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    董小瑞，喬 琨(山西省電力公司運城供電分公司，山西運城044000)

    摘 要：隨著“智能電網”概念的提出，大家對于發展智能電網的重-Pr性和宏觀意義認識高度一致。然而對于智能電網要解決的問題、電網的模式、服務的對象和要解決的關鍵技術等仍在探索。針對這些問題提出了構建大主干網下的智能化微網，協調我國因能源分布不均衡所必須的大電網與安全和可持續發展要求下的互聯網式分布電網之間的矛盾。它對中國未來的智能化電網提供了一種可行的發展模式。

    關鍵詞：智能電網；分布能源；微網；關鍵技術

   中圈分類號：TM 734    文獻標識碼：A

    奧巴馬的能源新政使“智能電網”成為全球能源界熱議的焦點 ]。為提高美國電網安全水平以滿足不斷增加的電力需求，美國能源部成立了負責輸配電的辦公室(()ETD)，并提出了構建安全可靠電網的“Grid2030計劃”。該計劃旨在采用先進技術和先進材料、超導技術、電力電子控制技術、廣域測量技術、實時仿真技術、分布式的微型燃氣冷熱電技術、儲能技術、可再生能源發電技術等，構建全美骨干電網、區域性電網、地方電網和由分布式能源系統支撐的微電網等多層次電力網絡構架，以保障整個電網的安全性、穩定性和負荷變化的應對性、供電的可靠性、電能品質的優良，提高能源利用效率，減少污染排放。

    在歐洲，其電力發展模式是向分布式發電、交互式供電的分散智能電網過渡，更加強調對環境的保護和可再生能源發電的發展l3 ]。目前這些國家和地區的電網是聯合的，但由于交互式供電、柔性交流輸電技術的發展，電網的發展方向在發生改變。其把天然氣作為發電用能源，發電裝機的增量或存量調整主要依賴新能源或可再生能源，電力需求趨于飽和，因此，他們能源發展終期目標是分布式發電，而不是強調電網規模的擴大。

    1 中國電網現狀

    在中國，2020年發電總裝機容量將超過16億kW，煤、水、風等能源資源與生產力布局很不平衡，這決定了中國必須走大規模集中開發、遠距離外送電之路，這需要主干輸電網的保障。因此，國網提出了“堅強電網”的概念。然而，一個“堅強的國家電網”僅靠特高壓、超高壓端的鞏固是不夠的，也難以確保“堅強”。

    “8•14”大停電告訴我們，僅僅憑借電網自身的能力，即便采用更多的先進技術和設備，也無法確保供電安全l5]。自然災害、恐怖襲擊等都可以隨時使電力系統癱瘓。金字塔式的由上至下的電力系統，無法滿足現代社會對電能品質、供電安全、能源利用效率、溫室氣體排放控制的要求。只有通過實施更有效的需求側管理，建立各種各樣的分布式能源系統，發展智能化的微電網 。]，調動更多的市場主體以及更大能源消費者積極參與，從用電終端響應供電安全和提高能效，才可能從根本上解決電力系統的安全性和可持續發展等難題。

    2 我國智能電網可行的發展模式

    2．1 智能電網要解決的問題

     我們的智能電網要解決什么問題，這是目前需要弄清的一個焦點。智能電網要服務于終端用戶，而不是僅僅服務于大電網。要首先從終端實現優化配置，要解決用戶自己的可再生能源和分布式能源，以及資源綜合利用發電設備的系統接入和電能利用，而不是數千公里之外的“風電三峽”、“光伏三峽”、“生物質三峽”的潮起潮落。智能電網要解決如F問題：

    (1)精確供能—— 提高需求側的節能效率。通過電子感應、探測、遙控等信息技術對需求進行實時跟蹤，并進行智能化分析、控制，實現高效精確供能。在人們需要的地方，按需求能源的形式，以實際需求的量度，有針對性地進行能源供應。比如，在有人的房間，根據室內的實際照度、使用者對色溫的要求，進行適當的、有針對性的照明，就可以既滿足人的需求，又將能源浪費控制在最低水平，擺脫長期以來靠人的自覺性節能的被動方式，使人們在生活質量不受影響甚至更舒適的情況下，靠信息技術進步將能源節約下來。

     (2)電網自由接入—— 通過供需互動解決分布式能源及可再生能源并網。

    太陽能發電、風電、燃料電池、生物質發電等可再生能源，其電力品質難以符合人們的需求，使可再生能源電力接人系統受到很大限制。對于傳統的被動受電式電網，這樣的電能大量接入系統，會對電網和其他電源的經濟運行及安全構成危脅。如何通過能源供應和能源使用的互動，解決好可再生能源的優化利用，一直就是一個極大的難題。

