智能电网全方位介绍

智能电网

目录

1 智能电网的概念和特点 (1)

1.1 概念 (1)

1.2 特点 (1)

2 智能电网的结构与特征 (2)

2.1 智能电网结构 (2)

2.2 智能电网特征 (2)

3 智能电网系统组成 (4)

3.1 发电系统 (4)

3.2 输电系统 (6)

3.3 配电系统 (8)

3.4 用电系统 (9)

4 智能电网的关键技术 (13)

4.1 通信技术 (13)

4.2 量测技术 (14)

4.3 设备技术 (15)

4.4 控制技术 (15)

4.5 支持技术 (17)

5 重视领域 (19)

5.1 智能规划 (19)

5.2 智能操作 (19)

5.3 智能管理 (19)

6 总结 (20)

1智能电网的概念和特点

1.1概念

智能电网是指一个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都得到实时监控，并保证从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。智能电网通过广泛的应用分布式智能和宽带通信，以及自动控制系统的集成，保证市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动。

美国电力科学研究院对智能电网的定义为：利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行全面的实时监控，然后把获得的数据通过网络系统进行收集、整合，最后通过对数据的分析、挖掘，实现对整个电力系统运行的优化管理。

1.2特点

1．安全：更好地对人为或自然发生的扰动作出辨识与反应。在遭遇自然灾害、人为破坏等不同情况下保证人身、设备和电网的安全。

2．经济：支持电力市场竞争的要求，优化资源配置；提高设备传输容量和利用率，有效控制成本，实现电网经济运行。

3．清洁：既能适应大电源的集中接入，也能对分布式发电方式友好接入，做到“即插即用”。支持风电、太阳能等可再生能源的大规模应用。4．优质：实现与客户的智能互动，以友好的方式、最佳的电能质量和供电可靠性满足客户的需求，向客户提供优质服务。

2智能电网的结构与特征

2.1智能电网结构

从广义上来说，智能电网包括可以优先使用清洁能源的智能调度系统、可以动态定价的智能计量系统以及通过调整发电、用电设备功率优化负荷平衡的智能技术系统。未来智能电网的基本结构，电能不仅从集中式发电厂流向输电网、配电网直至用户，同时电网中还遍布各种形式的新能源和清洁能源：太阳能、风能、燃料电池、电动汽车等等；此外，高速、双向的通信系统实现了控制中心与电网设备之间的信息交互，高级的分析工具和决策体系保证了智能电网的安全、稳定和优化运行。

图2.1中国特色智能电网总体示意图

2.2智能电网特征

智能电网包括八个方面的主要特征，这些特征从功能上描述了电网的特性，而不是最终应用的具体技术，它们形成了智能电网完整的景象。

智能电网是自愈电网：“自愈”指的是把电网中有问题的元件从系统中隔离出来并且在很少或不用人为干预的情况下可以使系统迅速恢复到正常运行状态，从而几乎不中断对用户的供电服务。

智能电网激励和包括用户：在智能电网中，用户将是电力系统不可分割的一部分。鼓励和促进用户参与电力系统的运行和管理是智能电网的另一重要特征。

智能电网将抵御攻击：智能电网的设计和运行都将阻止攻击，最大限度地降低其后果和快速恢复供电服务。智能电网也能同时承受对电力系统的几个部分的攻击和在一段时间内多重协调的攻击。

智能电网提供满足21世纪用户需求的电能质量：智能电网将以不同的价格水平提供不同等级的电能质量，以满足用户对不同电能质量水平的需求，同时要将优质优价写入电力服务的合同中。

智能电网将减轻来自输电和配电系统中的电能质量事件：通过其先进的控制方法监测电网的基本元件，从而快速诊断并准确地提出解决任何电能质量事件的方案。

智能电网将容许各种不同类型发电和储能系统的接入：从小到大各种不同容量的发电和储能在所有的电压等级上都可以互联，包括分布式电源如光伏发电、风电、先进的电池系统、即插式混合动力汽车和燃料电池。

智能电网将使电力市场蓬勃发展：智能电网通过市场上供给和需求的互动，可以最有效地管理如能源、容量、容量变化率、潮流阻塞等参量，降低潮流阻塞，扩大市场，汇集更多的买家和卖家。

