智能电网是电网和现代信息技术融合于一体的新型电网,其实施不仅能使用户获得高安全性、高可靠性、高质量、高效率和价格合理的电力供应,还能提高国家的能源安全,改善环境,推动可持续发展,同时能够激励市场和不断创新,从而提高国家的国际经济竞争力。智能电网已成为解决21世纪全球能源问题的新战略。智能电网涉及许多重要的理念,厘清这些理念有助于科学高效地实施智能电网工程。其中的一些基本理念可概括如下:
1智能电网最本质的特点
智能电网最本质的特点是:电力和信息的双向流动性,并由此建立起一个高度自动化和广泛分布的能量交换网络;把分布式计算和通信的优势引入电网,实现信息实时交换和达到设备层次上近乎瞬时的供需平衡。
①智能电网将由灵活的网络拓扑和集成的能量与通信系统组成。由于分布式电源广泛接入,电力网从上到下(输电网和配电网的)每条支路的潮流都可能是双向的和时变的。欲使智能电网的潜在效益最大化,网络的拓扑应该灵活,使用柔性交直流输、配电装置,且电力电子的智能万用变压器(IUT)已被看作智能配电网的基石(cornerstone)。进而电所及之处均有可靠的双向数字通信,从底层的传感器和智能代理开始能源网和信息通信网高度融合。
②广泛的分布式。鉴于分布式电源靠近电力负荷,功率与能量可以就地平衡,所以它可以降低电网的投资、网损和运维成本,再加之太阳能等可再生能源的成本正在大幅度减低,储能价格也在不断下降,以燃气为主的分布式能源(如冷热电联产CHP)系统的能源利用率已经可以大于80%,这一切都预示着分布式电源的单位电能成本与电网平价的时机已在视野之中。而且分布式电源可以提高对用户供电的可靠性,而在数字化社会中可靠性价值很高。所以设想中的智能配电网(含主动配电网和微网)将是分布式智能的基础设施(如图1所示),能够应对太阳能和风能发电等可再生能源的间歇性、多变性和不确定性,综合协调各种形式分布式能源的产生与消纳。
③由于恐怖袭击、军事威胁、元件故障、自然灾害等扰动所带来的风险的大量存在,迫切需要把电力系统的联锁停电的损失减到最小。这要求我们对思考系统的方法、系统的结构和许多正在进行中的复杂交互网络的研究作出重大改变。智能电网的分布式智能基础设施使其能够对上述扰动做出自愈的响应,在紧急状态下它能分片实现“自适应孤岛运行”,并且其后能够快速恢复全系统的正常运行,从而把电力系统联锁停电的损失减到最小。微网与大电网的无缝连接(如图2所示),也是建立在这一理念之上的。
④在智能电网中由于能够实时交换信息,且信息高度共享,致使(但不局限于):
用户中可平移负荷可与电网友好合作,从而实现消峰填谷(可提高资产利用率、提高发电效率和降低网损)和达到设备层次上近乎瞬时的供需平衡(如需求响应和负荷控制可对太阳能和风能等的间歇性、多变性和不确定性发挥补偿作用)。同传统电网把满足负荷需求作为刚性约束相比,这是革命性的变化,是实现社会可持续发展的需要。
能够开发高级电力市场,以实现电网公司、各种相关企业与电力用户效益的最大化。
面向电网运行人员的态势感知得以实现,从而大幅度减少联锁停电的发生,提高大电网的安全性和稳定性。
⑤智能电网将把集中式的、由生产者控制的电网转变成具有大量分布式电源的,并能与消费者更多互动的电网。未来智能配电系统的结构与控制策略必须能支持现在结构所不能支持的两个基本要求:
终端用户控制和总体配电系统控制综合考虑。终端用户系统拥有分布式电源,电力调节设备,无功补偿设备和能量管理系统。所有这些设备的控制必须和配电系统控制综合考虑,以达到系统性能的最优和期望的安全性与质量。
支持高比重的或不同比重的分布式能源(含储能)的接入,以提高系统的整体性、效率和灵活性。
综上所述可知,电网变迁的过程必将改变整个行业的业务模型。
2智能电网的总体设想
智能电网的总体设想是:智能化、高效、包容、激励、机遇、重视质量、抗干扰能力(鲁棒性)强和环保等。
①智能化:具有预测分析能力、可遥感系统过载能力和网络自动重构能力,即“预防性控制”和“自愈”能力,以防止或减轻潜在的停电危机;在需要系统做出人为无法实现的快速反应时,系统能根据电力公司、消费者和监管人员的要求自主地工作。
②高效:少增加甚至不增加基础设施就能满足日益增长的消费需求。
③包容:能够容易和透明地(开放式地)接受任何种类的能源,包括太阳能和风能;能够集成各种已经得到市场证明并可接入电网的优良技术,如成熟的储能技术。
