科学高效地实施智能电网

　　本刊记者：您曾专门撰写了《面向21世纪的智能电网》一文，对智能电网所涉及的许多基本理念进行了深入阐释。中国有关智能电网的概念与国际上的通用提法有何异同？国际上主流的电力技术发展方向是什么？客观地说我国的研发队伍和技术装备处于什么水平？智能电网的形成需要哪些产业链的支撑和支持？

　　余贻鑫：每一个致力于智能电网的人都要明确发展智能电网的目的，理解智能电网的原动力对正确实施智能电网至关重要。从智能电网发展本身看有四方面的原动力（诸如，实现大系统的安全稳定运行，降低大规模停电的风险；分布式电源的大量接入和充分利用；峰荷问题和需求侧管理；提高可靠性、提高电能质量、节能降损和环保，对电网各种约束日益严格），而且信息和通信技术的发展为其奠定了基础。由于技术涉猎广泛，智能电网的一个关键目标是要催生新的技术和商业模式，为经济和科技发展提供新的支撑点，实现产业革命。网络领袖思科预言，智能电网比互联网络拥有大得多的市场空间。它可以带动可再生能源发电设备、智能仪表、电动汽车和智能家电等众多产业的发展。所谓智能家电是指，带有通信模块的空调、电暖气、电冰箱、洗衣机、烘干机和热水器等设备。这些设备可依据动态电价和电网的状态对其能量消耗进行动态控制。

　　智能电网将把一个集中式的、生产者控制的电网，转变成大量分布式辅助较少集中式的和与更多的消费者互动的电网。它不是一个单纯的技术问题，涉及许多基本理念。我个人认为强调如下理念对于科学高效地实施智能电网是重要的。

　　智能电网的效益是明显的，可以归结为以下几个方面：电能的可靠性和电能质量提高的收益；电力设备、人身和网络安全方面的收益——智能电网持续地进行自我监测，及时找出可能危及其可靠性以及人身与设备安全的境况，为系统和运行提供充分的安全保障；能源效率收益——智能电网的效率更高，通过引导终端用户与电力公司互动进行需求侧管理，从而降低峰荷需求，减少能源使用总量和能量损失；环境保护和可持续发展的收益——智能电网是“绿色”的，通过支持分布式可再生能源的无缝接入以及鼓励电动车辆的推广使用，可减少温室气体的排放。

　　智能电网可带来的直接经济效益包括：电力公司改进安全性和可靠性，延缓发、输、配的扩展投资，降低或避免运行维护费用，提高传输效率、集成可再生能源和需求响应；客户可选择不同电价，并能获取能源信息；企业家加快把技术引进到能量的生产、分配、存储和协调当中去。智能电网的关键是利用各种技术、资源和市场机制以实现高效。据美国能源部的报告：“智能电网的功能将纾缓电网的阻塞和提高资产的利用率，在其实现后，估计通过美国现有的能源走廊可多送50%至300%电力”。

　　美国电科院（EPRI）在2004年对其后20年在美国实现智能电网成本所做的初步估算(以2002年美元的价值计)是，电网智能化所需追加的总成本为1650亿美元(其中输电380亿美元，配电和用户参与1270亿美元)，效益为6380~8020亿美元，效益与投资比为4:1~5:1。美国EPRI2011年所作的修正性估计是：基于“在2030年前持续稳定地开发智能电网技术”的假设，提供的一份新报告中说，在美国实现“完全功能的智能电网”的花费会在3380亿到4760亿美元之间。但是使人惊讶的是，其效益（ROI）会处于13000亿美元和20000亿美元之间。

　　用“评价指标”对我们所实施的智能电网进行评价，这其中包括，可靠性（停运间隔与频率）；安全性（分布式发电占总发电的比重，能量市场中用户的参与程度）；电能质量；经济性（分区的能量电价的峰值和均值，输电阻塞成本，断电和电能质量扰动的成本，交换能量的总成本）；效率（系统电气损失，负荷对均荷的比值，输电线路的阻塞间隔）；环境友好（可再生发电占总发电的比重，每一kWh所产生的排除物）以及人身安全。现在，我国有些地方已经宣布建成了号称“世界领先”的智能微电网，却很少见到关于上述指标的切实统计数据。

