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全面覆蓋發輸配用和電力市場、含括一二次系統的智能電網，由于在發輸配用之間沒有必然的先后順序聯系，既可從上到下、也可從下到上進行研發實施。如美國科羅拉多州的 Boulder，就是從 供用電領域入手，于 2008 年 3 月率先建成全美第一個智能電網城市。智能電網中的配用電領域，通稱為智能配電網。由于以下幾個原因，從配用電領域入手搭建智能電網，日益備受關注。 1、智能電網有別于當代電網的幾個主要特征，均與甚至有的僅與配用電有關; 2、智能電網的基礎，是發輸配用電各個結點之間電力和信息的雙向流動。因此，解決當前供需雙向互動的薄弱環節，自然成為首選; 3、 由于全球的共同關注與參與， 配用電領域技術創新的智能電器和智能電力交換設備不時涌現; 4、 在傳統電網基礎上發展起來的智能電網， 量大面廣的配用電， 可通過充分發揮現有系統作用， 優化投資，獲取較好的性價比。 此外，我國由發改委所轄中國國際經濟交流中心所承擔的“中國智能能源網發展模式和實施方 案課題” ，已于2010 年7 月15 日和8 月5 日分別通過內部評審和向國內外公開發布其研究成果，得到國際智能電網聯盟和國際電工委員會智能電網工作委員會等權威單位的高度評價和認可，并應邀 作為國際智能電網聯盟理事會理事， 參與標準和規范的制定。 倡導以電力和燃氣為引擎， “標準先行、 地方先動” (600 多個市級單位)的智能能源網，勢必有力推動智能配電網的研發和實施。 本文在闡述智能配電網研發特點的基礎上，將智能配電網的研發劃分為支持各種應用的支撐系 統、表前表后當前今后的各種應用 、以及集支撐與應用于一體的智能設備三個層次展開分析討論， 試圖尋求一條既充分發揮當代電網現有系統作用、又跟蹤技術創新實現跨越式發展的研發路線。 1、智能電網研發中配用電領域的特點 智能電網是一個完全自動化的發輸配用電網絡，它監視控制每一個用戶和電網結點，保證電力 和信息在所有結點的雙向流動，用以支持研發智能電網的各種應用，解決智能電網安全自愈和優質 高效運行、大量分布能源和電動汽車充放電的入網管理和市場交易、以及供需互動的雙向服務等問 題。 智能電網是在傳統電網的基礎上發展而來，并繼承了許多傳統和新技術的應用。智能電網的研 發領域及其和傳統電網的對應關系，如圖 1 所示。 圖中, 高級量測體系 AMI：繼承與發展傳統 AMR 的各種應用，通過智能電表和通信、信息集成， 實現供需之間電力和信息的雙向流動，支持表前電網側和表后用戶側的各種應用。 高級配電運行 ADO：繼承與發展傳統 SCADA/DMS 的各種應用，支持分布能源和電動汽車充放電 的入網管理和市場交易，電網的安全自愈和優質高效運行，和供需互動的雙向服務。 高級輸電運行 ATO：繼承與發展傳統 SCADA/EMS 的各種應用，支持接入靈活交流輸電、高溫超 導輸電等新系統元件，高壓集中發電和低壓分散發電的協調優化，事件啟動快速仿真決策、靈活分 區故障隔離，避免或縮小大面積停電。 此外，智能電網中的高級資產管理 AAM，與 AMI 、ADO 、ATO 相集成，使用有關信息和控制， 實現對資產規劃、建設、運行維護等全生命周期的優化管理。 可見，智能電網研發領域中，和傳統電網重大不同且量大面廣的，都集中在配用電領域。即： 用電領域智能電表與通信信息結合組成的先進量測體系 AMI、及其表前表后各種應用，應對簡單受 電網絡轉型為復雜有源網絡、大量分布能源和電動汽車充放電入網管理和市場交易的 ADO，以及兩 者共同支持的供需互動雙向服務等。 考慮到智能電網是從傳統電網發展而來，因此，研發智能配電網時，應充分利用傳統電網的現 有基礎，最大限度地優化投資，避免重復建設。