④激励:使消费者与电力公司之间能够实时地沟通,消费者可以根据个人偏好定制电能应用和消费。
⑤机遇:具有随时随地利用即插即用的能力,从而创造新的机遇和市场。
⑥重视质量:能够提供数字化经济所需要的可靠性和电能质量(如极小化电压的凹陷、尖峰、谐波、干扰或中断)。
⑦抗扰能力:自愈、更为分散,并采用了安全协议,使系统在自然灾害和人为攻击出现后具有可快速恢复的能力,这样可以在不需大规模增加投资的情况下,减少系统的停电损失。
⑧环保:减缓全球气候变化,提供可大幅度改善环境的切实、有效的途径。
3智能电网的近期和远期目标
设想中的智能电网(SmartGrid)将像互联网那样改变人们的生活和工作方式,并激励类似的变革。由于智能电网需要持续的研发和颠覆性的技术突破,所以其实现会是一个较为漫长的和多种技术长期共存的过程,回顾一下互联网的发展历史就会明白。短期内可以着眼于实现一个较为智能的电网(smartergrid),利用已有的或即将可以配置的技术使目前的电网更有效,使其在提供优质电力的同时,还可以创造较大的社会效益(如改善环境)。电气车辆和绿色建筑可能成为智能电网最具冲击性的应用。
4智能电网的相关技术将像互联网一样催生新的技术和商业模式,实现产业革命
智能电网的相关技术可以分为如下3类:
①智能电网技术,如图3所示,包括广域量测系统(WAMS)、信息和通信技术(ICT)的集成、可再生的和分布式的发电的集成、输电的扩展应用、配电网管理、高级量测基础设施(AMI)、电动车辆充电基础设施和用户侧系统等。
②智能电网可带动的技术,包括风力发电机组、光伏发电装置、插件式电动汽车、绿色节能建筑和智能家电等。
③为智能电网创建平台的技术,包括综合的通信技术、传感和测量技术、储能技术、电力电子技术、诊断技术和应用超导技术等。
为了加速智能电网的实现,在智能电网中将应用工业界最好的技术和理念,如开放式的体系结构、互联网协议、即插即用技术、共同的技术标准、非专用化和互操作性等。事实上,有些技术已经在电网中得到应用,但只有在体现智能电网的双向数字通信和即插即用能力的时候,其潜能才会充分喷发出来。
5重视效益
智能电网是不断发展的,需要进行持续的研究以预测不断变化的需求,评估不断变化的收益和成本。在实施智能电网时,需要时刻考虑所做的工作是否适用于市场？是否可激励用户参与？是否可实现资产优化？是否能够获得高效运行？电力公司和监管机构应该持续地向消费者展示智能电网的效益最终是会超过其成本的,同时确保向消费者提供合理的买得起的电价。因此应该注意:
创新驱动发展,以获得大量的知识产权,降低智能电网的成本,提高智能电网的效益。
事先进行充分的成本效益分析,缩短成本回收年限。
顺序是有价值的,科学合理的智能电网实施顺序,可最大限度地发挥投资的效益。2009年3月19日,美国联邦能源管制委员会(FERC)指出了智能电网4个优先开发的领域,分别为:广域态势感知;需求响应(需求侧管理);电能存储;电气车辆。此外,美国国家标准与技术研究院(NIST)还提出应包括:通信;信息;配电网管理项目;高级量测体系。
6实施智能电网所面临的挑战是巨大的
智能电网面临的挑战是极其广泛的,涉及许多技术、体制和社会问题。厘清其发展过程中关键性的障碍,可以帮助明确如何才能使其最大限度地发挥潜能,从而为国家提供广泛的社会和经济效益。这当中需要特别注意的是:
①智能电网的性质决定其参与者不再局限于电力公司和电力设备厂商,还应包括广大消费者和众多其他产业,不仅涉及广泛的利益相关者,而且其组织、研发和实施均十分复杂,因此,需要由国家尽早制定相应的法律、政策、标准和发展路线图,并实现强有力的智能电网监管,以鼓励、支持和指导更多的企业和人群的参与。
②需要开放高级电力市场和出台激励智能电网投资的新法规。其中包括:实施分时或实时电价,使电能的商品市场价值得到合理的体现;制定鼓励分布式电源卖电回电网的政策,如分布式清洁能源的上网电价政策;保证电力公司智能电网投资成本回收的政策等。
事实上,智能电网是跨学科产物,在它的提出和发展过程中已经融入了许多互联网的理念和成功经验。今后为了加强智能电网的创新,能源领域的科研人员和工程师仍然需要与信息科学的同行密切合作,并使用共同的语言和协议,以确保智能电网最大限度地发挥潜能,为人类和国际社会提供广泛的社会和经济效益。
原标题：【专家观点】余贻鑫院士谈智能电网基本理念
