宮一玉，張 璞，劉兆燕，滕蘇鄲，高楊鶴，余瀟瀟
?。ū本┦须娏?，北京100031）
摘 要： 從能源替代、環(huán)境保護(hù)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電能質(zhì)量4個(gè)方面，闡述了智能電網(wǎng)產(chǎn)生的背景；深入探討了各國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)的定義及原因；分析了智能電網(wǎng)的特征及基本要求，并著重對(duì)智能電網(wǎng)在用戶側(cè)的兩項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)——需求側(cè)管理和分布式能源并網(wǎng)進(jìn)行了分析，對(duì)于總結(jié)智能電網(wǎng)在用戶側(cè)的發(fā)展有一定的價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 智能電網(wǎng)；需求側(cè)管理；分布式能源
0 引言
傳統(tǒng)能源日漸短缺和環(huán)境污染問(wèn)題是制約人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展的因素。電能作為清潔能源在終端能源所占的比重也日漸增加，現(xiàn)代電網(wǎng)在規(guī)模不斷壯大的同時(shí)，也受到能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、政治等因素的考驗(yàn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面[1]：
（1）能源替代的緊迫性。煤炭、石油、天然氣等資源日益枯竭，而目前還未出現(xiàn)新能源可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)火電燃料。（2）改善環(huán)境的緊迫性。電能的清潔性已得到廣泛認(rèn)可，并逐漸通過(guò)電采暖、電動(dòng)汽車的廣泛推廣。（3）電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的潛在威脅。大電網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸形成，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度互聯(lián)，因此小范圍的故障都有可能蔓延到全網(wǎng)。與此同時(shí)電力設(shè)備也日漸老化，老化的電力設(shè)備不易被察覺(jué)，容易造成小范圍的故障。（4）電能質(zhì)量的要求日益提高。隨著各類金融中心、數(shù)據(jù)中心的成立，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也日益提高，與此同時(shí)，電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面的影響。
在如此嚴(yán)峻的形勢(shì)下，保證電力系統(tǒng)可靠、安全、環(huán)保、智能的運(yùn)行，是21世紀(jì)電網(wǎng)人面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)。在這樣的發(fā)展背景下，智能電網(wǎng)（Smart Grid）的概念應(yīng)運(yùn)而生，并在全球范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)同，成為世界電力工業(yè)的共同發(fā)展趨勢(shì)。世界各國(guó)都制定了各自的智能電網(wǎng)發(fā)展路線，2006年美國(guó)IBM公司與電力企業(yè)合作，研究智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展方案；2007年，我國(guó)華東電網(wǎng)也啟動(dòng)了智能電網(wǎng)的研究，規(guī)劃在2030年華東電網(wǎng)將全面建成可靠、安全、環(huán)保的智能電網(wǎng)[2]。
隨著科技的發(fā)展，能效技術(shù)、可再生能源技術(shù)、新型交通技術(shù)等各種低碳技術(shù)將大規(guī)模應(yīng)用于電網(wǎng)，安全、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)的智能電網(wǎng)將逐步形成。
本文明確了智能電網(wǎng)的定義，分析了智能電網(wǎng)的各類特征，探討了實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)過(guò)程中的用戶側(cè)的兩項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)——需求側(cè)管理和分布式能源并網(wǎng)，對(duì)于總結(jié)智能電網(wǎng)在用戶側(cè)的變化有重要的意義。
1 智能電網(wǎng)的定義
雖然智能電網(wǎng)(Smart Grid)的理念在21世紀(jì)初就已經(jīng)被提出，然而目前國(guó)際上仍然未形成統(tǒng)一的“智能電網(wǎng)”的定義[3~5]。
美國(guó)能源部在其研究報(bào)告中將智能電網(wǎng)描述為：智能電網(wǎng)是指將先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代電網(wǎng)中，包括輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)、電力消費(fèi)者以及分布式發(fā)電及儲(chǔ)能技術(shù)，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性和運(yùn)行效率。
