智能电网与微电网

智能电网与微电网

第一节概述

能源是现代社会和经济发展的动力，是人类生命存在和繁衍的生命线。传统化石能源的逐步耗竭，使能源危机已逐步逼近。中国21世纪的能源工业将是能源资源利用与环境保护可持续发展的改造型新工业，因此，合理调整能源结构，大力开发可再生能源和其它新能源，走多元化洁净能源发展道路，是我国社会可持续发展的必由之路。

当前，节能减排、绿色能源、发展低碳经济、可持续发展成为各国关注的焦点。人类能源发展面临的第一挑战，是以可再生能源逐步替代化石能源，建造能源使用的创新体系。就如，目前我国约有三分之一的风电机组，由于本地负荷不足和外送通道受限等原因，处于停运状态，造成极大的资源浪费。智能电网，基于先进的信息技术和通信技术，彻底改造现有的能源利用体系，最大限度地开发电网体系的能源效率。

智能电网是电力系统向更灵活、清洁、安全及经济方向发展的电网。其以包括发电、输电、配电和用电各环节的电力系统为对象，通过不断研究新型的电网控制技术，并将其有机结合，实现从发电到用电所有环节信息的智能交流，系统地优化电力生产、输送和使用。对于电力系统而言，智能电网是通过将电力系统与先进的通信和计算机技术相结合而得到的智能网络，能够在系统发生故障和失去控制之前进行预测和自愈，具有更高的灵活性；而对于用户而言，智能电网提供的电力具有更高的可靠性和安全性能，能源消耗降低，智能电网能以较低成本提供更优质的服务。

在智能电网的发展过程中，配电网需要从被动式的网络向主动式的网络转变，这种网络利于分布式发电的参与，能更有效地连接发电侧和用户侧，使得双方都能实时地参与电力系统的优化运行。微电网是一种新型的网络结构，是实现主动式配电网的一种有效的方式。开发和延伸微电网能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，使传统电网向智能网络的过渡。

微电网是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元，可实现对负荷多种能源形式的高可靠供给。微电网中的电源多为容量较小的分布式电源，即含有电力电子接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组以及超级电容、飞轮及蓄电池等储能装置，它们接在用户侧，具有成本低、电压低及污染低等特点。微电网是大电网的有利补充，通过发展微电网可以经济有效地解决偏远地区的供电，避免单一供电模式造成的地区电网薄弱和大面积停电事故，提高供电系统的安全性、灵活性和可靠性；可以延缓电网投资，有效减少电能的远距离传输、多级变送的损耗，有利于建设节约型社会；可以实现节能减排；可以促进电力市场发展，实现市场利益主体多元化；可以提高供电可靠性和电能质量，实现为不同要求的电力用户提供不同的电能质量，即：定制电力，有利于提高供电企业的服务水平。

第二节国内外研究动态

欧美各国对智能电网的研究开展较早，且已经形成强大的研究群体。由于各国的具体情况不同，其智能电网的建设动因和关注点也存在差异。美国主要关注电力网络基础架构的升级更新，同时最大限度地利用信息技术，实现系统智能对人工的替代。欧洲则重点关注可再生能源和分布式能源的发展，并带动整个行业发展模式的转变。

一、美国的研究及实践

2006年，美国IBM公司与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。电力公司可以通过使用传感器、计量表、数字控件和分析工具，自动监控电网，优化电网性能、防止断电、更快地恢复供电，消费者对电力使用的管理也可细化到每个联网的装置。

2009年2月，IBM与地中海岛国马耳他签署协议，双方将建立一个“智能公用系统”，以实现该国电网和供水系统的数字化，其中包括在电网中建立一个传感器网络。2008年9月，谷歌与通用电气对外宣布共同开发清洁能源业务，核心是为美国打造国家智能电网，同时强调，21 世纪的电力系统必须结合先进的能源和信息技术，而这正是通用电气和谷歌的优势领域。

2009年2月10日，谷歌表示已开始测试名为谷歌电表(PowerMeter)的用电监测软件。该公司还向美国议会进言，要求在建设智能电网时采用非垄断性标准。

2009年1月25日，美国白宫最新发布的《复苏计划尺度报告》宣布：将铺设或更新3 000英里输电线路，并为4 000万美国家庭安装智能电表。美国还将集中对落后的电网系统进行升级换代，建立美国横跨四个时区的统一电网，逐步实现太阳能、风能、地热能的统一入网管理。

