智能电网及其进展上海

智能电网进展及关键技术浙江大学电气工程学院郭创新教授、博士生导师目录智能电网背景智能电网国内外研究进展智能电网关键技术智能电网商业机会Eamil:guochuangxin@智能电网背景Eamil:guochuangxin@智能电网背景电能消耗趋势。预计到2020年，世界电能消耗将达到27000TWh，较2000年增长75.32%，其中发展中国家和新兴工业化国家电能消耗占世界能源消耗的比例，从2000年的29%上升到45%。Eamil:guochuangxin@智能电网背景世界能源储量。根据2006年统计，已探明石油储量够用45年，考虑到未探明储量预计能有70年。已探明煤炭储量够用200年，未探明储量预计够使用1300年。Eamil:guochuangxin@智能电网背景一次能源转换为电能。一次能源转换为电能的比重和电能占终端能源消费的比重已成为衡量一个国家经济发展水平甚至整个经济效率高低、环境保护好坏的重要标志，也是衡量这个国家能源综合利用效率的重要标志。电能较其他一次能源的突出优点：效率高远距离传输清洁应用范围广泛现代工业社会的基石

Eamil:guochuangxin@智能电网背景电能消耗与电网建设Eamil:guochuangxin@

我国万元GDP能耗是世界平均水平的3.4倍，是日本的9.7倍。而美国2000年人均GDP比1973年增长了74％，其能源消费却几乎没有增加，能源效率的提高已成为美国增长最快的能源资源。新兴工业化国家在工业化初期，较发展中国家，大力进行高压电网和远距离输电建设，打破输电瓶颈。工业化中、后期关注的重点包括系统互联、更高的电能质量、自动化设备投资、设备生命周期监测和拓展，以及分布式能源和配电领域。智能电网背景环保-碳排放。从人类社会进入工业化后，二氧化碳排放不断增加，导致温室效应，全球各主要工业国家在推进降低二氧化碳排放的工作。Eamil:guochuangxin@智能电网背景中国的能源情况。经济发展区域不平衡，能源分布东西不平衡，中西部能源丰富，东部经济发达，进入工业化中后期。Eamil:guochuangxin@智能电网背景中国的能源情况。特高压，直流输电建设改变能源分布不均给经济发展带来的障碍。Eamil:guochuangxin@2020国家电网(示意图)NorthChinaSouthChinaNortheastTaiwanNorthwest陕北煤电陕北蒙西煤电II石家庄北京东济南豫北420280240460340100360晋东南徐州淮南煤电徐州煤电330280雅龙江梯级金沙江I期金华川西水电170无锡南阳300170260150上海西北100杭北芜湖290440长沙荆州恩施乐山360300川西水电蒙西煤电IV天津南昌唐山青岛120300250300450福州400南京200240300沿海核电沿海电源150蒙西煤电I宁夏煤电蒙西煤电III晋中煤电驻马店武汉沿海核电220270300300锡盟煤电I锡盟煤电II480480连云港沿海核电280160300晋中重庆300450晋东南煤电呼盟煤电沿海核电沿海核电金沙江II期沈阳三峡地下电站上海西南安西永登拉西瓦白银兰州东西宁宁东官亭蒙西

