智能電網(wǎng)是將智能能源技術(shù)應(yīng)用到供電和發(fā)電領(lǐng)域的產(chǎn)品，它通過將傳統(tǒng)的和邊緣的電力工程技術(shù)、先進(jìn)的傳感和監(jiān)視技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)及通信技術(shù)的集成，以顯著提高從輸電、配電到用電系統(tǒng)的性能，并支持廣泛的客戶附加服務(wù)，滿足二十一世紀(jì)數(shù)字化社會(huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的需要。

 

   在智能電網(wǎng)中，不限制于僅使用某方面的技術(shù)，而是將基于現(xiàn)代新材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、電力電子器件技術(shù)、高溫超導(dǎo)技術(shù)、信息技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)的綜合，為現(xiàn)代電網(wǎng)提供各種類型先進(jìn)的測(cè)量、監(jiān)視、保護(hù)和控制的電力設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造，構(gòu)造一個(gè)更加經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、環(huán)保的電網(wǎng)。

 

   智能電網(wǎng)的實(shí)施，是必須采用上述各種技術(shù)來支撐所需的屬性的。這些技術(shù)不少是在電網(wǎng)中已采用或是正在完善的技術(shù)，這些技術(shù)包括如用于提供輸電系統(tǒng)穩(wěn)定的靜止無功補(bǔ)償器（SVC）和可控串聯(lián)補(bǔ)償（TCSC）技術(shù)；用于輸電系統(tǒng)穩(wěn)定控制的廣域測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）中同步相量（PMU）技術(shù)；優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的饋線自動(dòng)化（FA）技術(shù)和自動(dòng)抄表（AMR）技術(shù)；改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量的靜止無功補(bǔ)償器（SVC/STACOM）和有源濾波器（AF）技術(shù)；大型風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)等等。

 

  
 

1． 集成的通信技術(shù)

   智能電網(wǎng)應(yīng)建立起高速的、全面集成的高速雙向通信技術(shù)架構(gòu)，使智能電網(wǎng)變成一個(gè)動(dòng)態(tài)的、交互的，用于實(shí)時(shí)信息和功率交換的超級(jí)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。采用通信系統(tǒng)的開放式架構(gòu)，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)智能傳感器和控制裝置、控制中心、保護(hù)系統(tǒng)和用戶建立一個(gè)安全的“即插即用”的應(yīng)用環(huán)境。

   在電力系統(tǒng)應(yīng)用的通信技術(shù)種類繁多，常見的類型有銅芯線、電力線載波、微波中繼、光纖通信等技術(shù)。通過這些載體，以及引入新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以在更廣的范圍實(shí)現(xiàn)更多的信息和應(yīng)用的連接和集成，使數(shù)據(jù)在整個(gè)電力系統(tǒng)的不同主體及不同的應(yīng)用系統(tǒng)之間傳遞，滿足智能電網(wǎng)對(duì)通信系統(tǒng)的要求。

   新的集成通信技術(shù)，包括Internet 2（IPv4和IPv 6）、光纖以太網(wǎng)、通過電力線的寬帶通信（BPL）、第四代（4G）WiMax、第三代（3G）無線語音和數(shù)據(jù)通信、Zigbee/WiMedia/WiFi無線通信等。

 

2．傳感、計(jì)量和測(cè)量技術(shù)

   在智能電網(wǎng)中，使用雙向通信、多種輸入（定價(jià)信號(hào)、分時(shí)計(jì)費(fèi)、區(qū)域輸電組織（RTO）減少的阻塞卸載）、多種輸出（實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量、電氣參數(shù)）、隔離和接入能力，和發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)運(yùn)行人員的接口，以及用戶入口的新的數(shù)字技術(shù)來擴(kuò)展電力測(cè)量，提供停電檢測(cè)和響應(yīng)，評(píng)估設(shè)備的健全情況和電網(wǎng)的完整性，并支持先進(jìn)的繼電保護(hù)功能；消除表記的估計(jì)、防止竊電、提供用戶的選擇以及實(shí)現(xiàn)供RTO阻塞卸載的需求側(cè)管理。此外，新的智能傳感器將用于各種電網(wǎng)監(jiān)視功能。

 

   在智能電網(wǎng)中，采用各種先進(jìn)的傳感器、結(jié)合雙向通信的智能表計(jì)與監(jiān)視系統(tǒng)，用以監(jiān)視用戶端用電狀況、電網(wǎng)設(shè)備的健全狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)，提供智能電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最基礎(chǔ)的功能。從目前的應(yīng)用來看，我們可以大致上述技術(shù)的應(yīng)用分為以下三個(gè)方面：

 

1）智能儀表和智能住宅

   經(jīng)過了近十年來的發(fā)展，基于微處理器的電子式多功能電表取代傳統(tǒng)的機(jī)械式電度表已成為必然趨勢(shì)，近幾年來在國內(nèi)各行各業(yè)已開始得到廣泛的應(yīng)用。一些高端的電子式多功能電表，除了提供各種電量的測(cè)量和計(jì)量功能（如正反向有功計(jì)量、四象限無功計(jì)量、復(fù)費(fèi)率功能、分時(shí)計(jì)費(fèi)等）外，還可提供電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量、事件記錄、負(fù)荷曲線存儲(chǔ)、電能質(zhì)量分析、通信等功能。在通信接口方面，一般可提供可進(jìn)行靈活配置的單向RS485、GPRS、電話MODEM和紅外通信接口。