美国能源部西北太平洋国家实验室正在协助建立电网智能化联盟并进行实地示范，如近期完成的高级需求响应网络太平洋西北电网智能化试验台。在该项目中，通过英维思控制器(Invensys Controls)将家庭网关设备连接到装有IBM 软件的新型高级仪表和可编程恒温器上，将112个家庭与实时电力价格信息联系起来。最终结果表明，参与者节约了约10%的能源费用，并且需求响应良好。

二、欧洲的研究及实践

欧盟第6次框架计划(FP5) (1998—2002)中的“欧洲电网中的可再生能源和分布式发电整合”专题下包含50多个项目，分为分布式发电、输电、储能、高温超导体和其他整合项目5大类，其中多数项目于2001年开始实施并达到了预期目的，被认为是发展互动电网第一代构成元件和新结构的起点。其中主要项目有Dispower和 Microgrids。

欧盟第6次框架计划(FP6) (2002—2006)，强调高效运行控制器，基于新型通信技术的控制策略，即插即用技术对大电网的影响、社会效益和经济效益等欧盟第7次框架计划（EP6）（2007—2013），强调再生发电技术、燃料电池和智能电网2006 年欧盟理事会的能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》明确强调，智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。目前英、法、意等都在加快推动智能电网的应用和变革，意大利的有关电网2001年已经率先实现了智能化。

三、日本的研究与实践

目前，日本在微电网示范工程的建设方面处于世界领先地位。日本政府十分

希望可再生能源(如风能和光伏发电)能够在本国的能源结构中发挥越来越大的作用，但是这些可再生能源的功率波动性降低了电能质量和供电的可靠性。微电网能够通过控制原动机平衡负载的波动和可再生能源的输出来达到电网的能量平衡，例如配备有储能设备的微电网能够补偿可再生能源断续的能量供应。因此从大电网的角度看，该微电网相当于一个恒定的负荷。这些理念促进了微电网在日本的发展。

四、国内研究现状

华东电网公司于2007年在国内率先开展了智能电网可行性研究，并设计了2008—2030 年“三步走”的行动计划，在2008年全面启动了以高级调度中心项目群为突破的第一阶段工作，以整合提升调度系统、建设数字化变电站、完善电网规划体系、建设企业统一信息平台为4条主线，力争到2010 年全面建成华东电网高级调度中心，使电网安全控制水平、经营管理水平得到全面提升。

2009年2月28日，作为华北公司智能化电网建设的一部分——华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组验收。这套系统将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成，调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换，便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。此外，该系统通过搭建并网电厂管理考核和辅助服务市场品质分析平台，能有效提升调度部门对并网电厂管理的标准化和流程化水平。

在输电网建设方面，2006年底交流特高压示范工程奠基，2008年8月正式建成投运。我国电网优化配置资源的能力明显增强。在控制系统新技术方面，由中国电力科学研究院等单位承担、周孝信院士担任首席科学家的国家973 计划项目“提高大型互联电网运行可靠性的基础研究”研究人员开展了基于智能和专家系统的电力系统故障诊断和恢复控制技术研究，为智能型的电力系统动态调度与控制提供了基本的分析工具，开发成功电网在线运行可靠性评估、预警和决策支持系统平台，为新的智能化电网运行控制开发提供了系统的研发平台。

国家电网公司推行了SG186一体化平台建设，山东、浙江、江苏、上海等各省(市)电力公司都积极推动用电信息采集系统、营销业务系统信息化建设等项目，并取得了突出成果。在可再生能源发电方面，国家也启动了多项863高技术研究发展计划项目，在“十一五”期间，在三大先进能源技术领域设立重大项目和重点项目，包括：以煤气化为基础的多联产示范工程，MW级并网光伏电站系统，太阳能热发电技术及系统示范等项目。

电力是山西主导产业。“十一五”以来，山西电网累计完成投资300多亿元，初步形成纵贯山西南北三回500千伏骨干电网和中南部双环网，500千伏变电容量和线路长度分别翻了两番和一番。特别是起点在山西长治的全国首个1000千伏特高压交流输电示范工程的投运，更加凸显了山西电网在全国电力市场中优化配置的作用与地位提升了山西资源优势为经济优势的转化力和电力产业对全省国民经济的贡献力。

结合山西当前电源形式以火电为主的实际情况，今后山西应通过建设智能电网大量接入风电、水电、煤层气电等清洁能源。智能电网建设对提高电力安全可靠输送，增强高危用户供电可靠性、满足电力用户多样化需求，适应大规模清洁能源接入，提高能源综合利用效率，促进节能减排降耗，减少温室气体及污染物排放，推动电动汽车、风力发电机制造产业发展，提升山西传统产业循环经济普及率等具有重要作用。

