1.3 智能电网所涉及的技术与相关产业

根据智能电网的发展目标，智能电网将广泛采用先进的传感器及传感器网络技术、智能仪器仪表、预测预报技术、通信技术、计算机技术、芯片技术、智能电力设备、智能用电器、电力电子技术、可再生能源并网技术、分布式电网技术、储能与电池技术、超导技术、新材料等。因此，发展智能电网具有巨大的经济带动作用。具体说来，智能电网涉及的技术与产业主要包括信息层面和物理层面两大方面。

1.信息层面

（1）高级传感和测量技术 用于实现对电网所有信息的实时监视与测量，包括对分时电价和用户响应的快速准确判断。主要包括：

1）智能电表。智能电表不仅能够响应分时电价和实现自动抄表，而且可以作为联系用户和外部电网的智能终端，即可以通过智能电表实现对用电器的监测和控制。实际上，智能电表将成为用户网特别是家庭网与外部网的“网络接口”。

2）广域分布的能够实时监测各种设备和网络的运行参数、状态参数、故障状态及故障定位、外部环境参数和自然条件的大量传感器、传感器网络、测量单元和测量系统。这些测量与检测系统能够与电网通信系统有机融合。为此，各种高精度低能耗的传感器及其网络及用于传感器的微小能源系统、相量测量单元（Phasor Measurement Units,PMU）、广域测量系统（Wide Area Measurement System,WAMS）、故障识别与定位技术等将得到大量应用。

（2）通信技术 基于统一标准下的开放并高度集成的通信系统，将覆盖从发电机到用户终端的全部范围，可以实现对电网中每一个设备的实时控制和信息交换，电网中的每一部分均可以双向通信。通信网可以对传感器和控制装置、控制中心、保护系统和用户建立一个安全的“即插即用”的应用环境，并可以实现系统全部参数和状态的可视化。按照不同的层次，通信网包括三个层次：用户户内通信网（HAN）、局域通信网（LAN）和广域通信网（WAN）。HAN通过智能电表和可控的电器或装置连接起来，使得用户能根据电力公司的需要与电网互动。LAN连接智能电表和局域数据与控制中心，局域数据与控制中心可以即时或按照预先设定的时间收集或接收来自智能电表的各种信息，也可以发布或中继区域数据中心发给下游智能电表和用户的命令和信息，同时局域数据与控制中心通过WAN和区域数据中心及广域数据中心相连。在通信网络中，根据通信的具体要求，分别采用不同的媒介来实施通信。例如，对于HAN，可以采用电力线载波通信（PLC）、Wi-Fi甚至蓝牙技术；对于LAN，可以采用ZigBee、WiMax、移动电话通信网或带光纤的电力线；对于WAN，可以采用因特网（IPv6）、光纤以太网、3G或4G网络等。

（3）兼容的信息平台 包括设备级和电网级的通用信息平台。

1）设备是构造智能电网物理层的基础，在对设备进行数字化和智能化升级之后，几乎所有设备的物理系统与其信息系统都将高度融合，并且该设备还能够自动或按指令完成任务，因此设备应具备与外部完全兼容的信息平台——主要包括其数据结构和通信系统。

2）电网级的信息平台主要包括电网各级数据中心的结构、可兼容的功能软件，可以多种通信方式实现数据的动态共享、大容量高速存取、冗余备用、精确数据对时等。基于信息平台，还可以进行发电—输电—配电—储能—用户或分布式电网的业务分析，以及国家—区域—地区—局域网络信息分析，并形成发电计划—停电计划—运行计划—资源管理—生产优化—风险管理—负荷管理—市场管理等。该平台运用平面显示、三维动画、语音识别、触摸屏、地理信息系统（GIS）等视频和音频技术，提供个性化的可视化界面。

（4）网络安全与信息安全 由于智能电网是一个高度信息化的网络，电网安全的涵义不仅限于传统意义上的安全，其通信网络和信息安全也是重要的安全内容。包括：复杂大系统的网络生存、主动实时防护、数据安全存储、网络病毒防范、恶意攻击防范、信息信任体系、安全密码技术、实时镜像备用等。

