能源作為人類生存和社會發(fā)展的基礎(chǔ)性資源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基本物質(zhì)保障，它既是經(jīng)濟(jì)資源，也是戰(zhàn)略資源和政治資源。目前以化石能源為主要形式的能源結(jié)構(gòu)將受到能源枯竭和溫室氣體排放的雙重挑戰(zhàn)，今后能源結(jié)構(gòu)將從現(xiàn)在以化石能源為主，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥稍偕茉礊橹鳎绾螌崿F(xiàn)這一轉(zhuǎn)變是人類所面臨的重大課題，也是發(fā)展智能電網(wǎng)的最終目標(biāo)。本文從未來能源發(fā)展的要求出發(fā)，提出了智能電網(wǎng)的目標(biāo)、使命和社會屬性，闡述了智能電網(wǎng)的基本原理和主要應(yīng)用，以及信息和通信技術(shù)所發(fā)揮的作用。

未來能源的發(fā)展

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，縱觀人類社會發(fā)展歷史，人類文明每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)和更替。在過去一百多年里，人類經(jīng)歷了從傳統(tǒng)可再生能源和薪柴時期、煤炭時期、石油時期三個不同階段，今后將進(jìn)入新能源與可再生能源利用的新時期（圖1-1，圖1-2）。

隨著人類使用能源特別是化石能源越來越多，能源對人類經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的制約越發(fā)突出，對賴以生存的自然環(huán)境的影響也越來越大，礦物質(zhì)能源最終將消耗殆盡，因此，人們開始對風(fēng)能、太陽能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)岬鹊拈_發(fā)研究與利用。2004年歐洲聯(lián)合研究中心（JRC）根據(jù)各種能源技術(shù)的發(fā)展?jié)摿捌滟Y源量，對未來100年的能源需求總量和結(jié)構(gòu)變化做出預(yù)測：可再生能源的比重將不斷上升，2020、2030、2040、2050和2100年將分別達(dá)到20%、30%、50%、62%和86%。其中，太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)中的比重將越來越大。

圖1-3 世界未來能源需求結(jié)構(gòu)變化預(yù)測

在能源發(fā)展史上，一種新的能源占能源總供應(yīng)量的比重由１％上升到50％，替換周期平均需100年。大規(guī)模能源系統(tǒng)的建設(shè)周期一般需要20—30年，新能源從開始研究到推廣應(yīng)用的周期則需要30—50年，許多國家和地區(qū)將可再生能源作為其能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，已有30多個發(fā)達(dá)國家和100多個發(fā)展中國家制定了全國性的可再生能源發(fā)展目標(biāo)，以推動可再生能源的發(fā)展，使之最終代替常規(guī)化石燃料。面對這樣一種能源結(jié)構(gòu)和形式的變化，將會引起一系列經(jīng)濟(jì)和社會的變革。因此，解決能源的結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型問題必須有長遠(yuǎn)的觀點，面向未來能源的發(fā)展深入分析傳統(tǒng)電網(wǎng)存在的問題，研究和探討解決問題的方法與途徑。

傳統(tǒng)電網(wǎng)的關(guān)鍵難題

傳統(tǒng)電網(wǎng)（或稱電力系統(tǒng)）是以“發(fā)電、輸電、配電和用電”這種單一流向的供電模式，以電能的生產(chǎn)和使用為基本目標(biāo)，是工業(yè)化社會中電力大量生產(chǎn)和大量消費的基礎(chǔ)，也是工業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模效益的具體體現(xiàn)。在電力規(guī)劃和設(shè)計時，更多地從電力負(fù)荷需求和一次能源生產(chǎn)出發(fā)，研究和確定電源點、輸電路徑、送電容量和電壓等級，以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，很少考慮需求側(cè)的能源利用問題。在整個能源生產(chǎn)、供給，直到終端用戶消費的過程中，有56.2%的能源被浪費，而僅在電力生產(chǎn)過程中就有平均68.8%的能源損失，電力傳輸和分配過程中還有約5%的能源損失（圖2-1）。

