武云霞，余 熙，田 偉

(1.西南電力設計院系統(tǒng)規(guī)劃中心，四川 成都 610021;2.伊利諾斯理工大學阿默工程院，美國 芝加哥 60616)

0 引言

數字經濟迅猛發(fā)展對電力供應高質量的要求和近年來全世界爆發(fā)的多次停電事故所暴露出來的電網運行安全薄弱、用戶期望的電價下降和電力市場條件下某些峰荷時段的實時電價水平升高甚至出現價格尖峰(price spike)的現象、人類對于環(huán)境友好的期待和燃煤電廠排放對大氣造成的嚴重污染，這些矛盾都表明，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)已經難以支撐起如此眾多的可持續(xù)發(fā)展要求。另一方面，大量能源新技術的涌現和累積，如分散再生電源及分布存貯設備、先進的配電網自動化設備及通訊技術、終端智能儀表及其信息關口、需求響應(demand respond，DR)、智能電器與樓宇等，使得智能配電網的建設成為可能。但智能配電網不是這些技術的簡單展示，而是借用它們實現對傳統(tǒng)電網的革命性改造，達到滿足可持續(xù)發(fā)展要求下高度經濟、可靠、安全、環(huán)保的根本目的，并由此催生了綠領(green collar)產業(yè)、智能城市、完美電力(perfect power)等概念，美國現任總統(tǒng)奧巴馬也把發(fā)展包括配電網在內的智能電網產業(yè)作為國家提高能源利用效率和走出金融危機泥潭的重要手段之一［1－2］。

智能配電網是電力系統(tǒng)參與者、電力產品制造商、能源政策制定者、環(huán)境與數字技術專家等方方面面工作的成果，在美國，推動其發(fā)展的主要法案有EPACT05、EISA07等;從政策法規(guī)建設、模型設立、系統(tǒng)集成、關鍵技術研發(fā)等不同角度研究智能配電網的聯邦、州及私人組織更是不計其數，目前，它們已經提出了若干擁有自主產權與品牌的智能配電網解決方案，如 GridWise、Intelligrid、GridPoint等，其建設也已步入試點階段，如:使用智能電網技術的地區(qū)供電公司有Bonneville Power Administration、CenterPoint Energy、Pacific Gas and Electric(PG ＆ E)、Southern California Edison、Xcel等;屬于PJM管轄范圍的EnergyConnect公司、加州大學商學院、耶魯大學森林與環(huán)境研究大樓、NJ的Ferreira建筑公司總部等采用了智能樓宇技術;New Mexico州的 Mesa Del Sol市、Missouri州的Kansas市、Colorado州的Boulder市等正在建設智能城市，這些努力在消減電網高峰負荷和降低用戶電價方面取得了明顯的成效。

在介紹美國智能配電網建設技術準則的基礎上，結合能源部在伊利諾斯理工大學進行的智能配電網研究與建設試點，闡明完美電力和智能配電網關鍵技術，為中國智能配電網建設提供參考。

1 衡量智能配電網的技術準則

智能配電網的基本特征是自愈、安全、綠色和經濟，美國能源部提出從以下幾個方面衡量配電網是否達到智能化水平。

(1)自愈和災變防御能力。即使在極容易引起電網崩潰的級聯故障發(fā)生時，配電網監(jiān)控系統(tǒng)也應自動而快速地完成故障監(jiān)視、診斷、開關切換、潮流控制、恢復等各項功能［3］。其自愈能力可從能夠進行實時監(jiān)控的用戶及網絡節(jié)點數量，重要用戶供電可靠性，安裝有先進控制、通訊系統(tǒng)的網絡覆蓋范圍，能進行安全極限及裕度分析的網絡范圍等進行判定。其次，由于在緊急狀態(tài)下電網可能需要分布式能源提供輔助服務，因此也可用能實施DR、具有分散發(fā)電及分布式儲能設備的負荷數量作為考察準則。此外，從最終效果上，電力系統(tǒng)遭受故障時的影響范圍，如系統(tǒng)平均停電時間、恢復時間及其成本等，都能用于衡量電網的自愈能力。

除上述針對物理系統(tǒng)的準則外，還應考慮電力公司是否具有防災預案、防黑客系統(tǒng)等在內的柔性運營規(guī)則及操作規(guī)范，用于預防、感知、應對人為失誤、電力市場競爭、信息和通信系統(tǒng)故障、自然災害、蓄意破壞等來自自然、社會等多種因素的攻擊，以實現災變防御。

