第４４卷第５期
２０１
天津大学学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
：：
Ｖ０１．４４Ｎｏ．５
１年５月
Ｍａｖ２０１１
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝一
智能电网的基本理念
余贻鑫１，栾文鹏２
（１．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津３０００７２
２．加拿大卑涛省水电公司，维多利亚Ｖ３Ｎ４Ｘ８）
摘要：智能电网已成为２ｌ世纪全球能源的新战略，目前我国许多科研单位和企业也已经踊跃地展开了智能电网技术的研究和试点．但是智能电网不是一个单纯的技术问题，它涉及许多重要的基本理念．厘清这些理念对于科学高效地实施智能电网、对于技术创新和产业发展至关重要从智能电网的原动力、总体设想、三类技术、效益和成功保障等方面阐述了智能电网的基本理念．
关键词：智能电网；原动力；总体设想；智能电网技术；效益；必要保障条件中图分类号：ＴＭ８５
文献标志码：Ａ
文章编号：０４９３—２１３７（２０１１）０５—０３７７—０８
ＢａｓｉｃＰｈｉｌｏｓｏｐｈｙｏｆＳｍａｒｔＧｒｉｄ
ＹＵＹｉ—ｘｉｎｌ．ＬＵＡＮ
Ｗｅｎ．ｐｅｎ９２
（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｍａｒｔＧｒｉｄｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｔｉａｎｊｉｎ
３０００７２，Ｃｈｉｎａ；
２．ＢＣＨｙｄｒｏ，ＶｉｃｔｏｒｉａＶ３Ｎ４Ｘ８，Ｃａｎａｄａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｍａｒｔｇｒｉｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ
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ｍｅｅｔｔｈｅｇｌｏｂａｌｅｎｅｒｇｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅ
ｃｅｎｔｕｒｙ．Ｉｔｉｓｃｕｒｒｅｎｔｌｙ
ｎｏｔ
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ｈｏｔｔｏｐｉｃｆｏｒ
ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｓｉｎｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓａｎｄｕｔｉｌｉｔｉｅｓｏｆＣｈｉｎａ．
Ｓｍａｒｔｇｒｉｄｉｓ
ｓｉｍｐｌｙ
ａ
ｔｅｃｈｎｉｃａｌｍａｔｔｅｒ，ｂｕｔａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｍａｎｙｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌａｎｄ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｃｅｐｔｓ．Ｔｏｃｌａｒｉｆｙ
ｔｈｅｂａｓｉｃｐｈｉｌｏｓｏｐｈｙｏｆｆａｃｉｌｉｔａｔｉｎｇ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＳｍａｒｔＧｒｉｄｔｈａｔｗｏｕｌｄｂｅｃｒｕｃｉａｌｆｏｒｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇＳｍａｒｔＧｒｉｄ．
ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ
ａｎｄｐｒｏｍｏｔｉｎｇ
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ｉｎｄｕｓｔｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｄｒｉｖｅｒｓ，ｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ａｎｄｔｈｒｅｅｋｅｖ
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ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒ．
ｓｍａｒｔｇｒｉｄ，ａｓｗｅｌｌ
ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｂｅｎｅｆｉｔｓ，ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ
ｎｅｃｅｓｓａｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔｇｒｉｄ；ｄｒｉｖｅｒｓ；ｆｒａｍｅｗｏｒｋ；ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ；ｂｅｎｅｆｉｔｓ；ｎｅｃｅｓｓａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
智能电网［１１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问的所有元件．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．
济和产业发展视角的思考皿］．
１）实现大系统的安全稳定运行，降低大规模停电的风险
近年来世界上大面积连锁停电频繁发生，损失巨大．以２００３年美国东北地区大停电为例，给这个区域所造成的经济损失约６０亿美元，充分暴露了基于
１
智能电网的原动力
理解智能电网的原动力对正确实施智能电网至
资源大范围全局优化理念而发展起来的大型互联同
步电网的脆弱性阴】．一般的观点阳１是，提高系统的
全局可视化程度和预警能力，使用较好的、灵巧的和快速的控制实现自愈，是增强电网的可靠性和避免事故扰动引起系统崩溃的关键．进而考虑到复杂大电
关重要．智能电网的原动力可以简要地归纳如下，其中前４点是电网视角的思考，最后再介绍一下国家经
收稿日期：２０１０—１１－２５；修回日期：２０１１一叭一０４
作者简介：余贻鑫（１９３６一），男，院｛．
ｅｄｕ
ｃｎ．
通讯作者：余贻鑫，ｙｉｘｉｎｙｕ＠ｔｊｕ
网对自然灾害和人为有选择性的恶意攻击是脆弱的（对后者尤为脆弱）．未来的电阿会成为更鲁棒的——自治的和自适应的基础设施，能够通过白愈的响应减小停电范围和快速恢复供电
２）分布式电源（ＤＥＲ）的大量接人和充分利用基于能源安全和可持续发展的考虑，世界上许多
属于分布式电源的还有小型、微型燃气轮机（如冷热电联产系统，英文是Ｃｏｍｂｌｎｅｄ
Ｈｅａｔ
ａｎｄ
Ｐｏｗｅｒ，简记为ＣＨＰ），以及小规模储能和下边将介绍的需求响应等未来的几万千瓦的微型棱电也在视
野当中
随着技术的日益进步，可预见未来的电网会逐渐
国家已把发展可再生能源技术提升到国家战略的高度．投＾大量的资金．以期夺取技术制高点美国总
统奥巴马更认为，“引领世界创造清洁能源经济的国
摆脱过去单一集中式发电的模式，而转向分咖式发电辅助集中式发电的模式请注意丹麦在过去２０多年
的进程．如图ｌ所示（此圈来源为丹麦能源局），它的
家将引领２１世纪的全球经济”
分柑式发电是靠近它服务负荷的小规模电力发电技术．它能够降低成本、提高可靠性，减少排放量和扩大能源选择在可再生的清清能源中，太阳能和风能由于其在地理上天然是分相式的，因此分布式的太阳能和风能的发电技术受到广泛的重视许多国家制定政策，推广其大量应用
风电南于价格下降，其推广应用的前景已被认知｜＿事实上，技术上的额进展也已展示了太阳能发电的良好前景．可望在未来ｌＯ年左右能够具有市场竞争力
电网在２０世纪８０年代中期还是一个集中式的系统．而今天Ⅲ４成了更为分散的系统
当大量的分布式电源集成到大电网中时．多数是直接接八各级（如１１０ｋＶ及其以下电压等级的）配电网．使得电网白上而下都成了支路１．潮流可能双向流动的电力变换系统，从而出现了如何处理数以万计的分布式电源和应对其发电的不确定性和间歇性．以确保电网的可靠性和人身与设备安全的问题然而．现时的配电网络是按单向潮流设计，不具备有效集成大量分布式电源的技术潜能