　　本刊记者：到目前为止，智能电网给公众的感觉就是“雷声大雨点稀”，建设智能电网的条件是否真的已经具备？智能电网发展战略是否已经开始实施？在实施过程中遇到的主要障碍是什么？如何克服？

　　余贻鑫：智能电网是一个不断发展的目标，需要进行持续的研究，以预测不断变化的需求和评估不断变化的收益和成本。在实施智能电网的时候需要时时刻刻地考虑：“我们所做工作是否适用于市场？是否可激励用户参与？是否可实现资产优化？是否能够获得高效运行？”电力公司和监管机构应该持续地向消费者展示智能电网的效益最终是会超过其成本的。应该注意，在智能电网的实施中，顺序是有价值的。在北美是把实施高级量测体系作为第一步，近来欧洲也普遍注意这项工作，因为从这里开始可以完善从用户开始的电网的整个通信体系，如果配备完善的量测数据管理系统，则可带来多方面的经济效益。未来电网发展方向是，分布式电源、储能设备与消费者互动相结合，实现即插即用。

　　目前，微电网的试点已经在我国广泛的展开。微电网是为满足单个用户或一小群用户能量需求的一种集成的解决方案，在未来分布式发电和能量存储广泛使用的情况下将会普遍存在。智能微电网（Smartmicrogrids，简称微电网）及其与电力公司电网的无缝集成，则是其理想的结构之一。但是，较高的成本可能会使微电网近期内只能在要害和关键部门应用。

　　虽然智能电网前景巨大，但实施智能电网所面临的挑战是巨大的。它涉及广泛的利益相关者——智能电网的性质决定其参与者应不局限于电力公司、电力设备厂商，还应包括广大消费者和众多其他产业；其组织、研发和实施均很复杂；需要确保信息网络安全（以人为本）；需要共识的标准——标准是建立在许多利益相关者协商的基础之上的，因而标准形成的进程应该是开放式的，是富于挑战性的和耗费时间的，需要采用开放式的方式制定智能电网的相关标准，这也是一个艰巨的任务。因而过渡到智能电网将是一个漫长的过程，需要逐步的过渡和多种技术的长期共存，必须通过规划防止在可靠性、安全性等方面出现不必要的损失。

　　实施智能电网最根本的还是要从思想和管理理念上进行改变。需要出台旨在开放电力市场和激励电力公司智能电网投资的新法规。其中包括：实施分时或实时电价，使“电能”的商品市场价值得到合理地体现；制定鼓励分布式电源卖电回电网的政策，如分步式洁净能源的上网电价政策；保证电力公司智能电网投资成本回收的政策。

　　未来智能电网的主要特征

　　本刊记者：为什么说智能电网已成为世界电网发展的共同趋势？智能电网与传统电网的不同之处体现在哪里？中国发展“智能电网”的核心和重点环节是什么？

　　余贻鑫：智能电网可以解决能源与环境的可持续发展问题。近年来，发展智能电网在欧美国家已经逐步上升到国家战略层面，成为国家经济发展和能源政策的重要组成部分。2010年3月两会期间，温总理政府工作报告中也指出要：“大力开发低碳技术，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网建设”，智能电网首次被写入《政府工作报告》。

　　智能电网是自动的和广泛分布的能量交换网络，它具有电力和信息双向流动的特点，同时它能够监测从发电厂到用户电器之间的所有元件。它将分布式计算和提供实时信息的通信的优越性用于电网，并使之能够维持设备层面上即时的供需平衡。

　　同目前电网的功能相比较，将来智能电网的主要特征是：激励节约用电，向用户提供充分的实时（或分时）电价信息，有许多方案和电价可供用户选择；提供发电及储能，以大量“即插即用”的分布式电源补充集中式发电；使市场化成为可能，末端用户可以积极参与成熟、健壮、很好集成的趸售市场；满足电能质量需要，有各种各样的质量、价格方案可供选择；优化，电网智能化与资产管理软件深度的集成；自愈，发生故障时系统可自愈，减少停电影响；抵御攻击，遇到恐怖攻击或自然灾害时具有快速恢复供电的能力等。

　　纵观电力供应网络，在发、输、配、用电这几个环节中，电力公司长期以来一直把侧重点放在发电和输电系统上，至今在许多方面已开展了大量的研发工作，使得其可靠性和智能化方面远远高于配电和用电。但是，同发电和输电环节相比，配电、用电以及电力公司和终端用户的合作等环节上相对薄弱，严重影响了系统的整体性能和效率；同时，一些急需解决的问题如供电可靠性、电能质量、分布式电源的接入和需求侧响应都集中于配电网。所以至今国际上关于智能电网的研究，大多是与配电用相关的。

