一、 概述

在某個(gè)傍晚的下班高峰期，川流不息的地鐵站，成千上萬的旅客接踵而至。當(dāng)然，我們不可能有類似諾亞方舟一樣的龐大交通工具裝載所有的人。為了解決這個(gè)問題，我們可以分流旅客，讓他們轉(zhuǎn)乘其它交通工具，如公交、出租車等。但是，最終人們還是會(huì)再次匯聚在一起。

另一方面，能源供應(yīng)長(zhǎng)期以來主要依賴化石能源?；剂系拇罅块_發(fā)，造成了環(huán)境污染和大氣中溫室氣體的濃度顯著上升。再加上近年來全球氣候的變暖，致使環(huán)境問題變得越來越嚴(yán)峻。所以，國家電力能源結(jié)構(gòu)必須從傳統(tǒng)的以煤為主，轉(zhuǎn)變到多種能源，特別是新興的可再生能源并存。

回到開頭所提到的例子，我們可以把旅客比作能量，旅客流量的增大比作電網(wǎng)規(guī)模的日益增大，所以，電網(wǎng)的運(yùn)行與控制的復(fù)雜程度越來越高。我們可以通過半導(dǎo)體開關(guān)與集成電路來控制這些能量包，使得能量從輸入再到輸出平穩(wěn)高效更智能地運(yùn)作。2005年坎貝爾通過無線控制器把大樓里面的各個(gè)電器相連，并實(shí)現(xiàn)有效控制。比如，一臺(tái)空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)15分鐘并維持室內(nèi)溫度在24℃的前提下，另兩臺(tái)空調(diào)可以停運(yùn)一段時(shí)間，從而提高能源的利用效率。這，其實(shí)就是智能電網(wǎng)的初苗。

傳統(tǒng)電網(wǎng)是一個(gè)剛性系統(tǒng)，電源的接入與退出、電能的傳輸?shù)榷既狈椥?，致使電網(wǎng)沒有動(dòng)態(tài)柔性及可組性；垂直的多級(jí)控制機(jī)制反應(yīng)遲緩，無法構(gòu)建實(shí)時(shí)、可配置、可重組的系統(tǒng)；系統(tǒng)自愈、自恢復(fù)能力完全依賴于實(shí)體冗余；對(duì)客戶的服務(wù)簡(jiǎn)單、信息單向；系統(tǒng)內(nèi)部存在多個(gè)信息孤島，缺乏信息共享

大勢(shì)所趨：互動(dòng)電網(wǎng)是下一代全球電網(wǎng)的基本模式，也是中國電網(wǎng)現(xiàn)代化的核心，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)這一信息交換與通信的重要控制橋梁。那么，這種新型智能電網(wǎng)與能源解決方案主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1.自愈電網(wǎng)：電網(wǎng)中有問題的元件從系統(tǒng)中隔離出來并且在很少或不用人為干預(yù)的情況下可以使系統(tǒng)迅速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，從而幾乎不中斷對(duì)用戶的供電服務(wù) 。

2.人電交互：鼓勵(lì)和促進(jìn)用戶參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行和管理是智能電網(wǎng)的另一重要特征。猶記得過去有專門的電工師傅挨家挨戶的收電費(fèi)，慢慢，可以人人可以參與電網(wǎng)的運(yùn)行與管理；另外我們可以在下班之前，在辦公樓打開家里的熱水器等等。

3.安全可靠：各種能源并入電網(wǎng)，考驗(yàn)了其抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力。

·物理攻擊還是網(wǎng)絡(luò)攻擊，智能電網(wǎng)要通過加強(qiáng)電力企業(yè)與政府之間重大威脅信息的密切溝通。

·另一方面提高供電可靠性和電能質(zhì)量，特別是對(duì)應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)和恐怖襲擊具有重要的意義。

4. 蓬勃與節(jié)能：分時(shí)計(jì)費(fèi)，分時(shí)計(jì)費(fèi)、削峰填谷、合理利用電力資源、節(jié)能減排

·促進(jìn)半導(dǎo)體智能化行業(yè)、通信系統(tǒng)與設(shè)備制造的發(fā)展。

·推動(dòng)成本更低的解決方案，并促進(jìn)新技術(shù)的開發(fā)，新型潔凈的能源產(chǎn)品也將給市場(chǎng)提供更多選擇的機(jī)會(huì)。

由此，智能電網(wǎng)具備可靠、自愈、經(jīng)濟(jì)、兼容、集成和安全等特點(diǎn)。互動(dòng)電網(wǎng)學(xué)說的本質(zhì)就是以信息革命的造發(fā)性標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)手段大規(guī)模推動(dòng)工業(yè)革命最重要財(cái)產(chǎn)——電網(wǎng)體系的革新和升級(jí)，建立消費(fèi)者和電網(wǎng)管理者之間的互動(dòng)，并對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用：

I、堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，將推動(dòng)智能小區(qū)、智能城市的發(fā)展，提升人們的生活品質(zhì)。

II、促進(jìn)能源資源優(yōu)化配置、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提供多元開放的電力服務(wù)、推動(dòng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展等多個(gè)方面

