智能电网新型元件技术和 分布式能源的智能管理系统

笨平平

郑州轻工业学院 电气信息工程学院，郑州 450002

摘要：面对目前电力系统越来越无法满足人们对电力能源和供电可靠性增长的日益需求，具有自愈、兼容、优化、互动、集成等优点的智能电网成为今后电网发展的一个重要趋势。我们根据智能电网的概念、特征、结构等方面提出了智能电网实现的几方面关键的技术问题。我们主要对智能电网的先进的监控软件和辅助决策体系及分布式能源管理系统两方面进行深入探讨和研究。该文概述了智能电网技术和分布式能源的基本情况，并以此为基础，总结提出了智能电网框架下三具体的分布式能源发展方式。

关键词：智能电网；关键技术；特征；结构；监控；智能电网；分布式发电

引言

自从人类懂得用电能以后，渐渐地对电能的需求越来越大。电能关系到现代人类的日常生活。在过去的近一个世纪，电力系统已经发展成为集中发电、远距离输电的大型互联网络系统。而目前，由于能源、环境、经济、政治等多方面因素的驱动，未来的几十年内，全世界范围内都将展开一场深刻的电力系统变革。无论是发达国家还是发展中国家，传统的电力系统都面临着前所未有的挑战：（1）用于传统火力发电的煤、石油等化石燃料日益耗尽，人们必须开发新的可再生能源以满足不断增长的电力需求；（2）“温室效应”气体排放导致的气候变化问题促使传统的发电模式必须向清洁、环保的方向转变；（3）电力系统结构的高度互联和设备的日益老化问题不容忽视，任何一个发生在局部小范围内的故障都有可能迅速蔓延并影响到整个电网，近年来大停电事故频繁发生，如20xx年的美加大停电和20xx年的欧洲大停电等，充分暴露了当今电力系统的脆弱性；（4）电子设备的广泛应用使得

大笨平平 女 电气工程及其自动化09-1班 学号540901020xx6

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在如此严峻的形势下，如何保证一个可靠、安

全、环保、高效和灵活的电力系统，成为了21 世

纪最受人瞩目的困难和挑战。为了解决这一难题，

几年前，美国和欧盟相继提出“智能电网（Smart Grid）”的概念，并从此大力推进智能电网的研究和发展：20xx年，欧盟理事会的能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》（A European Strategy forSustainable，Competitive and Secure Energy）[5]强调智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。同年，美国IBM 公司曾与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”的解决方案。如今，我国的电力行业也开始将目光瞄准了智能电网（也称“互动电网”）的开发：20xx年x月，华东电网有限公司启动智能电网可行性研究项目，预期在20xx年将华东电网全面建成智能电网。

然而，与未来的智能电网相比，当前的电力系统还相距甚远。现阶段，进一步明确智能电网的定义，发掘、研究和解决实现智能电网过程中的各种技术问题，对于不断完善目前的电网功能并逐步向智能电网趋近，有着非常重要的意义。因此，本文将着眼于实现智能电网所必须解决的关键技术问题，展开研究与探讨。

1 智能电网的概念

智能电网就是电网的智能化，它是建立在集成

的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感测量技术、设备技术、控制方法以及决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。智能电网具有以下五个关键特征：自愈、兼容、优化、互动、集成。 自愈：实时掌握电网运行状态，预测电网运行趋势，及时发现、快速诊断故障隐患和预防故障发生；故障发生时，在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生。 兼容：电网能够同时适应集中式发电和分布式发电模式，实现与负荷侧的交互，支持各种清洁、绿色、可再生能源的接入，满足电网与自然环境的谐调发展。

优化：优化资产规划、建设、运行维护等各个环节，提高资产的利用效率，降低运行、维护和投资成本。

互动：实现与用户的智能互动，有效展开电力交易，实现资源的优化配置，提供最佳的电能质量和供电可靠性。

集成：实现监测、控制、保护、维护、调度和电力市场管理等数字化信息系统的全面集成，形成全面的辅助决策体系。

研究者们发现，智能电网与当前的电力系统相比，它的优势主要体现在：（1）在初期就能检测电网问题并实施校正措施；（2）接受更加大量的数据信息并做出响应；（3）系统快速恢复的能力；（4）迅速适应电网变化并进行拓扑重构；（5）为运行人员提供高级的可视化辅助系统。