麟
．
．
・
‘二
目１丹麦发电行』在过女２０多年的镕变
ＦｉｇＩ
Ｄｅｎｍａｒｋ＇ｓｅ、ｏｌｕｔｉｑｍｏｖｅｒｌｈｅｌａｓｌｌｗｏｄｅｃａｄｔ＇
３）峰荷问题和滞求侧管理ＩⅧ个电同总资产７５％的配电网资产的利用率更低，年平均载荷率仅约４４％，即一年内只有少数时间资产是被充分使用了的（如图２所示，一年中仅有５％的时间，
由于现时还没有经济有效的大容量存储电能的手段．致使电的发生和消费必须随时保持平衡而电力负荷是随时间而变化的，譬如，在炎热夏天的下午，当无数商业和住宅的空调开到最大时．用电需求会大幅增高．以致到达全年负荷功率最大值（称之为全年的“峰荷”）为满足供需平衡，电力设施必须根据
全年的蜂荷来规划和建造
由于系统处于峰荷附近的时间每年很短，所以电力资产利用率低下美国现实电网资产的利用系数约为５５％，而发电资产利用率也不高如图２所示（此图来源为美国能源部报告“Ｇｒｉｄ３０”），其中占整
Ｆｉ９２
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ｃ『十ｑ…川＿ｍＪ＂“，
图２美国电力资产利用率曲线
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ｎａｔｉｏｎａｌＧ＆Ｄａ“ｃＩｕｔｉｌｉｇａｔｉｏｎｍＩｅｓ
即４３８ｈ．其载荷率超过７５％）．浪费了太量的田定资产投＾，不符合可持续发展的蜚球
调查表明：我国同前１０ｋＶ配电资产利崩牢
比美国还低
多数城市１０ｋＶ配电线路和变压器
的年平均载倚率低于３０％：基于电网出现一个主要元件故障后还可保证安伞的条件下．峰荷时的
线路载荷率全部在５０％以下”’解央ｌ述问题的办
法之一，是缩小负荷曲线蜂昝羞
同时为ｒ应对电网偶然事件和电力负荷的不确定性，电力系统必须随时保持（１０％～１３％）发电容橱
裕度（叉称旋转备用）．以确保可靠性和峰荷需求，这
也增加了发电成本和对发电容监的需求
幸运的是．现实系统巾存在着大国能与电州友好合作的负荷如空调、电冰箱、洗衣机、烘下机和热水器等．它们在电力负荷高峰（电价高的）时段可以暂停使用，而适当平移到供电不紧张（电价低）的时段再使用，帮助电网实现电力负荷曲线的消峰和填谷如图３中的饼阿所示，在美国典碰峰荷Ｈ的峰荷时刻．居民用电功牢占到峰荷的３０％．而其中２Ｂ．即２０％属于口ｒ与电刚友好台作的负荷．其值越过占蜂荷１３％的旋转储备容世如果能够提供相应的技术支撑，通过电力公－ｄ与终端用户的互动（衙求响应或用ｆ乜管理）．则可实现电力负荷曲线的削峰境谷
削峰填稃不仅可以冠著地提高资产利用率．减少对系统发电和输配电总容量的需求，同时也会带来发
电效率的提高和网损的降低而要调动电力用户间电阿友好互动的积极性．需婴开发高级的配电市场．
实行分时或实时电价，使消费瞢ｔ＝『＝仅可眦从中获利．
而且感到舒适和方便
。≯一
％目＊＊谰温辅
目３｜目典■嶂荷日峰荷期间各娄负荷所自｝匕重
Ｆｉｇ３
Ｉ・ｍｄ＾ｊｌｎｄ…Ｙ…ｉｎ
ｔ’ｐｉｃａｌＵＳｐｅａｋｄａｙ
我国城市中居民用电功率在年典型峰荷Ｈ的峰荷时大多占到峰荷的１５％一２０％，其中约有Ｉ／２是可以畸电网友好台作的可平移负荷应该沣意到．如果
能消融６％一８％的峰荷，其所节约的电力资产额已是
十分巨大的更何况，商业用户和工业用户负荷．均具有与电阿友好合作的潜力
这种需求侧用户与ｌｂ同之间的友好台作，在必蛰
时．也可取代旋转备用，支持系统的安争运行比如，
在２００８年初的一灭下午，美吲得克萨斯州经历ｒ风力发电安然的、未预料到的急剧下降：在３ｈ里发电下降ｌ３０万ｋＷ此时一个紧急起动了的需求响应程
序，使大型ｒ业和商业用户在十分钟内恢复了大部分
失去的供电，起到了对此类间歇性电源波动性缓冲的作州这一紧急需求响应程序可实施的前提是电刚
公，≈与用户之间预先茬计了怫泌
４）对电网各种约求（提高可靠性、提高电能质橄、冉能降损和环保）日益严格
近２０年，通信和信息技术得到了长足的发展．数字化技术及应用在各行各业“益普及美国在２０雌纪８０年代，内嵌芯片的计算机化的系统、装置和蹬蔷．以及自动化生产线上的敏感电于设备的电气负载还很有限而在２０世纪９０年代这部分用电就大约占到了总负荷的Ｉｏ％今天．这部分电力负荷的比重已升至４０％以上，预计２０Ｉ５年将超过６０％它对电嘲的供电可靠性和电能质量提ｍ了很高的要求
调查表明每‘Ｆ美『目企业因电力中断和电能质量
问题所耗掉的成本超过１０００亿元，相当于用户每花一美元买电，同时还得付ｍ３０＃的停电损失其中，仅扰动和断电（即，不计大停电）每年的损失就达７９０
亿美元表ｌ给Ｈ｛了美闻电力科学院（ＥＰＲＩ）对未来
阿不仅满足不了数字化社会的这些需要．而且它在数字化技术的自身应用片∞ｌ也相对落后，特别是在ＨＬ电嘲方而，尽管迸信技术和信息技术的进步已经使得对电力系统的实时糍控和资产管理进一步扩展到配电
阿络日益经济可行
预测
Ｉ＇ａｂＩ
Ｐｒｅｄｉｒｌｉｏｎ【”ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｒｃｔｌｕｊ—ｅｎＩｉｎｆｕｔｕｒｅ
２０－－３０
ｖｃｌｌｒｓ
ｈ、ＵＳＥＰＲＩｉｎＩｈｅＵＳ
随着产业结构的嗣整和产业的升级，我罔会有日众所周知，用户电能质量问题多起源干配电
２０—３０年用户对供电可靠性需求的预测目前的电表Ｉ￡目ＥＰＲＩ对￥米２０一３１１年用户对供电可靠性需求的
盏增多的数字化企业对供电可靠性和ｌａ能质量提ｍ
型高的要求
天津大网．而事实上，配电网也是提高用户供电可靠性的颈瓶．调查表明，我国１０ｋＶ以下电网对用户停电时间的影响占到７０％～８０％以上．而与此同时，如上所述，我国城市１０ｋＶ电网的载荷率低下——亦即电网的裕量很大．照理说我国城市１０ｋＶ配电网的裕量大，
其供电可靠性应该高（即用户处停电时间应该短），但
事实并非如此．调查数字显示，即使减去计划停电时
间，我国大城市用户年平均停电时间也大都在一个小
时以上，多数为几个小时，甚至更长．而日本东京由于配电网的网络拓扑结构灵活和实现了配电自动化，
其用户的年平均停电时间仅为２～５ｍｉｎ；在电网出现
一个主要元件故障后还可保证安全的条件下，峰荷时
的线路载荷率可达７５％～８５％（如前所述我国该值小
于５０％）．
综上所述，需要把目前的电网加以转换，使其成
为能够适应上述要求的电气系统，即智能的电网．
除上述从电网角度看的智能电网的４方面原动力外，尤其值得注意的是：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更大的市
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．
２
对智能电网的总体设想
为了使前述的各种需要得以满足，对智能电网的
总体设想如下【ｌ‘２Ｊ．
（１）智能化具有可遥感系统过载的能力和网
络自动重构即“自愈”的能力，以防止或减轻潜在的停电；在系统需要作出人为无法实现的快速反应时，
能根据电力公司、消费者和监管人员的要求，自主地
工作；
（２）高效少增加乃至不增加基础设施就能满
足日益增长的消费需求；
（３）包容能够容易和透明地接受任何种类的
能量，包括太阳能和风能；能够集成各种各样已经得到市场证明和可以接入电网的优良技术，如，体积小、重量轻、成本低、电力强、可靠和寿命长的储能技术；
（４）激励使消费者与电力公司之间能够实时
地沟通，从而消费者可以根据个人喜好（如电价和／或
学学报第４４卷第５期
环境考虑）定制其电能消费；
（５）机遇具有随时随地利用即插即用创新的能力，从而创造新的机遇和市场；
（６）重视质量
能够提供数字化经济所需要的
可靠性和电能质量（如，极小化电压的凹陷、尖峰、谐
波、干扰和中断）；
（７）鲁棒
自愈、更为分散并采用了安全协议，
使系统有抵御人为攻击和自然灾害的能力；
（８）环保减缓全球气候变化，提供可大幅度改善环境的切实有效的途径．
表２［９１给出了智能电网和目前电网功能的比较．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，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
ｓｍａｒｔｅｒ