歐盟將智能電網(wǎng)定義為:智能電網(wǎng)是指在保證安全、可靠、經(jīng)濟(jì)電力供應(yīng)的同時(shí)，將接于電網(wǎng)的用戶——電能生產(chǎn)者、消費(fèi)者、產(chǎn)消合一者智能化地集成為一個(gè)整體。
中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司將其提出的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)描述為:以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，具有信息化、白動(dòng)化、互動(dòng)化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)，涵蓋所有電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，具有堅(jiān)強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、透明開(kāi)放和友好互動(dòng)內(nèi)涵的現(xiàn)代電網(wǎng)[6-7]。
以上3種對(duì)于智能電網(wǎng)的定義側(cè)重點(diǎn)不同，這是因?yàn)楦鱾€(gè)國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)狀況、管理體制等背景不同。美國(guó)是將數(shù)字化引入智能電網(wǎng)的概念，試圖將先進(jìn)的IT技術(shù)與大電網(wǎng)技術(shù)相融合，驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)智能化的發(fā)展；歐洲國(guó)家的輸電網(wǎng)已經(jīng)基本成型，歐洲國(guó)家所提出的智能電網(wǎng)主要側(cè)重于配電網(wǎng)的智能化和自動(dòng)化；國(guó)內(nèi)輸電網(wǎng)正處于高速發(fā)展的階段，“五橫五縱”的特高電網(wǎng)將逐步形成，因此，中國(guó)的智能電網(wǎng)更加側(cè)重于輸電網(wǎng)的智能化。
2 智能電網(wǎng)的特征及基本要求
雖然各國(guó)對(duì)于對(duì)于智能電網(wǎng)定義的側(cè)重點(diǎn)略有不同，然而通過(guò)分析可以看出以上智能電網(wǎng)的定義有5項(xiàng)關(guān)鍵特征。如圖1。
自愈:實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速診斷故障隱患和預(yù)防故障發(fā)生;故障發(fā)生時(shí)，無(wú)需或只需少量人工干預(yù)，就能夠快速隔離故障，自我恢復(fù)，避免大面積停電的發(fā)生。
兼容:電網(wǎng)能夠同時(shí)適應(yīng)集中式發(fā)電和分布式發(fā)電模式，實(shí)現(xiàn)與負(fù)荷側(cè)的交互，支持各種清潔、綠色、可再生能源的接入，滿足電網(wǎng)與自然環(huán)境的諧調(diào)發(fā)展。
優(yōu)化:優(yōu)化資產(chǎn)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，提高資產(chǎn)的利用效率，降低運(yùn)行、維護(hù)和投資成本。
互動(dòng):實(shí)現(xiàn)與用戶的智能互動(dòng)，有效展開(kāi)電力交易，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，提供最佳的電能質(zhì)量和供電可靠性。
集成:實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)、維護(hù)、調(diào)度和電力市場(chǎng)管理等數(shù)字化信息系統(tǒng)的全面集成，形成全面的輔助決策體系。
具備自愈、兼容、優(yōu)化、互動(dòng)、集成5項(xiàng)特征的智能電網(wǎng)能夠充分利用現(xiàn)代測(cè)量、通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等IT技術(shù)，達(dá)到電網(wǎng)運(yùn)行更可靠、更靈活、更經(jīng)濟(jì)，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)目標(biāo)。這與現(xiàn)行電網(wǎng)運(yùn)行的安全、經(jīng)濟(jì)、電能質(zhì)量的基本目標(biāo)相一致，并且還強(qiáng)調(diào)了智能電網(wǎng)的靈活性、可監(jiān)控、互操作性三項(xiàng)基本要求。
?。?）靈活性
靈活性是指在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)功率/負(fù)荷發(fā)生較快的變化，引起較大功率波動(dòng)時(shí)，能夠通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)出力或電力負(fù)荷，保證系統(tǒng)功率平衡的能力。
在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，靈活源主要自發(fā)電側(cè)，不可控源主要來(lái)自用戶側(cè)，電力流總體呈發(fā)電-輸電-變電-配電單向流動(dòng)；然而在智能電網(wǎng)中，由于多樣化電力負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，高密度、高滲透率的分布式電源的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)不確定、不可控的因素增多，使得電力流方向不再單一，因此對(duì)電力系統(tǒng)的靈活性提出了更高的要求。
提高智能電網(wǎng)靈活性需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是提高調(diào)動(dòng)系統(tǒng)靈活源的能力，并對(duì)其實(shí)時(shí)管理控制，使其能有效跟蹤不可控源的電力生產(chǎn)和消費(fèi)，在保持系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平衡。