2 智能电网实现的关键技术问题

2.1 先进的监控软件和辅助决策体系

目前电网监控采用的软件大多为EMS SCADA系统及其扩展功能，它们的数据采集速度较慢、信息量有限、在线分析能力差、难以预测电网运行趋势、控制运行仍然依靠人脑经验，已逐渐无法适应当前电力系统的复杂多变。而智能电网能够全面监控电网中所有的节点、线路和设备，采用先进的计算机优化算法，采集、组织和分析电网中的海量数据，并在此基础上形成辅助决策系统，为运行人员提供解决方案，从而实现电网的实时动态管理。实现先进监控软件和辅助决策系统的研究方向主要集中在以下几个方面：

（1）分布式与集中式监控系统相结合。目前对电

力系统的监控是将所有信息汇集到电网调度中心，经过数据处理、分析和判断，再由调度中心下达控制命令至下属各级调度进行实施,是一种集中式的监控系统。而在智能电网中，随着需求侧管理的应用和电子仪表的智能化，分布式的监控系统不仅能够采集、分析当地数据，筛选出需要与上级或其他分布式系统通信的数据，而且能够根据计算决定采取必要的当地控制措施，而不需要通过控制中心下达命令。集中式监控系统的主要职责在于协调各个分布式监控系统，实现优化运行。

（2）多代理系统MAS（Multi-Agent System）的应用。多代理系统是指将多个代理结合起来，共同合作完成某一系统任务的控制方法。由于每个代理具有自治性、社会性、反应性等特点，使多代理系统受到越来多的关注。在仿真环境下在智能配电网中设计和实了多代理系统，包括控制代理、分布式能源代理、用户代理和数据库代理。提出了一个基于多代理系统的微电网控制框架，建立了由上级电网代理、微电网代理和元件代理组成的3 层多代理控制系统。

（3）高级的可视化界面和运行决策支持。通过数据过滤和分析，高级的可视化界面能够将大量数据分层次、具体而清晰地呈现出来，从整体到局部地向运行人员展示精确、实时的电网运行状态，并且提供相应的辅助决策支持，包括预警工具、事故预想（what-if）工具和行动方案工具，从而形成较为完善的辅助决策体系。

（4）电力系统运行趋势的预测能力。 预测和预报是智能电网必需要具备的功能之一，不管是对大型发电设备或者分布式电源发电量的预测，还是对用户侧负荷情况的预测，都对复杂电力系统的稳定性有着重要作用。对未来的运行趋势掌握的信息越多，规划就能越完善，也能越早对潜在的危险采取预防性措施。

2.2 分布式能源的智能管理系统

分布式能源(DR)是指安装在用户端的能源综合利用系统，主要包括分布式电源(DG)和分布式储能系统，同时还包含负荷侧能量管理系统和热电联产系统(CHP)。其中，分布式电源的形式包括风力发电、光伏发电、微型燃汽轮机和小水电等，分布式储能系统则包括燃料电池、蓄电池等。近年来，分布式能源技术发展迅速，在丹麦、芬兰、挪威等北欧国家，现有的分布式发电装机容量已超过其总

装机容量的30%。可以预见，在不久的将来，分布式能源将走进千家万户。然而，当融入大量的分布式能源后，电网的结构、能量形式、功率流动、信息交换和控制方式的复杂程度大大增加。因此，针对分布式能源带来的问题，可以从以下几个方面展开研究。

