自愈電網(wǎng)與分布能源解析

智能電網(wǎng)的推動(dòng)因素、研發(fā)路線和難點(diǎn)問(wèn)題

摘要：抓住智能電網(wǎng)的主要方面，研究我國(guó)建設(shè)智能電網(wǎng)的實(shí)施策略。在闡述智能電網(wǎng)幾個(gè)主要特征的基 礎(chǔ)上。分析了國(guó)內(nèi)外推動(dòng)智能電網(wǎng)的幾個(gè)主要因素，以及兩條異途同歸的研發(fā)路線，討論了當(dāng)代電網(wǎng)研發(fā)多年 未果、智能電網(wǎng)尤需解決的事件啟動(dòng)快速仿真決策和控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)自適應(yīng)難點(diǎn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；智能電表；節(jié)能減排；分布式發(fā)電；分布儲(chǔ)能；需求響應(yīng)

智能電網(wǎng)的主要特征

智能電網(wǎng)全面覆蓋發(fā)電、輸電、配電、用電和 電力市場(chǎng)，含括一、二次系統(tǒng)，很難用一個(gè)簡(jiǎn)明的 統(tǒng)一定義來(lái)表述。但智能電網(wǎng)有別于常規(guī)電網(wǎng)的 幾個(gè)主要特征，已逐步形成共識(shí)。

1)自愈。電網(wǎng)故障時(shí)，事件啟動(dòng)快速仿真決 策來(lái)實(shí)現(xiàn)故障隔離，避免或縮小停電范圍。智能 電網(wǎng)在故障區(qū)內(nèi)，通過(guò)由分布式發(fā)電、分布儲(chǔ)能和 需求響應(yīng)(DR)資源組成的分布能源提供輔助服 務(wù)，而不是被動(dòng)地坐視“離線整定、實(shí)時(shí)動(dòng)作”的繼 電保護(hù)和(或)穩(wěn)定補(bǔ)救裝置自行發(fā)展。

2)供需互動(dòng)。智能電網(wǎng)通過(guò)供需關(guān)口、上下 雙向通信提供用電和市場(chǎng)信息，并與用戶住宅內(nèi) 的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)相連的智能電表，實(shí)現(xiàn)供需雙方互動(dòng)。 智能電網(wǎng)促使所有大、中、小用戶通過(guò)需求響應(yīng)來(lái) 改變自己的用電方式、主動(dòng)參與電網(wǎng)管理和市場(chǎng) 競(jìng)爭(zhēng)，并可獲取相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)利益，而不是象以前那 樣被動(dòng)地僅執(zhí)行所定的電價(jià)。

3)推動(dòng)節(jié)能減排發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)能源和環(huán) 境的挑戰(zhàn)，配電領(lǐng)域的風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤?再生能源，相應(yīng)的分布儲(chǔ)能和插入式電動(dòng)汽車(chē)等 都發(fā)展很快，電網(wǎng)結(jié)點(diǎn)和不定因素大幅度增加。 智能電網(wǎng)的研發(fā)，將節(jié)能減排積極地納入電網(wǎng)和 市場(chǎng)的監(jiān)控管理中，而不是作為單向的負(fù)荷效應(yīng) 和負(fù)荷控制處理。

4)協(xié)調(diào)與自適應(yīng)控制。智能電網(wǎng)環(huán)境下，分 屬于發(fā)電、輸電、配電、用電各個(gè)環(huán)節(jié)，無(wú)論是正常 狀態(tài)下的高壓／低壓發(fā)電優(yōu)化、市場(chǎng)運(yùn)作，還是緊 急狀態(tài)下的靈活分區(qū)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，都涉及到集中控 制系統(tǒng)(能源管理系統(tǒng)EMS／需求側(cè)管理DMS 等)的相互協(xié)調(diào)和分布控制系統(tǒng)(繼電保護(hù)／就地 無(wú)功補(bǔ)償／穩(wěn)定補(bǔ)救裝置等)的自適應(yīng)問(wèn)題，而不 僅是集中控制系統(tǒng)各司其職、分布控制系統(tǒng)“離線 整定、實(shí)時(shí)動(dòng)作”。

5)資產(chǎn)優(yōu)化管理。智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)資 產(chǎn)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等的全生命周期優(yōu)化管 理，并運(yùn)用市場(chǎng)機(jī)制，通過(guò)供需互動(dòng)、推動(dòng)節(jié)能減 萬(wàn)方數(shù)據(jù)

2 王明俊：智能電網(wǎng)的推動(dòng)因素、研發(fā)路線和難點(diǎn)問(wèn)題 排等，提高發(fā)電效率、降低電網(wǎng)損耗，解決負(fù)荷率 不高、設(shè)備閑置等問(wèn)題，有效提高資產(chǎn)利用率，降 低運(yùn)行成本，減少或推遲投資，而不是單純的設(shè)備 管理。 本文在描述智能電網(wǎng)主要特征的基礎(chǔ)上，就 智能電網(wǎng)的推動(dòng)因素、研發(fā)路線和難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行 分析和討論，試圖得出一些有益于我國(guó)研發(fā)智能 電網(wǎng)的啟示和借鑒。