   智能電網(wǎng)中采用的智能儀表（Smart Meter）技術(shù)，它是一種有別于上述電子式多功能電表采用先進(jìn)的測(cè)量架構(gòu)（AMI）的新技術(shù)。它是更多技術(shù)和功能的混合，提供更詳盡的用電信息，并具有雙向通信性能。智能儀表現(xiàn)時(shí)一般是指用于計(jì)量和控制的智能電表，將來智能儀表可能擴(kuò)充至應(yīng)用至用戶的水、氣的計(jì)量和控制方面。AMI代表著下一階段的借助儀表具有易于控制的雙向通信、并在儀表測(cè)量設(shè)備中具有能與各種負(fù)荷相互配合的自動(dòng)抄表技術(shù)。對(duì)于力求充分去平衡供、用電方面的需求的不同公共事業(yè)單位，正在推進(jìn)實(shí)施這一領(lǐng)域的應(yīng)用。

   AMI的先進(jìn)的功能，可用于創(chuàng)建智能住宅（Smart Home）。這些領(lǐng)域的綜合可提供以下功能：

-          實(shí)時(shí)定價(jià)/緊急情況前的一段時(shí)間的定價(jià)/自動(dòng)的家庭響應(yīng)

-          直接負(fù)荷控制

-          能源使用/最優(yōu)化顯示

-          負(fù)荷監(jiān)視/分類計(jì)量

-          遠(yuǎn)方接入/隔離

-          停電檢測(cè)和隔離/用戶故障呼叫管理

-          需量水平

-          安全性監(jiān)視

-          遠(yuǎn)方家庭控制

-          遠(yuǎn)方設(shè)備診斷

 

   結(jié)合智能儀表和雙向通信的智能住宅，對(duì)于住宅能源利用的最優(yōu)化將變?yōu)樽詣?dòng)的，而系統(tǒng)也將提供用戶接口以進(jìn)一步促進(jìn)能源使用的最優(yōu)化。

 

2）廣域測(cè)量和控制系統(tǒng)（WAMACS）

   廣域測(cè)量和控制系統(tǒng)是在功角遙測(cè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是用于預(yù)防大電網(wǎng)可能發(fā)生大面積停電而開發(fā)的。導(dǎo)致電網(wǎng)大面積停電的原因很多，涉及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行管理、自動(dòng)裝置和人員培訓(xùn)等方面。其中，由級(jí)聯(lián)事件和人為處理不當(dāng)而演變成的大停電事故，日益引起人們的關(guān)注。在存在風(fēng)險(xiǎn)的情況下，用以制止級(jí)聯(lián)跳閘和縮小停電范圍的主動(dòng)解列、靈活分區(qū)等措施，以及從集中監(jiān)視控制發(fā)展到分布協(xié)調(diào)控制，已成為目前電網(wǎng)安全控制的研究熱點(diǎn)。

   廣域測(cè)量和控制系統(tǒng)(WAMACS)通過測(cè)量稱之為同步相量（Synchrophasor）的測(cè)量量具有同步測(cè)量和電力系統(tǒng)即時(shí)狀態(tài)通信的能力。它可以動(dòng)態(tài)地監(jiān)視電力系統(tǒng)的狀態(tài)，以實(shí)時(shí)的方式評(píng)估正常和遭受應(yīng)力的系統(tǒng)狀態(tài)并執(zhí)行起作用的動(dòng)態(tài)控制。現(xiàn)時(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行人員在數(shù)秒到數(shù)分鐘的期限內(nèi)完成操作，但WAMACS可以在100毫秒內(nèi)做出和執(zhí)行決策。WAMACS架構(gòu)的開發(fā)需要在變電站安裝測(cè)量和數(shù)據(jù)收集裝置、一個(gè)可靠的廣域通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)集中器以及可視化的決策設(shè)備。在電力公司增建其通信架構(gòu)時(shí)，他們必須注意到由實(shí)時(shí)同步相量通信規(guī)定的要求。許多項(xiàng)目可能需要5年或更長的時(shí)間才會(huì)成熟。

 

3）電網(wǎng)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)

   電網(wǎng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括電氣量監(jiān)測(cè)以及非電氣量監(jiān)測(cè)。電氣量監(jiān)測(cè)主要通過監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)備的電流、電壓、相角、功率、功率因數(shù)等特性量；非電氣量監(jiān)測(cè)則包括監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備中的介質(zhì)的壓力、流量、氣體成分、溫度等。采用先進(jìn)的傳感器通過對(duì)電氣量以及非電氣量監(jiān)測(cè)，可完成電網(wǎng)設(shè)備的在線診斷，為實(shí)施電網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)檢修和管理提供必要的信息。