（1）分布式能源的运行管理优化。一方面，风电、光伏发电等分布式电源因为具有能源间歇性的特点，必须通过实时、精确的发电和负荷预报，优化分布式电源的调度和管理，以保证电网安全稳定运行，提高供电的可靠性；另一方面，通过分布式储能装置维持电网发电和负荷的动态平衡，分布式储能装置除了大容量的蓄电池外，大量的混合动力汽车电池也将是分布式储能的一种重要形式，同时也是一种新型负荷，它既可以作为储能装置在电网负荷高峰时对发电量进行补偿，又能在负荷低谷时吸收和储存电能，因此，对大量汽车电池进行监控和调度管理也将是分布式能源管理的一个重要内容。 （2）分布式能源的接入标准和规划方案。基于现有的分布式电源接入标准IEEE1547 系列，考虑不同类型、容量和数量的分布式电源接入电网后的影响，对相关标准进行完善和补充。同时，由于大量的分布式能源接入中低压配电网，电网结构不再是由发电、输电到配电的垂直辐射式，而是类似于因特网的信息传递模式，出现了能量双向流动的新布局，因此必须合理规划和设计分布式电源的类型、安装地点和容量等，有效发挥分布式能源和提高供电可靠性。

（3）新的保护方法和技术。大量分布式能源的接入，潮流的双向流通，导致继电保护的工作原理和动作逻辑变得更加复杂，传统的故障检测方法和保护原理将不再满足要求。因此，必须改造现有的保护系统，当电网发生扰动或故障时，迅速适应变化，实现灵活的网络拓扑重构，将故障影响范围局限在最小范围，并可迅速通过其他连接恢复对其他部分的供电。

（4）对于输电成本高、对电能质量要求高的集中电力用户区，将分布式能源以微网（Micro Grid）

的形式接入大电网，是对分布式电源利用效能最高的一种方式。微网是指由分布式电源、储能装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行，也可以孤立运行。实现微网技术所需要解决的关键问题包括：高渗透率下微网与大电网的相互作用机理；微网内部各种分布式电源的协调控制；微网与大电网之间的保护和控制系统等。

3总结

本文基于当今电力系统中存在的种种问题，指出了发展智能电网的重大意义和必要性。首先介绍了智能电网的概念、特征和基本结构，然后详细阐述了实现智能电网所必须解决的两个关键技术问题：分布式能源的智能管理系统、高级先进的监控软件和辅助决策体系。这些关键技术问题的解决，将为智能电网的最终实现提供不可或缺的保障。

参考文献：

[1] 盛鹍，孔力，齐智平，等．新型电网-微电网（Microgrid）研究综述[J]．继电器，20xx，35(12): 75-81．SHENG Kun, KONG Li, QI Zhi-ping, et al. A Survey onResearch of Microgrid – a New Power System [J]. Relay,20xx, 35(12): 75-81.

[2] EPRI. Profiling and Mapping of Intelligent Grid R&DPrograms [R]. EPRI, Palo Alto, CA and EDF R&D,Clamart(France), 20xx.

[3] Paul Haase. IntelliGrid: A Smart Network of Power [J].EPRI Journal, 20xx: 17-25.

[4] 肖立业，林良真. 构建全国统一的新能源电网，推进我国智能电网的建设[J].电工电能新技术. 20xx28(4)：54-59

[5] 雷亚洲. 与风电并网相关的研究课题[J]. 系统自动化，20xx，27(8)：84-89. [6] 张玲，王伟，盛银波.

基于清洁能源发电系统的

微网技术[J]. 电网与清洁能源，20xx,25(1)：40-43. [7 Collier S E. Ten Steps to a Smarter Grid[A]. in:Rural Electric Power Conference, REPC’09,IEEE[C]. 20xx.

电力，

New component technologies and smart grid

Intelligent management of distributed energy system

DaBEnPingPing

College of Electrical and Electronic Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002,

China

Abstract: In the face of the current power system is increasingly unable to meet the increasing demand for electrical energy and supply reliability growth, self-healing, compatibility, optimization, interactive, integrated the advantages of smart grid become an important trend in the development of power grid. Smart grid implementation based on the concept of the smart grid, characterized structure several key technical issues. We mainly on two aspects of the smart grid, advanced monitoring software and decision support systems and distributed energy management system in-depth exploration and study. This paper outlines the basic situation of smart grid technology and distributed energy, and on this basis, summed up the smart grid under the framework of the three specific way of the development of distributed energy.