(2)分散電源與分布存儲設備的應用水平。用戶以“即插即用(plug and play)”方式使用分散的風、太陽能、燃料電池等各種再生電源和清潔能源(如天然氣)，不僅可以減少污染排放，而且能夠采用熱電聯供(combined heat and power，CHP)技術，使發(fā)電廢熱就近在樓宇中循環(huán)使用，有效提高能源效率［4－6］。此外，某些再生電源，如太陽能，產生的直流電可以供給大量的家用電器直接使用，相對傳統(tǒng)交－直流轉換方式，其供電成本將大幅下降。大量的分散電源相互連接并協(xié)調控制，形成能源網(energy web)，可以把傳統(tǒng)集中供電的配電網變成眾多的本地化的供電單元。

風、太陽能等分散式再生能源具有間斷性和非100%可預測性的特點，需要裝設存儲設備作為補充，起到穩(wěn)定潮流和吸收電力沖擊的作用，這些設備通常包括大容量電容器、鉛酸電池、鋰電池、飛輪、工業(yè)用熔硫電池(utility－scale liquid molten sulfur batteries)、可逆流電池(reversible flow batteries)、超導磁能存貯單元(superconducting magnetic energy storage units)、壓縮空氣能量系統(tǒng)(compressed air energy system)等［7］。

分散電源與分布存儲設備的應用水平可從允許它們自由接入的網絡節(jié)點數量，能進行實時控制的電源與存儲設備數量，由分散電源直接供電的用戶數量，存儲設備安裝容量及利用率等進行判定。其次，從最終效果上，由于它們一般用于在峰時消減負荷，因此可通過考察負荷率指標的提高程度加以衡量。

(3)DR實施程度。用戶能夠根據電力市場中負荷高峰時段的高實時電價信號和自身電力需求，通過雙向式終端智能儀表及其通訊設備，主動消減負荷，或轉移它至分散電源，從而降低電網的負荷峰值，這一過程被稱為DR［8－12］。DR可以降低電力市場中的實時電價水平，給用戶帶來經濟實惠，另一方面，由于設備容量通常是按最大負荷水平設計，因此實施DR可減少電力系統(tǒng)建設成本。

DR是智能配電網的標志性特征之一，通常需要在電力市場零售競爭模式下才能開展。因此，可從配電市場發(fā)育程度，能通過智能儀表獲取市場實時信息的用戶數量、有意愿及實際參與DR的用戶比例等進行判定。其次，值得注意的是，DR技術除用戶主動參與的方式外，還包括智能電器和智能樓宇的使用，前者通過控制系統(tǒng)使自身運行到最佳性能，同時能在高電價時段自動減少用電量，后者通過傳感器監(jiān)視大樓的實時狀態(tài)，進而控制通風、加熱、制冷、照明等系統(tǒng)到最佳效率，也能在高電價時段自動切除樓內負荷。因此，也可用智能電器及樓宇系統(tǒng)的安裝數量及其在高峰時段的動作頻度作為考察準則。此外，從最終效果上，統(tǒng)計系統(tǒng)能耗下降率，也能用于衡量電網的DR實施程度。

(4)電力系統(tǒng)運行的優(yōu)化程度。對于配電網，可從裝備自動開關等高級設備的數量及使用量、實施實時狀態(tài)監(jiān)控的設備數量、開展電壓無功控制的潮流量、分散電源及分布存儲設備的容量等進行判定。對于用戶，可從智能儀表安裝數量、DR實施程度等進行判定。從最終效果上，統(tǒng)計系統(tǒng)發(fā)電閑置量、供電效率及負荷率等總體指標，也能用來衡量電網運行的優(yōu)化程度。

(5)電能質量高低。電力公司應當建立適應智能電網需要的新型電能質量指標及其評級制度。在此基礎上，可從為提高電能質量而布置的設備數量及其容量，網絡中電能質量測量點的數量等進行判定。其次，從最終效果上，統(tǒng)計電網出現電能質量下降事故的數量及其影響范圍與程度，也能用來衡量電網電能質量的高低。