（5）预测预报技术 强大的预测与预警能力是智能电网的重要特征。预测预警以高性能传感、测量、通信和信息处理为基础，可实现信息的短时甚至超时的预测和预警，主要包括：各类负荷的短期预测、气象短期预测、可再生能源的发电功率短期预测、电力设备的能力评估和故障预警等。

（6）专用芯片 智能电网将采用大量的芯片来武装现有的设备，从而对设备进行数字化和智能化升级，使之能够根据电网的需要完成特定的任务。主要包括：智能电表所用的计量芯片、用电设备与控制设备及开关的智能驱动芯片与控制芯片、精确计时用的时钟芯片、各种设备与传感器的通信芯片等。

（7）电网实时仿真与模拟技术（数据处理与决策） 实时仿真与模拟是包含状态评估、风险评估、控制与优化的计算与软件系统，它不仅限于对紧急情况做出快速反应，而且能为电网提供强大的数学支持。实时仿真与模拟技术建立在信息获取（传感与测量）和通信及信息平台的基础之上，能够对所有设备（发电、输配电、用电、功率变换）和网络进行建模，利用超级计算或云计算、针对电网的具体结构采用分布式计算的方式来实现。通过仿真和模拟，结合专家系统，可以获得电网在不同状态下的优化运行方案，对可能出现的问题（如稳定裕度不足、阻尼和备用不足等）进行预测并提前给出相应的优化解决方案，从而改善电网稳定性、安全性、可靠性和整体效率效益。

（8）智能继电保护技术 继电保护的功能是在出现故障、自然灾害或人为失误时，保障设备和电网的安全。因此，继电保护也包括设备保护和系统保护。设备保护主要是保护设备免受损伤，而系统保护的任务就是当电网正常运行被破坏时，尽可能将其影响范围限制到最小且使负荷停电时间减到最短。在智能电网中，继电保护将越来越向计算机化、网络化、智能化方向发展，并与电网的传感测量、信息通信和决策控制系统融为一体。

2. 物理层面

（1）电网结构重构技术 传统电网（特别是配电网）的放射状网络不能保障在线路发生故障时快速恢复对负荷供电。构造灵活的可重构的网络结构，可使电网在经历故障时，能够把故障的影响控制在最小的范围，并可以实现快速的供电恢复。为此，在配电系统层面，需要发展环形配电网和环形母线，以实现潮流的灵活控制和相邻配网间的功率交换。在输电系统层面，需要根据可再生能源的分布、负荷分布和储能系统的分布，合理确定输电网的结构，并采用交直流混合输送方式，实现对电力的有效配送和双向控制。在分布或电网层面，多种可再生能源（光伏发电、小水电、小型风电、小型燃气发电等）和储能系统将大量接入，为了保障供电安全可靠性和实现资源的优化配置，也需要发展环形结构的网络。综上所述，需要发展快速开关（包括快速分断开关和快速切换开关）、具有双向潮流控制功能的电力装备、多端直流输电装备等新兴产业。

（2）电力电子器件与装备 在智能电网中，电力电子装备是实现电能变换与控制的关键装备，也是响应电网决策指令的核心部件之一，一个没有电力电子装备的智能电网是不可想象的。主要包括高级电力电子器件[如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）器件、新型的碳化硅（SiC）器件和氮化镓（GaN）器件等]、多功能固态开关、柔性交流输（配）电的系列装备（FACTS和D-FACTS）、故障电流限制器、智能万用变压器等。智能电网可以采用新的控制逻辑，使这些控制装置协同运行，从而实现集成控制，以全面提高电网的输送能力、安全性、可靠性、稳定性和电力质量。

（3）智能电力设备与智能用电器

1）智能电力设备主要利用传感技术、仿真技术、通信技术和嵌入式系统，对电力设备进行数字化智能化升级，使得运营商能够准确识别电力设备的运行状态、运行能力、过载能力、故障发生的可能性及对这些设备进行寿命评估。智能电力设备包括智能变压器、智能电抗器、智能开关、智能输配电线路等，也可以包括作为电网节点的智能变电站。智能电力设备实现的关键是采用合适的传感技术和精确的仿真模型和评估模型，以对设备的“健康状态”和“能力水平”进行有效评估。