Key Words: Smart grid; key technology; characteristics; structure; monitoring; smart grid; Distributed Generation

 

第二篇：科技文献检索 关于智能电网

智能电网需求侧管理下 高度集成的开放式通信系统

大爷哦

郑州轻工业学院 电气信息工程学院，郑州 450002

摘要：该文概述了智能电网技术和分布式能源的基本情况，并以此为基础，总结提出了智能电网框架下三 具体的分布式能源发展方式。各级电网协调发展的坚强电网之路。基于对我国智能电网建设的必要性和基础的分析，重点探讨了我国发展智能电网应关注的4 个方面，即建设具有中国特色的坚强的智能电网、科学规划输配电系统智能化时序、超前谋划智能电网与信息化建设的融合，以及牢固树立智能电网与电源和谐发的科学规划输配电系统智能化时序、超前谋划智能电网与信息化建设的融合，。我们本文主要对智能电网的先进的监控软件和辅助决策体系及分布式能源管理系统两方面进行深入探讨和研究。 关键词：智能电网；分布式发电；关键技术；特征； 中图分类号：TM55

1 智能电网及分布式能源概述

1.1 智能电网

智能电网即将先进的传感测量技术、信息技术、通信技术、计算机技术、自动控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成的新型电网，它具有提高能源效率、减小对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少电网的电能损耗、实现与用户间的互动和为用户提供增值服务等多个优点[1]。智能电网的智能化主要体现在以下几方面：可观测——采用先进的量测、传感技术；可控制——对观测状态进行有效控制；嵌入式自主处理技术；实时分析——完成数据到信息的提升；自适应和自愈等几个方面。当前我国发展智能电网的推动因素可归结为电网安全、新能源发展、市场需求等方面，具体包括：满足电力负荷高速增长需求，确保电力供应的安全性、可靠性和经济性，积极发展可再生能源，适应电力市场化改革要求等。

1.2 分布式能源

元方 男 电气工程及其自动化专业09-1班 学号：540907010144

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目前, 常见的分布式能源有太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等，而分布式能源的利用主要是通过分布式发电来实现。

太阳能发电技术较成熟、应用较广泛的是太阳能光伏发电技术，即利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。

风力发电即将风能转化为电能, 其输出功率由风能决定。风速作用在风力机的叶片上产生转矩, 该转矩驱动轮盘转动, 通过齿轮箱高速轴、刹车盘和联轴器再与异步发电机转子相联, 从而发电运行。

生物质能发电即先将生物质转化为可驱动发电机的能量形式（如燃气、燃油、酒精等），再按照通常的发电技术进行电能输出。

速发展等这些成就。正因为这些努力才产生了智能电网的概念。 1.3 智能电网的概念与结构

目前，由于各国根据自身国情对智能电网的需求和考虑不尽相同，智能电网尚未有一个统一、明确的定义从广义上来说，智能

电网包括可以优先使用清洁能源的智能调度系统、可以动态定价的智能计量系统以及通过调整发电、用电设备功率优化负荷平衡的智能技术系统[7]。图1 展示了未来智能电网的基本结构，电能不仅从集中式发电厂

研究者们发现，智能电网与当前的电力系统相比，它的优势主要体现在：（1）在初期就能检测电网问题并实施校正措施；（2）接受更加大量的数据信息并做出响应；（3）系统快速恢复的能力；（4）迅速适应电网变化并进行拓扑重构；（5）为运行人员提供高级的可视化辅助系统。

2 智能电网实现的关键技术问题

2.1 分布式能源的智能管理系统

分布式能源(DR)是指安装在用户端的能源综合利用系统，主要包括分布式电源(DG)和分布式储能系统，同时还包含负荷侧能量管理系统和热电联产系统(CHP)。其中，分布式电源的形式包括风力发电、光伏发电、微型燃汽轮机和小水电等，分布式储能系统则包括燃料电池、蓄电池等。近年来，分布式能源技术发展迅速，在丹麦、芬兰、挪威等北欧国家，现有的分布式发电装机容量已超过其总装机容量的30%。可以预见，在不久的将来，分布式能源将走进千家万户。然而，当融入大量的分布式能源后，电网的结构、能量形式、功率流动、信息交换和控制方式的复杂程度大大增加。因此，针对分布式能源带来的问题，可以从以下几个方面展开研究。