2推動(dòng)智能電網(wǎng)研發(fā)的主要因素 當(dāng)代，由于以下幾個(gè)主要因素的推動(dòng)，智能電 網(wǎng)的研發(fā)已不是一個(gè)需不需要的問(wèn)題，而是何時(shí) 研發(fā)、如何研發(fā)的問(wèn)題。

2．1 全球性環(huán)境和能源的挑戰(zhàn)LIJ 能耗和CO。排放導(dǎo)致全球氣候變暖，已是一 個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》提出 的最終目標(biāo)是：“將大氣中溫室氣體的濃度，穩(wěn)定 在防止氣候系統(tǒng)受到危險(xiǎn)的人為干擾的水平上”。

1)等效C0。的排放，主要來(lái)自發(fā)電廠、交通、 工業(yè)、商業(yè)和住戶。其中發(fā)電廠和交通的等效 Co。排放所占比例最大，且因國(guó)情而異，如美國(guó) 發(fā)電廠和交通的等效CO。排放所占比例均為 33％。這也是風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?和插入式電動(dòng)汽車(chē)得以重視發(fā)展的一個(gè)重要 原因。

2)能源方面。根據(jù)預(yù)測(cè)2050年全球能源消 耗將翻3倍，這除了導(dǎo)致發(fā)電燃料價(jià)格的上漲外 還將迫使電價(jià)上揚(yáng)。因此，各國(guó)更加重視、直至立 法來(lái)推動(dòng)各種可再生能源的發(fā)展。如美國(guó)加州領(lǐng) 先要求可在生能源的比例，從當(dāng)前的2％提高到 2010年的20％、2020年達(dá)33％的目標(biāo)。目前，插 入式電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模采用尚有待時(shí)日，但據(jù)美 國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究，美國(guó)現(xiàn)有的發(fā)、 輸、配電系統(tǒng)如每天24 h得到優(yōu)化使用，可足夠 支持插入式電動(dòng)汽車(chē)替代高達(dá)73％的燃油汽車(chē)， 減少52％的石油進(jìn)口量。 可見(jiàn)，全球性環(huán)境和能源的挑戰(zhàn)，推動(dòng)了智能 電網(wǎng)的研發(fā)，以解決含可再生能源在內(nèi)的各種類(lèi) 型分布式發(fā)電以及插入式電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入電網(wǎng)和市 場(chǎng)后所引發(fā)的各種問(wèn)題。

2．2電網(wǎng)的安全、高效運(yùn)行 據(jù)美國(guó)國(guó)家工程技術(shù)研究中心(NERC)對(duì)美 國(guó)1984～1997年(包括1996年“8．10”大停電)的 電網(wǎng)停電事故統(tǒng)計(jì)可知，美國(guó)每年影響1～10萬(wàn) 用戶的停電次數(shù)為5～10次，影響10～100萬(wàn)用 戶的停電次數(shù)為l～5次，影響100～1000萬(wàn)用戶 的停電次數(shù)為0．1～1次。其中，40％的大停電是 由級(jí)聯(lián)事件演變而成[2]。當(dāng)代電網(wǎng)的安全控制 中，緊急狀態(tài)下的緊急控制主要由“離線整定、實(shí) 時(shí)動(dòng)作”的繼電保護(hù)和(或)穩(wěn)定補(bǔ)救裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這些自動(dòng)裝置除了不具備事態(tài)發(fā)展的評(píng)估能力 外，當(dāng)離線模擬和在線實(shí)際出入較大時(shí)，還可能發(fā) 生諸如保護(hù)動(dòng)作過(guò)慢導(dǎo)致震蕩，或發(fā)生不必要的 解列等問(wèn)題。因此，必須通過(guò)加強(qiáng)正常狀態(tài)下動(dòng) 態(tài)安全評(píng)估的預(yù)防性控制，及時(shí)予以修正。 突出自愈功能的智能電網(wǎng)，能夠采用在線的 快速仿真、評(píng)估事態(tài)發(fā)展、決定是否隔離、如何分 區(qū)等。自愈功能除了能制止或縮小事態(tài)的擴(kuò)大 外，并能夠在故障區(qū)內(nèi)，通過(guò)分布能源提供的輔助 服務(wù)，至少保證用戶的基本用電。 智能電網(wǎng)主動(dòng)靈活分區(qū)實(shí)現(xiàn)故障隔離，具有 潛在的巨大效益。經(jīng)對(duì)WECC 179母線電網(wǎng)(發(fā) 電61 410 Mw、負(fù)荷60 785 MW)仿真驗(yàn)算可知， 該電網(wǎng)某線路故障相繼越限跳閘，可能導(dǎo)致系統(tǒng) 崩潰。如告警后分為兩個(gè)區(qū)，其中1區(qū)供電 35 685 MW、無(wú)線路越限；2區(qū)卸負(fù)荷312 MW、 供電1 786 MW，總卸負(fù)荷率僅為0．51％。 傳統(tǒng)電網(wǎng)存在的另一個(gè)問(wèn)題是運(yùn)行效率不 高。如美國(guó)，2001年的平均發(fā)電熱效率為33％、 輸電損失達(dá)9．5％、負(fù)荷率為55％，相當(dāng)于45％ 的電力設(shè)備在非峰荷期間閑置未用。 智能電網(wǎng)除通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行和資產(chǎn)管理、提高 設(shè)備使用率、降低運(yùn)行成本外，主要是推廣位置處 于負(fù)荷點(diǎn)、高效環(huán)保的可再生分布能源，支持諸如 插入式電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能應(yīng)用。此外，還采用高性 價(jià)比的新技術(shù)，如高溫超導(dǎo)、儲(chǔ)能、和電力電子技 術(shù)等，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行改造或適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展。 其中，高溫超導(dǎo)(HTS)技術(shù)，可以通過(guò)狹窄通道 向遠(yuǎn)方傳輸大量電力，而電網(wǎng)損耗及電壓降幾乎 為零。美國(guó)能源部與Southwire公司合作的 HTS示范工程，已于2000年2月在亞特蘭大投 入運(yùn)行。