（2）可監(jiān)控性
由于智能電網(wǎng)中靈活源增多，電力流呈多方向化發(fā)展，加劇了電網(wǎng)面臨的不確定性，因此必須提高全網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)中靈活源的動(dòng)態(tài)，保證系統(tǒng)潮流的實(shí)時(shí)平衡；再者，隨著社會(huì)的發(fā)展，輸電走廊的獲取難度加大，為了提高電網(wǎng)的利用率，電網(wǎng)更多地運(yùn)行在臨界穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，加大了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。為了保持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，需要進(jìn)一步提高電網(wǎng)的可監(jiān)控性。
?。?）互操作性
互操作性是指保證2個(gè)或更多網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、設(shè)備、應(yīng)用或元件之間相互通信以及在不需要過(guò)多人工介入即可有效、安全、協(xié)調(diào)運(yùn)行的能力。
為了提高電網(wǎng)的智能化，智能電網(wǎng)需在多個(gè)層級(jí)上滿足互操作性要求，智能電網(wǎng)不是將現(xiàn)有的電網(wǎng)推到重建，而是在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)，因此需要現(xiàn)代信息通信技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的完美結(jié)合，提高電網(wǎng)的互操作性，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的各種互動(dòng)與交易需求。
目前各國(guó)學(xué)者對(duì)于電網(wǎng)智能化的研究都是基于提高電網(wǎng)的靈活性、可監(jiān)控性、互操作性三個(gè)方面展開(kāi)的。如今國(guó)內(nèi)在提高電網(wǎng)可監(jiān)控性方面開(kāi)展了大量的工作，在提高電網(wǎng)靈活性和互操作性方面研究不足，特別是在需求側(cè)管理方面，受到各方面因素的制約。
3 智能電網(wǎng)主要技術(shù)
國(guó)內(nèi)提出的智能電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域非常廣泛，覆蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度6個(gè)環(huán)節(jié)，包括了高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施、高級(jí)配電運(yùn)行系統(tǒng)、高級(jí)輸電運(yùn)行系統(tǒng)、高級(jí)資產(chǎn)管理系統(tǒng)4個(gè)技術(shù)支持系統(tǒng)，涵蓋了需求側(cè)管理技術(shù)、新能源并網(wǎng)技術(shù)、廣域測(cè)量技術(shù)等[8-9]。智能電網(wǎng)與現(xiàn)代電網(wǎng)的區(qū)別如表1。
3.1 需求側(cè)管理
需求側(cè)管理是指電力用戶針對(duì)市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制做出響應(yīng)，并改變?cè)须娏οM(fèi)模式的行為。電力需求側(cè)管理從根本上改變了單純依靠電源建設(shè)來(lái)滿足電力需求增長(zhǎng)的傳統(tǒng)理念，它是將電力需求側(cè)納入規(guī)劃，與供應(yīng)側(cè)資源統(tǒng)一管理優(yōu)化，通過(guò)整合各類先進(jìn)的信息、控制及通信技術(shù)，增強(qiáng)了電網(wǎng)與用戶的互動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了電力能源消耗的動(dòng)態(tài)管理[10]。
現(xiàn)今電力企業(yè)實(shí)施需求側(cè)管理主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：
（1）智能電表。智能電表是實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理的信息終端和控制終端。智能電表通過(guò)幾代的發(fā)展，不僅能夠?qū)崟r(shí)的記錄用戶的用電信息，而且由于其與通信網(wǎng)絡(luò)友好接入，因此新一代智能電表還具有遠(yuǎn)程抄表，分段記錄、故障定位、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)及竊電監(jiān)測(cè)等功能，初步實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)與用戶的友好交互。
?。?）雙向通信。實(shí)時(shí)、高速與集成的雙向通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)與用戶之間信息互動(dòng)的基礎(chǔ)，也是確保智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式“即插即用”電網(wǎng)架構(gòu)的先決條件。雙向通信可以輔助用戶實(shí)時(shí)合理、快速與準(zhǔn)確參與各類需求側(cè)管理項(xiàng)目。
