一、智能電網(wǎng)及建設(shè)原動(dòng)力簡述
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步、科技和信息化水平的提高以及資源和環(huán)境問題的日益突出，電網(wǎng)發(fā)展面臨新課題和新挑戰(zhàn)。智能電網(wǎng)承載保障能源安全、促進(jìn)能源清潔利用和提振經(jīng)濟(jì)發(fā)展等重要使命，已經(jīng)成為當(dāng)今世界電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢、新方向。發(fā)展智能電網(wǎng)，適應(yīng)未來可持續(xù)發(fā)展的要求，已成為電力工業(yè)積極應(yīng)對未來挑戰(zhàn)的共同選擇。不同國家的國情不同、電網(wǎng)發(fā)展階段、資源分布、原動(dòng)力不同，發(fā)展智能電網(wǎng)的方向和重點(diǎn)也不同。
2002年，美國電科院開始致力于智能電網(wǎng)整體的信息通信架構(gòu)開發(fā)，配電側(cè)的業(yè)務(wù)創(chuàng)新和技術(shù)研發(fā)。2003—2005年間，美國智能電網(wǎng)研究開始蓬勃發(fā)展，美國能源部先后發(fā)布了“grid 2030”、“國家輸電技術(shù)路線圖”，描繪美國未來電網(wǎng)遠(yuǎn)景和技術(shù)戰(zhàn)略。2003年美國加利福尼亞的大停電事件引起了各國高度重視。隨后幾年，美國電力企業(yè)開始在智能電網(wǎng)領(lǐng)域開展一系列實(shí)踐。美國在智能電網(wǎng)方面，將成倍增加可再生能源的開發(fā)能力，建設(shè)一個(gè)可實(shí)現(xiàn)在東西海岸（距離4000公里以上）傳輸?shù)男碌母鼒?jiān)強(qiáng)、更智能的智能電網(wǎng)。奧巴馬將智能電網(wǎng)同上個(gè)世紀(jì)初美國建設(shè)高速公路網(wǎng)相比，稱其為美國建設(shè)新能源經(jīng)濟(jì)的重大舉措。
美國在全國范圍內(nèi)存在多個(gè)交流輸電網(wǎng)，人員年齡老化，投入不足，技術(shù)陳舊，事故較為頻繁，需要防止大停電。在智能電網(wǎng)建設(shè)中更加關(guān)注電力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的升級更新，以提高電網(wǎng)運(yùn)行水平和供電可靠性，有效接入可再生能源，同時(shí)zui大限度地利用信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能對人工的替代。搶占產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)，創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)僅大規(guī)模部署應(yīng)用分布式發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)就有望在2020年之前為美國帶來每年100億美元的經(jīng)濟(jì)增長。
2005年，歐洲委員會(huì)在歐洲提出“智能電網(wǎng)”概念，成立“智能電網(wǎng)（smartgrids）歐洲技術(shù)論壇”，目標(biāo)是把電網(wǎng)轉(zhuǎn)換成用戶和運(yùn)營者互動(dòng)的服務(wù)網(wǎng)，提高歐洲輸配電系統(tǒng)的效率、安全性及可靠性，并為分布式和可再生能源發(fā)電的大規(guī)模整合掃除障礙。2006年，論壇提出了《歐洲未來電網(wǎng)的遠(yuǎn)景和策略》，制定了《戰(zhàn)略研究議程（sra）》，《歐洲未來電網(wǎng)發(fā)展策略》，指導(dǎo)歐盟及其各國開展相關(guān)項(xiàng)目，促成智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。歐盟在《能源技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略》中闡述了運(yùn)用高科技來應(yīng)對氣候變化，進(jìn)而使得歐洲企業(yè)爭得低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型先機(jī)的設(shè)想;歐盟要爭當(dāng)綠色科技競賽中的，數(shù)十億歐元被投入到能源技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)。