III、風(fēng)能、太陽能等清潔能源的開發(fā)利用以生產(chǎn)電能的形式為主，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)可以顯著提高電網(wǎng)對(duì)清潔能源的接入、消納和調(diào)節(jié)能力，有力推動(dòng)清潔能源的發(fā)展。

以上提出如此富有意義的智能電網(wǎng)概念，那么如何才能描繪出這樣美好的宏偉藍(lán)圖呢？

二、解決方案：

首先，我們從一個(gè)簡(jiǎn)短視頻整體了解如何配備互動(dòng)電網(wǎng)，以德州儀器（TI）關(guān)于智能電網(wǎng)的解決方案為視角：

智能電網(wǎng)概述.mp4（ctrl+鼠標(biāo)左鍵即可觀看，若無法觀看請(qǐng)手動(dòng)打開video文件夾里面的視頻）

沒錯(cuò)，在節(jié)能的同時(shí)節(jié)能資金，設(shè)計(jì)更智能的電網(wǎng)！面向能源智能化的解決辦法，涵蓋了從測(cè)量、監(jiān)測(cè)、保護(hù)、傳輸、通信、微電子等各個(gè)領(lǐng)域。

A：核心器件：

不同功率半導(dǎo)體器件在電力領(lǐng)域的應(yīng)用

基于半導(dǎo)體技術(shù)與電力技術(shù)的融合，其增強(qiáng)了電網(wǎng)的靈活性和可靠性，是智能電網(wǎng)的先進(jìn)控制和調(diào)節(jié)手段。

傳統(tǒng)的機(jī)械式控制手段，響應(yīng)速度慢、不能頻繁動(dòng)作、控制功能離散，而大功率電力電子器件作為智能電網(wǎng)的核心部件具有更強(qiáng)、更快、更有效的功能特點(diǎn)。這種大功率電力電子技術(shù)包括高壓直流輸電（High Voltage Direct Current， HVDC）、柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible Alternating Current Transmission System， FACTS）、定制電力（Custom Power， CP）和基于電壓源變換（Voltage Sourced Converter）的柔性直流輸電（VSC-HVDC）。功率器件的運(yùn)用著重于它的容量（大電流，大電壓）、開關(guān)頻率、通態(tài)損耗、串并聯(lián)使用性等，例如功率MOSFET、IGBT、GTO等。第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC、GaN使得電力電子器件邁上了新的臺(tái)階，人們?cè)絹碓街匾曄嚓P(guān)的技術(shù)問題。

B：電力線通信技術(shù)（PLC）：

PLC模塊框圖

傳統(tǒng)的上網(wǎng)方式就不再贅述了，如今，我們又多了一種更方便，更經(jīng)濟(jì)的選擇：利用電線，這就是PLC！ PLC的英文全稱是Power Line Communication，即電力線通信。通過利用傳輸電流的電力線作為通信載體，使得PLC具有極大的便捷性，只要在房間任何有電源插座的地方，不用撥號(hào)，就立即可享受4.5~45Mbps的高速網(wǎng)絡(luò)接入，來瀏覽網(wǎng)頁﹑撥打電話，和觀看在線電影，從而實(shí)現(xiàn)集數(shù)據(jù)﹑語音﹑視頻，以及電力于一體的“四網(wǎng)合一”！ PLC利用現(xiàn)有電力線基礎(chǔ)設(shè)施，為在許多工業(yè)應(yīng)用引進(jìn)智能監(jiān)控和控制提供了經(jīng)濟(jì)高效的方法。它讓 PLC 成為用于智能電網(wǎng)應(yīng)用（如智能抄表、照明控制、太陽能、插入式電動(dòng)車以及家庭和樓宇中的供暖、空調(diào)和安全系統(tǒng)）的首選技術(shù)之一。問題是電力線本身噪聲很大，開發(fā)高效PLC實(shí)施也會(huì)遇到諸如數(shù)據(jù)可靠性等的困難。

C：新能源并軌：

當(dāng)今社會(huì)，能源緊缺是各個(gè)國家遇到的共同問題，可再生能源和替代能源的利用與轉(zhuǎn)化受到大家的青睞。通過評(píng)估太陽能到電能的轉(zhuǎn)換以及適應(yīng)未來需求的新型半導(dǎo)體材料，從而提高電力密度以及電壓和效率等級(jí)的可行性。

能量收集系統(tǒng)包含能量收集模塊和處理器/發(fā)送器模塊。能量收集模塊從光、振動(dòng)、熱或生物來源中捕獲毫瓦級(jí)能量?？赡艿哪茉催€來自手機(jī)天線塔等發(fā)出的射頻。連接至電網(wǎng)的光電 （PV） 安裝通常采用串聯(lián)至串逆變器的模塊陣列。利用專用于每個(gè)模塊的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器補(bǔ)充傳統(tǒng)串逆變器，使單個(gè)模塊可收集更多能量的新興系統(tǒng)架構(gòu)。

