)的技術(shù), 包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電裝置、插件式電動(dòng)汽車、綠色節(jié)能建筑和智能家電等。

    ③ 為智能電網(wǎng)創(chuàng)建平臺(tái)的技術(shù), 包括綜合的通信技術(shù)、傳感和測量技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、電力電子技術(shù)、診斷技術(shù)和應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)等。

為了加速智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn), 在智能電網(wǎng)中將應(yīng)用工業(yè)界最好的技術(shù)和理念, 如開放式的體系結(jié)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、即插即用技術(shù)、共同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、非專用化和互操作性等。事實(shí)上, 有些技術(shù)已經(jīng)在電網(wǎng)中得到應(yīng)用, 但只有在體現(xiàn)智能電網(wǎng)的雙向數(shù)字通信和即插即用能力的時(shí)候, 其潛能才會(huì)充分噴發(fā)出來。

        智能電網(wǎng)是不斷發(fā)展的, 需要進(jìn)行持續(xù)的研究以預(yù)測不斷變化的需求, 評(píng)估不斷變化的收益和成本。在實(shí)施智能電網(wǎng)時(shí), 需要時(shí)刻考慮所做的工作是否適用于市場？是否可激勵(lì)用戶參與？是否可實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)優(yōu)化？是否能夠獲得高效運(yùn)行？電力公司和監(jiān)管機(jī)構(gòu)應(yīng)該持續(xù)地向消費(fèi)者展示智能 電網(wǎng)的效益最終是會(huì)超過其成本的, 同時(shí)確保向消費(fèi)者提供合理的買得起的電價(jià)?！獮榇藨?yīng)該注意

• 創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展, 以獲得大量的知識(shí)產(chǎn)權(quán), 降低智能電網(wǎng)的成本, 提高智能電網(wǎng)的效益。

• 事先進(jìn)行充分的成本效益分析, 縮短成本回收年限。

• 順序是有價(jià)值的, 科學(xué)合理的智能電網(wǎng)實(shí)施順序, 可最大限度地發(fā)揮投資的效益。2009年3月19日, 美國聯(lián)邦能源管制委員會(huì)(FERC)指出了智能電網(wǎng)4個(gè)優(yōu)先開發(fā)的領(lǐng)域, 分別為: 廣域態(tài)勢感知; 需求響應(yīng)(需求側(cè)管理); 電能存儲(chǔ); 電氣車輛。此外, 美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)還提出應(yīng)包括: 通信; 信息; 配電網(wǎng)管理項(xiàng)目; 高級(jí)量測體系。

        智能電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)是極其廣泛的, 涉及許多技術(shù)、體制和社會(huì)問題。厘清其發(fā)展過程中關(guān)鍵性的障礙, 可以幫助明確如何才能使其最大限度地發(fā)揮潛能, 從而為國家提供廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。這當(dāng)中需要特別注意的是:

    ① 智能電網(wǎng)的性質(zhì)決定其參與者不再局限于電力公司和電力設(shè)備廠商, 還應(yīng)包括廣大消費(fèi)者和眾多其他產(chǎn)業(yè), 不僅涉及廣泛的利益相關(guān)者, 而且其組織、研發(fā)和實(shí)施均十分復(fù)雜, 因此, 需要由國家盡早制定相應(yīng)的法律、政策、標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展路線圖, 并實(shí)現(xiàn)強(qiáng)有力的智能電網(wǎng)監(jiān)管, 以鼓勵(lì)、支持和指導(dǎo)更多的企業(yè)和人群的參與。

    ② 需要開放高級(jí)電力市場和出臺(tái)激勵(lì)智能電網(wǎng)投資的新法規(guī)。其中包括: 實(shí)施分時(shí)或?qū)崟r(shí)電價(jià), 使電能的商品市場價(jià)值得到合理的體現(xiàn); 制定鼓勵(lì)分布式電源賣電回電網(wǎng)的政策, 如分布式清潔能源的上網(wǎng)電價(jià)政策; 保證電力公司智能電網(wǎng)投資成本回收的政策等。

    事實(shí)上, 智能電網(wǎng)是跨學(xué)科產(chǎn)物, 在它的提出和發(fā)展過程中已經(jīng)融入了許多互聯(lián)網(wǎng)的理念和成功經(jīng)驗(yàn)。今后為了加強(qiáng)智能電網(wǎng)的創(chuàng)新, 能源領(lǐng)域的科研人員和工程師仍然需要與信息科學(xué)的同行密切合作, 并使用共同的語言和協(xié)議, 以確保智能電網(wǎng)最大限度地發(fā)揮潛能, 為人類和國際社會(huì)提供廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。