    (3)需求側管理^l8-10l—— 提高終端響應能力。靠人的積極性進行需求側管理，電力緊張時，需求側管理成為拉閘限電的代名詞；電力過剩時，需求側管理成了電力促銷，“保增長”的手段。在目前電力體制的利益格局下，需求側管理對于優化用電結構、平衡系統運行的作用難以發揮，也難以奏效。依靠信息智能控制技術，將需求側管理融人到每一個電器產品設計上和系統的構建上，并使終端與電網及分布式能源進行響應和交流，可以從根本上解決需求側管理希望解決的問題。比如，一座建筑、一個工廠有無數個電動機，電梯、水泵、風機都要電動機運行。電動機啟動時的電流是運行中電流的5～7倍，如果同時啟動將占用大量供電系統的負荷容量。如果通過智能控制，將電動機啟動時間錯開，就可以節約大量的裝機容量和相關投資。

    (4)為蓄電式交通工具和蓄電式農機的大規模使用提供優化控制平臺。

    未來的交通動力系統將依靠電力提供能源，大力發展蓄電式交通工具和蓄電式農機，減少對石油資源的依賴，將成為全世界的必然趨勢。燃油為交通工具提供動力的能源轉換效率在15 ～20 之間，很難再大幅度提升。而電能轉換動能的效率可達9O ，加之蓄電池充電放電效率在90 。電動汽車的能源利用效率在32 ～47 ，較燃油汽車提高1～2倍以上。但是，大量的蓄電式交通工具和農機在什么時候充電才能既不增加電網負荷，又能利用多余的電能，還能作為電網調節和安全的重要組成部分，成為必須進行管理的問題。所以，我們需要一個智慧而聰明的電網，充分利用彼此的優勢，彌補不足，實現資源的優化整合。

    (5)為智能化電器和信息家電建立一個創新的平臺。

    發展智能電網，電力線數字化通信的應用將不可回避 ^[11] 。按目前的技術，使用220 V 電線可以達到200 M 帶寬的通信速度，而大多數電話線的通信速度僅為2 M，少數用戶可以得到10 M 帶寬的電話線通信服務，即使到2012年達到20 M 的帶寬，也遠不及電力線目前的水平。如果將電力線作為局域信息交互平臺，互聯網、數字視頻電話、數字電視都可以借助這一通道，幾乎無成本地普及信息化。人類正在從互聯網走向物聯網，而電力線最適合將各種電器設備鏈結在一起。

    2．2 大主干網下的智能化微網在我國，一方面由于能源產地和需求地極不均衡，為促進電源集約化建設和規模化經營，減少投資和運營成本以及跨地區聯網的現實需要，必須建立特高壓、大電網；另一方面是由于對大電網崩潰后可怕后果的擔憂，采用分布式發電的智能電網成為新能源和可持續發展需求下必須的發展方向。為了發揮大電網的優點，并整合分布式發電的優勢，削弱分布式發電對電網的沖擊和負面影響，本文提出了構建大主干網下的智能化微網的電網發展模式^[12-13] 。 。如下圖，給出了智能微型電網的一種形式，其具體的結構隨負荷等方面的需求而不同。但是其基本單元應包含微能源、蓄能裝置、管理系統以及負荷。其中大多數微能源與電網的接口都要求是基于電力電子的，以保證微電網以單個系統方式運行的柔性和可靠性。

                       

   以這種方式組織分布式電源而形成的微型電網的重要優勢來自于它對周圍的配電網呈一個可自我控制的獨立個體，并便于實現終端用戶電能質量管理和能源的梯級利用。它遵循電網規則，并能給電網提供更多的價值。它可作為可中斷或可控負荷，以減少網絡擁塞和其他威脅。可進入獨立運行狀態，保證微型電網內重要負荷和敏感負荷的供電安全性。它將實現對每一個用戶及每一個電網節點的監視和控制，確保從電源到用電器之間實時、高速、雙向的電力潮流及相關數據信息流。分布智能、寬帶通信、監視和控制以及自動響應，使人、電器、樓宇、工業過程與電力網絡之間的接口沒有縫隙，可進行實時的互動、互助、互補和相互交易。如在該電網中，用戶可以通過調節用電秩序，關閉或啟動燃氣、燃料電池等，控制需求側和蓄電設備(電動汽車)調節等多樣化手段，解決分布式可再生能源的自由接入和精確供能。

