我國智能電網(wǎng)21世紀發(fā)展脈絡(luò)深入解讀

智能電網(wǎng)是一個新趨勢，也是一個新概念。目前，我國的很多科研單位和企業(yè)已經(jīng)開始了智能電網(wǎng)的研究和開發(fā)。

面對國內(nèi)火熱的智能電網(wǎng)開發(fā)局面，天津大學余貽鑫院士認為，智能電網(wǎng)不是一個單純的技術(shù)問題，它涉及許多基本理念，而國內(nèi)目前在智能電網(wǎng)認識上的混亂恰恰發(fā)生在這些基本理念上。本文試圖在基本理念層面厘清我國智能電網(wǎng)發(fā)展脈絡(luò)。

智能電網(wǎng)是自動的和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò)，它具有電力和信息雙向流動的特點，同時能夠監(jiān)測從發(fā)電廠到用戶電器之間的所有元件。智能電網(wǎng)將分布式計算和提供實時信息的通信的優(yōu)越性用于電網(wǎng)，并使之能夠維持設(shè)備層面上即時的供需平衡。

目前，以美國為首的西方國家正對智能電網(wǎng)的研究加大投入力度，在我國，相關(guān)研究和布局也已經(jīng)啟動。

但是，智能電網(wǎng)程序性的和技術(shù)性的挑戰(zhàn)是巨大的。為推進智能電網(wǎng)，需要長期持續(xù)的研發(fā)，需要出臺旨在激勵智能電網(wǎng)的法規(guī),并通過開放式的方式建立國家標準和鼓勵眾多相關(guān)產(chǎn)業(yè)積極參與。

智能電網(wǎng)的原動力

實施智能電網(wǎng)的原動力主要有五點，其中前四點是電網(wǎng)視角的思考，最后一點是出于國家經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展視角的思考。

1）實現(xiàn)大系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，降低大規(guī)模停電風險。

近年來世界上大面積連鎖停電頻繁發(fā)生，損失巨大。如2003年美國東北地區(qū)大停電所造成的經(jīng)濟損失約60億美元，充分暴露了基于傳統(tǒng)電網(wǎng)的脆弱性。一般認為，提高系統(tǒng)的全局可視化程度和預(yù)警能力，以及實現(xiàn)自愈，是增強電網(wǎng)的可靠性和避免因事故引起系統(tǒng)崩潰的關(guān)鍵。進而考慮到復(fù)雜大電網(wǎng)對自然災(zāi)害和人為惡意攻擊的脆弱性，未來的電網(wǎng)會成為更魯棒的——自治的和自適應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠通過自愈的響應(yīng)減小停電范圍和快速恢復(fù)供電。

2）分布式電源的大量接入和充分利用。

目前，世界上許多國家已把發(fā)展可再生能源技術(shù)提升到國家戰(zhàn)略的高度。美國總統(tǒng)奧巴馬更認為，“引領(lǐng)世界創(chuàng)造清潔能源經(jīng)濟的國家將引領(lǐng)21世紀的全球經(jīng)濟”。

分布式發(fā)電是靠近負荷端的小規(guī)模電力發(fā)電技術(shù)，它能夠降低成本、提高可靠性。在可再生的清潔能源中，太陽能和風能由于其在地理上天然是分布式的，因此分布式的太陽能和風能的發(fā)電技術(shù)受到廣泛的重視。

屬于分布式電源的還有小型、微型燃氣輪機（如冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，CHP），以及小規(guī)模儲能和下邊將介紹的需求響應(yīng)等。未來的幾萬千瓦的微型核電也在視野當中。

隨著技術(shù)的進步，可預(yù)見未來的電網(wǎng)會逐漸擺脫過去單一集中式發(fā)電的模式，而轉(zhuǎn)向分布式發(fā)電輔助集中式發(fā)電的模式。如丹麥的電網(wǎng)在上世紀80年代中期還是一個集中式的系統(tǒng)，而今天則成了更為分散的系統(tǒng)。（見圖1）

圖1 丹麥發(fā)電行業(yè)在過去二十幾年的演變（來源：丹麥能源局）

當大量的分布式電源集成到大電網(wǎng)中時，多數(shù)是直接接入各級配電網(wǎng)，使得電網(wǎng)自上而下都成了支路上潮流可雙向流動的電力交換系統(tǒng)，但現(xiàn)時的配電網(wǎng)絡(luò)是按單向潮流設(shè)計，不具備有效集成大量分布式電源的技術(shù)潛能。從而難以處理分布式電源的不確定性和間歇性，難以確保電網(wǎng)的可靠性和安全問題。

3）峰荷問題和需求側(cè)管理。

由于現(xiàn)時還沒有經(jīng)濟有效的大容量能量存儲手段，致使電的發(fā)生和消費必須隨時保持平衡。而電力負荷是隨時間而變化的，為滿足供需平衡，電力設(shè)施必須根據(jù)全年的峰荷來規(guī)劃和建造。

但由于系統(tǒng)處于峰荷附近的時間每年很短，所以電力資產(chǎn)利用率低下。美國現(xiàn)實電網(wǎng)資產(chǎn)的利用系數(shù)約為55%，而發(fā)電資產(chǎn)利用率也不高。其中占整個電網(wǎng)總資產(chǎn)75%的配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率更低，年平均載荷率僅約44%，浪費了大量的固定資產(chǎn)投入。