　　智能电网的核心在于构建具备智能判断与自适应调节能力的多种能源统一入网和分布式管理的智能化网络系统。我国输电系统需要更加智能化，技术的进步(如相量测单元PMU和可视化技术）为实现高级输电运行ATO提供了更大的提升空间。但是一定要高度重视在配用电和资产管理方面的工作，实现智能电网的高级量测体系AMI、高级配电运行ADO、和高级资产管理AAM等功能，因为只有如此智能电网建设才能取得最佳的收益。

　　2009年3月19日，美国联邦能源管制委员会（FERC）指出了智能电网4个优先开发领域是：广域情境知晓（整个电网的）；需求响应（或需求侧管理）；电能存储；电力车辆（其潜在储能量极大，且要求即插即用，可成为智能电网的重大推动力）。此外，美国国家标准委员会（NIST）还提出应包括：通讯、信息、配电网管理项目和高级计量体系。

　　突破智能电网的技术挑战

　　本刊记者：在我国，将目前由生产者绝对掌控的集中式的电网转变成分布式的、能和消费者有更多互动的、赋予消费者更多选择权的智能电网是否具有利益上的可行性？处于垄断地位的国家电网该如何取舍？它会给垄断集团之外的中小企业带来哪些机会？

　　余贻鑫：智能电网将把工业界最好的技术和理念应用于电网，以加速智能电网的实现，如开放式的体系结构、互联网协议、即插即用、共同的技术标准、非专用化和互操作性等。事实上，其中有些已经在电网中应用。但是当智能电网的双向数字通信和即插即用能力体现的时候，它的潜能才会喷发出来。与智能电网相关的技术非常之广，可以把它分为三类，即智能电网技术、智能电网可带动的技术和为智能电网创建平台的技术。

　　智能电网技术将提供大范围的情境知晓，其工作可以减轻电网的阻塞和瓶颈,缩小乃至防止大停电；使电力公司可通过双向的可见性，倡导、鼓励和支持消费者参与电力市场和提供需求响应；为电网运行人员提供更好“粒度”的系统可观性，使他们能够优化潮流控制，并使电网具有自愈和事故后快速恢复的能力；大量集成和使用分布式发电特别是可再生清洁能源发电；为消费者提供机会，使他们能以前所未有的程度积极参与能源选择。智能电网技术所包含的是，那些能够集成、与之接口和智能控制这些设备的技术。智能电网的最终成功取决于这些设备和技术是否能够有效地吸引和激励广大的消费者。

　　智能电网可带动的技术。智能电网作为一个平台，可推动和促进创新，使许多新技术可行，为它们的发展提供机会，并形成产业规模。举例来说，智能电网可使人们：广泛地使用插入式电动汽车；实现大规模能量存储；一天24小时使用太阳能；无缝地集成像风能这样的可再生能源；能够选择自己的电源和用电模式；促进节能楼宇的开发。这些技术本身不属于智能电网的范畴，而是智能电网可带动和促进的技术。在这里需要澄清的是，风力发电机组、插件式的电动汽车和光伏发电等设备并不是智能电网技术的组成部分。

　　为智能电网创建平台的技术。美国能源部列出的将推动智能电网的五个基础性技术是：集成的通信。基于安全和开放式的通信体系结构，为系统中每一节点都提供可靠的双向通信，以便实现对电网中每一个成员的实时信息交换和控制，并确保网络安全和信息的保密性、完整性和可用性；传感和测量技术。用以支持系统优化运行、资产管理和更快速、更准确的系统响应，例如远程监测、分时电价和需求侧管理等；高级的组件。应用超导技术、储能技术、电力电子技术和诊断技术方面等最新研究成果；先进的控制方法。以使快速诊断和各种事件的精确解决成为可能；完善的接口和决策支持。用以增强人类决策，使电网运行和管理人员对系统的内在问题具有清晰的了解。

　　智能电网技术涉及广泛不言而喻。由于大量的分布式电源进入电网和用户侧电力市场化，所以变迁的过程必将改变行业的整个业务模型。这种改变会对所有利益相关者都有利，这是智能电网得以发展的基本原则。

