21世纪电力供应将面临越来越多的挑战，未来电力技术急需进一步的发展。由于环境压力、能源短缺，人类社会向低碳经济发展，欧美提出了智能电网的方案。本文通过讨论智能电网的产生背景、概念及其物理构成，指出低碳高效安全可靠的智能电网是解决当前电网面临挑战的一个有效方法，智能电网的发展将满足未来供电的竞争性、可持续发展性、安全性等方面的要求，最后总结提出了智能电网的发展应上升为国家能源战略。

　　1 前言

　　大电网是20世纪工程领域的最大成就之一，大电网体现了能源工业的战略布局，是实现各种一次能源转换成电力能源之后进行相互调剂、互为补充的迅速、灵活、高效的能源流通渠道。回顾以往，英国以煤炭为主要能源创造了英国奇迹，在20世纪，美国以石油为主促进了经济的腾飞，这都是高碳能源模式下的高碳经济发展模式，从某种意义上讲都是不可持续的。因为在经济发展过程中，世界各国消费大量的能源，排放污染物和CO2，给环境带来沉重压力，同时全球气候发生了很大的变化。目前全球二氧化碳的排放量中，45%左右是电力生产造成的，20%左右是交通工具产生的。因此，近年来国际上正在重新塑造电力工业，使电力在可持续发展的能源工业中发挥更加重要的作用。在21世纪，由于环境压力、能源短缺，人类社会向低碳经济发展，而驱动这次工业革命的是低碳能源。所以，低碳经济、低碳能源、低碳电力是一个逻辑链条，现在应对发输配用的整个电力链条重新思考，以低碳电力促进低碳能源乃至低碳经济的发展。电能的清洁、高效、方便，使它成为低碳经济最主要的动力。当然，电力本身要做到从高碳电力向低碳电力转变，还要重视煤的清洁利用，即使到2020年，全世界30%-40%的电力仍来自燃煤发电，中国则有60%以上的电力来自燃煤发电。在美国和欧盟，针对保证21世纪能源供应面临的技术问题、技术难点和技术路线开展了深入的研究，提出了智能电网的概念。在中国，政府高度重视，越来越多的高校和企业对智能电网展开了广泛和深入的研究。应对21世纪电力供应面临的挑战，智能电网是解决问题的有效途径，并且应上升到国家能源战略的高度。

　　2 21世纪电力供应面临的挑战

　　21世纪电力供应面临环保、效率和安全3个主要挑战。环保方面，低碳电力将成为社会和经济可持续发展的核心动力之一。效率方面，由于发输配整个电力系统通常是按峰荷来设计的，平均利用率都不高。以美国电网为例，输配电网利用率只有55%左右，如果能够提高效率，就可以降低成本和避免新的设备投资。而供电安全已成为国家安全的一部分，经济代价也很惊人，2003年美国大停电保守估计损失约64亿美元，约5千万人口受到影响，据2005年Galvin Electricity Initiative统计数据，每年美国不可靠的电力所造成的损失多于1000亿美元，相当于花1美元买电，同时还得付出30美分的停电损失。因此，低碳，高效、安全可靠的智能电网将是解决未来电力供应面临挑战的有效方法，不仅可以促进电力工业的可持续发展，而且可以推动低碳能源乃至低碳经济的发展。

　　2.1低碳

　　低碳电力技术是一个新的研究领域，涉及电气工程与经济、环境、化学工程、热能动力工程等学科的交叉和融合。国内外对此都很重视，提出相应的政策法规。例如，英国政府在2003年公布的能源白皮书《Our energy future-creating a low carbon economy》中，首次提出了低碳经济的发展理念。2007年，我国国务院下发了《节能发电调度办法》提出，提高电力工业的能源使用效率、节约能源。在国家发展和改革委员会制订的《可再生能源发展“十一五”规划》中，提出大力发展可再生能源，从发电结构上实现CO2的减排。从环保方面来看，低碳电力将成为社会和经济可持续发展的核心动力之一。

　　2.2高效

　　提高电网发输配电效率以及资源优化配置能力是电力工业所面临的挑战之一。在发输配电方面，世界上老式电网的平均效率大约只有33%，而基于最新技术的新式电网的效率可达60%。在电力的传输和分配上，能源的损耗则在7%左右。智能电网技术将有可能减少30%的电力损耗。在资源优化配置方面，高效是引入最先进的IT和监控技术优化设备和资源的使用效益，整体上实现网络运行和扩容的优化，降低它的运行维护成本和投资。

