特征及发展

7.1　智能电网

7.1.1　智能电网的定义、特征及发展

1.智能电网的定义

智能电网（Smart Power Grids）就是电网的智能化，也被称为“电网2 0”，它是建立在集成的、高速的双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、设备技术、控制方法以及决策支持系统的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。

2.智能电网的主要特征及优势

智能电网的主要特征有：

①坚强——在电网发生大扰动和故障时，仍能保持对用户的供电能力，而不发生大面积停电事故；在自然灾害、极端气候条件下或外力破坏下仍能保证电网的安全运行；具有确保电力信息安全的能力。

②自愈——具有实时、在线和连续的安全评估和分析能力，强大的预警和预防控制能力，以及自动故障诊断、故障隔离和系统自我恢复的能力。

③兼容——支持可再生能源的有序、合理接入，适应分布式电源和微电网的接入，能够实现与用户的交互和高效互动，满足用户多样化的电力需求并提供对用户的增值服务。

④经济——支持电力市场运营和电力交易的有效开展，实现资源的优化配置，降低电网损耗，提高能源利用效率。

⑤集成——实现电网信息的高度集成和共享，采用统一的平台和模型，实现标准化、规范化和精益化管理。

⑥优化——优化资产的利用，降低投资成本和运行维护成本。

总之，与现有电网相比，智能电网体现出电力流、信息流和业务流高度融合的显著特点，其先进性和优势主要表现在：

①具有坚强的电网基础体系和技术支撑体系，能够抵御各类外部干扰和攻击，能够适应大规模清洁能源和可再生能源的接入，电网的坚强性得到巩固和提升。

②信息技术、传感器技术、自动控制技术与电网基础设施有机融合，可获取电网的全景信息，及时发现、预见可能发生的故障。故障发生时，电网可以快速隔离故障，实现自我恢复，从而避免大面积停电的发生。

③柔性交／直流输电、网厂协调、智能调度、电力储能、配电自动化等技术的广泛应用，使电网运行控制更加灵活、经济，并能适应大量分布式电源、微电网及电动汽车充放电设施的接入。

④通信、信息和现代管理技术的综合运用，将大大提高电力设备使用效率，降低电能损耗，使电网运行更加经济和高效。

⑤实现实时和非实时信息的高度集成、共享与利用，为运行管理展示全面、完整和精细的电网运营状态图，同时能够提供相应的辅助决策支持、控制实施方案和应对预案。

⑥建立双向互动的服务模式，用户可以实时了解供电能力、电能质量、电价状况和停电信息，合理安排电器使用；电力企业可以获取用户的详细用电信息，为其提供更多的增值服务。

3.我国智能电网的发展战略

国外智能电网的发展起步很早，图7.1展示了国外的发展情况。相比国外，国内的智能电网工程历程较短。2009年4月，中国国家电网公司领导与美国能源部长朱棣文相晤，在华盛顿发表演讲称：“中国国家电网公司正在全面建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网，以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的‘智能电网’。”

图7.1　国外智能电网发展历程

“十二五”期间，国家电网将投资数千亿元，建成连接大型能源基地与主要负荷中心的“三横三纵”的特高压骨干网架和13回长距离支流输电工程，初步建成核心的世界一流的坚强智能电网。国家电网制定的《坚强智能电网技术标准体系规划》，明确了坚强智能电网技术标准路线图，是世界上首个用于引导智能电网技术发展的纲领性标准。国网公司的规划是，到2015年基本建成具有信息化、自动化、互动化特征的坚强智能电网，形成以华北、华中、华东为受端，以西北、东北电网为送端的三大同步电网，使电网的资源配置能力、经济运行效率、安全水平、科技水平和智能化水平得到全面提升。

我国智能电网的发展战略主要包括：

（1）一个目标

构建以特高压为骨干网架、各级电网协调发展的统一坚强智能电网。

（2）两条主线

技术上体现信息化、自动化、互动化，构建以特高压为骨干网架、各级电网协调发展的统一坚强智能电网。管理上体现集团化、集约化、精益化、标准化。

（3）三个阶段

国家电网公司对坚强智能电网的3个推进阶段作了具体定位：

2009—2010年为规划试点阶段，预计投资5 500亿元，重点开展智能电网发展规划的编制工作，制定技术和管理标准，开展关键技术统一研发和设备研制，开展各个环节的试点工作。

