[ 導讀 ] 能源作為人類生存和社會發展的基礎性資源是經濟社會發展的基本物質保障，它既是經濟資源，也是戰略資源和政治資源。

能源作為人類生存和社會發展的基礎性資源是經濟社會發展的基本物質保障，它既是經濟資源，也是戰略資源和政治資源。目前以化石能源為主要形式的能源結構將受到能源枯竭和溫室氣體排放的雙重挑戰，今后能源結構將從現在以化石能源為主，逐步轉變為以可再生能源為主，如何實現這一轉變是人類所面臨的重大課題，也是發展智能電網的最終目標。本文從未來能源發展的要求出發，提出了智能電網的目標、使命和社會屬性，闡述了智能電網的基本原理和主要應用，以及信息和通信技術所發揮的作用。

未來能源的發展

　　能源是人類生存和發展的重要物質基礎，縱觀人類社會發展歷史，人類文明每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替。在過去一百多年里，人類經歷了從傳統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，能源對人類經濟社會發展的制約越發突出，對賴以生存的自然環境的影響也越來越大，礦物質能源最終將消耗殆盡，因此，人們開始對風能、太陽能、海洋能、生物質能、地熱等的開發研究與利用。2004年歐洲聯合研究中心（JRC）根據各種能源技術的發展潛力及其資源量，對未來100年的能源需求總量和結構變化做出預測：可再生能源的比重將不斷上升，2020、2030、2040、2050和2100年將分別達到20%、30%、50%、62%和86%。其中，太陽能在未來能源結構中的比重將越來越大。

圖1-3 世界未來能源需求結構變化預測

在能源發展史上，一種新的能源占能源總供應量的比重由１％上升到50％，替換周期平均需100年。大規模能源系統的建設周期一般需要20—30年，新能源從開始研究到推廣應用的周期則需要30—50年，許多國家和地區將可再生能源作為其能源發展戰略的重要組成部分，已有30多個發達國家和100多個發展中國家制定了全國性的可再生能源發展目標，以推動可再生能源的發展，使之最終代替常規化石燃料。面對這樣一種能源結構和形式的變化，將會引起一系列經濟和社會的變革。因此，解決能源的結構調整和轉型問題必須有長遠的觀點，面向未來能源的發展深入分析傳統電網存在的問題，研究和探討解決問題的方法與途徑。

傳統電網的關鍵難題

傳統電網（或稱電力系統）是以“發電、輸電、配電和用電”這種單一流向的供電模式，以電能的生產和使用為基本目標，是工業化社會中電力大量生產和大量消費的基礎，也是工業經濟規模效益的具體體現。在電力規[FS:PAGE]劃和設計時，更多地從電力負荷需求和一次能源生產出發，研究和確定電源點、輸電路徑、送電容量和電壓等級，以及網架結構等內容，很少考慮需求側的能源利用問題。在整個能源生產、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）。

在電力生產流程中，生產的電力與用戶消耗的電量需要平衡，與其他工業生產利用供應鏈上的存儲實現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（設備或設施）的備用，以及對發電生產的調度，實現發、供平衡。在傳統電網中，僅為數不多的抽水蓄能電站具有儲能調峰的功能，由于負荷在各時間段的非均衡性，致使大量的發電和電網資產處于非飽滿利用狀態，以北美電網為例，發電與電網資產在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不能得到充分利用。

此外，近年來風力發電和太陽能發電快速發展，特別是風電的發展勢頭迅猛，遍布全國各地，陸基、海基風電齊頭并進，按照我國新能源振興規劃提出的目標，預計到2020年風電裝機容量將達到1.5億千瓦（圖2-3）。

大量間歇式電源的并網對電網形成了新的挑戰，有些地方風電場已經建成，由于電網不配套或難于調控，只好停機或部分停機，風能資源白白流失。據不完全統計，全國各主要風力發電企業2009年丟失的電量超過15億千瓦時，約占風電總發電量的12%。宏觀上來看，電網地規劃建設從大的方面，已考慮了我國煤、油、氣、水能等資源儲備的分布與開發情況，但是沒有充分考慮風能資源的分布和接入情況，影響了風電場項目預期的經濟和社會效益。

電網的專業化管理和運營已經歷了近百年，今后的發展方向是什么？如何在滿足國家經濟和社會日益增長的需求的同時，滿足電網安全、穩定運行，以及對可再生能源和分布式發電的友好接入。智能電網正是在這種背景下提出，它既是電網今后自身發展的需要，也是解決能源結構調整和轉型的關鍵環節，因此，得到了各國政府及相關企業的高度重視。

