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第2章
智能电网
摘要 全世界的电力系统都面临着根本性的改变，受脱碳电力供应的迫切需要的刺激，而更换老化资源和有效地应用迅速发展的信息通信技术（ICTs）。所有这些目标都朝着一个方向发展：“智能电网”。智能电网可以被描述为透明、无缝和瞬时双向传递能量信息，使电能
工业要更好地管理能源输送和传输，并赋予消费者更多的能源决策控制权。基本上，智能电网的美妙之处在于为低电压网络提供更好的可见性，以及允许消费者参与电力系统的功能，主要是通过智能电表和智能家居。智能电网结合了先进信息通信技术的特征，在电网中做到传达实时信息，促进供需瞬时稳定性。操作数据由智能电网及其子系统收集，将使系统运营商迅速通过各种事件来源识别最佳攻击线，以防止攻击，保护脆弱之处等。然而，智能电网最初依赖于了解和研究关键性能组件，并开发适当的教育计划，以这一非常先进的系统的开发知识和技能来装备当前和未来的劳动力。本章的目的是对智能电网的概念、智能电网的演进和组成、智能电网的环境影响等进行一个基本的讨论，然后详细描述智能电网实现所需的技术。尽管智能电网的概念尚未完全定义，本章也将有助于描述关键的可实现技术，从而使读者能够参与关于智能电网未来的辩论。本章最后给出了一个成功实施应用于智能电网的关于发展混合预测方法于太阳能的实验说明和结果。
2.1简介
世界上大部分的电力输送系统或“电网”是在能源成本相当低的时候建立的。虽然已经进行了小规模的升级，以满足需求的增加，电网仍像100年前那样运作。能源经电网由中央发电厂流向用户，可靠性是通过保持盈余的生产能力来确保[ 1 ]。其结论是这是一个不称职和过度环保的系统，它是温室气体的主要排放者，矿物燃料的消费者，而且不太适合分布式的可再生太阳能和风能。此外，电网可能没有足够的容量满足未来需求。
持续的经济增长和人类高水平生活的实现取决于可靠和负担得起的电力供应。在过去的几十年里，电力的产生、传播和消费方式发生了一次范式转变。然而，化石燃料任然是在工业化国家占主导地位的初始能源。一些工业化国家的稳定经济增长逐渐暴露出高度依赖外国化石燃料的能源政策的不可持续性。另一方面，老化的电网面临着更高的需求和不断增加的数据和非线性负载带来的新挑战，近年来频繁停电带来了新的可靠性问题。数字设备（如数据中心和消费电子产品）对间歇性断电的敏感性重新定义了可靠性的概念。因此，发电、输电和消费一直是调查的重点，以便看看补救措施将如何应对上述挑战，从而将电网转变成更高效、可靠和通信丰富的系统[ 2 ]。智能电网是一系列的解决方案，旨在通过赋予客户权力，提高输电线路和配电系统的容量，提供公用事业和客户之间的信息和实时定价，以及可再生能源的更高利用率来实现这些崇高目标。
当前通信系统的革命，特别是因特网的刺激，提供了在整个电力系统中更大的监测的可能性，控制能源系统从而掌握更有效、更灵活和更低成本的操作。智能电网是一个机会，利用新的信息和通信技术（ICTs）彻底改革电力系统[ 3 ]。然而，由于多年来电力系统的庞大规模和投资规模，任何重大变化都将是昂贵的，需要仔细的论证。
气候学家们一致认为，人为的温室气体导致了危险的气候变化。因此，必须找到更有效地利用能源并在不产生二氧化碳的情况下发电的方法。有效管理负荷和减少损失以及能源浪费需要准确的信息，而使用大量可再生能源发电需要在电力系统的运行中整合负荷，以平衡供需平衡。智能电表是智能电网的一个重要组成部分，因为它可以提供有关负载的信息，从而能量流通在整个网络中。一旦电力系统的所有部分被监控，它的状态就会被观察到，许多控制的可能性就会出现。在未来，预期的未来碳化电力系统很可能依赖可再生能源、核发电机和化石燃料发电厂的碳捕获和储存相结合。这一代的组合是难以管理的，因为它包括可变可再生能源发电和大型核和化石发电机与碳捕获和存储，由于技术和商业原因，将主要运行在恒定的输出[ 3 ]。如果没有智能电网的监视和控制，很难看到这样一个电力系统如何有效地运行。
2.2智能电网：定义
智能电网的概念结合了许多技术、客户解决方案，并解决了若干政策和监管驱动因素。智能电网没有任何明显的定义。欧洲技术平台[ 4 ]将智能电网定义为：
智能电网是一个电力网络，它可以智能地集成所有与IT生成器、消费者和两者都有联系的用户的行动，以有效地提供可持续、经济和安全的电力供应。