2011—2015年为全面建设阶段，预计投资2万亿元，其中特高压电网投资3 000亿元，用于加快特高压电网和城乡电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和设备上实现重大突破和广泛应用。

2016—2020年为引领提升阶段，预计投资1 7万亿元，其中特高压电网投资2.500亿元，将全面建成统一坚强智能电网，使电网的资源配置能力、安全水平、运行效率，以及电网与电源、用户之间的互动性显著提高。届时，电网在服务清洁能源开发，保障能源供应与安全，促进经济社会发展中将发挥更加重要的作用。

（4）四个体系

智能电网架构包括电网基础体系、技术支撑体系、智能应用体系、标准规范体系，如图7.2所示。电网基础体系是坚强智能电网的物质载体，是实现“坚强”的重要基础；技术支撑体系是先进的通信、信息、控制等应用技术，是实现“智能”的技术保障；智能应用体系是保障电网安全、经济、高效运行，提供用户增值服务的具体体现；标准规范体系是指技术、管理方面的标准、规范，以及试验、认证、评估体系，是建设坚强智能电网的制度依据。

图7.2　智能电网的四大体系

（5）五个内涵

一是坚强可靠，即具有坚强的网架结构、强大的电力输送能力和安全可靠的电力供应；二是经济高效，即提高电网运行和输送效率，降低运营成本，促进能源资源和电力资产的高效利用；三是清洁环保，即促进可再生能源发展与利用，降低能源消耗和污染物排放，提高清洁电能在终端能源消费中的比重；四是透明开放，即电网、电源和用户的信息透明共享，电网无歧视开放；五是友好互动，即实现电网运行方式的灵活调整，友好兼容各类电源和用户的接入与退出，促进发电企业和用户主动参与电网运行调节。

（6）六大环节

以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合。它要求智能电网能够有效提高线路输送能力和电网安全稳定水平，具有强大的资源优化配置能力和有效抵御各类严重故障及外力破坏的能力；能够适应各类电源与用户便捷接入、退出的需要，实现电源、电网和用户资源的协调运行，显著提高电力系统运营效率；能够精确高效集成、共享与利用各类信息，实现电网运行状态及设备的实时监控和电网优化调度；能够满足用户对电力供应开放性和互动性的要求，全面提高用电服务质量。

7.1.2　物联网在智能电网中的主要应用

智能电网是世界各国高度重视，具有重大战略意义的高新技术和新兴产业。我国政府不仅将物联网、智能电网上升为国家战略，并在产业政策、重大科技项目支持、示范工程建设等方面进行了全面部署。

物联网应用于智能电网是信息通信技术（ICT）发展到一定阶段的必然结果，将能有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，使信息通信基础设施资源服务于电力系统的发电、输电、变电、配电、用电、调度等运行环节，如图7.3所示。提高电力系统信息化水平，改善现有电力系统基础设施的利用效率，进一步实现节能减排、提升电网信息化、自动化、互动化水平，提高电网运行能力和服务质量。目前，电网智能化目标明确，需求清晰，预期效果明显。电网智能化将成为拉动物联网产业，甚至整个信息通信产业（ICT）发展的强大动力，并有力影响和推动其他行业的物联网应用和部署进度，进而提高我国工业生产、行业运作和公共生活各个方面信息化水平，更能够创造一大批原创的具有国际领先水平的科研成果。

1.物联网将助力电厂生产设备的全程监控

电厂的生产设备采用并联结构，每条生产线路上都进行了相应的编号，当某一路设备出现故障时，如线路电压不稳定、炉膛压力异常等情况，希望通过采集器采集到的各种数据，如有功功率、主蒸汽等数据，经判断后将必要的预警和报告信息准确发送至相关负责人。

