宫一玉，张  璞，刘兆燕，滕苏郸，高杨鹤，余潇潇

　　（北京市电力公司，北京100031）

　　摘  要： 从能源替代、环境保护、电网结构、电能质量4个方面，阐述了智能电网产生的背景；深入探讨了各国对智能电网的定义及原因；分析了智能电网的特征及基本要求，并着重对智能电网在用户侧的两项先进技术——需求侧管理和分布式能源并网进行了分析，对于总结智能电网在用户侧的发展有一定的价值。

　　关键词： 智能电网；需求侧管理；分布式能源

0 引言

　　传统能源日渐短缺和环境污染问题是制约人类社会持续发展的因素。电能作为清洁能源在终端能源所占的比重也日渐增加，现代电网在规模不断壮大的同时，也受到能源、环境、经济、政治等因素的考验，主要表现在以下几方面[1]：

　　（1）能源替代的紧迫性。煤炭、石油、天然气等资源日益枯竭，而目前还未出现新能源可以完全代替传统火电燃料。（2）改善环境的紧迫性。电能的清洁性已得到广泛认可，并逐渐通过电采暖、电动汽车的广泛推广。（3）电网结构的潜在威胁。大电网结构逐渐形成，电网结构高度互联，因此小范围的故障都有可能蔓延到全网。与此同时电力设备也日渐老化，老化的电力设备不易被察觉，容易造成小范围的故障。（4）电能质量的要求日益提高。随着各类金融中心、数据中心的成立，电力用户对电能质量的要求也日益提高，与此同时，电力电子设备的广泛应用会对电能质量产生负面的影响。

　　在如此严峻的形势下，保证电力系统可靠、安全、环保、智能的运行，是21世纪电网人面对的困难和挑战。在这样的发展背景下，智能电网（Smart Grid）的概念应运而生，并在全球范围内得到广泛认同，成为世界电力工业的共同发展趋势。世界各国都制定了各自的智能电网发展路线，2006年美国IBM公司与电力企业合作，研究智能电网的建设发展方案；2007年，我国华东电网也启动了智能电网的研究，规划在2030年华东电网将全面建成可靠、安全、环保的智能电网[2]。

　　随着科技的发展，能效技术、可再生能源技术、新型交通技术等各种低碳技术将大规模应用于电网，安全、稳定、高效、经济的智能电网将逐步形成。

　　本文明确了智能电网的定义，分析了智能电网的各类特征，探讨了实现智能电网过程中的用户侧的两项先进技术——需求侧管理和分布式能源并网，对于总结智能电网在用户侧的变化有重要的意义。

1 智能电网的定义

　　虽然智能电网(Smart Grid)的理念在21世纪初就已经被提出，然而目前国际上仍然未形成统一的“智能电网”的定义[3~5]。

　　美国能源部在其研究报告中将智能电网描述为：智能电网是指将先进的数字化技术应用于现代电网中，包括输电网、配电网、电力消费者以及分布式发电及储能技术，提高电网运行的可靠性、安全性和运行效率。

　　欧盟将智能电网定义为:智能电网是指在保证安全、可靠、经济电力供应的同时，将接于电网的用户——电能生产者、消费者、产消合一者智能化地集成为一个整体。

　　中国国家电网公司将其提出的坚强智能电网描述为:以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、白动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节，涵盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，具有坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放和友好互动内涵的现代电网[6-7]。

　　以上3种对于智能电网的定义侧重点不同，这是因为各个国家的能源结构、电网状况、管理体制等背景不同。美国是将数字化引入智能电网的概念，试图将先进的IT技术与大电网技术相融合，驱动电网智能化的发展；欧洲国家的输电网已经基本成型，欧洲国家所提出的智能电网主要侧重于配电网的智能化和自动化；国内输电网正处于高速发展的阶段，“五横五纵”的特高电网将逐步形成，因此，中国的智能电网更加侧重于输电网的智能化。

2 智能电网的特征及基本要求

　　虽然各国对于对于智能电网定义的侧重点略有不同，然而通过分析可以看出以上智能电网的定义有5项关键特征。如图1。

　　自愈:实时掌握电网运行状态，预测电网运行趋势，及时发现、快速诊断故障隐患和预防故障发生;故障发生时，无需或只需少量人工干预，就能够快速隔离故障，自我恢复，避免大面积停电的发生。

