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、電網(wǎng)結構、電能質量4個方面，闡述了智能電網(wǎng)產生的背景；深入探討了各國對智能電網(wǎng)的定義及原因；分析了智能電網(wǎng)的特征及基本要求，并著重對智能電網(wǎng)在用戶側的兩項先進技術——需求側管理和分布式能源并網(wǎng)進行了分析，對于總結智能電網(wǎng)在用戶側的發(fā)展有一定的價值。
關鍵詞： 智能電網(wǎng)；需求側管理；分布式能源
0 引言
傳統(tǒng)能源日漸短缺和環(huán)境污染問題是制約人類社會持續(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，也受到能源、環(huán)境、經濟、政治等因素的考驗，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可，并逐漸通過電采暖、電動汽車的廣泛推廣。（3）電網(wǎng)結構的潛在威脅。大電網(wǎng)結構逐漸形成，電網(wǎng)結構高度互聯(lián)，因此小范圍的故障都有可能蔓延到全網(wǎng)。與此同時電力設備也日漸老化，老化的電力設備不易被察覺，容易造成小范圍的故障。（4）電能質量的要求日益提高。隨著各類金融中心、數(shù)據(jù)中心的成立，電力用戶對電能質量的要求也日益提高，與此同時，電力電子設備的廣泛應用會對電能質量產生負面的影響。
在如此嚴峻的形勢下，保證電力系統(tǒng)可靠、安全、環(huán)保、智能的運行，是21世紀電網(wǎng)人面對的困難和挑戰(zhàn)。在這樣的發(fā)展背景下，智能電網(wǎng)（Smart Grid）的概念應運而生，并在全球范圍內得到廣泛認同，成為世界電力工業(yè)的共同發(fā)展趨勢。世界各國都制定了各自的智能電網(wǎng)發(fā)展路線，2006年美國IBM公司與電力企業(yè)合作，研究智能電網(wǎng)的建設發(fā)展方案；2007年，我國華東電網(wǎng)也啟動了智能電網(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、可再生能源技術、新型交通技術等各種低碳技術將大規(guī)模應用于電網(wǎng)，安全、穩(wěn)定、高效、經濟的智能電網(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，探討了實現(xiàn)智能電網(wǎng)過程中的用戶側的兩項先進技術——需求側管理和分布式能源并網(wǎng)，對于總結智能電網(wǎng)在用戶側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世紀初就已經被提出，然而目前國際上仍然未形成統(tǒng)一的“智能電網(wǎng)”的定義[3~5]。
美國能源部在其研究報告中將智能電網(wǎng)描述為：智能電網(wǎng)是指將先進的數(shù)字化技術應用于現(xiàn)代電網(wǎng)中，包括輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)、電力消費者以及分布式發(fā)電及儲能技術，提高電網(wǎng)運行的可靠性、安全性和運行效率。
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、經濟電力供應的同時，將接于電網(wǎng)的用戶——電能生產者、消費者、產消合一者智能化地集成為一個整體。
中國國家電網(wǎng)公司將其提出的堅強智能電網(wǎng)描述為:以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展的堅強網(wǎng)架為基礎，以通信信息平臺為支撐，具有信息化、白動化、互動化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度六大環(huán)節(jié)，涵蓋所有電壓等級，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務流”的高度一體化融合，具有堅強可靠、經濟高效、清潔環(huán)保、透明開放和友好互動內涵的現(xiàn)代電網(wǎng)[6-7]。
以上3種對于智能電網(wǎng)的定義側重點不同，這是因為各個國家的能源結構、電網(wǎng)狀況、管理體制等背景不同。美國是將數(shù)字化引入智能電網(wǎng)的概念，試圖將先進的IT技術與大電網(wǎng)技術相融合，驅動電網(wǎng)智能化的發(fā)展；歐洲國家的輸電網(wǎng)已經基本成型，歐洲國家所提出的智能電網(wǎng)主要側重于配電網(wǎng)的智能化和自動化；國內輸電網(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，中國的智能電網(wǎng)更加側重于輸電網(wǎng)的智能化。
2 智能電網(wǎng)的特征及基本要求
雖然各國對于對于智能電網(wǎng)定義的側重點略有不同，然而通過分析可以看出以上智能電網(wǎng)的定義有5項關鍵特征。如圖1。