　　2.3安全可靠

　　1996年美国的大停电，2003年北美(美国和加拿大)大停电，2003年意大利大停电，以及2006年欧洲大停电等事故暴露出了电网老化的问题，同时造成了巨大的经济损失。由此可见，电力系统的安全可靠运行是未来电网发展的一个重点任务。它涉及到电网的供电安全可靠性以及提高大电网的安全稳定运行水平和事故防御能力，目标是确保和提高系统安全可靠性和供电质量，与数字化时代需求相协调并具有抗灾变和不确定性。

　　上面分析的这3大挑战是世界性的，只是对每个国家或者地区来说权重不太一样。欧洲的能源政策更加强调对环境的保护、可再生能源发电的发展和市场化下用户对电能的合理高效使用。而在美国，对供电安全和环保的重视程度日益提升。然而，中国社会经济和产业发展的阶段决定了中国的能源政策，决定了电力还处于高速发展阶段，尤其是低碳电力路线图与欧美是不同的。由于中国资源(包括可再生能源)的分布不均衡，经济发展不平衡，市场化仍在探索阶段，我们需要提高电网输送能力，发展远距离大容量输电。而中国的经济体系、经济环境、管理体制也使得电网朝这个方向推进有一定优势。

　　3 21世纪电力技术的发展

　　基于对21世纪电力供应挑战的分析，21世纪供电的标准主要体现在竞争性、可持续发展性、供电安全性等3个方面。未来的电网发展及其技术路线图都要围绕这3个方面解决问题。竞争性方面的指标主要表现为降低电力费用、加强用电以减少一次能源的使用、健全市场、研究用户与电网的接入、推广电动汽车等电力产品以及分布式发电的集成等6个方面；可持续发展性方面的指标包括京都议定书及气候变化问题、减少本地和全球影响、可再生能源的利用、控制消费、减少损耗和提高效率等；供电安全方面的指标主要表现在能源的多样性，减少进口，电网安全性，信息通信技术(ICT)与控制系统的安全性等几个方面。

　　以上3大方面的标准决定了未来发展电力技术的横向标准。在不同国家和电力工业发展的不同阶段，竞争性、可持续发展性和供电安全性3个方面的重要性不同。例如，欧盟的研究结果表明，可持续发展性在3个方面指标中重要性最高，其次为供电安全性和竞争性。在中国，供电安全性占据很高地位，不同的比例系数决定了未来电力技术发展采取的技术路线及其先后顺序。基于上述3个方面标准的考虑，展望2030年以及2050年，未来电力的技术路线如何提出，所依据的标准是什么，实现这3个方面的标准需要哪些技术来支持，是紧接而来的问题。这种标准、目标以及支持其发展的相应技术，形成了一个整体框架，即先规定了每个目标所对应技术，同时对不同技术设定权重，并因此决定相应技术发展的优先程度。

　　总体来看，21世纪世界电力的发展将有两大趋势，一是依赖市场化和放松管制提高电力工业的运营效率；二是依赖新型能源技术实现可持续发展，这突出表现在风能、太阳能甚至储能技术(燃料电池)、新型能源载体(液态氢)的应用上，而智能电网实际是用技术手段服务于这两大趋势。

　　4 欧美智能电网的提出

　　欧美各国对智能电网的研究开展较早，而且已经形成强大的研究群体。由于各国的具体情况不同，其智能电网的建设动因和关注点也存在着一定差异。

　　4.1美国

　　北美电力系统面临着发输配、用户需求管理、调节等方面的严峻挑战，这些瓶颈与区域经济发展紧密相连。2003年美加大停电后，美国电力行业决心利用信息技术对陈旧老化的电力设施进行彻底改造，开展智能电网研究，以期建设满足智能控制、智能管理、智能分析为特征的灵活应变的智能电网。美国提出2030年智能电网规划后，掀起了智能电网的研究热潮。可视化技术、智能调度技术、快速建模仿真在美国的电网运行控制中得到了较为深入的应用。美国主要关注电力网络基础架构的升级更新，同时最大限度地利用信息技术，实现系统智能对人工的替代。主要实施项目有美国能源部(DOE)和电网智能化联盟主导的Gridwise项目和EPRI发起的Intelligrid项目。

　　奥巴马政府把以智能电网为平台的新能源政策上升为国家战略，一方面促使能源利用从煤炭、石油向新能源转化，减少对能源的进口依赖性和大量使用绿色能源，另一方面借此振兴经济，发展新一代能源技术，抢占末来低碳能源技术的制高点。美国能源部等机构致力于电网现代化建设，即实现自愈智能电网。自愈智能电网的提出及其发展大概经历2个初步阶段：(1)电力基础设施战略防护系统(SPID)的自愈战略：整个项目将于2025年完成，最终达到具有承受、应对各种意外及快速恢复的自愈能力。(2)从综合能源及通信系统体系结构(1ECSA)到智能电网：实时评估电力系统行为、应对电力系统可能发生的各种事故、防止大面积停电，并可快速从紧急状态恢复到正常状态。需要从快速仿真决策、协调／自适应控制和分布能源(DER)集成等3个方面进行实现。

