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发展智能电网要上升到国家战略
肖立业:
1989年毕业于重庆大学电气工程系;1989年9月至1995年9月在中国科学院电工研究所攻读硕士和博士学位,1992年3月获得硕士学位,1995年4月获得博士学位;1995年10月至1997年8月在美国国立强磁场实验室作博士后研究;1997年9月至1998年4月在日本国立金属材料研究所任COE特别研究员。
1999年4月至2002年1月,担任中国科学院电工研究所超导技术研究室主任,1999年12月,晋升为研究员;2002年10月,担任中科院应用超导重点实验室主任。2003年5月,担任中国科学院电工研究所副所长,2007年6月,担任中国科学院电工研究所所长。
2002年获得国家杰出青年科学基金的资助,2007年获得中国科学院十大杰出青年荣誉称号
 
 

    智能电网可以解决精确供能、电力需求侧管理、电网自由接入、多电源互动以及分散储能等问题,它不仅服务于大电网,而且服务于我们的电力终端用户,有可能大大改变我们未来的生活。
    智能电网通过需求侧管理提高终端响应能力,如果一座建筑、一个工厂有无数个电动机,电梯、水泵、风机都要电动机运行,电动机在启动时的电流是运行电流的5~7倍,如果同时启动将占用大量供电系统的负荷容量,造成供电设备装机容量和投资巨大,但是如果我们通过智能控制,将电机启动时间错开,就可以节约大量的电力负荷和相关投资,这对于智能电网来讲是很容易就能实现的,这样就可以大大提高电力系统效益。
 