智能電網的使命和社會屬性

為了解決傳統電網存在的問題，2003年4月2～3日，美國65位來自電力公司、電力設備制造商、聯邦和州政府官員、大學和國家實驗室的專家匯聚一堂，討論美國未來的電力系統。會后，于2003年6月以美國能源部輸配電辦公室的名義發布了一份報告“Grid 2030—電力的下一個100年的國家設想”，描繪了美國未來電力系統的設想[FS:PAGE]，并確定了各項研發和試驗工作的分階段目標。這份報告可謂是美國電力改革的綱領性文件，它提出了未來電網的發展宗旨是“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體系”。如果把智能電網當作人們對未來電網的稱謂，這份報告是人們對未來電網提出的愿景。盡管后來，人們對智能電網給出了這樣、那樣的定義，大多都是從技術或功能層面提出了各自的認識而已。倘若你有幸參加了這65位專家的會議，以未來能源發展的視野，思考未來的電力系統，相信也會得出相同的結論。事實上，未來電網所強調的既不是某項功能，也不是實現的具體手段和技術，更不是規模和大小，以及電壓等級的高低，而是如何通過現有及未來能夠實現的技術和手段打造一個更好的電力市場，建立更好的電力服務體系。這既是對未來電網（或電力系統）的期許，也是智能電網的使命和社會屬性，同時也為電網今后的發展指明了方向。

人們在討論智能電網時，往往關注的是具體功能和實現的技術方法，不同的觀點反映了不同的技術方法，容易忽略它的社會屬性。某一事物的社會屬性是一定區域經濟基礎下的上層建筑形態所反映的內容，智能電網的社會屬性有三個方面內容：

一是開放的社會服務。智能電網是一個開放型系統，表現為與電力系統相關各方在規范的電力市場環境下進行信息、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人們節約用電、合理用電、科學用電，成為一個環境友好、可持續的能源服務平臺。

二是安全、可靠的服務保障。智能電網是一個安全、可靠的系統，通過信息通信技術與電力基礎設施的集成，科學調配微型電網、分布式能源和分布式儲能系統，分散大電網的安全和可靠性風險，提高電網自愈能力。

三是支持未來能源的發展與社會變革。利用智能決策支持系統，實時挖掘需方用電的各種數據，及時獲取需方相應機會，全方位調配風、光、水、核等電源優先上網，實現最低能源和成本消耗、最大經濟和環境效益的目標。此外，利用電動車與智能電網互動及能量交換，形成大量分布式儲能電源，參與電網調峰，接納間歇式電源入網，對于改變能源結構、迎接未來能源發展帶來的挑戰都具有重大意義。

因此，只有從智能電網的社會屬性和未來電網的發展目標出發，才能正確認識智能電網的重點和發展方向。

智能電網的原理及[FS:PAGE]主要應用

智能電網涵蓋的內容十分廣泛，但就其實現方法和手段來說，就是將信息技術、通信技術、計算機技術和原有的輸、配電基礎設施高度集成，形成的新型電網，以實現提高能源效率、減少對環境的影響、提高供電的安全性和可靠性、減少輸電損耗等目標，基本原理就是在電網（或電力系統）內的每個元件（發電設備、儲能裝置、變壓器、開關等），以及每個變電站、發電廠、儲能站中皆設置一套具有強健功能操作系統的處理器（Processor）或獨立的代理服務器（Agent），它們之間能夠在電力系統信息網絡安全Ⅰ區實現雙向高速通信，從而形成一個龐大的分布式計算平臺。每個代理服務器與相應元部件的傳感器或廣域相量測量系統(WAMS)的向量測量單元（PMU）相連接，將數據和信息送至相應的處理中心進行快速分析、優化決策，使其具有自平衡、自檢測、自調節和自愈能力，從而實現對電網的準確控制、安全控制和智能控制的目標，配合用戶的數字化工廠和智能家居，通過需求側管理和雙向互動為用戶提供增值服務［5］。

從技術方面看，智能電網是一個融信息、通信于一體的電力供應與交換平臺，具有開放式的體系結構，從發電、輸電、配電和用戶以及相關的應用，通過該平臺實現“即插即用”，共享該平臺帶來的效益，以智能電網為平臺的管理、服務和應用如圖4-1所示：

智能電網平臺：采用集中與分散相結合的控制與決策機制，可以自動收集電網中所有相關節電狀態信息，支持核心電網自動化，管理人員能夠發現所有地區的電網損耗（包括：高壓、中壓、低壓電網），能更好地管理可再生能源，使其及時并網供電或對儲能裝置充電，實現電網的優化管理，大幅減少停電現象。

需求側管理：降低家庭、辦公室和工廠的電力消耗成本。通過持續監控電力需求計劃及電價的波動，使用戶可以根據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的調整，將那些可平移的負荷（如：電暖器、空調、熱水器、電冰箱等）從高價格時段轉換至低價格事端，從而在有效降低高峰時段電力負荷需求的同時節省用戶費用。

