智能电网文献综述

智能电网综述

摘要：智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，并被认为是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。目前，以美国、英国、法国、德国为代表的欧美国家，己经纷纷加入到研究和发展智能电网的行列中来，将智能电网(Smart Grid )作为末来电网发展的远景目标之一，建立一个高效能、低投资、安全可靠、灵活应变的电力系统。具有对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务的智能电网是未来电网的发展方向。本文阐述了智能电网的内涵和特点，分析了国内外智能电网的研究进展和我国发展智能电网的条件，对一些现有的研究行进了分析和讨论。

关键词：智能电网；智能化；信息化；节能减排；

1 智能电网的概念

随着一些国家对电网的环境影响、可靠性和服务质量的关注，电网朝着更经济、稳定、安全和灵活的方向发展，因此提出了“智能电网”的概念。智能电网是以通信网络为基础，通过传感和测量技术、电力电子技术、控制方法以及决策支持系统技术，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和高服务质量的目标，其主要特征包括自愈、引导用户、抵御攻击、提供满足用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、电力市场以及资产的优化高效运行。

目前，全世界智能电网的发展还处在起步阶段，没有一个共同的精确定义。对于智能电网，各个国家的定义有所不同。美国能源部在《Grid 2030》中将智能电网定义为:一个完全自动化的电力传输网络，能够监视和控制每个用户和电网节点，保证从电厂到终端用户整个输配电过程中所有节点之间的信息和电能的双向流动。中国物联网校企联盟将智能电网更具体的定义为:智能电网由:智能配电网、智能电能表、智能发电系统、新型储能等系统组成。欧洲技术论坛把智能电网定义为:一个可整合所有连接到电网用户所有行为的电力传输网络，以有效提供持续、经济和安全的电力。而国家电网中国电力科学研究院将智能电网定义为:以物理电网为基础(中国的智能电网是以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础)，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。它以充

分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。虽然各个国家或组织对智能电网的定义有所不同，但总的来说，他们一致认为智能电网应以信息技术为手段，提高系统的可靠性、安全性、经济性。

同时智能电网是信息物理系统(Cyber-Physical System, CPS)的重要应用。CPS可以理解为基于嵌入式设备的高效能网络化智能信息系统，它通过一系列计算资源和物理对象在网络环境下的高度集成与交互来提高系统的信息处理、实时通信、远程精准控制以及组件自主协调方面的能力，是时空多维异构的混杂自治系统。智能电网在功能上考虑性能优化，高度融合计算、通信和控制技术以使在许多应用领域的物理系统达到更高的稳定性、性能、可靠性、鲁棒性和高效性。同时相较于现有的电网控制系统，智能电网关注资源的合理整合利用与调度优化，能实现对大规模复杂系统和广域环境的实时感知与动态监控，并提供相应的网络信息服务，且更为灵活、智能、高效。

在信息物理融合系统和智能电网框架下，智能电网技术大致可分为四个领域：智能测量体系、智能配电运行、智能输电运行和设备管理。智能测量体系主要作用是授权给用户，使系统同负荷建立起联系，使用户能够支持电网的运行;智能高级配电运行核心是在线实时决策调度，目标是灾变防治，实现大面积级联故障的预防;智能输电运行主要作用是强调阻塞管理和降低大规模停运的风险;设备管理是在系统中安装大量可以提供系统参数和设备(资产)“健康”状况的传感器，并把所收集到的实时信息与设备管理、模拟与仿真等过程集成，改进电网的安全运行和效率。

2 智能电网研究现状

1、国外智能电网研究现状

上世纪末，世界上很多国家相继开展了智能电网相关研究，美国与欧洲最具有代表性。欧美许多国家的电力工业目前己迈入成熟期，负荷增长较小，输电网架构变化不大.但由于近几年电力投资相对较少，最近一段时间内经常发生大停电事故，迫使政府对电网安全可靠运行重新予以重视，同时为了使资源利用方面得到有效改善，开始研究改进措施使停电时间最小化和市场效益最大化，并从市