ｇｒｉｄ称呼它）．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，如较小的环境
影响等．
表２智能电网和目前电网功能的比较
Ｔａｂ．２
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｅｘｉｓｔｉｎｇ鲥ｄａｎｄｓｍａｒｔｇｒｉｄ
特征
目前电网
智能电网
使用户能够积用户无信息，只能被消费者拥有信息，并可介入极参与电网优动地参与系统的运和积极参与系统的运行一
化运行
行
需求响应和分布式能源
有大量带有“即插即用”设容纳全部发电中央发电占优，对分和储能选择
布式发电接入电网施的分布式电源（发电和储
有许多障碍
能）辅助集中发电
使新产品、新服有限的趸售市场，未建立成熟的、很好集成的趸务和新市场成很好的集成——用户售电力市场，为消费者扩大为可能
只有有限的机会
新的电力市场
保证电能质量，有各种各样
为数字经济提关注停运——对电能的质量／价格方案可供选择供电能质量质量问题响应很慢并可快速的解决问题
很少把运行数据同
极大地扩展了电网运行参数优化资产利用资产管理结合起来
和健康状态的采集，使决第
和高效运行
——竖井式的业务
进程
科学化
预测并对系统为防止设备损毁而自动检测所存在的问题并做干扰做出响应做出响应，扰动发生出响应——聚焦于防止和最（自愈）
时只关注保护资产
小化对消费者的影响
袭击和自然灾对恐怖的恶意行为遇到攻击和自然灾害时，具害发生后迅速和自然灾害脆弱
有快速恢复供电能力
恢复运行
２０Ｉ｜＂
泉ｑ自矗等坩能ＵｌｑｎｑＪ＾水Ｈｏ怎
３智能电网技术研究
从如上所述的原动力和总体构想可知，智能电网将从一个集中式的、生产者控制的网络，转变成大量分布式辅助鞍少集中式的和与更多的消费者互动的阿络它将把工业界最好的技术和理念应用于电阿．以加速智能电同的实现，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
作性等事宴Ｌ．其中有些已经在电阿中应用但是仅当辅以体现智能电固的双向数字避信和即捕即用能力的时候，其潜能才会喷发ｍ来
与智能电网相关的技术非常之广，可以把它分为
３类，即智能电阿技术、智能电网可带动的技术和为
智能电同创建平台的技术”１３１智能电网技术
文献［９］把智能电阿的功能归纳为高级计量体系（ＡＭＩ）、高级配电运行（ＡＤＯ）、高级输电运行（ＡＴＯ）和高级资产管理（ＡＡＭ），它们属于智能电阿技术的范畴这里不再赘述下边仅列举几个极具价值的智能电阿技术”“
１）高级计量体系（ＡＭＩ）ｌｌＯ
１４１
它是一个用米世铆ｊ、收集、储存、分析和运用消费者用电信息的完整的系统．是一种以开破式的标准集成消费者的方法作为ＡＭＩ重要组成部分之一的智
能电表．事实上已成为一个多功能的传感器．为电力
公司提供系统范闱的可观性ＡＭＩ将电力公司和用户紧密关联起来，使双片可以合作、互动若实施灵活的电能定价策略．则可以激励消费者主动地参与实时电力市场，提供需求响应
ＡＭＩ把反墟电力市场的近实时的电价信号．中继到终端用户“智能家居”｜殳备的控制器；这些没备基于消费者事先所做的设置，相应地央定如何使用电能这种交互是在后台进行，只需晶低限度的人为干预．但是能够明显地节省原年会消费掉的电能
应该强调的是，具有环保意识的消费者数同将会与目俱增，ＡＭＩ将使这些消费者能够通过智能电网的信息和工具，碱少他们对于环境的损害
同时，ＡＭＩ的实施将为电阿铺设最后一段双向通信．为电网从七到下处处可观测奠定了通信基础．其技术意义十分巨大
网４所示（此图来源为Ｃａｐｇｅｍｎｉ．圈中数字意
指，在本功能原有的基础上．可节省投资或提高效益的百分数）为对其效益的一种估计，可见它的效益是多片而的和巨大的ｍ于ＡＭＩ可在需求响应和
节能减排等方面取得臣太效益，北美的许多州（或省）政府机构已颁布立法条例来推动ＡＭＩ技术的实施．
井把ＡＭＩ视为是实现智能电网的第ｌ步但如网５
所示（此罔来源为美国ＮＥＴＬ），效益，成本最高段发牛在其后的高级配电运行和高级资产管理（ＡＤＯ／ＡＡＭ）实施的阶段经验表明投资通常可在５一１０
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２）电阿可视化技术和海量数据管理
在第１节中已强调ｒ提高全局可视化的必要，因为它可使电阿运行人员获得全局的情境知晓
电网的可视化技术和相关的止具已应用于大电网的在线宴时安全监视，以及实时负荷监控和电力公
司的负荷增长规划等方面但总体上看，由于普遍映信息显示的能力，结果所获得的情景知晓迁很有限与此同时，随着智能电网的实施，将来电力用户电网调度人员和消费者提供多方面的、生动的可视化
乏对各种来源信息的集成或为不同的用户提供不同提高电能使用效率和提供需求响应的方案也会明显增加．为了从中选择优化的执行方案．也需要为电力公司和电能消费者提供情景知晓为此需要为各级界面
天
津大智能电网实施之后，电力公司所面对的是海量的
数据，为了从中抽取富有指导意义的信息，必须找到
适合于海量数据管理的方法，并基于这些数据开发电网的高级应用软件，实现情景知晓和优化决策．
下一代可视化的开发国内外都正在进行中，此处简单介绍一下美国能源部在橡树岭国家实验室的开
发项目维尔德（ＶＥＲＤＥ，动态地可视化地球上的能源资源）．它通过集成实时传感器数据、天气信息和带
有地理信息的电网模型，提供广域电网的知晓．它将
能够查看国家层面上电网的状态，而且在需要时能在
几秒内转到深人检查街道一级电网的具体细节．它将为电力公司提供有关大停电和电能质量以及洞察
系统运行的快速信息．
３）广域量测系统／相量测量单元（ＷＡＭＳ／ＰＭＵ）
它可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，缩小和防范系统大停电．它同目前
使用的数据采集和监视控制（ＳＣＡＤＡ）技术相比，就质量而言，犹如前者向电网提供的是一个“核磁共振
成像术”，而后者仅提供“ｘ射线”．
ＳＣＡＤＡ通常，每隔２ｓ或４ｓ测量１次，为电力系统提供稳态的观测．而ＷＡＭＳ／ＰＭＵ可以实现每秒多次采样（如３０样本／ｓ），所测量结果也在时间上
精确同步，可为电力系统提供动态的可视化．
４）分布式的智能网络代理（ＩＮＡｓ）体系
微处理器的岁月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，致使在安全性、可靠性等几个关键方面承担着风险．以配电网分布式智能代理体系为例［９】，它把配电系统分成许多片（ｃｅｌｌ），每片中有许多由片内通信连接起来的智能网络代理（如继电保护、分布式电源等），这些代理能够收集和交流系统信息，它们
对局部控制可作出自主决策（如继电保护），也可以经
片内的协调做出决策（如电压调节与无功优化、网络
重构）．同时各片之间，以及配电调度中心和输电调
基于分布式智能代理所开发的智能电网的核心软件，是比实时还要快的快速仿真与模拟，它为协调
５）微电网
微电网与“完美电力系统”【ｌ５Ｊ的概念是密不可
学学报第４４卷第５期
（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．微电网是为满
足一群用户，单个大用户或一个小城镇能量需求的一
种集成的解决方案．这种现在看来特殊的网络运行形式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．由于在微网中发电和消费靠的很近，而具有改善能量传输效率、可靠性、安全性、电能
质量以及运行成本的潜力．微电网力求与大电网协
调运行：系统正常运行时，其与电网无缝集成；遇到紧急情况，它可以自适应孤岛化运行．从用户的角度看，微电网使他们能够掌握自己能量命运，而不是依赖于单一的提供者．但是，较高的成本可能使微电网近期内只能在要害和关键部门应用．
可见，智能电网将加强电力交换系统的方方面面，包括发电、输电、配电和消费等．仅从如上罗列的几种智能电网的技术，会发现它的优势如下：
（１）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；
（２）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；
（３）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；
