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　　摘 要：从智能电网的目标出发，论述了智能电网中控制技术的作用。在分析智能电网特征的基础上，论述了智能电网控制技术的主要内容。本文系统地给出了信息技术、电力电子技术、储能技术及仿真与试验技术等与电网控制密切相关的关键技术，并在此基础上，论证了这些技术在实现电网控制中的作用。
　　关键词：智能电网；控制；信息技术；电力电子技术；储能技术；仿真
　　0 引言
　　电能已在人类能源利用方式中占有很高的比例，随着电力交通技术、可再生能源利用技术的发展，这一比例还将大幅提高。全球范围内的能源、环境问题的突出，迫使人们对电网这个大规模、高密度、强动态的能源收集、传输与分配系统，提出更可靠、更高效、更可控的要求，智能电网的概念应运而生。具体来讲，智能电网发展的驱动力与以下因素密不可分，
　　①整合可再生能源、分布式能源，实现新能源发电的“友好”并网；②提高大电网安全性、可靠性、供电质量；③提高发电和用电效率；④满足电力负荷变化，特别是电动汽车发展带来的挑战）；⑤提高电网的经济性，降低电网建设和运行成本；⑥实现信息互动，提高服务水平。
　　总之，满足电能需求，保证供电的安全性、可靠性、经济性、电能质量、环保约束，实现与用户的互动和增值服务已成为对电网发展的基本要求。智能电网正是通过不同层面、不
　　同时间尺度对电能的控制满足上述要求的。智能电网通过信息感知、信息分析、预测推演、指令执行形成完整的信息流与能量流的协调控制、电能的高效、精确转换与控制构成智能
　　电网实现其功能的基本环节。
　　1 智能电网对控制技术的要求
　　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。在美国，智能电网的提出源于传统电网在供电可靠性方面的差距以及对信息产业提振的需求，因此，其智能电网强调信息技术的应用。欧洲诸国及日本则主要从可再生能源发展需求角度提出智能电网，其特征在于电网对可再生能源发电的兼容性。中国则依据自身电网发展的规律，提出坚强智能电网的概念，突出跨区域资源优化配置和能源多元利用的特色。
　　通过对比分析欧美国家对智能电网的定义，可以总结出智能电网具有以下特征。
　　（1）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。
　　（2）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。
　　（3）优化。优化发电、输电 、配电与用电等各个环节，提高能源的利用效率，降低运行、维护和投资成本。
　　（4）互动。实现与用户的智能互动，有效开展电力交易，实现资源的优化配置，提供最佳的电能质量和供电可靠性。
　　（5）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。
　　研究者发现，为实现具备上述特征的智能电网，必须满足下述控制方面的要求：①在初期就能检测电网问题并实施校正措施；②接受更大量的数据信息并做出响应；③系统能够快速恢复；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。
　　智能电网的最终目标是有效整合并综合利用电力系统的稳态、动态、暂态运行信息，实现电力系统正常运行的方式转换、在线监测、优化、预警、动态安全分析，紧急状态下的协调控制，事故状态下的电网故障智能化辨识及其恢复等功能。
　　随着可再生能源电源装机的增加，动态频率问题、局部有功功率不平衡问题尤为突出。基于电力电子技术和储能技术采用广域监测与控制，将成为解决规模化可再生能源发电并网问题的重要技术手段。可再生能源应用的另一种重要方式为，小容量、低电压、大数量分散设置于用户或负荷附近，形成分布式电源应用方式，这种方式包括负荷波动与可再生能源电源出力波动的双随机过程。电压偏差、电压波动与闪变等电能质量问题突出，并网支路的潮流变化大，对主网的不利影响明显。为此，人们提出在区域电网与主网连接处并联设置储能装置，通过与分布式电源区域内其他电源的协调控制，构成相对稳定的局部小电网或微电网，再与主网连接，实现分布式可再生能源有效控制和利用。