歐洲各國電網(wǎng)運(yùn)行模式不同，電力需求趨于飽和，其能源政策強(qiáng)調(diào)對環(huán)境的保護(hù)和可再生能源發(fā)電的發(fā)展。低碳經(jīng)濟(jì)是歐洲智能電網(wǎng)的主要發(fā)展動(dòng)因。關(guān)注：在迅速增長的能源成本壓力下，歐洲智能電網(wǎng)建設(shè)更加關(guān)注可再生能源和分布式電源的接入，并帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變。
2008年，國網(wǎng)公司加強(qiáng)對世界電網(wǎng)智能化發(fā)展趨勢的關(guān)注和跟蹤。2009年，國網(wǎng)公司在國內(nèi)提出建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的通信、信息和控制等技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的自主創(chuàng)新、的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)將主要圍繞發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度等六大環(huán)節(jié)及通信信息平臺(tái)進(jìn)行建設(shè)，全面覆蓋傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的所有領(lǐng)域。2010年3月，國務(wù)院總理*在政府工作報(bào)告中指出“大力開發(fā)低碳技術(shù)，推廣節(jié)能技術(shù)，積極發(fā)展新能源和可再生能源，加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)”。
智能電網(wǎng)的特點(diǎn)是電力和信息的雙向流動(dòng)性，以便建立一個(gè)高度自動(dòng)化的和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)時(shí)地交換信息和達(dá)到設(shè)備層次上近乎瞬時(shí)的供需平衡，把分布式計(jì)算和通信的優(yōu)勢引入電網(wǎng)。智能電網(wǎng)的五個(gè)原動(dòng)力：提高安全性和防止大面積聯(lián)鎖停電;能源供給與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的不平衡;市場化和需求側(cè)管理;分布式電源和儲(chǔ)能裝置并網(wǎng);提高供電可靠性和電能質(zhì)量、節(jié)能降損和環(huán)保。
1、提高安全性和防止大面積聯(lián)鎖停電
一般地觀點(diǎn)是：提高系統(tǒng)的可視化程度和預(yù)警能力;使用較好的、靈巧的和快速的控制和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，是增?qiáng)電網(wǎng)的安全性和避免系統(tǒng)崩潰的關(guān)鍵。大電網(wǎng)的“事故發(fā)生概率-事故停電功率損失”的統(tǒng)計(jì)特性可知，系統(tǒng)中的小概率事件會(huì)造成巨大的停電損失。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模和/或復(fù)雜性增加時(shí)，預(yù)示著同一小概率事故的停電功率損失增大（引自天津大學(xué)余貽鑫院士）。2003年美國加利福尼亞的大停電事件引起了各國電力工作者的高度重視。
未來的電網(wǎng)將擁有自治的和自適應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)植酪u擊、軍事威脅、元件故障、自然災(zāi)害等擾動(dòng)作出自愈的響應(yīng)。在緊急狀態(tài)下能分片實(shí)現(xiàn)“自適應(yīng)孤島運(yùn)行”，并且其后能夠快速恢復(fù)供電。
2、能源供給與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的不平衡
我國能源結(jié)構(gòu)以煤炭資源為主，煤炭資源保有儲(chǔ)量的76%分布在山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等北部和西部地區(qū)。我國能源消費(fèi)需求主要集中在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的中東部地區(qū)，隨著中國能源開發(fā)西移和北移的速度加快，大型煤炭能源基地與能源消費(fèi)地之間的輸送距離越來越遠(yuǎn)，能源輸送的規(guī)模越來越大。要滿足未來持續(xù)增長的電力需求，從根本上解決煤電運(yùn)力緊張的問題，需要發(fā)展智能電網(wǎng)，實(shí)施電力的大規(guī)模、遠(yuǎn)距離、率輸送。