　　4.2欧洲

　　欧洲面临的主要问题包括：(1)供电的安全性问题(如一次能源缺乏、供电可靠性和电能质量及供电能力等)；(2)电环境问题(如气候变化、保护自然等)；(3)电力市场(提供低廉的电价和提高能效、进行创新和提高竞争能力、有关垄断的规程修订等)。欧盟理事会在2006年的绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的能源策略》强调：欧洲已经进入一个新能源时代，能源政策最重要的目标必须是供电的可持续性、竞争性和安全性。因此，欧洲电网为适应发电需要，大力提倡可再生能源，特别是风能、水电、太阳能和生物质能的发展，是欧盟委员会能源政策的中心目标。在这种能源政策的引导下，欧洲以分散式电源作为发展的一个必然方向。与电网的大容量和超高压发展方向相反，欧洲更多的是关心智能电网技术。未来的电网必须建立在电网信息化管理系统之上，特别是低压供电电网的信息化控制，流量平衡控制、网内分布式能源智能管制系统、智能保护系统等。

　　未来欧洲电网满足需求的目标可以概括为：灵活性(F1exible)、可接入性(Accessible)、可靠性(Reliable)、经济性(Economic)4个主要方面，欧洲因此提出分布式发电与交互式智能电网。其实现的关键方面是：集分散发电的主动配电网、电网与用户的双向互动、双向潮流和信息流；另一方面，欧洲电网通过动态价格体系，促进消费者合理使用电能。

　　5 智能电网的概念

　　有关智能电网的概念和提法在国际上有如下几种：Intelli Grid、Modern Grid、Grid Wise、SHG(Self-Healing Grid)及Smart Grid等。智能电网是一种高度自动化的数字化电网，主要体现在：(1)各用户端及电网中各节点均达到实时监控；(2)贯穿整个发输配用电过程中的各节点的双向功率流和信息。即通过集成的宽带通信、自动控制系统以及丈量分布式智能等，实现实时市场化交易以及电网中各部门的协调和实时互动。

　　智能电网可实现能源替代和兼容利用，即在创建开放的系统和建立共享的信息模式的基础上，整合系统中的数据，优化电网的运行和管理。具体地：(1)即时连接网络互动。终端传感器将用户之间、用户和电网公司之间可实时、高速、双向地读取数据，整体性地提高电网的综合效率。(2)实时监控及数据融合。发电、输电、配电、用电等关键设备的运行状况，在电力供应高峰期可在不同区域间及时调度，达到对整个电力系统运行的优化管理。(3)数字化、网络化、信息化综合集成。智能表计可作为互联网路由器，终端用户进行通信、宽带业务或传播电视信号。

　　智能电网具有如下特征：(1)可观性。电网、发电与用户等信息的广域量测和可视化；(2)可控性。大电网安全稳定控制(高级智能调度)、变电站自动化与用户用电系统智能控制等；(3)灵活性。平台应用、技术支撑等方面的灵活化；(4)开放性。市场、电网、用户等信息的开发；(5)安全性。小扰动和大扰动故障时电网保持供电能力、严重故障时电网安全运行及信息安全和防计算机病毒破坏等；(6)自愈性。实时在线连续安全评估和分析、强大预警和预防控制、故障诊断／隔离及系统自恢复等；(7)预测性。系统安全运行及事故预测等；(8)快速性。基于集成化信息的电网监控和管理应变的快速响应；(9)互动性。电网、发电与用户以信息和能量为基础的互动；(10)全局性。电网信息的高度集成和共享、统一平台和模型以及标准化、规范化和精细化管理等；(11)协调性。优化资产利用率、降低投资成本和运行维护成本等；(12)经济性。水火联合经济运行、电力市场和电力交易、清洁和优质电力、资源合理配置、降低网损和提高能源利用率等。

　　6 智能电网的物理构成

　　智能电网涉及电力系统发、输、配、用各个领域，对各个环节中的规划、建设、运行、维护工作，智能电网都有针对性地提出了更高的要求。智能电网的结构从物理层次上来看可以分成如下4层：