D：電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施：

保護(hù)繼電器在從發(fā)電到輸配電等電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的各個(gè)環(huán)節(jié)上很常見，它們能夠讓運(yùn)營(yíng)商在不同的點(diǎn)監(jiān)視和控制電網(wǎng)，兩大主要功能是測(cè)量和保護(hù)。在現(xiàn)代保護(hù)繼電器中，通信也是解決方案的必要組成部分，能夠讓運(yùn)營(yíng)商遠(yuǎn)程監(jiān)視和運(yùn)行電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。保護(hù)繼電器輸入通常是來自線路傳感器的電流和電壓，以及來自電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中其他相關(guān)設(shè)備的任何通信。輸出包括向斷路器發(fā)送的信號(hào)（打開或關(guān)閉）以及與電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信。當(dāng)保護(hù)繼電器檢測(cè)到故障時(shí)，它會(huì)命令斷路器將經(jīng)檢測(cè)發(fā)生故障的線路置為開路，從而為保護(hù)繼電器下游線路的一切提供保護(hù)。在測(cè)量精度以及響應(yīng)速度上，需要工程師做更多的技術(shù)支持。

E：電表與監(jiān)測(cè)：

配電自動(dòng)化和用戶信息采集，一直以來是電力系統(tǒng)發(fā)展最薄弱的環(huán)節(jié)，也是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵。配電自動(dòng)化包括各種采集控制終端采集信息的上傳和主站控制命令的下達(dá)；用戶信息采集包括用戶用電信息的上傳以及采集指令的下達(dá)。這些終端包括數(shù)據(jù)集中器、智能電子式電表、電能質(zhì)量檢測(cè)儀、水表、熱量表等。

單相本地費(fèi)控智能電表

預(yù)付費(fèi)型智能單相代碼表

例如傳統(tǒng)的智能電表是由用戶交費(fèi)對(duì)智能IC卡充值并輸入電表中，電表才能供電，表中電量用完后自動(dòng)拉閘斷電，新型的智能電表目前以完美實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)購電，就像手機(jī)充值一樣簡(jiǎn)單。除了具備傳統(tǒng)電能表基本用電量的計(jì)量功能以外，為了適應(yīng)智能電網(wǎng)和新能源的使用它還具有用電信息存儲(chǔ)、雙向多種費(fèi)率計(jì)量功能、用戶端控制功能、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信功能、防竊電功能等智能化的功能，智能電表代表著未來節(jié)能型智能電網(wǎng)最終用戶智能化終端的發(fā)展方向。

電能質(zhì)量或電能保護(hù)監(jiān)測(cè)儀常用于許多工業(yè)環(huán)境中?，F(xiàn)在，小型設(shè)備同樣可供家庭使用。它們使操作人員既能夠監(jiān)視電力線的擾動(dòng)，還能監(jiān)控某個(gè)建筑、機(jī)器或設(shè)備的用電情況。在某些情況下，可通過調(diào)制解調(diào)器或高速通信線對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

各種傳感器負(fù)責(zé)收集重要電站設(shè)備的性能和狀況信息，例如變壓器和電路斷路器，并負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以供將來參考使用。這些分時(shí)數(shù)據(jù)將用于執(zhí)行特定功能并為操作員、維護(hù)計(jì)劃員和工程師提供決策指導(dǎo)。

三、 總結(jié)：

智能電網(wǎng)不是終點(diǎn)，而是一個(gè)過程。智能電網(wǎng)的建設(shè)既是逐步使電網(wǎng)具有智能化的過程，也是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要一系列新技術(shù)、新設(shè)備的支撐，必須在新技術(shù)研究和新設(shè)備制造方面取得突破。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和智能城市的發(fā)展將給智能電網(wǎng)建設(shè)帶來不可忽視的影響，對(duì)此也必須密切跟蹤和深入研究。

目前國際上關(guān)于智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系的研究最具代表性的是國際電工委員會(huì)（IEC）、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）、美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）。我國“十二五”期間將建成“三縱三橫一環(huán)網(wǎng)”的特高壓交流線，并建設(shè)11回特高壓直流輸電工程，形成以華北、華中、華東為受端，以西北、東北電網(wǎng)為送端的三大同步電網(wǎng)，使電網(wǎng)的資源配置能力、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率、安全水平、科技水平和智能化水平得到全面提升。

國家電網(wǎng)公司以能量流和信息流為主線繪制了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系概念模型：

綜合與規(guī)劃；智能發(fā)電；智能輸電；智能變電；智能配電；智能用電；智能電網(wǎng)調(diào)度；通信信息。

總之，在綠色節(jié)能意識(shí)的驅(qū)動(dòng)下，智能電網(wǎng)成為世界各國競(jìng)相發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，理念初步萌發(fā)形成，成為全球電力工業(yè)應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)的共同選擇。我國電力工作者應(yīng)順應(yīng)形勢(shì)變化，把握歷史機(jī)遇，響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，加快信息化、智能化建設(shè)的步伐，我堅(jiān)信祖國一定會(huì)成為世界智能電網(wǎng)理論與實(shí)踐的引領(lǐng)者！