2．3供需互動(dòng)的需求響應(yīng)雙向服務(wù)

傳統(tǒng)電網(wǎng)、特別是電力壟斷經(jīng)營(yíng)時(shí)期的發(fā)、 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 王明?。褐悄茈娋W(wǎng)的推動(dòng)因素、研發(fā)路線和難點(diǎn)問(wèn)題3 輸、配、用電，是從上而下的單向供需關(guān)系。那些 由用戶控制啟停的自備電廠或量大面廣的可再生 能源發(fā)電的電源，都被視為是虛擬負(fù)荷，即使接入 配電系統(tǒng)，也不參與自動(dòng)發(fā)電控制，甚至在配電網(wǎng) 側(cè)安裝逆功率繼電器，正常時(shí)不向電網(wǎng)注入功率。 隨著電網(wǎng)的發(fā)展，這些分布式發(fā)電直接或間接納 入需求側(cè)管理，在開(kāi)源節(jié)流、改善負(fù)荷曲線方面發(fā) 揮了積極作用，但單向的供需關(guān)系基本未變。 對(duì)電網(wǎng)而言，分布式發(fā)電的啟?？梢钥闯墒?虛擬負(fù)荷的減少和增加。同樣，負(fù)荷的減少和增 加也可等效于虛擬發(fā)電的增減。隨著電力市場(chǎng)的 深入發(fā)展，負(fù)荷相當(dāng)于是潛在功率產(chǎn)品的價(jià)值正 日益凸現(xiàn)。智能電網(wǎng)下需求側(cè)管理將向需求側(cè)競(jìng) 價(jià)發(fā)展，單向的供需關(guān)系將形成雙向的供需互動(dòng)。 實(shí)際上，需求側(cè)競(jìng)價(jià)(DSB)是需求側(cè)管理的 一種實(shí)施機(jī)制，它使用戶能夠通過(guò)改變自己的用 電方式主動(dòng)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)利益， 而不象以前那樣被動(dòng)地執(zhí)行所定的電價(jià)。也可以 說(shuō)，DSM是長(zhǎng)期改變負(fù)荷特性的行為和機(jī)制，大 多是政府驅(qū)動(dòng)。而DSB是基于市場(chǎng)的短期負(fù)荷 響應(yīng)行為和市場(chǎng)機(jī)制，主要由市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。 參與需求改變量的競(jìng)爭(zhēng)，既可以競(jìng)價(jià)增負(fù)荷， 也可以競(jìng)價(jià)減負(fù)荷。但為了實(shí)現(xiàn)DSB產(chǎn)品的規(guī) 模效應(yīng)，一般只有兆瓦級(jí)以上的大用戶、或是多個(gè) 同行企業(yè)通過(guò)集總代理才直接參與需求競(jìng)價(jià)，小 用戶則是通過(guò)其供電商作為代理間接參與需求 競(jìng)爭(zhēng)。 DSB產(chǎn)品的用途，除與發(fā)電商之間的雙邊合 同外，還包括各種形式的輔助服務(wù)(頻率控制、電 壓控制、備用和黑啟動(dòng))、參與可中斷供電合同或 峰谷電價(jià)計(jì)劃、在平衡市場(chǎng)中競(jìng)價(jià)增減出力，以及 緩解輸配電阻塞等。值得注意的是，需求側(cè)響應(yīng) 的瞬時(shí)性明顯優(yōu)于發(fā)電機(jī)，而其價(jià)格卻僅為新建 峰荷時(shí)發(fā)電廠的1／4～1／3。 可見(jiàn)，供需互動(dòng)的需求響應(yīng)資源，通過(guò)雙向服 務(wù)，達(dá)到供需雙贏，已成為推動(dòng)智能電網(wǎng)研發(fā)實(shí)施 的一個(gè)重要因素。但供需互動(dòng)的效益，必須以并 放供用電市場(chǎng)為前提。否則，供需關(guān)口、上下雙向 通信的智能電表將無(wú)用武之地。

