自愈電網與分布能源解析

智能電網的推動因素、研發路線和難點問題

摘要：抓住智能電網的主要方面，研究我國建設智能電網的實施策略。在闡述智能電網幾個主要特征的基 礎上。分析了國內外推動智能電網的幾個主要因素，以及兩條異途同歸的研發路線，討論了當代電網研發多年 未果、智能電網尤需解決的事件啟動快速仿真決策和控制系統協調自適應難點問題。

關鍵詞：智能電網；智能電表；節能減排；分布式發電；分布儲能；需求響應

智能電網的主要特征

智能電網全面覆蓋發電、輸電、配電、用電和 電力市場，含括一、二次系統，很難用一個簡明的 統一定義來表述。但智能電網有別于常規電網的 幾個主要特征，已逐步形成共識。

1)自愈。電網故障時，事件啟動快速仿真決 策來實現故障隔離，避免或縮小停電范圍。智能 電網在故障區內，通過由分布式發電、分布儲能和 需求響應(DR)資源組成的分布能源提供輔助服 務，而不是被動地坐視“離線整定、實時動作”的繼 電保護和(或)穩定補救裝置自行發展。

2)供需互動。智能電網通過供需關口、上下 雙向通信提供用電和市場信息，并與用戶住宅內 的室內網絡相連的智能電表，實現供需雙方互動。 智能電網促使所有大、中、小用戶通過需求響應來 改變自己的用電方式、主動參與電網管理和市場 競爭，并可獲取相應的經濟利益，而不是象以前那 樣被動地僅執行所定的電價。

3)推動節能減排發展。為了應對能源和環 境的挑戰，配電領域的風能、太陽能、地熱能等可 再生能源，相應的分布儲能和插入式電動汽車等 都發展很快，電網結點和不定因素大幅度增加。 智能電網的研發，將節能減排積極地納入電網和 市場的監控管理中，而不是作為單向的負荷效應 和負荷控制處理。

4)協調與自適應控制。智能電網環境下，分 屬于發電、輸電、配電、用電各個環節，無論是正常 狀態下的高壓／低壓發電優化、市場運作，還是緊 急狀態下的靈活分區網絡重構，都涉及到集中控 制系統(能源管理系統EMS／需求側管理DMS 等)的相互協調和分布控制系統(繼電保護／就地 無功補償／穩定補救裝置等)的自適應問題，而不 僅是集中控制系統各司其職、分布控制系統“離線 整定、實時動作”。

5)資產優化管理。智能電網實現對電網資 產規劃、建設、運行維護等的全生命周期優化管 理，并運用市場機制，通過供需互動、推動節能減 萬方數據

2 王明俊：智能電網的推動因素、研發路線和難點問題 排等，提高發電效率、降低電網損耗，解決負荷率 不高、設備閑置等問題，有效提高資產利用率，降 低運行成本，減少或推遲投資，而不是單純的設備 管理。 本文在描述智能電網主要特征的基礎上，就 智能電網的推動因素、研發路線和難點問題進行 分析和討論，試圖得出一些有益于我國研發智能 電網的啟示和借鑒。

2推動智能電網研發的主要因素 當代，由于以下幾個主要因素的推動，智能電 網的研發已不是一個需不需要的問題，而是何時 研發、如何研發的問題。

2．1 全球性環境和能源的挑戰LIJ 能耗和CO。排放導致全球氣候變暖，已是一 個不爭的事實?！堵摵蠂鴼夂蜃兓蚣芄s》提出 的最終目標是：“將大氣中溫室氣體的濃度，穩定 在防止氣候系統受到危險的人為干擾的水平上”。

1)等效C0。的排放，主要來自發電廠、交通、 工業、商業和住戶。其中發電廠和交通的等效 Co。排放所占比例最大，且因國情而異，如美國 發電廠和交通的等效CO。排放所占比例均為 33％。這也是風能、太陽能、地熱能等可再生能源 和插入式電動汽車得以重視發展的一個重要 原因。