在電力生產(chǎn)流程中，生產(chǎn)的電力與用戶消耗的電量需要平衡，與其他工業(yè)生產(chǎn)利用供應(yīng)鏈上的存儲實現(xiàn)供需平衡的方式所不同，電力的供需平衡主要通過電力資產(chǎn)（設(shè)備或設(shè)施）的備用，以及對發(fā)電生產(chǎn)的調(diào)度，實現(xiàn)發(fā)、供平衡。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，僅為數(shù)不多的抽水蓄能電站具有儲能調(diào)峰的功能，由于負(fù)荷在各時間段的非均衡性，致使大量的發(fā)電和電網(wǎng)資產(chǎn)處于非飽滿利用狀態(tài)，以北美電網(wǎng)為例，發(fā)電與電網(wǎng)資產(chǎn)在95%的時間里，其利用率分別低于75%和90%（圖2-2），也就是說它們在絕大部分時間內(nèi)不能得到充分利用。

此外，近年來風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電快速發(fā)展，特別是風(fēng)電的發(fā)展勢頭迅猛，遍布全國各地，陸基、海基風(fēng)電齊頭并進(jìn)，按照我國新能源振興規(guī)劃提出的目標(biāo)，預(yù)計到2020年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1.5億千瓦（圖2-3）。

大量間歇式電源的并網(wǎng)對電網(wǎng)形成了新的挑戰(zhàn)，有些地方風(fēng)電場已經(jīng)建成，由于電網(wǎng)不配套或難于調(diào)控，只好停機(jī)或部分停機(jī)，風(fēng)能資源白白流失。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國各主要風(fēng)力發(fā)電企業(yè)2009年丟失的電量超過15億千瓦時，約占風(fēng)電總發(fā)電量的12%。宏觀上來看，電網(wǎng)地規(guī)劃建設(shè)從大的方面，已考慮了我國煤、油、氣、水能等資源儲備的分布與開發(fā)情況，但是沒有充分考慮風(fēng)能資源的分布和接入情況，影響了風(fēng)電場項目預(yù)期的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

電網(wǎng)的專業(yè)化管理和運營已經(jīng)歷了近百年，今后的發(fā)展方向是什么？如何在滿足國家經(jīng)濟(jì)和社會日益增長的需求的同時，滿足電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行，以及對可再生能源和分布式發(fā)電的友好接入。智能電網(wǎng)正是在這種背景下提出，它既是電網(wǎng)今后自身發(fā)展的需要，也是解決能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，得到了各國政府及相關(guān)企業(yè)的高度重視。

智能電網(wǎng)的使命和社會屬性

為了解決傳統(tǒng)電網(wǎng)存在的問題，2003年4月2～3日，美國65位來自電力公司、電力設(shè)備制造商、聯(lián)邦和州政府官員、大學(xué)和國家實驗室的專家匯聚一堂，討論美國未來的電力系統(tǒng)。會后，于2003年6月以美國能源部輸配電辦公室的名義發(fā)布了一份報告“Grid 2030—電力的下一個100年的國家設(shè)想”，描繪了美國未來電力系統(tǒng)的設(shè)想，并確定了各項研發(fā)和試驗工作的分階段目標(biāo)。這份報告可謂是美國電力改革的綱領(lǐng)性文件，它提出了未來電網(wǎng)的發(fā)展宗旨是“打造更具活力的、更具競爭性的國家電力市場 — 一個可以連接任何人的、在任何時間、任何地方都能夠提供充裕的、可供應(yīng)的、清潔的、有效的和可靠的電能交易，并且為消費者提供世界上最安全的電力服務(wù)體系”。如果把智能電網(wǎng)當(dāng)作人們對未來電網(wǎng)的稱謂，這份報告是人們對未來電網(wǎng)提出的愿景。盡管后來，人們對智能電網(wǎng)給出了這樣、那樣的定義，大多都是從技術(shù)或功能層面提出了各自的認(rèn)識而已。倘若你有幸參加了這65位專家的會議，以未來能源發(fā)展的視野，思考未來的電力系統(tǒng)，相信也會得出相同的結(jié)論。事實上，未來電網(wǎng)所強(qiáng)調(diào)的既不是某項功能，也不是實現(xiàn)的具體手段和技術(shù)，更不是規(guī)模和大小，以及電壓等級的高低，而是如何通過現(xiàn)有及未來能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)和手段打造一個更好的電力市場，建立更好的電力服務(wù)體系。這既是對未來電網(wǎng)（或電力系統(tǒng)）的期許，也是智能電網(wǎng)的使命和社會屬性，同時也為電網(wǎng)今后的發(fā)展指明了方向。