?。?）用戶門戶。用戶門戶是電網(wǎng)與用戶的接口，它掙了了多種軟硬件技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)可靠地獲取用戶的用電信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程負(fù)荷監(jiān)控等用戶管理。用戶也可以通過(guò)用戶門戶實(shí)現(xiàn)在線預(yù)付電費(fèi)、定制需求側(cè)相應(yīng)策略等。
?。?）智能家居。智能家居是指將家庭中的各種用電設(shè)備、家庭安全報(bào)警系統(tǒng)、智能電表等通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與電腦相連，使用戶可以遠(yuǎn)程控制家庭內(nèi)的用電設(shè)備，并向用戶反映各類電器的電費(fèi)影響，協(xié)助用戶決策家用電器的合理使用，增強(qiáng)用戶在需求側(cè)管理的參與度。
?。?）改進(jìn)的客戶服務(wù)。為了提升用戶參與需求側(cè)管理的積極性，電力企業(yè)需要改進(jìn)客戶服務(wù)，包括靈活的計(jì)費(fèi)方式、多種可選擇的電價(jià)方案、停電預(yù)通知、詳實(shí)的電費(fèi)信息、電能節(jié)約向?qū)У取?/p>
3.2 分布式能源并網(wǎng)
近年來(lái)，分布式能源技術(shù)發(fā)展迅速，在丹麥、芬蘭、挪威等北歐國(guó)家，現(xiàn)有的分布式發(fā)電裝機(jī)容量己超過(guò)其總裝機(jī)容量的30%。可以預(yù)見(jiàn)，隨著傳統(tǒng)資源逐漸枯竭，人們的環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，分布式能源的發(fā)展將會(huì)進(jìn)一步加大[11]。
分布式能源是指安裝在用戶側(cè)的能源綜合利用系統(tǒng)，主要包括分布式電源和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)還包含負(fù)荷側(cè)能量管理系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。其中，分布式電源的形式包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、微型燃汽輪機(jī)和小水電等，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)則包括燃料電池、蓄電池等
大規(guī)模的分布式能源的并網(wǎng)使得可再生能源充分利用的同時(shí)，對(duì)于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、能量形式、保護(hù)控制也帶來(lái)了考驗(yàn)，電網(wǎng)中功率流動(dòng)、信息交換和控制方式的復(fù)雜程度大大增加。因此需要從以下幾個(gè)方面探索分布式能源并網(wǎng)的問(wèn)題。
?。?）優(yōu)化分布式能源并網(wǎng)的運(yùn)行管理。分布式能源并網(wǎng)與常規(guī)能源并網(wǎng)不同，一方面分布式能源并網(wǎng)會(huì)使功率發(fā)生雙向性流動(dòng)，改變?cè)须娋W(wǎng)的潮流方向；另一方面，風(fēng)電、光伏發(fā)電等分布式電源具有能源間歇性的特點(diǎn)，為了使其能效能夠充分發(fā)揮，需要優(yōu)化分布式電源的調(diào)度管理，并通過(guò)分布式儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)潮流的動(dòng)態(tài)平衡。
（2）合理規(guī)劃分布式能源的接入方案。隨著分布式能源并網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，不同類型、容量和數(shù)量的分布式電源接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不再是單一的垂直輻射式，而是出現(xiàn)了雙向流動(dòng)的形式，因此必須合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)分布式電源的類型、安裝地點(diǎn)和容量等，有效發(fā)揮分布式能源和提高供電可靠性。
?。?）改進(jìn)繼電保護(hù)系統(tǒng)。大量分布式能源的接入，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)潮流的多方向流通，進(jìn)而使原有的繼電保護(hù)裝置能不滿足要求，因此必須對(duì)現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)從工作原理到動(dòng)作邏輯上加以改造，使之能夠靈活適應(yīng)的變化，確保將故障范圍鎖定在最小范圍內(nèi)。
（4）推廣微電網(wǎng)技術(shù)。微電網(wǎng)是指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。對(duì)于輸電成本高、對(duì)電能質(zhì)量要求高的集中電力用戶區(qū)，將分布式能源以微電網(wǎng)的形式接入大電網(wǎng)，是對(duì)分布式電源利用效能最高的一種方式。
4 小結(jié)
各種低碳技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用主要集中在可再生能源發(fā)電和終端用戶方面，使智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比在發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)的特性發(fā)生了重大改變，因此充分發(fā)揮需求側(cè)管理調(diào)節(jié)能力，合理地發(fā)展分布式能源并網(wǎng)，充分發(fā)揮可再生能源效用，對(duì)于建設(shè)智能電網(wǎng)有著重要的意義。
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