一、欧美国家循序渐进、稳步推进
 
    智能电网的研究起源于美国。90年代,美国经常发生停电事故,造成很大的损失,因此能源部(DOE)考虑对电网进行升级改造。2001年,正式提出了Intelligrid的概念,Intelligrid也可以翻译成智能电网。
    2003年,DOE出台了“Grid 2030”计划,这个计划基本上将智能电网的构架勾划出来。这个计划的构想比较宏大,要用超导电缆构建全国的骨干网,并建造包括骨干电缆网、区域电网、地方大电网的多层次电网。这个计划的目标是:到2030年,美国会有完全自动化的输配电系统,它将涵盖对每个用户及每一网络节点的监视和控制,确保从电厂到用电器之间双向的电力潮流及信息流。分布智能、宽带通信、监视和控制以及自动响应使人、楼宇、工业过程与电力网络之间的接口没有缝隙,可进行实时的市场交易。这个计划中,也制定了详细的技术发展路线图,对每一个阶段要做哪些工作已经有了非常详细和清楚的描述。虽然“Grid 2030”计划当时看来只是一个设想,但是美国后来所做的工作就是围绕这个设想某些内容开展的。例如,其中提到需要美国总统宣布国家需要“超级电网”,奥巴马上台后就宣布了发展智能电网和超导输电技术的计划;其中也提到2010年在美国推广智能电表,目前也基本上是按照这个时间表在推进的;超导输电的示范也基本上按照这个计划的进度表在推进。可以说,虽然不是全部但至少是部分的“Grid2030”设想是按照原计划推进的。
    2004年,DOE牵头组织的GridWise联盟成立,联盟的主要任务是与联邦与州政府的决策层以及行业监管机构互动,为智能电网政策层面的发展提供建议和反馈意见,进行智能电网宣传,提高公众对智能电网的认知;2005年,美国国会通过了GridWorks 和GridWise 2 项研发计划以支持路线图的实现,前者主要针对“硬件”,包括电缆导线、变电站、保护系统和电力电子等领域;后者主要针对“软件”,指的是信息系统集成技术和数字技术等在电力系统中的应用。2005年,DOE和NETL开始“The Modern Grid Initiative : a Vision for the modern grid”的研究,2007年3月完成,主要对未来电网进行了展望,提出了电网要具有自愈、抵御攻击、用户参与、符合新世纪需求的电能质量、市场化、资产优化和提高能效、分布式发电和储能等特点。2006年,美国IBM公司与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。根据这一方案,电力公司可以通过使用传感器、计量表、数字控件和分析工具,自动监控电网,优化电网性能、防止断电、更快地恢复供电,消费者对电力使用的管理也可细化到每个联网的装置。这个可以看作智能电网最完整的一个解决方案,标志着智能电网概念的正式诞生。
    2007年12月,通过的美国能源独立和安全法(EISA)中,明确把智能电网工程列入计划之中;美国能源部、美国环境保护署、美国国家标准和技术研究院等机构联合组建了联邦智能电网工作小组(smart grid task force),以协调美国政府相关机构的运作,借此推动智能电网相关技术的发展和应用。美国Xcel Energy 公司从2008 年起在科罗拉多州的一个9 万人的小镇Boulder建设全美第一个“智能电网”城市。其主要技术路线是:构建配电网实时高速双向通信网络。整合基础设施,支持小型风电和太阳能发电、混合电力汽车、电池系统等分布式发电和储能技术。2009年初,经过很长时间前期酝酿和准备后,奥巴马从国家战略层面正式推出智能电网发展计划,有新能源发展的现实需求,也有拉动经济并占领新一轮科技制高点的显著意图。
    可以看出,从2001年到目前为止,美国在推动智能电网方面开展了一系列前瞻性和系统性的研究,做了一系列的准备,并开展了示范,可谓每一步都脚踏实地、稳妥推进。
    2005年,根据可再生能源和分布式发电的发展要求,成立欧洲智能电网技术论坛,该论坛已发表的报告中重点研究了未来电网的发展前景和需求、提出了智能电网的优先研究内容病提出了欧洲智能电网的重点领域是:1)优化电网的运行和使用;2)优化电网基础设施;3)大规模间歇性电源集成;4)信息和通信技术;5)主动的配电网;6)新电力市场的地区、用户和能效。2005年,在欧盟第五、六研发框架计划支持下,欧洲未来电网Smart Grids技术平台正式启动。
    2008 年7 月1 日,由意大利电力公司ENEL 负责,启动了欧盟11 个国家的25 个合作伙伴联合承担的ADRESS 项目,该项目总预算1600万欧元,其目的是开发互动式配电能源网络,实现电力用户主动参与到电力市场及电力服务中。2001-2008 年累计安装了3180 万块智能电表,覆盖面已达95%,其余部分2011 年前完成。2009 年4 月,由西班牙电力公司ENDESA 公司牵头,与当地政府合作在西班牙南部城市Puerto Real 开展了智能城市项目试点,主要包含智能发电(分布式发电)、智能化电力交易、智能化电网、智能化计量、智能化家庭,共投资3150万欧元,当地政府出资25%,计划用4 年的时间完成智能城市建设。该项目涉及9000 个用户、1 个变电站以及5 条中压线路、65 个传输线中心。2009 年6 月,荷兰首都阿姆斯特丹(Amsterdam)宣布选择埃森哲(Accenture)公司帮助其完成第一个欧洲“智能城市(Smart City)”计划。该计划包括利用可再生能源、下一代节能设备、CO2 减排等内容。
    欧洲美国家发展智能电网有以下几个特色:第一,目前还是以推广智能电表并搞一些示范城市为切入电;第二,非常重视信息技术在智能电网中的应用和发展,有很多信息企业参加到智能电网;第三,比较重视可再生能源和分布式能源的利用,包括电动汽车及将来电动汽车的发展服务;第四,就是重视电力质量、供电可靠性,比如说配电网络的升级改造。第五,美国也同时重视大电网的安全稳定性和可靠性以及老化电力设施的升级改造。
 
