智能電網(wǎng)未曾說(shuō)破的“秘密”

近年來(lái)，電力系統正面臨著(zhù)越來(lái)越多的挑戰，其中包括全球氣候變暖、能源安全需求壓力和生態(tài)文明意識的提升，以及數字化社會(huì )對供電可靠性和電能質(zhì)量的嚴格要求等。為此，我國已經(jīng)開(kāi)展了許多與“智能電網(wǎng)”開(kāi)發(fā)和實(shí)踐相關(guān)的研究。

從電網(wǎng)的角度來(lái)說(shuō)，智能電網(wǎng)的原動(dòng)力至少包含下述4個(gè)方面：

①實(shí)現事故擾動(dòng)情況下大電網(wǎng)的安全穩定運行，降低大規模停電的風(fēng)險和增強災難性事件后的快速恢復能力;

②實(shí)現大量分布式電源(DER)的無(wú)縫接入和充分利用;

③高級市場(chǎng)化和需求側管理;

④滿(mǎn)足數字化社會(huì )對電網(wǎng)供電的高可靠性、高質(zhì)量和高效率的要求。

從廣義層面來(lái)看，由于智能電網(wǎng)的實(shí)施涉及許多技術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域，智能電網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵目標是催生新的技術(shù)和商業(yè)模式，從而實(shí)現產(chǎn)業(yè)革命。

智能電網(wǎng)涉及許多重要的理念，厘清這些理念有助于科學(xué)高效地實(shí)施智能電網(wǎng)工程。本文對其中的一些基本理念進(jìn)行了闡述。

1智能電網(wǎng)最本質(zhì)的技術(shù)特點(diǎn)

智能電網(wǎng)最本質(zhì)的技術(shù)特點(diǎn)是：電力和信息的雙向流動(dòng)性，并由此建立起一個(gè)高度自動(dòng)化和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò );把分布式計算、通信和互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢引入電網(wǎng)，實(shí)現信息實(shí)時(shí)交換并達到設備層次上近乎瞬時(shí)的供需平衡。有如下四個(gè)方面的特點(diǎn)需要強調。

1.1靈活的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和綜合能源及通信系統體系結構(IECSA)

由于DER的廣泛接入，電網(wǎng)(含輸電網(wǎng)和配電網(wǎng))每條支路的電力潮流都可能是雙向的和時(shí)變的，因此，為了使智能電網(wǎng)的潛在效益最大化，配電網(wǎng)拓撲結構應該是靈活的、可重構的，應該使用柔性交直流輸配電裝置和以智能萬(wàn)用變壓器(IUT)為代表的其他電力電子裝置，其中智能萬(wàn)用變壓器已被看成智能配電網(wǎng)的基石，在能源互聯(lián)網(wǎng)的概念中它屬于能量路由器。此外，電力所及之處均有可靠的雙向通信網(wǎng)絡(luò )。從底層的傳感器和智能代理開(kāi)始，能源網(wǎng)和信息通信網(wǎng)將高度融合。

1.2廣泛的分布式電源(DER)

DER包括分布式發(fā)電、分布式儲能和需求響應。其中，太陽(yáng)能、風(fēng)能和需求響應是按照自然地理學(xué)進(jìn)行分布的。這里“需求響應”的定義是：在正常耗電模式下，終端用戶(hù)用電情況能夠隨著(zhù)零售電價(jià)的變化而變化，或當電力零售市場(chǎng)電價(jià)過(guò)高或電網(wǎng)系統可靠性受到損害時(shí)，用戶(hù)會(huì )減小用電量。因此，如下觀(guān)察結果值得注意。

(1)當DER發(fā)電接近電力負荷時(shí)，功率與能量可以就地消納，因此它可以節省電網(wǎng)的投資、降低網(wǎng)損和電網(wǎng)的運維成本。加之傳統電力價(jià)格逐年上升，太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本迅速下降，分布式儲能成本也在不斷下降，以燃氣為主的分布式熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統的能源利用率將會(huì )高于80%。這一切預示著(zhù)分布式發(fā)電成本與零售電價(jià)之間有望持平。而且分布式發(fā)電可以提高對用戶(hù)供電的可靠性，增強電網(wǎng)的安全性。因此，世界上與智能電網(wǎng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)施相關(guān)的研究主要是關(guān)于分布式發(fā)電的。

