第25卷第1期
2009年1月
电网与清洁能源
PowerSystemandCleanEnergy
V01．25No．1
Jan．2009
文章编号：1674—3814(2009)01-0007-05中图分类号：TM76；TM715；TM727；TM734文献标志码：A
智能电网
余贻鑫1．栾文鹏2
(1．天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室，天津300072；2．加拿大卑诗省水电公司，卑诗V3N1Y9)
SmartGrid
YUYi-xinI,LUANWen-pen92
(1．KeyLaboratoryofPowerSystemSimulationandControlofMinistryofEducation，Ti锄jinUniversity，Tianjin300072，China；
2．BCHydro，B．C．V3N1Y9，Canada)
ABSTRACT：Inlastseveralyears,theconceptofsmart画dhas
beenproposedtoaddressthosechallengesthattheexisting
electric妒dis facingwith,suchasincreasingDER
interconnection,lowassetutilization,andincreasingdemandand
relianceondigitalapplications,ekThispapersummarizesthe
conceptandcharacteristicsofsmart鲥dThosemajorsnlagtg．d
componentsarealsodescribedwithemphasisondistribution
system．BasedonthecosteffectivenessanalysisdonebyEPRLit
isconcludedthatthes删鲥dimplementationis inevitable
trendalong访tIleconomydevelopmentandtechnology
advancements,smartgridstudyandplanninginChinais
recommendedtobeinitiatedas$oonaspossible．
KEYWORDS：smartgrid：DEFt；fastsimulationandmodeling；
advanceddistributionautomation；advancedmeteringinfrastructure
摘要：针对电力系统在新世纪面临的分布式电源并网、电网
利用系数低以及数字化技术应用等诸多挑战，提出智能电网
的概念。阐述了智能电网的特点、目标和主要组成，引片}国外
例证，估算了智能电网的投资和效益，指出智能电网是经济
和技术发展的必然结果，应加快我国智能电网研究。
关键词：智能电网；分布式电源；快速仿真与模拟；高级配电
自动化：高级计量体系
O 引言
根据美国工程院的评估，20世纪人类取得的最
伟大的技术成就是电气化。然而，与我们生活息息
相关的电力系统却面临着越来越多的挑战：
1)基于环境保护、节能减排和可持续性发展的
要求。越来越多的分布式电源(简记为DER，含分布
式发电、分布式储能和需求侧管理)渗透在配电系
统基础设施中。传统的只适合于单向潮流的配电系
统由于需要集成数以万计的分布式电源的并网运
行而面临双向潮流等问题。
2)现时电网的利用系数很低(据美国统计约为
55％)，浪费了大量的固定资产投入。因此，需要开发
高级的配电市场。通过电力公司与终端用户的互
动，实现更具弹性的负荷需求特性，优化资产管理
和利用。 ，
3)近20年，通讯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日益普及。它对配电
网的供电可靠性和电能质量提出了很高的要求。然
而．目前的电网是按照模拟技术设计的，适应不了