自愈:實時掌握電網(wǎng)運行狀態(tài)，預測電網(wǎng)運行趨勢，及時發(fā)現(xiàn)、快速診斷故障隱患和預防故障發(fā)生;故障發(fā)生時，無需或只需少量人工干預，就能夠快速隔離故障，自我恢復，避免大面積停電的發(fā)生。
兼容:電網(wǎng)能夠同時適應集中式發(fā)電和分布式發(fā)電模式，實現(xiàn)與負荷側的交互，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)境的諧調發(fā)展。
優(yōu)化:優(yōu)化資產規(guī)劃、建設、運行、維護等各個環(huán)節(jié)，提高資產的利用效率，降低運行、維護和投資成本。
互動:實現(xiàn)與用戶的智能互動，有效展開電力交易，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，提供最佳的電能質量和供電可靠性。
集成:實現(xiàn)監(jiān)測、控制、保護、維護、調度和電力市場管理等數(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、集成5項特征的智能電網(wǎng)能夠充分利用現(xiàn)代測量、通信、計算機、自動化等IT技術，達到電網(wǎng)運行更可靠、更靈活、更經濟，為用戶提供更優(yōu)質的服務目標。這與現(xiàn)行電網(wǎng)運行的安全、經濟、電能質量的基本目標相一致，并且還強調了智能電網(wǎng)的靈活性、可監(jiān)控、互操作性三項基本要求。
?。?）靈活性
靈活性是指在電網(wǎng)運行過程中，系統(tǒng)功率/負荷發(fā)生較快的變化，引起較大功率波動時，能夠通過調整發(fā)電機出力或電力負荷，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，不可控源主要來自用戶側，電力流總體呈發(fā)電-輸電-變電-配電單向流動；然而在智能電網(wǎng)中，由于多樣化電力負荷的快速增長，高密度、高滲透率的分布式電源的廣泛應用，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鍵問題就是提高調動系統(tǒng)靈活源的能力，并對其實時管理控制，使其能有效跟蹤不可控源的電力生產和消費，在保持系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)全系統(tǒng)的實時平衡。
?。?）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)測和控制，實時跟蹤電網(wǎng)中靈活源的動態(tài)，保證系統(tǒng)潮流的實時平衡；再者，隨著社會的發(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)更多地運行在臨界穩(wěn)定運行狀態(tài)，加大了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定風險。為了保持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，需要進一步提高電網(wǎng)的可監(jiān)控性。
?。?）互操作性
互操作性是指保證2個或更多網(wǎng)絡、系統(tǒng)、設備、應用或元件之間相互通信以及在不需要過多人工介入即可有效、安全、協(xié)調運行的能力。
為了提高電網(wǎng)的智能化，智能電網(wǎng)需在多個層級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)有設施的基礎上進行擴展和升級，因此需要現(xiàn)代信息通信技術、傳感技術、控制技術和電力技術的完美結合，提高電網(wǎng)的互操作性，實現(xiàn)智能電網(wǎng)的各種互動與交易需求。
目前各國學者對于電網(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、互操作性三個方面展開的。如今國內在提高電網(wǎng)可監(jiān)控性方面開展了大量的工作，在提高電網(wǎng)靈活性和互操作性方面研究不足，特別是在需求側管理方面，受到各方面因素的制約。
3 智能電網(wǎng)主要技術
國內提出的智能電網(wǎng)技術領域非常廣泛，覆蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調度6個環(huán)節(jié)，包括了高級計量基礎設施、高級配電運行系統(tǒng)、高級輸電運行系統(tǒng)、高級資產管理系統(tǒng)4個技術支持系統(tǒng)，涵蓋了需求側管理技術、新能源并網(wǎng)技術、廣域測量技術等[8-9]。智能電網(wǎng)與現(xiàn)代電網(wǎng)的區(qū)別如表1。
3.1 需求側管理
需求側管理是指電力用戶針對市場價格信號或激勵機制做出響應，并改變原有電力消費模式的行為。電力需求側管理從根本上改變了單純依靠電源建設來滿足電力需求增長的傳統(tǒng)理念，它是將電力需求側納入規(guī)劃，與供應側資源統(tǒng)一管理優(yōu)化，通過整合各類先進的信息、控制及通信技術，增強了電網(wǎng)與用戶的互動性，實現(xiàn)了電力能源消耗的動態(tài)管理[10]。
