三分鐘告訴你智能電網(wǎng)的挑戰(zhàn)性問題是什么

智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員余貽鑫、劉艷麗，在2015年第2期《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》雜志上撰文，智能電網(wǎng)發(fā)展的各個(gè)階段，從基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)的研究直到開發(fā)、示范和運(yùn)行都會(huì)出現(xiàn)障礙。指出其中關(guān)鍵性的障礙，可以明確如何才能最大限度地發(fā)揮其潛能，從而為國(guó)家提供廣泛的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。為此，梳理出發(fā)展智能電網(wǎng)所面臨的11個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)性問題，強(qiáng)調(diào)指出：計(jì)量科學(xué)和技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的制定是需要優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，多學(xué)科交叉合作是發(fā)展智能電網(wǎng)的必然選擇，法律框架和監(jiān)管、市場(chǎng)設(shè)計(jì)以及管理改革是智能電網(wǎng)成功實(shí)施并獲取應(yīng)得效益的基本保障。

實(shí)施智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略不僅能使用戶獲得高安全性、高可靠性、高質(zhì)量、高效率和價(jià)格合理的電力供應(yīng)，還能提高國(guó)家的能源安全，改善環(huán)境，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)能夠激勵(lì)市場(chǎng)不斷創(chuàng)新，從而提高國(guó)家的國(guó)際經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。簡(jiǎn)而言之，提高供電安全性、生態(tài)可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力是智能電網(wǎng)的3個(gè)目標(biāo)。

智能電網(wǎng)最本質(zhì)的特點(diǎn)是：電力和信息的雙向流動(dòng)性，并由此建立起一個(gè)高度自動(dòng)化和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò)；把分布式計(jì)算和通信的優(yōu)勢(shì)引入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)交換和達(dá)到設(shè)備層次上近乎瞬時(shí)的供需平衡。

未來(lái)的電網(wǎng)將由集成的電力網(wǎng)和通信網(wǎng)組成。電力網(wǎng)是靈活的、可重構(gòu)的，且電所及之處均有可靠的雙向通信，由底層的智能網(wǎng)絡(luò)代理（INA）開始這兩張網(wǎng)高度融合。

微處理器歲月之前創(chuàng)建的集中規(guī)劃和控制的電力基礎(chǔ)設(shè)施，在很大程度上限制了電網(wǎng)的靈活性，失去了效率，致使在安全性、可靠性等幾個(gè)關(guān)鍵方面承擔(dān)著風(fēng)險(xiǎn)。所以智能電網(wǎng)是分布式智能的基礎(chǔ)設(shè)施。

以智能配電網(wǎng)為例，它被分成許多片（Cell），每個(gè)Cell中有許多由片內(nèi)通信連接起來(lái)的INAs（如繼電保護(hù)、分布式電源（DER）等），這些代理能夠收集和交流系統(tǒng)信息，可以對(duì)局部控制作出自主決策（如繼電保護(hù)），也可以通過(guò)Cell中的配電快速仿真與建模（DFSM）協(xié)調(diào)做出決策（如電壓調(diào)節(jié)與無(wú)功優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)）；同時(shí)各片之間有通信聯(lián)系，由裝有DFSM的配電調(diào)度中心協(xié)調(diào)各片的決策；進(jìn)而輸、配電調(diào)度中心之間也通過(guò)通信聯(lián)絡(luò)起來(lái)，裝有輸電快速仿真與建模（TFSM）的輸電調(diào)度中心，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的要求協(xié)調(diào)決策，實(shí)現(xiàn)跨地理邊界和組織邊界的智能控制，使整個(gè)系統(tǒng)具有自愈功能和強(qiáng)抗擾能力。

在智能電網(wǎng)中由于能夠?qū)崟r(shí)交換信息，使得大量分布式發(fā)電（含風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電）和分布式儲(chǔ)能在電網(wǎng)中可以即插即用，進(jìn)而還可參與運(yùn)行優(yōu)化；使得用戶中可平移負(fù)荷，可與電網(wǎng)友好合作（猶如虛擬電源），幫助電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理（如削峰填谷），并在緊急情況下支援電網(wǎng)運(yùn)行。