场、安全、电能质量和环境等方面着手，重点关注信息技术与电网的结合及基于信息的业务重整，同时考虑智能电网的功能从用户端开始侧重研究，来建立一个高效、安全、环保、灵活和互动的智能电网.在美国国会颁布的《复苏与再投资法案》中，将智能电网项目配套资金的资助比例逐年增加，并确定投资45亿美元用于智能电网标准制定、项目资助、人员培养、需求预测、能源资源评估与电网分析等.近年来，美国的研究部门和电力企业在智能电网领域开展了许多研究与实践，2008年在科罗拉多州的波尔德开始建设全美第一个“智能电网”城市，其主要技术路线是构建配电网实时高速双向通信网络;建设具备远程监控、准实时数据采集通讯以及优化性能的“智能”变电站;安装可编程家居控制装置和自动控制家居用能的管理系统;整合基础设施，支持小型风电和太阳能发电、混合动力汽车、电池系统等分布式能源和储能设施的建设.欧洲智能电网研究更加重视分布式发电和可再生能源接入，欧盟政府在2010年的《欧洲可持续的、有竞争力的和安全的能源策略》绿皮书中重点指出，欧洲新能源时代己经到来，保证电能质量的关键技术和发展方向是智能电网，2011年9月，《欧洲未来电网发展策略》提出了欧洲智能电网的路线图和发展重点，其中优化电网基础设施、电网安全运行、大规模间歇性电源并网、主动的配电网、信息和通讯技术及电力市场是重点建设领域.欧洲的智能电网建设重点是降低电力价格、提高运营效率、加强与用户互动，同时，重视环境保护，关注可再生能源的接入以及对生态的影响。

2、中国智能电网研究现状

面对世界电力发展的新动向，国家电网公司在深入分析中国国情和世界电网发展新趋势的基础上，紧密结合我国用电服务的实际情况和能源供应的新形势，经过大量的考证、研究和论证，近几年发布了中国建设坚强智能电网的理念:立足自主创新，建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的坚强智能电网的发展目标.“按照统一规划、统一标准、统一建设”的原则和“统筹规划、统一标准、试点先行、整体推进”的工作方针，稳步、有序地推进智能电网各项建设工作。

3 智能电网的研究

实施智能电网发展战略不仅能使用户获得高安全性、高可靠性、高质量、高效率和价格合理的电力供应，还能提高国家的能源安全，改善环境，推动可持续发展，同时能够激励市场不断创新，从而提高国家的国际经济竞争力。简而言之，提高供电安全性、生态可持续性和经济竞争力是智能电网的3个目标。

文献[3]介绍了分布式发电、微网与智能配电网的基本概念和发展趋势，从分布式电源大规模接入的角度重点分析了分布式发电技术和微网技术对智能配电网的影响以及应重点关注的技术问题。分布式发电技术有助于充分利用各地丰富的清洁可再生能源，但分布式电源大规模的并网运行将会对电力系统的安全稳定和调度运行带来一定影响;微网技术通过不同层次的结构为各种分布式电源的并网运行提供接口，是发挥分布式电源效能的有效方式;智能配电网则可通过对微网的有效管理实现分布式电源的灵活接入与整个电力系统的安全、可靠、经济运行。最后，通过对三者的分析对实现智能配电网的思路与技术手段提出建议。

文献[4]首先界定了智能电网环境效益概念，分析了智能电网环境效益的主要影响因素，将其定义为智能电网的节能减排效益和可持续发展效益两方面。然后采用定性分析和定量评价相结合的方法，分别从清洁能源并网带来的节能减排效益，和通过用户需求响应系统构建、电力输送效率的提高、促进电动汽车等方面对智能电网环境效益进行描述，构建智能电网环境效益评价体系。然后使用防护费用法和电热当量法，将环境效益经济化，更加直观的了解从2009年起到2020年，智能电网建设过程中的环境效益变化趋势。最后建立智能电网建设与非智能化建设投资与环境效益对比模型，发现在建设初期电网智能化建设带来的环境效益并不显著，但当建设投资额达到一定数量后，其带来的环境效益将会越来越明显。

