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    董小瑞，喬 琨(山西省電力公司運(yùn)城供電分公司，山西運(yùn)城044000)

    摘 要：隨著“智能電網(wǎng)”概念的提出，大家對(duì)于發(fā)展智能電網(wǎng)的重-Pr性和宏觀意義認(rèn)識(shí)高度一致。然而對(duì)于智能電網(wǎng)要解決的問題、電網(wǎng)的模式、服務(wù)的對(duì)象和要解決的關(guān)鍵技術(shù)等仍在探索。針對(duì)這些問題提出了構(gòu)建大主干網(wǎng)下的智能化微網(wǎng)，協(xié)調(diào)我國因能源分布不均衡所必須的大電網(wǎng)與安全和可持續(xù)發(fā)展要求下的互聯(lián)網(wǎng)式分布電網(wǎng)之間的矛盾。它對(duì)中國未來的智能化電網(wǎng)提供了一種可行的發(fā)展模式。

    關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；分布能源；微網(wǎng)；關(guān)鍵技術(shù)

   中圈分類號(hào)：TM 734    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

    奧巴馬的能源新政使“智能電網(wǎng)”成為全球能源界熱議的焦點(diǎn) ]。為提高美國電網(wǎng)安全水平以滿足不斷增加的電力需求，美國能源部成立了負(fù)責(zé)輸配電的辦公室(()ETD)，并提出了構(gòu)建安全可靠電網(wǎng)的“Grid2030計(jì)劃”。該計(jì)劃旨在采用先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)材料、超導(dǎo)技術(shù)、電力電子控制技術(shù)、廣域測量技術(shù)、實(shí)時(shí)仿真技術(shù)、分布式的微型燃?xì)饫錈犭娂夹g(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、可再生能源發(fā)電技術(shù)等，構(gòu)建全美骨干電網(wǎng)、區(qū)域性電網(wǎng)、地方電網(wǎng)和由分布式能源系統(tǒng)支撐的微電網(wǎng)等多層次電力網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，以保障整個(gè)電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性和負(fù)荷變化的應(yīng)對(duì)性、供電的可靠性、電能品質(zhì)的優(yōu)良，提高能源利用效率，減少污染排放。

    在歐洲，其電力發(fā)展模式是向分布式發(fā)電、交互式供電的分散智能電網(wǎng)過渡，更加強(qiáng)調(diào)對(duì)環(huán)境的保護(hù)和可再生能源發(fā)電的發(fā)展l3 ]。目前這些國家和地區(qū)的電網(wǎng)是聯(lián)合的，但由于交互式供電、柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)的發(fā)展方向在發(fā)生改變。其把天然氣作為發(fā)電用能源，發(fā)電裝機(jī)的增量或存量調(diào)整主要依賴新能源或可再生能源，電力需求趨于飽和，因此，他們能源發(fā)展終期目標(biāo)是分布式發(fā)電，而不是強(qiáng)調(diào)電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大。

    1 中國電網(wǎng)現(xiàn)狀

    在中國，2020年發(fā)電總裝機(jī)容量將超過16億kW，煤、水、風(fēng)等能源資源與生產(chǎn)力布局很不平衡，這決定了中國必須走大規(guī)模集中開發(fā)、遠(yuǎn)距離外送電之路，這需要主干輸電網(wǎng)的保障。因此，國網(wǎng)提出了“堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)”的概念。然而，一個(gè)“堅(jiān)強(qiáng)的國家電網(wǎng)”僅靠特高壓、超高壓端的鞏固是不夠的，也難以確保“堅(jiān)強(qiáng)”。

    “8•14”大停電告訴我們，僅僅憑借電網(wǎng)自身的能力，即便采用更多的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，也無法確保供電安全l5]。自然災(zāi)害、恐怖襲擊等都可以隨時(shí)使電力系統(tǒng)癱瘓。金字塔式的由上至下的電力系統(tǒng)，無法滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電能品質(zhì)、供電安全、能源利用效率、溫室氣體排放控制的要求。只有通過實(shí)施更有效的需求側(cè)管理，建立各種各樣的分布式能源系統(tǒng)，發(fā)展智能化的微電網(wǎng) 。]，調(diào)動(dòng)更多的市場主體以及更大能源消費(fèi)者積極參與，從用電終端響應(yīng)供電安全和提高能效，才可能從根本上解決電力系統(tǒng)的安全性和可持續(xù)發(fā)展等難題。

