智能电网初探

翟 章

摘要：智能电网就是要实现发电、输电、配电、供电、用电各个环节之间的双向互动，提高传统电网体系的能源效率，逐步建立以可再生能源替代化石能源的创新能源利用体系，建造精巧、智慧和专家服务化的能源运转体系。美国已经建成第一个智能电网城市，欧洲其他发达国家也正在将智能网络作为一项革命进行推广。智能电网将现有电网所强调的安全、可靠、稳定，带到一个全新的高度，进一步体现了电网对环境、经济乃至整个社会的积极贡献。智能电网也是配电网技术、网络技术、通信技术、传感器技术、电力电子技术、储能技术的合成，对于推动新技术革命具有直接的综合效果。智能电网建设需要一个覆盖所有电力用户（各种电器）、电网各个部分和环节的通信网络。

0 引言

今年年初，国家电网公司总经理刘振亚总经理提出要建设以信息化、数字

化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网，随后在国家电网公司系统掀起了一股学习研究智能电网的热潮。经过初步的学习和了解，我们对智能电网有了一个初步的概念，了解到智能电网技术在欧美各国也是处于起步阶段，各国都在大力的研究和推广。智能电网技术在我国也已引起电力企业和专家学者的重视，这方面的研究也已起步。如果智能电网能够引起国家和政府的高度重视，加大研发投入，我们国家将能够搭上这次电网技术革命的列车，中国将可能成为主导全球互动电网变革的领先国家。本文只是对目前智能电网发展的概要介绍，和大家一起学习交流。

1 智能电网的概念

第一个提出“智能电网”解决方案的是美国IBM公司。从其在中国发布的《建设智能电网创新运营管理－中国电力发展的新思路》白皮书可以看出，解决方案主要包括：一是通过传感器连接资产和设备提高数字化程度;二是数据的整合体系和数据的收集体系;三是进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理。该方案提供了一个大的框架，通过对电力生产、输送、零售的各个环节的优化管理，为电力企业提高运行效率及可靠性、降低成本描绘了一个蓝图。

第二个是奥巴马上任后提出的能源计划，将对落后的美国电网系统进行升级换代，建立美国横跨四个时区的统一电网；发展智能电网产业，最大限度发挥美国国家电网的价值和效率，将逐步实现美国太阳能、风能、地热能的统一入网管理；全面推进分布式能源管理，创造世界上最高的能源使用效率。

第三个是我国能源专家武建生提出的“互动电网”。“互动电网”是指在创建开放的系统和建立共享的信息模式的基础上，以智能电网技术为基础，通过电

子终端将用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现数据读取的实时、高速、双向的总体效果，实现电力、电讯、电视、远程家电控制和电池集成充电等的多用途开发。它可以整合系统中的数据，优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，形成电网全新的服务功能，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。它能够利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合，遇到电力供应的高峰期之时，能够在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口。同时智能电表也可以作为互联网路由器，能够让电力部门以及终端用户进行通信、运行宽带业务或传播电视信号。互动电网具备可靠、自愈、经济、兼容、集成和安全等特点，主要解决三个问题，一是以信息技术改造和提升现有的能源体系，特别提高集能源大成的传统电网体系的能源效率；二是要逐步建立以可再生能源替代化石能源的创新能源利用体系；三是要建造消费者和生产者互动的精巧、智慧和专家服务化的能源运转体系。

国家电网公司总经理刘振亚提出要大力推动“一特四大”战略实施，着力构建以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网。

2 欧美智能电网发展的简况

2008年美国科罗拉多州的波尔得(Boulder)已经成为了全美第一个智能电网城市，其他多个州已经开始设计智能电网系统，近两年推广互动电网技术的州可能将超过10个。

GE、IBM、西门子、Google、Intel等信息产业龙头都已经投入智能电网业务，其中 Google已宣布了一个与太平洋煤气和电力公司(Pacific Gas& Electric(PG&E))的测试合作。2008年9月 Google与通用电气联合发表声明对外宣布，他们正在共同开发清洁能源业务，核心是为美国打造国家智能电网。

