新形勢下智能電網技術應用的探討

一、智能電網概念及其技術特征

1. 智能電網的概念。

簡單地說，智能電網通過傳感器把各種設備、資產連接到一起，以先進的計算機、電子設備和高級元器件等為基礎，通過引入通信、自動控制和其他信息技術，形成一個客戶服務總線，從而對信息進行整合分析，以此來實現對電力網絡的改造，從而降低成本，提高效率，提高整個電網的可靠性，使運行和管理達到最優(yōu)化。核心內涵是，在電力系統(tǒng)各業(yè)務環(huán)節(jié)，實現新型信息與通信技術的集成，促進智能水平的提高，其覆蓋范圍包括從需求側設施到廣泛分散的分布式發(fā)電再到電力市場的整個電力系統(tǒng)和所有相關環(huán)節(jié)，其中的每一個用戶和節(jié)點都得到了實時監(jiān)控，并保證了從發(fā)電廠到用戶端電器之間的每一點上的電流和信號的雙向流動及實時互動。

美國電力科學研究院提出的智能電網定義以及歐盟委員會關于智能電網的定義分別如圖1、圖2所示。2003年美加大停電后，美國電力行業(yè)面對陳舊老化的電力設施、與數字信息技術脫節(jié)的二次控制系統(tǒng)及巨額的投資改造計劃，決心利用日新月異的信息技術對電網進行徹底改造，以期建成一個高效能、低投資、安全可靠、靈活應變的電力系統(tǒng)，其智能電網的定義就是在這一背景下提出的。在歐洲，智能電網建設的驅動因素可以歸結為市場、安全與電能質量、環(huán)境等三方面。歐洲電力企業(yè)受到來自開放的電力市場的競爭壓力，亟須提高用戶滿意度，爭取更多的用戶。因此提高運營效率、降低電力價格、加強與客戶的互動就成為了歐洲智能電網建設的重點之一，而對環(huán)境保護的極度重視，則使得歐洲智能電網建設十分關注可再生能源的接入。

2. 智能電網的結構優(yōu)勢。

智能電網的結構能支持目前配電系統(tǒng)的結構所不能支持的兩個基本要求。( 1)綜合考慮終端用戶(分布式電源，電力調節(jié)設備，無功補償設備和用戶能量管理系統(tǒng))控制和總體配電系控制，以達到系統(tǒng)性能的優(yōu)化，取得期望的穩(wěn)定性和電能質量。(2)支持高比重的分布式電源，以提高系統(tǒng)。的整體性、效率和靈活性。電網能夠同時適應集中發(fā)電與分散發(fā)電模式，實現與負荷側的交互，支持風電、太陽能發(fā)電等可再生能源的接入，擴大系統(tǒng)運行調節(jié)的可選資源范圍，滿足電網與自然環(huán)境物和諧發(fā)展，通過協(xié)同的、分布式的控制，利用分布式電源來優(yōu)化系統(tǒng)性能，在發(fā)生重大系統(tǒng)故障時可利用分布式電源進行局部供電(微型電網) 。 智能電網的實現將形成所謂的“神經系統(tǒng)”， 將新的分布式技術———需求響應、分布式發(fā)電以及存儲技術———與傳統(tǒng)的電網發(fā)電、輸電和配電設備相融合，一起協(xié)調控制整個電網。

3. 智能電網技術應用特點

( 1)分布式能源領域。分布式能源的主要研究對象是需求側響應、分布式發(fā)電以及電力存儲技術。

( 2)通信技術。電網協(xié)作運行的參與者之間的通信技術與機制，包括通信媒介，信息安全，私鑰與認證，設備間的通信以及電子商務。

( 3)控制與軟件應用。主要的研究內容是如何利用通信技術和傳感器等裝置提供的信息，對輸配電網進行控制，使整個系統(tǒng)融合在一起，提供更加安全、可靠的電力和更低的電價。這方面的應用研究包括:用戶信息入口、智能測量和自動讀表裝置、需求響應和能量管理系統(tǒng)、電網友好型裝置/設備/程序、配電自動化、市場運行、電能買賣自助工具、負荷預測、輸配電網交易控制以及緊急狀況下的終端用戶切除。

