近年來，電力系統(tǒng)正面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，其中包括全球氣候變暖、能源安全需求壓力和生態(tài)文明意識的提升，以及數(shù)字化社會對供電可靠性和電能質量的嚴格要求等。為此，我國已經(jīng)開展了許多與“智能電網(wǎng)”開發(fā)和實踐相關的研究。

從電網(wǎng)的角度來說，智能電網(wǎng)的原動力至少包含下述4個方面：

①實現(xiàn)事故擾動情況下大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，降低大規(guī)模停電的風險和增強災難性事件后的快速恢復能力;

②實現(xiàn)大量分布式電源(DER)的無縫接入和充分利用;

③高級市場化和需求側管理;

④滿足數(shù)字化社會對電網(wǎng)供電的高可靠性、高質量和高效率的要求。

從廣義層面來看，由于智能電網(wǎng)的實施涉及許多技術和商業(yè)領域，智能電網(wǎng)的一個關鍵目標是催生新的技術和商業(yè)模式，從而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命。

智能電網(wǎng)涉及許多重要的理念，厘清這些理念有助于科學高效地實施智能電網(wǎng)工程。本文對其中的一些基本理念進行了闡述。

1智能電網(wǎng)最本質的技術特點

智能電網(wǎng)最本質的技術特點是：電力和信息的雙向流動性，并由此建立起一個高度自動化和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡;把分布式計算、通信和互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢引入電網(wǎng)，實現(xiàn)信息實時交換并達到設備層次上近乎瞬時的供需平衡。有如下四個方面的特點需要強調。

1.1靈活的網(wǎng)絡拓撲結構和綜合能源及通信系統(tǒng)體系結構(IECSA)

由于DER的廣泛接入，電網(wǎng)(含輸電網(wǎng)和配電網(wǎng))每條支路的電力潮流都可能是雙向的和時變的，因此，為了使智能電網(wǎng)的潛在效益最大化，配電網(wǎng)拓撲結構應該是靈活的、可重構的，應該使用柔性交直流輸配電裝置和以智能萬用變壓器(IUT)為代表的其他電力電子裝置，其中智能萬用變壓器已被看成智能配電網(wǎng)的基石，在能源互聯(lián)網(wǎng)的概念中它屬于能量路由器。此外，電力所及之處均有可靠的雙向通信網(wǎng)絡。從底層的傳感器和智能代理開始，能源網(wǎng)和信息通信網(wǎng)將高度融合。

1.2廣泛的分布式電源(DER)

DER包括分布式發(fā)電、分布式儲能和需求響應。其中，太陽能、風能和需求響應是按照自然地理學進行分布的。這里“需求響應”的定義是：在正常耗電模式下，終端用戶用電情況能夠隨著零售電價的變化而變化，或當電力零售市場電價過高或電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性受到損害時，用戶會減小用電量。因此，如下觀察結果值得注意。

(1)當DER發(fā)電接近電力負荷時，功率與能量可以就地消納，因此它可以節(jié)省電網(wǎng)的投資、降低網(wǎng)損和電網(wǎng)的運維成本。加之傳統(tǒng)電力價格逐年上升，太陽能光伏發(fā)電成本迅速下降，分布式儲能成本也在不斷下降，以燃氣為主的分布式熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)的能源利用率將會高于80%。這一切預示著分布式發(fā)電成本與零售電價之間有望持平。而且分布式發(fā)電可以提高對用戶供電的可靠性，增強電網(wǎng)的安全性。因此，世界上與智能電網(wǎng)的開發(fā)和實施相關的研究主要是關于分布式發(fā)電的。

事實上，天津大學所做的研究已經(jīng)表明，在當今的中國，從社會總成本的角度看，實施“分布式光伏發(fā)電+有源配電網(wǎng)”計劃(例如，給無儲能系統(tǒng)的分布式光伏發(fā)電站局部接入有源配電網(wǎng))比實施一個“大規(guī)模集中式可再生能源發(fā)電基地+長距離傳輸”計劃(例如，將一個風電與火電結合的大規(guī)模發(fā)電基地通過±800kV超高壓(UHV)、2000km長距離直流輸電線接入到負荷中心的一個大容量電力系統(tǒng))所花費的社會總成本要低。

因此，如何處理數(shù)以萬計的分布式電力資源并應對其間歇性、多變性和不確定性，同時確保電網(wǎng)的可靠性、人身和設備安全及市場的活力是未來電網(wǎng)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

