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(zhù)“智能電網(wǎng)”概念的提出，大家對于發(fā)展智能電網(wǎng)的重-Pr性和宏觀(guān)意義認識高度一致。然而對于智能電網(wǎng)要解決的問(wèn)題、電網(wǎng)的模式、服務(wù)的對象和要解決的關(guān)鍵技術(shù)等仍在探索。針對這些問(wèn)題提出了構建大主干網(wǎng)下的智能化微網(wǎng)，協(xié)調我國因能源分布不均衡所必須的大電網(wǎng)與安全和可持續發(fā)展要求下的互聯(lián)網(wǎng)式分布電網(wǎng)之間的矛盾。它對中國未來(lái)的智能化電網(wǎng)提供了一種可行的發(fā)展模式。

    關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；分布能源；微網(wǎng)；關(guān)鍵技術(shù)

   中圈分類(lèi)號：TM 734    文獻標識碼：A

    奧巴馬的能源新政使“智能電網(wǎng)”成為全球能源界熱議的焦點(diǎn) ]。為提高美國電網(wǎng)安全水平以滿(mǎn)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(wǎng)的“Grid2030計劃”。該計劃旨在采用先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)材料、超導技術(shù)、電力電子控制技術(shù)、廣域測量技術(shù)、實(shí)時(shí)仿真技術(shù)、分布式的微型燃氣冷熱電技術(shù)、儲能技術(shù)、可再生能源發(fā)電技術(shù)等，構建全美骨干電網(wǎng)、區域性電網(wǎng)、地方電網(wǎng)和由分布式能源系統支撐的微電網(wǎng)等多層次電力網(wǎng)絡(luò )構架，以保障整個(gè)電網(wǎng)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(zhì)的優(yōu)良，提高能源利用效率，減少污染排放。

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

    1 中國電網(wǎng)現狀

    在中國，2020年發(fā)電總裝機容量將超過(guò)16億kW，煤、水、風(fēng)等能源資源與生產(chǎn)力布局很不平衡，這決定了中國必須走大規模集中開(kāi)發(fā)、遠距離外送電之路，這需要主干輸電網(wǎng)的保障。因此，國網(wǎng)提出了“堅強電網(wǎng)”的概念。然而，一個(gè)“堅強的國家電網(wǎng)”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(wǎng)自身的能力，即便采用更多的先進(jìn)技術(shù)和設備，也無(wú)法確保供電安全l5]。自然災害、恐怖襲擊等都可以隨時(shí)使電力系統癱瘓。金字塔式的由上至下的電力系統，無(wú)法滿(mǎn)足現代社會(huì )對電能品質(zhì)、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(guò)實(shí)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(fā)展智能化的微電網(wǎng) 。]，調動(dòng)更多的市場(chǎng)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(fā)展等難題。

    2 我國智能電網(wǎng)可行的發(fā)展模式

    2．1 智能電網(wǎng)要解決的問(wèn)題

     我們的智能電網(wǎng)要解決什么問(wèn)題，這是目前需要弄清的一個(gè)焦點(diǎn)。智能電網(wǎng)要服務(wù)于終端用戶(hù)，而不是僅僅服務(wù)于大電網(wǎng)。要首先從終端實(shí)現優(yōu)化配置，要解決用戶(hù)自己的可再生能源和分布式能源，以及資源綜合利用發(fā)電設備的系統接入和電能利用，而不是數千公里之外的“風(fēng)電三峽”、“光伏三峽”、“生物質(zhì)三峽”的潮起潮落。智能電網(wǎng)要解決如F問(wèn)題：

    (1)精確供能—— 提高需求側的節能效率。通過(guò)電子感應、探測、遙控等信息技術(shù)對需求進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并進(jìn)行智能化分析、控制，實(shí)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(shí)際需求的量度，有針對性地進(jìn)行能源供應。比如，在有人的房間，根據室內的實(shí)際照度、使用者對色溫的要求，進(jìn)行適當的、有針對性的照明，就可以既滿(mǎn)足人的需求，又將能源浪費控制在最低水平，擺脫長(cháng)期以來(lái)靠人的自覺(jué)性節能的被動(dòng)方式，使人們在生活質(zhì)量不受影響甚至更舒適的情況下，靠信息技術(shù)進(jìn)步將能源節約下來(lái)。

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

    太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)電、燃料電池、生物質(zhì)發(fā)電等可再生能源，其電力品質(zhì)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(dòng)受電式電網(wǎng)，這樣的電能大量接入系統，會(huì )對電網(wǎng)和其他電源的經(jīng)濟運行及安全構成危脅。如何通過(guò)能源供應和能源使用的互動(dòng)，解決好可再生能源的優(yōu)化利用，一直就是一個(gè)極大的難題。