2)能源方面。根據預測2050年全球能源消 耗將翻3倍，這除了導致發電燃料價格的上漲外 還將迫使電價上揚。因此，各國更加重視、直至立 法來推動各種可再生能源的發展。如美國加州領 先要求可在生能源的比例，從當前的2％提高到 2010年的20％、2020年達33％的目標。目前，插 入式電動汽車的大規模采用尚有待時日，但據美 國太平洋西北國家實驗室研究，美國現有的發、 輸、配電系統如每天24 h得到優化使用，可足夠 支持插入式電動汽車替代高達73％的燃油汽車， 減少52％的石油進口量。 可見，全球性環境和能源的挑戰，推動了智能 電網的研發，以解決含可再生能源在內的各種類 型分布式發電以及插入式電動汽車進入電網和市 場后所引發的各種問題。

2．2電網的安全、高效運行 據美國國家工程技術研究中心(NERC)對美 國1984～1997年(包括1996年“8．10”大停電)的 電網停電事故統計可知，美國每年影響1～10萬 用戶的停電次數為5～10次，影響10～100萬用 戶的停電次數為l～5次，影響100～1000萬用戶 的停電次數為0．1～1次。其中，40％的大停電是 由級聯事件演變而成[2]。當代電網的安全控制 中，緊急狀態下的緊急控制主要由“離線整定、實 時動作”的繼電保護和(或)穩定補救裝置來實現。 這些自動裝置除了不具備事態發展的評估能力 外，當離線模擬和在線實際出入較大時，還可能發 生諸如保護動作過慢導致震蕩，或發生不必要的 解列等問題。因此，必須通過加強正常狀態下動 態安全評估的預防性控制，及時予以修正。 突出自愈功能的智能電網，能夠采用在線的 快速仿真、評估事態發展、決定是否隔離、如何分 區等。自愈功能除了能制止或縮小事態的擴大 外，并能夠在故障區內，通過分布能源提供的輔助 服務，至少保證用戶的基本用電。 智能電網主動靈活分區實現故障隔離，具有 潛在的巨大效益。經對WECC 179母線電網(發 電61 410 Mw、負荷60 785 MW)仿真驗算可知， 該電網某線路故障相繼越限跳閘，可能導致系統 崩潰。如告警后分為兩個區，其中1區供電 35 685 MW、無線路越限；2區卸負荷312 MW、 供電1 786 MW，總卸負荷率僅為0．51％。 傳統電網存在的另一個問題是運行效率不 高。如美國，2001年的平均發電熱效率為33％、 輸電損失達9．5％、負荷率為55％，相當于45％ 的電力設備在非峰荷期間閑置未用。 智能電網除通過優化運行和資產管理、提高 設備使用率、降低運行成本外，主要是推廣位置處 于負荷點、高效環保的可再生分布能源，支持諸如 插入式電動汽車的儲能應用。此外，還采用高性 價比的新技術，如高溫超導、儲能、和電力電子技 術等，對傳統電網進行改造或適應電網的發展。 其中，高溫超導(HTS)技術，可以通過狹窄通道 向遠方傳輸大量電力，而電網損耗及電壓降幾乎 為零。美國能源部與Southwire公司合作的 HTS示范工程，已于2000年2月在亞特蘭大投 入運行。