　　本刊记者：科学家对智能电网的环境效益寄予厚望，更把其给民众生活带来的方便作为亮点，但是智能电网就没有隐忧吗？比如智能系统瘫痪的可怕后果，比如它给民众隐私保护带来的困扰，比如更换智能电网所需设施时的巨大投入等等。请您谈谈为实现智能电网，在信息与控制方面所面临的技术挑战。

　　余贻鑫：大容量、长寿命、易维护和低成本的分布式储能将给电网带来革命性的变化，这是一个人们给予高期望和带有挑战性的研发领域，我的研究不多，故不赘述。下面仅就为实现智能电网在信息与控制方面所面临的技术挑战做个简述：

　　智能电网依靠大量的嵌入式智能设备对系统状态进行实时监测和控制。基于计算机或微处理器的设备，包括控制器、远程终端单元（RTUs）和智能电子设备（IEDs）。它既包括电网的电力设备，如开关、电容器或断路器，又包括在家庭、楼宇和工业设施中的电力设备。这些嵌入式计算设备必须足以满足未来应用的需求，并且可以使用很多年而不被取代。

　　为了进行实时的运行状态监视和设备诊断，需要广泛地配置各种各样的传感器，它们会影响如下监视：基于条件的资产评估，事故管理与供电恢复，实时运行（例如，电压/无功控制，网络重构）以及可靠性、电能质量。传感器包括：继电保护,WAMS,线路动态定额技术,导线连接传感器,绝缘污染漏电流传感器,电子仪用电压（流）互感器,光纤温度监视系统,断路器监视系统,电缆监视器,电池监视器和各种复杂的（如油气体，变压器分接头，设备局部发热）监视器等。未来传感器的开发需要大规模的开发战略，不需要维护，即插即用的通信，网络安全（cybersecurity）和工业标准的协调。对传感器技术的期望是，低成本（由于使用广泛必须降低成本，同时必须具有通信功能以便集成配电系统基础设施，现有的电压互感器PTs和电流互感器CTs太贵，且不具通讯功能）；高可靠性的装置（通信和即插即用的网络全然不需要维护）。

　　基于开放体系并高度集成的通信系统是智能电网的基础。它需保证交互操作能力，并且可以兼容新的通信媒介。现状是没有统一的标准，但技术又发展迅猛。因此需要建立开放统一的标准。很多组织在倡导推广基于IP的通信，但使IP延伸到终端设备和用户层面还有很多问题需要解决。

　　智能电网的实施将使电力公司获得大量的数据，如何管理和利用这些数据是实现效益的关键，这是最耗费时间的，也是众多功能实现中一项困难的任务，因此必须找到适合于海量数据管理的方法并开发基于这些数据的高级应用软件，以服务于系统的优化运行。

　　开放、兼容和互联必然伴随着信息安全的风险。智能电网必须确保网络安全，以确保信息的保密性、完整性和可用性。信息和数据的隐私权保护的技术措施和法律法规必须健全。

　　应用软件是智能电网每一个功能和环节的核心。应该注意的是，之前创建的集中规划和控制的电力基础设施，在很大程度上限制了电网的灵活性，失去了效率，致使我们在安全性、可靠性等几个关键方面承担着风险。未来智能电网的核心软件，将是基于分布式智能代理开发的，是比实时还要快的快速仿真与模拟，它为协调决策提供数学支持和预测能力。

　　我想强调的是如下事实：智能电网的愿景，在智能化及诱人的视野方面是极不寻常的。它将像互联网那样改变人们的生活和工作方式，并激励类似的变革。但实现智能电网，由于其本身的复杂性和涉及广泛的利益相关者，而需要漫长的过渡、持续的研发和多种技术的长期共存。短期内，可以着眼于实现一个较为智能的电网（有人用“smartergrid”称呼它，译为“前智能电网”）。它利用已有的或不久的将来就可配置的技术，使目前的电网更有效；在提供优质电力的同时，也提供相当大的社会效益和较小的环境影响等。总之，在我国实施智能电网发展战略，不仅能使我们获得高安全、高可靠、高质量、高效率和价格合理的电力供应，还能提高国家的能源安全、改善环境、推动可持续发展，同时能够激励市场与创新，从而提高国家的国际经济竞争力。