文献[5]对分布式发电的研究。从实际数据出发，阐明了发展分布式发电的目的与意义，并从系统规划、系统潮流、二次系统、电能质量和孤岛现象等方面，详细分析了DG入网对电网的影响。在大量的调研和研究国内外的DG发展的基础上，总结了目前对电压、频率、同步运行、谐波、电压闪烁、直流注入、电力保护、孤岛和重合闸等方面的行业标准。还从电力通信的基本构成和电力通信线路的基本形式入手，通过对国内外电力通信发展现状的分析，指出了通信系统当前的业务情况和网络建设情况。文章对智能电网发展产生的通信需求重点剖析，为电力通信的发展提供了方向性指导。面向智能电网的安全监控、输电效率、计量等，提出基于无线传感器网络的新一代通信网络架构，力求能够推动我国智能电网建设的进程，以及

促进相关规范的尽快标准化。

文献[6]本文针对智能电网建设对输电检修产生的影响，研究智能电网条件下输电检修的优化模式与实施方案。第一，从设备故障、故障检测及诊断、设备故障风险评估以及设备故障检修等方面，分析输电检修优化理论，为论文的深入研究奠定理论基础。第二，针对智能电网条件下输电检修信息连续性和实时性的特点，提出基于连续蚁群优化算法的输电检修优化模型。以输电检修费用最小化、可用输电容量最大化为优化目标，建立输电检修优化决策模型，提出一种利用改进高斯函数反映人工蚂蚁搜索过程中信息素浓度变化情况的连续蚁群优化算法求解模型。第三，针对智能电网引入的大量先进电子技术能够为量化分析输电系统的风险提供技术支撑这一技术优势，提出基于风险评估的输电检修优化模型。从故障后果角度评估输电系统的风险，以故障风险降低值为检修优化指标，建立基于风险的输电检修优化模型，利用拉格朗日松弛规划技术求解模型。最后，研究智能电网条件下输电检修管理的实施方案，包括智能电网技术突破研究、输电资产管理、输电检修计划管理、输电检修需求侧响应、输电检修技术保障以及输电检修组织保障等内容。

文献[7]利用图论的方法建立了适应配电网接线结构与终端设备分布特点的智能配电网结构模型。对Dijkstra最短路径算法做出了改进，通过仿真证明这种算法可实现无线传感器节点的合理部署，使智能配电网的无线传感器网络拓扑得到优化，网络的数据传输效率得到提高。为高性能智能配电网的无线传感器网络提出了一个智能配电网的基于实时性和可靠性的QoS路由机制。通过分析网络链路的失效模式，对网络节点和节点之间的链路的延时性、可靠性进行赋权，建立了基于信息可靠性最优并满足传输实时性的路由选择模型。通过算例分析和仿真实验，证实所提出的模型和算法能够综合地处理和提高智能配电网无线传感器网络传输的可靠性与实时性。提出将无线传感器网络定位算法应用于智能电网输电线路故障监测。通过分析无线传感器节点在输电线路上部署的特殊性，建立了无线传感器与输电线路关系的模型。在所提出的一种DV-Distance改进算法中，将锚节点之间的直线距离/折线距离比值以及锚节点之间的跳数引入误差计算中，从而降低了累积距离误差和定位误差。在所提出的三种基于DV-Hop定位算法的改进算法中，分别引入二级参考节点协助定位、最后一跳距离参与定位和最大一最小法。这些改进算法的有效性在同一仿真平台上进行测试、比较并得到验证。

4 总结

智能电网不仅能获得高安全、高可靠、高质量、高效率和价格合理的电力供应，提高国家的能源安全、改善环境、推动可持续发展，同时能够激励市场与创新，从而提高国家的国际经济竞争力.因而在我国需要实施智能电网发展战略。智能电网将把一个集中式的、生产者控制的电网，转变成大量分布式辅助较少集中式的和与更多的消费者互动的电网.其变迁的过程，必将改变行业的整个业务模型，且对所有利益相关者都有利.智能电网程序性的和技术性的挑战是巨大的。为推进智能电网，需要长期持续地的研发;需要出台旨在激励智能电网的法规，并通过开放式的方式建认国家标准和鼓励众多相关产业的积极参与。

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