图7.3　物联网在智能电网中的应用

利用物联网技术建设电厂生产监控系统，如图7.4所示。对生产数据进行判断分析，诊断是否出现设备异常，并将必要的预警和故障信息发至相关负责人，从而协助电厂从定时的人工监控转变为全时的自动监控。

图7.4　电厂生产监控示意图

2.物联网让输电线路可视可控

利用GPRS、3G以及视频采集等物联网传输技术，能对输电线路进行远程输电参数（以及实时图像、视频）的监控。各类数据既可定时采集、传输，也可根据探测图像现场信息异常或者收到远程指令控制触发，激活视频图片采集和传输。

图7.5为输电线路监控系统的基本架构，通过现场图像数据采集器及专用通信网络（或GPRS网络），可采集输电线路的冰情、山火、绝缘子泄漏电流、导线温度等参数。图7.6为线路监控采集设备布放示意图，各类采集设备可以链式方式组建专用监测网络。

图7.5　输电线路监控系统的基本架构

图7.6　输电线路监控设备布放示意图

3.物联网让配电网络更智能

物联网配电网监测系统如图7.7所示。配网自动化终端由配网设备和移动数据终端构成，采用RS485／232接口和配网设备连接，将相应监控数据通过GPRS网络传输到M2M终端监控管理系统。应用中心系统采用专线或隧道的方式，与M2M终端监控管理系统联接。M2M终端监控管理系统负责接收配网设备上传的业务数据和网络管理数据。业务数据也可通过移动数据终端接收后，直接上传到应用中心系统。

图7.7　配电自动监测示意图

通过该系统，可实现如下功能：

①配电网络实时监控：可以对变压器的各相电表电度量、大用户用电情况等信息进行监视。

②故障区段快速定位：可以通过分析配电终端监控器上传的信息，来判断故障区域。

③隔离故障与非故障区段：可以及时发现存在故障的设备点，并基于配变控制终端实施远程控制操作，进行故障区段与非故障区段配电网的隔离。

④快速恢复供电的功能：对于监测到的跳闸等异常状态，可以快速实施远程合闸动作。

4.物联网让变电设备巡检更便捷

物联网能让变电设备巡检更加快捷、准确、高效，在电力设备、杆塔上安装RFID标签，记录其一切信息，包括编号、建成时间、日常维护、修理过程及次数，此外还可以记录杆塔相关地理位置和经纬坐标，以便构建基于GIS的电力网分布图。图7 8显示了基于物联网的电力巡检过程，巡检人员利用手持式巡检设备，能根据基于GIS的电力网分布图来查看设备、杆塔分布，以便快速确定问题杆塔的地理位置，并通过RFID方式快速获取设备信息，从而大大提高巡检效率。

5.物联网能提供更高效的用电信息采集服务

图7 9所示为电力远程抄表系统结构。利用物联网技术，能实时采集用户电表运行指标给抄表平台，实现对电表的实时计费管理，真正实现对最终用户用电量的调度管理。基于运营商的独特性，电力用户集中抄表平台得以经由WMMP在电力远程抄表终端接入时就实现终端接入管理，确保终端在线的安全性及可靠性。平台能对终端的基本信息、实时状态及历史记录进行实时管理；并能提供在线信息维护功能，终端出现故障时，平台能针对终端状态进行确认，提供程序空中下载更新，大幅提升终端维护的效率。

图7.8　基于物联网的电力巡检示意图

图7.9　电力远程抄表示意图

6.电网与用户实时交互体现人性化的互动服务

电力服务部门承担着电力用电查询与咨询、业务受理、故障报修、投诉举报、欠费催缴、主动通报、客户回访、生产流程辅助管理等大量工作。图7.10所示为中国移动面向电网提供的移动客服平台，可以基于短信、语音等方式，为客户提供高效、优质的互动沟通渠道。

总之，智能电网和物联网的深度融合发展，不仅能加强电厂、电网以及用户间的互联互动，提高电网信息化、自动化、互动化水平，也将使生活更智能、更节能，极大提高生活品质。

图7.10　电网移动客户平台