在更聪能的电网，“机会”中[ 5 ]，智能电网被定义为：
智能电网利用传感、嵌入式处理和数字通信使电网可观测（可测量和可视化）、可控（能够操纵和优化）、自动化（能够适应和自我疗愈），完全集成（完全兼容现有的系统，有能力合并一组多样化的能量源）。
根据美国能源部[ 6 ]：
智能电网利用数字技术，通过发电系统向电力用户和越来越多的配电式发电和资源存储的巨大生产力来提高电力系统的可靠性、安全性和效率（包括经济和能源）。
从上述定义来看，智能电网可以被描述为能源信息的透明、无缝和即时的双向传递，从而使电力行业更好地管理能源生产和传输，并使消费者能够对能源决策有更多的控制权。智能电网融合了先进的通信技术和信息技术的优点，提供实时信息，使电网的供需瞬间接近平衡。今天的电网和智能电网之间的一个显著区别是消费者和电网之间的双向信息交换。例如，在智能电网的概念下，智能温控器可能会接收到有关电价的信号，并通过调节温度来响应电网中更高的需求（以及更高的价格），从而在保持舒适的同时节省消费者的资金。图2.1显示了智能电网的释能。
将智能电网引入电网基础设施建设：
bull;确保电网的可靠性达到前所未有的水平
bull;允许尚未设想的进步和效率
bull;对电价施加下行压力
bull;维持能源消费者的承受能力
bull;向消费者提供更多信息和选择供应
bull;适应可再生能源和传统能源
bull;允许间歇性发电源的更高渗透率
bull;通过电动汽车的整合作为生成和存储设备以革新公用事业部门以及运输部门
bull;最后，智能电网将通过允许顾客购买更清洁、更低碳排放电来促进环境质量，促进可再生能源更均匀地部署，并允许使用更环保的中央发电站。此外，智能电网将使消费者对价格作出更有效的反应，这将减少对额外的化石燃料发电能力的需求，从而减少二氧化碳及其他污染物的排放。
2.2.1智能电网特性
简而言之，智能电网采用创新产品和服务，并与智能监控、控制、通信和自愈技术相结合。
文献[ 7 - 10 ]显示了智能电网的以下属性：
bull; 智能电网允许消费者在优化系统运作方面发挥作用，并为消费者提供更多的信息和选择供应。它通过智能电表、智能设备和消费负荷、微型发电和蓄电（电动汽车）的集成，以及为客户提供与能源使用和价格有关的信息，从而实现需求响应和需求侧管理。预计将为客户提供信息，刺激他们改变消费模式，克服电力系统中的一些限制。
bull; 更好地促进各种型号和技术的发电机的连接和操作，并可适应间歇性发电和储存选择[ 11 ]。它可容纳和促进所有可再生能源、配电式发电、住宅微型发电和存储选项，从而大大减少整个供电系统对环境的影响。它将提供与“即插即用”相类似的简化互连。
bull; 通过输送系统的智能操作（路由电源、自主工作）和追求有效的资产管理，它优化和有效地运作资产。这包括根据需要和被需要时的可利用资产。
bull; 弹性操作在灾害、物理或网络攻击和提供高水平可靠性和能源供应的安全性。它通过预测和响应自愈的方式以及通过增强的传输能力来加强供应的安全性来保证和提高供应的可靠性和安全性。
bull; 它保证供电质量，以适应随着数字经济发展而增强的敏感设备。
bull; 通过增加传输途径、综合供应和需求反应倡议以及辅助服务条款，来开放市场。
2.2.2传统电网与智能电网
许多问题显示传统电网不能完全满足供电需求的一致性。表2.1比较了传统网格与首选智能电网的特点。
2.3智能电网的演变
现有的电网是过去一个世纪迅速发展的城市化和世界各地基础设施发展的产物。虽然它们存在于许多不同的地理区域，但公用事业公司普遍采用了类似的技术。然而，电力系统的增长受到各公用事业公司特有的经济、政治和地理因素的影响[ 12 ]。尽管存在这些差异，但现有电力系统的基本拓扑结构保持不变。自成立以来，电力行业的操作在生产、传输和分配系统之间有明确界限，从而在每一步形成了不同的自动化、进化和转化水平。
根据图2.2，现有的电网是一个严格的分级系统，在该系统中生产链顶部的发电厂确保电力供应给在生产链底部的客户的负载。该系统本质上是一个单向管道，其中源端没有关于终止点服务参数的实时信息。因此，电网被过度设计，以承受其综合负荷的最大期望峰值需求。由于这一高峰需求很少发生，所有该系统本身就效率低下。此外，电力需求空前增长，加之电力基础设施投资落后，降低了系统的稳定性[ 2 ]。随着安全边际耗尽，任何意外的需求激增或整个配电网络的异常导致元件故障都可能引发灾难性停电。为了便于检修和维护昂贵的上游资产，公用事业公司也推出了各种级别的指挥控制功能。一个典型的例子是广泛部署的系统，称为监控与数据采集系统（SCADA）。
