0 引 言
      
電力系統(tǒng)是人類迄今為止制造的最復(fù)雜、最龐大的系統(tǒng)，是20世紀人類所取得的最輝煌的工程技術(shù)成就之一。但是，進入21世紀以來，隨著電力系統(tǒng)的不斷老化，線路擴容困難，系統(tǒng)運行效率降低，節(jié)能減排等環(huán)保壓力增大，人們對供電可靠性和電能質(zhì)量要求越來越高，大容量的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電接入電力系統(tǒng)的要求日益增強，特別是大面積停電的災(zāi)變事故頻發(fā)，使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在信息社會發(fā)展的需求。與此同時，通信技術(shù)、計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和日益成熟，為電網(wǎng)的現(xiàn)代化提供了技術(shù)手段。以美國為首的發(fā)達國家提出了“電網(wǎng)現(xiàn)代化”的號召，從而在全世界范圍內(nèi)掀起了一股研究“智能電網(wǎng)”的熱潮。本系列文章將從智能電網(wǎng)的核心內(nèi)涵和技術(shù)框架、國內(nèi)外智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略、智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)、電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用、智能電網(wǎng)的效益分析、和中國智能電網(wǎng)的發(fā)展路線圖等多個方面，試圖對智能電網(wǎng)做一個全景式的介紹。本文是該系列文章的第一篇，主要介紹智能電網(wǎng)的起源和發(fā)展動力、智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要區(qū)別、智能電網(wǎng)的核心內(nèi)涵、技術(shù)框架和實現(xiàn)順序。

1 智能電網(wǎng)的起源和發(fā)展動力
      
2003年4月，在美國能源部的倡導(dǎo)和組織下，來自美國各大電力企業(yè)、設(shè)備制造商、通信技術(shù)提供商、政府部門、大學(xué)和國家實驗室的65位專家齊聚一堂，對電力工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了深刻反思，對電力工業(yè)在第二個百年里的發(fā)展前景進行了展望[1]。會議指出，北美電網(wǎng)效率低下、輸電擁堵、供電可靠性和電能質(zhì)量降低，特別是大面積停電等災(zāi)難性事故增多，與美國在“21世紀的領(lǐng)導(dǎo)地位極不相稱”。歷史的發(fā)展往往具有戲劇性，就在這次會議結(jié)束不到半年， 2003年8月14日北美電網(wǎng)發(fā)生了有史以來最嚴重的大面積停電事故，美國的8個州和加拿大的2個省5千萬人受影響，損失負荷量61800MW，經(jīng)濟損失約300億美元。這次災(zāi)難性事故進一步驗證了會議所達成共識的正確性和智能電網(wǎng)建設(shè)的緊迫性。在政府部門和企業(yè)研發(fā)部門的共同努力下快馬加鞭，于2004年1月出臺了“國家電力傳輸技術(shù)路線圖計劃”[2]，提出“可以在任何時間任何地點向人們提供充足的、廉價的、清潔的、高效的和可靠的供電服務(wù)”，并提出了電力傳輸技術(shù)現(xiàn)代化的路線圖。
      
縱觀21世紀科技和經(jīng)濟的發(fā)展，智能電網(wǎng)的提出和發(fā)展不是偶然的，它發(fā)展的內(nèi)在動力來源于以下幾個方面：
      
(1) 提高設(shè)備利用效率，減少輸電擁堵的需要：據(jù)統(tǒng)計，發(fā)電設(shè)備利用率90%以上、配電設(shè)備利用率75%以上的時間不足5%，大部分時間內(nèi)設(shè)備容量得不到有效利用；而另一方面，隨著電力市場的建設(shè)和競爭加劇，用電負荷的大幅增加與電源短缺、輸配電容量不足的矛盾日益突出，導(dǎo)致輸電阻塞。北美電網(wǎng)每年的輸電阻塞成本高達30億美元。
      
(2) 提高供電可靠性和電能質(zhì)量的需要：“8•14大停電”不是偶然事件，對世紀之交北美電網(wǎng)的大停電事故統(tǒng)計表明，大停電事故的發(fā)生服從冪指數(shù)規(guī)律[3]，頻率越來越高，損失越來越大；而隨著科技和經(jīng)濟的發(fā)展，對電能質(zhì)量的要求越來越高，據(jù)美國電科院估計，美國每年由于電能質(zhì)量問題造成的損失高達260億美元。
      
