1.2 智能电网的内涵及发展目标

由于电网100多年来发展所存在的问题以及未来可再生能源规模化利用所带来的严峻挑战，促使人们去思考如何从整体上解决这些问题并应对未来的挑战，因而智能电网的概念便应运而生。

1.2.1 智能电网概念发展历史

智能电网的概念起源于美国。20世纪90年代，美国经常发生停电事故，造成很大的损失，因此美国能源部（DOE）考虑对电网进行升级改造。2001年，美国电力科学院（EPRI）正式提出了Intelligrid的概念，Intelligrid也可以翻译成智能电网。2003年，DOE正式发布了“Grid 2030”计划，这个计划基本上勾画了智能电网的构架。这个计划的构想比较宏大，除利用液氢冷却的超导电缆构建全国骨干网（以同时实现电力和氢能的输送）外，还将建造包括区域电网和局域电网的多层次电网。这个计划的目标是：到2030年，美国会有完全自动化的输配电系统，它将涵盖对每个用户及每一网络节点的监视和控制，确保从电厂到用电器之间双向畅通的电力流及信息流。分布智能、宽带通信、监视和控制以及自动响应使人、楼宇、工业过程与电力网络之间的接口没有缝隙，并可进行实时的市场交易。在这个计划中，制定了详细的技术发展路线图，对每一个阶段的工作也有了非常详细的描述。2007年，美国《能源独立与安全法案》（EISA）指出：智能电网是一个通过双向电力流和信息流网络将分布式电源、高电压网络、大容量储能装置、智能家居、电动汽车等智能体有机连接在一起的现代电力网络，它将实现发电、输电、配电、供电和服务的全方位监控、保护和优化调度。该法案还提出了美国智能电网建设的目标，即采用先进的信息技术提高输配电网的效率、可靠性和灵活性，减少电网设施的再投资。

欧洲智能电网的兴起主要受可再生能源利用以及电力需求趋于饱和后提高供电可靠性和电能质量等需求驱动。2005年，欧盟成立了“智能电网（Smart Grids）欧洲技术论坛”，提出了智能电网愿景，制定了《欧洲未来电网的远景和策略》，指出：未来电网应该能充分开发和利用欧洲范围内的大型集中式发电和小型分布式电源，为所有用户提供高效可靠、灵活、易接入和经济的电能；通过全网范围内的互操作保证电网运行的安全和经济；同时实现终端用户与电力市场和电网的互动。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》强调：作为欧洲2020年及后续的电力发展目标，欧洲电网应满足如下需求：

1）灵活性，即在适应未来电网变化与挑战的同时，满足用户多样化的电力需求。

2）可接入性，使所有用户都可接入电网，尤其是推广用户对可再生、高效、清洁能源的利用。

3）可靠性，提高电力供应的可靠性与安全性以满足数字化时代的电力需求。

4）经济性，通过技术创新、能源有效管理、有序市场竞争及相关政策等提高电网的经济效益。

1999年，清华大学卢强院士提出了“数字电力系统”的概念。虽然数字电力系统跟智能电网的称呼不一样，但基本思想就是把电力系统所有物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标等用数字化技术实时形象再现，从而对电网的管理和科学决策、安全稳定性实时评估和改善、紧急控制和最优运行方案及快速恢复等提供支撑，实质上与智能电网的内涵有某些相同之处。2003年，中国电力科学院的周孝信院士提出采用分布式计算来对整个电网进行实时仿真。首先实时测量电网中的诸多相关参数，并通过PC机群对电网进行实时仿真，利用实时仿真的结果，对电网存在和可能出现的问题做出评估和预测，在此基础上提出更加优化的运行方案，并对电网实施控制，从而使电网运行更加安全可靠，并在出现故障时将影响控制在最小的范围。这项工作也是智能电网重要的组成部分。

虽然各国和地区对智能电网概念及其目标的描述有所不同，但其实质是一致的，也是互为补充的。由于现有电网所存在的主要问题和未来发展中的主要问题是一致的，因此从根本上讲，对智能电网的认识也必将趋于一致。

1.2.2 构造智能电网的总体思想

从总体上看，电网是由成千上万台位于不同地区的发电机、数十万乃至数百万台输变电设备（含输配电线路）及其辅助设备、多达数百亿乃至上千亿个用电设备构成的统一整体。在这个庞大而复杂的网络里，各种设备故障、自然条件和自然灾害、外部干扰、人为故障或操作失误等都是不确定的；电力需求也是随时变化的，电力负荷及其动态特性是多样化的；发电资源、发电方式及其动态特性是多样化的，对于可再生能源发电来说，其输出功率还是瞬息万变的。此外，社会因素如价格变化和管理体制等都可能成为影响电网运行的因素。