2）智能用电器主要是在用电器中引入网络通信系统和智能控制系统，以便用电器能够自动或根据指令响应电网的需求，实现用电与电网的互动并使电网“知晓”电器的状态及其需求。智能用电器一般可以通过HAN与外部电网和信息网联系起来，因而它也是实现所谓的“智能家居”和“智能园区”的重要组成部分。

（4）分布式电网技术与智能园区

1）一般来说，分布式电源总是存在于用户的配电网中，因此分布式电网实际上就是分布式电源、配电网和用电设备通过合理的结构和运行控制及管理手段而形成的有机统一整体。由于分布式电源靠近负荷，因此可以提高供电可靠性和电能质量，从而带来很大的综合效益。随着分布式电源的不断发展，分布式电网将成为电网末端的重要组成部分。分布式电网技术包括分布式电源接入技术、分布式储能技术、分布式电网的能量管理与运行控制技术、传感测量与故障识别技术、电流控制技术、分布式电网与外部电网并网及双向潮流控制技术、分布式电网内部的信息与通信技术及计算与仿真技术、用电管理等。可以说，分布式电网实际上包括了智能电网的几乎所有内容。

2）由于分布式电网处于电网末端，且与分布式电源、智能用电器等密切融合，因而它也可以通过其信息和通信系统与园区内的安防、自来水、天然气、采暖和中央空调、园区管理及因特网等系统融为一体，从而构成智能园区。智能园区是“智能城市”的基本组成单元，也是实现“智慧地球”的基础。

（5）可再生能源并网技术 由于可再生能源与传统能源有很大的不同，其并网技术是可再生能源规模开发利用的瓶颈。分布式可再生能源的并网，可以通过分布式电网来实现。对于大型的可再生能源电站，要从电网的统筹规划、协调调度、运转和储能备用及大型可再生能源电站对电力系统稳定性的影响等方面入手。为此，需要发展太阳能光伏系统与风力发电机组的并网控制装备、低电压穿越技术、直流输电技术、多端直流输电技术、有功与无功补偿技术、大型电站的数学建模与整体协调控制技术、继电保护协调配合等配套技术与装备。

（6）储能技术 由于化石能源是可调度的能源，因而现有电网对储能系统的需求并不多，电网的功率瞬态平衡主要是通过机组惯性来实现的。由于可再生能源具有波动性、间歇性的特点，加之人们对电网安全稳定性及供电可靠性的要求越来越高，因此，智能电网没有储能系统的支撑是难以想象的。储能技术，除了高效高密度的储能单元（如化学电池、飞轮、超级电容器、超导储能、燃料电池等）技术外，还包括大型储能电站及整体协调控制技术，大型抽水储能电站和集中式电动汽车充电站或电动汽车充电站网络也是重要的发展方向。

（7）超导电力技术 超导电力技术主要是基于超导体无阻高密度载流能力发展起来的应用技术，它在提高电网输送容量和电网安全稳定性、降低网络损耗、改善电能的质量、降低电气设备的占地面积等多方面具有显著的优势，因此被美国能源部（Department Of Energy，DOE）誉为21世纪电力工业的唯一高技术储备。美国能源部在“Grid 2030”计划和2009年出台的智能电网项目中，均把超导电力技术作为重要的发展方向。超导电力技术主要包括超导输电电缆、超导限流器、超导变压器、超导电机、超导储能系统以及与之相关的高温超导材料技术、低温技术、制冷技术、低温高电压绝缘技术、电力设备数字化技术等。

（8）其他先进材料技术 先进的材料是智能电网建设的根本物质基础。今后一段时间内，围绕智能电网的发展需求，需要重点发展的材料技术包括：电池用高效能源材料（如燃料电池及高容量储氢用关键材料、超级电容器电极材料及介质、高效电池材料、大型飞轮用高强度材料）、先进导电材料和绝缘材料、先进传感器材料（如高效热电转换材料、压电材料、巨磁阻材料）、新型铁磁材料及绝缘体—金属相变材料等。另外，需要强调的是，从创新材料入手发展具有自适应功能的电力设备和保护设备，就可以降低智能电网对于传感、信息、通信和数据处理的技术要求，这对于提高电网的安全可靠性和综合效益是非常有益的。