二、我国相关工作起步较早,具备了进一步发展智能电网的基础
 
    中国在发展智能电网的方面应该说研究工作做的比较早,只是没有正式把智能电网概念提出来。1999年,清华大学卢强院士承担了一个“973”的项目――“我国电力大系统灾变防治和经济运行的重大科学问题研究”,他当时就提出来一个数字电力系统的概念,数字电力系统虽然跟智能电网的概念不完全一样,但实际上是把电力系统所有的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标等用数字化技术实时形象再现,从而对电网的管理和科学决策、安全稳定性实时评估和改善、紧急控制和最优解列方案及快速恢复等提供支撑,因此其实质是已经有了智能电网的雏形。
    2004年,中国电力科学院的周孝信院士承担了另外一个973项目“提高大型互联电网运行可靠性的基础研究”。他提出采用分布式计算来对整个电网实时仿真。首先是要测量电网当中的很多参数,通过PC机群做分布式计算,对电网进行实时仿真。利用实时仿真,我们能对电力系统会不会出问题,会出什么样的问题,做出评估和预测,然后再提出更加优化的运行方案的解,从而使得电网运行趋于更加安全可靠,并在出现故障时将影响控制在最小的范围。这项研究也是目前所说的智能电网技术非常重要的组成部分。
天津大学余贻鑫院士早在2006年就开始关注智能电网方面的一些研究,前期在智能配电系统做了大量的研究工作,2008年承担了另一个973项目“分布式电力系统”的研究,主要针对可再生能源的分布式利用开展有关基础研究。
    中国科学院电工研究所早在2001年就开始了分布式电力技术和微型电网的研究工作,主要可再生能源的分布式利用。其实,这里也有很多智能电网的元素。分布式电网的功率是双向流动的,它的内部网络应变也应该是灵活可控的,它能够容纳多种发电方式和储能技术,且具有很高的供电可靠性并满足用户所需要的电力质量。所以,分布式电力技术也是智能电网一个重要的组成部分。当前,欧美国家所做的智能电网示范工程,很多也是分布式电力技术层面的。电工所在这方面开展了比较长时间工作,有了一些很好的基础和技术积累。
    从整个电网的技术水平来讲,我国电网的自动化、信息化、智能化程度比美国还要高。因为我国的大部分电力设施最近10年以内建立起来的,其中采用了最先进的技术和装备,而美国电网发展比较慢,很多设施都陈旧老化了。
    虽然我们国家的智能电网没有上升到一个国家战略,但是无论是在前期的科研工作方面还是电力基础设施建设方面,均打下了很好的基础,具备了进一步大力发展智能电网的基础。
 