    另外，微型電網能提供優良的電能質量和其他輔助性服務，如電壓支撐、向外饋送電能甚至提供黑啟動能力。其主要框架結構是由集中式發電和遠距離輸電骨干網、地區輸配電網、以微型電網為核心的分布式發電系統相結合的統一體，能夠節省投資，降低能耗，提高能效，提高電力系統可靠性、靈活性和供電質量。該微網可能形成如下的發展模式：① 大型社區熱電冷聯供模式，以清潔燃料及屋頂光伏和吸熱系統做能源，提供制冷、采暖、生活熱水的集中空調設備。實施“庭院式”熱電冷聯供，充分利用儲能設備和低谷電力資源為用戶的交通工具蓄電。② 是大企業聯動模式。部分大型鋼鐵企業和化工企業在生產過程中，將產生大量熱能，將熱能轉化為電能，不僅供自身使用，也輸送到廠區之外供附近居民使用。依托信息化、數字化和精確快速的測量和計算方法，使其與各種清潔能源系統相互提供冗余備份容量，相互提供安全保障。③是園區聯動模式。在工業園區內，廣泛采用太陽能面板構成園區廠房外墻、屋頂和安裝微型風電機組，建設廢棄物品回收利用站，有針對性地發展垃圾處理技術，變垃圾為燃料，建立“生態園區”。

    3 智能電網發展需要的關鍵支撐技術在智能電網中，不限制于僅使用某方面的技術，而是將基于現代新材料技術、計算機軟硬件技術、自動控制技術、傳感器技術、電力電子器件技術、高溫超導技術、信息技術、分布式發電技術以及現代通信技術的綜合，為現代電網提供各種類型先進的測量、監視、保護和控制的電力設備，對傳統電網進行升級改造，構造一個更加經濟、安全、可靠、環保的電網。

    智能電網的實施，是必須采用上述各種技術來支撐所需的屬性的。這些技術不少是在電網中已采用或是正在完善的技術，這些技術包括如用于提供輸電系統穩定的靜止無功補償器(sVC)和可控串聯補償(TCSC)技術；用于輸電系統穩定控制的廣域測量系統(WAMS)中同步相量(PMU)技術；優化配電網絡運行的配電自動化系統中的饋線自動化(FA)技術和自動抄表(AMR)技術；改善配電網電能質量的靜止無功補償器(SVC／STACOM)和有源濾波器(APF)技術；大型風電場接入電網技術等等。根據美國能源部下屬國家能源技術實驗室對“現代電網”中技術方面定義和分類，對其支撐的關鍵技術可分為五類：

    ①集成的通信技術。智能電網應建立起高速的、全面集成的高速雙向通信技術架構，使智能電網變成一個動態的、交互的，用于實時信息和功率交換的超級架構的網絡。采用通信系統的開放式架構，可以對網絡智能傳感器和控制裝置、控制中心、保護系統和用戶建立一個安全的“即插即用”的應用環境。

    ②傳感、計量和測量技術。在智能電網中，采用各種先進的傳感器、結合雙向通信的智能表計與監視系統，用以監視用戶端用電狀況、電網設備的健全狀態與網絡安全狀態，提供智能電網安全經濟運行的最基礎的功能。

    ③先進的電網設備。先進的電網設備對電網的遠行特性起著積極的作用。它包括超導輸電電纜、故障電流限制器、復合導線、靈活交流輸電系統設備(FACTS)、先進的儲能裝置、分布式發電裝置、先進的變壓器和斷路器、智能電器、先進的保護控制設備等。

    ④先進的控制方法。電力系統自動控制可實現對電網的快速診斷，并對特定的電網瓦解或停電提供周密的解決方案。通過從所有電網主要設備中收集數據，輸入到計算機的進行算法運算，可監視這些電網設備，并通過以確定性的和隨機的觀點分析數據去進行診斷和提供解決方案。先進的控制方法應支持諸如分布式能源和需求響應調度、配電自動化和變電站自動化、自適應繼電保護、能量管理、市場定價、電網模擬、操作員顯示和先進的可視化系統。用于先進的控制方法的三類技術包括：分布式智能代理(控制系統)、分析工具(軟件算法和高速計算機)和運行應用(SCADA、需求響應等)。

    ⑤決策支持和人機接口。智能電網中使用信息系統技術，應能使操作和管理人員在日益增加的可變因素下利用這些工具來減少復雜性，保持電網的高效運行。在某些情形，可供操作員作出決策的時間縮短到秒級的水平。因此，現代電網需要非專門化的、無縫的、實時使用的應用和工具，以滿足電網操作和管理人員作出快速決策的需要。帶有改進接口的決策支持將擴展決策至所有等級的電網，它包括用戶級的電網。
   
                  
      
   
    4 結語

    我國的電力系統應該朝著集中式與分布式發電系統有機結合的供能系統方向發展。其主要框架結構應該是由集中式發電和遠距離輸電骨干網、地區輸配電網、以微型電網為核心的分布式發電系統相結合的統一體，微型電網將成為分布式發電在區域配網內滲透的主要載體形式，而成為地區配電網絡制式和電力系統的基本構件。集中發電與分布式微
型電網相結合可以節省投資和減少投資的風險，降低能耗，提高能效，提高電力系統可靠性、靈活性和供電質量，將成為21世紀電力工業的重要發展方向。

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