智能电网与电力电子技术

10/25/20231内容

智能电网的产生的背景概念、定义和特征智能电网研究的动向智能电网建设的宏伟蓝图—坚强的智能电网智能电网建设中的电力电子技术10/25/202321.智能电网的产生的背景现代电网的规模日益庞大和复杂10/25/20233电力系统的发展与变化－传统的电力系统10/25/20234电力系统的发展与变化－现代电力系统10/25/20235智能电网的产生的背景电力供应对人类社会影响的广度和深度越来越强大停电局部停电暂态电能质量事故的影响10/25/20236电力—现代社会的重要基础现代社会的发展对电网提出更高的要求驱动因素

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.(加州：RE-2010:20%,2020:33%,如达不到，罚款高达$10-55/MWh)

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。

10/25/20237智能电网建设的驱动力

电网的结构性特点：(1)电力系统“发电、输电、配电和用电”四个环节构成(2)缺乏有效的电力存储措施，上述四个环节必须时刻保持均衡(3)电网是一个充分暴露的、开放的、人造大系统，投资大、建设周期长(4)不同历史时期的电网共同运行10/25/20238智能电网建设的驱动力现代电网面临的挑战：(1)跨区域电网的电力交易(2)可再生能源接入(3)用户对高质量、高效率和高可靠性的需求(4)电网事故导致的大停电威胁(5)按需供电，提高全社会的生产效率，节能减排(6)电网安全的需要10/25/20239美国发展智能电网的驱动力：改造老化的电网设备，提高供电的可靠性和安全性；提高能源的利用效率和技术的先进性；提高用户对电价的可承受能力（affordable)；适用环境和气候的变化，适用可再生能源的接入降低排放水平；提高在全球的竞争性。10/25/202310作为欧洲2020年及后续的电力发展目标，未来欧洲电网应满足如下需求:（1）灵活性(Flexible)，在适应未来电网变化与挑战的同时，满足用户多样化的电力需求；（2）可接入性(Accessible)，使所有用户都可接入电网，尤其是推广用户对可再生、高效、清洁能源的利用；（3）可靠性(Reliable)，提高电力供应的可靠性与安全性以满足数字化时代的电力需求；（4）经济性(Economic)，通过技术创新、能源有效管理、有序市场竞争及相关政策等提高电网的经济效益。欧盟理事会在2006年的绿皮书(GreenPaper)《欧洲可持续的、竞争的和安全的能源策略》(AEuropeanStrategyforSustainable，CompetitiveandSecureEnergy)”强调，欧洲已经进入一个新能源时代，能源政策最重要的目标必须是供电的可持续性、竞争性和安全性。10/25/202311智能电网--电网发展与规划的产物为了满足以上需求.对电网发展战略规划的研究和制定成为世界各国的重要课题智能电网的出现正是这一时代背景下的产物10/25/202312美国智能电网的发展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国外智能电网研究发展概况10/25/202313欧洲智能电网的发展成立“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各国开展自己的智能电网建设探索,应对21世纪的各种挑战和机遇智能电网国外智能电网研究发展概况（3）TheSDDStrategicDeploymentDocument（1）EuropeanSmartagrids

TechnologyPlatform：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10/25/20231410/25/202315“智能电网”是目前被大家普遍接受的术语和称谓

“TheSmartGrid”,DOE,USA,20082008.11.11-11.13,中美清洁能源合作组织(JointUS-ChinaCooperationonCleanEnergy–JUCCCE-)，聚思--“SmartGrid”specialsession2008.11.18--中美绿色能源论坛–“SmartGrid”SpecialsessionSmartDistributionGrid:TheRoleofTechnology,toolsandTechniquesforadvancedAutomationandplanning—byS.S.Venkata,Univ.ofWashington,USA,--IEEEDLPTutorial,Dec.22,Beijing,China换句话说:智能电网是未来电网的发展方向!这已成为全世界的共识10/25/2023162.智能电网的概念、定义和特征定义（definition)以物理电网为基础(中国的智能电网是以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础)，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。10/25/202317智能电网主要具有坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征(Characteristic)（要素KeyElements）：10/25/202318智能电网主要具有坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征（要素、要求）：（1）坚强（Robust）在电网发生大扰动和故障时，电网仍能保持对用户的供电能力，而不发生大面积的停电事故；在自然灾害和极端气候条件下、或人为的外力破坏下仍能保证电网的安全运行；具有确保信息安全的能力和防计算机病毒破坏的能力。（2）