（４）大量集成和使用分布式发电特别是可再生
清洁能源发电；
（５）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．
３．２智能电网可带动的技术
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不是智能电网技术的组成部分．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２４ｈ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．但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．３．３为智能电网创建平台的技术
美国能源部所列出的将推动智能电网的５个基
度中心之间也通过通信联络起来，根据整个系统的要求协调决策，实现跨地理边界和组织边界的智能控制，使整个系统具有自愈功能．
决策提供数学支持和预测能力．
分的．“完美电力系统”具有向各种类型的终端用
户提供所需电力的灵活性，不会失败．而智能微电网
础性技术如Ｆ
（Ｉ）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宴时信息变换和控制，并确保网络安全和信电的保密性．完整性和可用性；
（２）传感和测量技术用“支持系统优化运行、资产管理和更快速、更准确的系统响虚，例如远程监测、分时电价和需求侧管理等；
（３）高级的组件应用超导技术、储能技术、电山电子技术和诊断技术方而等蛀新研究成果；
（４）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；
（５）完善的接口和决策支持用以增强人类决策，使电网运行和管坪人员对系统的内在问题县有清
晰的了解
４智能电网的效益与必要的保障条件
智能电阿的效益可以归结为：电能的可靠性和电能质量提高方而的收益；电力设备、人身和同络安仝
方而的收益：能源效率收益；环境保护和可持续发腱的收益以及直接经济效益
智能电网为电力公司可带来的直接经济效益，包括提高可靠性、削减运行费用、提高资产利用率和电阿效率等智能电网的＿）皂键是利用各种技术、资源和市场机制以宴现高效据美困能源部的报告：“智能电网的功能将纾缓阻塞和提高资产的利用率．在其宴现后．估计通过美国现有的能源走廊可多送５０％～
３００％电力”ｉ１１．
长远来看．智能电嘲是电刚最经济的建垃方案美Ｈｌ乜科院在２００４年对其后２０年在美吲实现智能电嗍成本所做的初步估算（以２００２年美儿的价
值计）是总投资为６２５５亿美元；未来（智能）输配电网需附加投资为Ｉ６５０亿美元（其中输电占３８０亿美元．配电和用户参与占ｌ２７０亿美元）．而妓益为
６
３８０～８０２０亿美元，效益与成奉比例为４：ｌ～
５：】ｉｉ６１网６给ｍ了所获效益的组成据柑托特集团
（ｔｈｅ
Ｂｒａｔｔｌｅ
Ｇｒｏｕｐ）估计”Ｉ，在美团为适应人口的增长
和数字经济中用电大户数字组件数日指数的增加．在２０１０年和２０３０年之间美国需要投资约ｌ５万亿美元支付电力基础设施而智能电网具有成为最经济实惠的建设方案的潜质．不仅建设花费少．同时还可常
省更多的能世
薤
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目６黄目电科院对智能电厨各＃属性效ｔ日勺分析
Ｆｉｇ６
ＤｉａｇｒａｍｎｆＩｈｅｂｅｎｅｆｉｔｓｗｉｔｈａｇｇｒｅｇｕｌｅ’ａｌｕｃｓｌｒｅａｎｌ‘ｌｆ
ａ１１．ⅢｒｉｌｍｔｅｓｎｆｓｍａｒＩｇｒｉｄｌｌｙＬ＿ＳＦＩ’ＲＩ
南于涉及广泛的技术领域并有大量的消费者参ｔｊ．智能电网的直接经济效益．也包括通过加快把众多的智能设备和各种可行的创新技术引进到电能的生产、分配、存储和应用当中米．带动众多产业发展这里所谓的智能设备，是指基于计算机或徽处理器的所有设备，包括控制器、远程终端单元（ＲＴＵｓ）和智能ｌｂ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、楼字和工业设
施中的电力设备这里所说的创新技术的一个绝好的例子，足捕件式的混合动力汽乍（ＰＨＥＶｓ）美国预
计它的推广血用“将每Ｈ减少石油消耗６２０万桶，占
日前进『Ｉ量的５２％”在节省成本、改善环境的同时，由于Ｅ可在每天的非高峰负荷时间充电＋而在每天的胡电高峰期对电网提供支持，可起到对电力负荷曲线削蜂填谷的作用但是．如果？殳有集成的通信基础没施和相应的电能价格信号，处理这类负荷会非常闲啦．不仅敬率低下．甚至会加剧峰荷问题因此，需要歼发智能充电器．其将根据电力市场信息．帮助管Ｉｌ好接于电网ｒ的这类设备．同时避免电力基础没施Ⅲ现意外损坏
为ｒ能够切实地获得上述效益，在实施智能电阿
时需要注意如下儿点
（】）智能电网的实施所面临的挑战是巨大这率仅是由于它涉¨５乏广泛的利益相关者．其组织，研发和实施均很复杂．１１＿『ｎ需要人们转变传统的电网理念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需要由国家制定相应的政策和标准”“．以鼓励和支持众多企业的参与
（２）智能电刚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阿的时候需要时时
・３８４・
天津大刻刻地考虑：“我们所做］二作是否适用于市场？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．
（３）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：①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；②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（ｆｅｅｄ
ｉｎ
ｔａｒｉｆｆ）政策；③保证
电力公司智能电网投资成本回收的政策．
４
结语
智能电网不仅能获得高安全、高可靠、高质量、高
效率和价格合理的电力供应，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．因而在我国需要实施智能电网发展战略．
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．其变迁的过程，必将改变行业的整个业务模型，且对所有利益相关者都有利．
智能电网程序性的和技术性的挑战是巨大的．为推进智能电网，需要长期持续地的研发；需要出台旨在激励智能电网的法规，并通过开放式的方式建立国家标准【ｌ６Ｊ和鼓励众多相关产业的积极参与．参考文献：
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智能电网的基本理念
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
余贻鑫， 栾文鹏， Yu Yi-xin， LUAN Wen-peng
余贻鑫,Yu Yi-xin(天津大学智能电网教育部重点实验室,天津,300072)， 栾文鹏,LUANWen-peng(加拿大卑诗省水电公司,维多利亚,V3N 4X8)天津大学学报
JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY2011,44(5)6次
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本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_tianjdxxb201105001.aspx
第４４卷第５期
２０１
天津大学学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
：：
Ｖ０１．４４Ｎｏ．５
１年５月
Ｍａｖ２０１１
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝一
智能电网的基本理念
余贻鑫１，栾文鹏２
（１．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津３０００７２
２．加拿大卑涛省水电公司，维多利亚Ｖ３Ｎ４Ｘ８）