事實(shí)上，天津大學(xué)所做的研究已經(jīng)表明，在當今的中國，從社會(huì )總成本的角度看，實(shí)施“分布式光伏發(fā)電+有源配電網(wǎng)”計劃(例如，給無(wú)儲能系統的分布式光伏發(fā)電站局部接入有源配電網(wǎng))比實(shí)施一個(gè)“大規模集中式可再生能源發(fā)電基地+長(cháng)距離傳輸”計劃(例如，將一個(gè)風(fēng)電與火電結合的大規模發(fā)電基地通過(guò)±800kV超高壓(UHV)、2000km長(cháng)距離直流輸電線(xiàn)接入到負荷中心的一個(gè)大容量電力系統)所花費的社會(huì )總成本要低。

因此，如何處理數以萬(wàn)計的分布式電力資源并應對其間歇性、多變性和不確定性，同時(shí)確保電網(wǎng)的可靠性、人身和設備安全及市場(chǎng)的活力是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展所面臨的挑戰。

(2)研究表明，電網(wǎng)中存在大量的可平移負荷，這些負荷可與電網(wǎng)友好合作(猶如虛擬電源)，從而實(shí)現削峰填谷(可提高資產(chǎn)利用率、提高發(fā)電效率和降低網(wǎng)損)并達到設備層次上近乎瞬時(shí)的供需平衡(例如，需求響應和負荷控制可能對太陽(yáng)能和風(fēng)能等的間歇性、多變性和不確定性發(fā)揮補償作用)。與傳統電網(wǎng)把時(shí)刻滿(mǎn)足負荷需求作為剛性約束相比，這是革命性的變化。智能電網(wǎng)將通過(guò)智慧型電表基礎設施建設(AMI)、即插即用技術(shù)和先進(jìn)的電力市場(chǎng)來(lái)協(xié)調需求側響應和負荷控制。同時(shí)綜合考慮負荷與配電系統的控制和管理。

(3)插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)與智能汽車(chē)電網(wǎng)(V2G)技術(shù)本身都具備負荷和電源的雙重屬性，它們的充電功率和存儲能量均很大;另外，與分布式光伏發(fā)電和風(fēng)電等相比，這些電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)的位置和容量具有更大的不確定性。一方面，作為一種新型負荷，電動(dòng)汽車(chē)的大量接入使得配電網(wǎng)的負荷增大且特性更加復雜多變，對未來(lái)電網(wǎng)的規劃與運行提出了挑戰;另一方面，作為一種儲能裝置，電動(dòng)汽車(chē)又可為電網(wǎng)的削峰填谷和頻率調節等提供重要的潛在調控手段。為此，智能電網(wǎng)應該為電動(dòng)汽車(chē)提供一種即插即用的平臺(包括先進(jìn)的市場(chǎng)與新型技術(shù)支持)。

除了在電動(dòng)汽車(chē)中的應用，分布式儲能也可應用于配電系統的各個(gè)環(huán)節，以提高系統運行的可靠性、改善電能質(zhì)量和提高可再生能源的接入能力等。因此，智能電網(wǎng)將為分布式儲能與配電系統間更多的交互與協(xié)調控制提供基本的平臺。

令人可喜的是，近年來(lái)分布式儲能技術(shù)的創(chuàng )新發(fā)展十分迅速，有望突破儲能成本過(guò)高的瓶頸。

1.3分布式智能基礎設施

(1)在微處理器時(shí)代之前創(chuàng )建的電力基礎設施(基于集中規劃和控制)，在很大程度上限制了電網(wǎng)的靈活性，降低了電網(wǎng)的效率、安全性和可靠性。此外，由于未來(lái)電網(wǎng)中將接入數量巨大的DER，并且其發(fā)電量又難以預測，傳統的集中控制模式將更加難以適用于未來(lái)電網(wǎng)的運行。因此智能電網(wǎng)特別是智能配電網(wǎng)將成為分布式智能基礎設施。