通常把分布式發(fā)電、儲(chǔ)能和需求側(cè)管理統(tǒng)稱為DER。如何處理數(shù)以萬(wàn)計(jì)的DER并應(yīng)對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電的間歇性、多變性和不確定性，同時(shí)確保電網(wǎng)的可靠性以及人身和設(shè)備安全，并激勵(lì)市場(chǎng)的問題已經(jīng)歷史性地?cái)[在面前。

智能電網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)前述3個(gè)目標(biāo)并具備前述的特點(diǎn)，所面臨的挑戰(zhàn)是極其廣泛的，涉及許多技術(shù)、體制和社會(huì)問題。在其發(fā)展的各個(gè)階段，從基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)的研究直到開發(fā)、示范和運(yùn)行都會(huì)出現(xiàn)障礙。厘清其發(fā)展過(guò)程中關(guān)鍵性的障礙，可以幫助明確如何才能使其最大限度地發(fā)揮潛能，從而為國(guó)家提供廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。本文試圖歸納智能電網(wǎng)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)性問題。

1）基礎(chǔ)設(shè)施

2）標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

3）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（賽博系統(tǒng)）安全

4）運(yùn)行和規(guī)劃模型

5）負(fù)荷與電源計(jì)劃安排與調(diào)度

6）儲(chǔ)能

7）能源效率、需求響應(yīng)和負(fù)荷控制

9）態(tài)勢(shì)感知

10）市場(chǎng)設(shè)計(jì)

11）法律框架和監(jiān)管路徑

結(jié)語(yǔ)

最后需要說(shuō)明的是：當(dāng)對(duì)智能電網(wǎng)3個(gè)目標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，智能電網(wǎng)實(shí)施的路線圖也會(huì)不同，因而上述挑戰(zhàn)性問題的優(yōu)先級(jí)也會(huì)略有變化。

這里特別強(qiáng)調(diào)指出以下幾點(diǎn)。

1）計(jì)量科學(xué)和技術(shù)上的進(jìn)步，以及標(biāo)準(zhǔn)的制定，將貫穿這些挑戰(zhàn)，并影響智能電網(wǎng)的各個(gè)方面。例如：①缺乏標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化和有效通信的障礙；②缺乏適當(dāng)?shù)脑u(píng)估、量測(cè)和證實(shí)方法，制約有效利用EE、DR和DLC策略的能力；③安全性（如電力系統(tǒng)概率的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全性評(píng)估）、電網(wǎng)性能以及規(guī)劃的測(cè)度不充分、不一致或不存在。

所有這些挑戰(zhàn)都具有較強(qiáng)的計(jì)量科學(xué)和技術(shù)的根源。因此，如果得到解決，就可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。為了加速智能電網(wǎng)的發(fā)展和收獲潛在的（能量的、經(jīng)濟(jì)的、環(huán)境的和社會(huì)的）效益，這些無(wú)疑是至關(guān)重要的和需要優(yōu)先研究的課題。

2）需要應(yīng)對(duì)復(fù)雜的、多學(xué)科的工程挑戰(zhàn)。為了加快智能電網(wǎng)的創(chuàng)新，同時(shí)需要科學(xué)與工程兩個(gè)方面的進(jìn)展。物理科學(xué)領(lǐng)域的科研人員和工程師需要與信息科學(xué)的同行密切合作，并使用共同的語(yǔ)言和協(xié)議，以確保獲得具有抗擾能力的、可行的設(shè)計(jì)。

3）法律框架和監(jiān)管、市場(chǎng)設(shè)計(jì)以及管理改革，是智能電網(wǎng)成功實(shí)施并獲取應(yīng)得效益的基本保障，需要國(guó)家層面的關(guān)注，也需要社會(huì)學(xué)家（含律師）與科技專家的密切合作。