数字化社会的需要；同时，它在数字化技术的应用
方面也相对落后。特别是在配电网方面，尽管技术
的进步已经使得对电力系统的实时监控和资产管
理进一步扩展到配电网络日益经济可行。
为了解决这些问题．在北美和欧洲已经形成了
强大的研究群体．开展IntelliGrid／SHG(SeIfHealing
Grid，自愈电网)／ModemGrid／SmartGridtl啕的研究。
这些词具有相似的内涵。目前使用较多的是Smart
Grid，在本文中我们将使用智能电网一词。由于目前
在同发、输、配、用电这一链条中，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。影响了系统的整体性能和效
率，所以这些研究重点关注的是配电网。本文将主
要针对智能配电网给出提纲式的简述。
1 智能电网的概念
到目前为止，智能电网并没有统一的定义。它
是指一个完全自动化的供电网络．其中的每一个用
万方数据
08 余贻鑫等：智能电网 V01．25No．1
户和节点都得到了实时监控。并保证了从发电厂到
用户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向
流动。通过广泛应用的分布式智能和宽带通讯及自
动控制系统的集成．它能保证市场交易的实时进行
和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动m。
1．1 智能电网的特点和目标
1)自愈，不论发生什么事故，智能电网都能自
身解决以保证电力系统的安全性；
2)鼓励和包括末端电力用户。使之与电网自适
应交互：
3)防范网络攻击和抵御自然灾害：
4)提供2l世纪所需要的电能质量：
5)优化，以使资产和设备得到最好的应用；
6)协调发电和储能选择：
7)使电力市场化可以进一步实现。
1。2智能电网结构基本要求
未来智能电网的结构必须能支持现在配电系
统的结构所不能支持的两个基本要求：
1)综合考虑终端用户(分布式电源，电力调节
设备。无功补偿设备和用户能量管理系统)控制和
总体配电系统控制．以达到系统性能的优化．取得
期望的稳定性和电能质量。
2)支持高比重的分布式电源，以提高系统的整体
性、效率和灵活性。如。通过协同的、分布式的控制。可
以利用分布式电源来优化系统性能：而在发生重大系
统故障时可利用它们进行局部供电(微型电网)。
表l提供了目前电网和智能电网的一般比较。
表1 目前电网和智能电网的比较
日前电网 智能电网
通讯 没有或单向
与用户交互 很少
仪表型式 机电的
运{j与管理人工的设备校核
功率望鬟供与 集中发电☆4； ⋯’’’一
潮流控制 有限的
町靠性 倾向于敝障和电力中断
供电恢复 人工的
网络拓扑 辐射状的
舣向
很多
数字的
远方监视
集中和分布式发电并存
普遍的
自适应保护和孤岛化
自愈的
网状的
2智能电网的主要组成
智能电网需要6个主要的技术领域来实现上述
的功能：
1)灵活的网络拓扑；
2)基于开放体系并高度集成的通讯系统，以便
实现对系统中每一个成员的实时控制和信息交换，
使得系统的每一部分都可双向通讯：
3)传感和测量技术，以便实现对诸如远程监测、
分时电价和用户侧管理等的更快和准确的系统响应：
4)高级电力电子设备、超导和储能技术：
5)先进的系统监控方法，以便实现快速诊断和
事故下的准确解决：
6)高级的运行人员决策辅助系统。
2．1 灵活的网络拓扑
灵活的可重构的配电网络拓扑．是未来智能电
网的基础。它需使系统在经历故障时，把故障影响
范嗣局限在最小范围．并可迅速通过其他连接恢复
对其他部分的供电。
2．1．1 中压配电网发展趋势
1)市区电网：向高负荷密度区域供电，是典型的
地下系统，并且可能已形成网状的结构。
2)郊区电网：向中等负荷密度区域供电。是由
地下电缆和架空线路组成的混合系统，并且逐渐电
缆化。这种电网一般将联络馈线打开运行．构成辐
射状网络。
3)特殊电网：向优质电力区域、办公区域或其他
的负荷供电。这些系统根据终端用户的需要应有一些