　　分析电力系统在扰动下的动态行为、确定适当的对策、预防事故的发生或避免事故的扩大是智能电网控制的核心内容之一。 信息与通信、智能分析技术及电力电子技术的发展促进了智能电网控制决策技术的进步和控制能力的提高。
　　2 智能电网控制相关技术及其发展
　　智能电网控制的实现远非只是控制技术自身的问题，信息与通信、电力电子、储能、仿真与试验等技术是实现智能电网控制不可或缺的技术，以下主要针对这些技术，论述其特性及发展趋势。
　　2.1信息技术
　　建立功能强大、高度融合的信息系统是实现智能电网的基础。高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为一个动态、实时信息和电力交换互动的大型基础设施。当通信系统建成后，智能电网通过连续不断地自我监测和校正，应用先进的信息技术，实现其自愈特征。信息系统还可通过监测各种扰动，重新分配潮流，避免事故的扩大。高速双向通信系统使得各种不同的智能电子设备（IEDs）、智能表计、控制中心、电力电子设备及其保护系统，以及用户进行网络化的通信，提高对电网的控制能力和服务的水平.对于通信技术而言，需要重点发展两个方面的技术：①开放的通信架构，使之形成一个“即插即用”的环境，保证电网元件之间能够进行网络化通信；②统一的技术标准，使所有的传感器、智能电子设备及应用系统之间实现无缝通信，也就是信息在所有这些设备和系统之间能够得到完全理解，实现设备和设备、设备和系统之间、系统和系统之间的互操作功能。 　　光纤通信技术和无线通信技术构成未来智能电网的基本通信方式，电力线路载波及电力特种光缆将获得一定程度应用。光纤通信技术中的复用技术、长距离传输技术、自动交换光网络技术、分组传送网技术等将成为该领域的重要技术发展方向。传统的数字微波通信还将作为电力系统的主要通信方式，另外卫星通信、移动宽带通信也将在业务辅助支持领域获得应用。
　　参数量测技术是信息系统的感知环节，是实现智能电网控制功能的基本组成部件，先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各方面使用。通过参数量测可以评估电网设备的健康状况和电网的完整性，进行表计的读取、消除电费估计、管理用电、减轻电网阻塞以及实现与用户的沟通。通过智能电表可实现对用户相关参数的测量及控 制，通过相量测量单元（PMU）、广域测量系统（WAMS）、元件动态监测、各种先进的传感器及通信技术等实现系统快速仿真、智能预控、智能恢复等功能。
　　空间信息技术和流媒体（stream media）技术作为当代信息技术的最新成就，将在智能电网的信息处理中发挥重要作用。空间信息技术包括地理信息系统（GIS）、遥感技术及全球定位系统（GPS）。流媒体技术则指在互联网中使用流方式传输技术的连续时基媒体。
　　信息技术应用中，结合电力系统的知识获取与数据挖掘、数据仓库与在线联机分析处理将构成智能电网中信息处理的关键内容和技术难点。
　　2.2电力电子技术
　　电力电子设备以其灵活性、精确性和快速性，成为智能电网的有效执行单元，在智能电网控制中发挥重要作用。电力电子技术包括器件、电路与系统 3个层次。其中器件的发展和应用是整个电力电子技术的基石。所谓“完美”的大功率器件到目前为止还未出现，但新的器件不断获得应用，给电能的灵活控制带来新的更好的手段。这些器件虽然特性各异。但依据控制方式可分为不可控、半控和全控器件。在过去的 20 多年里，电力电子器件，特别是全控型器件得到快速发展。目前市场销售的IGBT反向阻断电压可达 6.5KV，正向工作电流达 600a 或 5KV/2KV。4KHz/5kA 的 IGCT 已获得广泛应用。新材料、新工艺的功率器件还将不断出现，为大容量、低功耗、高频率应用提供了新的可能。