為此，本文將智能配電網的研發內容劃分為實現電 力和信息的雙向流動、支持各種應用的支撐系統，表前表后、當前今后的各種應用，以及支撐應用 一體化的智能設備三個層次，在充分發揮傳統電網現有系統作用的同時，跟蹤技術創新實現跨越式發展。 2、智能配電網的支撐系統 智能電網中發輸配用電各個結點之間電力和信息的雙向流動，既是智能電網的基礎，也是用以 接入各種系統元件(含可再生能源發電和電動汽車充放電) 、支持當前和今后各種應用的支撐系統。 對于發輸配之間而言，電力和信息的雙向流動以及支持 SCADA、EMS、DMS 等應用已具有一定基 礎。但長期處于單向供需關系的配用電領域，供需之間的雙向互動及其應用、特別是用戶參與電網 管理和輔助服務尚屬空白。這也是當前智能電網研發和實施，所面臨的一個首要任務。 供需之間電力和信息的雙向流動、及其支持當前和今后的各種應用，主要由智能電表和信息通 信系統所組成的高級量測體系 AMI(advanced metering infrastructure)來實現。AMI 可與當前現 有的調度管理負荷管理和營銷管理等系統、以及今后用戶的分布式能源和電動汽車充放電相連，并 支持表前表后、當前今后的其他各種應用。 通過供需互動的雙向服務，達到供需雙贏、國家受益，因而成為智能電網所追求的一個重要目 標。但供需互動的效益，必須以開放配用分開的零售競爭為前提。否則，供需關口上下雙向通信的 智能電表將不能充分發揮其作用。 我國的電力市場，當前主要處于廠網分開的發電競爭階段。國務院 2002 年關于電力改革的 5 號 文中，提出“十五”期間逐步對配電業務實行內部獨立核算，為輸配分開的批發競爭預作準備。至 于配用分開的零售競爭，尚未提上日程。 這就提出了一個問題，我國正在籌建的、包括智能電表在內的新一代電力用戶信息系統，僅用 以支持當前電力市場的發展，或一并支持今后智能電網的研發和實施。 配用電之間的信息通信，也和發輸配之間有著許多不同。信息方面，除實時、歷史、和各種管 理信息外，還包括用戶服務和電力營銷。而且，不僅量大面廣，還要考慮供需互動后的雙向服務。 這就提出了一個難題，是按傳統方式建立一個個的數據庫，還是一體化回收。與之相關的通信網絡 方面，面對龐大、分散、但距離較近的通信結點，同樣也存在一體化還是分區回收的問題。 考慮到智能小區量大面廣時分布智能控制應用的前景，信息流的一體化和短距離通信網絡的結 合已成為當前關注的研發方向。諸多解決方案中，一種基于 ZigBee 技術(小無線) ，組網靈活、具 有路由自愈功能，利用高級量測體系和信息技術，在電力系統物理網絡之上建立起來的基礎信息架 構，將設備、裝置、系統、客戶、員工等連接在一起所構成的物聯網，實現對雙向流動的電力和信 息隨機訪問，用以支持當前的增效應用和今后的潛在應用，值得注意。此外，多網合一、光纖到戶， 也是一個看好的發展方向。 3、智能配電網的各種應用 智能配電網支撐系統支持下的各種應用，可概括為表前表后、當前今后四個方面的不同組合。 表前應用指智能電表電網側的應用，包括當前的增效應用和今后的潛在應用，表后應用指智能電表 用戶側的應用，同樣包括當前的增效應用和今后的潛在應用。但其所碰到的難點問題，大相庭徑、 各有不同。 3.1 表前電網側當前的增效應用 表前電網側當前的增效應用， 廣州配電柜回收 ，包括當代電網現有的各個應用系統， 配電柜回收，如保證電網安全經濟和優質 運行的調度管理系統、需求側管理的負荷控制系統、電力市場的營銷管理系統、用戶服務的停電管理系統、以及當前實施的電力用戶信息系統等，在支撐系統的支持下，勿需推倒重來，即可起到增 效作用。 增效作用表現在兩個方面，一是借助功能強大、水平較高的支撐系統，增加現有系統的應用效 果，如直接提高現有各種應用對電網和用戶的認知程度、反應能力和可視化水平等。二是在現有系 統的的基礎上，擴充新的應用功能。