    (3)需求側管理^l8-10l—— 提高終端響應能力?？咳说姆e極性進(jìn)行需求側管理，電力緊張時(shí)，需求側管理成為拉閘限電的代名詞；電力過(guò)剩時(shí)，需求側管理成了電力促銷(xiāo)，“保增長(cháng)”的手段。在目前電力體制的利益格局下，需求側管理對于優(yōu)化用電結構、平衡系統運行的作用難以發(fā)揮，也難以奏效。依靠信息智能控制技術(shù)，將需求側管理融人到每一個(gè)電器產(chǎn)品設計上和系統的構建上，并使終端與電網(wǎng)及分布式能源進(jìn)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(wèn)題。比如，一座建筑、一個(gè)工廠(chǎng)有無(wú)數個(gè)電動(dòng)機，電梯、水泵、風(fēng)機都要電動(dòng)機運行。電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)的電流是運行中電流的5～7倍，如果同時(shí)啟動(dòng)將占用大量供電系統的負荷容量。如果通過(guò)智能控制，將電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)間錯開(kāi)，就可以節約大量的裝機容量和相關(guān)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(yōu)化控制平臺。

    未來(lái)的交通動(dòng)力系統將依靠電力提供能源，大力發(fā)展蓄電式交通工具和蓄電式農機，減少對石油資源的依賴(lài)，將成為全世界的必然趨勢。燃油為交通工具提供動(dòng)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(dòng)能的效率可達9O ，加之蓄電池充電放電效率在90 。電動(dòng)汽車(chē)的能源利用效率在32 ～47 ，較燃油汽車(chē)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(shí)候充電才能既不增加電網(wǎng)負荷，又能利用多余的電能，還能作為電網(wǎng)調節和安全的重要組成部分，成為必須進(jìn)行管理的問(wèn)題。所以，我們需要一個(gè)智慧而聰明的電網(wǎng)，充分利用彼此的優(yōu)勢，彌補不足，實(shí)現資源的優(yōu)化整合。

    (5)為智能化電器和信息家電建立一個(gè)創(chuàng )新的平臺。

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

    2．2 大主干網(wǎng)下的智能化微網(wǎng)在我國，一方面由于能源產(chǎn)地和需求地極不均衡，為促進(jìn)電源集約化建設和規?；?jīng)營(yíng)，減少投資和運營(yíng)成本以及跨地區聯(lián)網(wǎng)的現實(shí)需要，必須建立特高壓、大電網(wǎng)；另一方面是由于對大電網(wǎng)崩潰后可怕后果的擔憂(yōu)，采用分布式發(fā)電的智能電網(wǎng)成為新能源和可持續發(fā)展需求下必須的發(fā)展方向。為了發(fā)揮大電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，并整合分布式發(fā)電的優(yōu)勢，削弱分布式發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊和負面影響，本文提出了構建大主干網(wǎng)下的智能化微網(wǎng)的電網(wǎng)發(fā)展模式^[12-13] 。 。如下圖，給出了智能微型電網(wǎng)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(wǎng)的接口都要求是基于電力電子的，以保證微電網(wǎng)以單個(gè)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(wǎng)的重要優(yōu)勢來(lái)自于它對周?chē)呐潆娋W(wǎng)呈一個(gè)可自我控制的獨立個(gè)體，并便于實(shí)現終端用戶(hù)電能質(zhì)量管理和能源的梯級利用。它遵循電網(wǎng)規則，并能給電網(wǎng)提供更多的價(jià)值。它可作為可中斷或可控負荷，以減少網(wǎng)絡(luò )擁塞和其他威脅?？蛇M(jìn)入獨立運行狀態(tài)，保證微型電網(wǎng)內重要負荷和敏感負荷的供電安全性。它將實(shí)現對每一個(gè)用戶(hù)及每一個(gè)電網(wǎng)節點(diǎn)的監視和控制，確保從電源到用電器之間實(shí)時(shí)、高速、雙向的電力潮流及相關(guān)數據信息流。分布智能、寬帶通信、監視和控制以及自動(dòng)響應，使人、電器、樓宇、工業(yè)過(guò)程與電力網(wǎng)絡(luò )之間的接口沒(méi)有縫隙，可進(jìn)行實(shí)時(shí)的互動(dòng)、互助、互補和相互交易。如在該電網(wǎng)中，用戶(hù)可以通過(guò)調節用電秩序，關(guān)閉或啟動(dòng)燃氣、燃料電池等，控制需求側和蓄電設備(電動(dòng)汽車(chē))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(wǎng)能提供優(yōu)良的電能質(zhì)量和其他輔助性服務(wù)，如電壓支撐、向外饋送電能甚至提供黑啟動(dòng)能力。其主要框架結構是由集中式發(fā)電和遠距離輸電骨干網(wǎng)、地區輸配電網(wǎng)、以微型電網(wǎng)為核心的分布式發(fā)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(zhì)量。該微網(wǎng)可能形成如下的發(fā)展模式：① 大型社區熱電冷聯(lián)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(shí)施“庭院式”熱電冷聯(lián)供，充分利用儲能設備和低谷電力資源為用戶(hù)的交通工具蓄電。② 是大企業(yè)聯(lián)動(dòng)模式。部分大型鋼鐵企業(yè)和化工企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，將產(chǎn)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(chǎng)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(lián)動(dòng)模式。在工業(yè)園區內，廣泛采用太陽(yáng)能面板構成園區廠(chǎng)房外墻、屋頂和安裝微型風(fēng)電機組，建設廢棄物品回收利用站，有針對性地發(fā)展垃圾處理技術(shù)，變垃圾為燃料，建立“生態(tài)園區”。