第三节发展目标

一、智能电网的内涵

智能电网的定义，即：坚强智能电网以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”是高度一体化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。

内涵包括：

1、坚强可靠的实体电网架构是中国坚强智能电网发展的物理基础；

2、经济高效是对中国坚强智能电网发展的基本要求；

3、清洁环保是经济社会对中国坚强智能电网的基本诉求；

4、透明开放是中国坚强智能电网的发展理念；

5、友好互动是中国坚强智能电网的主要运行特征。

二、发展目标

智能电网是坚强可靠、高效、环保的电网。智能电网要达到这一目标需要先进的技术支持。在未来五年内，中国处于坚强智能电网的全面建设阶段，要实现关键技术和装备的重大突破和广泛应用。

1、发输配用各个环节中应用的技术，包括可再生能源发电技术、超导输电技术、特高压输电技术、高效变压器、紧凑型线路、智能电器等。

2、二次侧新技术，包括先进的测量技术、通信技术、AMI等。

3、控制中心的电网运行控制与管理技术，包括先进的信息处理技术、先进控制理论、新型管理技术等。

第四节相关技术

一、先进的发电和储能技术

风电、太阳能发电等不可控能源的接入给电力系统带来了很多的影响，作为应对不可控发电的重要手段之一，储能技术是智能电网的重要技术支持。

1、风力发电

风能具有清洁无污染、可再生等优点，但具有不稳定性和分布不均衡的特点。随着风电装机容量的增加，必须考虑风对电网的影响。要加大风电并网技术的研究、风电低电压穿越技术的研究及无功功率控制问题的研究，制定风电机组的电网故障运行能力的强制性标准，以减小风电机组对电网的影响。

2、太阳能光伏发电

太阳能具有能量密度小，利用成本较高，受气象条件影响大，在夜间无法使用的特点。当前对光伏阵列多采用最大功率跟踪技术以提高太阳能转化效率，随着技术的发展，需要继续研究提高转化效率的方法。目前光伏电站规模的不断扩大，其对电网的影响日益凸显，需要重点研究光伏系统的控制和稳定性问题以及对电力系统的影响。

3、清洁煤技术

在今后一段时间内我国火力发电，在我国发电量构成中，仍将占很大比重。为此，为达到智能电网要求，必须积极采用先进技术，采用大容量、高参数、高效节能发电机组，加大对老机组的技术改造力度，提高机组效率，同时要对发电

过程中产生的烟尘、二氧化硫、工业废水进行有效处理。此外多投建利用煤矸石等发电的机组，提高煤炭综合利用率。

4、其它新能源发电技术

1）燃料电池

燃料电池具有能量转换效率高、功率密度高、响应速度快、启动时间短、清洁、无污染、噪声低等优点，既可用于集中供电也可用于分散供电。为此，我省要大力加强燃料电池研究，其中包括基本理论，燃料电池机构、材料应用及关键部件设计与生产方面的研究。

2）生物质能发电

生物质能具有可再生、低污染和二氧化碳零排放等特点；与其它可再生能源相比，具有资源丰富、分布面广、用途广泛及可控等特点。需要重点加强生物质发电技术的研究，特别是其作为一种可控能源，对提高电力系统稳定性影响方面的研究。

5、储能技术

储能技术是电力系统中很多技术问题的瓶颈。要发展智能电网，不能忽视储能技术重要性。重点对储能关键技术的研究，如微型压缩空气储能系统、超导储能技术、超级电容器等。

二、能够降低损耗的输配电技术

1、特高压输电技术

研究特高压输电技术目的是提高输电能力，实现大功率的中、远距离输电，以实现远距离的电力系统互联，建成联合电力系统。特高压输电技术包括设备研制、线路绝缘设计以及运行控制等技术。研究线路过电压、潜供电流等因素对系统运行可靠性和稳定性等的影响。

2、高温超导输电技术

超导特性是指部分导体在某一特定温度下电阻为零的特性。最近几年，交流高温超导电缆经完善的实验室测试后已经逐步走向并网运行阶段。要加大对高温超导的研究，研究高温超导在智能电网中的应用，主要包括其在远距离、大容量输电、为大城市和特殊场合供电、变电站内的大电流传输母线、电网间能源交换等方面应用的研究。