如圖1所示，以智能配電網(wǎng)為例，它被分成許多片(cell)。正常運行條件下，兩片之間的交換功率可以根據制訂好的計劃進(jìn)行調度。每片中有許多由片內通信網(wǎng)絡(luò )相互連接起來(lái)的智能網(wǎng)絡(luò )代理(INA)，如繼電保護裝置和DER等。這些代理能夠收集和交流系統信息，可以對局部控制做出自主決策(如繼電保護)，也可以通過(guò)各片配電系統快速仿真與建模(DFSM)協(xié)調做出決策(如電壓調節、無(wú)功優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò )重構等);同時(shí)各片之間有通信聯(lián)系，各片可以自主做出決策，也可由裝有DFSM系統的配電運營(yíng)中心協(xié)調各片間的決策。此外，輸電網(wǎng)調度中心和由該輸電網(wǎng)供電的配電運營(yíng)中心之間也有通信鏈接。

裝有輸電快速仿真與建模(TFSM)系統的輸電調度中心，根據區域電力系統的要求協(xié)調做出決策，實(shí)現跨地理邊界和組織邊界的智能控制，使整個(gè)系統具備了自愈能力和韌性。

(2)系統“韌性”包括承受蓄意攻擊、偶然事故或自然發(fā)生的威脅或事件的能力及從中恢復的能力。這要求我們改變對系統、系統結構和目前研究的許多復雜的交互網(wǎng)絡(luò )的認識。如圖1所示的分布式智能基礎設施能夠對前述的擾動(dòng)做出自愈的響應，在緊急狀態(tài)下，它能分片實(shí)現“自適應孤島運行”，并使整個(gè)系統快速恢復正常運行，從而提高系統韌性并將電力系統的停電損失減到最小。

(3)智能配電網(wǎng)的結構與控制策略必須滿(mǎn)足現在電網(wǎng)所不能滿(mǎn)足的兩個(gè)基本要求：

綜合考慮終端用戶(hù)控制和總體配電系統控制。終端用戶(hù)系統除擁有可與電網(wǎng)友好合作的可平移負荷之外，還有分布式發(fā)電和儲能、電力調節設備、無(wú)功補償設備和能量管理系統。所有這些設備和負荷的控制必須和配電系統控制綜合考慮，以達到系統性能的最優(yōu)和期望的安全性與電能質(zhì)量;

(4)圖1中的每一片可以是一個(gè)智能微電網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)微網(wǎng))或含有多個(gè)微網(wǎng)的配電網(wǎng)。微網(wǎng)是為滿(mǎn)足一群用戶(hù)(小區或城鎮)或單個(gè)用戶(hù)(如大學(xué)、樓宇或企業(yè))能量需求的一種集成系統。微網(wǎng)和分布式發(fā)電的關(guān)鍵區別在于它有能力進(jìn)行孤島協(xié)調控制。正常運行時(shí)，可再生能源的間歇性、波動(dòng)性和不確定性可在微網(wǎng)內部得到補償，從而盡可能地將它與大電網(wǎng)連絡(luò )線(xiàn)上的功率維持在恒定水平，有助于大電網(wǎng)安全運行。因而，對大電網(wǎng)而言它是個(gè)“好市民”，在未來(lái)它將會(huì )更廣泛地存在于智能電網(wǎng)中，研究者也應更加重視如何降低其成本。

1.4信息的實(shí)時(shí)交換與高度共享

輸電網(wǎng)運行時(shí)使用的信息技術(shù)與配電網(wǎng)運行時(shí)使用的信息技術(shù)一樣。實(shí)質(zhì)上，任何智能電網(wǎng)的命脈都是這些用以驅動(dòng)其運行的數據和信息，而這些數據和信息使開(kāi)發(fā)新的和改進(jìn)的運營(yíng)策略成為可能。從電力系統任一層收集到的數據，包括用戶(hù)耗電量、配電量、輸電量、發(fā)電量和電力市場(chǎng)運營(yíng)數據，都可能同其他層相關(guān)，用于改善其他層的運行狀況。因此，在這些利益相關(guān)者之間進(jìn)行實(shí)時(shí)和及時(shí)的數據共享是智能電網(wǎng)的基本要素。