    3 智能電網(wǎng)發(fā)展需要的關(guān)鍵支撐技術(shù)在智能電網(wǎng)中，不限制于僅使用某方面的技術(shù)，而是將基于現代新材料技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、電力電子器件技術(shù)、高溫超導技術(shù)、信息技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)以及現代通信技術(shù)的綜合，為現代電網(wǎng)提供各種類(lèi)型先進(jìn)的測量、監視、保護和控制的電力設備，對傳統電網(wǎng)進(jìn)行升級改造，構造一個(gè)更加經(jīng)濟、安全、可靠、環(huán)保的電網(wǎng)。

    智能電網(wǎng)的實(shí)施，是必須采用上述各種技術(shù)來(lái)支撐所需的屬性的。這些技術(shù)不少是在電網(wǎng)中已采用或是正在完善的技術(shù)，這些技術(shù)包括如用于提供輸電系統穩定的靜止無(wú)功補償器(sVC)和可控串聯(lián)補償(TCSC)技術(shù)；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(shù)；優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò )運行的配電自動(dòng)化系統中的饋線(xiàn)自動(dòng)化(FA)技術(shù)和自動(dòng)抄表(AMR)技術(shù)；改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量的靜止無(wú)功補償器(SVC／STACOM)和有源濾波器(APF)技術(shù)；大型風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)等等。根據美國能源部下屬?lài)夷茉醇夹g(shù)實(shí)驗室對“現代電網(wǎng)”中技術(shù)方面定義和分類(lèi)，對其支撐的關(guān)鍵技術(shù)可分為五類(lèi)：

    ①集成的通信技術(shù)。智能電網(wǎng)應建立起高速的、全面集成的高速雙向通信技術(shù)架構，使智能電網(wǎng)變成一個(gè)動(dòng)態(tài)的、交互的，用于實(shí)時(shí)信息和功率交換的超級架構的網(wǎng)絡(luò )。采用通信系統的開(kāi)放式架構，可以對網(wǎng)絡(luò )智能傳感器和控制裝置、控制中心、保護系統和用戶(hù)建立一個(gè)安全的“即插即用”的應用環(huán)境。

    ②傳感、計量和測量技術(shù)。在智能電網(wǎng)中，采用各種先進(jìn)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(hù)端用電狀況、電網(wǎng)設備的健全狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò )安全狀態(tài)，提供智能電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的最基礎的功能。

    ③先進(jìn)的電網(wǎng)設備。先進(jìn)的電網(wǎng)設備對電網(wǎng)的遠行特性起著(zhù)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(xiàn)、靈活交流輸電系統設備(FACTS)、先進(jìn)的儲能裝置、分布式發(fā)電裝置、先進(jìn)的變壓器和斷路器、智能電器、先進(jìn)的保護控制設備等。

    ④先進(jìn)的控制方法。電力系統自動(dòng)控制可實(shí)現對電網(wǎng)的快速診斷，并對特定的電網(wǎng)瓦解或停電提供周密的解決方案。通過(guò)從所有電網(wǎng)主要設備中收集數據，輸入到計算機的進(jìn)行算法運算，可監視這些電網(wǎng)設備，并通過(guò)以確定性的和隨機的觀(guān)點(diǎn)分析數據去進(jìn)行診斷和提供解決方案。先進(jìn)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(dòng)化和變電站自動(dòng)化、自適應繼電保護、能量管理、市場(chǎng)定價(jià)、電網(wǎng)模擬、操作員顯示和先進(jìn)的可視化系統。用于先進(jìn)的控制方法的三類(lèi)技術(shù)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(wǎng)中使用信息系統技術(shù)，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(lái)減少復雜性，保持電網(wǎng)的高效運行。在某些情形，可供操作員作出決策的時(shí)間縮短到秒級的水平。因此，現代電網(wǎng)需要非專(zhuān)門(mén)化的、無(wú)縫的、實(shí)時(shí)使用的應用和工具，以滿(mǎn)足電網(wǎng)操作和管理人員作出快速決策的需要。帶有改進(jìn)接口的決策支持將擴展決策至所有等級的電網(wǎng)，它包括用戶(hù)級的電網(wǎng)。
   
                  
      
   
    4 結語(yǔ)

    我國的電力系統應該朝著(zhù)集中式與分布式發(fā)電系統有機結合的供能系統方向發(fā)展。其主要框架結構應該是由集中式發(fā)電和遠距離輸電骨干網(wǎng)、地區輸配電網(wǎng)、以微型電網(wǎng)為核心的分布式發(fā)電系統相結合的統一體，微型電網(wǎng)將成為分布式發(fā)電在區域配網(wǎng)內滲透的主要載體形式，而成為地區配電網(wǎng)絡(luò )制式和電力系統的基本構件。集中發(fā)電與分布式微
型電網(wǎng)相結合可以節省投資和減少投資的風(fēng)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(zhì)量，將成為21世紀電力工業(yè)的重要發(fā)展方向。

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