因此，针对以上实际情况，构造智能电网的总体思想是：

1）打造性能更加优越的电网物理层，构造更加合理的和可重构的网络结构，实现对现有输变电设备、控制设备和保护设备的数字化升级改造，并采用新型电力设备（能够采用基于新材料和新器件等的新型电力设备自动实现的功能，就尽量不要采用控制手段）对物理层进行完善和优化。

2）构造高速畅通的电网信息层，即采用大量的先进电力传感器、传感器网络、测量系统和高速通信网络，实现对电网各种信息的快速获取与传送。

3）大量且快速地获取和共享数据，实时测量或预测预报各种与电网运行有关的信息，包括设备信息、网络结构信息、运行参数和故障信息等所有信息，并实现各种信息的实时共享。

4）形成优化运行方案，通过建立数学模型，对所获取的数据进行实时乃至超实时仿真，从而形成电网优化运行方案。该方案是在电网安全稳定运行、供电可靠性和供电质量保障、功率动态平衡及用户与电网互动、设备与资源综合优化利用、故障影响最小、效率优化和节能减排等多种约束条件下的优化方案。

5）形成科学控制决策，比较现时运行方案与优化方案的差异，形成控制决策，并通过电网信息层指示电网物理层的设备调整其工作状态。

6）实时学习优化并执行3）～5）的工作，以确保电网永远处于优化状态。

以上思想实际上是把电网看成一个整体，对其进行自动化和智能化的控制，使之一直处于优化状态。按照清华大学卢强院士的说法，所谓智能电网就是一个执行从发电到用电各个环节任务的“广域智能机器人”。将上述思想简化即可形成图1-6所示的智能电网的构造框图。如果把电网比喻成为一个人的话，那么目前的电网基本上只是一个具有骨骼、肉体和条件反射能力的人，而智能电网的思想就是要把这个人打造成具有更加强健的体魄、敏锐的感知能力和睿智决策能力的人，使之能够在复杂多变的环境中担当重任。由于电网涉及多层次及广大地域，上述思想实际上可以在确定总体架构和运行模式的框架下，通过分层分区来实施、运行和管理，并通过各层各区的协调互动来达到全局优化。

1.2.3 智能电网的涵义

近年来，虽然智能电网的发展日益受到广泛的关注，但是目前对智能电网还没有一个统一的定义，不同的学者从不同的角度给智能电网下了不尽相同的定义。尽管定义各不相同，但均大同小异。

智能电网的本质就是利用现代信息技术（如传感器及传感器网络、现代通信技术、超级计算与云计算等）、新型电力设备（如传统电力设备的数字化和智能化升级、电力电子器件及装备、智能节能终端设备及超导电力装备等）、新材料（如储能材料、新型绝缘材料等）和新的电网结构模式（如可重构的网状结构和分布式电网等）等来运行和管理电网，使电网能够大规模地容纳可再生能源的接入，使电网中的各个环节（包括发电、输配电、储能、电力用户与分布式电网等）实现自学习、自优化、自适应互动，并使电网更加高效、安全、可靠。由于能源结构将转变为以可再生能源为主，因而智能电网将是未来能源生产、传输、分配和利用的主要载体。未来智能电网的结构如图1-7所示。

1.2.4 智能电网的发展目标

概括起来，智能电网的发展目标主要包括：

1）具备灵活的网络结构，以便在电网需要时可以方便地进行网络重构。

2）具备高效畅通的信息与通信网络，能实现电网内部各种信息的及时获取与有效传送，并能通过该网络与其他（非电力）能源系统进行有效的信息交换与能源供需互动。

3）能够抵抗网络攻击，保障自身信息系统的安全。

4）能够实现自愈，即无论发生什么事故，电网都能自我恢复以保障电网的安全可靠运行，且在自我恢复前能够将事故的影响降低到最低程度，并能最大限度地降低自然灾害的影响。

5）能够实现发电厂（或设备）与用户的自适应互动，达到能源资源和设备利用的综合优化。

6）能够容纳大型可再生能源发电系统的接入，解决因可再生能源资源的波动性和间歇性可能对电网造成的问题和影响。

7）能够大范围内更加有效地配置各种电力资源，对于电力设施和电力负荷，可以方便地实现“即插即用”。

8）能够灵活地实现电网中功率的双向流动控制，便于电网根据资源的变动对电力进行快速有效的调度。

9）能够协调发电和储能系统的选择，使电网功率始终处于动态平衡。

10）能够综合考虑终端用户的电力调节设备、补偿设备和用户能源管理系统的控制及总体配电系统的控制，取得满足用户要求的电力质量和供电可靠性。

11）支持分布式电网的接入，实现分布式电网与外部电网的互动，以提高电网的整体性、效率和灵活性，并通过协同控制，利用分布式电网来优化系统的性能，而在发生重大故障时可以利用它进行局部供电。

12）支持大量的新型电力设备的接入，并利用终端接入能源和储能设备，在系统需要时提供功率支撑。