調(diào)查表明：我國目前10kV配電資產(chǎn)利用率比美國還低。多數(shù)城市10kV配電線路和變壓器的年平均載荷率低于30%;在電網(wǎng)出現(xiàn)一個主要元件故障后還可保證安全的條件下，峰荷時的線路載荷率全部在50%以下。解決上述問題的辦法之一，是縮小負荷曲線峰谷差。

同時為了應(yīng)對電網(wǎng)偶然事件和電力負荷的不確定性，電力系統(tǒng)必須隨時保持(10%~13%)發(fā)電容量裕度(又稱旋轉(zhuǎn)備用)，以確?？煽啃院头搴尚枨?這也增加了發(fā)電成本和對發(fā)電容量的需求。

幸運的是，現(xiàn)實系統(tǒng)中存在著大量能與電網(wǎng)友好合作的負荷。如空調(diào)、電冰箱、洗衣機等電器在電力負荷高峰(電價高)的時段可以暫停使用，而適當平移到供電不緊張(電價低)的電力負荷的低谷時段再使用，幫助電網(wǎng)實現(xiàn)電力負荷曲線的削峰和填谷。

如圖2所示，在美國典型峰荷日的峰荷時刻，居民用電功率占到峰荷的30%，而其中2/3，即20%屬于可與電網(wǎng)友好合作的負荷，其值超過占峰荷13%的旋轉(zhuǎn)備用容量。如果能夠提供相應(yīng)的技術(shù)支撐，通過電力公司與終端用戶的互動(需求響應(yīng)或用電管理)，則可實現(xiàn)電力負荷曲線的削峰填谷。

我國城市中居民用電在年典型峰荷日的峰荷時大多占到峰荷的15%~20%，其中約有一半是可以與電網(wǎng)友好合作的可平移負荷。應(yīng)該注意到，如果我們能消減6%~8%的峰荷，其所節(jié)約的電力資產(chǎn)額已是十分巨大的。更何況，商業(yè)用戶和工業(yè)用戶負荷，均具有與電網(wǎng)友好合作的潛力。

這種需求側(cè)用戶與電網(wǎng)之間的友好合作，在必要時，也可取代旋轉(zhuǎn)備用，支持系統(tǒng)的安全運行。比如，在2008年初的一天下午，美國得克薩斯州經(jīng)歷了風力發(fā)電突然的、未預(yù)料到的急劇下降：在3個小時里發(fā)電下降130萬kW。此時一個緊急起動了的需求響應(yīng)程序，使大型工業(yè)和商業(yè)用戶在10分鐘內(nèi)恢復(fù)了大部分失去的供電，起到了對此類間歇性電源波動性緩沖的作用。這一緊急需求響應(yīng)程序的前提是電網(wǎng)公司與用戶之間預(yù)先簽訂了協(xié)議。

4)對電網(wǎng)各種約束(提高可靠性、提高電能質(zhì)量、節(jié)能降損和環(huán)保)日益嚴格。

近20年，通信和信息技術(shù)得到了長足的發(fā)展。美國在20世紀80年代，內(nèi)嵌芯片的計算機化的系統(tǒng)、裝置和設(shè)備，以及自動化生產(chǎn)線上的敏感電子設(shè)備的電氣負載還很有限。而在今天，這部分電力負荷的比重已升至40%以上，預(yù)計2015年將超過60%，對電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量提出了很高的要求。

調(diào)查表明，每年美國企業(yè)因電力中斷和電能質(zhì)量問題所耗掉的成本超過1000億美元，相當于用戶每花1美元買電，同時還得付出30美分的停電損失。其中，僅擾動和斷電(不計大停電)每年的損失就達790億美元。表1給出了美國電力科學院(EPRI)對未來20~30年用戶對供電可靠性需求的預(yù)測。目前的電網(wǎng)不僅滿足不了數(shù)字化社會的這些需要，而且它在數(shù)字化技術(shù)的自身應(yīng)用方面也相對落后，特別是在配電網(wǎng)方面。

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級，我國會有日益增多的數(shù)字化企業(yè)對供電可靠性和電能質(zhì)量提出更高的要求。

事實上，配電網(wǎng)也是提高用戶供電可靠性的頸瓶。調(diào)查表明，我國10kV以下電網(wǎng)對用戶停電時間的影響占到70%~80%以上。即使減去計劃停電時間，我國大城市用戶年平均停電時間也大都在1個小時以上，多數(shù)為幾個小時，甚至更長。而日本東京由于配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)靈活和實現(xiàn)了配電自動化，其用戶的年平均停電時間僅為2~5分鐘; 在電網(wǎng)出現(xiàn)一個主要元件故障后還可保證安全的條件下，峰荷時的線路載荷率可達75%~85%(如前所述我國該值小于50%)。

5)尤其值得我們注意的是：由于技術(shù)涉獵廣泛，智能電網(wǎng)的一個關(guān)鍵目標是要催生新的技術(shù)和商業(yè)模式，為經(jīng)濟和科技發(fā)展提供新的支撐點，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命。思科預(yù)言，智能電網(wǎng)比互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)擁有更大的市場空間。