如旨在實現安全自愈能力的事件啟動快速仿真決策、故障隔離 的網絡重構，支持電力電子技術接入系統、保證電網的優質運行，以及實施分時電價、深化營銷管 理等。 但這些增效應用，都以當前單向的供需關系為前提，即使接入少量的可再生能源發電和電動汽 車充電樁或充電站，也是按負荷效應回收，不涉及供需互動的雙向服務問題。 表前電網側當前的這些增效應用，如支撐系統的水平不低，對集中控制系統(SCADA/DMS、 負荷管理、營銷管理等)而言，并無突出的難點。但對于分布控制系統(繼電保護、就地無供補償 等) 卻存在網絡重構后的再整定或自適應難點問題。 ， 對此， 將在下節的潛在應用中， 一并加以討論。 3.2 表前電網側今后的潛在應用 表前電網側今后的潛在應用，主要是解決配電系統接入大量的系統新元件(包括可再生能源發 電和電動汽車充放電)后，所引發的雙向服務、入網管理和市場交易問題，研發和實施工作量較大。 間歇性、功率不穩的可再生能源分布式發電大量并網運行時，將改變傳統電網的結構，使配電 系統從簡單的受電網絡變成復雜的有源網絡。當前配網的保護和控制配置方案不適應多分布發電源 的接入，已成為廣泛采用分布式發電的技術瓶頸，更不用說由于通過逆變裝置并網而帶來的諸多電 能質量問題了。 電動汽車充放電的入網管理，技術上雖較可再生能源發電簡單。但由于更加量大面廣，存在大 量用戶、中間服務商和電力公司之間的單獨組網和營銷管理等復雜問題。 盡管可再生能源發電和電動汽車充放電的入網管理和市場交易，提出了許多難題。但主要的難 點，還在于供需互動后接入的這些用電設備和系統，將以千位數量級增長，變壓器回收，并需解決與電網并網運 行后的系統優化、協調和控制等問題。此時，傳統的 SCADA/DMS 系統已不可能監視控制到每個單獨 設備，只能監視控制到運行工況的邊界，而通過設置在邊界的分布式的智能控制來解決問題，這才是實施智能配電網所面臨的一個研發難點和熱點。 和靜態模型與動態數據相結合的精確解不同，分布式的智能控制必須與知識工程的智能解相結 合，當前分布式智能的研發方向，幾乎毫無例外地采用多智能體(multi-agent)技術。面向 Agent (AO， agent-oriented)是繼面向過程和面向對象(OO，objeci-oriented)之后、新一代的軟件系統工程技術。 Agent 是將知識和使用它的一組操作或過程封裝在一起得到的一個實體，具有結構和屬性，并 可通過消息互相通信。Agent 特有的自治性和主動性，可獨立地完成其目標而不需要外界的指令、 或感知環境變化時通過規劃實現其目標。因此，Agent 又有“主動的對象”之稱，知識工程界均將 Agent 意譯為“主體”或 “智能體” ，而不采用概念易于混淆的“代理” 。單個的 Agent 擁有解決問 題的不完全的信息或能力，沒有系統全局控制能力。但可通過相關 Agent 間的協調和協作組成 Multi-Agent 系統，來解決復雜的全局性問題。 包括反應、協作和認知三層結構的 Multi -Agent 系統，如圖 2 所示。 圖中無通信能力的反應式 Agent，相當于傳統上“事先整定、實時動作”的繼電保護和就地無功補償裝置，根據程序安排自主作出反應，而無須外部指令控制。但保護和補償定值的設定和修改 只能離線進行。加上具有通信能力的協作層后，當事件響應的快速仿真決策需對有關保護定值或穩 定補救方案進行修改和調整時，就可依靠外部知識協作、對反應參數或程序進行修改和調整，以提 高裝置的適應性水平。這種通過不斷修改系統控制參數來改進系統執行能力的感知型學習，不涉及 與具體任務有關的知識，但對外部知識依賴性強，在通信中斷的情況下難于達到自適應的水平。如 進一步加上具有與具體任務有關的內部知識組成認知式 Agent，即使通信中斷或情況緊急來不及協 調時，也可根據內部積累的知識作出自適應反應，充分體現 Agent 的自主性。 