锡盟LegendAC500kV±800kVAC1000kVAC750kV张掖雅安西安东靖边蒙西煤电V400470400220260100晋东南煤电II300银川东哈密电厂哈密二、三厂×远东（俄）滁州泰州14045017027070270130150赣州泉州380410170雅江水电平凉乾县渭北东南郊乌鲁木齐主网×360温州280EastChinaCentralChinaTibetYunnanUHVAC连接北部和中部的输电走廊UHVAC将华北，华中和华东联在一起的同步电网包括UHVACandUHVDC的电网UHV期望的输电能力：200GW以上大约有20个UHVDC工程智能电网背景大停电的威胁。2000年后，美国、加拿大、意大利等相继发生了电网的大停电故障，影响范围大、受影响人员多、经济和社会损失巨大。Eamil:guochuangxin@智能电网背景历次大停电的原因分析。从国外历次大停电原因分析来看，有包括人为的因素，也有电网运行接近上限。Eamil:guochuangxin@智能电网背景电网面临的挑战Eamil:guochuangxin@从发展趋势和历次大停电的原因来看，电网面临的挑战包括：更多的能源需求、城市化的需求、有限的自然资源、环保意识的增强、更加开放的电力市场。因此需要“智能化的电网”：1）分布式和可再生能源的大量使用；2）输电能力和输电距离提升；3）满足城市化需求的配电体系；4）可靠、安全、经济、互动的电网。智能电网国内外研究进展Eamil:guochuangxin@智能电网国内外研究进展在国际上，诸如美国电力研究院（EPRI）、美国能源部(DOE)、IBM公司等先后给出了对未来电网的描述。例如：EPRI将未来的电网定义为IntelliGrid；美国能源部的电力输配局在2003年7月发布的“对电力第二个百年的全国范围的构想”的报告中提出了GRID2030计划；美国的Battelle研究所和IBM公司也先后分别提出了GridWise和IntelligentPowerGrid的概念。欧洲于2005年提出了欧洲技术平台（ETP）的SmartGrid的概念，对欧洲2020年左右的电力网络提出了构想。Eamil:guochuangxin@智能电网国内外研究进展美国智能电网发展里程碑Eamil:guochuangxin@EPRI开始“Intelligrid”(智能电网）研究20012003布什总统要求美国能源部（DOE）致力于电网现代化，DOE发布“Grid2030”DOE启动电网智能化(GridWise）项目2004DOE与NETL合作发起了“现代电网(MGI)”研究,TheModernGridInitiative:aVisionforthemoderngrid.Mar.2007.NETL2005之后，研究机构、信息服务商和设备制造商与电力企业合作，纷纷推出自己的智能电网方案和实践20092030奥巴马将智能电网提升为美国国家战略智能电网智能电网国内外研究进展欧洲智能电网发展里程碑Eamil:guochuangxin@成立“智能电网(SmartGrids)欧洲技术论坛”提出智能电网愿景，制定（1）《欧洲未来电网的远景和策略》（2）《战略性研究议程》《战略部署文件》报告20052006智能电网（3）TheSDDStrategicDeploymentDocument（1）EuropeanSmartagridsTechnologyPlatform：VisionandStrategyforEurope’sElectricityNetworksoftheFuture

欧洲智能电网技术平台：欧洲未来电网的远景和策略（2）StrategicResearchAgendaforEuropesElectricityNetworkofthefuture

欧洲未来电网的战略研究议程战略部署文件智能电网国内外研究进展

美国:2003年美加大停电后，美国电力行业决心利用信息技术对陈旧老化的电力设施进行彻底改造，开展智能电网研究，以期建设满足智能控制、智能管理、智能分析为特征的灵活应变的智能电网Eamil:guochuangxin@驱动因素

欧洲:发展智能电网也有其独特的发展背景，欧洲智能电网的兴起主要是大力开发可再生能源、清洁能源，以及电力需求趋于饱和后提高供电可靠性和电能质量等需求所决定的。智能电网国内外研究进展Eamil:guochuangxin@智能电网国内外研究进展在国内，上世纪90年代末，电力行业中提出了“数字电力”的概念。比较有影响的是清华大学卢强院士在2000年提出的“数字电力系统”（DPS），它是某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地形象化地实时地描述与再现。可以说DPS是该实际电力系统的实时、全面、仿真的数字电力系统。近几年来，国家电网公司开展了数字化电网关键技术研究等实践工作以及一些区域或者网省（市）电力公司相继提出了各自对于“数字电力”的理解。如:江苏省电力公司数字电力公司、天津市电力公司的数字化企业、上海市电力公司数字化供电企业；2007年，华东电网在国内率先开展了实施智能电网的可行性研究。在国内，数字化电网是智能电网的前身，与智能电网有很多相似之处，它是开展智能电网研究的必要前提。Eamil:guochuangxin@Eamil:guochuangxin@中国国家电网公司以奉献清洁能源、促进经济发展、服务社会和谐为基本使命，在认真分析世界电网发展的新趋势和中国国情基础上，紧密结合中国能源供应的新形势和用电服务的新需求，提出了立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网的发展目标。坚强智能电网的内涵智能电网国内外研究进展Eamil:guochuangxin@坚强智能电网以坚强网架为基础，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、用电和调度各个环节，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，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。坚强智能电网的内涵（续）智能电网国内外研究进展Eamil:guochuangxin@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。坚强智能电网的内涵（续）智能电网国内外研究进展Eamil:guochuangxin@坚强智能电网的内涵（续）“坚强”和“智能”是坚强智能电网的基本内涵。只有形成坚强网架结构，构建“坚强”的基础，实现信息化、数字化、自动化、互动化的“智能”技术特征，才能充分发挥坚强智能电网的功能和作用。信息化是指实时和非实时信息的高度集成、共享与利用；数字化是指电网对象、结构、特性及状态的定量描述和各类信息的精确高效采集与传输；互动化是指电源、电网和用户资源的友好互动和协调运行。自动化是指电网控制策略的自动优选、运行状态的自动监控和故障状态的自动恢复；智能电网国内外研究进展智能电网国内外研究进展中国智能电网，以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强的智能化电网（Strong&SmartGrid）。具有坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征Eamil:guochuangxin@智能电网国内外研究进展国家电网公司规划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为基础，以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网。20090318-0402起草:

国网公司智能电网：国际会议发布稿，体系研究报告20090412-0419起草:

国网公司智能电网：研究框架20090422-0430起草:

国网公司智能电网：综合研究报告

2009年5月公司特高压会议2个议题。1）特高压:工程设计,设备制造,建设环保,系统规划运行；2）智能电网:

Eamil:guochuangxin@智能电网国内外研究进展Eamil:guochuangxin@2016年～2020年引领提升阶段，全面建成统一的坚强智能电网，技术和装备全面达到国际先进水平。届时，电网优化配置资源能力大幅提升，清洁能源装机比例达到35%，分布式电源实现“即插即用”，智能电表普及应用。2011年～2015年全面建设阶段，加快特高压电网和城乡配电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用。2009年～2010年规划试点阶段，重点开展坚强智能电网发展规划工作，制定技术和管理标准，开展关键技术研发和设备研制，开展各环节的试点工作。第一阶段第二阶段第三阶段中国国家电网公司将分三个阶段推进坚强智能电网的建设：智能电网关键技术Eamil:guochuangxin@智能电网关键技术Eamil:guochuangxin@智能电网愿景图Eamil:guochuangxin@智能电网关键技术Eamil:guochuangxin@智能电网关键技术智能电网尚未有明确的定义，那么智能电网是什么呢？下面从智能电网的价值、特征、重要的里程碑等侧面对智能电网进行描述，使得对即将到来的智能电网有所认识。Eamil:guochuangxin@智能电网关键技术智能电网的价值更可靠——用户随时随地获得可靠和高质量的电能。更鲁棒——能有效抵抗物理、网络的攻击和自然灾害的影响，减少停电规模及带来的损失。更经济——合理的价格、充足的电力供应。更高效——成本的有效控制，输配电网损的降低，资产使用率和发电效率的提高，用户对自身电能消耗的有效管理。更环保——通过提高可再生能源的使用百分比和用电效率降低对环境的影响。更互动——双向计量、双向通讯。Eamil:guochuangxin@智能电网关键技术智能电网的特征灵活的用户交互——智能电网向用户提供更灵活的选择权，更多的对电力市场的参与。兼容性——1)兼容一次设备,包括特高压、FACTS、传统能源、清洁能源、储能装置等;2)兼容二次设备，包括保护、测量、控制和通信装置、软件等；标准化实现即插即用。自治和自愈——有快速的反应能力,力保电力系统三道防线;对电网故障的自恢复、自诊断的智能化水平提高。Eamil:guochuangxin@智能电网关键技术智能电网的重要里程碑用户参与度的提高——向用户提供更多信息、用户对智能电网新功能的适应和学习。包括先进计量体系(AdvancedMeteringInfrastructure,AMI)、家庭信息网络、分布式能源、需求侧响应。先进的配电体系——提高配网的可靠和自愈水平。包括智能传感器、控制器、配电自动化和配电管理、GIS、配网负荷管理等满足双向潮流传输和微网(Microgrid)的需求。先进的输电体系——减低输电瓶颈、更健全的电力市场。包括变电站自动化、广域测量、电力电子设备、先进电网监控、广域保护、建模、仿真、虚拟现实和可视化，降低电网故障的风险。先进的资产管理——从规划设计运行等环节提高电网资产管理水平、降低运行维护成本、提高资产使用率。Eamil:guochuangxin@智能电网关键技术Eamil:guochuangxin@Eamil:guochuangxin@Eamil:guochuangxin@电力设备关键技术智能电网应具有灵活坚强的拓扑，因此需要研究更为先进的电力设备。分布式能源和储能技术。今后电源技术将集中于核能、风能、太阳能、生物质能、清能、燃料电池等清洁能源技术。电网的特性是发电和用电必须平衡，但是太阳能和风电的特点决定了必须对其进行存储，除了传统的电池化学、抽水蓄能储能外，超导储能、超级大电容储能也正在研究中，小规模的飞轮储能已经投入使用。输配电技术。特高压交支流输电、特高压绝缘技术、高温超导、微型电网等方面。