二、新型能源管理系統(tǒng)

在美國和歐洲，已經有大量的電力企業(yè)正在開展智能電網建設實踐，內容覆蓋發(fā)電、輸電、配電和售電等環(huán)節(jié)。這些電力企業(yè)通過促成技術與具體業(yè)務的有效結合，使智能電網建設在企業(yè)生產經營過程中切實發(fā)揮作用，從而最終達到提高運營績效的目的。目前，已有的智能電網技術應用主要是在用電和配電領域。在用電系統(tǒng)，由于這部分投資主要是以家庭安裝智能設備為主，投資不大，因此運用就會比較容易，可以很快看到有沒有效率。而配電系統(tǒng)智能化就是不用人工管理，完全交由智能控制系統(tǒng)負責，目前應用不多。 本文提出的新型能源管理系統(tǒng)設計方案就是智能電網技術在用電系統(tǒng)的一個典型應用，可用于監(jiān)測家用電路的耗電量，還可以通過互聯(lián)網通信技術調整家用電器的用電量。它的組成包括:與公共電網并網分布式發(fā)電裝置及其管理系統(tǒng)。

1. 與公共電網并網的分布式發(fā)電裝置。

與公共電網并網的分布式發(fā)電裝置由可再生能源發(fā)電裝置、蓄電池、功率調節(jié)器組成。分布式發(fā)電裝置產生的電能首先向系統(tǒng)區(qū)域內的負荷供電，有剩余電能時向蓄電池充電，可以期待實現削減電力系統(tǒng)用電高峰(負荷平均化) 、無停電電源系統(tǒng)以及災害時的緊急用電源。若分布式發(fā)電裝置產生的電能向蓄電池充電后仍有剩余，則通過并網保護裝置送往電力系統(tǒng)(賣電) 。分布式發(fā)電裝置產生的電能不能滿足負荷的需要時，先由蓄電池供電，仍不足時則從電力系統(tǒng)買電。除此之外，鑒于非用電高峰時電價相對較低，蓄電池還可在非用電高峰時充電，減少用電高峰時從公電網獲取的電量，既緩解了用電高峰時電網的壓力，又為用戶節(jié)省了電費支出。這樣，電能可以在系統(tǒng)區(qū)域內得到有效利用，提高了電能的利用率和供電可靠性，節(jié)約了能源。同時也為電力系統(tǒng)運行提供了靈活性，如在風暴和冰雪天氣下，當大電網遭到嚴重破壞時，分布式發(fā)電裝置可自行形成孤島或微網向用戶提供應急供電。

功率調節(jié)器由逆變器、并網裝置以及蓄電池充放電控制裝置等構成，其中逆變器用來將可再生能源產生的直流電變成交流電，它使轉換后的交流電的電壓、頻率與電力系統(tǒng)向負載提供的交流電的電壓、頻率一致;蓄電池的充放電控制裝置主要用于避免蓄電池的過充電和深度放電。由于分布式發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)并網時會使電力系統(tǒng)的電能質量降低，給其他的用戶以及人身安全帶來影響，設置系統(tǒng)并網保護裝置就是為了避免這些情況的出現，同時系統(tǒng)并網保護裝置可以自動檢測出電力系統(tǒng)側或用戶側的事故，迅速將分布式發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)分離。分布式發(fā)電裝置并網于中壓或低壓配電網上運行，徹底改變了傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)單向潮流的特點，要求使用新的儀表來滿足雙向潮流的需要。因此，在此新型能源管理系統(tǒng)中，智能電表取代了傳統(tǒng)的電度表。

智能電表具有雙向計量功能，不僅能記錄流入某一建筑物的電流，還能監(jiān)測從該建筑物流回電網的電流，能同時實現多種計量( kWmiddot;h，kvar， kW， V 等) ，這將使電力企業(yè)能夠很好地評估獨立生產企業(yè)反饋回電網的有功功率和無功功率的數量。