三層結構的 AO 系統，既可用以解決上節所述分布控制系統的再整定或自適應、和本節集中控制 系統作為遠方終端的分布智能控制問題，也可用以解決下節用戶側應用的分布智能體系結構問題。 3.3 表后用戶側當前的增效應用 不言而喻，作為在用戶和電網之間反映電力和信息雙向流動的智能電表，除作為電網側現有調 度管理、需求側管理、營銷管理系統、停電管理、以及用戶信息等系統的終端外;對用戶來說，由 于增加了電網側電力和市場、用戶側設備和用電信息的可視化和透明度，大大有利于用戶主動選擇 和優化用電方式，節約用電和減少電費支出。一般可減少 15%以上的峰荷和10%以上的總需求。 早期，這些增效應用，都以當前單向的供需關系為前提，即使接入少量的可再生能源發電和電 動汽車充電樁或充電站，也是按負荷效應回收，不涉及供需互動的雙向服務問題。因此，智能電表 對用戶設備的監控比較簡單，可按類似繼電保護“離線整定、實時動作”原則，按預定程序進行反 應回收。 隨著再生能源發電、電動汽車充放電、以及其他用戶設備的大量并網運行、和供需互動雙向服 務的實現，單向的“離線整定、實時動作” ，已不能實現雙向互動后的系統優化、協調和控制。而現 有的 SCADA 系統，又不可能直接接入千位數量級增長的系統新元件。因此，必須采用上節所述的分 布式智能控制技術，組成如圖 3 所示的分布式智能體系結構，以解決“量大面廣”的分區控制問題。 3.4 表后用戶側今后的潛在應用 表后用戶側今后的潛在應用，主要是與用戶側網絡 HAN 相連，實現分散發電、分布儲能(包括 電動汽車充放電電)與需求響應組成的分布能源 DER 系統集成，優化用電設備的使用和管理，支持供需互動的雙向服務。 供需互動的雙向服務，主要是指：電網側向用戶回收有關的電力和市場信息，以及營銷管理、 負荷管理、停電管理等各種服務，用戶可據此選擇服務商、竟價增減負荷、優化用電設備的使用等。 用戶向電網側回收的服務， 除與發電商之間簽訂的雙邊合同外， 包括各種形式的輔助服務(頻率控制、 電壓控制、備用和黑啟動)、參與可中斷供電合同或峰谷電價計劃、在平衡市場中競價增減出力以及 緩解輸配電阻塞等。但一般只有兆瓦級以上的大用戶、或是多個同行企業通過集總代理才直接參與 需求競價，小用戶則是通過其供電商作為代理間接參與需求競爭。 顯然，供需互動的雙向服務，除電力市場應開放到配用分開的零售競爭外，由于用戶具有大、 中、小之別，分散發電能力從大用戶的自備電廠到千家萬戶的光伏電池，包括電動汽車在內的儲能 設備更是五花八門，用戶設備的系統集成又是多式多樣。如此等等，給入網管理和市場交易帶來諸 多復雜問題。如用戶與電網之間、增加了中間服務商或集總代理，間歇性功率不穩的可再生能源分 布式發電、 不能以功率 kW 只能用能量 kWH 進行市場交易， 為數眾多的電動汽車充放電入網管理和 市場交易、必須用戶、服務商和電力公司有關各方單獨組網等。 4、 集支撐應用于一體的智能設備 上述支撐系統和各種應用的一體化和智能化進一步發展，推動智能設備的問世。智能設備包括 用戶側的智能電器，以及電網側的智能電力交換設備和系統。其共同特點是：集支撐與應用于一體， 即插即用。 4.1 用戶側的智能電器 如上所述，表后用戶用電設備的優化管理，主要是在智能電表的支撐下，通過應用系統對常規 電器進行智能控制來實現。如峰值高電價期間對空調、熱水器等進行中斷調整，低谷期間對包括電 動汽車在內的儲能設備進行充電等。 智能電網環境下，用電設備正在從被動調整走向智能化的自動調整。如對電網友好的空調、熱 水器等智能電器，感知電網頻率下降時自動對溫度整定值或啟停時間進行調整，而勿需外部指令。 智能電器的理念，同樣適用于各行各業的用電設備。