(6)電力新產品和新技術準入的開放程度。智能電網技術方興未艾，新產品不斷涌現，現有電網允許它們自由進入市場的程度，也應是衡量它是否柔性、即具備智能化功能的重要體現?？蓮碾娏菊攮h(huán)境對準入的支持力度、本地區(qū)生產電力智能化產品的規(guī)模以上公司數量、智能化產品中獲得電網準入許可的數量、用于開發(fā)新產品與技術的資金總量等進行判定。

2 完美電力的技術要點

目前，美國智能電網的研發(fā)工作主要集中在配電側，其目標是向用戶提供可參與、高品質、低成本、低排放的電力產品，這一產品被稱為完美電力［13－15］。

美國能源部(DOE)現正在芝加哥市伊利諾斯理工大學(IIT)就完美電力的研發(fā)和工程建設進行試點，涉及的單位包括本地供電公司ComEd、產品供應商S＆C Electric和Endurant Energy以及研發(fā)機構 Galvin Electricity Initiative。整個工作分為4期，5年完成，總耗資上千萬美元，目的是建成一個智能化微網，即智能控制系統(tǒng)通過通訊層，協(xié)調本地分散電源和分布存儲設備，以及ComEd電網，共同滿足由智能樓宇及DR技術進行優(yōu)化處理的本地電力和熱負荷需求(CHP技術)，實現為用戶提供完美電力產品的承諾。其技術要點主要有以下幾點。

(1)ComEd下轄的輸電網和變電站為IIT校園提供冗余的外部電力供應，并確保供電質量。

(2)IIT校園內的配電網實現自愈。

①網絡結構智能化。為此，一是在采用高質量電纜和變壓器的基礎上實現饋線冗余，二是配電自動化，裝備負荷和設備狀態(tài)實時監(jiān)控以及自動開關和事故恢復系統(tǒng)，應采用電力電子控制和統(tǒng)一平臺的實時通訊技術，以支持分散而高可靠性的電力系統(tǒng)。

②布置分散電源、分布存儲設備及UPS。在高電價時段，并入本地分散電源來供應負荷，可以少交電費并幫助電網減少運行風險，甚至可以根據實際情況把分散電源的多余電力反送入電網，相當于為所在的PJM ISO提供輔助服務，以獲取收益。

③建設智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中的數據流包括每個開關表計所記錄的電壓、電流、有功、無功、電量、頻率、諧波等，天氣及樓宇照明狀況，發(fā)電控制信號，分散電源與分布存儲設備容量及輸出量，分散電源燃料供應狀況等。從這些數據中值得提取的信息包括有功頻率曲線、電壓無功曲線、電能質量指標、判斷電網是處于開合開關時的正常振蕩還是事故下的擾動(如是擾動，進一步判斷是否按孤島方式運行，此時由分散電源單獨供電)等。系統(tǒng)完成的功能包括數據測量及趨勢分析、實時電價分析、DR控制、監(jiān)測故障并隔離、將無功及有功盡量調至期望值、緊急備用投入或孤島運行等。系統(tǒng)基于代理(agent)的方式運行，動作對象包括分散電源、分布存貯設備、DR元件、開關、繼電器和電能質量設備等。

(3)IIT校園內的樓宇實現智能化。智能樓宇不僅包括電力，還含有照明、供水、通風、制熱、制冷、防盜、電視/電腦/電話/音像等數字網絡系統(tǒng)，對它們的監(jiān)控將集中在一個統(tǒng)一的信息平臺上，既便于使它們都運行在最佳效率區(qū)，節(jié)約能源，又可實現“即插即用”，有效完成DR功能。此外，智能樓宇間還應實現電力互換。

3 智能配電網的關鍵技術

(1)配電網結構及運行研究。第一，結構方面，首先，在分析制約配電網智能化的政策及技術因素基礎上，規(guī)劃配電網走向智能的策略與步驟，其中，需要結合經濟、環(huán)境、技術等約束，分析系統(tǒng)長期供需狀況，目的是確保資金投入和新產品、技術有序進入，并考慮如何構建基于互聯網的電子商務式的未來電網;其次，進行分散電源規(guī)劃研究，包括準入條件(地點、費用)分析，采用含成本、可靠性等多種因素的多目標規(guī)劃技術進行投資規(guī)劃及其影響因子分析，含有分散電源的配電網新型潮流、GIS及可靠性分析，分散電源運行管理、風險及DR對運行影響分析等。第二，運行方面，為實現完美電力目標，支持系統(tǒng)應包含自動儀表測量、用戶用電管理、配電網運營優(yōu)化、設備故障預測、停電管理及恢復、峰荷管理等功能模塊。