2．3供需互動的需求響應雙向服務

傳統電網、特別是電力壟斷經營時期的發、 萬方數據 王明俊：智能電網的推動因素、研發路線和難點問題3 輸、配、用電，是從上而下的單向供需關系。那些 由用戶控制啟停的自備電廠或量大面廣的可再生 能源發電的電源，都被視為是虛擬負荷，即使接入 配電系統，也不參與自動發電控制，甚至在配電網 側安裝逆功率繼電器，正常時不向電網注入功率。 隨著電網的發展，這些分布式發電直接或間接納 入需求側管理，在開源節流、改善負荷曲線方面發 揮了積極作用，但單向的供需關系基本未變。 對電網而言，分布式發電的啟停可以看成是 虛擬負荷的減少和增加。同樣，負荷的減少和增 加也可等效于虛擬發電的增減。隨著電力市場的 深入發展，負荷相當于是潛在功率產品的價值正 日益凸現。智能電網下需求側管理將向需求側競 價發展，單向的供需關系將形成雙向的供需互動。 實際上，需求側競價(DSB)是需求側管理的 一種實施機制，它使用戶能夠通過改變自己的用 電方式主動參與市場競爭，獲得相應的經濟利益， 而不象以前那樣被動地執行所定的電價。也可以 說，DSM是長期改變負荷特性的行為和機制，大 多是政府驅動。而DSB是基于市場的短期負荷 響應行為和市場機制，主要由市場驅動。 參與需求改變量的競爭，既可以競價增負荷， 也可以競價減負荷。但為了實現DSB產品的規 模效應，一般只有兆瓦級以上的大用戶、或是多個 同行企業通過集總代理才直接參與需求競價，小 用戶則是通過其供電商作為代理間接參與需求 競爭。 DSB產品的用途，除與發電商之間的雙邊合 同外，還包括各種形式的輔助服務(頻率控制、電 壓控制、備用和黑啟動)、參與可中斷供電合同或 峰谷電價計劃、在平衡市場中競價增減出力，以及 緩解輸配電阻塞等。值得注意的是，需求側響應 的瞬時性明顯優于發電機，而其價格卻僅為新建 峰荷時發電廠的1／4～1／3。 可見，供需互動的需求響應資源，通過雙向服 務，達到供需雙贏，已成為推動智能電網研發實施 的一個重要因素。但供需互動的效益，必須以并 放供用電市場為前提。否則，供需關口、上下雙向 通信的智能電表將無用武之地。

2．4高性價比的經濟效益和社會效益

推動智能電網研發實施的又一個重要因素， 是投入產出的高性價比，這也是智能電網所追求 的一個主要目標。智能電網的幾乎每個環節都具 有巨大的經濟效益和社會效益。

1)據美國電科院EPRI估計，美國未來20 a 需投資1 650億美元的智能電網，實現后的綜合 效益可達6 280～8 020億美元。奧巴馬的顧問在 一份科技投資對就業影響的報告中分析，投資 100億美元建設智能電網，可創造23．9萬個就業 崗位。

2)據稱，智能電網使美國電網的效率每提高 5％，相當于減少5 300萬輛汽車的燃料消耗和 C02排放。

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

4)插入式電動汽車的發展。美國現有的發、 輸、配電系統，如可24 h優化使用支持插入式汽 車的電動用電，則可替代73％的燃油汽車，將減 少約24％的碳排放和52％的石油進口。

5)輸電方面。美國計劃使用超導輸電技術， 跨越4個時區傳送電力。第一條高溫超導電纜， 已于2008年4月投入運行。與同樣直徑的銅導 線相比，其輸電能力提高150倍。

6)配電方面。美國和墨西哥的電力公司和 終端用戶，每年將安裝100多萬臺配電變壓器，如 采用高效非晶質鐵芯技術，每年可節約7．5億 kW•h，相當于減少46．5萬t的C0：排放或將9 萬輛汽車從公路上移去。

7)供需互動支持的需求響應雙向服務，潛在 效益更大。如美國通過DR進行調峰，可減少發 電47 000 MW，相當于每年減少1．06億t的C0z 排放。同時，用戶方面也可減少15％以上的高峰 負荷和10％以上的用電總需求。

8)需求響應資源輔助服務，效益十分顯著。 如應對突然的頻率下降，除發電機提供功率支持 外，需求側也可響應頻率的變化。而且實踐表明， 需求側響應的瞬時性，明顯優于發電機。英國的 電力市場，就有13個水泥制造企業通過集總代理 與輸電系統運行人員簽訂雙邊合同，減少最大瞬 時負荷達110 MW。此外，需求響應資源輔助服 務的性價比較高，也是其取得快速發展的另一個 重要原因。據美國Baltimore煤氣電力公司BGE 實算，需求響應資源的價格為每千瓦i65美元，為 萬方數據 4 王明?。褐悄茈娋W的推動因素、研發路線和難點問題 新建峰荷時發電廠的1／4～1／3。并預言今后若 干年內，需求響應資源將是保證供電可靠性性價 比最高的一個有力措施。