(2)研究表明，電網(wǎng)中存在大量的可平移負荷，這些負荷可與電網(wǎng)友好合作(猶如虛擬電源)，從而實現(xiàn)削峰填谷(可提高資產(chǎn)利用率、提高發(fā)電效率和降低網(wǎng)損)并達到設備層次上近乎瞬時的供需平衡(例如，需求響應和負荷控制可能對太陽能和風能等的間歇性、多變性和不確定性發(fā)揮補償作用)。與傳統(tǒng)電網(wǎng)把時刻滿足負荷需求作為剛性約束相比，這是革命性的變化。智能電網(wǎng)將通過智慧型電表基礎設施建設(AMI)、即插即用技術和先進的電力市場來協(xié)調需求側響應和負荷控制。同時綜合考慮負荷與配電系統(tǒng)的控制和管理。

(3)插電式混合動力電動汽車與智能汽車電網(wǎng)(V2G)技術本身都具備負荷和電源的雙重屬性，它們的充電功率和存儲能量均很大;另外，與分布式光伏發(fā)電和風電等相比，這些電動汽車接入電網(wǎng)的位置和容量具有更大的不確定性。一方面，作為一種新型負荷，電動汽車的大量接入使得配電網(wǎng)的負荷增大且特性更加復雜多變，對未來電網(wǎng)的規(guī)劃與運行提出了挑戰(zhàn);另一方面，作為一種儲能裝置，電動汽車又可為電網(wǎng)的削峰填谷和頻率調節(jié)等提供重要的潛在調控手段。為此，智能電網(wǎng)應該為電動汽車提供一種即插即用的平臺(包括先進的市場與新型技術支持)。

除了在電動汽車中的應用，分布式儲能也可應用于配電系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，以提高系統(tǒng)運行的可靠性、改善電能質量和提高可再生能源的接入能力等。因此，智能電網(wǎng)將為分布式儲能與配電系統(tǒng)間更多的交互與協(xié)調控制提供基本的平臺。

令人可喜的是，近年來分布式儲能技術的創(chuàng)新發(fā)展十分迅速，有望突破儲能成本過高的瓶頸。

1.3分布式智能基礎設施

(1)在微處理器時代之前創(chuàng)建的電力基礎設施(基于集中規(guī)劃和控制)，在很大程度上限制了電網(wǎng)的靈活性，降低了電網(wǎng)的效率、安全性和可靠性。此外，由于未來電網(wǎng)中將接入數(shù)量巨大的DER，并且其發(fā)電量又難以預測，傳統(tǒng)的集中控制模式將更加難以適用于未來電網(wǎng)的運行。因此智能電網(wǎng)特別是智能配電網(wǎng)將成為分布式智能基礎設施。

如圖1所示，以智能配電網(wǎng)為例，它被分成許多片(cell)。正常運行條件下，兩片之間的交換功率可以根據(jù)制訂好的計劃進行調度。每片中有許多由片內通信網(wǎng)絡相互連接起來的智能網(wǎng)絡代理(INA)，如繼電保護裝置和DER等。這些代理能夠收集和交流系統(tǒng)信息，可以對局部控制做出自主決策(如繼電保護)，也可以通過各片配電系統(tǒng)快速仿真與建模(DFSM)協(xié)調做出決策(如電壓調節(jié)、無功優(yōu)化和網(wǎng)絡重構等);同時各片之間有通信聯(lián)系，各片可以自主做出決策，也可由裝有DFSM系統(tǒng)的配電運營中心協(xié)調各片間的決策。此外，輸電網(wǎng)調度中心和由該輸電網(wǎng)供電的配電運營中心之間也有通信鏈接。

裝有輸電快速仿真與建模(TFSM)系統(tǒng)的輸電調度中心，根據(jù)區(qū)域電力系統(tǒng)的要求協(xié)調做出決策，實現(xiàn)跨地理邊界和組織邊界的智能控制，使整個系統(tǒng)具備了自愈能力和韌性。

(2)系統(tǒng)“韌性”包括承受蓄意攻擊、偶然事故或自然發(fā)生的威脅或事件的能力及從中恢復的能力。這要求我們改變對系統(tǒng)、系統(tǒng)結構和目前研究的許多復雜的交互網(wǎng)絡的認識。如圖1所示的分布式智能基礎設施能夠對前述的擾動做出自愈的響應，在緊急狀態(tài)下，它能分片實現(xiàn)“自適應孤島運行”，并使整個系統(tǒng)快速恢復正常運行，從而提高系統(tǒng)韌性并將電力系統(tǒng)的停電損失減到最小。