    2 我國智能電網(wǎng)可行的發(fā)展模式

    2．1 智能電網(wǎng)要解決的問題

     我們的智能電網(wǎng)要解決什么問題，這是目前需要弄清的一個(gè)焦點(diǎn)。智能電網(wǎng)要服務(wù)于終端用戶，而不是僅僅服務(wù)于大電網(wǎng)。要首先從終端實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置，要解決用戶自己的可再生能源和分布式能源，以及資源綜合利用發(fā)電設(shè)備的系統(tǒng)接入和電能利用，而不是數(shù)千公里之外的“風(fēng)電三峽”、“光伏三峽”、“生物質(zhì)三峽”的潮起潮落。智能電網(wǎng)要解決如F問題：

    (1)精確供能—— 提高需求側(cè)的節(jié)能效率。通過電子感應(yīng)、探測、遙控等信息技術(shù)對(duì)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并進(jìn)行智能化分析、控制，實(shí)現(xiàn)高效精確供能。在人們需要的地方，按需求能源的形式，以實(shí)際需求的量度，有針對(duì)性地進(jìn)行能源供應(yīng)。比如，在有人的房間，根據(jù)室內(nèi)的實(shí)際照度、使用者對(duì)色溫的要求，進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹⒂嗅槍?duì)性的照明，就可以既滿足人的需求，又將能源浪費(fèi)控制在最低水平，擺脫長期以來靠人的自覺性節(jié)能的被動(dòng)方式，使人們?cè)谏钯|(zhì)量不受影響甚至更舒適的情況下，靠信息技術(shù)進(jìn)步將能源節(jié)約下來。

     (2)電網(wǎng)自由接入—— 通過供需互動(dòng)解決分布式能源及可再生能源并網(wǎng)。

    太陽能發(fā)電、風(fēng)電、燃料電池、生物質(zhì)發(fā)電等可再生能源，其電力品質(zhì)難以符合人們的需求，使可再生能源電力接人系統(tǒng)受到很大限制。對(duì)于傳統(tǒng)的被動(dòng)受電式電網(wǎng)，這樣的電能大量接入系統(tǒng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)和其他電源的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及安全構(gòu)成危脅。如何通過能源供應(yīng)和能源使用的互動(dòng)，解決好可再生能源的優(yōu)化利用，一直就是一個(gè)極大的難題。

    (3)需求側(cè)管理^l8-10l—— 提高終端響應(yīng)能力。靠人的積極性進(jìn)行需求側(cè)管理，電力緊張時(shí)，需求側(cè)管理成為拉閘限電的代名詞；電力過剩時(shí)，需求側(cè)管理成了電力促銷，“保增長”的手段。在目前電力體制的利益格局下，需求側(cè)管理對(duì)于優(yōu)化用電結(jié)構(gòu)、平衡系統(tǒng)運(yùn)行的作用難以發(fā)揮，也難以奏效。依靠信息智能控制技術(shù)，將需求側(cè)管理融人到每一個(gè)電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)上和系統(tǒng)的構(gòu)建上，并使終端與電網(wǎng)及分布式能源進(jìn)行響應(yīng)和交流，可以從根本上解決需求側(cè)管理希望解決的問題。比如，一座建筑、一個(gè)工廠有無數(shù)個(gè)電動(dòng)機(jī)，電梯、水泵、風(fēng)機(jī)都要電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流是運(yùn)行中電流的5～7倍，如果同時(shí)啟動(dòng)將占用大量供電系統(tǒng)的負(fù)荷容量。如果通過智能控制，將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間錯(cuò)開，就可以節(jié)約大量的裝機(jī)容量和相關(guān)投資。