摘要：智能电网已成为２ｌ世纪全球能源的新战略，目前我国许多科研单位和企业也已经踊跃地展开了智能电网技术的研究和试点．但是智能电网不是一个单纯的技术问题，它涉及许多重要的基本理念．厘清这些理念对于科学高效地实施智能电网、对于技术创新和产业发展至关重要从智能电网的原动力、总体设想、三类技术、效益和成功保障等方面阐述了智能电网的基本理念．
关键词：智能电网；原动力；总体设想；智能电网技术；效益；必要保障条件中图分类号：ＴＭ８５
文献标志码：Ａ
文章编号：０４９３—２１３７（２０１１）０５—０３７７—０８
ＢａｓｉｃＰｈｉｌｏｓｏｐｈｙｏｆＳｍａｒｔＧｒｉｄ
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Ｔｉａｎｊｉｎ
３０００７２，Ｃｈｉｎａ；
２．ＢＣＨｙｄｒｏ，ＶｉｃｔｏｒｉａＶ３Ｎ４Ｘ８，Ｃａｎａｄａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｍａｒｔｇｒｉｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ
２１
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ｍｅｅｔｔｈｅｇｌｏｂａｌｅｎｅｒｇｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅ
ｃｅｎｔｕｒｙ．Ｉｔｉｓｃｕｒｒｅｎｔｌｙ
ｎｏｔ
ａ
ｈｏｔｔｏｐｉｃｆｏｒ
ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｓｉｎｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓａｎｄｕｔｉｌｉｔｉｅｓｏｆＣｈｉｎａ．
Ｓｍａｒｔｇｒｉｄｉｓ
ｓｉｍｐｌｙ
ａ
ｔｅｃｈｎｉｃａｌｍａｔｔｅｒ，ｂｕｔａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｍａｎｙｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌａｎｄ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｃｅｐｔｓ．Ｔｏｃｌａｒｉｆｙ
ｔｈｅｂａｓｉｃｐｈｉｌｏｓｏｐｈｙｏｆｆａｃｉｌｉｔａｔｉｎｇ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＳｍａｒｔＧｒｉｄｔｈａｔｗｏｕｌｄｂｅｃｒｕｃｉａｌｆｏｒｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇＳｍａｒｔＧｒｉｄ．
ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ
ａｎｄｐｒｏｍｏｔｉｎｇ
ａｓ
ｉｎｄｕｓｔｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｄｒｉｖｅｒｓ，ｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ａｎｄｔｈｒｅｅｋｅｖ
ａｎｄ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒ．
ｓｍａｒｔｇｒｉｄ，ａｓｗｅｌｌ
ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｂｅｎｅｆｉｔｓ，ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ
ｎｅｃｅｓｓａｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ
ａｒｅ
ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔｇｒｉｄ；ｄｒｉｖｅｒｓ；ｆｒａｍｅｗｏｒｋ；ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ；ｂｅｎｅｆｉｔｓ；ｎｅｃｅｓｓａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
智能电网［１１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问的所有元件．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．
济和产业发展视角的思考皿］．
１）实现大系统的安全稳定运行，降低大规模停电的风险
近年来世界上大面积连锁停电频繁发生，损失巨大．以２００３年美国东北地区大停电为例，给这个区域所造成的经济损失约６０亿美元，充分暴露了基于
１
智能电网的原动力
理解智能电网的原动力对正确实施智能电网至
资源大范围全局优化理念而发展起来的大型互联同
步电网的脆弱性阴】．一般的观点阳１是，提高系统的
全局可视化程度和预警能力，使用较好的、灵巧的和快速的控制实现自愈，是增强电网的可靠性和避免事故扰动引起系统崩溃的关键．进而考虑到复杂大电
关重要．智能电网的原动力可以简要地归纳如下，其中前４点是电网视角的思考，最后再介绍一下国家经
收稿日期：２０１０—１１－２５；修回日期：２０１１一叭一０４
作者简介：余贻鑫（１９３６一），男，院｛．
ｅｄｕ
ｃｎ．
通讯作者：余贻鑫，ｙｉｘｉｎｙｕ＠ｔｊｕ
网对自然灾害和人为有选择性的恶意攻击是脆弱的（对后者尤为脆弱）．未来的电阿会成为更鲁棒的——自治的和自适应的基础设施，能够通过白愈的响应减小停电范围和快速恢复供电
２）分布式电源（ＤＥＲ）的大量接人和充分利用基于能源安全和可持续发展的考虑，世界上许多
属于分布式电源的还有小型、微型燃气轮机（如冷热电联产系统，英文是Ｃｏｍｂｌｎｅｄ
Ｈｅａｔ
ａｎｄ
Ｐｏｗｅｒ，简记为ＣＨＰ），以及小规模储能和下边将介绍的需求响应等未来的几万千瓦的微型棱电也在视
野当中
随着技术的日益进步，可预见未来的电网会逐渐
国家已把发展可再生能源技术提升到国家战略的高度．投＾大量的资金．以期夺取技术制高点美国总
统奥巴马更认为，“引领世界创造清洁能源经济的国
摆脱过去单一集中式发电的模式，而转向分咖式发电辅助集中式发电的模式请注意丹麦在过去２０多年
的进程．如图ｌ所示（此圈来源为丹麦能源局），它的
家将引领２１世纪的全球经济”
分柑式发电是靠近它服务负荷的小规模电力发电技术．它能够降低成本、提高可靠性，减少排放量和扩大能源选择在可再生的清清能源中，太阳能和风能由于其在地理上天然是分相式的，因此分布式的太阳能和风能的发电技术受到广泛的重视许多国家制定政策，推广其大量应用
风电南于价格下降，其推广应用的前景已被认知｜＿事实上，技术上的额进展也已展示了太阳能发电的良好前景．可望在未来ｌＯ年左右能够具有市场竞争力
电网在２０世纪８０年代中期还是一个集中式的系统．而今天Ⅲ４成了更为分散的系统
当大量的分布式电源集成到大电网中时．多数是直接接八各级（如１１０ｋＶ及其以下电压等级的）配电网．使得电网白上而下都成了支路１．潮流可能双向流动的电力变换系统，从而出现了如何处理数以万计的分布式电源和应对其发电的不确定性和间歇性．以确保电网的可靠性和人身与设备安全的问题然而．现时的配电网络是按单向潮流设计，不具备有效集成大量分布式电源的技术潜能
麟
．
．
・
‘二
目１丹麦发电行』在过女２０多年的镕变
ＦｉｇＩ
Ｄｅｎｍａｒｋ＇ｓｅ、ｏｌｕｔｉｑｍｏｖｅｒｌｈｅｌａｓｌｌｗｏｄｅｃａｄｔ＇
３）峰荷问题和滞求侧管理ＩⅧ个电同总资产７５％的配电网资产的利用率更低，年平均载荷率仅约４４％，即一年内只有少数时间资产是被充分使用了的（如图２所示，一年中仅有５％的时间，
由于现时还没有经济有效的大容量存储电能的手段．致使电的发生和消费必须随时保持平衡而电力负荷是随时间而变化的，譬如，在炎热夏天的下午，当无数商业和住宅的空调开到最大时．用电需求会大幅增高．以致到达全年负荷功率最大值（称之为全年的“峰荷”）为满足供需平衡，电力设施必须根据
全年的蜂荷来规划和建造