人們在討論智能電網(wǎng)時，往往關(guān)注的是具體功能和實現(xiàn)的技術(shù)方法，不同的觀點反映了不同的技術(shù)方法，容易忽略它的社會屬性。某一事物的社會屬性是一定區(qū)域經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)下的上層建筑形態(tài)所反映的內(nèi)容，智能電網(wǎng)的社會屬性有三個方面內(nèi)容：

一是開放的社會服務(wù)。智能電網(wǎng)是一個開放型系統(tǒng)，表現(xiàn)為與電力系統(tǒng)相關(guān)各方在規(guī)范的電力市場環(huán)境下進(jìn)行信息、能量的交換，在為客戶提供電力的同時，還需要通過市場和價格的杠桿作用引導(dǎo)人們節(jié)約用電、合理用電、科學(xué)用電，成為一個環(huán)境友好、可持續(xù)的能源服務(wù)平臺。

二是安全、可靠的服務(wù)保障。智能電網(wǎng)是一個安全、可靠的系統(tǒng)，通過信息通信技術(shù)與電力基礎(chǔ)設(shè)施的集成，科學(xué)調(diào)配微型電網(wǎng)、分布式能源和分布式儲能系統(tǒng)，分散大電網(wǎng)的安全和可靠性風(fēng)險，提高電網(wǎng)自愈能力。

三是支持未來能源的發(fā)展與社會變革。利用智能決策支持系統(tǒng)，實時挖掘需方用電的各種數(shù)據(jù)，及時獲取需方相應(yīng)機(jī)會，全方位調(diào)配風(fēng)、光、水、核等電源優(yōu)先上網(wǎng)，實現(xiàn)最低能源和成本消耗、最大經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的目標(biāo)。此外，利用電動車與智能電網(wǎng)互動及能量交換，形成大量分布式儲能電源，參與電網(wǎng)調(diào)峰，接納間歇式電源入網(wǎng)，對于改變能源結(jié)構(gòu)、迎接未來能源發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)都具有重大意義。

因此，只有從智能電網(wǎng)的社會屬性和未來電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)出發(fā)，才能正確認(rèn)識智能電網(wǎng)的重點和發(fā)展方向。

智能電網(wǎng)的原理及主要應(yīng)用

智能電網(wǎng)涵蓋的內(nèi)容十分廣泛，但就其實現(xiàn)方法和手段來說，就是將信息技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和原有的輸、配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成，形成的新型電網(wǎng)，以實現(xiàn)提高能源效率、減少對環(huán)境的影響、提高供電的安全性和可靠性、減少輸電損耗等目標(biāo)，基本原理就是在電網(wǎng)（或電力系統(tǒng)）內(nèi)的每個元件（發(fā)電設(shè)備、儲能裝置、變壓器、開關(guān)等），以及每個變電站、發(fā)電廠、儲能站中皆設(shè)置一套具有強(qiáng)健功能操作系統(tǒng)的處理器（Processor）或獨立的代理服務(wù)器（Agent），它們之間能夠在電力系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)安全Ⅰ區(qū)實現(xiàn)雙向高速通信，從而形成一個龐大的分布式計算平臺。每個代理服務(wù)器與相應(yīng)元部件的傳感器或廣域相量測量系統(tǒng)(WAMS)的向量測量單元（PMU）相連接，將數(shù)據(jù)和信息送至相應(yīng)的處理中心進(jìn)行快速分析、優(yōu)化決策，使其具有自平衡、自檢測、自調(diào)節(jié)和自愈能力，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)的準(zhǔn)確控制、安全控制和智能控制的目標(biāo)，配合用戶的數(shù)字化工廠和智能家居，通過需求側(cè)管理和雙向互動為用戶提供增值服務(wù)［5］。

從技術(shù)方面看，智能電網(wǎng)是一個融信息、通信于一體的電力供應(yīng)與交換平臺，具有開放式的體系結(jié)構(gòu)，從發(fā)電、輸電、配電和用戶以及相關(guān)的應(yīng)用，通過該平臺實現(xiàn)“即插即用”，共享該平臺帶來的效益，以智能電網(wǎng)為平臺的管理、服務(wù)和應(yīng)用如圖4-1所示：