值得一提的是，2009年1月25日美国白宫最新发布的《复苏计划尺度报告》宣布：将铺设或更新3000英里输电线路，并为4000万美国家庭安装智能电表——美国行将推动互动电网的整体革命。

位于夏威夷群岛的Maui地区是首批获得美国政府资助的智能电网城市之一，GE能源集团为之提供了包括风力发电接入、客户需求响应、储能技术等多个解决方案。通过这一方案，当地供电企业得以解决风机的短时频繁接入对电网的影响问题，削减了15%的高峰用电负荷，并通过新型储能方式储备了多余的能量。

2006年欧盟理事会的能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》(A European Strategy for Sustainable，Competitive and Secure Energy)明确强调欧洲已经进入一个新能源时代，智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。实际上欧洲电网属于分布发电与交互式供电的发展模式，更

适宜建立智能电网，因此，智能电网在英国、法国、德国等都有潮流性发展趋势。2001年意大利的电力公司就安装和改造了3000万台智能电表，建立起了智能化计量网络，欧洲其他国家也正在将智能网络作为一项革命进行推广。

3 智能电网的意义

根据中国电力企业联合会的统计：截至2008年年底，全国电网220千伏及以上输电线路回路长度已达36.48万千米， 220千伏及以上变电设备容量达到138714万千伏安。这个庞大的输电系统也是世界上最沉睡的财富、最浪费的网络资源，其已利用的输电、变电和供电的功能仅相当于开发了这个网络功能的三分之一不足——如同人高五尺，衣长二十尺；如同八车道，只准单车道行驶，不但行动不便，而且浪费。互动电网也就是以智能电网为主新的电网运转形式，它的任务就是将这个单车道变为双向双车道、双向四车道，这就需要对中国电网进行信息化升级，使我们的电网进入计算机和即时通讯系统时代，同时也使人类发现网络新大陆，这将是自蒸汽机使用以来最伟大的工业革命成就之一，现在这个革命已经在欧美展开，中国迫切需要调整国家能源战略，成为互动电网革命的主力国家。

建设智能电网可以达成如下功效：

其一，互动电网能够实现双向互动的智能传输数据，实行动态的浮动电价制度。

其二，它可以利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合，遇到电力供应的高峰期之时，能够在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口，从而达到对整个电力系统运行的优化管理。

其三，互动电网能够将新型可替代能源接入电网，比如太阳能、风能、地热能等，实现分布式能源管理。

其四，智能电表也可以作为互联网路由器，推动电力部门以其终端用户为基础，进行通信、运行宽带业务或传播电视信号，也可以互动电网的终端用户为基础提供无线即时宽带和视讯服务的计划和实验。为此，IT产业的深度革命和能源革命将成为孪生兄弟，互动电网改革将推动全球能源革命的深度扩散。而且它可以实现提高供电效率，减少能量损耗，改善供电质量，加强流量平衡控制，解决电网商业化运转等目的。

近年来，欧美一些发达国家大力提倡和积极发展智能电网 ，将其提升到国家能源、环境与经济可持续发展战略的高度来全力推行，并试图通过投资建设智能电网达到近期刺激经济发展的效果。在国际金融危机中，奥巴马的经济刺激计划就包括了加快智能电网的发展。

智能电网可提高能效，保护环境。智能电网的核心价值是提高能效，减少温室气体排放，利用各种高科技手段提升发、输、配、用电各环节的运行管理水平，节约资源，保护环境。在美国，智能电网的推广可减少25%以上的由发电产生的

二氧化碳，这相当于1.3亿辆汽车启动瞬间二氧化碳的排放量。智能电网还可以提升供电及服务质量，并带动整个产业链的发展。

总之，智能电网将现有电网所强调的安全、可靠、稳定，带到一个全新的高度，进一步体现了电网对环境、经济乃至整个社会的积极贡献。

智能电网技术提升配网及用电管理水平。说起配网的智能化，很多人就会想到配网自动化。配网自动化当然也是智能配电网的重要组成部分，但它只是实现了提高供电可靠性、缩短停电时间等部分功能。而智能配电网则是多个信息及功能模块的有机集成。