(3) 提供多種多樣的電力增值服務(wù)，增加電力用戶互動性的需要：通過提供實時透明的電價和各種增值服務(wù)，提高用戶滿意度，改善負荷特性，實現(xiàn)需求側(cè)管理，使用戶和電力企業(yè)共同應(yīng)對電網(wǎng)運行和調(diào)度所面臨的挑戰(zhàn)，最終實現(xiàn)雙贏。
      
(4) 節(jié)能和環(huán)保的大勢所趨，減少溫室氣體排放的需要：電能是優(yōu)質(zhì)方便的二次能源，目前一次能源轉(zhuǎn)換成電能的效率還很低（如燃煤火力發(fā)電效率37%，光伏發(fā)電20%等），電網(wǎng)損耗7%；而且電力生產(chǎn)還是溫室氣體排放的大戶，06年我國燃煤發(fā)電CO2排放量24.44億噸，07年超過美國，每年還在以10%的速度遞增。節(jié)能減排的潛力巨大。
      
(5) 大量可再生能源接入電網(wǎng)的需要：進入21世紀以來，以風(fēng)電為代表的可再生能源發(fā)電蓬勃發(fā)展，在總裝機容量中比重越來越大（到2020年可再生能源比重我國15%，歐盟20%），但是它們的間歇性和隨機性卻給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和調(diào)度帶來了巨大的挑戰(zhàn)；
      
(6) 國家能源安全和綜合資源優(yōu)化配置的需要：電力系統(tǒng)是關(guān)系到國家能源安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，特別是“9•11”事件以后，美國更是把電網(wǎng)安全提升到國家安全的層次，要求電網(wǎng)能夠抵御自然災(zāi)害甚至恐怖襲擊，具有更高智能和自愈能力。電能具有易轉(zhuǎn)換和遠距離傳輸?shù)奶攸c，以智能電網(wǎng)為媒介可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)多種資源的優(yōu)化配置，提高能源的綜合利用效率。
      
可見，智能電網(wǎng)的發(fā)展是21世紀科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟社會發(fā)展的必然要求，而通信技術(shù)、計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和日益成熟，為建設(shè)智能電網(wǎng)提供了必要的技術(shù)手段。

2 智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要區(qū)別
      
智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要區(qū)別主要體現(xiàn)在用戶互動、發(fā)電和儲能、市場化和自愈性等方面，詳見下表。

3 智能電網(wǎng)的核心內(nèi)涵
      
迄今為止，智能電網(wǎng)還沒有一個被大家公認的完整的定義，智能電網(wǎng)涵蓋面很寬，也很難用一個概念來歸納。但是各國在結(jié)合本國國情發(fā)展智能電網(wǎng)時已經(jīng)形成了很多共識。總的來說，智能電網(wǎng)的核心內(nèi)涵包含以下幾個方面[4]：
      
(1) 自愈性：智能電網(wǎng)應(yīng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的脆弱性的安全性進行實時評估，當(dāng)系統(tǒng)受到嚴重級聯(lián)故障、自然災(zāi)害甚至恐怖襲擊時，能自主地采取切機切負荷和主動解列等措施，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，避免大面積停電等災(zāi)難性事故的發(fā)生，將受事故影響的負荷損失降低到最小程度，并在故障元件恢復(fù)后自主地將系統(tǒng)快速恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。
      
(2) 用戶互動性：智能電網(wǎng)應(yīng)通過各種通信手段向用戶發(fā)布實時電價信息，向用戶提供多種可供選擇的供電方案和控制手段，以實現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)（Demand Response，DR），達到電網(wǎng)和用戶的雙贏。
      
(3) 滿足21世紀需求的電能質(zhì)量：通過先進的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，消除與頻率和電壓相關(guān)的各種電能質(zhì)量問題，為用戶提供多種可選擇的電能質(zhì)量和電價方案，以滿足用戶的各種需求；
     
(4) 大量可再生能源接入和分布式儲能：為各種分布式發(fā)電提供“即插即用”式（Plug and Play）的方便的接入和退出，補充集中式發(fā)電，通過微電網(wǎng)技術(shù)和電能變化技術(shù)將可再生能源發(fā)電和分布式儲能融為一體，使各種清潔能源得到充分利用。
      
(5) 成熟、強壯的電力市場：開放式電網(wǎng)和成熟的電力市場為所有的市場參與者提供透明、公平的競爭機會，通過市場的調(diào)節(jié)作用將電力系統(tǒng)的運行需求（調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)定性）與用戶的需求（廉價、可靠、清潔）緊密地聯(lián)系在一起，消除輸電阻塞；
      