2智能電網(wǎng)的基本功能和相關(guān)技術(shù)

智能電網(wǎng)是一個(gè)推動(dòng)者，一個(gè)設計良好的智能電網(wǎng)應該有如下基本功能。

(1)便于更廣泛地參與。

能夠激勵電力用戶(hù)，及時(shí)向用戶(hù)提供關(guān)于他們電量消耗的詳細信息，以及各種可供用戶(hù)選擇的包括實(shí)時(shí)(或分時(shí))的電價(jià)方案;

能容易和透明地接受任何種類(lèi)的能源;

以大量“即插即用”的DER補充集中式發(fā)電，從而創(chuàng )造新的機遇和市場(chǎng)。

(2)提高效率。

終端用戶(hù)可以積極參與到成熟、健康和綜合的電力市場(chǎng)中;

提高電能質(zhì)量，有各種各樣的質(zhì)量/價(jià)格方案可供選擇;

優(yōu)化資產(chǎn)利用和高效運行。

(3)提高可靠性和韌性。

自愈，即發(fā)生故障時(shí)系統可自愈，以降低停電影響;

抵御攻擊，即遇到攻擊或自然災害時(shí)具有快速恢復供電的能力。

除上述三種基本功能外，智能電網(wǎng)還有一些其他基本功能，在這里不一一贅述。

為了實(shí)現上述功能，需要通過(guò)創(chuàng )新引入新的技術(shù)和新的商業(yè)模式。這些技術(shù)包括：

(1)智能電網(wǎng)技術(shù)，包括電網(wǎng)廣域監視(電網(wǎng)廣域監測系統/相量測量裝置(WAMS/PMU)和態(tài)勢感知)與控制系統、信息和通信技術(shù)(ICT)的集成、可再生能源和分布式能源發(fā)電的集成、輸電網(wǎng)的擴展應用(如柔性交直流輸電技術(shù))、靈活的配電網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和先進(jìn)的配電網(wǎng)管理技術(shù)、AMI和用戶(hù)側管理系統等。

(2)智能電網(wǎng)可帶動(dòng)的技術(shù)，包括風(fēng)力發(fā)電機組、光伏發(fā)電裝置、電動(dòng)車(chē)輛充電基礎設施、綠色節能建筑和智能家電等，其中電動(dòng)汽車(chē)和綠色建筑可能成為智能電網(wǎng)最重要的應用。

(3)為智能電網(wǎng)創(chuàng )建平臺的技術(shù)，包括綜合的通信技術(shù)、傳感和測量技術(shù)、儲能技術(shù)、電力電子技術(shù)、診斷技術(shù)和超導技術(shù)等。

為了加速智能電網(wǎng)的實(shí)現，在智能電網(wǎng)中將應用工業(yè)界最好的技術(shù)和理念，如開(kāi)放式的體系結構、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、即插即用技術(shù)、共同的技術(shù)標準、非專(zhuān)用化和互操作性等。事實(shí)上，有些技術(shù)已經(jīng)在電網(wǎng)中得到了應用;但只有在體現智能電網(wǎng)的雙向數字通信和即插即用能力的時(shí)候，這些技術(shù)的潛能才能得到充分的利用。

3需特別注意的事項

3.1智能電網(wǎng)的效益是廣泛而巨大的

根據美國電力研究協(xié)會(huì )2011年的報告，預計2010—2030年，美國實(shí)現電網(wǎng)的現代化所需的成本為3380億~4760億美元;而這20年內的效益估計為12940億~20280億美元，是投資成本的2.8~6倍。我國智能電網(wǎng)發(fā)展戰略的實(shí)施不僅能使我們獲得高安全性、高可靠性、高質(zhì)量、高效率和價(jià)格合理的電力供應，還能提高國家的能源安全保障能力并改善環(huán)境，推動(dòng)可持續發(fā)展，同時(shí)能夠激勵市場(chǎng)發(fā)展與創(chuàng )新，從而提高國家的國際競爭力。