如非線性用電設備感知諧波、異步用電設備感 知無功過大時自動進行補償等。 應該說，實現常規電器的智能化，并不存在技術上的難點。問題是必須市場機制(實時電價、 諧波無功超標罰款等)的激勵，否則用戶不會掏錢來購買這些較貴的增值產品。 4.2 電網側的智能電力交換設備 電網側的智能電力交換設備，由于應用涉及面廣，遠比用戶側的智能電器復雜得多。特別是在 智能電網環境下，大量可再生能源發電和電動汽車充放電的入網管理和市場交易，引發了接口、變 壓、保護、監視、調整和控制等諸多問題。但正因為如此，集支撐與眾多相關應用于一體的智能電 力交換設備，由于投入產出的高“性價比”而備受關注。一種稱為智能電力交換機/器/站的技術創新 設備，即將在我國問世。 和常規電磁感應原理不同，智能電力交換設備采用電力電子技術變壓、實現不同電壓等級之間 的電力交換。并在電力系統物理網絡之上、利用信息通信技術，連接有關設備和裝置實現電力和信 息的雙向流動。和前述支撐系統不同的是，智能電力交換設備還同時納入接口、保護、監視、調整、 控制，以及無功補償、諧波治理、甚至故障錄波等有關應用，集一次二次、支撐應用于一體。 可以預期，隨著大量可再生能源發電和電動汽車充放電、及其相應配變臺區的出現，投入產出 性價比較高的智能電力交換機/器/站，將在用戶、中間服務商、和電力公司不同層次得到廣泛應用。 這也是為什么這種智能電力設備，視應用規模不同而可分別稱為交換機、交換器、或交換站的原因。 理論上說，智能電力交換設備可往更高電壓等級發展。但受限于電子元件的工作電壓水平和市 場的大小，當前，仍以中低壓的配用電領域為主。 5、 結語 (1)全面覆蓋發輸配用和電力市場、含括一二次系統的智能電網，由于在發輸配用之間沒有必然的先后順序聯系，既可從上到下、也可從下到上進行研發實施。 (2)配用電領域的智能配電網，充分體現有別于常規電網的幾個主要特征，既填補智能電網供 需互動的主要空白、又奠定整個智能電網的基礎，投入產出的高性價比也較明顯，因而往往成為優 先研發實施的首選。此外，由于全球的共同關注和參與，配用電領域技術創新的智能電器和智能電 力交換設備不時涌現，而益發備受關注。 (3)智能配電網主要解決量大面廣含可再生能源在內的各種類型分散發電、以及插入式電動汽 車進入電網和市場后所引發的各種問題， 實現自愈功能所需的快速仿真決策和分布能源的系統集成， 以及供需互動雙向服務所需的智能電表研發和應用等。 (4)研發智能配電網的諸多難點中，分布式控制系統(繼電保護、就地無供補償等)的再整定 或自適應，以及表前表后的分布式智能控制，既量大面廣而又難度較大，但兩者均可采用多智能體 (Multi-Agent)技術來解決問題。 (5)智能電網的研發和實施，是一個跨世紀的系統工程。智能配電網的搭建，將填補智能電網供需互動主要空白，奠定整個智能電網堅強基礎;此外，考慮到智能電網是從傳統電網發展而來， 研發智能配電網時，應采取充分發揮傳統電網現有系統作用，與跟蹤技術創新實現跨越式發展并重的方針。為此，首先應建設好電網和用戶各結點之間電力和信息雙向流動的支撐系統，支持表前電網側和表后用戶側、當前的增效應用和今后的潛在應用，并跟蹤智能設備的研發和應用、實現跨越式發展。 (6)行業聚焦關鍵技術，推動智能配電網的研發和實施。由北極星電力網主辦，北極星智能電網在線承辦的“2012智能配電網及其關鍵技術研討會”將就未來我國智能配電網的發展，邀請這一領域的專家學者、企業高層以及相關電力部門領導，共聚一堂，進行深入探討。本次研討會將與2012年國內最大電力電工展同期舉辦，屆時，各路商家、學者、媒體云集，對配電網這一領域的最近技術與解決方案將實現激情碰撞，助力智能配電網市場的進一步升溫!
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