三、智能电网发展涉及到信息和物理两个层面的十多项关键技术
 
    过去电网的发展历史是自动化、智能化和信息化程度不断提高的历史,目前提出智能电网的概念,是电网的一次从量变到质变的一个飞跃。智能电网是一个庞大技术体系的高度集成并将支持数万亿产值的工业,我国应该抓住这个机遇,大力发展智能电网,以全面提升我国的自主创新能力,为实现产业结构调整做出贡献。
    虽然智能电网所涉及到的技术是非常多的,但是不外乎两个层面:第一个是信息层面的,第二个是物理层面的。
    信息层面首先要确立信息系统的统一标准,以便于围绕智能电网需求去开发各种应用系统,其次是电网的网络结构,包括输电网、配电网的结构和信息系统的结构,都要做成一个统一的规划。没有这些顶层设计,不同的公司自由发展,就会打乱战。
    在这个基础之上,涉及到的首先是测量技术。电力设备是一个什么样的运行情况,它处在一个什么样的状态,还有它周边环境,要精确测量出来。这里涉及到传感器、传感器网络。传感器要测量的参数很多,设备的运行参数、状态参数、环境参数、故障定位、发电厂的运功率、耗能状况、排放情况等等。
    测量的参数需要让数据中心知道,就需要有通讯技术。通讯可以采用很多种方式,如光纤网、无线网,也可以采用电力线载波通讯等。通过通讯技术,可以组成不同层次的网络,比如楼宇可以自己搞一个通讯网,家庭也可以搞了一个自己的网,各个层面的通讯网络将各自的电力设备和用电设备联系起来,并与电力系统的其它部分进行快速的通讯。有了通讯网,就可以根据需要对所有的设备进行控制了。例如,将家电设备通过家庭网络与智能电表联成一个网络后,将来打电话也好,发短消息也好,都可以通过智能电表去控制家电设备,回家之前发个短消息,家里的空调就打开了,或者发个短消息,热水器就关掉了。这个智能电表不光控制家用电器,将来还可以与自来水、煤气、暖气甚至家庭传感网联系起来,你通过这个系统可以支付所有的费用并能确切知道家里的安全状况。因此智能电表,它还不只是一个电表,它实际上是一台计算机。它有通讯功能,它能控制你所有的设备,它是一个重要的网络节点。
    通讯系统一个重要的要求就是要保证数据传递的精确时间同步或者精确对时。我们都知道,电网现在用的是50赫兹的交流电,也就是说每一个周波只有20个毫秒。无论从哪里测量到的数据,都要精确的对应到同一个时刻,如果测到你家里的数据和测到电网的数据不是一个时刻的,那么这些数据送到计算机进行运算的时候,结果肯定就不对了。一个周波20个毫秒,故障就是几个周波,如果时间不对等的话,就没法给出正确的计算结果了。另外,通讯系统要能抵抗外面的一些干扰,不要受外界的一些影响,否则数据就可能出错,麻烦就大了。
    就要控制和驱动某些设备,就需要有控制或者驱动芯片。芯片技术是智能电网中很重要的技术,无论是智能电表,还是精确计时,都需要芯片,传感器对外通讯用也需要芯片。
    测量到的数据通过通讯系统送给了数据中心后,接下来就是这些数据信息怎么集成的问题,所以要建立一个信息平台。首先,在信息平台上,所有数据能够实现共享。这个数据不光这个计算机上用,还有别的计算机可能要用,比如说管理中关村电网的某个计算机上存储的数据,在某些时候也会被管理整个北京电网的中心计算机使用,因此要建立网络数据共享。这些动态共享要解决大量高速存取的问题,还有备用的问题。其次,要对这些数据进行分析,分析完成后,它能够对发电、输电、配电、供电和用电进行优化管理。国家、区域和地方局域这些不同层次的网络都要对数据进行分析,比如说电力公司能够发多少电,而用户需要多少电,怎么优化调配发电厂和储能系统以及可以临时关掉哪些负载等,从而使系统更加高效安全可靠,这些都需要分析。第三,某些信息还要能形象地显示出来。例如,将来的电价是动态变化的,这就需要在用户的电表上显示出来。电力系统的状态和设备的情况也要可视化,以显示这个系统的运行状况怎么样,什么环节处在一个怎么样的状态,要看得见,形象的展现。
    信息系统和通讯系统变成电网很重要的组成部分后,安全性问题就很重要了。电网通到每家每户,目前全世界只有电网是深入到每家每户的,其它的任何网络还没有做到这一点。智能电网的信息系统要延伸到到每台设备,只要有电的地方它就有IP,它就能通讯,那么网络的信息安全就太重要了。如果出现问题,动不动就攻击你一下,网络就瘫了,这恐怕是不行的。因此网络的信息安全非常重要。因此,建议电力公司最好单独搞一个专门电力信息网,这样可能会安全一些。最好是,其涉及到的芯片、操作系统,都是专用的。现在用的这种公用信息网,很容易遭到攻击。
    预测预报技术是智能电网的一项重要技术。首先是要能对故障进行预测、预警、定位。比如对电力设备要进行预测,预测它还能工作多久,如果下一次发生故障,它会不会坏。其次要能预测用电量和发电量,以便于协调发电、用电和储能系统。例如,下一个时间节点,到底能发多少风电出来,要提前知道,这样才能知道火电厂要少发多少火电,或者储能系统能要储存或者发出多少电。要不然不平衡了,就出问题了。
    高级计算能力。电网这多数据都测出来了,这个电网到底是不是安全的,会不会是优化的,怎么样来优化,这就需要高级计算能力。高级计算能力不是通过一台计算机来完成的,可以通过分布在不同地区的计算机以网络计算的方式来完成。例如,中关村有一台计算机,电工所有一台计算机,中关村这台计算机对电工所这台计算机有一个授权,各级计算机计算和管理自己的任务。这样的计算涉及到人工智能、虚拟现实等,内容很丰富。
    在智能电网中,变电站是一个很重要的环节。将来变电站要实现数字化、信息化、自动化,有一部分是分布式发电还要整合到变电站。变电站由很多先进的技术来构成,比方说数字式化的断路器、变压器、电抗器等,还有限制短路电流的限流器、故障录波装置等。
    分布式电力技术,这是智能电网当中很重要的一个组成部分。它可以基于可再生能源发电,也可以是储能设备,储能设备也包括电动汽车充电站。
    大型可再生能源并网技术在智能电网中也是非常重要的。可再生能源发电并网不解决好,那么电网是没法智能起来的。
    大型储能电站技术,既然有大型的可再生能源的发电站,就得有大型的储能电站配合。储能电站当然可以用很多种储能方式,抽水储能,飞轮压缩空气,化学电池,包括电动汽车都可以建成一个大型的集中充电站。
    超导技术,也是未来智能电网当中重要的一项新技术。因为在超导技术提高电网输送能力、稳定性、安全性、改善电能质量和提高电网的有效率等多方面,都是非常有优势的。美国能源部认为超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备。超导电力技术的应用取决于很多因素,一个是高性能的材料,没有材料不行,现在液氮温区的超导材料基本上可以用,但是还比较贵,制冷维护成本比较高。将来需要在材料制备技术、制冷技术和设备制造方面均取得突破。据估计,2030年之前会有大量的应用。美国现在也在力推超导技术在电力方面的应用,超导技术肯定是未来电网方面的一项革命性的新技术。
    智能电网的发展离不开物质基础。这里的物质基础就是新材料技术。如储能器件用的材料,像储氢材料、超级电容器的电极材料、高效的电池材料;另外还有电缆、高压线的先进材料,它既能称通大电流,又能有比较强的机械强度,还能耐高温;还有像传感器,传感器能耗要低,并且能抵抗外面环境的变化。这些就都得需要开发新材料。
    以上谈的都是智能电网涉及到的一些技术问题。
 