3智能電網的研發路線

智能電網研發的幾個特征和推動因素，基本 上也是當代電網所尋求改進的發展方向。其次， 智能電網的研發和實施與當代電網的改進和發 展，同樣都必須依靠監管法規的推動和市場機制 的激勵。此外．，智能電網的研發實施和當代電網 的改進發展在發電、輸電、配電、用電之間也沒有 必然的先后順序聯系，甚至可以從供用電領域人 手，先行建設城市智能電網，如美國科羅拉多州的 Boulder，于2008年3月即建成為全美的第一個 智能電網城市。 因此，智能電網的研發實施和當代電網的改 進發展，代表兩條異途同歸的研發路線。但由于 各國資源配置、監管決策取向、電力市場進展以及 用戶認知程度不同，切入點、重點和先后順序必然 有所差異。

3．1國外智能電網的研發 國外智能電網的研發，比較有代表性的是歐 州的20／20／20計劃，和美國的Grid2030。

3．1．1歐洲的20／20／20計劃 2006年，歐州未來電網技術平臺咨詢理事會 發布《智能電網——戰略規劃文件》，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％，故簡稱20／20／20計劃。為了 實現20／20／20目標，采取了優化電網的基礎設 施、接入大量的斷續的發電設施、推廣信息與通信 技術、主動的配電網絡、推廣和改善新型的電力市 場和提高用戶的用電效率等6項措施。

3．1．2美國的Grid2030 Grid2030是一個完全自動化的發、輸、配、用 電網絡，它監控每一個用戶和電網結點，保證電力 和信息在所有結點的雙向流動。美國的 Grid2030是美國能源部于2003年7月所發布。 緊接著發生了震驚全球的“8．14”美國、加拿大大 停電，Grid2030隨即納入美國EPRI發起、突出自 愈功能的智能電網研發。2009年，奧巴馬政權將 智能電網改造列入美國經濟復蘇計劃，更加引發 對智能電網的廣泛關注。 Grid2030具有三層結構。

1)上層的全國電網骨架，通過低阻超導電纜 和變壓器組成的輸電走廊，與包括加拿大和墨西 哥的區域互聯網相連。

2)中層區域電網內，長距離輸電由升級的交 流或擴充的直流線路構成，并大量應用先進的儲 能設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、小型網和微電網，通 過區域網與國家電網骨架網相連，可從任何地方 的發電商購買電源，而向用戶提供服務。用戶可 以根據需要挑選電力供應，包括電價，環境的影 響，可靠性和電能質量。用戶的分布式電源也可 與區域網相連，參與市場交易和競爭。 突出自愈功能的Intel|iGrid【4]，進一步將智 能電網的結構概括為市場、輸電、配電、高壓發電、 分布能源(包括分布式發電、分布儲能和需求響應 資源)、用戶服務、IT服務等7個領域，當前共列 出400多項應用功能(今后隨技術進步和最佳實踐 可能有所增減)，被稱為是走向下一代電力系統的 交通圖。 2009年1月25日，美國白宮發布《復蘇計劃 尺度報告》，宣布將鋪設3 000 mile輸電線路，為 全國近1／3的4 000萬家庭安裝智能電表。此外， 還將集中對落后的電網系統進行更新換代，建立 跨越4個時區的統一電網，實現太陽能、風能、地 熱能的統一入網管理。

3．2我國向智能電網的發展

我國雖然尚未制定智能電網的研發具體實施 規劃，但已根據國情開展有關基礎工作，向智能電 網方向發展。

1)2007年9月4日，國家發改委發布的《可 再生能源中長期計劃》，制定了可再生能源發展目 標為2010年可再生能源所占比例為10％、2020 年達15％。2007年8月，國務院發改委、環?？?局、電監會和能源辦頒發的《節能發電調度辦法 (試行)》明確規定：“優先調度可再生發電資源，按 機組能耗和污染物排放水平由低到高排序，依次 調用化石類發電資源，最大限度地減少能源、資源 消耗和污染物排放”。輸、配、用電領域大力推動 節能降耗，如制定電器能效標準、綜合線損率要求 2010年降至6．3％等。 萬方數據 王明?。褐悄茈娋W的推動因素、研發路線和難點問題5