(6) 優(yōu)化資產(chǎn)管理，提供電網(wǎng)運行效率：通過對電網(wǎng)資產(chǎn)的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測和潮流控制，提高設(shè)備利用率，實現(xiàn)重要設(shè)備的故障預(yù)警和狀態(tài)檢修，減小網(wǎng)損，提供電網(wǎng)的運行效率。

4 智能電網(wǎng)的技術(shù)框架
      
智能電網(wǎng)主要由4部分組成[5]：
      
(1) 高級量測體系（Advanced Metering Infrastructure, AMI）
      
(2) 高級配電運行（Advanced Distribution Operation，ADO）
      
(3) 高級輸電運行（Advanced Transmission Operation，ATO）
      
(4) 高級資產(chǎn)管理（Advanced Asset Management， AAM）
      
4.1 高級量測體系A(chǔ)MI
      
AMI主要功能是授權(quán)給用戶，使系統(tǒng)同負荷建立起聯(lián)系，使用戶能夠支持電網(wǎng)的運行。AMI包含許多技術(shù)和應(yīng)用集成的解決方案，其技術(shù)組成和功能主要包括：
      
1) 智能電表：可以定時或即時取得用戶帶有時標(biāo)的分時段的(如15 min，l h等)或?qū)崟r(或準(zhǔn)實時)的多種計量值，如用電量、功率、電壓、電流和其他信息，事實上已成為電網(wǎng)的傳感器。
      
2) 通信網(wǎng)絡(luò)：采取固定的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，能把表計信息(包括故障報警和裝置干擾報警)接近于實時地從電表傳到數(shù)據(jù)中心，是全部高級應(yīng)用的基礎(chǔ)。
      
3) 計量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(MDMS)：這是一個帶有分析工具的數(shù)據(jù)庫，通過與AMI自動數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的配合使用，處理和儲存電表的計量值。
      
4) 用戶室內(nèi)網(wǎng)(HAN)：通過網(wǎng)關(guān)或用戶入口把智能電表和用戶戶內(nèi)可控的電器或裝置(如可編程的溫控器)連接起來，使得用戶能根據(jù)電力公司的需要，積極參與需求響應(yīng)或電力市場。
      
5) 提供用戶服務(wù)(如分時或?qū)崟r電價等)。
      
6) 遠程接通或斷開。
      
4.2 高級配電運行ADO
      
ADO的技術(shù)組成和功能主要包括：
      
1) 高級配電自動化；
      
2) 高級保護與控制；
      
3) 配電快速仿真與模擬；
      
4) 新型電力電子裝置；
      
5) DER運行；
      
6) AC／DC微網(wǎng)運行；
      
7) 運行管理系統(tǒng)(帶有高級傳感器)。
      
ADO主要的功能是使系統(tǒng)可自愈。為了實現(xiàn)自愈，電網(wǎng)應(yīng)具有靈活的可重構(gòu)的配電網(wǎng)絡(luò)拓撲和實時監(jiān)視、分析系統(tǒng)目前狀態(tài)的能力。后者既包括識別故障早期征兆的預(yù)測能力，也包括對已經(jīng)發(fā)生的擾動做出響應(yīng)的能力。而在系統(tǒng)中安放大量的監(jiān)視傳感器并把它們連接到一個安全的通信網(wǎng)上去，是做出快速預(yù)測和響應(yīng)的關(guān)鍵?？焖俜抡媾c模擬(fast simulation and modeling，F(xiàn)SM)是ADO的核心軟件，其中包括風(fēng)險評估、自愈控制與優(yōu)化等高級軟件系統(tǒng)，為智能電網(wǎng)提供數(shù)學(xué)支持和預(yù)測能力，以期達到改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性和運行效率的目的。配電快速仿真與模擬(DFSM)需要支持4個主要的自愈功能：
     
1) 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；
      
2) 電壓與無功控制；
      
3) 故障定位、隔離和恢復(fù)供電；
      
4) 當(dāng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時繼保再整定。
      
上述主要功能相互聯(lián)系，致使DFSM變得很復(fù)雜。例如，電網(wǎng)的任一重構(gòu)要求一個新的繼電保護配合和新的電壓調(diào)節(jié)方案，還包含恢復(fù)供電功能。DFSM通過分布式的智能網(wǎng)絡(luò)代理(intelligent network agents，INA)來實現(xiàn)跨地理邊界和組織邊界的智能控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自愈功能。這些智能網(wǎng)絡(luò)代理，能收集和交流系統(tǒng)信息并對(諸如繼電保護操作這樣的)局部控制做出決策，同時根據(jù)整個系統(tǒng)要求協(xié)調(diào)這些決策。
      