考虑到近90%的停电和干扰源于配电网络，向智能电网的移动必须从配电系统的底部开始。此外，矿物燃料成本的迅速增加，加上公用事业公司无法根据发电需求增加发电能力，促进了通过引进有助于需求侧管理和收入保护的技术实现配电网现代化的需要。
如图2.3所示，配电系统的计量侧已成为最新基础设施投资的焦点。这一领域的早期项目在配电网中引入了自动抄表系统(AMR)。AMR允许公用程序远程读取客户处所的消费记录、警报和状态。
图2.4显示，虽然AMR技术证明是最初的吸引，但公用事业公司已经意识到，AMR无法解决需要解决的主要问题：需求侧管理。由于其单向通信系统，AMR的能力仅限于抄表数据[ 2 ]。它不允许公用事业公司根据从仪表接收到的信息采取纠正措施。换句话说，AMR系统不允许向在所有级别的普适控制是一个基本前提的智能电网过渡。因此，AMR技术是短命的。与其投资AMR，世界各地的公用事业公司更愿意走向先进计量基础设施（AMI）。AMI提供公用事业公司双向仪表通信系统以及修改客户服务水平参数的能力。通过AMI，公用事业公司可以达成负载管理和收入保护的基本目标。它们不仅可以获得关于个人和团体需求的即时信息，而且还可以对消费施加一定的限制，并制定各种收入模型来控制其成本。AMI的出现预示着利益相关者的一致行动，以进一步完善围绕智能电网不断变化的概念[ 2 ]。事实上，公用事业公司在选择AMI技术中所采用的主要措施之一是，它们是否会与他们尚未实现的智能电网的拓扑和技术进一步兼容。
2.4智能电网的组成部分
对于电力系统的发电水平，智能增强将从用于提高发电的稳定性和可靠性的技术扩展到智能控制和由可再生资源组成的发电组合。
2.4.1监测和控制技术的组成部分
在传统的电力系统中，电力由发电厂通过输配电网络分配给最终用户。输电网和配电网的设计目的是在额定的电压水平上向用户提供电力。光伏发电一般是在电力系统的配电水平上进行的。由于这个原因，PV产生的功率可以通过配电网从用户端产生“计数器”功率流向其他用户。这种现象可能会带来两个挑战：由于光伏发电的间歇性特征，光伏发电高电压区域的电压增加和整个系统的电压波动[ 13 ]。智能传输系统包括一个可自我监控和自愈的智能化网络，其适应性和生产及需求的可预测性强大到足以处理阻塞，不稳定性和可靠性问题。这种新的弹性电网必须抗冲击（耐久性和可靠性），并且在使用中能够可靠地提供实时变化。考虑到这些问题，开发了包含最佳潮流计算软件的电压控制系统。设计这些系统的目的是快速分析潮流预测配电网的电压分布，并在某些情况下，控制电压调节设备，以确保适当的电压。最优控制信号是通过最优潮流计算得到的。图2.5概述了电力公司的配电和自动化系统。
2.4.2传输子系统组件
连接所有主要变电站和负荷中心的输电系统是综合电力系统的主干。输电线路必须承受负荷和紧急情况下的动态变化，不受服务中断的影响。在传输层实现智能电网性能的策略包括设计分析工具和先进性能分析智能技术，如动态最优潮流、鲁棒状态估计、实时稳定性评估、可靠性和市场模拟工具[ 13 ]。
基于PMU、状态估计传感器和通信技术的实时监控是传输子系统开发智能传输功能的智能工具。
2.4.3智能设备接口组件
用于监控和控制的智能设备构成了生成组件实时信息处理的一部分。这些资源需要在中央配电和区域能源系统的运作中无缝集成。除了智能设备的物理模型外，智能设备还需要一个逻辑模型。这样的模型必须概述智能设备向智能空间提供的关于能提供给环境的服务。该模型还必须概述智能设备之间的相互作用、智能设备运行状态的变化以及智能空间中的智能服务。现有的几种种型号的模型有相似的模拟装置的方法[ 13 ]。两个这样的模型，包括家庭即插即用（HPnP），这是稍微过时，但仍然适用，而新的通用即插即用（UPnP），这是一个开放的标准体。这两个标准机构通过他们提供的服务进行了设备建模，并且开发了设备通信的交互模型。以抽象方式定义服务的另一个新标准是使用Web服务定义语言（WSDL）。除了描述智能设备可以提供的服务外，还必须有一种方法来表示智能设备状态的变化以及设备如何在智能环境中对这些变化
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