Eamil:guochuangxin@电力设备关键技术电力电子技术。主要包括耐高压大电流电力电子器件，轻型直流输电，以及固态变压器、固态短路器、统一潮流控制器、静止无功补偿器、TCSC、有源滤波器、动态电压恢复器、静止同步补偿器等FACTS装置，并网变流器、并网变压器。高效能源材料技术。重要包括太阳能电池相关材料,燃料电池关键材料,高容量储氢、高效二次电池材料，超导关键材料及制备技术，以及高效能量转换等。

Eamil:guochuangxin@量测与通信设备关键技术量测设备与通信设备相辅相成，共同为系统运行、保护以及设备监测和维护提供依据：两者既可能相互独立，也可能集成为一体。前者侧重于实时、准确地测量和就地处理各种电气量和非电气量，后者侧重于实现高速、大容量的实时动态信息交互。量测系统包括三部分：1）电网侧：广域测量、动态设备监测、系统安全稳定监测。2）发电侧。3）需求侧量测：家电控制，电能质量分析，防窃电、功率和用电量测量、实时电价处理、成本控制、自备电源监测等。智能表计和双向通讯智能表计以及用户信息网关：智能表计主要是AMI和AMR，用户信息网关是在未来家庭里将电网、有线网、互联网一体化建设，三网合一AMI(自动计量基础架构)、AMM（自动仪表管理）、AMR（自动抄表）的历程，AMI包括AMM和AMREamil:guochuangxin@信息管理系统关键技术信息采集与处理信息分析。对经过采集、处理和集成后的信息进行业务分析，是开展电网相关业务的重要辅助工具。信息集成。智能电网的信息系统在纵向上要实现产业链信息集成和电网信息集成，横向上要实现各级电网企业内部业务的信息集成。信息显示。可视化显示，包括二维可视化、三维可视化、虚拟显示技术。信息安全。Eamil:guochuangxin@IECSA架构的通讯及信息标准体系决策与控制理论技术快速负荷和气象预测技术；快速安全稳定计算方法、判据和控制策略；高性能计算方法和设备，如并行计算、云计算、海量存储、系统容错等；快速仿真与建模；超短期潮流分析；故障定位；合理应用新型人工智能技术，如分布式智能代理、智能感知技术、自组织网络技术等；针对电网智能化展开电力规划研究；智能调度技术。Eamil:guochuangxin@智能电网功能实现智能控制中心。可视化操作平台,预测功能,智能交易和智能调度,快速安全稳定分析,智能保护整定,预警报警与事故处理,虚拟电厂(针对分布式电源),镜像备用。智能变电站。整合变电站自动化、地理信息系统、SCADA等技术,并兼容微网和虚拟电厂;能与控制中心实现高性能通信;在控制中心授予的权限范围内进行控制和建模。有4种功能：自治（智能检修、预警报警、自动故障诊断和处理）、实时建模、协调、操作自动化（刀闸和地刀）Eamil:guochuangxin@智能电网功能实现智能线路。1）基础设施。特高压、HVDC、VSC-HVDC、FACTS、高温超导等技术；2）远程监控和智能检修。智能保护系统。智能保护装置能实时接收控制中心的整定结果，从而更及时准确地配合电网运行。智能需求侧管理。1）高级计量体系：智能电表、智能楼宇、智能稳压、智能用电设备、智能家庭；2）微网：分布式电源、负荷以及其它监控、保护装置组成的小型发配电系统，其中还可能包括换流器、储能设备；3）定制电力：利用电力电子装置等设备，根据用户的差异化需求提供个性化服务。Eamil:guochuangxin@智能电网关键技术中国的智能电网Eamil:guochuangxin@智能电网架构体系我国智能电网的发展目标研究信息流与业务流的交融重构与创新研究功能体系研究技术体系研究信息体系研究运维体系、标准体系及评价体系研究智能电网关键技术中国的智能电网Eamil:guochuangxin@智能电网装备技术广域量测技术超导电力技术状态监测技术电子式互感器技术控制保护一体化技术特高压交直流输变电技术大容量储能技术智能电网关键技术中国的智能电网Eamil:guochuangxin@智能输电技术智能电网下大型可再生能源的接入技术大电网安全稳定运行控制技术未来电网控制中心建设技术具备分布决策功能的智能变电站技术智能输变电设备技术智能电网下的电力市场技术智能调度技术智能电网下的电网规划技术智能电网关键技术中国的智能电网Eamil:guochuangxin@智能配电技术风险预警预控及智能报警技术配电网自愈控制技术智能配网故障快速处理技术分布式发电、微电网和储能技术智能网络重构及自优化技术自适应保护控制技术自适应无功与电压控制技术智能电网关键技术中国的智能电网Eamil:guochuangxin@智能用电技术用户门户技术智能表计技术用户电压调节技术用户电源和储能设备接入技术用户通信能源一体化技术智能电网商业机会Eamil:guochuangxin@智能电网商业机会市场参与者Eamil:guochuangxin@国际智能电网组织研究机构电力企业设备制造商咨询机构著名学府智能电网商业机会国外已在实施项目在输电侧:目前有EPRI、ABB、PJM等机构和企业开展相关研究。PJM公司认为广域测量技术是保证大电网安全的重要手段，也是实现智能输电网的基础，因此PJM目前主要从同步相量技术和高级控制中心的研究建设着手开展智能输电网的工作。