　　兼容:电网能够同时适应集中式发电和分布式发电模式，实现与负荷侧的交互，支持各种清洁、绿色、可再生能源的接入，满足电网与自然环境的谐调发展。

　　优化:优化资产规划、建设、运行、维护等各个环节，提高资产的利用效率，降低运行、维护和投资成本。

　　互动:实现与用户的智能互动，有效展开电力交易，实现资源的优化配置，提供最佳的电能质量和供电可靠性。

　　集成:实现监测、控制、保护、维护、调度和电力市场管理等数字化信息系统的全面集成，形成全面的辅助决策体系。

　　具备自愈、兼容、优化、互动、集成5项特征的智能电网能够充分利用现代测量、通信、计算机、自动化等IT技术，达到电网运行更可靠、更灵活、更经济，为用户提供更优质的服务目标。这与现行电网运行的安全、经济、电能质量的基本目标相一致，并且还强调了智能电网的灵活性、可监控、互操作性三项基本要求。

　　（1）灵活性

　　灵活性是指在电网运行过程中，系统功率/负荷发生较快的变化，引起较大功率波动时，能够通过调整发电机出力或电力负荷，保证系统功率平衡的能力。

　　在传统电网中，灵活源主要自发电侧，不可控源主要来自用户侧，电力流总体呈发电-输电-变电-配电单向流动；然而在智能电网中，由于多样化电力负荷的快速增长，高密度、高渗透率的分布式电源的广泛应用，电力系统不确定、不可控的因素增多，使得电力流方向不再单一，因此对电力系统的灵活性提出了更高的要求。

　　提高智能电网灵活性需要解决的关键问题就是提高调动系统灵活源的能力，并对其实时管理控制，使其能有效跟踪不可控源的电力生产和消费，在保持系统安全稳定的前提下，实现全系统的实时平衡。

　　（2）可监控性

　　由于智能电网中灵活源增多，电力流呈多方向化发展，加剧了电网面临的不确定性，因此必须提高全网的监测和控制，实时跟踪电网中灵活源的动态，保证系统潮流的实时平衡；再者，随着社会的发展，输电走廊的获取难度加大，为了提高电网的利用率，电网更多地运行在临界稳定运行状态，加大了电网的安全稳定风险。为了保持电网的安全稳定性，需要进一步提高电网的可监控性。

　　（3）互操作性

　　互操作性是指保证2个或更多网络、系统、设备、应用或元件之间相互通信以及在不需要过多人工介入即可有效、安全、协调运行的能力。

　　为了提高电网的智能化，智能电网需在多个层级上满足互操作性要求，智能电网不是将现有的电网推到重建，而是在现有设施的基础上进行扩展和升级，因此需要现代信息通信技术、传感技术、控制技术和电力技术的完美结合，提高电网的互操作性，实现智能电网的各种互动与交易需求。

　　目前各国学者对于电网智能化的研究都是基于提高电网的灵活性、可监控性、互操作性三个方面展开的。如今国内在提高电网可监控性方面开展了大量的工作，在提高电网灵活性和互操作性方面研究不足，特别是在需求侧管理方面，受到各方面因素的制约。

3 智能电网主要技术

　　国内提出的智能电网技术领域非常广泛，覆盖发电、输电、变电、配电、用电、调度6个环节，包括了高级计量基础设施、高级配电运行系统、高级输电运行系统、高级资产管理系统4个技术支持系统，涵盖了需求侧管理技术、新能源并网技术、广域测量技术等[8-9]。智能电网与现代电网的区别如表1。

　　3.1 需求侧管理

　　需求侧管理是指电力用户针对市场价格信号或激励机制做出响应，并改变原有电力消费模式的行为。电力需求侧管理从根本上改变了单纯依靠电源建设来满足电力需求增长的传统理念，它是将电力需求侧纳入规划，与供应侧资源统一管理优化，通过整合各类先进的信息、控制及通信技术，增强了电网与用户的互动性，实现了电力能源消耗的动态管理[10]。

　　现今电力企业实施需求侧管理主要从以下几个方面进行：

　　（1）智能电表。智能电表是实现需求侧管理的信息终端和控制终端。智能电表通过几代的发展，不仅能够实时的记录用户的用电信息，而且由于其与通信网络友好接入，因此新一代智能电表还具有远程抄表，分段记录、故障定位、电能质量监测及窃电监测等功能，初步实现了电网与用户的友好交互。

　　（2）双向通信。实时、高速与集成的双向通信技术是实现智能电网与用户之间信息互动的基础，也是确保智能电网实现开放式“即插即用”电网架构的先决条件。双向通信可以辅助用户实时合理、快速与准确参与各类需求侧管理项目。

　　（3）用户门户。用户门户是电网与用户的接口，它挣了了多种软硬件技术，以实现智能电网可靠地获取用户的用电信息，实现远程负荷监控等用户管理。用户也可以通过用户门户实现在线预付电费、定制需求侧相应策略等。