3.2智能電網(wǎng)所面臨的挑戰和研發(fā)機遇是巨大的

智能電網(wǎng)面臨的挑戰極其廣泛，涉及許多技術(shù)性、體制性和社會(huì )性問(wèn)題;電網(wǎng)的變遷必將改變整個(gè)行業(yè)的商業(yè)模式。厘清其發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵性障礙將有利于智能電網(wǎng)最大限度地發(fā)揮其潛能。這些挑戰帶來(lái)了前所未有的機遇。

3.3一個(gè)整體良好的環(huán)境是智能電網(wǎng)發(fā)展的必要條件

(1)制訂法律、政策、標準和發(fā)展路線(xiàn)圖。智能電網(wǎng)的性質(zhì)決定了其參與者不再局限于電力公司和電力設備廠(chǎng)商，還應包括廣大消費者和眾多其他行業(yè);而且其組織、研發(fā)和實(shí)施均十分復雜。因此，需要由國家盡早制訂相應的法律、政策、標準和發(fā)展路線(xiàn)圖，以鼓勵、支持和指導更多的企業(yè)和人群的參與。

(2)開(kāi)放先進(jìn)的電力市場(chǎng)。為了激勵在智能電網(wǎng)方面的創(chuàng )新，亟需建立一個(gè)成熟、健康、綜合的電力市場(chǎng)。其中包括：實(shí)施分時(shí)或實(shí)時(shí)電價(jià)，使電能作為商品的市場(chǎng)價(jià)值得到合理的體現;制訂政策，鼓勵分布式電力和能源的所有者將電賣(mài)給電網(wǎng)公司，促進(jìn)清潔能源的供應(以固定價(jià)格)，以及確保電力公司和其他投資者的智能電網(wǎng)投資成本的回收等。

(3)智能電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)。事實(shí)上，智能電網(wǎng)是一個(gè)跨學(xué)科的產(chǎn)物，其互聯(lián)網(wǎng)思維與生俱來(lái)。1925—1950年，區域互聯(lián)電網(wǎng)的思想誕生并得到極大的推廣。事實(shí)上它已具有了互聯(lián)網(wǎng)的四個(gè)基本性質(zhì)，即互聯(lián)、開(kāi)放、對等和分享。智能電網(wǎng)愿景的最終實(shí)現需要引入互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最新的技術(shù)與理念。為了加速智能電網(wǎng)的創(chuàng )新，能源領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師們需要與通信、信息等互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的同行密切合作，使用共同的語(yǔ)言和協(xié)議，這樣可以最大程度發(fā)揮智能電網(wǎng)的潛能，從而為人類(lèi)提供廣泛的社會(huì )和經(jīng)濟效益。

3.4智能電網(wǎng)的近期目標和遠期目標

智能電網(wǎng)將像互聯(lián)網(wǎng)一樣改變著(zhù)人們的生活和工作方式。由于智能電網(wǎng)需要持續的研發(fā)和顛覆性的技術(shù)突破，所以智能電網(wǎng)的實(shí)現將是一個(gè)較為漫長(cháng)的過(guò)渡和與多種技術(shù)長(cháng)期共存的過(guò)程(回顧一下互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史就會(huì )明白)。短期內可以著(zhù)眼于實(shí)現一個(gè)較為智能的電網(wǎng)，即利用已有的或即將形成的技術(shù)使目前的電網(wǎng)更有效，使其在提供優(yōu)質(zhì)電力的同時(shí)創(chuàng )造較大的社會(huì )效益(如改善環(huán)境)。

3.5重視效益

智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展需要進(jìn)行持續的研究以預測不斷變化的需求，評估不斷變化的收益和成本。在實(shí)施智能電網(wǎng)時(shí)，需要時(shí)刻考慮所做的工作是否適用于市場(chǎng)?能否激勵用戶(hù)參與?是否可實(shí)現資產(chǎn)優(yōu)化?是否能夠獲得高效運行?電力公司和監管機構應該持續地向消費者證明：智能電網(wǎng)的效益最終會(huì )超過(guò)其成本的投入。