(3)智能配電網(wǎng)的結構與控制策略必須滿足現(xiàn)在電網(wǎng)所不能滿足的兩個基本要求：

綜合考慮終端用戶控制和總體配電系統(tǒng)控制。終端用戶系統(tǒng)除擁有可與電網(wǎng)友好合作的可平移負荷之外，還有分布式發(fā)電和儲能、電力調節(jié)設備、無功補償設備和能量管理系統(tǒng)。所有這些設備和負荷的控制必須和配電系統(tǒng)控制綜合考慮，以達到系統(tǒng)性能的最優(yōu)和期望的安全性與電能質量;

(4)圖1中的每一片可以是一個智能微電網(wǎng)(簡稱微網(wǎng))或含有多個微網(wǎng)的配電網(wǎng)。微網(wǎng)是為滿足一群用戶(小區(qū)或城鎮(zhèn))或單個用戶(如大學、樓宇或企業(yè))能量需求的一種集成系統(tǒng)。微網(wǎng)和分布式發(fā)電的關鍵區(qū)別在于它有能力進行孤島協(xié)調控制。正常運行時，可再生能源的間歇性、波動性和不確定性可在微網(wǎng)內部得到補償，從而盡可能地將它與大電網(wǎng)連絡線上的功率維持在恒定水平，有助于大電網(wǎng)安全運行。因而，對大電網(wǎng)而言它是個“好市民”，在未來它將會更廣泛地存在于智能電網(wǎng)中，研究者也應更加重視如何降低其成本。

1.4信息的實時交換與高度共享

輸電網(wǎng)運行時使用的信息技術與配電網(wǎng)運行時使用的信息技術一樣。實質上，任何智能電網(wǎng)的命脈都是這些用以驅動其運行的數(shù)據(jù)和信息，而這些數(shù)據(jù)和信息使開發(fā)新的和改進的運營策略成為可能。從電力系統(tǒng)任一層收集到的數(shù)據(jù)，包括用戶耗電量、配電量、輸電量、發(fā)電量和電力市場運營數(shù)據(jù)，都可能同其他層相關，用于改善其他層的運行狀況。因此，在這些利益相關者之間進行實時和及時的數(shù)據(jù)共享是智能電網(wǎng)的基本要素。

2智能電網(wǎng)的基本功能和相關技術

智能電網(wǎng)是一個推動者，一個設計良好的智能電網(wǎng)應該有如下基本功能。

(1)便于更廣泛地參與。

能夠激勵電力用戶，及時向用戶提供關于他們電量消耗的詳細信息，以及各種可供用戶選擇的包括實時(或分時)的電價方案;

能容易和透明地接受任何種類的能源;

以大量“即插即用”的DER補充集中式發(fā)電，從而創(chuàng)造新的機遇和市場。

(2)提高效率。

終端用戶可以積極參與到成熟、健康和綜合的電力市場中;

提高電能質量，有各種各樣的質量/價格方案可供選擇;

優(yōu)化資產(chǎn)利用和高效運行。

(3)提高可靠性和韌性。

自愈，即發(fā)生故障時系統(tǒng)可自愈，以降低停電影響;

抵御攻擊，即遇到攻擊或自然災害時具有快速恢復供電的能力。

除上述三種基本功能外，智能電網(wǎng)還有一些其他基本功能，在這里不一一贅述。

為了實現(xiàn)上述功能，需要通過創(chuàng)新引入新的技術和新的商業(yè)模式。這些技術包括：

(1)智能電網(wǎng)技術，包括電網(wǎng)廣域監(jiān)視(電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)/相量測量裝置(WAMS/PMU)和態(tài)勢感知)與控制系統(tǒng)、信息和通信技術(ICT)的集成、可再生能源和分布式能源發(fā)電的集成、輸電網(wǎng)的擴展應用(如柔性交直流輸電技術)、靈活的配電網(wǎng)絡拓撲結構和先進的配電網(wǎng)管理技術、AMI和用戶側管理系統(tǒng)等。

(2)智能電網(wǎng)可帶動的技術，包括風力發(fā)電機組、光伏發(fā)電裝置、電動車輛充電基礎設施、綠色節(jié)能建筑和智能家電等，其中電動汽車和綠色建筑可能成為智能電網(wǎng)最重要的應用。

