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智能电网与微电网的关键技术综述陈晓康(北京理工大学 自动化学院 电机与电器)摘要:本文综述了智能电网与微电网的特点、发展现状与趋势，从电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度共六个环节分析，阐述了集成通信、传感与测量、高级电力电子设施、高级量测体系、高级配电体系、高级输电运行、智能调度、分布式电源接入等一系列领域需要解决的关键技术问题。关键词:智能电网；微电网；分布式电源；特点；关键技术智能电网概念：到目前为止，智能电网并没有统一的定义,但是基本内涵还是相同的。智能电网(smart grid)是利用传感、嵌入式处理、数字化通信和IT技术，将电网信息集成到电力公司的流程和系统，使电网可观测（能够监测电网所有元件的状态），可控制（能够控制电网所有元件的状态）和自动化（可自适应并实现自愈）。由于国情、发展阶段及资源分布的不同,各国发展智能电网的重点不同,如美国智能电网的建设侧重于配电侧和用户侧 ,重点研发可再生能源和分布式电源并网技术;我国智能电网是在建设坚强电网的基础上 ,以建设距离长、容量大等输电特征的特高压电网为核心, 具有信息化、数字化、自动化、互动化的智能技术特征。智能电网特点：（1）自愈。对电网当前运行状态进行不断的在线评估，采取有效的预防控制手段，尽可能及时发现、快速诊断和消除故障隐患；并且在尽量少的人工干预下，自动快速隔离故障、实现自我恢复，避免大面积停电的发生。（2）互动。实现与客户的智能互动，以最佳的电能质量和供电可靠性满足客户需求。（3）坚强。对电网的每一个元素进行安全性需求考虑，在整个系统中确保一定的集成和平衡。在自然灾害、外力破坏和计算机攻击等不同情况下保证人身、设备和电网的安全。（4）优质电能。能够减小由于输配电元件引起的电能质量问题，实现电能质量问题的快速诊断和周密解决方案。（5）兼容。既能适应大电源的集中接入，也支持分布式发电方式友好接入以及可再生能源的大规模应用。智能电网关键技术：就领域划分（1）发电领域：风电场、光伏发电及分布式供能的并网和储能关键技术研究；（2）输电领域：安全监控（大电网安全稳定控制、网域测量技术、相量测量装置、传感器和量测技术）；特高压交直流相关设备研制和关键技术研究；（3）变电领域：智能化（数字化）变电站、灵活交流输电技术、无功补偿发生器、故障电流限制器的研究；（4）配电领域：储能技术、配电自动化、微电网接入技术与分布式储能装置研究；（5）用电领域：智能电表、用电信息采集系统、可再生能源即插即用技术。就技术划分（1）集成通信智能电网依赖于采集的数据、保护和控制，要使电网中的通信系统高效应用，整个通信必须是全集成的，为电网规划、建设、运行管理提供全方位的信息服务。因此，宽带通信网，包括电缆、光纤、电力线载波和无线通信，将在智能电网中扮演重要角色。重点有两个方面的技术：其一就是开放的通信架构，它形成一个“即插即用”的环境，使电网元件之间能够进行网络化的通信；其二是统一的技术标准，它能使所有的传感器、智能电子设备以及应用系统之间实现无缝的通信，这就需要电力公司、设备制造企业以及标准制定机构进行通力的合作。（2）传感与测量传感与测量技术为实时监控系统提供及时的信息，不但包括变电站设备及一些输电线状况信息，而且还包括用于入口、具名网络、高级计量等部分，同时也对传感器本身以及测量精度提出了更高的要求。未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统，取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计将有更多的功能，除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外，还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并通知用户实施什么样的费率政策。更高级的功能有用户自行根据费率政策，编制时间表，自动控制用户内部电力使用的策略。对于电力公司来说，参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，包括功率因数、电能质量、相位关系、设备健康状况和能力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电能消费和预测等数据。新的软件系统将收集、储存、分析和处理这些数据，为电力公司的其他业务所用。