三、电力电子技术

电力电子技术是采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术。随着电力电子技术的不断发展和电力系统运行要求的不断提高，电力电子技术在电力系统发、输、变、配、用等各个环节，在新能源接入方面等都得到了广泛的应用，电力电子技术已经成为智能电网得以实现的基本技术之一。

1、电力电子技术在新能源接入方面的应用

大部分的新能源发电技术所发出的电能在频率和电压水平上均不能满足现有互联电网的要求，不能采用直接接入电网的方式，而需通过电力电子设备才能接入电网。为此要大力加强对电力电子技术的研究包括整流—逆变器和直接逆变器器件及性能的研究。同时要对提高整流、逆变器的转化效率，减少谐波，有效控制电压和无功等方面进行研究。

2、电力电子技术在智能输配电领域的应用

电力电子技术在输电领域的研究应该重点放在柔性交流输电系统（FACTS）和高压直流输电（HVDC）等方面。

3、电力电子技术在智能用电领域的应用

研究采用电力电子技术节约电能的节能措施。如：采用变频调速技术控制压缩机，使它能够根据热负荷对房间自动调节制冷或制热量，可比传统不变速空调节能15%~20%。应加大变频技术在节能方面的研究。

四、先进的信息技术

研究利用先进的信息技术包括数据采集与监视系统（SCADA）和广域测量系统（WAMS），以及相应的信息支持平台包括统一数据共享平台和自适应通信平台，提高智能电网的安全经济运行。包括采集电力系统突然变化的暂态数据信息，用于继电保护系统和安全稳定控制系统；采集电力系统缓慢变化的稳态数据信息用于安全经济调度系统和电能计量结算管理系统。

五、控制与管理新技术

研究智能电网先进的管理调度模式，如虚拟发电厂、微电网和需求侧管理等，要特别加强对智电网控制与管理新技术的研究。

六、微电网技术

在智能电网的发展过程中，配电网需要从被动式的网络向主动式的网络转变，这种网络利于分布式发电的参与，能更有效地连接发电侧和用户侧，使得双方都能实时地参与电力系统的优化运行。微电网是一种新型的网络结构，是实现主动式配电网的一种有效的方式。

微电网的出现将从根本上改变传统电网应对负荷增长的方式，其在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等具有巨大潜力。目前，微电网技术已经成为电力系统发展的前沿技术。

1、微电网的硬件研究

微电网的实现需要有先进的设备作支持。这包括微电网的发、输、变、配、用各个环节。为此，需要开发智能电表、向量测量单元、广域测量系统等，研发合适的硬件设备，使微电网具有即插即用的能力。研发新型的分布式能源控制器，以保证微电网的高效运行。

2、微电网建模研究

开发可用于对逆变器控制的低压非对称微电网的静态和动态仿真工具；建立微电网内部各元件的模型，包括分布式电源和负荷的模型；建立微电网整体模型，包括总体模型结构、等效静态模型、等效电机模型等。

3、微电网对大电网的影响研究

微电网的接入必然会对大电网造成影响，需要研究：微电网在并网和孤岛运行下的稳定性分析；微电网对大电网运行的影响，包括地区性的和大范围的影响；微电网能给电网在供电可靠性、网络损耗和环境等方面带来的改善；微电网的发展对基础电网发展的影响等。

微电网中的微电源，如风电、光伏发电等，大都采用全控型换流器，这些电力电子设备的引入很可能会带来一些谐波方面的问题。对于微电网谐波问题需要做进一步的探讨和研究。

4、微电网的控制策略

微电网与大电网之间存在一种最优的状态，在这种状态下微电网和大电网都能够高效稳定的运行。对微电网的控制的目标就是让微电网实现最优控制。为此，必须研究微电网控制技术，其中包括：各微电源之间的协调控制、电力电子设备的智能控制和最优控制、微电网和主网之间的协调控制等，研究孤岛和互联的运行理念、基于代理的控制策略、本地黑启动策略、基于先进通信技术的控制策略等；研究创造新的网络设计理念，包括新型保护方案的应用等。

5、其它

微电网的实现还需要很多方面的支持：需要制定微电网在技术和商业方面的协议标准；需要做好各种微电网在技术和商业方面的整合；需要做好现有的小发电机组并入微电网的可行性分析；需要建立微电网示范工程及实验测试系统等。