在配电和用电侧:智能电表和智能家电。美国:XcelEnergy公司在Boulder建设全美第一个“智能电网”城市。意大利:安装和改造了3000万台智能电表，建立起了智能化计量网络，每年大约节省5亿里拉。法国:将目前使用的2700万只普通电表全部更新为“智能电表”。Eamil:guochuangxin@智能电网商业机会中国智能电网Eamil:guochuangxin@投资：4.5万亿时间：11年（2009－2020）目标：在发电、线路、变电、配电、用电服务、调度六大应用环节及通信信息平台全面达到国际领先水平智能电网商业机会国家电网公司规划Eamil:guochuangxin@战略框架：一个目标、两条主线、三个阶段、四个体系、五个内涵、六个应用环节研究试点(2009－2010）：关键技术设备研究及试点“两横两纵”特高压网架基本形成可再生能源发电运行控制及功率预测技术取得突破特高压直流输电核心技术达到国际领先水平电网优化配置资源超过1.2亿千瓦完成智能变电站建设及改造试点完成智能配电网示范性工程建设建设双向服务试点智能电表全面覆盖10千伏电压等级的大用户完成智能调度技术支持系统开发，并在在国调、三华网调和部分省市投入运行建设四个通讯枢纽中心建成“SG186”工程智能电网商业机会Eamil:guochuangxin@全面建设(2011－2015）：基本建成坚强智能电网关键技术设备达到国际领先水平可再生能源发电运行控制及功率预测技术全面推广电网优化配置资源超过2.4亿千瓦在电网部分重要区域内开展枢纽变电站智能化建设和改造完成省会城市实用型配电自动化系统建设双向服务在部分城市应用基本建成用电信息采集系统完成智能调度技术支持系统建设建成规范、统一、全面覆盖的输配电通信传输网、接入网、管理网、同步网基本建成国家电网资源计划系统SG-ERP国家电网公司规划战略框架：一个目标、两条主线、三个阶段、四个体系、五个内涵、六个应用环节智能电网商业机会国家电网公司规划Eamil:guochuangxin@引领提升(2016－2020）：全面建成坚强智能电网技术设备达到国际领先水平可再生能源有序并网发电，并与电力系统协调经济运行电网优化配置资源超过4亿千瓦枢纽及中心变电站完成智能化建设和改造重点城市建成具有自愈、灵活、可调能力的智能配电网双向服务得以推广全面建成完善用户用电信息采集系统进一步强化和优化通信网络全面建成SG-ERP系统战略框架：一个目标、两条主线、三个阶段、四个体系、五个内涵、六个应用环节智能电网商业机会相关上市公司（归纳成7个方面的领先企业）1、特高压特变电工特高变压器、电线电缆、高压电子铝箔新材料、太阳能核心控制部件天威保变变压器（特别是核电变压器）、太阳能平高电气高压/特高压开