由于系统处于峰荷附近的时间每年很短，所以电力资产利用率低下美国现实电网资产的利用系数约为５５％，而发电资产利用率也不高如图２所示（此图来源为美国能源部报告“Ｇｒｉｄ３０”），其中占整
Ｆｉ９２
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ｃ『十ｑ…川＿ｍＪ＂“，
图２美国电力资产利用率曲线
Ｓ
ｎａｔｉｏｎａｌＧ＆Ｄａ“ｃＩｕｔｉｌｉｇａｔｉｏｎｍＩｅｓ
即４３８ｈ．其载荷率超过７５％）．浪费了太量的田定资产投＾，不符合可持续发展的蜚球
调查表明：我国同前１０ｋＶ配电资产利崩牢
比美国还低
多数城市１０ｋＶ配电线路和变压器
的年平均载倚率低于３０％：基于电网出现一个主要元件故障后还可保证安伞的条件下．峰荷时的
线路载荷率全部在５０％以下”’解央ｌ述问题的办
法之一，是缩小负荷曲线蜂昝羞
同时为ｒ应对电网偶然事件和电力负荷的不确定性，电力系统必须随时保持（１０％～１３％）发电容橱
裕度（叉称旋转备用）．以确保可靠性和峰荷需求，这
也增加了发电成本和对发电容监的需求
幸运的是．现实系统巾存在着大国能与电州友好合作的负荷如空调、电冰箱、洗衣机、烘下机和热水器等．它们在电力负荷高峰（电价高的）时段可以暂停使用，而适当平移到供电不紧张（电价低）的时段再使用，帮助电网实现电力负荷曲线的消峰和填谷如图３中的饼阿所示，在美国典碰峰荷Ｈ的峰荷时刻．居民用电功牢占到峰荷的３０％．而其中２Ｂ．即２０％属于口ｒ与电刚友好台作的负荷．其值越过占蜂荷１３％的旋转储备容世如果能够提供相应的技术支撑，通过电力公－ｄ与终端用户的互动（衙求响应或用ｆ乜管理）．则可实现电力负荷曲线的削峰境谷
削峰填稃不仅可以冠著地提高资产利用率．减少对系统发电和输配电总容量的需求，同时也会带来发
电效率的提高和网损的降低而要调动电力用户间电阿友好互动的积极性．需婴开发高级的配电市场．
实行分时或实时电价，使消费瞢ｔ＝『＝仅可眦从中获利．
而且感到舒适和方便
。≯一
％目＊＊谰温辅
目３｜目典■嶂荷日峰荷期间各娄负荷所自｝匕重
Ｆｉｇ３
Ｉ・ｍｄ＾ｊｌｎｄ…Ｙ…ｉｎ
ｔ’ｐｉｃａｌＵＳｐｅａｋｄａｙ
我国城市中居民用电功率在年典型峰荷Ｈ的峰荷时大多占到峰荷的１５％一２０％，其中约有Ｉ／２是可以畸电网友好台作的可平移负荷应该沣意到．如果
能消融６％一８％的峰荷，其所节约的电力资产额已是
十分巨大的更何况，商业用户和工业用户负荷．均具有与电阿友好合作的潜力
这种需求侧用户与ｌｂ同之间的友好台作，在必蛰
时．也可取代旋转备用，支持系统的安争运行比如，
在２００８年初的一灭下午，美吲得克萨斯州经历ｒ风力发电安然的、未预料到的急剧下降：在３ｈ里发电下降ｌ３０万ｋＷ此时一个紧急起动了的需求响应程
序，使大型ｒ业和商业用户在十分钟内恢复了大部分
失去的供电，起到了对此类间歇性电源波动性缓冲的作州这一紧急需求响应程序可实施的前提是电刚
公，≈与用户之间预先茬计了怫泌
４）对电网各种约求（提高可靠性、提高电能质橄、冉能降损和环保）日益严格
近２０年，通信和信息技术得到了长足的发展．数字化技术及应用在各行各业“益普及美国在２０雌纪８０年代，内嵌芯片的计算机化的系统、装置和蹬蔷．以及自动化生产线上的敏感电于设备的电气负载还很有限而在２０世纪９０年代这部分用电就大约占到了总负荷的Ｉｏ％今天．这部分电力负荷的比重已升至４０％以上，预计２０Ｉ５年将超过６０％它对电嘲的供电可靠性和电能质量提ｍ了很高的要求
调查表明每‘Ｆ美『目企业因电力中断和电能质量
问题所耗掉的成本超过１０００亿元，相当于用户每花一美元买电，同时还得付ｍ３０＃的停电损失其中，仅扰动和断电（即，不计大停电）每年的损失就达７９０
亿美元表ｌ给Ｈ｛了美闻电力科学院（ＥＰＲＩ）对未来
阿不仅满足不了数字化社会的这些需要．而且它在数字化技术的自身应用片∞ｌ也相对落后，特别是在ＨＬ电嘲方而，尽管迸信技术和信息技术的进步已经使得对电力系统的实时糍控和资产管理进一步扩展到配电
阿络日益经济可行
预测
Ｉ＇ａｂＩ
Ｐｒｅｄｉｒｌｉｏｎ【”ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｒｃｔｌｕｊ—ｅｎＩｉｎｆｕｔｕｒｅ
２０－－３０
ｖｃｌｌｒｓ
ｈ、ＵＳＥＰＲＩｉｎＩｈｅＵＳ
随着产业结构的嗣整和产业的升级，我罔会有日众所周知，用户电能质量问题多起源干配电
２０—３０年用户对供电可靠性需求的预测目前的电表Ｉ￡目ＥＰＲＩ对￥米２０一３１１年用户对供电可靠性需求的
盏增多的数字化企业对供电可靠性和ｌａ能质量提ｍ
型高的要求
天津大网．而事实上，配电网也是提高用户供电可靠性的颈瓶．调查表明，我国１０ｋＶ以下电网对用户停电时间的影响占到７０％～８０％以上．而与此同时，如上所述，我国城市１０ｋＶ电网的载荷率低下——亦即电网的裕量很大．照理说我国城市１０ｋＶ配电网的裕量大，
其供电可靠性应该高（即用户处停电时间应该短），但
事实并非如此．调查数字显示，即使减去计划停电时
间，我国大城市用户年平均停电时间也大都在一个小
时以上，多数为几个小时，甚至更长．而日本东京由于配电网的网络拓扑结构灵活和实现了配电自动化，
其用户的年平均停电时间仅为２～５ｍｉｎ；在电网出现
一个主要元件故障后还可保证安全的条件下，峰荷时
的线路载荷率可达７５％～８５％（如前所述我国该值小
于５０％）．
综上所述，需要把目前的电网加以转换，使其成
为能够适应上述要求的电气系统，即智能的电网．
除上述从电网角度看的智能电网的４方面原动力外，尤其值得注意的是：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更大的市
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．
２
对智能电网的总体设想
为了使前述的各种需要得以满足，对智能电网的
总体设想如下【ｌ‘２Ｊ．
（１）智能化具有可遥感系统过载的能力和网
络自动重构即“自愈”的能力，以防止或减轻潜在的停电；在系统需要作出人为无法实现的快速反应时，
能根据电力公司、消费者和监管人员的要求，自主地
工作；
（２）高效少增加乃至不增加基础设施就能满
足日益增长的消费需求；
（３）包容能够容易和透明地接受任何种类的
能量，包括太阳能和风能；能够集成各种各样已经得到市场证明和可以接入电网的优良技术，如，体积小、重量轻、成本低、电力强、可靠和寿命长的储能技术；
（４）激励使消费者与电力公司之间能够实时
地沟通，从而消费者可以根据个人喜好（如电价和／或
学学报第４４卷第５期
环境考虑）定制其电能消费；
（５）机遇具有随时随地利用即插即用创新的能力，从而创造新的机遇和市场；
（６）重视质量
能够提供数字化经济所需要的
可靠性和电能质量（如，极小化电压的凹陷、尖峰、谐
波、干扰和中断）；
（７）鲁棒
自愈、更为分散并采用了安全协议，
使系统有抵御人为攻击和自然灾害的能力；
（８）环保减缓全球气候变化，提供可大幅度改善环境的切实有效的途径．
表２［９１给出了智能电网和目前电网功能的比较．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，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
ｓｍａｒｔｅｒ
ｇｒｉｄ称呼它）．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，如较小的环境
影响等．
表２智能电网和目前电网功能的比较
Ｔａｂ．２
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｅｘｉｓｔｉｎｇ鲥ｄａｎｄｓｍａｒｔｇｒｉｄ
特征
目前电网
智能电网
使用户能够积用户无信息，只能被消费者拥有信息，并可介入极参与电网优动地参与系统的运和积极参与系统的运行一
化运行
行
需求响应和分布式能源
有大量带有“即插即用”设容纳全部发电中央发电占优，对分和储能选择
布式发电接入电网施的分布式电源（发电和储
有许多障碍
能）辅助集中发电
使新产品、新服有限的趸售市场，未建立成熟的、很好集成的趸务和新市场成很好的集成——用户售电力市场，为消费者扩大为可能
只有有限的机会
新的电力市场
保证电能质量，有各种各样
为数字经济提关注停运——对电能的质量／价格方案可供选择供电能质量质量问题响应很慢并可快速的解决问题
很少把运行数据同
