智能電網到底是什麼?終於明白了!

智能電網到底是什麼？終於明白了！

工程師8 發表於 2018-05-22 09:14:00

早在本世紀初，智能電網的概念就提出來了，並且經過風風光光的發展，在中國，智能電網已經成為風風光光的事業。但是智能電網到底是什麼鬼？你真的明白嗎？請看小編為你一一道來。

至於什麼是智能電網？先看看權威定義。

美國是這樣定義：

美國能源部《Grid2030》：一個完全自動化的電力傳輸網絡，能夠監事和控制每個用戶和電網節點，保證從電廠到終端用戶整個輸配電過程所有節點之間的信息和電能雙向流動。

國內是這樣定義：

國家電網中國電力科學研究院：以物理電網為基礎（中國的智能電網以特高壓電網為骨幹網架、各電壓等級電網協調發展的堅強電網為基礎），現將先進的傳感測量技術、通訊技術、信息技術、計算機技術和控制技術與物理電網高度集成形成的新型電網。它以充分滿足用戶對電力的需求和優化資源配置、確保電力供應的安全性、可靠性和經濟性、滿足環保約束、保證電能質量、適應電力市場化發展等為目的，實現對用戶可靠、經濟、清潔、互動的電力供應和增值服務。

是不是枯燥又乏味？別說非專業人士，就連專業人士也沒太多看下去的興趣。

這時候就需要我出馬了，我會儘可能用通俗易懂的語言來解釋這些枯燥冷門的內容。

既然說到智能電網，就先來看看電網到底是指什麼。

所謂電網，一般是指排除發電側之外的，由變電裝置和輸配電線組成的整體。

中高壓變電裝置一般都會配套建有專門的變電站，低壓變電裝置小區裡也隨處可見。

對，你們平時馬路邊看到的電線桿

城鄉結合部看到的高壓電桿塔

小區裡的變電箱

還有躲在犄角旮旯裡的變電站

它們都是電網的組成部分。電網包含變電、輸電、配電三個環節。

變電（powertransforming），是指通過變電設備將電壓由低等級轉變為高等級（升壓），或由高等級轉變為低等級（降壓）的環節。

輸電（powertransmission），是指通過輸電線路，將電能進行傳輸的環節。

配電（powerdistribution），是指通過配電變壓，將電能從高壓輸電線路分配給用戶的環節。

電能從發電廠製造出來，通過變電升壓，進入高壓輸電線路，再經過變電降壓，配電給各個用戶。

其中高壓輸電的部分又稱為主網，低壓配電的部分又稱為配（電）網。

此外，我們剛剛提到的發電機、變電箱、高壓電線，包括線路中的各種「開關」——斷路器、接觸器、隔離開關、刀閘等，都是直接用於生產和傳輸電能的，被稱為「一次設備」（Primaryequipment）。

可能有人要問了，我平時就看到這些啊，難道電網裡還存在什麼其他的隱秘的部分嗎？

沒錯，那就是所謂的「二次設備」。所謂二次設備（Secondaryequipment），是指對電網內一次設備進行監察，測量，控制，保護，調節的輔助設備。

二次設備包括電錶、監控裝置、繼電保護裝置、錄波器、直流源等。

可以想像一下發射火箭。那麼火箭本身就可以視為類似的「一次設備」，而監控火箭的軌道、速度、各種參數的裝置，就可以視為類似的「二次設備」。

好了，簡單介紹了一下電網，那麼讓我們來看看這智能電網到底「智能」在什麼方面吧。

用戶互動，電網透明

怎麼理解用戶互動呢？在過去，用戶對於電網來說，能做的幾乎就只有：按時交電費，或者看看自家的機械式的鋁盤電錶上走了幾度電。除此以外，似乎真的沒有什麼能做的了。

那麼智能電網呢？用戶將是電力系統不可分割的一部分。鼓勵和促進用戶參與自身運行和管理，是智能電網一大重要特徵。

老式電錶和智能電錶的對比

對供電公司而言，掌握用戶的需求，也就是更好地衡量了供求關係。通過統計用戶的用電信息，可以從數據分析中理解一個區域的用電規律，比如什麼段時間用電多，什麼時間段用電少，進而相應的制定各區域內，經濟節能的發電和輸配電的方案。此外，通過調節用戶的用電時間，便可有效的提高電網終端額用電效率，削峰填谷，平滑電網負荷曲線，減輕電網的負荷壓力。調節的好處是，減少或轉移用電高峰時的電力需求，是電力公司儘量減少資本的開支和營運開支。電力成本減少，電價自然會下調。