2．4高性?xún)r(jià)比的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

推動(dòng)智能電網(wǎng)研發(fā)實(shí)施的又一個(gè)重要因素， 是投入產(chǎn)出的高性?xún)r(jià)比，這也是智能電網(wǎng)所追求 的一個(gè)主要目標(biāo)。智能電網(wǎng)的幾乎每個(gè)環(huán)節(jié)都具 有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1)據(jù)美國(guó)電科院EPRI估計(jì)，美國(guó)未來(lái)20 a 需投資1 650億美元的智能電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)后的綜合 效益可達(dá)6 280～8 020億美元。奧巴馬的顧問(wèn)在 一份科技投資對(duì)就業(yè)影響的報(bào)告中分析，投資 100億美元建設(shè)智能電網(wǎng)，可創(chuàng)造23．9萬(wàn)個(gè)就業(yè) 崗位。

2)據(jù)稱(chēng)，智能電網(wǎng)使美國(guó)電網(wǎng)的效率每提高 5％，相當(dāng)于減少5 300萬(wàn)輛汽車(chē)的燃料消耗和 C02排放。

3)可再生能源發(fā)電方面。以美國(guó)加州2020 年要求可再生能源比例達(dá)33％為例，將減少11％ 的碳排放。

4)插入式電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。美國(guó)現(xiàn)有的發(fā)、 輸、配電系統(tǒng)，如可24 h優(yōu)化使用支持插入式汽 車(chē)的電動(dòng)用電，則可替代73％的燃油汽車(chē)，將減 少約24％的碳排放和52％的石油進(jìn)口。

5)輸電方面。美國(guó)計(jì)劃使用超導(dǎo)輸電技術(shù)， 跨越4個(gè)時(shí)區(qū)傳送電力。第一條高溫超導(dǎo)電纜， 已于2008年4月投入運(yùn)行。與同樣直徑的銅導(dǎo) 線相比，其輸電能力提高150倍。

6)配電方面。美國(guó)和墨西哥的電力公司和 終端用戶，每年將安裝100多萬(wàn)臺(tái)配電變壓器，如 采用高效非晶質(zhì)鐵芯技術(shù)，每年可節(jié)約7．5億 kW•h，相當(dāng)于減少46．5萬(wàn)t的C0：排放或?qū)? 萬(wàn)輛汽車(chē)從公路上移去。

7)供需互動(dòng)支持的需求響應(yīng)雙向服務(wù)，潛在 效益更大。如美國(guó)通過(guò)DR進(jìn)行調(diào)峰，可減少發(fā) 電47 000 MW，相當(dāng)于每年減少1．06億t的C0z 排放。同時(shí)，用戶方面也可減少15％以上的高峰 負(fù)荷和10％以上的用電總需求。

8)需求響應(yīng)資源輔助服務(wù)，效益十分顯著。 如應(yīng)對(duì)突然的頻率下降，除發(fā)電機(jī)提供功率支持 外，需求側(cè)也可響應(yīng)頻率的變化。而且實(shí)踐表明， 需求側(cè)響應(yīng)的瞬時(shí)性，明顯優(yōu)于發(fā)電機(jī)。英國(guó)的 電力市場(chǎng)，就有13個(gè)水泥制造企業(yè)通過(guò)集總代理 與輸電系統(tǒng)運(yùn)行人員簽訂雙邊合同，減少最大瞬 時(shí)負(fù)荷達(dá)110 MW。此外，需求響應(yīng)資源輔助服 務(wù)的性?xún)r(jià)比較高，也是其取得快速發(fā)展的另一個(gè) 重要原因。據(jù)美國(guó)Baltimore煤氣電力公司BGE 實(shí)算，需求響應(yīng)資源的價(jià)格為每千瓦i65美元，為 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 4 王明?。褐悄茈娋W(wǎng)的推動(dòng)因素、研發(fā)路線和難點(diǎn)問(wèn)題 新建峰荷時(shí)發(fā)電廠的1／4～1／3。并預(yù)言今后若 干年內(nèi)，需求響應(yīng)資源將是保證供電可靠性性?xún)r(jià) 比最高的一個(gè)有力措施。