智能電網(wǎng)平臺：采用集中與分散相結(jié)合的控制與決策機(jī)制，可以自動收集電網(wǎng)中所有相關(guān)節(jié)電狀態(tài)信息，支持核心電網(wǎng)自動化，管理人員能夠發(fā)現(xiàn)所有地區(qū)的電網(wǎng)損耗（包括：高壓、中壓、低壓電網(wǎng)），能更好地管理可再生能源，使其及時并網(wǎng)供電或?qū)δ苎b置充電，實現(xiàn)電網(wǎng)的優(yōu)化管理，大幅減少停電現(xiàn)象。

需求側(cè)管理：降低家庭、辦公室和工廠的電力消耗成本。通過持續(xù)監(jiān)控電力需求計劃及電價的波動，使用戶可以根據(jù)一天中的時間段選擇可變價位，通過讓顧客隨時看到其所消耗的能源實際成本做出相應(yīng)的調(diào)整，將那些可平移的負(fù)荷（如：電暖器、空調(diào)、熱水器、電冰箱等）從高價格時段轉(zhuǎn)換至低價格事端，從而在有效降低高峰時段電力負(fù)荷需求的同時節(jié)省用戶費用。

集成可再生能源：鼓勵家庭和企業(yè)安裝自己的可再生能源系統(tǒng)。家庭、住宅和辦公區(qū)利用小型發(fā)電設(shè)備（光電、太陽能及梯級能源利用）本地供電更經(jīng)濟(jì)高效，可以有效降低社會用能，減少溫室氣體排放。小規(guī)模低碳源發(fā)電技術(shù)與智能電網(wǎng)相結(jié)合，可以使用戶成為電網(wǎng)一個積極的、雙向互動的組成部分，并可通過“虛擬電廠”的方式與集中發(fā)電系統(tǒng)相集成。

電動汽車與儲能：隨著油電混合動力汽車和電動汽車的開發(fā)和使用，利用電動汽車分散儲能將成為現(xiàn)實。至2009年底，我國汽車保有量已達(dá)7600多萬輛，若電動車占10%，按每輛車平均按100千瓦計算，充電容量達(dá)7.6億千瓦，達(dá)到目前全國裝機(jī)容量87%，因此，將電動汽車與智能電網(wǎng)相結(jié)合，雙向互供，即能夠解決可再生能源供給時的交通用能問題，還可以利用電動汽車分散儲能“填谷補(bǔ)峰”，減少間歇式電源入網(wǎng)的阻力，同時還是應(yīng)急供電的后備力量，減少電網(wǎng)停電風(fēng)險，保證安全供電。此外，鈉硫電池、液流電池和金屬離子電池等電化學(xué)儲能，以及臨界壓縮空氣儲能等技術(shù)的研究已經(jīng)取得進(jìn)展，主要用于變電站級。可以預(yù)見，大規(guī)模儲能技術(shù)取的突破將大大推進(jìn)可再生能源發(fā)電的應(yīng)用。

智能配電管理：要改善對客戶的服務(wù)、支持需求側(cè)管理、集成分布能源系統(tǒng)入網(wǎng)，關(guān)鍵在于建立智能的配電管理系統(tǒng)（DMS），并在三方面取得突破。①在實施AMI全面感知用戶用能需求的基礎(chǔ)上，全方位調(diào)配區(qū)內(nèi)風(fēng)、光、儲及分布式能源發(fā)電，實現(xiàn)與外部輸電在規(guī)范電力市場支持下的統(tǒng)一調(diào)度；②提供自愈的功能，主動獲取電網(wǎng)擾動和故障信息并及時對其做出響應(yīng)，減小對客戶的影響；③提供動態(tài)、無縫的圖像化接口，將來自于各渠道的有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的信息以動態(tài)拓?fù)淠Ｐ偷姆绞郊稍谝黄穑⒕哂袑崟r監(jiān)控及輔助決策功能。

智能輸電管理：基于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，可實現(xiàn)站內(nèi)自適應(yīng)調(diào)整與控制的智能變電站與調(diào)度中心無縫聯(lián)接，采用先進(jìn)的相量測量（PMU）和廣域測量（WAMS）技術(shù)、三維、動態(tài)、可視化電網(wǎng)調(diào)度自動化技術(shù)，以及可再生能源的接入、大規(guī)模儲能和靈活交流輸電（FACTS）等技術(shù)，提高電網(wǎng)的自適應(yīng)和自愈能力，實現(xiàn)電網(wǎng)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的目標(biāo)。