极大地扩展了电网运行参数优化资产利用资产管理结合起来
和健康状态的采集，使决第
和高效运行
——竖井式的业务
进程
科学化
预测并对系统为防止设备损毁而自动检测所存在的问题并做干扰做出响应做出响应，扰动发生出响应——聚焦于防止和最（自愈）
时只关注保护资产
小化对消费者的影响
袭击和自然灾对恐怖的恶意行为遇到攻击和自然灾害时，具害发生后迅速和自然灾害脆弱
有快速恢复供电能力
恢复运行
２０Ｉ｜＂
泉ｑ自矗等坩能ＵｌｑｎｑＪ＾水Ｈｏ怎
３智能电网技术研究
从如上所述的原动力和总体构想可知，智能电网将从一个集中式的、生产者控制的网络，转变成大量分布式辅助鞍少集中式的和与更多的消费者互动的阿络它将把工业界最好的技术和理念应用于电阿．以加速智能电同的实现，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
作性等事宴Ｌ．其中有些已经在电阿中应用但是仅当辅以体现智能电固的双向数字避信和即捕即用能力的时候，其潜能才会喷发ｍ来
与智能电网相关的技术非常之广，可以把它分为
３类，即智能电阿技术、智能电网可带动的技术和为
智能电同创建平台的技术”１３１智能电网技术
文献［９］把智能电阿的功能归纳为高级计量体系（ＡＭＩ）、高级配电运行（ＡＤＯ）、高级输电运行（ＡＴＯ）和高级资产管理（ＡＡＭ），它们属于智能电阿技术的范畴这里不再赘述下边仅列举几个极具价值的智能电阿技术”“
１）高级计量体系（ＡＭＩ）ｌｌＯ
１４１
它是一个用米世铆ｊ、收集、储存、分析和运用消费者用电信息的完整的系统．是一种以开破式的标准集成消费者的方法作为ＡＭＩ重要组成部分之一的智
能电表．事实上已成为一个多功能的传感器．为电力
公司提供系统范闱的可观性ＡＭＩ将电力公司和用户紧密关联起来，使双片可以合作、互动若实施灵活的电能定价策略．则可以激励消费者主动地参与实时电力市场，提供需求响应
ＡＭＩ把反墟电力市场的近实时的电价信号．中继到终端用户“智能家居”｜殳备的控制器；这些没备基于消费者事先所做的设置，相应地央定如何使用电能这种交互是在后台进行，只需晶低限度的人为干预．但是能够明显地节省原年会消费掉的电能
应该强调的是，具有环保意识的消费者数同将会与目俱增，ＡＭＩ将使这些消费者能够通过智能电网的信息和工具，碱少他们对于环境的损害
同时，ＡＭＩ的实施将为电阿铺设最后一段双向通信．为电网从七到下处处可观测奠定了通信基础．其技术意义十分巨大
网４所示（此图来源为Ｃａｐｇｅｍｎｉ．圈中数字意
指，在本功能原有的基础上．可节省投资或提高效益的百分数）为对其效益的一种估计，可见它的效益是多片而的和巨大的ｍ于ＡＭＩ可在需求响应和
节能减排等方面取得臣太效益，北美的许多州（或省）政府机构已颁布立法条例来推动ＡＭＩ技术的实施．
井把ＡＭＩ视为是实现智能电网的第ｌ步但如网５
所示（此罔来源为美国ＮＥＴＬ），效益，成本最高段发牛在其后的高级配电运行和高级资产管理（ＡＤＯ／ＡＡＭ）实施的阶段经验表明投资通常可在５一１０
ａ
内回收
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目４
ＡＭＩ的效＆分析｝倒
Ｆｉｇ４
ＩＩｈ］ｓｌｒａｌｉｏｎｏＩＡＭＩｂｅｎｅｆｉｌｓ
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Ｆｉｇ５
Ｂｃｎｅｆｉｌｓ
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２）电阿可视化技术和海量数据管理
在第１节中已强调ｒ提高全局可视化的必要，因为它可使电阿运行人员获得全局的情境知晓
电网的可视化技术和相关的止具已应用于大电网的在线宴时安全监视，以及实时负荷监控和电力公
司的负荷增长规划等方面但总体上看，由于普遍映信息显示的能力，结果所获得的情景知晓迁很有限与此同时，随着智能电网的实施，将来电力用户电网调度人员和消费者提供多方面的、生动的可视化
乏对各种来源信息的集成或为不同的用户提供不同提高电能使用效率和提供需求响应的方案也会明显增加．为了从中选择优化的执行方案．也需要为电力公司和电能消费者提供情景知晓为此需要为各级界面
天
津大智能电网实施之后，电力公司所面对的是海量的
数据，为了从中抽取富有指导意义的信息，必须找到
适合于海量数据管理的方法，并基于这些数据开发电网的高级应用软件，实现情景知晓和优化决策．
下一代可视化的开发国内外都正在进行中，此处简单介绍一下美国能源部在橡树岭国家实验室的开
发项目维尔德（ＶＥＲＤＥ，动态地可视化地球上的能源资源）．它通过集成实时传感器数据、天气信息和带
有地理信息的电网模型，提供广域电网的知晓．它将
能够查看国家层面上电网的状态，而且在需要时能在
几秒内转到深人检查街道一级电网的具体细节．它将为电力公司提供有关大停电和电能质量以及洞察
系统运行的快速信息．
３）广域量测系统／相量测量单元（ＷＡＭＳ／ＰＭＵ）
它可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，缩小和防范系统大停电．它同目前
使用的数据采集和监视控制（ＳＣＡＤＡ）技术相比，就质量而言，犹如前者向电网提供的是一个“核磁共振
成像术”，而后者仅提供“ｘ射线”．
ＳＣＡＤＡ通常，每隔２ｓ或４ｓ测量１次，为电力系统提供稳态的观测．而ＷＡＭＳ／ＰＭＵ可以实现每秒多次采样（如３０样本／ｓ），所测量结果也在时间上
精确同步，可为电力系统提供动态的可视化．
４）分布式的智能网络代理（ＩＮＡｓ）体系
微处理器的岁月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，致使在安全性、可靠性等几个关键方面承担着风险．以配电网分布式智能代理体系为例［９】，它把配电系统分成许多片（ｃｅｌｌ），每片中有许多由片内通信连接起来的智能网络代理（如继电保护、分布式电源等），这些代理能够收集和交流系统信息，它们
对局部控制可作出自主决策（如继电保护），也可以经
片内的协调做出决策（如电压调节与无功优化、网络
重构）．同时各片之间，以及配电调度中心和输电调
基于分布式智能代理所开发的智能电网的核心软件，是比实时还要快的快速仿真与模拟，它为协调
５）微电网
微电网与“完美电力系统”【ｌ５Ｊ的概念是密不可
学学报第４４卷第５期
（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．微电网是为满
足一群用户，单个大用户或一个小城镇能量需求的一
种集成的解决方案．这种现在看来特殊的网络运行形式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．由于在微网中发电和消费靠的很近，而具有改善能量传输效率、可靠性、安全性、电能
质量以及运行成本的潜力．微电网力求与大电网协
调运行：系统正常运行时，其与电网无缝集成；遇到紧急情况，它可以自适应孤岛化运行．从用户的角度看，微电网使他们能够掌握自己能量命运，而不是依赖于单一的提供者．但是，较高的成本可能使微电网近期内只能在要害和关键部门应用．
可见，智能电网将加强电力交换系统的方方面面，包括发电、输电、配电和消费等．仅从如上罗列的几种智能电网的技术，会发现它的优势如下：
（１）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；
（２）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；
（３）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；
（４）大量集成和使用分布式发电特别是可再生
清洁能源发电；
（５）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．
３．２智能电网可带动的技术
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不是智能电网技术的组成部分．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２４ｈ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．但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．３．３为智能电网创建平台的技术