   現(xiàn)時(shí)采用電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用主要包括變壓器在線監(jiān)測(cè)、斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及線路容量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等。

 

3．先進(jìn)的電網(wǎng)設(shè)備

   先進(jìn)的電網(wǎng)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的遠(yuǎn)行特性起著積極的作用。這些新一代智能電網(wǎng)中應(yīng)用的先進(jìn)電網(wǎng)設(shè)備，將采用新的材料技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、先進(jìn)的數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)等，以生產(chǎn)出高功率密度、高可靠性和改善實(shí)時(shí)診斷性能的新一代電力系統(tǒng)設(shè)備，以顯著改進(jìn)電網(wǎng)的運(yùn)行性能。利用這些技術(shù)生產(chǎn)的部分電網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)時(shí)已在電網(wǎng)投入商業(yè)運(yùn)行或試運(yùn)行。在智能電網(wǎng)中采用的這些先進(jìn)的電網(wǎng)設(shè)備，包括超導(dǎo)輸電電纜、故障電流限制器、復(fù)合導(dǎo)線、靈活交流輸電系統(tǒng)設(shè)備（FACTS）、先進(jìn)的儲(chǔ)能裝置、分布式發(fā)電裝置、先進(jìn)的變壓器和斷路器、智能電器、先進(jìn)的保護(hù)控制設(shè)備等。

 

4．先進(jìn)的控制方法  

   電力系統(tǒng)自動(dòng)控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的快速診斷，并對(duì)特定的電網(wǎng)瓦解或停電提供周密的解決方案。通過從所有電網(wǎng)主要設(shè)備中收集數(shù)據(jù)，輸入到計(jì)算機(jī)的進(jìn)行算法運(yùn)算，可監(jiān)視這些電網(wǎng)設(shè)備，并通過以確定性的和隨機(jī)的觀點(diǎn)分析數(shù)據(jù)去進(jìn)行診斷和提供解決方案。電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)可自治地采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，將信息和解決方案提供給操作人員，并集成到企業(yè)過程和工藝中去。這些先進(jìn)的控制方法應(yīng)支持諸如分布式能源和需求響應(yīng)調(diào)度、配電自動(dòng)化和變電站自動(dòng)化、自適應(yīng)繼電保護(hù)、能量管理、市場定價(jià)、電網(wǎng)模擬、操作員顯示和先進(jìn)的可視化系統(tǒng)。此外，它們也可能集成到資產(chǎn)管理過程和工藝中去，以進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃。

   自動(dòng)控制技術(shù)依賴并與其余四種關(guān)鍵技術(shù)的每一種起促進(jìn)作用。用于先進(jìn)的控制方法的三類技術(shù)包括：分布式智能代理（控制系統(tǒng)）、分析工具（軟件算法和高速計(jì)算機(jī)）和運(yùn)行應(yīng)用（SCADA、變電站自動(dòng)化、需求響應(yīng)等）。現(xiàn)時(shí)的應(yīng)用案例，如使用人工智能編程技術(shù)，可生成能快速準(zhǔn)確地計(jì)算出控制策略并執(zhí)行的廣域保護(hù)系統(tǒng)（WAPS）；使用基于靈敏度的連續(xù)線性編程方法的電壓穩(wěn)定性監(jiān)視和控制（VSMC）軟件，可可靠地確定最優(yōu)的控制解決方案。

5．決策支持和人機(jī)接口 

   智能電網(wǎng)中使用信息系統(tǒng)技術(shù)，應(yīng)能使操作和管理人員在日益增加的可變因素下利用這些工具來減少復(fù)雜性，保持電網(wǎng)的高效運(yùn)行。

   在某些情形，可供操作員作出決策的時(shí)間縮短到秒級(jí)的水平。因此，現(xiàn)代電網(wǎng)需要非專門化的、無縫的、實(shí)時(shí)使用的應(yīng)用和工具，以滿足電網(wǎng)操作和管理人員作出快速?zèng)Q策的需要。帶有改進(jìn)接口的決策支持將擴(kuò)展決策至所有等級(jí)的電網(wǎng)，它包括用戶級(jí)的電網(wǎng)。決策支持和人機(jī)接口技術(shù)主要包括可減少大量的數(shù)據(jù)到易于理解的可視格式的可視化工具和系統(tǒng)、當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行人員操作時(shí)需提供的多種方案的軟件系統(tǒng)、用于操作培訓(xùn)和“what-if”分析的仿真器、用作演示的控制板、先進(jìn)的控制室設(shè)計(jì)等等。

 

 

   我們應(yīng)當(dāng)看到，智能電網(wǎng)并非只是為了展示某些先進(jìn)技術(shù)，或僅是著眼于某種局部問題的解決方案。它實(shí)質(zhì)上是以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備和高級(jí)元器件等為基礎(chǔ)，通過引入新的通信、自動(dòng)控制和其他信息技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)改造，最終達(dá)到電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行更加可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保這一根本目標(biāo)。

附圖：關(guān)鍵支撐技術(shù)領(lǐng)域的相互關(guān)聯(lián)的特性