　　（4）智能家居。智能家居是指将家庭中的各种用电设备、家庭安全报警系统、智能电表等通过互联网与电脑相连，使用户可以远程控制家庭内的用电设备，并向用户反映各类电器的电费影响，协助用户决策家用电器的合理使用，增强用户在需求侧管理的参与度。

　　（5）改进的客户服务。为了提升用户参与需求侧管理的积极性，电力企业需要改进客户服务，包括灵活的计费方式、多种可选择的电价方案、停电预通知、详实的电费信息、电能节约向导等。

　　3.2 分布式能源并网

　　近年来，分布式能源技术发展迅速，在丹麦、芬兰、挪威等北欧国家，现有的分布式发电装机容量己超过其总装机容量的30%。可以预见，随着传统资源逐渐枯竭，人们的环保意识增强，分布式能源的发展将会进一步加大[11]。

　　分布式能源是指安装在用户侧的能源综合利用系统，主要包括分布式电源和分布式储能系统，同时还包含负荷侧能量管理系统和热电联产系统。其中，分布式电源的形式包括风力发电、光伏发电、微型燃汽轮机和小水电等，分布式储能系统则包括燃料电池、蓄电池等

　　大规模的分布式能源的并网使得可再生能源充分利用的同时，对于电网结构、能量形式、保护控制也带来了考验，电网中功率流动、信息交换和控制方式的复杂程度大大增加。因此需要从以下几个方面探索分布式能源并网的问题。

　　（1）优化分布式能源并网的运行管理。分布式能源并网与常规能源并网不同，一方面分布式能源并网会使功率发生双向性流动，改变原有电网的潮流方向；另一方面，风电、光伏发电等分布式电源具有能源间歇性的特点，为了使其能效能够充分发挥，需要优化分布式电源的调度管理，并通过分布式储能装置实现电网潮流的动态平衡。

　　（2）合理规划分布式能源的接入方案。随着分布式能源并网的蓬勃发展，不同类型、容量和数量的分布式电源接入电网后，电网结构不再是单一的垂直辐射式，而是出现了双向流动的形式，因此必须合理规划和设计分布式电源的类型、安装地点和容量等，有效发挥分布式能源和提高供电可靠性。

　　（3）改进继电保护系统。大量分布式能源的接入，会导致系统潮流的多方向流通，进而使原有的继电保护装置能不满足要求，因此必须对现有保护系统从工作原理到动作逻辑上加以改造，使之能够灵活适应的变化，确保将故障范围锁定在最小范围内。

　　（4）推广微电网技术。微电网是指由分布式电源、储能装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行，也可以孤立运行。对于输电成本高、对电能质量要求高的集中电力用户区，将分布式能源以微电网的形式接入大电网，是对分布式电源利用效能最高的一种方式。

4 小结

　　各种低碳技术的大规模应用主要集中在可再生能源发电和终端用户方面，使智能电网与传统电网相比在发电侧和用户侧的特性发生了重大改变，因此充分发挥需求侧管理调节能力，合理地发展分布式能源并网，充分发挥可再生能源效用，对于建设智能电网有着重要的意义。

　　参考文献

　　[1]张东霞，姚良忠，马文媛．中外智能电网发展战略[J]．电机工程学报，2013，33(31)：1-14.

　　[2]薛晨，黎灿兵，曹一家，等．智能电网中的电网友好技术概述及展望[J]．电力系统自动化，2011，35(15)：102-107.

　　[3]EPRI. Profiling and mapping of intelligent grid R&D programs[R]. EPRI, Palo Alto, CA and EDF R&D, Clamart(France), 2006.

　　[4]HAASE P.IntelliGrid: a smart network of power[C]. EPRI Journal, 2005: 17-25.

　　[5]European Commission. European technology platform smart grids; vision and strategy for Europe's electricity networks of the Future [EB/OL].(2015-08-01).http：//wenku. baidol com.

　　[6]刘振亚.中国电力与能源[M].北京:中国电力出版社，2012.

　　[7]刘振亚.智能电网技术[M].北京:中国电力出版社，2010.

　　[8]张新昌，周逢权．智能电网引领智能家居及能源消费革新 [J]．电力系统保护与控制，2014，42(5)：59-67.

　　[9]施婕，艾竿．智能电网实现的若干关键技术问题研究[J]．电力系统保护与控制，2009，37(19)：1-4.

　　[10]王蓓蓓，李扬，高赐威．智能电网框架下的需求侧管理展望与思考[J]．电力系统自动化，2009，33(20)：17-22

　　[11]余昆，曹一家，倪以信，等.分布式发电技术及其并网运行研究综述[J]．河海大学学报:自然科学版，2009,37(6):741-748.