智能电网优化其资产应用，使运行更加高效：智能电网将应用最新技术以优化其资产的应用。

3智能电网系统组成

3.1发电系统

光伏发电

光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和铜铟镓硒薄膜电池等。

一、太阳能光伏发电系统的设计原理

图3.1独立发电系统

独立发电系统由太阳能电池组件方阵、蓄电池组、控制器组成，可为直流负载供电。如负载为交流型的，发电系统还包括逆变器。

图3.2并网发电系统

网发电系统由太阳能电池组件方阵、并网逆变器及连接器组成，可发电并把电能送上电网。并网发电系统还可以为负载供电。

二、系统各部分功能

（一）太阳能电池组件方针：由若干太阳能电池组件串联或并联而成，主要功能为利用太阳能进行发电。

（二）蓄电池组：一般采用免维护铅酸蓄电池作为储能装置，用来储蓄太阳能光伏组件发出的电能。

（三）控制器：用来充、放电和其他方面的自动控制。

（四）逆变器：是将直流和交流相互转换的设备。

三、光伏系统监控

光伏系统数据检测、远传是采用太阳能专用工控机、环境监测仪、数据采集器和显示装置及与其配套的太阳能专用监控软件来检测、远传太阳辐射量、温度、光伏组件直流输入电压、电流、逆变器输入/输出电压及电流及输出计量等。由于采集参数的多样性和分散性，系统可分布式数据采集的结构模式。所谓分布式数据采集，就是利用电量隔离变送器、温度传

感器、太阳辐射测量仪等设备就近分散采集现场数据，通过智能数据采集模块的串行数据总线技术将采集到的数据传送至监测计算机进行集中的

数据统计和处理。智能数据采集模块中设有独立的中央处理模块，可以在现场对采集的信号进行数字滤波和简单的数据处理，然后通过数据总线将处理后的数据传送至监测计算机，监测计算机负责将各个现场的数据进行汇总和处理。

图3.3光伏系统监控示意图

3.2输电系统

智能柔性交流输电系统

智能电网中的智能柔性交流输电系统( f le xible AC tra nsmissio n system, FACTS) 面临装置平台相关性强和装置间差异性很大的问题, 为此, 建立智能FACTS 装置的分层参考模型, 如功率层、驱动层、实时层和应用层, 通过层与层间的电气隔离和应用隔离, 使具体的智能FACTS 装置

功能抽象成为软、硬件相结合的服务元并具有标准定义的服务; 把智能FACTS 中众多服务元进行组织, 建立面向服务的智能FACTS 构架, 即具有统一服务接口的非层次结构, 并定义响应服务时服务元与服务接口间、服务元与服务元间关系, 大大提高整个系统对服务进行组织、管理和调用的效率。

面向服务的智能FACTS 构架

智能电网中的智能FACTS 不再是众多实体FACTS 装置, 而是一个虚拟的服务元集合。此时系统中还需要一个服务接口, 用于连接上层调度控制系统和FACTS 装置应用层。面向服务的智能FACTS 构架结构如图3.4 所示。

图3.4面向服务的智能FACTS构架结构

图3.4中, 指向服务接口的实线箭头表示把智能FACTS 中所有服务元的服务状态( 包括提供服务种类、服务是否可用等) 注册到服务接口。上层调度控制系统可以通过服务接口查询服务元的服务状态, 合理选择、组合一个或多个服务元提供服务。指向服务元的实线箭头表示服务请求由上层调度控制系统发出, 服务接口程序接收到服务请求后, 将相应的系统调用命令转发至相应的服务元。

服务元间的虚线箭头表示在上层调度控制系统授权允许的情况下, 服务元间可以进行协作请求, 如果此时被请求服务元能够提供协作服务,则

可以返回一个允许的协作响应, 反之则为一个拒绝的协作响应。设立服务元间的协作关系, 可以优化智能FACTS 装置的服务, 在非正常运行时进行紧急协调控制。对于一些混合FACTS 装置, 可以将其划分为多个服务元, 服务元间的协调控制通过服务元间的协作关系实现, 这种实现方式如4.5所示。

图3.5智能FACTS 中的服务元

在图3.5中, 流经服务元的信息流要求其对电力流进行控制和协作请求, 也包括对服务状态进行反馈和协作响应。在这一系统中, 构成最小单位的服务元具有层次结构, 是服务的载体, 通过面向服务的体系结构进行组织、管理和调用。基于服务元和面向服务体系结构的智能FACTS 构架, 具有服务执行效率高、可靠性高的优点。