ADO中的高級配電自動化(ADA)是智能電網(wǎng)實現(xiàn)自愈的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)配電自動化相比，ADA是革命性的。因為ADA是用于電力交換系統(tǒng)的(由于分布式電源上網(wǎng)運行，而使配電網(wǎng)支路上的潮流可能是雙向的)，其中將使用電力電子、信息、分布式計算與仿真方面的新技術(shù)；同時，ADA可為用戶提供新的服務(wù)。
      
4.3 高級輸電運行ATO
      
ATO強調(diào)阻塞管理和降低大規(guī)模停運的風(fēng)險，ATO同AMI，ADO和AAM的密切配合，實現(xiàn)輸電系統(tǒng)的(運行和資產(chǎn)管理)優(yōu)化。輸電網(wǎng)是電網(wǎng)的骨干，它在智能電網(wǎng)中的重要性勿容質(zhì)疑，其技術(shù)組成和功能如下：
      
1) 變電站自動化；
      
2) 輸電的地理信息系統(tǒng)；
     
3) 廣域量測系統(tǒng)；
      
4) 高速信息處理；
      
5) 高級保護與控制；
      
6) 模擬、仿真和可視化工具；
      
7) 高級的輸電網(wǎng)絡(luò)元件，如電力電子(靈活交流輸電，固態(tài)開關(guān)等)、先進的導(dǎo)體和超導(dǎo)裝置；

      
8) 先進的區(qū)域電網(wǎng)運行，如提高系統(tǒng)安全性，適應(yīng)市場化和改善電力規(guī)劃和設(shè)計的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)(特別注意電網(wǎng)模型的改進，如集中式的發(fā)電模型以及受配電網(wǎng)絡(luò)和有源電力用戶影響的負荷模型)。
      
4.4 高級資產(chǎn)管理AAM
      
AMI、ADO和ATO同AAM的集成將大大改進電網(wǎng)的運行和效率。實現(xiàn)AAM需要在系統(tǒng)中裝設(shè)大量可以提供系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)備(資產(chǎn))“健康”狀況的高級傳感器，并把所收集到的實時信息同如下過程集成：
      
1) 優(yōu)化資產(chǎn)使用的運行；
      
2) 輸、配電網(wǎng)規(guī)劃；
      
3) 基于條件(如可靠性水平)的維修；
      
4) 工程設(shè)計與建造；
      
5) 顧客服務(wù)；
     
6) 工作與資源管理；
     
7) 模擬與仿真。

5 實現(xiàn)智能電網(wǎng)的順序[6]
      
如前所述，智能電網(wǎng)的4個部分之間是密切相關(guān)的，表現(xiàn)在：
      
1) AMI同用戶建立通信聯(lián)系，提供帶時標(biāo)的系統(tǒng)信息；
      
2) ADO使用AMI的通信收集配電信息，改善配電運行；
      
3) ATO使用ADO信息改善輸電系統(tǒng)運行和管理輸電阻塞，使用AMI讓用戶能夠訪問市場；
      
4) AAM使用AMI、ADO和ATO的信息與控制，改善運行效率和資產(chǎn)使用。
      
可見各個部分的實現(xiàn)順序是有價值。因此，北美把AMI視為是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的第一步，如圖1和圖2所示。值得一提的是，由于AMI可在負荷響應(yīng)和節(jié)能減排方面取得巨大效益，許多政府機構(gòu)已頒布立法條例來推動AMI技術(shù)的實施。

圖1 智能電網(wǎng)的實現(xiàn)順序

圖2 智能電網(wǎng)效益與成本曲線

6 結(jié)論
      
智能電網(wǎng)是21世紀電力系統(tǒng)的一場深刻革命，它的提出和發(fā)展是時代的產(chǎn)物，它將徹底改變電網(wǎng)的運行模式和人們的用電方式，并以電網(wǎng)為媒介實現(xiàn)全社會資源的優(yōu)化配置和有效利用，提升國家的能源安全水平，社會效益和經(jīng)濟效益巨大。