信息技術(shù)在智能電網(wǎng)的作用

現(xiàn)代文明的重大進(jìn)步均以各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立為標(biāo)志，從上個世紀(jì)初的鐵路、公路，以及后來的電力系統(tǒng)和信息通信系統(tǒng)，無不反映了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶給人們的方便、快捷和高效。進(jìn)入到本世紀(jì)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種不同媒介的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)了相互融合，共同促進(jìn)、共同發(fā)展的趨勢，信息通信技術(shù)（ICT）和電力電子技術(shù)（PET）已經(jīng)成為現(xiàn)代電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重大推動力。因此，信息通信技術(shù)也是構(gòu)建智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，美國政府在2009年5月18日宣布的首批16個智能電網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，有9項是關(guān)于ICT的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過ICT與電力設(shè)備、元件，乃至系統(tǒng)的融合，使發(fā)電、輸電、配電和用戶緊密地聯(lián)系在一起，形成一個能源互動、信息共享的整體。早在Gird2030研究計劃中就提出：能源、信息與通信一體化體系結(jié)構(gòu)（IECSA），其目標(biāo)是將電力系統(tǒng)（EPS）與信息通信系統(tǒng)（ICS）融合在一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳遞、信息全面共享、快速智能響應(yīng)，實現(xiàn)由E到E+I的轉(zhuǎn)變，如圖5-1所示。

隨著社會和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)從獨立、封閉的“發(fā)、輸、配、用”的樹性結(jié)構(gòu)演變?yōu)樯鐣木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。電力系統(tǒng)的社會化、電力資源優(yōu)化配置是形成未來電力系統(tǒng)的根本原因。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求、資源配置需求、可持續(xù)發(fā)展以及結(jié)構(gòu)調(diào)整的需求是推動電力系統(tǒng)演化的動力。在區(qū)域性電力系統(tǒng)互聯(lián)形成的超大規(guī)模電網(wǎng)中，電能流與信息流的交換、共享、互動構(gòu)成了未來電力系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，也是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。

智能電網(wǎng)三大趨勢

我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨著資源和環(huán)境的雙重約束，節(jié)約能源、改善能源結(jié)構(gòu)、延緩氣候變化，智能電網(wǎng)為我們開辟了一個全新的電力商業(yè)模式和高效、清潔的能源供系統(tǒng)。建設(shè)智能電網(wǎng)是一項長期的工程，需要長遠(yuǎn)的眼光、決心和魄力。展望未來，智能電網(wǎng)將呈現(xiàn)三大發(fā)展趨勢：

1、智能電網(wǎng)將物理的電網(wǎng)和數(shù)字的電網(wǎng)融為一體，實現(xiàn)基于廣域的、多種能源形式發(fā)電的優(yōu)化配置，保障能源安全、提高能效，支持可再生能源入網(wǎng)。通過對電網(wǎng)運行的實時信息、電力價格信息、負(fù)荷需求信息，以及用電信息的整合、挖掘和互動，客戶用電有更多選擇，節(jié)能、減排、氣候變化等國家目標(biāo)可以通過市場杠桿的作用分解到每家每戶，為建立一個面向未來能源發(fā)展、能源有序消費的社會奠定基礎(chǔ)。

2、在公共信息模型（CIM）基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)的整合體系和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的收集體系，以整合電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過更多傳感器采集一線數(shù)據(jù)，根據(jù)市場價格信息號對資產(chǎn)進(jìn)行實時的調(diào)配和高效管理，通過智能電表實現(xiàn)與客戶的雙向交流、互動，達(dá)到需求與供應(yīng)的平衡。

3、全面優(yōu)化能源利用決策支持系統(tǒng)。基于智能電網(wǎng)技術(shù)的綜合資源規(guī)劃和電力負(fù)荷需求響應(yīng)，將為電力用戶提供雙向智能傳輸系統(tǒng)，以減少高峰期的負(fù)荷。此外，還將通過電動汽車、可平移負(fù)荷等分散儲能裝置，支持風(fēng)能、太陽能等間歇式能源接入電網(wǎng)，為清潔能源發(fā)電市場帶來根本性的變化。