四、中国发展智能电网应关注新能源发展、大电网安全和智能配电网三大问题
 
    中国应该怎样来发展智能电网,我个人认为中国发展智能电网应该关注三大问题。
    第一个问题就是新能源的发展。
    中国国家电网经历了100多年的发展,特别是最近几年发展很快,国家电网信息化自动化比美国和欧洲的还要好,那么未来的挑战主要在哪儿呢,我个人认为首先在新能源的规模开发利用问题。
    首先,可再生能源的资源跟水电、煤电又不一样,不太稳定,间歇性强。第二,可再生能源发电方式也不一样,水电动不动就几十万上百万千瓦单台一台机组,火电也都是六十万机组,超超临界的都是上百万的,而风电机组就是几个兆瓦,比如说做3兆瓦比较经济,在做5兆瓦就不经济了,到了海上风电也就做到5兆瓦,搞到10兆瓦也未必经济。所以说资源特点不一样,发电方式也不一样。因此,可再生能源的规模化利用,是电网的一个重大的挑战,是最核心的挑战。此外,大量的分布式电源利用也是问题,网内到处是分布式能源,到处是电动汽车充电站,对电网的影响也是要重要考虑的问题。如果没有这些东西,电网现在就是怎么扩大、怎么加强的问题。但是新能源的发电会带来根本性的影响,所以说智能电网的发展重心当然是首先考虑新能源规模化利用问题,不考虑新能源的规模化利用的问题,智能电网的发展就失去了最原始的动力。现在很多风电,说是30%并不了网,未来可再生能源发展肯定是大规模增长,解决入网问题非常关键。
    第二个问题是大电网的安全稳定。
    虽然中国没有像美国那样发生大停电,但是电网安全稳定还是很重要的。大电网关心的是在全国范围之内怎么优化配置资源并且安全稳定可靠,目前国家电网公司搞的“一特四大”就是要解决这个问题。
    第三个问题是智能配电网。
    智能配电网要重点解决供电可靠性问题和电能质量问题,并且保障电网是自愈的,也要实现用户与电网的双向互动等。
 
五、智能电网应上升至国家战略进行顶层设计,并以开放的心态发展
 
    智能电网对产业的拉动作用太大了。上面讲到很多技术,讲到信息层、物理层、十几大类,每一个方面都带动很大的产业,比如说传感器、电力设备制造业、信息网络、通讯、计算机、芯片、电器的智能化、电子行业、新材料制造、超导技术、可再生能源、电动汽车、电池等,都是很大的产业。因此发展智能电网应该上升到国家战略,并需要加强顶层战略设计。

    其次,也是因为智能电网涉及的技术多、带动面大,所以还需要有一个开放的心态。智能电网不是一家或者几家单位能做好的事情,需要全社会广泛的参与,要建立起一个统一标准下的开放机制。此外,要有更广阔的国际视野,积极参与国际标准的建立。

 
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