對用戶來說，電力消費和手機話費一樣，可以選擇性消費。用戶可以選擇不同的方案來購買電能、選擇用電。比如，用戶可以隨時了解，尖峰時段電價高，可以選擇少用電；低谷時段電價便宜，就配合智能化電器的試試操作和遠程控制，選擇在低電價的時段用電。

智能設備，實現物聯網

就像上文提到的，智能家電、智能控制設備等智能終端，將在智能電網中佔據很重要的地位。通過在手機上安裝的用電APP，就能遠程遙控電熱水器、空調、冰箱、電熱水壺等電器，可以輕鬆實現在電價便宜的時候用電。

不妨設想一下好了，當冬天外出，回家之前通過APP提前打開空調，開門就能觸摸溫暖……想在早晨6點之前用半價電燒一壺水，但又不想那麼早起床操作，可以藉助APP定時功能，確保6點前自動完成燒水……通過APP，還能如同查詢手機流量一樣，隨時了解某個電器設備在某一段時間內的耗電量，使用戶對於自己的用電帳本一目了然。

一幅全景式的智能電網家庭用戶示意圖

而智能電網中的配變電量採集箱，也不單單只是過去的單向採集功能了，它們會自帶WIFI和網絡功能，將用戶的用電信息、數據收集之後，通過網絡發送到供電公司的數據終端。供電公司將對這些數據進行歸類、對比分析，再根據用戶用電的實際情況，為其量身定製用電方案，並通過手機簡訊等形式發送告知。

舉個例子，用戶通過查詢高能耗電器的實時使用數據，便可以隨時了解自己家中的哪些電器存在浪費。譬如電視開著卻沒有看，家裡沒人卻開著空調等等現象就可以避免。

從電廠到用戶的智能電網全景圖展示

測量升級，大數據時代

上文裡提到的老式機械電錶，既不精確也容易被盜電。在智能電網時代，它們不僅僅將被數位化電錶所取代，而且採集的時間間隔將大幅縮小。譬如目前常見的智能電錶可能要15分鐘才採集一次數據，而理想狀態下的智能電網，採集數據的間隔可能短至1秒鐘，甚至更短。 同樣的，在輸電網，採集各種開關信號量、遙測信息（電壓、電流、相位、相角、有功功率、無功功率乃至變壓器油溫等等），也將做到實時更新，刷新的速率也將達到至少每秒一次。這樣精確的數據量，將大大提高電網的可靠性，也可以有效進行故障預判和快速調整。

電力系統的各種響應時間一覽

而如此一來，所形成數據量也將是極為可觀的，是實實在在的洋量「大數據」。比如智能電錶的採集量從15分鐘縮短到1秒，1萬臺智能電錶採集的用電信息的數據就會從32.61GB提高到114.6TB。而這數據量對於一個大國高度發達的智能電網來說，只是滄海一粟罷了。

所以現在國內現在新興的電網海量實時數據系統，其核心資料庫大都採用了Hadoop的HDFS系統，通過使用分布式數據存儲和MapReduce運算模型，來實時存儲如此巨大的數據。這和淘寶網的資料庫是相似的。除了Hadoop的No-SQL資料庫，普通的關係資料庫也是必不可少的，起到輔助作用。

北京的電網數據分布系統（局部）

自我預測、自我修復、自我調節

大數據當然自有它的好處。通過大數據平臺搭配雲計算技術，技術人員可實時觀察到全網範圍內的電能流動狀態、電能負載熱區、設備故障高發區和客戶集中區等數據，實現更加智能化的電網。具體的新概念和新技術包括以下這些：

1、電網數據可視化

在智能電網中，通過分析包括調度、輸配電、發電和用戶信息等大數據（這些數據大都是實時並且高度信息化集成的），通過軟體實現實時可視化運算分析，可以全面完整地展示電網運行狀態中每一個細節，為管理層提供輔助決策支持和依據。

2、電網負載趨勢預測

不僅如此，通過大數據分析電網負載的歷史數據和實時數據，展示全網實時負載狀態，可以預測電網負載變化趨勢。並通過綜合性的管理，提高設備的使用率，降低電能損耗，使得電網運行更加經濟和高效。