第五节关键技术

1、智能电网架构定义研究

通过定义架构，将智能电网划分为一系列的组件，并得到组件的总体构成以及组件之间关系，可以有效的指导整个系统基础设施的建设，可以打破原有系统之间的界限，从而实现高度的信息共享和互操作性，能够协调不同的标准，便于标准开发和集成，可以对可能出现的新需求变化制定出合理的应对措施。

2、智能电网互操作性

智能电网的互操作性，是通过引入标准框架，保证智能电网中组件间协同工作的能力。互操作性对智能电网建设、集成、有效操作和互联电力网络的各个元件的双向通信都有着非常重要的作用。有效的互操作性是建立在统一的接口、协议和其他相关标准框架之上的。

3、电力混成控制论与先进能量管理系统

智能电网可实现多方面的价值，如“更坚强、更可靠、更经济、更高效、更环境友好”等。在这些价值中，有些甚至是互相矛盾的，如要“更环境友好”，则需要吸纳大规模的可再生能源；而可再生能源的大量吸纳，会给电网的坚强、可靠运行带来一定的挑战。

电力混成控制论使得“将整个电力大系统控制得如同一台智能广域机器人（Smart Wide Area Robot，简称Smart-WAR）”成为可能。但要真正实现Smart-WAR，在一些关键技术上还要有较大的突破，主要包括如下几个方面。

（1）智能电网基础测量设施与动态SCADA系统的建立

实际运行中的电力系统是一个动态系统，系统的状态每时每刻都在发生变化。但SCADA等数据采集技术目前只能做到每隔4~8s获得一次RTU的动态数据；PMU 等量测设备可以做到0.02s获得一次系统动态数据，但目前安装数量较少，且获得的信息与SCADA系统所获得信息分属于两个不同的系统，两者无法融合，使得难于获得系统的全状态。

在风能、太阳能等大型可再生能源基地接入电网后，电网运行状态变化更为随机，其不可控性也大大增强。要实现Smart-WAR，需要研发新型智能电网基础量测设施，并在此基础安装建立动态SCADA系统，以快速获得系统全状态。

（2）新型状态估计系统

状态估计系统的主要任务是根据电网基础量测设施和SCADA系统提供的实时信息，给出电网运行状态较为准确的估计值，同时也包括对不良数据检测和识别。传统状态估计多建立在残差概念的基础上。然而以测点残差加权平方和其他形式的和最小作为状态估计准则未必最为恰当。因此需要提出新型状态估计理论，解决系统真值未知情况下状态估计结构评价问题。

（3）电力系统运行估计指标体系

随着电力系统规模的不断扩大和市场化改革的不断深入，电力系统运行情况也越加复杂。目前调度人员通常根据一些孤立的关键性的指标来判断电力系统运行状态（频率、电源质量等）。这些指标孤立指标间的联系和区别尚未得到研究

者的关注。

电力系统是一个运行整体，这些看似孤立指标之间不可避免的存在着内部的联系，因此有必要建立一个能反映电力系统运行总体及各个方面情况的运行指标体系。这一指标体系应是多维度、能够反映系统实时及一段时间以来的运行趋势的综合指标体系，可用于对电力系统运行情况进行评估，辨识系统运行薄弱环节和区域。这些都需要研究人员做大量的工作。

（4）机器智能与人的智能结合

现代电力系统由于规模大，运行方式复杂，变化快，其调度和运行越来越依赖调度自动化系统。但要实现最高形式的智能，仅依赖机器智能是不够的，还需要实现机器智能与调度运行人员相结合。

机器智能与人的智能相结合，首要之处在于调度自动化系统与调度运行人员有相同的控制理念。Smart-WAR有着与生俱来的优势，其所依赖的理论基础——电力混成控制论——是以事件驱动为内核的，这和调度运行人员的日常调度行为——基于事件进行调度，高度一致，两者有着同样的控制理念。这些方面都是非常重要非常有意义的课题。

4、微电网优化与协调控制技术

微网存在多种运行状态，当微网处于并网运行状态时，功率可以双向流动。在大电网故障时，通过保护动作和解列控制，可使微网与大电网解列形成孤岛运行，独立向其所辖重要负荷供电。微网的运行特性既与其内部的分布电源特性以及负荷特性有关，也与其内部的储能系统运行特性密切相关，同时还与大电网相互作用，尤其在微网渗透率比较高的情况下，这种相互作用将直接影响到二者的稳定性和可靠性。涉及到的关键技术：

（1）微电网运行的分层控制策略的研究；（2）微电网能量管理系统框架研究和软件系统开发；（3）微电网继电保护问题研究。