（3）高级电力电子设施高级电力电子设施在电网中起着非常重要的作用，它们既可以单独运用，也可以连接在一起组成复杂系统。包括电力电子装置、超导装置、分布式发电、复合导线、微电网技术等。智能电网将广泛应用先进的设备技术，以提高输配电系统的性能。智能电网中的设备将充分应用材料、超导、储能、电力电子和微电子技术等方面的最新研究成果，以提高功率密度、供电可靠性、电能质量和电力生产的效率。通过采用新技术以及在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点，来提高电能质量；通过应用和改造各种各样的先进设备，如基于电力电子技术和新型导体技术的设备，来提高电网输送容量和可靠性。配电系统中需要引进新的储能设备和电源，同时应利用新的网络结构，如微电网。（4）高级量测体系参数量测技术是智能电网基本的组成部件，先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性，进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。 （5）高级配电体系包含系统的监视与控制、配电系统管理功能和与用户的交互（如负荷管理、量测和实时定价）。通过与智能电网的其他组成部分的协同运行， 既可改善系统监视、无功与电压管理、降低电网损耗和提高资产使用率，也可辅助优化人员调度和维修作业安排等。智能通用变压器是不同于传统的线圈式变压器，它是基于电力电子技术（由多级逆变器组成）的变压器。与常规的铁芯式变压器相比，具有以下特点：1）体积小，重量轻，无污染；2）运行时可保持副边电压幅值恒定，不随负载变化；3）可以保证原、副边电压为正弦波，且功率因素可调整；4）具有高度可控性；5）兼有断路器功能，可以以毫秒级的速度关断故障大电流，无需常规变压器复杂保护装置；6）含有智能控制单元，可以完成潮流和电能质量调节功能。（6）高级输电运行柔性交流输电技术是新能源、清洁能源大规模接入电网系统的关键技术之一，将电力电子技术与现代控制技术相结合，通过对电力系统参数的连续调节控制，从而大幅降低输电损耗、提高输电线路输送能力和保证电力系统稳定水平。 高压直流输电技术对于远距离输电、高压直流输电拥有独特的优势。其中，轻型直流输电系统采用 GTO、IGBT 等可关断的器件组成换流器，使中型的直流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。 （7）分布式电源接入分布式电源（DER）的种类很多，包括小水电、风力发电、光伏电源、微型透平、燃料电池和储能装置（如飞轮、超级电容器、超导磁能存储）。一般来说，其容量为 1kW10MW。配电网中的 DER 由于靠近负荷中心，降低了对电网扩展的需要，并提高了供电可靠性，因此得到广泛采用。大量的分布式电源并于中压或低压配电网上运行，彻底改变了传统的配电系统单向潮流的特点，要求系统使用新的保护方案、电压控制和仪表来满足双向潮流的需要。通过高级的自动化系统把这些分布式电源无缝集成到电网中并协调运行，将可带来巨大的效益。除了节省对输电网的投资外，还可提高全系统的可靠性和效率，提供对电网的紧急功率和峰值负荷电力支持，及其他一些辅助服务功能，如无功支持、电能质量改善等；同时，它也为系统运行提供了巨大的灵活性。智能电网总结：智能电网的特点及关键技术领域（1）电网与用户之间采用双向通信，两者之间进行实施的交互信息。（2）采用可以双向通信的智能固态表计 ；供电网络采用网状。（3）设备运行管理采用远方监视 ；设备出现故障后 ，自适应保护和孤岛化 ；供电恢复自愈化。（4）功率控制方式采用集中和分布式发电并存的方式 ；潮流控制方式有许多种。（5）通过动画、动态着色、虚拟现实等数据展示技术 ，帮助运行人员分析和处理紧急问题。微电网的概念及特点微电网（micro-grid），是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可以同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控元件，并可同时满足用户对电能质量和供电安全的要求。由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。微电网的关键技术（1） 微电源分布式电源与分布式储能技术，前文智能电网已做过说明，不再赘述。微电源通过电力电子装置与微电网连接或隔离，各DG单元均由电力电子装置提供所需要的控制接口。