3.3配电系统

智能配电网（Smart Distribution Automation）是智能电网(Smart Grid) 中配电网部分的内容。

功能特征

与传统的配电网相比,SDG具有以下功能特征。

1) 自愈能力；2) 具有更高的安全性；3) 提供更高的电能质量；4) 支

持DER 的大量接入；5) 支持与用户互动；6) 对配电网及其设备进行可视化管理；7) 更高的资产利用率；8) 配电管理与用电管理的信息化。

智能配电网的主要技术内容：

1) 配电数据通信网络；2) 先进的传感测量技术,如光学或电子互感器、架空线路与电缆温度测量、电力设备状态在线监测、电能质量测量等技术；3) 先进的保护控制技术,包括广域保护、自适应保护、配电系统快速模拟仿真、网络重构等技术；4) 高级配电自动化；5) 高级量测体系( Advanced MeteringArchitecture ,AMA)是一个使用智能电表通过多种通信介质,按需或以设定的方式测量、收集并分析用户用电数据的系统；6) DER 并网技术,包括DER 在配电网的“即插即用”以及微网(Micro Grid)两部分技术内容；7) DFACTS是柔性交流输电(FACTS)技术在配电网的延伸,包括电能质量与动态潮流控制两部分内容；8) 故障电流限制技术,指利用电力电子、高温超导技术限制短路电流的技术。

3.4用电系统

智能用电系统由组成1.系统主站；2.远程信道；3.智能电表；4.本地信道；5.互动终端；6.智能开关组成。

图3.6智能用电系统组成

主站系统包括：用电信息采集子系统；营销服务支持子系统；电力负

荷预测子系统；电价策略制定、发布子系统组成。

电力企业通过对用户用电信息的全面自动采集、实时监视，及时掌握用户用电信息，全面提升市场分析能力；大量用户用电信息的采集和存储，为营销服务支持子系统和负荷预测子系统的正常运行提供了数据基础。为客户提供服务个性化、方式多样化、分析智能化以及高度集成化的全方位服务功能，包括节能分析、用能咨询、委托管理等；对企业采用流程驱动模式，实现营销业务办理自动化，主要包括业扩报装、抄表管理、电量电费、收费帐务、银电联网、电能计量、线损管理、购电管理、用电稽查、用电检查、需求侧管理。利用营销服务支持子系统存储的大量用户用电信息，采用数据仓库、智能挖掘、联机分析等技术,以多维分析方式，精确地预测负荷，为企业制定有针对性的电价策略服务。利用负荷预测子系统对负荷预测的结果，综合发电信息、输送能力等相关信息，制定出具有针对性的日电价策略，并发布到所有电力用户，同时具有定期发布结算电量、电费和电量、电费清单等功能。

远程信道

配用电侧通信手段的匮乏，是制约智能用电建设的主要瓶颈。要实现智能用电，必须解决配用电侧通信信道问题。

考虑到各地经济发展水平的差异，智能用电的远程信道需要灵活配置。对于在运行的线路，电力企业应综合考虑经济、技术、发展等因素，结合现阶段可采用的技术综合评估后，加快建设，现阶段可采用的技术主要有：光纤、无线电台、电力线载波、公用信道等；对新建的配网线路电力企业可以考虑采用OPPC 技术在建设配电线路的同时，同步建设远程信道；电力企业还应对可用于远程信道建设的新技术加大科研的力度。

智能电表

智能电表的功能设计必须考虑中国的国情，以及目前用电侧的通信信

道的实际状况，智能电表的设计应遵循下面三个原则：考虑分布式能源的接入；考虑通信信道的实际承受能力；考虑用户互动的便捷。

智能用电系统组成及功能：计量功能；费率和时段功能；控制功能 预付费功能；数据存储功能；事件记录功能；用户加密功能。

本地信道

及时将用户关心的信息（具体内容见互动终端）传递给用户。目前可采用的本地信道主要有：小无线和电力线载波。小无线可采用Zigbee技术。

互动终端

互动终端通过本地信道与智能电表通信，实时接收用户关心的信息,

并通过显示屏告知用户，接收的信息有：用户目前执行的日时段划分策略；用户目前执行的具体电价；实时的电压/电流/；用户目前的碳排放量；用户目前剩余的电费（对预付费用户）；用户定制的增值信息等。智能用电系统组成及功能除了上述功能外，互动终端还应该是用户用电范围内的所有电器的综合控制中心。互动终端具有键盘，方便用户通过编程设定家用电器参入营销互动的价格策略。互动终端在此基础上，还可通过本地信道按照用户设定的编程方案，自动控制智能家电。在现阶段，互动终端可以通过本地信道采用控制智能开关的方式实现智能用电。