特殊的设计(如微型电网)和技术(如用户定制的电力
技术)，且通常需要与相关用户签订专门合同。
2．1．2配电网络拓扑新概念
1)环形的低压配电，新的重构选择；
2)DC环形母线，新的用户服务：
3)分布式能源的集成，故意的安全岛和灵活的
微网：
4)双向潮流、电路间的功率交换等。
2．2集成的能量与通讯体系
智能电网需要具有实时监视和分析系统目前
状态的能力：既包括识别故障早期征兆的预测能
力，也包括对已经发生的扰动做出响应的能力。而
在系统中安放大量的监视传感器并把它们连接到
一个安全的通讯网上去。是达到快速评估的关键。
这个集成的能量与通讯体系(IECSA)包括分布式计
算环境。需覆盖从发电机到末端电力负荷的全部范
围，并满足以下要求：
1)数据通讯和分布式计算设施是开放式的和
基于标准的：
2)兼容各种各样的物理媒介的通讯和嵌入的
计算技术：
万方数据
第25卷第1期 电网与清洁能源
3)它把数据通讯网络和智能设备集成为一体。
2．3系统快速仿真与模拟
快速仿真与模拟(FastSimulationandModeling，
FSM)是含风险评估、自愈控制与优化的高级软件系
统(包涵广义的EMS，DMS等功能)。它为智能电网提
供数学支持和预测能力(而不只是对紧急情况做出
反应的能力)，以期达到改善电网的稳定性、安全
性、可靠性和运行效率的目的。
2．3．1 FSM基本功能
1)提供实时的状态估计，供安全监视、评估与
优化使用；
2)提供系统性能的连续优化(能量、需求功率、
效率、可靠性、电能质量⋯)；
3)提供比实时还要快的预测仿真(安全分析)，
以期能够(通过自愈功能)避免可能对系统造成较
大影响的预想事故一旦发生时的扰动：
4)从运行和规划的观点对电网进行“what—if'’
分析。并为运行人员推荐方案；
5)把市场、政策和风险分析聚合到系统模型中
去．同时把它们对系统安全性和可靠性的影响定量化。
2．3．2配电FsM配网运行模拟分析模式
1)闭环模式：按预先设置的间隔运行或由实时
事件(如拓扑结构的变化)触发。推荐的运行方式将
由SCADA自动执行。
2)学习模式：运行“what—if'’学习方式．为运行
人员推荐方案。
3)前瞻模式：使运行人员了解未来的lh到一
周的状态。
2．3．3 配电FSM需要支持的自愈功能
1)网络重构：
2)电压与无功控制(VVC)；
3)故障定位、隔离和服务恢复(FLIR)；
4)当系统拓j：懒发生变化碰斟黜超RPR)，
即实现电力系统更新运行方式后的保护。
这4个主要功能是相互联系的．致使这一问题
变得很复杂。例如电网的任一重构要求一个新的继
电保护配合和新的电压调节方案。虽然电网霞构不
包含故障检测和保护继电器(由保护系统控制)跳
闸功能，也不包含故障定位或隔离(FLIR)功能，但
电网重构包含恢复供电功能。
FSM通过分布式的智能网络代理fIntelligent
NetworkAgents，INAs)来实现跨地理边界和组织边
界的智能控制而使系统具有自愈功能。这些智能网
络代理，能收集和交流系统信息并对(诸如继电保
护操作这样的)局部控制做出决策，同时根据整个
系统要求协调这些决策。目前电力交换系统中的大
多数代理(保护、自动控制等)是按预先确定的方法
整定。并对扰动做出反应的。例如，在一定限值断开
继电器。如此的动作在某些情形下会恶化系统的运
行，乃至造成系统范围的连锁反应和停电。对2006年
11月4日发生的欧洲大停电分析表明，风力发电和
其他分布式发电装置的基于保护的(而非全系统范
围的协调性的)投切．是加剧大系统崩溃的原因之
一嘲。如果使用来自广域INAs的实时数据，通过创造
更好的系统模型，FSM将从全系统的利益出发，协调
这些INAs的控制功能。防止类似的连锁效应。
2．4灵活的分布式电源
分布式电源(DER)的种类很多。包括小水电、风
力发电、光伏电源、微型透平、燃料电池和储能装置
(如飞轮、超级电容器、超导磁能存储和钠硫蓄电池
等)。一般来说，其容量从1kW到10MW。配电网中
的DER由于靠近负荷中心，降低了对电网扩展的需