大多数 DG装置接入交流系统时，需要相关的逆变、整流及滤波装置。 当系统频率低于逆变装置电流控制器的频带宽度时，DG 系统相当于一个电压源；而当系统频率高于电流控制器的带宽时，DG 系统相当于一个电流源。微电网与外部电网连接的隔离装置：静态开关在微电网和配电网的接口方面起着关键作用。静态开关的任务是一旦电能质量开始恶化 ， 就将敏感负荷从电网中分离。 静态开关只分离敏感负荷，而不将微电网从电网中分离。 在多个电源同步运行的稳态情况下，有功功率总是从同步之前频率高的电源流向频率低的电源。 （2）控制及保护问题微电网既可以作为独立用电单元，也可以作为负荷，参与外部大电网协调控制。微电网其中包含大量的电力电子装置，可以为电网提供频率稳定、电压稳定、调节电网功率平衡等服务。在微电网中能量是可以双向流动的，同时微电网中总线既可以是交流总线、直流总线或两种混合型。微电网可以运行在并网或孤岛两种模式下。这都决定微电网系统的保护控制与常规电力系统中的保护和控制在方法、策略上有很大不同，需要研究微电网故障诊断算法与控制保护系统。微电网的保护、控制技术研究包含微电网中电源与负荷的控制技术、微电网能量管理技术、微电网电能质量综合监控技术、微电网测控与通信规约、微电网安全与保护技术等。目前相关技术都是针对传统的配电网结构，如何在此基础上改造、优化、升级，需要成熟的微电网保护控制技术的支撑。（3）并网技术配电网中引入少量分布式电源对整个电网并不会产生太大的影响， 然而当电网中存在较多DG单元或者大容量的DG单元或微电网时， 将会对系统的暂态稳定、动态稳定、电压稳定、频率稳定、电压波形、电压闪变、谐波、短路电流、有功及无功潮流、电网损耗等诸多方面造成较大影响， 如果控制不当可能会影响系统稳定， 导致电能质量恶化， 破坏系统的安全、可靠运行。 因此有必要针对含有 DG 及微电网的电网进行系统稳定、电能质量、规划与运行方式、系统网损等一系列问题的研究。微电网与外部电网并联运行会对外部电网稳定造成影响。而当微电网与外部电网切断时，微电网需要平滑地从并网运行模式过渡到独立运行模式。DG或微电网接入配电系统后，如果控制不当，可能产生电压闪变和谐波， 而 DG 或微电网并网也存在改善电能质量的巨大潜力。 利用变流技术可以有效地提高电能质量， 另外通过电力电子技术还可以实现更佳的谐波和无功功率控制。 微电网孤立运行时， 可以通过基于电力电子技术的柔性交流配电技术和储能技术改善电能质量。当然实现以上功能需要合理的控制策略，DG 自身的电力电子装置不可能完全代替传统的改善电网电能质量的装置，如果能够将 DG 设备应用到 DFACTS 技术中去，不仅能提高电能质量水平，也能减少设备投资。结语：发展智能电网和微电网是一项长期的系统性工程，需要有相应的政策法规密切配合，还必须兼顾与现有系统的集成。智能电网和微电网的利益相关者主要是国家、电网公司、用户、发电商、设备制造商。国家对能源、电网的期望是节能减排，提高能源利用效率。电网公司主要关注电网运营的安全性、可靠性和经济性。用户关注电费支出和用电可靠性。因此建设智能电网和微电网目标是提高电网运营的安全性、可靠性和经济性，降低用户电费支出，提高能源利用效率，实现节能减排。对于关键技术的分析可知，现阶段有些技术还不够成熟，还需大力发展。智能电网和微电网是一个集技术大成、学科间融合丰富的大型工程，其复杂度从上文综述的分析可见一斑。参考文献：1许晓慧，智能电网导论M，中国电力出版社，20092周渝慧，智能电网M，清华大学出版社 ，20093 于钊、刘建坤，坚强智能电网应关注的问题和关键技术J,电力系统通信，2010（10）4孟凡超 、高志强 、王春璞，智能电网关键技术及其与传统电网的比较J，河北电力技术 ，2009（11）5张志超、陈冰、张鹏飞，智能电网发展模式和关键技术探讨J，电力技术，2010（2）6常泳，智能电网涉及的关键技术分析J，Value Engineering，20107王哲，智能电网涉及的关键技术J，水利电力科技，2009（12）8蓝毓俊，智能电网及其关键技术J，上海节能，20109罗明志，智能电网综述J，电力经济研究，201010刘国敬，分布式发电与微电网技术J，农村电气化，2010（10）11左文霞、李澍森，微电网技术及发展概况J，中国电力，2009（7）12国海，微电网技术研究现状J，四川电力技术，2009（4）13苏 玲、张建华，微电网相关问题及技术研究J，电力系统保护与控制，2010（10）14Steven E. 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