智能電表還具有雙向通訊功能，支持遠程設置，能讓電力企業(yè)監(jiān)測每家每戶的電力波動，可以更早發(fā)現風險正在增加的隱患，從而改善超前模擬的效果。此外，它還能讓電力企業(yè)能夠設置不同的分時電價，鼓勵家庭和企業(yè)將高耗電設備或機器安排在非高峰時段運轉，減少可能使電網運行不穩(wěn)定的電力需求高峰的出現。

2. 管理系統(tǒng)配置。

新型能源管理系統(tǒng)的另一組成部分為一臺聯(lián)網的電腦，系統(tǒng)利用傳感器對關鍵用電設備的運行狀況進行實時監(jiān)控，采集有關電力消耗和各種設備情況準確及時的數據，并在電腦上顯示出來，通過對數據的分析、挖掘，達到對整個系統(tǒng)運行的優(yōu)化管理。

人們可以利用互聯(lián)網以遠程的方式監(jiān)視和控制各種智能設施，用戶還可以根據預算調整使用，例如人們能夠通過在一定時間關閉一些不必要的家用電器比如電熱水器，或者調整空調的設定溫度，來降低電力消耗，還可以按照電力收費的不同時間段，進行計劃用電。電力企業(yè)使用這種裝置可以精確地知道用戶的用電規(guī)律，從而對求和供應有一個更好的平衡:比如說，在電力供應的高峰期或是需求超過供給的時候，根據實時的客戶用電量提高價格。這樣，明智的用戶就會把自己家里可以替代能源的設備打開(比如蓄電池、可再生能源發(fā)電裝置等) ，或者是選擇錯開用電高峰時段。這樣就會形成比較靈活的供電模式，避免在用電高峰期出現停電，并提高電力企業(yè)的收益，達到需求側管理的目的。

與新型能源管理系統(tǒng)配套設計用戶門戶網站的示意。用戶通過加密的賬號登錄該網站后，可以看到自己的電量消費情況、分布式發(fā)電裝置產生的電量、蓄電池的剩余可運行的時間等。當發(fā)生停電或蓄電池的剩余電量不足時，網站上會有警告標示提醒用戶，當然，用戶也可以訂制電量消費情況報告或警告的短信通知服務，交電費等業(yè)務也以在網上進行。通過這個網站，用戶還可以得到節(jié)能建議和實時的價格信息，整合家用電器的使用時間和頻率，避開用電高峰期的高價格電力，降低電費費用。

三、結論與展望

對于未來能源來說，能源節(jié)約和能源效率是關鍵點。智能電網下的新型能源管理系統(tǒng)將允許我們來更好的管理、節(jié)約，監(jiān)控能源使用

1) 通過分布式發(fā)電裝置提高供電系統(tǒng)的可靠性和效率，提供對緊急功率、無停電電源系統(tǒng)和峰荷電力及其他一些輔助服務功能如無功支持、電能質量改善等的支持;

(2)通過將可再生能源發(fā)電設備整合進我們的能源基礎設施中，滿足電力與自然環(huán)境、社會經濟和諧發(fā)展的要求;

( 3)通過支持智能電網雙向電力供求的智能電表把暫時不用的電賣給其他需要電力的人，使之供或需，都由電力資源市場決定，實現分時電價，促進電力資源在需求側的合理配置，既節(jié)約了電能又為用戶節(jié)省了電費支出;

(4)通過傳感器和能源管理軟件，實現對用電設備的遠程監(jiān)控和負荷管理，達到對整個系統(tǒng)運行的優(yōu)化管理，及時發(fā)現并處理不安全隱患;

(5)通過與用戶的互動，將用戶的需求及時反映到電網的運行控制中，將用戶的需求及時反映到電網的運行控制中，更加適 應用戶的自主選擇需要，而這一點正是智能電網的關鍵，其目的是在不斷降低成本和提高效率的同時，提高整個電網的可靠性及可用性。