3、設備故障趨勢預測

通過大數據分析電網中故障設備的故障類型、歷史狀態和運行參數之間的相關性，預測電網故障發生的規律，評估電網運行風險，可以實現實時預警，讓技術人員提前做好設備維護和檢查工作。

4、電網實現自我修復

在智能電網中，將電網中的故障設備，以最快的速度從電網系統中隔離出來，並且在幾乎自動化的狀態下（很少或不用人為幹預）實現系統自我恢復到正常運行狀態，從而做到幾乎不中斷對用戶的供電服務。我們可以類比一下人體的免疫系統，這和智能電網的自我修復很類似。結合上兩條的預測，電網系統可以進行持續自我預測，當發現已經存在或可能出現的故障時，立即採取措施加以控制或糾正。

5、二次設備獨立通信

在現有的電網系統中，二次設備的通信往往要通過總線和專用通信設備來實現。這種設備用內部的話說叫做」總控單元「（國外一般稱為RTU）。而在智能電網中，監控、保護等二次設備都將配有自適應和自我交互信息的模塊，能夠自適應地相互通信。這種的靈活性和自適應能力，將極大地提高可靠性，就好比讓設備實現」自治「。如此一來，即使部分系統出現了故障，其他設備仍然能夠穩定工作。

新能源無縫接入，即插即用

傳統的發電一般都是火力發電和水力發電，現在核電也在逐步發展中。而光伏發電、風電、地熱發電等新能源發電，過去都很難和傳統電網相連接。而智能電網將改變這一現狀。智能電網會簡化新能源發電入電網的過程，通過改進的互聯標準將使各種各樣的發電和儲能系統容易接入。做到「無縫接入、即插即用」。從小到大各種不同容量的發電和儲能設備，在所有的電壓等級上都可以實現互聯（包括光伏發電、風電、電池系統、即插式混合動力汽車和燃料電池等）。未來，用戶甚至可以安裝自己的發電設備，實現自產自銷。

各地區新能源發電系統

在2015電力行業信息化技術創新大會上，中國工程院院士、國網電力科學研究院副院長薛禹勝院士指出： 隨著太陽能、風能等再生電力資源越來越多地被應用，電網必須考慮如何確保太陽能、風能這類「間斷性能源」安全進入電網。薛禹勝說，眼下新能源接入電網的比例只有7%—10%，未來大規模接入會有很多問題產生，這需要大幅度提高信息化水平，運用大數據技術，進行智能化分析。

儲能技術，電動汽車

在過去，電能的生產是一次性的，生產出來就必須立刻用掉，很難實現大容量儲存。而智能電網中的儲能技術將是重頭戲。無論是集中式的大容量的儲能電站，還是分布式的小容量的儲能電站，甚至小到電動汽車電池的儲能作用，乃至太陽能路燈的儲能電池等等。都是智能電網中的各種儲能形式。而這其中，電動汽車對於普通用戶來說，距離最近也最容易實現，可以由此預見，電動汽車的發展將是不可阻擋的。

而儲能技術，主要分為物理儲能( 譬如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等），化學儲能( 譬如各類蓄電池、可再生燃料電池、液流電池、超級電容器等）和電氣儲能( 譬如超導電磁儲能等）。在儲能技術發展上，德國發展得非常快，他們的儲能電池研發是世界領先的。

未來，用戶都將擁有自己的發電和儲能設施，在自給自足的同時，還可能倒送給電網以實現相互調劑。譬如，在我家的用電低谷時，電網供應的能量用不完，就可以先儲存起來，以備自己或鄰居在用電高峰時進行支援，而當我家用電出現高峰，用上自己儲存的電能都供應不足時，通過鄰居儲存的電能，就可以立即補足自己的用電需求。

防禦恐怖襲擊

在當前世界反恐的大環境下，智能電網作為一個國家的命脈產業，提升自我防禦能力當然是不可或缺的。這就要求電網安全性可以達到很高的水準。當出現恐怖襲擊後，運用上面第四點所提到的自我修復的解決方案，使得被攻擊的位置可以實現快速恢復。不僅如此，從智能電網的設計和運行的環節，都將加入反恐考量，儘可能阻止攻擊，最大限度地降低破壞造成的損失。智能電網的安全策略將包含威懾、預防、檢測、反應等等，以儘量減少和減輕恐怖襲擊對電網和經濟發展的影響。

值得一提的是，無論是物理攻擊還是網絡攻擊，都是需要的防禦的。智能電網的內部通信系統，將實現和外網完全隔離，獨立運行，每個節點都實現自主化。

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