2)新技術的研發與應用方面，基于電力電子 的靈活交流輸電技術(FACTS)研制和裝備已達到 國際領先水平。此外，根據我國資源配置的特點， 正在推廣高效低排的煤氣化聯合循環(ICA2C)發電 技術和加強高溫超導輸電技術的研發。煙臺300 ～400 MW和華能250 MW IGcC示范工程均將于 2010年建成。輸電領域，清華大學研究的鉍系高 溫超導，已在北京英納超導技術公司投入生產。

3)供需互動方面，正在結合拉動內需，積極 籌建包括智能電表在內的新一代電力用戶信息系 統，用以支持電力市場的發展，并計及智能電網的 研發和實施。

4)國家電網公司現已建成并推廣的SGl86 一體化企業級信息平臺，包括安全生產、項目管 理、物資管理、財務資金、營銷管理、協同辦公和人 力資源8大應用，以及信息安全防護、標準制度、 評價考核等6項保障體系。SGl86與新一代電力 用戶信息系統相結合，將為智能電網的信息化奠 定良好基礎。

5)對節能減排和配電市場影響較大的插入 式電動汽車發展較快。2008年12月15•日，世界 第一款續航里程達100 km以上、時間上領先國 外2～3 a的比亞迪F3DM雙模電動汽車在深圳 上市，2010年可望進入北美市場。

4研發智能電網的某些難點問題

可以說，實現智能電網的幾個主要特征，同時 也包含了智能電網研發的若干難點。本文僅就當 代電網研發多年未果、智能電網尤需解決的兩個 難點問題加以分析討論。

4．1事件啟動的快速仿真決策 電網是一個快速反應的聯動系統，為了評估 事件可能引發的聯動效應，需及時提供決策支持， 但電網長期存在精確模型計算時間過長、簡化模 型精度不夠的難題。因此，事件啟動的快速仿真 成為當前的一個研發熱點和難點。 實現快速仿真的預測方法具有兩個研發方 向，一是靜態模型和動態特性相結合的分析計算， 二是基于信號分析的實時直接測量推算。不管是 模型分析計算或是信號分析推算，都對量測信號 精度、數據交換速度和分析計算方法提出較高要 求。許多研究課題，如模型分析應能實現并行計 算、信號分析要求PMU的精度達到0．001 Hz等。 諸多研發項目中，美國OSIsoft公司提供快 速仿真決策的集成系統模型(ISM)[5]和實時性能 管理(RtPM)，值得注意。 ISM是將現有自動化系統、數據和算法集成， 對分析決策提供基礎或對上百萬個對象進行實時 管理。ISM比常規的矩陣算法快上近百倍，并可對 現有安全監控和數據采集系統(SCADA)、地理信 息系統(GIS)的量測誤差予以修正。ISM現在已經 在美國得到推廣應用，如應用在Detroit Edison三 百萬個元件、3125個回路、500 MW分布式發電的 配電系統，為實現低壓和過載的監視控制而對分布 式發電水平進行分析計算。Ameren用以解決實時 網絡重構和負荷轉移時的運行問題，包括50個配 電回路和變電站的變壓器峰荷期過熱等。 電力系統的各種故障和擾動信息中，蘊涵有 各種特征信息。通過快速傅立葉變換／'b波變換， 可以獲取任意時段內這些涉及時、頻兩域的有關 數據。特征信息和經典控制論的結合，即可對電 力系統的動態行為進行實時分析和趨勢預測。 2005年10月12日，美國OSIsoft公司的PMU 實時性能管理，在幾百公里外預測出洛杉磯隨后 發生的大停電。