智能开关

在现阶段，智能开关可以通过本地信道接收互动终端的指令方式实现普通家电的智能用电。智能用电系统组成及功能从发展的角度看，未来的智能开关不仅仅是普通开关与本地信道的融合，还应该与各种传感器融合，智能开关本身就可以实现用电与控制的优化并能为电力企业对各种用电设备的用能状况提供更多的基础数据。

图3.7智能用电系统信息流程图

4智能电网的关键技术

4.1通信技术

建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统，任何智能电网的特征都无法实现，因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持，因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统要和电网一样深入到千家万户，这样就形成了两张紧密联系的网络—电网和通信网络，只有这样才能实现智能电网的目标和主要特征。下图显示了电网和通信网络的关系。高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为一个动态的、实时信息和电力交换互动的大型的基础设施。当这样的通信系统建成后，它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率，繁荣电力市场，抵御电网受到的攻击，从而提高电网价值。

高速双向通信系统的建成，智能电网通过连续不断地自我监测和校正，应用先进的信息技术，实现其最重要的特征—自愈特征。它还可以监测各种扰动，进行补偿，重新分配潮流，避免事故的扩大。高速双向通信系统使得各种不同的智能电子设备（IEDs）、智能表计、控制中心、电力电子控制器、保护系统以及用户进行网络化的通信，提高对电网的驾驭能力和优质服务的水平。

在这一技术领域主要有两个方面的技术需要重点关注，其一就是开放的通信架构，它形成一个“即插即用”的环境，使电网元件之间能够进行网络化的通信；其二是统一的技术标准，它能使所有的传感器、智能电子设备（IEDs）以及应用系统之间实现无缝的通信，也就是信息在所有这些设备和系统之间能够得到完全的理解，实现设备和设备之间、设备和系统之间、系统和系统之间的互操作功能。这就需要电力公司、设备制造企业

以及标准制定机构进行通力的合作，才能实现通信系统的互联互通。

4.2量测技术

参数量测技术是智能电网基本的组成部件，先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性，进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。

未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统，取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计将有更多的功能，除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外，还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并通知用户实施什么样的费率政策。更高级的功能有用户自行根据费率政策，编制时间表，自动控制用户内部电力使用的策略。

对于电力公司来说，参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，包括功率因数、电能质量、相位关系（W AMS）、设备健康状况和能力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电能消费和预测等数据。新的软件系统将收集、储存、分析和处理这些数据，为电力公司的其他业务所用。

未来的数字保护将嵌入计算机代理程序，极大地提高可靠性。计算机代理程序是一个自治和交互的自适应的软件模块。广域监测系统、保护和控制方案将集成数字保护、先进的通信技术以及计算机代理程序。在这样一个集成的分布式的保护系统中，保护元件能够自适应地相互通信，这样的灵活性和自适应能力极大地提高可靠性，因为即使部分系统出现了故障，其他的带有计算机代理程序的保护元件仍然能够保护系统。

4.3设备技术

智能电网要广泛应用先进的设备技术，极大地提高输配电系统的性能。未来的智能电网中的设备将充分应用在材料、超导、储能、电力电子和微电子技术方面的最新研究成果，从而提高功率密度、供电可靠性和电能质量以及电力生产的效率。

未来智能电网将主要应用三个方面的先进技术：电力电子技术、超导技术以及大容量储能技术。通过采用新技术和在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点来提高电能质量。通过应用和改造各种各样的先进设备，如基于电力电子技术和新型导体技术的设备，来提高电网输送容量和可靠性。配电系统中要引进许多新的储能设备和电源，同时要利用新的网络结构，如微电网。

经济的FACTS装置将利用比现有半导体器件更能控制的低成本的电力半导体器件，使得这些先进的设备可以广泛的推广应用。分布式发电将被广泛地应用，多台机组间通过通信系统连接起来形成一个可调度的虚拟电厂。超导技术将用于短路电流限制器、储能、低损耗的旋转设备以及低损耗电缆中。先进的计量和通信技术将使得需求响应的应用成为可能。