3智能電網(wǎng)的研發(fā)路線

智能電網(wǎng)研發(fā)的幾個(gè)特征和推動(dòng)因素，基本 上也是當(dāng)代電網(wǎng)所尋求改進(jìn)的發(fā)展方向。其次， 智能電網(wǎng)的研發(fā)和實(shí)施與當(dāng)代電網(wǎng)的改進(jìn)和發(fā) 展，同樣都必須依靠監(jiān)管法規(guī)的推動(dòng)和市場(chǎng)機(jī)制 的激勵(lì)。此外．，智能電網(wǎng)的研發(fā)實(shí)施和當(dāng)代電網(wǎng) 的改進(jìn)發(fā)展在發(fā)電、輸電、配電、用電之間也沒(méi)有 必然的先后順序聯(lián)系，甚至可以從供用電領(lǐng)域人 手，先行建設(shè)城市智能電網(wǎng)，如美國(guó)科羅拉多州的 Boulder，于2008年3月即建成為全美的第一個(gè) 智能電網(wǎng)城市。 因此，智能電網(wǎng)的研發(fā)實(shí)施和當(dāng)代電網(wǎng)的改 進(jìn)發(fā)展，代表兩條異途同歸的研發(fā)路線。但由于 各國(guó)資源配置、監(jiān)管決策取向、電力市場(chǎng)進(jìn)展以及 用戶認(rèn)知程度不同，切入點(diǎn)、重點(diǎn)和先后順序必然 有所差異。

3．1國(guó)外智能電網(wǎng)的研發(fā) 國(guó)外智能電網(wǎng)的研發(fā)，比較有代表性的是歐 州的20／20／20計(jì)劃，和美國(guó)的Grid2030。

3．1．1歐洲的20／20／20計(jì)劃 2006年，歐州未來(lái)電網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)咨詢(xún)理事會(huì) 發(fā)布《智能電網(wǎng)——戰(zhàn)略規(guī)劃文件》，要求在2020 年前可再生能源增加20％、碳排放減少20％和能 源效率提高20％，故簡(jiǎn)稱(chēng)20／20／20計(jì)劃。為了 實(shí)現(xiàn)20／20／20目標(biāo)，采取了優(yōu)化電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè) 施、接入大量的斷續(xù)的發(fā)電設(shè)施、推廣信息與通信 技術(shù)、主動(dòng)的配電網(wǎng)絡(luò)、推廣和改善新型的電力市 場(chǎng)和提高用戶的用電效率等6項(xiàng)措施。

3．1．2美國(guó)的Grid2030 Grid2030是一個(gè)完全自動(dòng)化的發(fā)、輸、配、用 電網(wǎng)絡(luò)，它監(jiān)控每一個(gè)用戶和電網(wǎng)結(jié)點(diǎn)，保證電力 和信息在所有結(jié)點(diǎn)的雙向流動(dòng)。美國(guó)的 Grid2030是美國(guó)能源部于2003年7月所發(fā)布。 緊接著發(fā)生了震驚全球的“8．14”美國(guó)、加拿大大 停電，Grid2030隨即納入美國(guó)EPRI發(fā)起、突出自 愈功能的智能電網(wǎng)研發(fā)。2009年，奧巴馬政權(quán)將 智能電網(wǎng)改造列入美國(guó)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃，更加引發(fā) 對(duì)智能電網(wǎng)的廣泛關(guān)注。 Grid2030具有三層結(jié)構(gòu)。

1)上層的全國(guó)電網(wǎng)骨架，通過(guò)低阻超導(dǎo)電纜 和變壓器組成的輸電走廊，與包括加拿大和墨西 哥的區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)相連。

2)中層區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，長(zhǎng)距離輸電由升級(jí)的交 流或擴(kuò)充的直流線路構(gòu)成，并大量應(yīng)用先進(jìn)的儲(chǔ) 能設(shè)備以解決由于氣候或其他原因所造成的供需 失衡。

3)基層的地方配電網(wǎng)、小型網(wǎng)和微電網(wǎng)，通 過(guò)區(qū)域網(wǎng)與國(guó)家電網(wǎng)骨架網(wǎng)相連，可從任何地方 的發(fā)電商購(gòu)買(mǎi)電源，而向用戶提供服務(wù)。用戶可 以根據(jù)需要挑選電力供應(yīng)，包括電價(jià)，環(huán)境的影 響，可靠性和電能質(zhì)量。用戶的分布式電源也可 與區(qū)域網(wǎng)相連，參與市場(chǎng)交易和競(jìng)爭(zhēng)。 突出自愈功能的Intel|iGrid【4]，進(jìn)一步將智 能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)概括為市場(chǎng)、輸電、配電、高壓發(fā)電、 分布能源(包括分布式發(fā)電、分布儲(chǔ)能和需求響應(yīng) 資源)、用戶服務(wù)、IT服務(wù)等7個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)前共列 出400多項(xiàng)應(yīng)用功能(今后隨技術(shù)進(jìn)步和最佳實(shí)踐 可能有所增減)，被稱(chēng)為是走向下一代電力系統(tǒng)的 交通圖。 2009年1月25日，美國(guó)白宮發(fā)布《復(fù)蘇計(jì)劃 尺度報(bào)告》，宣布將鋪設(shè)3 000 mile輸電線路，為 全國(guó)近1／3的4 000萬(wàn)家庭安裝智能電表。此外， 還將集中對(duì)落后的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行更新?lián)Q代，建立 跨越4個(gè)時(shí)區(qū)的統(tǒng)一電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、風(fēng)能、地 熱能的統(tǒng)一入網(wǎng)管理。