自愈（Self-Healing）具有实时、在线连续的安全评估和分析能力，强大的预警控制系统和预防控制能力，自动故障诊断、故障隔离和系统自我恢复的能力。（3）

兼容（Compatible）能支持可再生能源的正确、合理地接入，适应分布式发电和微电网的接入，能使需求侧管理的功能更加完善和提高，实现与用户的交互和高效互动。10/25/202319智能电网主要具有坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征（要素、要求）：（4）经济(Economical)

支持电力市场和电力交易的有效开展，实现资源的合理配置，降低电网损耗，提高能源利用效率。（5）集成（Integrated）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、规范化和精细化的管理。（6）优化（Optimized）优化资产的利用，降低投资成本和运行维护成本。10/25/202320名称：坚强的智能电网（StrongSmartGrid

）

4个特征：（1）数字化：数字化电网、数字化电表与数字化用电设备（2）信息化：市场信息、电网信息、用户信息与宽带通信形成的信息平台（3）自动化：大电网安全稳定控制（高级智能调度），变电站自动化与用户用电系统智能控制（4）互动化：电网、发电与用户以信息为基础的互动

10/25/202321未来智能电网技术应重点突破：先进的相量测量（PMU）和广域测量技术（WAMS）；先进的三维、动态、可视化技术；高级计量-无线、自动计量读数（Advancedmeteringinfrastructure—AMI）(Automaticmeterreading-AMR)；

需求响应(DemandResponse)；(需求侧管理DSM)

先进的配电自动化–高级配电运行(ADO)功能使“自愈”(SelfHealing)成为可能；分布式发电技术(DistributedGenerationorDistributedEnergyResources---DGorDER)及电力储能技术等10/25/202322一个完整电力系统的含义从发电到用户多样化的完整能源传输途径；高速、接近实时、双向通信；具备快速诊断和恢复功能的各类传感器（安装于变压器、断路器以及重合装置上）；分布式发电能量存储10/25/202323国外智能电网的七大特征允许消费者主动参与适应所有发电和储能选择允许新的产品、服务和交易提供面向“数字经济”的电能质量有效优化的资产和运行对系统扰动的可预见和响应（自愈）抵御攻击和自然灾害10/25/20232410/25/20232510/25/2023263.国外专家认为未来智能电网技术应包括以下一些主要内容：先进的相量测量（PMU）和广域测量技术（WAMS）；先进的三维、动态、可视化调度技术；高级计量-无线、自动计量读数（Advancedmeteringinfrastructure—AMI）(Automaticmeterreading-AMR)；需求响应(DemandResponse)；(需求侧管理DSM)

先进的配电自动化–高级配电运行(ADO)功能使“自愈”(SelfHealing)成为可能；分布式发电技术(DistributedGenerationorDistributedEnergyResources---DGorDER)电力储能技术(蓄电池、混合动力电动汽车-1kWh=5~6公里）等10/25/202327（1）美国能源部(DOE)是电网智能化研究的发起者和重要的投资者。（2）“电网智能化联盟”成员包括:

跨国技术公司：AREVA、GE、IBM；电力公司和电网运营商：AEP、Bonneville电力管理局、PJM及法国EDF；研究机构：美国电科院EPRI、Battelle、RDS和SAIC。（3）电网智能化架构委员会（GWAC）由一系列的专家组成，受美国能源部的部分资助，从事制定建立未来电网架构的原则。（4）2005年欧洲委员会正式成立“智能电网欧洲技术论坛”。欧洲还将成立“智能电网协会”。（5）IEC去年底筹建SG3“智能电网”战略组。

根据目前掌握的情况，还没有智能电网的国际标准或国家标准。3.智能电网研究概况智能电网研究机构10/25/202328

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:目前建设的智能电网主要有两个方面：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”。

国外智能电网研究概况智能化实践最新成果10/25/202329美国智能化实践最新成果国外智能电网研究概况AC2Boulder（伯德市）tobecomefirstSmartGridCity

10/25/202330GE:Smartgridyieldsnet-zeroenergyhome－净零能耗家园10/25/202331净零能耗家园的构成10/25/202332家庭用电设施10/25/20233310/25/202334净零能耗家园的主要技术