（1）分布式能源的运行管理优化。一方面，风电、光伏发电等分布式电源因为具有能源间歇性的特点，必须通过实时、精确的发电和负荷预报，优化分布式电源的调度和管理，以保证电网安全稳定运行，提高供电的可靠性；另一方面，通过分布式储能装置维持电网发电和负荷的动态平衡，分布式储能装置除了大容量的蓄电池外，大量的混合动力汽车电池也将是分布式储能的一种重要形式，同时也是一种新型负荷，它既可以作为储能装置在电网负荷高峰时对发电量进行补偿，又能在负荷低谷时吸收和储存电能，因此，对大量汽车电池进行监控和调度管理也将是分布式能源管理的一个重要内容。 （2）分布式能源的接入标准和规划方案。基于现有的分布式电源接入标准IEEE1547 系列，考虑不同类型、容量和数量的分布式电源接入电网后的影响，对相关标准进行完善和补充。同时，由于大量的分布式能源接入中低压配电网，电网结构不再是由发电、输电到配电的垂直辐射式，而是类似于因特网的信息传递模式，出现了能量双向流动的新布局，因此必须合理规划和设计分布式电源的类型、

安装地点和容量等，有效发挥分布式能源和提高供电可靠性。

（3）新的保护方法和技术。大量分布式能源的接入，潮流的双向流通，导致继电保护的工作原理和动作逻辑变得更加复杂，传统的故障检测方法和保护

原理将不再满足要求。因此，必须改造现有的保护系统，当电网发生扰动或故障时，迅速适应变化，实现

灵活的网络拓扑重构，将故障影响范围局限在最小范围，并可迅速通过其他连接恢复对其他部分的供 电。

（4）对于输电成本高、对电能质量要求高的集中电力用户区，将分布式能源以微网（Micro Grid）的形式接入大电网，是对分布式电源利用效能最高的一种方式。微网是指由分布式电源、储能装置、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，既可以与大电网并网运行，也可以孤立运行[14]。实现微网技术所需要解决的关键问题包括：高渗透率下微网与大电网的相互作用机理；微网内部各种分布式电源的协调控制；微网与大电网之间的保护和控制系统等。 2.2 高度集成的开放式通信系统

为了能够实时监视和控制电网运行，清晰掌握电网的状态，预防事故发生和及时清除故障，智能电网应该具备高速、双向的数字化通信系统。遍布整个电网的通信设备将信息在各种测量装置、控制设备和执行元件之间进行相互传递，以保证电网安全、可靠、经济地运行。具体来说，智能电网的通信系统应解决以下几个关键问题：

（1）开放式的数据通信。当前电力系统不同的企业、部门之间信息共享受到限制、不同应用软件无法相互兼容，然而智能电网要求其通信系统必须是开放式的，不同企业、部门之间的数据可以完全实现共享。 （2）完备的通信标准。智能电网对现有的SCADA 数据采集系统、需求侧能量管理、电网规划、运行调度、电力市场操作等方面的通信系统都将产生影响[15]，因此需要根据电网中的新变化制定相应的通信标准。

（3）数据通信网络与智能设备的高度集成，即智能电网中的信息网络能够与各种物理设备如智能

仪表系统、智能控制系统等集成为一体化的通信系统。

3中国的智能电网的基本条件和必要性

3.1智能电网的选择是由中国的基本条件和内部动力

原因是中国的能源资源距离负荷中心远。事实上，大容量能源已被远距离转移并且伴随较低的损失。我们希望特高压输电的出现[5]将提供机会以更好地实现电力资源和大型能源基地在较大范围内分配。但是，电压水平的提升，只是电网的发展外部表现。它的内部驱动力包括了控制的灵活性，管理的高效率和消费者，从而推动了智能电网的形成互动。