    (4)為蓄電式交通工具和蓄電式農(nóng)機(jī)的大規(guī)模使用提供優(yōu)化控制平臺(tái)。

    未來的交通動(dòng)力系統(tǒng)將依靠電力提供能源，大力發(fā)展蓄電式交通工具和蓄電式農(nóng)機(jī)，減少對(duì)石油資源的依賴，將成為全世界的必然趨勢。燃油為交通工具提供動(dòng)力的能源轉(zhuǎn)換效率在15 ～20 之間，很難再大幅度提升。而電能轉(zhuǎn)換動(dòng)能的效率可達(dá)9O ，加之蓄電池充電放電效率在90 。電動(dòng)汽車的能源利用效率在32 ～47 ，較燃油汽車提高1～2倍以上。但是，大量的蓄電式交通工具和農(nóng)機(jī)在什么時(shí)候充電才能既不增加電網(wǎng)負(fù)荷，又能利用多余的電能，還能作為電網(wǎng)調(diào)節(jié)和安全的重要組成部分，成為必須進(jìn)行管理的問題。所以，我們需要一個(gè)智慧而聰明的電網(wǎng)，充分利用彼此的優(yōu)勢，彌補(bǔ)不足，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化整合。

    (5)為智能化電器和信息家電建立一個(gè)創(chuàng)新的平臺(tái)。

    發(fā)展智能電網(wǎng)，電力線數(shù)字化通信的應(yīng)用將不可回避 ^[11] 。按目前的技術(shù)，使用220 V 電線可以達(dá)到200 M 帶寬的通信速度，而大多數(shù)電話線的通信速度僅為2 M，少數(shù)用戶可以得到10 M 帶寬的電話線通信服務(wù)，即使到2012年達(dá)到20 M 的帶寬，也遠(yuǎn)不及電力線目前的水平。如果將電力線作為局域信息交互平臺(tái)，互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字視頻電話、數(shù)字電視都可以借助這一通道，幾乎無成本地普及信息化。人類正在從互聯(lián)網(wǎng)走向物聯(lián)網(wǎng)，而電力線最適合將各種電器設(shè)備鏈結(jié)在一起。

    2．2 大主干網(wǎng)下的智能化微網(wǎng)在我國，一方面由于能源產(chǎn)地和需求地極不均衡，為促進(jìn)電源集約化建設(shè)和規(guī)模化經(jīng)營，減少投資和運(yùn)營成本以及跨地區(qū)聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)需要，必須建立特高壓、大電網(wǎng)；另一方面是由于對(duì)大電網(wǎng)崩潰后可怕后果的擔(dān)憂，采用分布式發(fā)電的智能電網(wǎng)成為新能源和可持續(xù)發(fā)展需求下必須的發(fā)展方向。為了發(fā)揮大電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，并整合分布式發(fā)電的優(yōu)勢，削弱分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響，本文提出了構(gòu)建大主干網(wǎng)下的智能化微網(wǎng)的電網(wǎng)發(fā)展模式^[12-13] 。 。如下圖，給出了智能微型電網(wǎng)的一種形式，其具體的結(jié)構(gòu)隨負(fù)荷等方面的需求而不同。但是其基本單元應(yīng)包含微能源、蓄能裝置、管理系統(tǒng)以及負(fù)荷。其中大多數(shù)微能源與電網(wǎng)的接口都要求是基于電力電子的，以保證微電網(wǎng)以單個(gè)系統(tǒng)方式運(yùn)行的柔性和可靠性。

                       

   以這種方式組織分布式電源而形成的微型電網(wǎng)的重要優(yōu)勢來自于它對(duì)周圍的配電網(wǎng)呈一個(gè)可自我控制的獨(dú)立個(gè)體，并便于實(shí)現(xiàn)終端用戶電能質(zhì)量管理和能源的梯級(jí)利用。它遵循電網(wǎng)規(guī)則，并能給電網(wǎng)提供更多的價(jià)值。它可作為可中斷或可控負(fù)荷，以減少網(wǎng)絡(luò)擁塞和其他威脅。可進(jìn)入獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，保證微型電網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷和敏感負(fù)荷的供電安全性。它將實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)用戶及每一個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)視和控制，確保從電源到用電器之間實(shí)時(shí)、高速、雙向的電力潮流及相關(guān)數(shù)據(jù)信息流。分布智能、寬帶通信、監(jiān)視和控制以及自動(dòng)響應(yīng)，使人、電器、樓宇、工業(yè)過程與電力網(wǎng)絡(luò)之間的接口沒有縫隙，可進(jìn)行實(shí)時(shí)的互動(dòng)、互助、互補(bǔ)和相互交易。如在該電網(wǎng)中，用戶可以通過調(diào)節(jié)用電秩序，關(guān)閉或啟動(dòng)燃?xì)狻⑷剂想姵氐龋刂菩枨髠?cè)和蓄電設(shè)備(電動(dòng)汽車)調(diào)節(jié)等多樣化手段，解決分布式可再生能源的自由接入和精確供能。

