智能电网综述性论

智能电网技术综述

摘要：日前全球资源环境压力的不断增大，随着电力市场化进程的不断加快以及用户对电力供出的越来越高的要求，国家安全、环保等各方面都对电网的建设和管理提出了更高的标准。智能电网是国际公认的解决21世纪能源问题的一个重大解决方案。电力与通讯是的双向化是智能电网的一大特色，灵活、清洁、安全、经济、友好等性能都是智能电网是未来电网的发展方向。欧美等发达国家纷纷投入大量的精力，力求在智能电网研究邻域有所斩获。而在中国，在政府及国家电网公司的政策引领推动下，智能电网研究正不断向着建设中国特色智能电网的目标稳步前进。

关键词：智能电网，能源问题，传统电网，智能电网技术

一、论文研究的背景及意义

坚强智能电网的发展在全世界还处于起步阶段，没有一个共同的精确定义，其技术大致可分为四个领域：高级智能电网智能电网量测体系、高级配电运行、高级输电运行和高级资产管理。高级量测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；高级配电运行核心是在线实时决策指挥，目标是灾变防治，实现大面积连锁故障的预防；高级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；高级资产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”状况的高级传感器，并把所收集到的实时信息与资源管理、模拟与仿真等过程集成，改进电网的运行和效率。智能电网是物联网的重要应用。

二、智能电网的内涵和特征

目前对于智能电网尚未有统一的定义，但一致认为智能电网是一个中长期的目标和愿景（vision）。

智能电网应以现代输配电网为物理基础，建立在集成和高速双向的通信网络平台上，综合应用先进的传感和测量、计算机、微电子、电力电子、控制以及智能决策等技术，利用电网实时全景信息，进行实时监控、灾变防护和用户互动，以实现可靠、安全、经济、优质、高效的电网运行和可持续发展。最终实现的智能电网应具有以下关键特征

（1）自愈的电网（包括对事故的预测与决策）。通过实时采集电力系统的动态信息，及时发现并快速诊断可能存在的隐患，预测故障及其可能引发的系统震荡和级联事件，进行风险评估并且采取预防和校正控制手段，如将大电网按照风险等级适当分区等；当故障发生后，迅速把电网中有问题的元件从系统中隔离出去，并自动进行必要的事故控制和恢复控制，保证用户供电的连续性，防止大面积停电的发生。

（2）互动的电网。与传统的“单向电网”相比，智能电网将实现需求侧响应功能，鼓励用户参与电力系统的运行和管理。电力供应方与用户间建立双向实时的通信系统，可实时通知用户其电力消费的成本、实时电价、电网目前的状况、计划停电信息以及其他一些服务的信息，从而用户也可以根据这些信息制定自己的电力使用的方案，有助于平衡供求关系，确保系统的可靠性。

（3）安全的电网。智能电网的安全策略包含应付威慑、实现预防、检测和反应，以尽量避免和减轻事故对电网和经济的影响。智能电网需要通过加强电力企业与政府之间的密切沟通，并且在电网规划中强调安全风险，加强电网运行安全和网络安全等手段，提高智能电网抵御风险的能力。

（4）优质的电网。新型的智能电网可提供满足不同用户需求的优质电能，并且能对电能质量进行分级和价格联动。

（5）高效的电网。通过高速通信网络实现对运行设备进行在线状态监测，获取设备的运行状态，提高单个资源的利用效率，整体优化调整电网资产的管理和运行，实现最低的运行维护成本及投资。

（6）市场化的电网。智能电网通过市场上供给和需求的互动，将形成更为紧密与高效的市场行为模式；通过有效的市场设计可以提高电力系统的规划、运行和可靠性管理水平，从而促进电力市场的自由买卖以及公平竞争。

（7）兼容的电网。智能电网打破了传统单一的远端集中式发电，而实现集中发电与分散发电的兼容。各种可再生能源分布式发电和储能系统以“即插即用”的形式接入，扩大了系统运行调节的可选资源范围，满足电网与自然环境的和谐发展。

（8）多元化的电网。以输配电网为物理实体，以集成、高速、双向的通信网络信息系统为平台的智能电网，将电力系统的监视、控制、维护、能量调度、配电管理、市场运营、企业资源计划等系统统一集合在智能电网大平台上，在此基础上实现各种业务的交互与集成。

三、智能电网与传统电网的区别

传统电网是一个刚性系统,电源的接入与退出、电能量的传输等都缺乏弹性,致使电网没有动态柔性及可组性;垂直的多级控制机制反应迟缓,无法构建实时、可配置、可重组的系统;系统自愈、自恢复能力完全依赖于实体冗余;对客户的服务简单、信息单向;系统内部存在多个信息孤岛，缺乏信息共享。虽然局部的自动化程度在不断提高,但由于信息的不完善和共享能力的薄弱,使得系统中多个自动化系统是割裂的、局部的、孤立的,不能构成一个实时的有机统一整体, 所以整个电网的智能化程度较低。

与传统电网相比,人们设想中的智能电网将进一步拓展对电网全景信息(指完整的、正确的、具有精确时间断面的、标准化的电力流信息和业务流信息等)