要，并提高了供电可靠性，因此得到广泛采用。特别
是有助于减轻温室效应的分布式可再生能源．在许
多国家政府政策上的大力支持下，迅速增长。目前，
在北欧的几个国家．DER已拥有30％以上的发电量
分额。在美国DER目前只占总容量的7％，而预期到
2020年时这一份额将达25％。
与此同时．由于民用洁净电源技术的日益成
熟．使得一些分布式电源已经或有望在不久的将来
走人千家万户，例如太阳能光伏电源和可作为民用
储能装置的充电式混合动力汽车(目前见报的汽车
用电池可储能35kW·h．足以提供大部分居民用户
一昼夜的用电量)。
大量的分布式电源并于中压或低压配电网上
运行．彻底改变了传统的配电系统单向潮流的特
点．要求系统使用新的保护方案、电压控制和仪表
来满足双向潮流的需要。然而，通过高级的自动化
系统把这些分布式电源无缝集成到电网中来并协
调运行．将可带来巨大的效益。除了节省对输电网
的投资外。它可提高全系统的可靠性和效率，提供
对电网的紧急功率和峰荷电力支持。及其他一些辅
助服务功能，如无功支持、电能质量改善等；同时，
它也为系统运行提供了巨大的灵活性。如在风暴和
冰雪天气下．当大电网遭到严重破坏时，这些分布
式电源可自行形成孤岛或微网向医院、交通枢纽和
广播电视等重要用户提供应急供电M0】。
与DER应用相关的工作包括：
万方数据
10 余贻鑫等：智能电网 V01．25No．1
1)为了便于集成和实时调度DER(包括分布式
发电和分布式储能装置)．必须提供安全的通讯、监
视和控制设施，并实施系统范围内DER的协同控制
策略：
2)为了评估DER对稳定性和电力系统控制的
影响，需要改进模拟方法并实时量测用户需求：
3)必须确保DER装置同电力交换系统集成时
的兼容性：
4)安全和环境影响。
2．5高级配电自动化
高级的配电自动化(ADA)将包含系统的监视
与控制、配电系统管理功能和与用户的交互(如负
荷管理、量测和实时定价)。
通过与智能电网的其他组成部分的协同运行．
ADA既可改善系统监视、无功与电压管理、降低网
损和提高资产使用率，也可辅助优化人员调度和维
修作业安排等。如：一个配电系统在紧急状态下可
以自行变成可控的安全岛。而使用它本地的分布式
能源；DER可以辅助实施电压与无功优化，且当并联
电容器停运时。系统可以从DER获得电压支持：可以
通过实时电价．激励电力用户参与到电力系统的削
峰、填谷中来。
为此．ADA需要更复杂的控制系统：
1)系统全部元件必须在一个开放式的通讯体
系结构内并具有协同工作能力：
2)将使用经由分布式计算的局部分布式控制：
3)使用传感器、通讯系统和分布式的计算主
体，对电力交换系统上的扰动快速做出反应，以使其
影响最小化。
在局部分布式控制的概念中。在全配电系统层
面上使用分布式的配电运行中心和中央配电控制
中心。中央配电控制中心将监视全配电系统(包括
遍布配电系统和其他局部代理的嵌入智能电力电
子装置IEDs)的微处理器，协调其分布式的控制能
力。中央配电控制中心将同输电层面的控制相协
调，监视全系统的潮流；它也负责协调在配电层面
上DER与在输电层面上的大型发电机的电压、无功
管理、应急处理和系统恢复等。而局部的配电运行
中心将控制局部系统实现传统的配电自动化功能，
如故障定位、隔离和服务恢复(FLIR)、多重网络重
构(MFR)、继保再整定(RPR)和电压，无功优化控制
(vvc)等。
2．6电力电子技术
电力电子技术和产品是未来配电系统的主要
组成部分。包括多功能固态开关、智能电子装置
(IEDs)和配网用的柔性输电系统装置(女nsvc和D—
Statcom)等。目前，基于使用硅开关装置的多种控制
器已可以在市场上买到，但它们都是独立控制的。
未来电网将可使用新的系统控制逻辑，使它们协同
运行．以便实现多重电力电子装置的集成控制，实
现电网最大的可用传输能力。
在智能电力电子装置中。值得一提的是智能万
用变压器(WT)。不同于传统的线圈式变压器，它是
基于电力电子技术(由多级逆变器组成)的变压器。
作为美国EPRIADA项目中的一个基础性的装置．