新型的储能技术将被应用为分布式能源或大型的集中式电厂。大型发电厂和分布式电源都有其不同的特性，它们必须协调有机的结合，以优化成本，提高效率和可靠性，减少环境影响。

4.4控制技术

先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这些技术将提供对输电、配电和用户侧的控制方法并且可以管理整个电网的有功和无功。从某种程度上说，先进控制技术紧密依靠并服务于其他四

个关键技术领域，如先进控制技术监测基本的元件（参数量测技术），提供及时和适当的响应（集成通信技术；先进设备技术）并且对任何事件进行快速的诊断（先进决策技术）。另外，先进控制技术支持市场报价技术以及提高资产的管理水平。

未来先进控制技术的分析和诊断功能将引进预设的专家系统，在专家系统允许的范围内，采取自动的控制行动。这样所执行的行动将在秒一级水平上，这一自愈电网的特性将极大地提高电网的可靠性。当然先进控制技术需要一个集成的高速通信系统以及对应的通信标准，以处理大量的数据。先进控制技术将支持分布式智能代理软件、分析工具以及其它应用软件。

（1）收集数据和监测电网元件

先进控制技术将使用智能传感器、智能电子设备以及其他分析工具测量的系统和用户参数以及电网元件的状态情况，对整个系统的状态进行评估，这些数据都是准实时数据，对掌握电网整体的运行状况具有重要的意义，同时还要利用向量测量单元以及全球卫星定位系统的时间信号，来实现电网早期的预警。

（2）分析数据

准实时数据以及强大的计算机处理能力为软件分析工具提供了快速扩展和进步的能力。状态估计和应急分析将在秒级而不是分钟级水平上完成分析，这给先进控制技术和系统运行人员足够的时间来响应紧急问题；专家系统将数据转化成信息用于快速决策；负荷预测将应用这些准实时数据以及改进的天气预报技术来准确预测负荷；概率风险分析将成为例行工作，确定电网在设备检修期间、系统压力较大期间以及不希望的供电中断时的风险的水平；电网建模和仿真使运行人员认识准确的电网可能的场景。

（3）诊断和解决问题

由高速计算机处理的准实时数据使得专家诊断来确定现有的、正在发展的和潜在的问题的解决方案，并提交给系统运行人员进行判断。

（4）执行自动控制的行动

智能电网通过实时通信系统和高级分析技术的结合使得执行问题检

测和响应的自动控制行动称为可能，它还可以降低已经存在问题的扩展，防止紧急问题的发生，修改系统设置、状态和潮流以防止预测问题的发生。

（5）为运行人员提供信息和选择

先进控制技术不仅给控制装置提供动作信号，而且也为运行人员提供信息。控制系统收集的大量数据不仅对自身有用，而且对系统运行人员也有很大的应用价值，而且这些数据辅助运行人员进行决策。

4.5支持技术

决策支持技术将复杂的电力系统数据转化为系统运行人员一目了然

的可理解的信息，因此动画技术、动态着色技术、虚拟现实技术以及其他数据展示技术用来帮助系统运行人员认识、分析和处理紧急问题。

在许多情况下，系统运行人员做出决策的时间从小时缩短到分钟，甚至到秒，这样智能电网需要一个广阔的、无缝的、实时的应用系统、工具和培训，以使电网运行人员和管理者能够快速的做出决策。

（1）可视化—决策支持技术利用大量的数据并将其裁剪成格式化的、时间段和按技术分类的最关键的数据给电网运行人员，可视化技术将这些数据展示为运行人员可以迅速掌握的可视的格式，以便运行人员分析和决策。

（2）决策支持—决策支持技术确定了现有的、正在发展的以及预测的问题，提供决策支持的分析，并展示系统运行人员需要的各种情况、多种的选择以及每一种选择成功和失败的可能性。

（3）调度员培训—利用决策支持技术工具以及行业内认证的软件的动态仿真器将显著的提高系统调度员的技能和水平。

（4）用户决策—需求响应（DR）系统以很容易理解的方式为用户提供信息，使他们能够决定如何以及何时购买、储存或生产电力。

（5）提高运行效率—当决策支持技术与现有的资产管理过程集成后，管理者和用户就能够提高电网运行、维修和规划的效率和有效性。