3．2我國(guó)向智能電網(wǎng)的發(fā)展

我國(guó)雖然尚未制定智能電網(wǎng)的研發(fā)具體實(shí)施 規(guī)劃，但已根據(jù)國(guó)情開(kāi)展有關(guān)基礎(chǔ)工作，向智能電 網(wǎng)方向發(fā)展。

1)2007年9月4日，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《可 再生能源中長(zhǎng)期計(jì)劃》，制定了可再生能源發(fā)展目 標(biāo)為2010年可再生能源所占比例為10％、2020 年達(dá)15％。2007年8月，國(guó)務(wù)院發(fā)改委、環(huán)?？?局、電監(jiān)會(huì)和能源辦頒發(fā)的《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法 (試行)》明確規(guī)定：“優(yōu)先調(diào)度可再生發(fā)電資源，按 機(jī)組能耗和污染物排放水平由低到高排序，依次 調(diào)用化石類(lèi)發(fā)電資源，最大限度地減少能源、資源 消耗和污染物排放”。輸、配、用電領(lǐng)域大力推動(dòng) 節(jié)能降耗，如制定電器能效標(biāo)準(zhǔn)、綜合線損率要求 2010年降至6．3％等。 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 王明?。褐悄茈娋W(wǎng)的推動(dòng)因素、研發(fā)路線和難點(diǎn)問(wèn)題5

2)新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用方面，基于電力電子 的靈活交流輸電技術(shù)(FACTS)研制和裝備已達(dá)到 國(guó)際領(lǐng)先水平。此外，根據(jù)我國(guó)資源配置的特點(diǎn)， 正在推廣高效低排的煤氣化聯(lián)合循環(huán)(ICA2C)發(fā)電 技術(shù)和加強(qiáng)高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)的研發(fā)。煙臺(tái)300 ～400 MW和華能250 MW IGcC示范工程均將于 2010年建成。輸電領(lǐng)域，清華大學(xué)研究的鉍系高 溫超導(dǎo)，已在北京英納超導(dǎo)技術(shù)公司投入生產(chǎn)。

3)供需互動(dòng)方面，正在結(jié)合拉動(dòng)內(nèi)需，積極 籌建包括智能電表在內(nèi)的新一代電力用戶信息系 統(tǒng)，用以支持電力市場(chǎng)的發(fā)展，并計(jì)及智能電網(wǎng)的 研發(fā)和實(shí)施。

4)國(guó)家電網(wǎng)公司現(xiàn)已建成并推廣的SGl86 一體化企業(yè)級(jí)信息平臺(tái)，包括安全生產(chǎn)、項(xiàng)目管 理、物資管理、財(cái)務(wù)資金、營(yíng)銷(xiāo)管理、協(xié)同辦公和人 力資源8大應(yīng)用，以及信息安全防護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)制度、 評(píng)價(jià)考核等6項(xiàng)保障體系。SGl86與新一代電力 用戶信息系統(tǒng)相結(jié)合，將為智能電網(wǎng)的信息化奠 定良好基礎(chǔ)。

5)對(duì)節(jié)能減排和配電市場(chǎng)影響較大的插入 式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展較快。2008年12月15•日，世界 第一款續(xù)航里程達(dá)100 km以上、時(shí)間上領(lǐng)先國(guó) 外2～3 a的比亞迪F3DM雙模電動(dòng)汽車(chē)在深圳 上市，2010年可望進(jìn)入北美市場(chǎng)。

4研發(fā)智能電網(wǎng)的某些難點(diǎn)問(wèn)題

可以說(shuō)，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的幾個(gè)主要特征，同時(shí) 也包含了智能電網(wǎng)研發(fā)的若干難點(diǎn)。本文僅就當(dāng) 代電網(wǎng)研發(fā)多年未果、智能電網(wǎng)尤需解決的兩個(gè) 難點(diǎn)問(wèn)題加以分析討論。