首先，在建设智能电网的先进技术和设备的工作过程，将有助于形成一个稳定的电网安全运行和重大平台，提高电网最小系统的容量。 其次，在建设智能电网，该系统的优化运行过程中，资源和生命周期资产管理的优化，可通过先进的理念物化的利用率，提高员工的专业素质整合， 对企业内部资源和挖掘企业的内部潜力。

第三，公用事业和消费者之间的有效互动操作办法的DSM积极的贡献，移峰填谷负载的负载，降低系统储备和减少经营成本，提升了电网承载能力，提高电网投资的利用率。

3.2中国智能电网的基础建设

智能电网中的某些领域的工作已经在中国进行。更具体地说，这项工作可分为三类，即，发电，输配电和消费。发电集团包括分布式发电，可再生能源发电，节能技术和节能型调度自动发电控制。D组的T＆特高压交流和特高压直流输电，事实，数字化变电站技术，电源管理单元为基础的广域测量系统，管理事务司，国家为导向的维护和生命周期资产管理等组成。功率消耗组包含的制定。电源，自动测光和自动转录等。此外，大多数电力公司都让自己更多的数字和信息共享，它建立了一个智能电网建设的基础。

客观地说，中国智能电网基础正在形成，这可以通过以下证明：

特高压电网作为骨干和各级电网协调发展的在不同级别仍在建设。广域网分配的能力需求进一步改

善。

在全国范围内统一电力市场正处于初级阶段，交易机制和价格政策仍远未成熟。因此，清洁能源，分布式发电参与市场竞争的基本条件尚未成熟。在电力市场的效率和效益没有得到充分显现出来。 电力用户没有享受到与电网的相互作用而产生的好处他们可以接受的，是一个单向的被动服务。电表只能自动读取。一个工程需求许多工作要做并且引导电力用户的消费习惯和消费需求。

政府没有有关的政策或有关智能电网的法律出台。政府应该是在引导智能电网建设提供很大的支持。这是一项系统工程，涉及各行各业，需要在规划和发展的总体安排。特别是政策鼓励用户加入了节约能源和公布减轻温室气体排放做出的努力。 4 结论

本文基于当今电力系统中存在的种种问题，指出了发展智能电网的重大意义和必要性。首先介绍了智能电网的概念、特征和基本结构，然后详细阐述了实现智能电网所必须解决的关键技术问题：分布式能源的智能管理系统、高度集成的开放式通信系统、高级的智能仪表体系和需求侧管理、先进的监控软件和辅助决策体系以及新型的电网元件技术等。这些关键技术问题的解决，将为智能电网的最终实现提供软件和硬件保障。

参考文献

[1] 盛鹍，孔力，齐智平，等．新型电网-微电网（Micro grid）研究综述[J]．继电器，20xx，35(12): 75-81．SHENG Kun, KONG Li, QI Zhen-ping, et al. A Survey onResearch of Micro grid – a New Power System [J]. Relay,20xx, 35(12): 75-81.

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[6] 顾峻源. 我国应大力发展智能电网[N]. 中国电力

报,20xx-04-24(001).

Smart grid demand side management under Highly integrated, open communication system

Simida

(Electrical and Information Engineering College of Zhengzhou Institute of Light Industry, Zhengzhou 45002)

Abstract: This paper outlines the basic situation of smart grid technology and distributed energy, and summarize smart grid framework under three.The specific way of the development of distributed energy. Power at all levels to coordinate the development of a strong grid road. Based on the necessity and based on analysis of the smart grid construction in China, focusing on four aspects of the development of the smart grid in China should be concerned about, and that is a strong smart grid construction with Chinese characteristics, intelligent timing of the transmission and distribution system of scientific planning ahead plan for the integration of smart grid information construction, and firmly establish smart .Intelligent timing of scientific planning and transmission and distribution systems, smart grid and the integration of information construction planning ahead. Depth discussion and research we advanced monitoring software and decision support system of the smart grid and distributed energy management system.

Keywords: smart grid; distributed generation; key technology; characteristics; key technology; characteristics; structure; clean energy