(1)太阳能或风力发电装置(2)储能装置(3)家庭能源控制装置(4)智能计量(5)高效节能灯(6)需求响应器（DRA）10/25/2023353.中国的智能电网研究的新动向

(1)国家电网公司制定智能电网发展战略框架(2)中国电机工程学会启动国家电网2030技术路线图项目(3)天津大学成立智能电网研究院(4)中国电力科学研究院成立智能电网研究中心(5)国家电网公司筹建“智能电网研究院”10/25/202336面临的主要挑战（一）电网的未来发展必须保证安全稳定、经济高效、灵活开放的可靠运行，并具备抵御重大灾害、大停电事故的能力，实现大范围优化配置资源的功能，成为一个可持续发展的现代化电网。电源的规模、结构、布局对电网技术的发展有着重要的影响。预测到2030年风电要到7.5%，太阳能发电要到近2％，核电要增加到7％。这给电网发展提出了如新能源的电网接入、适应新电源结构的电网调度等新的技术挑战。10/25/202337面临的主要挑战（二）电网安全已经纳入国家安全体系中。为了适应电网和国家的可持续发展，必须合理规划国家电网的技术发展蓝图，这是关系国家经济命脉、左右电力工业发展前景的关键问题。各国都非常重视电网的中长期蓝图规划，其中以美国的“GRID2030”和欧洲的“SmartGrid”计划最为突出。中国必须拿出自己的智能电网规划。10/25/202338我国发展按照考虑N-1情况下特定预想事故的原则，规划建设多馈入直流和交流系统并联的华东区域坚强受端网架初步建设高级调度中心开展数字化变电站试点开展相关技术研发坚强受端大电网

规划建设适应电力市场要求的特高压电网，满足“三华”联网需要建成高级调度中心数字化变电站推广适应电力市场要求的运行技术

FSM的研究与应用数字化电网

规划以自愈为目标的智能电网实现智能化调度新型材料和智能设备的全面使用可再生能源的友好接入实现与用户的智能互动智能化电网201020202030智能电网全面转型巩固提升引领超越200710/25/2023394.中国智能电网发展战略框架发展基础体系技术支撑体系智能应用体系标准规范体系一个发展目标三个发展阶段两条发展主线四个构架体系N个实施重点和研发计划按照“安全可靠、清洁高效、自愈可调”的要求，构建以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的中国特色坚强的智能化电网技术上实现信息化、自动化、数字化、互动化管理上实现集团化、集约化、精益化、标准化目前-2012：前期准备阶段2013-2015：试点应用阶段2016-2020：推广建设阶段10/25/202340国家电网2030技术路线图目项目研究内容和预期目标从能源的战略与布局、电网发展的需求与态势、技术发展的方向与应用出发，研究技术发展存在的问题及制约因素，研究影响电网发展的重要因素，评价新技术在电网发展中的应用前景，研究未来20年电网技术发展的方向和趋势，以2015、2020、2030作为三个水平年，对于现有的成熟技术、正在发展中的技术、在实验室阶段的新技术，作出评估和预测；参照国家电网公司电网发展规划和近期制定的智能电网发展规划，估计未来20年电网技术的发展趋势，深入探讨研究2030年我国的电网技术发展的水平，达到的技术经济指标,及关键技术发展的实现。10/25/202341项目研究内容和预期目标（续）包含10项研究内容：1.国内外能源、电力发展趋势，电网技术发展方向，描述2030电网总体技术景象（含智能电网内容）。项目研究总报告的纲要和全文。2.国家电网发展态势，包括用电需求、电源组成、电力流、电网结构等方面。3.大容量、远距离、超/特高压交/直流输电技术，包括设备、线路方面的新技术，其发展的方向和程度。4.大规模电力系统及其自动化技术，包括安全稳定、保护和自动化。10/25/202342项目研究内容和预期目标（续）包含10项研究内容（续）：5.配电网及用电技术，包括城市及农村电网、电网信息技术、分布式电源、微电网、电能质量，以及相应的装备、设备技术；用电技术，智能电表、负荷响应和反馈等。6.可再生能源发电及接入电力系统的技术。7.电力电子技术及其在电力系统中的应用。8.能源转换及储能技术。9.超导电力技术。10.电力运营和电力市场技术。10/25/202343中国智能电网发展目标发电输电用电配电采用先进、高效的多元化发电技术，实现结构调整与布局优化，满足国家能源发展战略要求机组的可靠性、可用性和可调性指标满足电网智能运行要求实现机网信息的双向交换、双向交互式自动控制实现可再生能源有序并网和“即插即用”实现高效、可靠、灵活、优质的电力配送；增强接纳分布式能源系统接入能力高效、灵活、合理的网架结构配电网络的自组织、自优化分布式电源自适应接入与控制满足经济社会电能质量的多元化要求面向企业管理和用户需求的配电网智能决策支持实现电网与用户之间的实时交互响应，增强电网的综合服务能力，提升服务水平借助双向供电技术，实现双向互动营销,促进用户参与市场推动智能楼宇、智能家电、智能交通等领域技术创新提高电网的综合服务能力，促进社会资源的优化整合满足大型能源基地的能源外送，实现更大范围资源优化配置，与其它资源体系实现战略互补