所谓有机集成，即通过跨平台的数据/信息管理，实现更多、更高级的应用。它更加强调提升整个配网的运营水平，比如：如何通过削峰填谷，通过有效转移负荷，在现有网架基础上配送更多电量，而不是单纯增加基建投资；如何通过全网的无功/电压管理，降低线损；如何将实时负荷预测与气象、分布式能源联系起来，结合分时电价，引导客户消费，充分提高现有发电机组的平均小时利用率，而不是单纯增加新机组以满足无计划的峰值需求；如何提升电网自身的危机处理能力，使之具备故障预警，快速判断，自行恢复等“自愈”功能。智能配电网还能通过先进的电网快速仿真、许多可视化的工具、智能专家系统等金属加工网，帮助提高生产调度人员的工作效率。

美国很多电力公司都把安装智能电能表及建设先进的计量系统作为建设智能电网的重要内容。作为用电客户与电力公司的实时交互工具，智能电能表主要有两大功能：其一，它是实现需求响应的信息及控制终端；其二，它是停电管理、电能质量管理等功能模块的信息来源，它将整个营配系统的故障定位及电能监控深入到供电末端。加上集成的地理信息系统及专家系统，电力企业就能更直观、更迅速地处理各种事件和状况，大大提高运营效率。

4 智能电网核心技术

互动电网的本质就是能源替代和兼容利用，它应该具备柔性、可靠、高效和通畅等特点。互动电网也是配电网技术、网络技术、通信技术、传感器技术、电力电子技术、储能技术的合成，对于推动新技术革命具有直接的综合效果。

总结专家们的观点认为：1、不同的国家和组织在以自己的方式研究和实践智能电网，由于需求和利益不同，可能有不同认识；2、智能电网实现信息与电能的双向流动，主要驱动力是节能减排，其最高智能形式为“多指标自趋优运营”。

专家们对智能电网产业群划分为三个层次：1、电力“发输配用”环节有利于节能减排的技术；2、保证电网安全、优质、可靠、经济运行的控制技术；3、新型计量技术、通讯技术和信息共享平台。

列举“发输配用”环节的技术包括：发电（风电、分布式电源、光伏、接入）、输电（互济、超导、特高压、网架）、配电（微网、虚拟电厂、先进电表网络设

施、需求侧响应）、用电（智能电器、用电自动控制、电动汽车、储能技术）。最具前景的产业是电动汽车及储能技术，最具难度的部分是如何实现电网的最优控制。

智能电网应包含两个重要的管理系统。

首先是停电管理系统。它是一个智能化的停电指挥工具，它统一管理电能表及报修电话中的数据信息，并通过动态的网络模型将数据信息在地理信息系统中拓扑出来，帮助电力企业迅速判断故障点及故障设备。在这个系统中，一个设备只有一个定义，任何子系统中数据定义的改变，在所有关联系统中都会自动更新。目前国内大多电力企业实行营配分别管理，几乎没有跨平台的停电管理系统。客服热线在接到报修电话后，无法立刻判断是系统内设备故障还是客户责任问题，只能派维修人员现场巡查。如果是系统责任，还需联系调度，下发工作单并安排停电检修。整个过程程序冗长，效率很低。如遇到灾害性天气导致大面积停电，往往会使工作人员疲于奔命。有了停电管理系统,这些问题都可迎刃而解。 其次是智能电网的重要信息平台——地理信息系统。用于智能电网的地理信息系统不仅要能显示地形地貌，更重要的是它应具有行业应用功能。仅有地理定位及查询功能的普通地理信息系统，是远远不能满足智能电网功能要求的。地理信息系统针对智能电网的特殊需求，实现了很强的数据关联及图形拓扑功能，通过对设备的属性管理，非常容易地实现资产的全寿命周期管理，并用来作为配网的设计和规划工具。它的同步更新功能大大降低了数据的维护工作,并提高系统准确性。