　　6.1发输配用层一智能元件，智能电器

　　其“发输配用”环节的技术包括：(1)发电：风电、分布式电源、光伏、接入等；(2)输电：互济、超导、特高压、网架等；(3)配电：微网、虚拟电厂、先进表计网络设施、需求侧响应等；(4)用电：智能电器、用电自动控制、移动电力供应车、储能技术等。

　　6.2传感量测保护控制层-智能控制

　　主要通过二次智能设备来实现智能控制，如：

　　传感器与测量用来评估阻塞和电网稳定性，监控设备健康情况、防止窃电以及控制策略支持等。其技术包括：先进微处理器和表计读数装置、广域监控系统、动态线路定级、电磁信号测量与分析、用电时间的实时定价工具、先进开关和电缆、分散无线电通信技术以及数字继电器等。

　　智能表计(AMl)它可提供从发电厂到电力出口(智能槽)以及其他智能电网设备间的通信路径，且用户可以在高峰期关断这样的设备。

　　相角测量单元(PMU)作为高速传感器的PMU分布在电网中，用于监控电能质量，在某些情况下自动响应于电能质量状况。在20世纪80年代，全球定位系统GPS的时钟脉冲用于电网中的精确时间测量。随着大量PMU的应用以及电网中任何地点交流的形状比较，研究人员建议自动系统应改变电力系统管理来快速动态响应系统状况。

　　广域测量系统(WAMS)基于相量测量装置(PMU)的WAMS，既支持具有快速、准确特点的状态估计，使得对电压失稳及低频振荡的监视报警、系统动稳极限输电功率的确定等高级系统分析成为可能，又可与稳控装置终端相结合，组成广域稳定控制的快速保护系统，或称广域保护／广域控制系统(WAPS／WACS)。

　　6.3信息通讯网络层-智能网络

　　建立一个完全集成的统一智能通信网络，并且通过网络直接连接。涉及领域有：变电站自动化、需求响应、配电自动化、监控和数据采集(SCADA)、能量管理系统、无线网与其他技术、电线载波通信以及光纤通信等。其功能是：实时控制、信息和数据交换达到最佳的系统可靠性、最好资产利用以及最高安全性。

　　6.4高级调度中心层-智能运行

　　和面向物理系统便于采用精确解的安全防护不同，灾变防御除面对电力系统外，还涉及自然和社会诸多因素，因此必须与知识工程(如Multi-Agent)的智能解相结合。面向Agent(AO)，是继面向过程和面向对象(OO)之后的新一代软件系统工程技术。推理等人工智能(A1)技术会得到广泛的应用。同时，为了实现整个系统范围内的协调控制，分散式智能代理及其网状控制结构等形式的设计具有非常关键的作用。它们可以支持分散式决策，也可以在此基础上进行集中协调。发达的通信能力为这种设计提供了坚实的技术支撑。

　　智能电网的构成主要实现电网的数字化、信息网络化、市场化、自动化、集成化及标准化。其中，(1)数字化：数字化电网、数字化控制与数字化用电设备；(2)信息网络化：市场信息、电网信息、用户信息与宽带通信形成的信息平台；(3)市场化：发输配用电、电力市场等信息的开放透明市场化竞争；(4)自动化：发输配用电、运行状态自动监控、安全防御策略、故障后系统自动恢复、市场交易、市场互动等高度自动化；(5)广域化：电网信息的广域整合；(6)集成化：通过流程优化，信息整合，实现集企业管理、生产管理、调度自动化与电力市场管理业务等于一体的信息系统；(7)标准化：建立兼容集成的电网升级的国际新标准，特别是智能电网的各种标准。

　　7 小结

　　由当前全球电网面临的挑战可见，低碳高效安全可靠的智能电网是21世纪电网发展的方向。通过对欧美智能电网的分析，我国智能电网的发展不仅要学习欧美的先进经验，而且要结合自己的实际情况。在智能输电网方面，要依靠自己，并在国际上发挥引领作用；对于城市电网、偏远农村、小城镇的电网，可以学习国外的智能电网、微电网技术，以及与用户互动的市场机制，使得用户使用电力的效率提高。从这个角度看，发展智能电网、低碳电力，应上升到国家低碳经济战略转型的层面，而不只是电网公司的技术升级。

　　然而，智能电网目前处于规划阶段，除了要从企业层面上升到国家层面，更要充分认识它对21世纪我国低碳电力、市场化改革的重要性，把它放到低碳能源的结构中看，不仅要考虑电力发展，还要综合考虑一次能源的利用，以及发电、电网、用户间的互动，因此，企业要有技术路线图，国家要有能源战略图。(来源：《中国能源》2009年第10期 作者：宋永华 杨霞 孙静)