3、市場化和需求側(cè)管理
大電網(wǎng)為了可持續(xù)發(fā)展,電網(wǎng)需要市場化：社會(huì)對能源的需求日益增加,需要降低能源的消耗;社會(huì)對物質(zhì)的需求日益增加,需要提高電網(wǎng)的使用率。我國配電資產(chǎn)利用率較低：2008我國某配電設(shè)施利用率較高城市的10kv線路和變壓器載荷率的年持續(xù)曲線（年平均負(fù)載率僅30%,而美國為43%）zui大負(fù)荷時(shí)刻，10個(gè)城市10kv線路平均負(fù)載率全部在50%以下，其中有5個(gè)在40%以下，2個(gè)低于30%（東京為75%-85%）;10kv配變的平均負(fù)載率10個(gè)城市中有9個(gè)在40%以下，有3個(gè)在30%以下。
由于負(fù)荷峰谷差比較大，致使現(xiàn)實(shí)電網(wǎng)的利用系數(shù)很低（據(jù)美國統(tǒng)計(jì)，約55%），一年內(nèi)只有少數(shù)時(shí)間資產(chǎn)是被*使用的。解決辦法是縮小負(fù)荷曲線峰谷差。我國城市中居民用電在年典型峰荷日的峰荷時(shí)大多占到峰荷的12%~20%，如果消減6%~8%的峰荷，所節(jié)約的電力（發(fā)、輸、配）資產(chǎn)額十分巨大。沒有集成的通信基礎(chǔ)設(shè)施和相應(yīng)的電能價(jià)格信號，處理混合電動(dòng)汽車會(huì)非常困難,不僅效率低下，甚至?xí)觿》搴蓡栴}。因此，需要開發(fā)智能充電器，其將根據(jù)電力市場信息，幫助管理好接于電網(wǎng)上的這類設(shè)備，同時(shí)避免電力基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)意外損壞。
電力市場的開發(fā)需要可進(jìn)行雙向交易的更的用戶界面：能夠很好地反映價(jià)格，使配電公司可增加配電消費(fèi)的透明度;使配電運(yùn)行調(diào)度可在實(shí)時(shí)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)削峰填谷和優(yōu)化調(diào)度，并使用戶可根據(jù)價(jià)格、可靠性等來進(jìn)行實(shí)時(shí)交易，從而使參與的用戶獲得zui大的經(jīng)濟(jì)效益;這將使配電網(wǎng)的運(yùn)行更加復(fù)雜化、更難于預(yù)計(jì)。
4、分布式電源和儲(chǔ)能裝置并網(wǎng)
能源的壓力與生態(tài)文明意識，驅(qū)使人類注意使用太陽能、風(fēng)能等可再生能源將是21世紀(jì)能源出路之一。分布式電源的特性：它們天然是分布式的;為了補(bǔ)償其不確定性和間歇性而強(qiáng)化了對儲(chǔ)能技術(shù)的需求;需求側(cè)管理（虛擬的電源）。風(fēng)電由于價(jià)格下降，其推廣應(yīng)用的前景已被認(rèn)知;技術(shù)上的新進(jìn)展大幅降低了太陽能發(fā)電的成本，已展示了太陽能發(fā)電的良好前景。如何處理數(shù)以萬計(jì)的廣泛分布的分布式電源和應(yīng)對可再生的風(fēng)能和太陽能發(fā)電的不確定性和間歇性，同時(shí)確保電網(wǎng)的安全性、可靠性與人身和設(shè)備安全，并激勵(lì)市場?未來配電系統(tǒng)的運(yùn)行將由于配電網(wǎng)采用新的分布式電源設(shè)備而要求新的靈活的可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、新的保護(hù)方案、新的電壓控制和新的儀表。
5、提高供電可靠性和電能質(zhì)量、節(jié)能降損和環(huán)保
電網(wǎng)發(fā)展應(yīng)面向未來數(shù)字化社會(huì)對供電可靠性和電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求。我國城市用戶停電時(shí)間過長，且10kv以下電網(wǎng)對用戶供電可靠性的影響在70-80%以上，而10kv電網(wǎng)的高裕度并未帶來高可靠性。
效益方面，停電間隔和停電頻率的大幅度降低;少得多的電能質(zhì)量擾動(dòng);有效地消除區(qū)域性大停電;大大地減輕對恐怖主義和自然災(zāi)害的脆弱性;改善公眾和工人的人身安全;降低或緩解電價(jià);為市場參與者提供新的選擇;更有效地運(yùn)行和以很低的成本改善資產(chǎn)管理;降低網(wǎng)損;更廣泛地開發(fā)環(huán)境友好的資源;與各種配電管理相關(guān)的效益。要求采用：靈活的、可重構(gòu)的配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜涂煽康仉p向數(shù)字通信系統(tǒng);配電運(yùn)行;更高的可靠性要求使用分布式電源。