的获取能力,以坚强、可靠、通畅的实体电网架构和信息交互平台为基础,以服务生产全过程为需求,整合系统各种实时生产和运营信息,通过加强对电网业务流实时动态的分析、诊断和优化,为电网运行和管理人员提供更为全面、完整和精细的电网运营状态图,并给出相应的辅助决策支持,以及控制实施方案和应对预案,最大程度地实现更为精细、准确、及时、绩优的电网运行和管理。

与传统电网相比,智能电网将进一步优化各级电网控制,构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系架构,通过集中与分散相结合,灵活变换网络结构、智能重组系统架构、最佳配置系统效能、优化电网服务质量,实现与传统电网截然不同的电网构成理念和体系。由于智能电网可及时获取完整的电网信息,因此可极大地优化电网全寿命周期管理的技术体系,承载电网企业社会责任,确保电网实现最优技术经济比、最佳可持续发展、最大经济效益、最优环境保护,从而优化社会能源配置,提高能源综合投资及利用效益。

四、智能电网的框架结构

智能电网主要包括发电、输电、变电、配电、调度、用电等环节。其中发电涉及风电、光伏接入、分布式电源建设等技术领域，输电涉及互济、超导、特高压、网架等，配电涉及微网、虚拟电厂、先进电表网络设施、需求侧响应等，用电涉及智能用电、用电自动控制等。智能电网涉及面广，从不同角度分类也较为复杂，下文中将从应用与管理的角度将智能电网分成三层构架来概述智能电网。

4.1智能电网三层网络构架

智能电网是由多系统组成的，具有互操作性以及自愈能力的一种坚强的网络结构，各系统既相互独立又可以有机的综合。虽然每个系统完成前功能各不相同，但又都应具备有统一的特性，传递信息的传递流程，整个沟通系统可以被详细的划分为三层结构，结构如下图所示:

4.2数据层数据采集与汇总

数据层是整个网络的基础，各类信息都应由一层设备产生。数据层除了提供各类设备信息外，还包含进行信息采集时所使用的通信技术与通信通道以及与信息有关的扩展功能。数据层的结构划分如下：

数据层结构

数据采集层的基础是采集设备类信息，为所有系统提供数据来源。这一层的设备涵盖了智能电网输、派、变、用等各方面，包括前置机，采集终端，路出终端，传感器和各类通过其他信息通道上报的数据。除采集能源使用信息外，还包括各种网络状态信息，电能质量信息等，尽可能多的反应电网使用状态。

设备的多样性是为了提供尽可能多的数据来源，而通信的多样性则为数据的传递通道提供了更多的选择。除RS485，PLC电力线载波等常用通信方式外，随着网络技术的发展GPRS，Ethernet等利用公共网络进行数据通信的方式已经成为广大用户日渐青睐的选择。针对大数据量、高传输要求的系统，可以利用光纤进行远距离高速传输，而如果是小范围内的使用，例如组件家庭网络时，RF为大家提供了不错的选择。除此之外利用公用电话网络PSTN可进行模拟信号的传输。

特别注意的是，在网络设计时应更注重功能的扩展和网络的控制能力。，具体来说所有的设备都应具备双向通信能力，系统要能够实现对设备的远程控制和自动识别。当一个设备初次安装到网络上时，系统能移自动路由分配地址到设备内部，设备能够做到即插即用，最大程度的降低系统的人为参与，真正实现智能控告。整个通信过程能移从机器发起并由机器解决后将结果下发到发起方，实现系统的M2M (Machine to Machine)通信。

4.3信息层数据传递与表达

信息层是整个网络的中坚力量去，在这一层所有的数据将被打包分类，通过其

相应的通信通道上送到应用管理层对数据进行分析与处理。整个信息层的构成如图所示：

打包分类后的数据主要包括四个方面。

(1) 输配变电网络信息这一部分的信息主要关注的是电网状态，通过对它们的分析使得电网能够有效的运行。这其中又可以详细的分为：网络状态监测类信息，一旦发生断路或是相关故障，网络能够及时反应，进行相应的保护；电能质量类信息通过对这类信息的分析可以有效的了解当前网络相关的谐波干扰，线损等相关电能质量数据；控制类信息由应用管理层下发的电网控制类信息，控制网络的切换，能够进行远动与远控，提到网络的智能管理。这部分信息从采集到传递都建立在IEC61850系列协议的基础上。随着技术的不断发展，标准也在不断地更新，在2009年重新修订了分布式能源在配变电自动化系统中的通信模型。

(2) 客户类信息这类信息关注的是用电侧的电能使用状态和服务类信息与客户的使用状态息息相关，这其中主要包含两大类:营销类信息指的是与电能计价相关的各类信息，主要包括电能的结算，支付类信息；以及电能在客户侧使用时的电能质量与实时量的信息反馈。

(3)GIS地理信息地理信息系统主要反映的是当前状态下各类具有通信能力的设备的地理分布状态。一般来说这部分信息相对稳定一旦设备安装成功，地理位置便相对固定下来。地理信息的加入可以更好的帮助系统了解当前网络的分布状态。

信息层结构

(4) 扩展类信息(不局限于电能)随着智能电网的发展，整个网络的覆盖范围应不仅局限于电能的使用，电、水、气、热等各项能源使用状态都应能够通过

智能电网进行通信。信息层的数据传递将包含所有能源的使用状态。除此之外，在这类信息中更关键的是需求响应类信息。需求响应将直接影响到市场的价格和需求状态，整个响应过程是能源使用避峰填谷的过程，可以更有效的实现能源的节约