(3)為智能電網(wǎng)創(chuàng)建平臺的技術，包括綜合的通信技術、傳感和測量技術、儲能技術、電力電子技術、診斷技術和超導技術等。

為了加速智能電網(wǎng)的實現(xiàn)，在智能電網(wǎng)中將應用工業(yè)界最好的技術和理念，如開放式的體系結構、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、即插即用技術、共同的技術標準、非專用化和互操作性等。事實上，有些技術已經(jīng)在電網(wǎng)中得到了應用;但只有在體現(xiàn)智能電網(wǎng)的雙向數(shù)字通信和即插即用能力的時候，這些技術的潛能才能得到充分的利用。

3需特別注意的事項

3.1智能電網(wǎng)的效益是廣泛而巨大的

根據(jù)美國電力研究協(xié)會2011年的報告，預計2010—2030年，美國實現(xiàn)電網(wǎng)的現(xiàn)代化所需的成本為3380億~4760億美元;而這20年內的效益估計為12940億~20280億美元，是投資成本的2.8~6倍。我國智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的實施不僅能使我們獲得高安全性、高可靠性、高質量、高效率和價格合理的電力供應，還能提高國家的能源安全保障能力并改善環(huán)境，推動可持續(xù)發(fā)展，同時能夠激勵市場發(fā)展與創(chuàng)新，從而提高國家的國際競爭力。

3.2智能電網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)和研發(fā)機遇是巨大的

智能電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)極其廣泛，涉及許多技術性、體制性和社會性問題;電網(wǎng)的變遷必將改變整個行業(yè)的商業(yè)模式。厘清其發(fā)展過程中的關鍵性障礙將有利于智能電網(wǎng)最大限度地發(fā)揮其潛能。這些挑戰(zhàn)帶來了前所未有的機遇。

3.3一個整體良好的環(huán)境是智能電網(wǎng)發(fā)展的必要條件

(1)制訂法律、政策、標準和發(fā)展路線圖。智能電網(wǎng)的性質決定了其參與者不再局限于電力公司和電力設備廠商，還應包括廣大消費者和眾多其他行業(yè);而且其組織、研發(fā)和實施均十分復雜。因此，需要由國家盡早制訂相應的法律、政策、標準和發(fā)展路線圖，以鼓勵、支持和指導更多的企業(yè)和人群的參與。

(2)開放先進的電力市場。為了激勵在智能電網(wǎng)方面的創(chuàng)新，亟需建立一個成熟、健康、綜合的電力市場。其中包括：實施分時或實時電價，使電能作為商品的市場價值得到合理的體現(xiàn);制訂政策，鼓勵分布式電力和能源的所有者將電賣給電網(wǎng)公司，促進清潔能源的供應(以固定價格)，以及確保電力公司和其他投資者的智能電網(wǎng)投資成本的回收等。

(3)智能電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)。事實上，智能電網(wǎng)是一個跨學科的產(chǎn)物，其互聯(lián)網(wǎng)思維與生俱來。1925—1950年，區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)的思想誕生并得到極大的推廣。事實上它已具有了互聯(lián)網(wǎng)的四個基本性質，即互聯(lián)、開放、對等和分享。智能電網(wǎng)愿景的最終實現(xiàn)需要引入互聯(lián)網(wǎng)領域最新的技術與理念。為了加速智能電網(wǎng)的創(chuàng)新，能源領域的科學家和工程師們需要與通信、信息等互聯(lián)網(wǎng)領域的同行密切合作，使用共同的語言和協(xié)議，這樣可以最大程度發(fā)揮智能電網(wǎng)的潛能，從而為人類提供廣泛的社會和經(jīng)濟效益。

3.4智能電網(wǎng)的近期目標和遠期目標

智能電網(wǎng)將像互聯(lián)網(wǎng)一樣改變著人們的生活和工作方式。由于智能電網(wǎng)需要持續(xù)的研發(fā)和顛覆性的技術突破，所以智能電網(wǎng)的實現(xiàn)將是一個較為漫長的過渡和與多種技術長期共存的過程(回顧一下互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史就會明白)。短期內可以著眼于實現(xiàn)一個較為智能的電網(wǎng)，即利用已有的或即將形成的技術使目前的電網(wǎng)更有效，使其在提供優(yōu)質電力的同時創(chuàng)造較大的社會效益(如改善環(huán)境)。

3.5重視效益

智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展需要進行持續(xù)的研究以預測不斷變化的需求，評估不斷變化的收益和成本。在實施智能電網(wǎng)時，需要時刻考慮所做的工作是否適用于市場?能否激勵用戶參與?是否可實現(xiàn)資產(chǎn)優(yōu)化?是否能夠獲得高效運行?電力公司和監(jiān)管機構應該持續(xù)地向消費者證明：智能電網(wǎng)的效益最終會超過其成本的投入。