集成可再生能源：鼓勵家庭和企業安裝自己的可再生能源系統。家庭、住宅和辦公區利用小型發電設備（光電、太陽能及梯級能源利用）本地供電更經濟高效，可以有效降低社會用能，減少溫室氣體排放。小規模低碳源發電技術與智能電網相結合，可以使用戶成為電網一個積極的、雙向互動的組成部分，并可通過“虛擬電廠”的方式與集中發電系統相集成。

電動汽車與[FS:PAGE]儲能：隨著油電混合動力汽車和電動汽車的開發和使用，利用電動汽車分散儲能將成為現實。至2009年底，我國汽車保有量已達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7.6億千瓦，達到目前全國裝機容量87%，因此，將電動汽車與智能電網相結合，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“填谷補峰”，減少間歇式電源入網的阻力，同時還是應急供電的后備力量，減少電網停電風險，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儲能，以及臨界壓縮空氣儲能等技術的研究已經取得進展，主要用于變電站級。可以預見，大規模儲能技術取的突破將大大推進可再生能源發電的應用。

智能配電管理：要改善對客戶的服務、支持需求側管理、集成分布能源系統入網，關鍵在于建立智能的配電管理系統（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上，全方位調配區內風、光、儲及分布式能源發電，實現與外部輸電在規范電力市場支持下的統一調度；②提供自愈的功能，主動獲取電網擾動和故障信息并及時對其做出響應，減小對客戶的影響；③提供動態、無縫的圖像化接口，將來自于各渠道的有關網絡的信息以動態拓撲模型的方式集成在一起，并具有實時監控及輔助決策功能。

智能輸電管理：基于數字化、網絡化，可實現站內自適應調整與控制的智能變電站與調度中心無縫聯接，采用先進的相量測量（PMU）和廣域測量（WAMS）技術、三維、動態、可視化電網調度自動化技術，以及可再生能源的接入、大規模儲能和靈活交流輸電（FACTS）等技術，提高電網的自適應和自愈能力，實現電網的安全可靠、經濟高效的目標。

信息技術在智能電網的作用

現代文明的重大進步均以各種網絡系統的建立為標志，從上個世紀初的鐵路、公路，以及后來的電力系統和信息通信系統，無不反映了網絡系統帶給人們的方便、快捷和高效。進入到本世紀，隨著網絡技術的不斷發展，各種不同媒介的網絡系統出現了相互融合，共同促進、共同發展的趨勢，信息通信技術（ICT）和電力電子技術（PET）已經成為現代電網技術發展的重大推動力。因此，信息通信技術也是構建智能電網的基礎，美國政府在2009年5月18日宣布的首批16個智能電網行業標準中，有9項是關于ICT的技術標準。通過ICT與電力設備、元件，乃至系統的融合，使發電、輸電、配電和用戶緊密地聯系在一起，形成一個能源互動、信息共享的整體。早在Gird2030研究計[FS:PAGE]劃中就提出：能源、信息與通信一體化體系結構（IECSA），其目標是將電力系統（EPS）與信息通信系統（ICS）融合在一起，實現數據實時傳遞、信息全面共享、快速智能響應，實現由E到E+I的轉變，如圖5-1所示。

隨著社會和科學技術的發展，電力系統從獨立、封閉的“發、輸、配、用”的樹性結構演變為社會化的網絡結構。電力系統的社會化、電力資源優化配置是形成未來電力系統的根本原因。經濟發展的需求、資源配置需求、可持續發展以及結構調整的需求是推動電力系統演化的動力。在區域性電力系統互聯形成的超大規模電網中，電能流與信息流的交換、共享、互動構成了未來電力系統的整體結構，也是實現智能電網的基礎。

智能電網三大趨勢

我國經濟發展面臨著資源和環境的雙重約束，節約能源、改善能源結構、延緩氣候變化，智能電網為我們開辟了一個全新的電力商業模式和高效、清潔的能源供系統。建設智能電網是一項長期的工程，需要長遠的眼光、決心和魄力。展望未來，智能電網將呈現三大發展趨勢：

1、智能電網將物理的電網和數字的電網融為一體，實現基于廣域的、多種能源形式發電的優化配置，保障能源安全、提高能效，支持可再生能源入網。通過對電網運行的實時信息、電力價格信息、負荷需求信息，以及用電信息的整合、挖掘和互動，客戶用電有更多選擇，節能、減排、氣候變化等國家目標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展、能源有序消費的社會奠定基礎。

2、在公共信息模型（CIM）基礎上建立數據的整合體系和數據庫數據的收集體系，以整合電力系統中的數據，在此基礎上通過更多傳感器采集一線數據，根據市場價格信息號對資產進行實時的調配和高效管理，通過智能電表實現與客戶的雙向交流、互動，達到需求與供應的平衡。

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

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