4．1事件啟動(dòng)的快速仿真決策 電網(wǎng)是一個(gè)快速反應(yīng)的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，為了評(píng)估 事件可能引發(fā)的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，需及時(shí)提供決策支持， 但電網(wǎng)長(zhǎng)期存在精確模型計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、簡(jiǎn)化模 型精度不夠的難題。因此，事件啟動(dòng)的快速仿真 成為當(dāng)前的一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 實(shí)現(xiàn)快速仿真的預(yù)測(cè)方法具有兩個(gè)研發(fā)方 向，一是靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)特性相結(jié)合的分析計(jì)算， 二是基于信號(hào)分析的實(shí)時(shí)直接測(cè)量推算。不管是 模型分析計(jì)算或是信號(hào)分析推算，都對(duì)量測(cè)信號(hào) 精度、數(shù)據(jù)交換速度和分析計(jì)算方法提出較高要 求。許多研究課題，如模型分析應(yīng)能實(shí)現(xiàn)并行計(jì) 算、信號(hào)分析要求PMU的精度達(dá)到0．001 Hz等。 諸多研發(fā)項(xiàng)目中，美國(guó)OSIsoft公司提供快 速仿真決策的集成系統(tǒng)模型(ISM)[5]和實(shí)時(shí)性能 管理(RtPM)，值得注意。 ISM是將現(xiàn)有自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)和算法集成， 對(duì)分析決策提供基礎(chǔ)或?qū)ι习偃f(wàn)個(gè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí) 管理。ISM比常規(guī)的矩陣算法快上近百倍，并可對(duì) 現(xiàn)有安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)、地理信 息系統(tǒng)(GIS)的量測(cè)誤差予以修正。ISM現(xiàn)在已經(jīng) 在美國(guó)得到推廣應(yīng)用，如應(yīng)用在Detroit Edison三 百萬(wàn)個(gè)元件、3125個(gè)回路、500 MW分布式發(fā)電的 配電系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)低壓和過(guò)載的監(jiān)視控制而對(duì)分布 式發(fā)電水平進(jìn)行分析計(jì)算。Ameren用以解決實(shí)時(shí) 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)的運(yùn)行問(wèn)題，包括50個(gè)配 電回路和變電站的變壓器峰荷期過(guò)熱等。 電力系統(tǒng)的各種故障和擾動(dòng)信息中，蘊(yùn)涵有 各種特征信息。通過(guò)快速傅立葉變換／'b波變換， 可以獲取任意時(shí)段內(nèi)這些涉及時(shí)、頻兩域的有關(guān) 數(shù)據(jù)。特征信息和經(jīng)典控制論的結(jié)合，即可對(duì)電 力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)。 2005年10月12日，美國(guó)OSIsoft公司的PMU 實(shí)時(shí)性能管理，在幾百公里外預(yù)測(cè)出洛杉磯隨后 發(fā)生的大停電。

4．2協(xié)調(diào)和自適應(yīng)控制 智能電網(wǎng)本身是一個(gè)分布式的自適應(yīng)系統(tǒng)， 但精確反映其工況的集中控制系統(tǒng)(EMS／DMS 等)不分布、而“離線整定、實(shí)時(shí)動(dòng)作”的分布控制 系統(tǒng)(繼電保護(hù)／就地?zé)o功補(bǔ)償／穩(wěn)定補(bǔ)救裝置等) 不能自適應(yīng)。發(fā)電、輸電、配電、用電一體化的智 能電網(wǎng)，集中控制系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和分布控制系 統(tǒng)的自適應(yīng)尤為重要，因而成為當(dāng)前的又一個(gè)研 發(fā)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 由于協(xié)調(diào)自適應(yīng)控制突破靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)數(shù) 據(jù)相結(jié)合的精確解，必須與知識(shí)工程的智能解相 結(jié)合，當(dāng)前大多采用Multi-Agent多智能主體技 術(shù)。面向Agent(A0)是繼面向過(guò)程和面向?qū)ο?(oO)之后，新一代的軟件系統(tǒng)工程技術(shù)。 Agent有主動(dòng)的對(duì)象之稱(chēng)，知識(shí)工程界均將 其意譯為主體或智能主體，而不是概念易于混淆 的“代理”。Agent是將知識(shí)和使用它的一組操作 或過(guò)程封裝在一起得到的一個(gè)實(shí)體，具有結(jié)構(gòu)和 屬性，并可通過(guò)消息互相通信。Agent特有的自 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 6 王明?。褐悄茈娋W(wǎng)的推動(dòng)因素、研發(fā)路線和難點(diǎn)問(wèn)題 治性和主動(dòng)性，可獨(dú)立地完成其目標(biāo)而不需要外 界的指令或感知環(huán)境變化時(shí)通過(guò)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)其目 標(biāo)。因此，單個(gè)的Agent擁有解決問(wèn)題的不完全 的信息或能力，沒(méi)有系統(tǒng)全局控制。但可通過(guò)相 關(guān)Agent間的協(xié)調(diào)和協(xié)作組成Multi-Agent系 統(tǒng)，來(lái)解決復(fù)雜的全局性問(wèn)題。 諸多研發(fā)項(xiàng)目中，美國(guó)國(guó)防部牽頭、EPRI和 華盛頓大學(xué)等單位參與，投資3 000萬(wàn)美元，歷時(shí) 5 a完成的電力基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略防護(hù)系統(tǒng)(SPID)最 具代表性[6]。SPID的3層Multi-Agent結(jié)構(gòu)圖 如圖1所示。該系統(tǒng)采用面向Agent(AO)技術(shù) 的3層Multi—Agent結(jié)構(gòu)：①底層為反應(yīng)層(包括 發(fā)電、保護(hù))；②中層為協(xié)作層(包括事件／警報(bào)過(guò) 濾、模型更新、故障隔離、頻率穩(wěn)定、命令翻譯)；③ 高層為認(rèn)知層(事件預(yù)測(cè)、脆弱性評(píng)估、隱藏故障 監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、恢復(fù)、規(guī)劃、通信)。其主要功能 有脆弱性評(píng)估(電力和通信系統(tǒng)的快速在線評(píng) 估)，故障分析(隱藏故障監(jiān)視)，自愈戰(zhàn)略(自適應(yīng) 卸負(fù)荷、發(fā)電、解列和保護(hù))，信息和傳感(衛(wèi)星、因 特網(wǎng)、通信系統(tǒng)監(jiān)視和控制)等。用以防護(hù)來(lái)自自 然災(zāi)害、人為錯(cuò)誤、電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、信息和通信系 統(tǒng)故障、蓄意破壞等對(duì)電力設(shè)施的威脅。 感知?jiǎng)幼?(內(nèi)部知識(shí)) 其他Agent (外部知識(shí)) (按程序動(dòng)作) 圖1 SPID的3層Multi-Agent結(jié)構(gòu)圖 圖1中無(wú)