IUT已接近市场化。见于报道的IUT的额定功率为
20kV·A，输入相电压为2．4kV，输出的额定电压为
120V／240V。同传统变压器相比，IUT提供了很多附
加功能和益处：
1)可向用户提供可选择的服务项目。如直流或
400Hz的电力，由单相到三相的转换、调压、谐波过
滤．下陷校正：
2)改善系统运行效益。如：设计标准化(减少了
备件的库存量)，消除了危险的液体介质(油)，减小
了重量和尺寸，具有内植传感器(具有远方通讯能
力，可辅助配网远程监控)。也可作为可控开关折断
潮流。
2．7高级计量体系和需求侧管理
高级计量体系⋯】由安装在用户端的智能电表、
位于电力公司内的计鼍数据管理系统(MDMS)和连
接它们的通讯系统组成。近来，为了加强需求侧管
理，该体系又延伸到了用户住宅之内的室内网络
(HAN)。这些智能电表，能根据需要，同时实现多种
计量(如kW·h，kvar。kW，V等)，设定计量间隔(如
5min，15min，1h等)，并具有双向通讯功能，支持远
程设置、接通或断离、双向计量、定时或随机计量读
取。同时。有的也町以作为通向用户室内网络的网
关，起到用户端口(CustomerPortal)的作用，提供给
用户实时电价和用电信息，并实现对用户室内用电
装置的负荷控制，达到需求侧管理的目的。
由于能实现带有时标的多种计量。智能电表实
际上成为分布于网络上的系统传感器和量测点。因
此，高级计量体系不仅能为电力公司提供遍及系统
的通讯网络和设施，也能提供系统范围的量测和可
观性，被视为是实现智能电网的第一步。它既可以
使用户直接参与到实时电力市场中来．也可为系统
的运行和资产管理带来巨大效益。
其他的功能包括：
万方数据
第25卷第1期 电网与清洁能源 11
1)用户可得到连续即时的计量信息：
2)支持灵活的分时电价：
3)对参与市场的用户提供实时电价，并实现同
实时电价相结合的自动负荷控制：
4)降低负荷峰值，提高系统资产利用率．降低
应对需求增长所需的同定投资成本：
5)集成用户侧的分布式发电：
6)远程监视电能质量与实施电压控制：
7)快速的系统故障定位和响应；
8)非技术性能量损耗的检测：
9)为系统调度、规划和运行提供精确的系统负
荷信息：
10)在新一代的智能设备和高级服务之间实现
信息共享。
3投资与效益
美国电科院估计在美国实现智能电网需要在
未来20aM资2650亿美元。而在未来的智能电网工
程实现后，由于系统降低了的能耗和阻塞、较高的
能量效率、较高的电能质量和供电可靠性、较低的
系统运行和维护费用、系统利用系数提高而减少的
对发电和输配电的资产投入、较大的系统安全性、
清洁的环境和较低的能量成本，其综合社会效益可
达6380亿～8020{g美元，投资收益率为400％tm。
4结语
智能电网是经济和技术发展的必然结果．不是
可选择或可不选择的。其预期效益也相当可观。
目前．日本东京电力公司的电网被认为是世界
上唯一的接近于智能电网的系统。通过光纤通信网
络．它正在逐步实现对系统范围的6kV中压馈线
(已呈网络拓扑)的实时量测和自动控制(采样率每
分钟一次)113l。在2007年12月份通过的美国能源独立
和安全法(EISA)114I中，美国也已明确把智能电网1二
程列入计划之中。而我国的城市电网本来就相对薄
弱．需要强化(2008年冰冻灾害导致我国多个省市
电网大规模长时间停电的事实更加凸现了这一需
要)．开展智能电网的研究对我国社会经济发展具
有重大意义。智能电网包含着众多的研发课题，宜
尽早计划、组织和实施这一领域的研发工作。
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收稿日期：2008—1l—05。
作者简介：
余贻鑫(1936一)，男。教授，中国T程院院士。长期从事电力大
系统安全监视、防御与控制以及城市配网分析、规划与仿真等方面
的研究：
栾文鹏(1964一)，男，博士，加拿大卑诗省注册工程师，IEEE高
级会员，从事电力系统规划分析、配电自动化、智能电网和智能抄表
体系等方面的工作。
(编辑张维建)
万方数据