4．2協調和自適應控制 智能電網本身是一個分布式的自適應系統， 但精確反映其工況的集中控制系統(EMS／DMS 等)不分布、而“離線整定、實時動作”的分布控制 系統(繼電保護／就地無功補償／穩定補救裝置等) 不能自適應。發電、輸電、配電、用電一體化的智 能電網，集中控制系統之間的協調和分布控制系 統的自適應尤為重要，因而成為當前的又一個研 發熱點和難點。 由于協調自適應控制突破靜態模型與動態數 據相結合的精確解，必須與知識工程的智能解相 結合，當前大多采用Multi-Agent多智能主體技 術。面向Agent(A0)是繼面向過程和面向對象 (oO)之后，新一代的軟件系統工程技術。 Agent有主動的對象之稱，知識工程界均將 其意譯為主體或智能主體，而不是概念易于混淆 的“代理”。Agent是將知識和使用它的一組操作 或過程封裝在一起得到的一個實體，具有結構和 屬性，并可通過消息互相通信。Agent特有的自 萬方數據 6 王明?。褐悄茈娋W的推動因素、研發路線和難點問題 治性和主動性，可獨立地完成其目標而不需要外 界的指令或感知環境變化時通過規劃實現其目 標。因此，單個的Agent擁有解決問題的不完全 的信息或能力，沒有系統全局控制。但可通過相 關Agent間的協調和協作組成Multi-Agent系 統，來解決復雜的全局性問題。 諸多研發項目中，美國國防部牽頭、EPRI和 華盛頓大學等單位參與，投資3 000萬美元，歷時 5 a完成的電力基礎設施戰略防護系統(SPID)最 具代表性[6]。SPID的3層Multi-Agent結構圖 如圖1所示。該系統采用面向Agent(AO)技術 的3層Multi—Agent結構：①底層為反應層(包括 發電、保護)；②中層為協作層(包括事件／警報過 濾、模型更新、故障隔離、頻率穩定、命令翻譯)；③ 高層為認知層(事件預測、脆弱性評估、隱藏故障 監視、網絡重構、恢復、規劃、通信)。其主要功能 有脆弱性評估(電力和通信系統的快速在線評 估)，故障分析(隱藏故障監視)，自愈戰略(自適應 卸負荷、發電、解列和保護)，信息和傳感(衛星、因 特網、通信系統監視和控制)等。用以防護來自自 然災害、人為錯誤、電力市場競爭、信息和通信系 統故障、蓄意破壞等對電力設施的威脅。 感知動作 (內部知識) 其他Agent (外部知識) (按程序動作) 圖1 SPID的3層Multi-Agent結構圖 圖1中無

通信能力的反應式Agent，相當于 傳統上“事先整定、實時動作”的繼電保護、穩定補 救和無功補償裝置，根據程序安排自主作出反應， 而無須外部指令控制。但保護定值或穩定補救方 案的設定和修改只能離線進行。 加上具有通信能力的協作層后，當事件響應 的快速仿真決策需對有關保護定值或穩定補救方 案進行修改和調整時，就可依靠外部知識協作，對 反應參數或程序進行修改和調整，以提高裝置的 適應性水平。這種通過不斷修改系統控制參數來 改進系統執行能力的感知型學習，不涉及與具體 任務有關的知識，但對外部知識依賴性強，在通信 中斷的情況下難于達到自適應的水平。如進一步 加上具有與具體任務有關的內部知識組成認知式 Agent，即使通信中斷或情況緊急來不及協調時， 也可根據內部積累的知識作出自適應反應，充分 體現Agent的自主性。 Multi—Agent的智能主體理念，除可用于各 個集中控制系統之間的分布協調控制外，還將在 智能電網量大面廣的分布智能控制中得到應用。

5 結語

1)迎接全球性的環境和能源挑戰，電網安全 高效運行的壓力，供需互動的需求響應雙向服務， 以及高性價比的巨大經濟和社會效益，推動了智 能電網的研發和實施。

2)智能電網的研發實施和當代電網的改進 發展，代表兩條異途同歸的研發路線。但由于各 國資源配置、監管決策取向、電力市場進展以及用 戶認知程度不同，切人點、重點和先后順序必然有 所差異。

3)智能電網研發的諸多難點中，自愈功能中 的快速仿真決策和網絡重構時控制系統的協調自 適應，是當代電網研發多年未果、智能電網尤需解 決的兩個難點問題。

4)本文所分析討論的智能電網理念、技術發 展和國外建設實踐，對我國電網通過改進和發展 走向智能電網或是進一步制定智能電網的研發實 施規劃，都有啟示和借鑒作用。