通信能力的反應(yīng)式Agent，相當(dāng)于 傳統(tǒng)上“事先整定、實(shí)時(shí)動(dòng)作”的繼電保護(hù)、穩(wěn)定補(bǔ) 救和無(wú)功補(bǔ)償裝置，根據(jù)程序安排自主作出反應(yīng)， 而無(wú)須外部指令控制。但保護(hù)定值或穩(wěn)定補(bǔ)救方 案的設(shè)定和修改只能離線進(jìn)行。 加上具有通信能力的協(xié)作層后，當(dāng)事件響應(yīng) 的快速仿真決策需對(duì)有關(guān)保護(hù)定值或穩(wěn)定補(bǔ)救方 案進(jìn)行修改和調(diào)整時(shí)，就可依靠外部知識(shí)協(xié)作，對(duì) 反應(yīng)參數(shù)或程序進(jìn)行修改和調(diào)整，以提高裝置的 適應(yīng)性水平。這種通過(guò)不斷修改系統(tǒng)控制參數(shù)來(lái) 改進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行能力的感知型學(xué)習(xí)，不涉及與具體 任務(wù)有關(guān)的知識(shí)，但對(duì)外部知識(shí)依賴(lài)性強(qiáng)，在通信 中斷的情況下難于達(dá)到自適應(yīng)的水平。如進(jìn)一步 加上具有與具體任務(wù)有關(guān)的內(nèi)部知識(shí)組成認(rèn)知式 Agent，即使通信中斷或情況緊急來(lái)不及協(xié)調(diào)時(shí)， 也可根據(jù)內(nèi)部積累的知識(shí)作出自適應(yīng)反應(yīng)，充分 體現(xiàn)Agent的自主性。 Multi—Agent的智能主體理念，除可用于各 個(gè)集中控制系統(tǒng)之間的分布協(xié)調(diào)控制外，還將在 智能電網(wǎng)量大面廣的分布智能控制中得到應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

1)迎接全球性的環(huán)境和能源挑戰(zhàn)，電網(wǎng)安全 高效運(yùn)行的壓力，供需互動(dòng)的需求響應(yīng)雙向服務(wù)， 以及高性?xún)r(jià)比的巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，推動(dòng)了智 能電網(wǎng)的研發(fā)和實(shí)施。

2)智能電網(wǎng)的研發(fā)實(shí)施和當(dāng)代電網(wǎng)的改進(jìn) 發(fā)展，代表兩條異途同歸的研發(fā)路線。但由于各 國(guó)資源配置、監(jiān)管決策取向、電力市場(chǎng)進(jìn)展以及用 戶認(rèn)知程度不同，切人點(diǎn)、重點(diǎn)和先后順序必然有 所差異。

3)智能電網(wǎng)研發(fā)的諸多難點(diǎn)中，自愈功能中 的快速仿真決策和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)自 適應(yīng)，是當(dāng)代電網(wǎng)研發(fā)多年未果、智能電網(wǎng)尤需解 決的兩個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。

4)本文所分析討論的智能電網(wǎng)理念、技術(shù)發(fā) 展和國(guó)外建設(shè)實(shí)踐，對(duì)我國(guó)電網(wǎng)通過(guò)改進(jìn)和發(fā)展 走向智能電網(wǎng)或是進(jìn)一步制定智能電網(wǎng)的研發(fā)實(shí) 施規(guī)劃，都有啟示和借鑒作用。