    另外，微型電網(wǎng)能提供優(yōu)良的電能質(zhì)量和其他輔助性服務(wù)，如電壓支撐、向外饋送電能甚至提供黑啟動(dòng)能力。其主要框架結(jié)構(gòu)是由集中式發(fā)電和遠(yuǎn)距離輸電骨干網(wǎng)、地區(qū)輸配電網(wǎng)、以微型電網(wǎng)為核心的分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的統(tǒng)一體，能夠節(jié)省投資，降低能耗，提高能效，提高電力系統(tǒng)可靠性、靈活性和供電質(zhì)量。該微網(wǎng)可能形成如下的發(fā)展模式：① 大型社區(qū)熱電冷聯(lián)供模式，以清潔燃料及屋頂光伏和吸熱系統(tǒng)做能源，提供制冷、采暖、生活熱水的集中空調(diào)設(shè)備。實(shí)施“庭院式”熱電冷聯(lián)供，充分利用儲(chǔ)能設(shè)備和低谷電力資源為用戶的交通工具蓄電。② 是大企業(yè)聯(lián)動(dòng)模式。部分大型鋼鐵企業(yè)和化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中，將產(chǎn)生大量熱能，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，不僅供自身使用，也輸送到廠區(qū)之外供附近居民使用。依托信息化、數(shù)字化和精確快速的測量和計(jì)算方法，使其與各種清潔能源系統(tǒng)相互提供冗余備份容量，相互提供安全保障。③是園區(qū)聯(lián)動(dòng)模式。在工業(yè)園區(qū)內(nèi)，廣泛采用太陽能面板構(gòu)成園區(qū)廠房外墻、屋頂和安裝微型風(fēng)電機(jī)組，建設(shè)廢棄物品回收利用站，有針對(duì)性地發(fā)展垃圾處理技術(shù)，變垃圾為燃料，建立“生態(tài)園區(qū)”。

    3 智能電網(wǎng)發(fā)展需要的關(guān)鍵支撐技術(shù)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(APF)技術(shù)；大型風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)等等。根據(jù)美國能源部下屬國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)“現(xiàn)代電網(wǎng)”中技術(shù)方面定義和分類，對(duì)其支撐的關(guān)鍵技術(shù)可分為五類：

    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。

    ②傳感、計(jì)量和測量技術(shù)。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。

    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。它包括超導(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。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)。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、需求響應(yīng)等)。

    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)。
   
                  
      
   
    4 結(jié)語

    我國的電力系統(tǒng)應(yīng)該朝著集中式與分布式發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的供能系統(tǒng)方向發(fā)展。其主要框架結(jié)構(gòu)應(yīng)該是由集中式發(fā)電和遠(yuǎn)距離輸電骨干網(wǎng)、地區(qū)輸配電網(wǎng)、以微型電網(wǎng)為核心的分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的統(tǒng)一體，微型電網(wǎng)將成為分布式發(fā)電在區(qū)域配網(wǎng)內(nèi)滲透的主要載體形式，而成為地區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)制式和電力系統(tǒng)的基本構(gòu)件。集中發(fā)電與分布式微
型電網(wǎng)相結(jié)合可以節(jié)省投資和減少投資的風(fēng)險(xiǎn)，降低能耗，提高能效，提高電力系統(tǒng)可靠性、靈活性和供電質(zhì)量，將成為21世紀(jì)電力工業(yè)的重要發(fā)展方向。

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