現(xiàn)今電力企業(yè)實施需求側管理主要從以下幾個方面進行：
（1）智能電表。智能電表是實現(xiàn)需求側管理的信息終端和控制終端。智能電表通過幾代的發(fā)展，不僅能夠實時的記錄用戶的用電信息，而且由于其與通信網(wǎng)絡友好接入，因此新一代智能電表還具有遠程抄表，分段記錄、故障定位、電能質量監(jiān)測及竊電監(jiān)測等功能，初步實現(xiàn)了電網(wǎng)與用戶的友好交互。
?。?）雙向通信。實時、高速與集成的雙向通信技術是實現(xiàn)智能電網(wǎng)與用戶之間信息互動的基礎，也是確保智能電網(wǎng)實現(xiàn)開放式“即插即用”電網(wǎng)架構的先決條件。雙向通信可以輔助用戶實時合理、快速與準確參與各類需求側管理項目。
（3）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，以實現(xiàn)智能電網(wǎng)可靠地獲取用戶的用電信息，實現(xiàn)遠程負荷監(jiān)控等用戶管理。用戶也可以通過用戶門戶實現(xiàn)在線預付電費、定制需求側相應策略等。
?。?）智能家居。智能家居是指將家庭中的各種用電設備、家庭安全報警系統(tǒng)、智能電表等通過互聯(lián)網(wǎng)與電腦相連，使用戶可以遠程控制家庭內的用電設備，并向用戶反映各類電器的電費影響，協(xié)助用戶決策家用電器的合理使用，增強用戶在需求側管理的參與度。
（5）改進的客戶服務。為了提升用戶參與需求側管理的積極性，電力企業(yè)需要改進客戶服務，包括靈活的計費方式、多種可選擇的電價方案、停電預通知、詳實的電費信息、電能節(jié)約向導等。
3.2 分布式能源并網(wǎng)
近年來，分布式能源技術發(fā)展迅速，在丹麥、芬蘭、挪威等北歐國家，現(xiàn)有的分布式發(fā)電裝機容量己超過其總裝機容量的30%?？梢灶A見，隨著傳統(tǒng)資源逐漸枯竭，人們的環(huán)保意識增強，分布式能源的發(fā)展將會進一步加大[11]。
分布式能源是指安裝在用戶側的能源綜合利用系統(tǒng)，主要包括分布式電源和分布式儲能系統(tǒng)，同時還包含負荷側能量管理系統(tǒng)和熱電聯(lián)產系統(tǒng)。其中，分布式電源的形式包括風力發(fā)電、光伏發(fā)電、微型燃汽輪機和小水電等，分布式儲能系統(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，對于電網(wǎng)結構、能量形式、保護控制也帶來了考驗，電網(wǎng)中功率流動、信息交換和控制方式的復雜程度大大增加。因此需要從以下幾個方面探索分布式能源并網(wǎng)的問題。
?。?）優(yōu)化分布式能源并網(wǎng)的運行管理。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)會使功率發(fā)生雙向性流動，改變原有電網(wǎng)的潮流方向；另一方面，風電、光伏發(fā)電等分布式電源具有能源間歇性的特點，為了使其能效能夠充分發(fā)揮，需要優(yōu)化分布式電源的調度管理，并通過分布式儲能裝置實現(xiàn)電網(wǎng)潮流的動態(tài)平衡。
?。?）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)結構不再是單一的垂直輻射式，而是出現(xiàn)了雙向流動的形式，因此必須合理規(guī)劃和設計分布式電源的類型、安裝地點和容量等，有效發(fā)揮分布式能源和提高供電可靠性。
?。?）改進繼電保護系統(tǒng)。大量分布式能源的接入，會導致系統(tǒng)潮流的多方向流通，進而使原有的繼電保護裝置能不滿足要求，因此必須對現(xiàn)有保護系統(tǒng)從工作原理到動作邏輯上加以改造，使之能夠靈活適應的變化，確保將故障范圍鎖定在最小范圍內。
?。?）推廣微電網(wǎng)技術。微電網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、相關負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠實現(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤立運行。對于輸電成本高、對電能質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)，是對分布式電源利用效能最高的一種方式。
4 小結
各種低碳技術的大規(guī)模應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)電側和用戶側的特性發(fā)生了重大改變，因此充分發(fā)揮需求側管理調節(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，對于建設智能電網(wǎng)有著重要的意義。
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