(2)分散電源、分布存儲及DR研究。

①DR市場建設。首先，提出包括智能儀表、智能電器、智能樓宇、分散電源、分布存儲、熱電聯產、市場交易平臺、用戶管理、用戶分析及決策、數據管理、結算及賬單管理、爭議處理、通訊等各種要素在內的DR技術標準;其次，針對不同用戶，分別確定參與DR的運作模式、容量以及評價體系;最后，應適時建設示范小區(qū)。

②分布存儲設備設計。首先，需確定它與電網間的接口，包括安裝地點、數據流及其控制、管理系統(tǒng);其次，進行技術與經濟性分析，并實施現場測試;最后，需研究存儲設備提供輔助服務的能力及其實時性能。值得一提的是，電動汽車近年來得到廣泛應用，它一般選擇在負荷低谷時段進行快速充電，這類負荷十分分散，且隨機性強，如果大量存在，將對電網的控制及電能質量帶來新的挑戰(zhàn)，同時，它也是一個移動電源，用戶可以選擇在負荷高峰，實時電價高的時段向電網注入多余電能以獲取利潤，這對未來市場的運行也必將產生巨大的影響，以上兩方面的問題都需要做深入研究。

③智能儀表選擇。DR離不開間斷式測量且提供雙向信息服務的自動智能儀表及其開放式管理系統(tǒng)，需要定義其通訊網關、系統(tǒng)原型、數據格式與功能模塊。此外，眾多智能儀表的產品供應商多來自IT領域，其更新換代速度快，會帶來相互間不兼容、系統(tǒng)更換頻繁的問題，需要采取統(tǒng)一模型和標準以及模塊化設計生產等措施。

④運行分析。一是能根據電價及天氣情況實時預測分散電源的電量輸出;二是在市場環(huán)境下，進行包括隨機潮流及短路電流等在內的穩(wěn)態(tài)分析;三是考慮分散電源運行間斷性的經濟調度和機組組合;四是包括分散電源、DR用戶、分布存儲設備、電力電子元件及其控制系統(tǒng)的暫態(tài)時域及頻域分析，以確保系統(tǒng)運行的安全可靠;最后，由于分散電源通常由電力電子元件接入電網，因此，需要研究電力電子設備及通訊系統(tǒng)的可用性及其可能的運行模式。

⑤開發(fā)基于分散電源、DR用戶、分布存儲設備等元素在內的新型能量管理系統(tǒng)。這需要有嶄新的理念、工具和技術保證手段，重點是研究如何利用這些元素建立自愈網絡、如何利用遠方控制協(xié)調這些分散元素以及如何確保電網電能質量等。

(3)配電設備優(yōu)化管理。首先，研究設備實時狀態(tài)監(jiān)視及診斷的高級模型、算法與工具;其次，從可靠性、電能質量、網絡支撐等方面進行設備管理風險及社會、經濟效益分析;再次，大力研究如何應用新型導體及絕緣材料提高線路熱極限，如何更好地實現網間互聯，如何進一步發(fā)揮超導等在控制潮流和預防阻塞方面的作用，如何充分應用可視化系統(tǒng)、安全限制下的最優(yōu)潮流等分析工具，使配電設備更具使用效率。

(4)不同類型能源間的相互作用研究。除電力外，還包括天然氣、供熱、水等其他形式的能源系統(tǒng)，它們相互作用，需要建立互聯模型，并進行規(guī)劃及運行層面上的全局優(yōu)化，以減少彼此冗余度，進而提高整體效率，達到技術、經濟、環(huán)境上的最佳狀態(tài)。

4 結語

智能配電網是智能電網建設的重點領域和難點之一，它所涉及的能源技術極其廣泛，目前中國正積極開展智能配電網相關研究和試點建設。通過研究可以得到以下結論。

(1)配電側是美國智能電網研究的重點，它的建設需要電力系統(tǒng)參與者:政府、電力企業(yè)、用戶的共同推進;

(2)在智能配電網建設技術準則基礎上，分散電源、分布式儲能和針對新型配電網管理運行優(yōu)化的能量管理系統(tǒng)是未來智能配電網有待研究的關鍵技術。

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