连接大型能源基地及主要负荷中心的特高压输电骨干网架跨大区经济调度和资源优化配置强大的电网抗攻击和快速自愈能力灵活适应国家能源政策及行业发展目标实现电力流、信息流、业务流的有机融合构建坚强、自愈、清洁、经济、集成为特征的柔性电力网络系统10/25/202344实现机组重要运行参数的在线监测，包括实时煤耗、实时排放等环保指标加强对提高发电设备的可调节、抗扰动等能力的技术研发实现电网与机组之间的双向交互式自动控制可再生能源的预测与控制技术发电先进特高压交直流输电技术全维度智能化高级电网调度技术

电网节点支撑技术实时安全监测及辅助决策系统优化运行、预防控制、紧急控制、校正控制、恢复控制智能决策应用可预测、可调节、平滑转移的潮流控制技术输电建立配电网智能决策平台构建配网综合信息管理平台分布式能源系统接入技术先进的供电安全快速预警及控制技术配电网智能自愈技术配电先进的双向用电信息管理体系支持双向互动的智能表计、智能终端、用户门户等技术与电网双向互动的智能电器用户电源与储能设备智能接入用户通信能源一体化等增值服务技术用电中国智能电网关键技术智能电网装备技术先进通信体系架构电网快速仿真及建模状态检修、资产全寿命管理统一模型的电网信息支持平台10/25/202345中国智能电网发展路线图发电输电用电配电2020年2015年2012年实现电网对机组运行参数的在线自动控制，可再生能源大规模并网运行实现电网与机组之间信息双向交换、数据传送的召唤服务，实现可再生能源并网的“即插即用”机组的可靠性、可用性和可调性指标满足电网稳定运行的要求完善智能变电站的分布决策能力，完善的电网自愈能力，坚强的特高压目标网架形成。高级调度系统在国网系统的全面推广针对用户需求定制服务允许用户向电网提供多余的电力；增值服务体系；双向营销推广建设坚强的“三华”电网逐步形成；智能电力市场交易运营系统初步完成；完善高级调度系统功能营销业务系统优化与完善；建设双向互动营销试点特高压环网初步形成，完成高级调度系统主要功能模块，开展数字化变电站关键基础技术研究完成电力用户用电信息采集系统建设；完善需求侧管理实现智能配电网快速仿真和分析,实现配电网智能自愈自优化.全面推广高级配电网智能控制系统,实现面向企业管理和用户需求的智能决策支持实现分布式发电的并网运行及控制,广泛应用智能配电网节能技术及智能电网设备,实现电力企业信息集成及分析决策。构建高效灵活合理的网架结构，制定智能配电网标准模型和智能控制终端的标准体系；完成电能质量监测与控制系统标准化平台的研发10/25/202346实现发电侧与电网之间的协调发展电源规划与电网规划协调一致，能够满足电网稳定运行的要求机组的可靠性、可用性和可调性指标满足电网稳定运行的要求实现机组重要运行参数在线监测，包括实时煤耗、实时排放等环保指标实现电网对发电侧的自动控制电源规划与电网规划良性互动，能够满足电网自控运行的要求机组的可靠性、可用性和可调性指标满足电网自控运行的要求实现机组主要设备工况和缺陷的在线监测，为电网提供事故预警信息实现发电侧与电网的智能一体化运行电源规划与电网规划融合发展，能够满足电网智能运行的要求机组的可靠性、可用性和可调性指标满足电网智能运行的要求实现机网信息的双向交换、数据传送的召唤服务实现电网对机组运行参数的在线人工控制试验性质的可再生能源规模并网运行实现电网对机组运行参数的在线自动控制可再生能源大规模并网运行实现电网与机组之间的双向交互式自动控制实现可再生能源并网的“即插即用”发电系统分阶段业务目标及技