5 我国智能电网发展展望

21世纪的互动电网应是最先进的通讯、IT、能源、新材料、传感器等产业的集成，它将浓缩世界技术革命最精华于一身而直接为人类服务，开辟互动电网的新管理时代，这个互动性将改变传统电网的性质，推动电网基础设施的革命性大升级。这个升级包括如下：建立新的实时、高速、双向的信息互联系统；建立具有远程监控和自动化操作新型变电站的升级系统；电网接入系统的全面完善。 发展互动电网技术，将为我们打开电信、电网、电视网等整合的通道，为中国电力、电信产业，通信产业，电视媒体等整合提供了独特机遇。 从体制上而论，我们比美国拥有更具备大规模变革电网的管理优势； 从设备上分析，中国电力行业的变电器等基础建设和装备制造能力要比美国先进得多或实力相当，具有实现智能化的物质基础；

从技术而言，集成互动电网技术，我们可以国产为主，兼收欧美技术而并蓄；当然，这个改革最大的难度就是必须开放电网的通讯、宽带、电视等综合业务经营，以实现从一般的智能电网过渡到高端互动电网的有效转型，当此正值危机重建与全球新技术革命时代，我们必须跨越这个国内产业保护主义的羁绊。

2007年10月中国的华东电网等也正式启动了互动电网可行性研究项目，2009年1月20日华东电网公司在传达国家电网的年度安排的会议上，又进一步强调：“聚焦高级调度中心项目群建设，开展„互动电网‟前瞻性研究，开展企业一体化信息平台建设，全面推进创新型企业建设，提升公司引领发展的能力。” 十一五期间，中国电力信息化每年约有超过100亿元的投资，如果从现在开始就着眼于互动电网的建设，其效益也是非常巨大的，如果扩大这个投资规模，中国将可能成为主导全球互动电网变革的领先国家。

为此，这个计划应优先改造学校、医院、其他公共机构等的互动电网系统并使之成为具有国际水平的宽带速度，其中尤应以60多万学校、3亿多学生和1600万教职工充分享有互动电网的创新机遇为重点。由此将把我国的电力行业优先拉升到新技术革命的前沿，自2009年的五年内，倘若我们实施国家互动电网计划，将我国电网彻底改造升级为互动网络是可行的；开辟世界上最大的互动网络综合市场是必然的；我国中小学校直接借助电网实现宽带教学，发展为21世纪学校是可以预期的。

互动电网将使“有插座的地方就有互联网”，有插座的地方就可以安装电话，它将使互联网极大地普及，实现公共服务的远程网络化。与此同时，它也将推动电网收入多元化、收费多元化，电网的组合式收费将变为现实，而且用户通过互动电网节省的电费，也许就可以支付通讯费、宽带费了。

6 智能电网对通信的要求

1、建设智能电网，必须要在现有电网的基础上，再建设一个控制网络， 把电网的各个部分和环节，发、输、配、用等有机的联系起来，形成一个互动的，自动化的电网；

2、电力用户（各种电器）之间，电力用户和电力企业之间，电网的各个部分和环节之间，要能够实现信息的互动；

3、各个部分之间信息的互动要通过一个通信网络来实现信息的传输，所以，智能电网建设需要建设一个覆盖所有电力用户（各种电器）、电网各个部分和环节的通信网络；

4、目前的情况是，发电和输电环节已经有了比较完备的通信网，但在关键的配电网和用户比较薄弱，通信网覆盖用户方面基本是空白；

5、智能电网建设配套的通信网建设，主要在配电网和用户驻地网。

7 结束语

智能电网是传统电网的一次技术革命，可以推动太阳能、风能等新能源的发

展和利用，推动能源产业的可持续发展，对于中国乃至整个世界的能源产业发展

都具有重大意义。不管是对于整个电网企业还是对电力通信专业来说，都面临一次非常难得的历史发展机遇。作为电网企业，我们应该紧紧抓住这次电网技术革命的历史机遇，加大智能电网的研究和试验，把建设一个坚强的智能电网作为电网发展的目标，为国民经济的发展提供可靠持续的电力保障。