美国能源部所列出的将推动智能电网的５个基
度中心之间也通过通信联络起来，根据整个系统的要求协调决策，实现跨地理边界和组织边界的智能控制，使整个系统具有自愈功能．
决策提供数学支持和预测能力．
分的．“完美电力系统”具有向各种类型的终端用
户提供所需电力的灵活性，不会失败．而智能微电网
础性技术如Ｆ
（Ｉ）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宴时信息变换和控制，并确保网络安全和信电的保密性．完整性和可用性；
（２）传感和测量技术用“支持系统优化运行、资产管理和更快速、更准确的系统响虚，例如远程监测、分时电价和需求侧管理等；
（３）高级的组件应用超导技术、储能技术、电山电子技术和诊断技术方而等蛀新研究成果；
（４）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；
（５）完善的接口和决策支持用以增强人类决策，使电网运行和管坪人员对系统的内在问题县有清
晰的了解
４智能电网的效益与必要的保障条件
智能电阿的效益可以归结为：电能的可靠性和电能质量提高方而的收益；电力设备、人身和同络安仝
方而的收益：能源效率收益；环境保护和可持续发腱的收益以及直接经济效益
智能电网为电力公司可带来的直接经济效益，包括提高可靠性、削减运行费用、提高资产利用率和电阿效率等智能电网的＿）皂键是利用各种技术、资源和市场机制以宴现高效据美困能源部的报告：“智能电网的功能将纾缓阻塞和提高资产的利用率．在其宴现后．估计通过美国现有的能源走廊可多送５０％～
３００％电力”ｉ１１．
长远来看．智能电嘲是电刚最经济的建垃方案美Ｈｌ乜科院在２００４年对其后２０年在美吲实现智能电嗍成本所做的初步估算（以２００２年美儿的价
值计）是总投资为６２５５亿美元；未来（智能）输配电网需附加投资为Ｉ６５０亿美元（其中输电占３８０亿美元．配电和用户参与占ｌ２７０亿美元）．而妓益为
６
３８０～８０２０亿美元，效益与成奉比例为４：ｌ～
５：】ｉｉ６１网６给ｍ了所获效益的组成据柑托特集团
（ｔｈｅ
Ｂｒａｔｔｌｅ
Ｇｒｏｕｐ）估计”Ｉ，在美团为适应人口的增长
和数字经济中用电大户数字组件数日指数的增加．在２０１０年和２０３０年之间美国需要投资约ｌ５万亿美元支付电力基础设施而智能电网具有成为最经济实惠的建设方案的潜质．不仅建设花费少．同时还可常
省更多的能世
薤
４ＥＰ￥
》口＊ｍ
目６黄目电科院对智能电厨各＃属性效ｔ日勺分析
Ｆｉｇ６
ＤｉａｇｒａｍｎｆＩｈｅｂｅｎｅｆｉｔｓｗｉｔｈａｇｇｒｅｇｕｌｅ’ａｌｕｃｓｌｒｅａｎｌ‘ｌｆ
ａ１１．ⅢｒｉｌｍｔｅｓｎｆｓｍａｒＩｇｒｉｄｌｌｙＬ＿ＳＦＩ’ＲＩ
南于涉及广泛的技术领域并有大量的消费者参ｔｊ．智能电网的直接经济效益．也包括通过加快把众多的智能设备和各种可行的创新技术引进到电能的生产、分配、存储和应用当中米．带动众多产业发展这里所谓的智能设备，是指基于计算机或徽处理器的所有设备，包括控制器、远程终端单元（ＲＴＵｓ）和智能ｌｂ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、楼字和工业设
施中的电力设备这里所说的创新技术的一个绝好的例子，足捕件式的混合动力汽乍（ＰＨＥＶｓ）美国预
计它的推广血用“将每Ｈ减少石油消耗６２０万桶，占
日前进『Ｉ量的５２％”在节省成本、改善环境的同时，由于Ｅ可在每天的非高峰负荷时间充电＋而在每天的胡电高峰期对电网提供支持，可起到对电力负荷曲线削蜂填谷的作用但是．如果？殳有集成的通信基础没施和相应的电能价格信号，处理这类负荷会非常闲啦．不仅敬率低下．甚至会加剧峰荷问题因此，需要歼发智能充电器．其将根据电力市场信息．帮助管Ｉｌ好接于电网ｒ的这类设备．同时避免电力基础没施Ⅲ现意外损坏
为ｒ能够切实地获得上述效益，在实施智能电阿
时需要注意如下儿点
（】）智能电网的实施所面临的挑战是巨大这率仅是由于它涉¨５乏广泛的利益相关者．其组织，研发和实施均很复杂．１１＿『ｎ需要人们转变传统的电网理念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需要由国家制定相应的政策和标准”“．以鼓励和支持众多企业的参与
（２）智能电刚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阿的时候需要时时
・３８４・
天津大刻刻地考虑：“我们所做］二作是否适用于市场？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．
（３）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：①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；②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（ｆｅｅｄ
ｉｎ
ｔａｒｉｆｆ）政策；③保证
电力公司智能电网投资成本回收的政策．
４
结语
智能电网不仅能获得高安全、高可靠、高质量、高
效率和价格合理的电力供应，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．因而在我国需要实施智能电网发展战略．
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．其变迁的过程，必将改变行业的整个业务模型，且对所有利益相关者都有利．
智能电网程序性的和技术性的挑战是巨大的．为推进智能电网，需要长期持续地的研发；需要出台旨在激励智能电网的法规，并通过开放式的方式建立国家标准【ｌ６Ｊ和鼓励众多相关产业的积极参与．参考文献：
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Ｒｏａｄｍａｐ
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智能电网的基本理念
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
余贻鑫， 栾文鹏， Yu Yi-xin， LUAN Wen-peng
余贻鑫,Yu Yi-xin(天津大学智能电网教育部重点实验室,天津,300072)， 栾文鹏,LUANWen-peng(加拿大卑诗省水电公司,维多利亚,V3N 4X8)天津大学学报
JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY2011,44(5)6次
参考文献(17条)
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16. EPRI Power Delivery System of the Future:A preliminary estimates of costs and benefits 200417. NIST Special Publication 1108 NIST Framework and Roadmap for Smart Grid InteroperabilityStandards 2010
引证文献(6条)
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2. 葛少云. 王浩鸣. 刘洪 考虑馈线容量约束的多微网配电系统可靠性评估[期刊论文]-天津大学学报 2011(11)3. 余贻鑫. 周金辉. 秦超 基于价值的含大规模风电电力规划评估[期刊论文]-天津大学学报 2011(11)
4. 曲红梅. 张静. 李娟. 刘俊. 牛心蕙. 周立山 Negishi试剂与铜或镍化合物促进含硅基六取代苯的合成[期刊论文]-天津大学学报 2012(9)
5. 赵宇海 我国智能电网技术体系探讨[期刊论文]-科技传播 2012(11)
6. 鞠平. 秦川. 黄桦. 吴峰. 金宇清 面向智能电网的建模研究展望[期刊论文]-电力系统自动化 2012(11)
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