术路线图2020年2015年2012年10/25/202347在适应未来变化和挑战的同时，满足用户多样化的电力需求建设坚强的输电网络、为能源在更大范围内的优化配置奠定坚实的基础特高压环网初步形成推进PMU、WAMS的普及，实现全网的实时可观测初步建立安全监测及辅助决策系统完成高级调度系统主要功能模块电网更安全可靠，输电更经济环保，能源更清洁多样坚强的“三华”电网逐步形成建立完善的监测、事故预警、故障识别、安全评估及辅助决策系统校正控制、紧急控制的自动化，部分实现自愈功能完善高级调度系统功能坚强的特高压目标网架形成实现从系统监测到与控制措施实施的完全闭环完善的电网自愈能力高级调度系统在国网系统的全面推广开展750kV及以上电压等级灵活输电设备关键技术研究、完成示范工程建设开展电力市场运行技术专项研究，开发交易运营系统初步完成状态检修系统、资产全寿命管理系统设计工作开展数字化变电站关键基础技术研究开展灵活输电设备在智能电网中的调节控制策略研究智能电力市场交易运营系统初步完成状态检修系统、资产全寿命管理系统全面推广、深化研究建立具有初步分布分析决策功能的智能变电站灵活输电设备大量应用，潮流控制的灵活性大大增加实现多级电力市场协调运作、在运营核心技术领域实现重大突破全面实现状态检修、资产全寿命管理的智能分析决策完善的智能变电站分布分析决策能力输电系统分阶段业务目标及技术路线图2020年2015年2012年10/25/202348实现面向企业管理和用户需求的智能决策支持构建灵活、合理的网架结构构建智能电网标准智能支持原型平台开展配电网快速仿真及建模研究形成智能控制终端的标准体系完成电能质量监测与控制系统标准化平台研发实现中低压电网的运行自动化，管理数字化构建智能电网动态多维虚拟化综合性地理信息平台，实现智能电网在地理信息范畴的智能化实现分布式发电的并网运行及控制实现智能控制终端的自适应、自组织、自管理

实现智能配电网快速仿真和分析实现从系统监测到与控制措施实施的完全闭环实现配电网智能自愈自优化高级配电网智能控制系统在国网系统的全面推广建立智能配电网统一模型和信息交换接口模型智能配电网信息集成总线制定智能配电网标准模型及交换服务全面推进电能质量监测与控制系统的应用

完善智能配电网规划理论及方法智能配电网节能技术及智能电网设备广泛应用实现电力企业信息集成及分析决策

实现供电安全的快速预警及控制实现智能化配电网在线风险评估，自动识别配电网供电薄弱环节实现发输配用各环节的协调优化调度配电系统分阶段业务目标及技术路线图2020年2015年2012年10/25/202349实现用电信息“全覆盖、全采集”，提升用户服务能力完成电力用户用电信息采集系统建设建立公司总部营销实时信息平台完善需求侧管理为双向互动营销建立基础，初步建立营销管理现代化体系双向互动营销试点建设更具竞争力的市场营销策略营销业务系统优化与完善增强客户体验与服务，建立新型客户关系针对用户需求定制服务允许用户向电网提供多余的电力双向营销推广建设增值服务体系汽车电网主站数据采集及业务应用技术可靠电力线载波等互动通信技术集中器、采集器、高级通信电能表相关技术安全防护体系技术智能表计技术智能用户交互终端用户门户技术用户通信能源一体化技术用户电压调节技术实现用户用电优化建议智能家居与高效能设备用户电源与储能设备接入技术充电站技术用电系统分阶段业务目标及技术路线图2020年2015年2012年10/25/202350借鉴国家智能电网建设的先进经验1232006年4月