　　电力电子电路拓扑的发展与其应用场合密切相关，电力电子技术在电力系统中的应用，主要为处理大容量、高电压电能，对电磁兼容特性及电能质量提出了较高要求。因此，级联技术得到快速发展。实现高压大容量的级联技术可分为3类：① 基于器件的直接串联方式；② 多电平方式；③变压器多重化方式。由于静态与动态均压问题，基于器件的直接串联方式一直未得到很好应用。目前，特高压直流输电技术的发展，为大量功率器件的串联提供了技术支持，随着动态均压技术的发展，器件串联方式也将以其结构简单、控制方便、造价较低的特点获得广泛应用，基于变压器的多重化技术具有使电力电子设备与电网间隔离的作用，易于有效提高设备容量，但存在多重变压器占地大、成本高、磁非线性导致的过电压和过电流问题，因此，使其应用受到限制。多电平方式又分为二极管钳位型多电平、飞跨电容型、H 桥级联型及 DC/DC 模块级联型等多种方式。其中 H 桥级联方式基于相同的单元电路设计，易于实现模块化，已经在中压变频驱动等领域获得应用。也必将在智能电网控制设备中发挥作用。
　　基于高耐压、大电流、低开关损耗的电力电子器件，实现高可靠性、高灵活性的多电平拓扑及高压直流输电（HVDC）、柔性交流输电系统（FACTS）的协调控制将成为电力电子技术在智能电网中应用的难点问题，需要长期开展研究工作。
　　2.3储能技术
　　电力的特征决定了目前技术条件下，电力的产生、输配与消费必须同时完成。然而，随着电力工业的发展，这一过程面临巨大挑战：①大容量火电机组、核电机组不断增加，这些机组调节特性弱，使电力系统趋于“僵直化”。温室效应的加剧和居民生活水平的提高，电化率的提高和空调负荷的增加导致负荷率逐年下降，负荷峰谷差进一步加大。负荷削峰填谷的“平准化”问题更加突出。②敏感电力负荷不断增加，对供电质量的要求不断提升。自动化生产线、基于网络信息的金融系统可能因为供电短时中断或暂降等电能质量问题造成无法估量的损失。主电网灾变情况下，保证重要负荷供电的连续性显得尤为重要。③可再生能源并网发电得到快速发展。太阳能、风能、波浪能等依赖于自然能的电源表现出极强的随机性。电力系统承受负荷波动和电源出力波动的双随机过程的作用，使电力系统比以往更需要基于储能技术的功率的平衡和稳定控制。
　　大容量可变速抽水蓄能技术得到迅速发展和应用，飞轮储能随着新材料、 新工艺及超导磁悬浮技术得到普遍关注；以 NAS电池、液硫电池为代表的新型电池得到快速发展并在电网中获得应用。一直被认为可能为电力领域带来革命性变化的超导技术也以超导磁储能系统（SMES）的形式在储能领域发挥作用，超级电容则以其功率密度大、充放电寿命周期长在小容量系统中获得应用。储能技术在一定程度上改变电能产生、传输与利用的模式，成为能量缓冲、平衡及后备的重要手段，是改变电能利用的有效途径。由于上述3方面的挑战突出， 当今电力系统对储能技术提出更为迫切的要求，储能技术的发展正在或即将在上述3方面问题的解决中发挥重要作用。电动汽车作为未来智能电网必须面对的挑战，一方面对电动汽车的充电站建设提出新的要求，另一方面电动汽车电池储能作用的利用可能会对电力系统的运行与控制带来新的途径。储能技术应用过程中如何实现储能容量的优化配置、如何实现储能设备的有效利用都是未来智能电网控制中需要解决的问题。
　　到目前为止，廉价、高效、长寿命、环境负担小的储能设备还未出现。在未来相当一段时期内，基于新材料、新结构、新变换方式的储能技术将会得到不断发展，不同领域储能设备的融合利用将成为重要的研发方向。
　　2.4仿真与实验技术 　　电力系统仿真是指根据实际电力系统建立物理或数学模型，进行计算和试验，研究电力系统在规定时间内的工作行为和特征。电力系统仿真在电力系统规划、设计、运行、试验和培训中发挥重要作用。在智能电网环境下，HVDC、FACTS、安全稳定装置等应用于电力系统，仿真问题呈多时间尺度、强非线性、高精度的要求。一些新的仿真算法和新的仿
　　真平台不断出现，机电暂态-电磁暂态混合仿真技术能够合理模拟电力电子设备的快过程与传统机电设备的慢过程。分网并行计算则将大规模电力系统分割为若干子网络，不同子网络进行并行计算， 各子网间保持合理的通信数据流量，从而实现对大规模电网的实时甚至超实时计算。随着智能电网对仿真技术要求的发展，快速仿真算法研究、仿真基础数据研究、仿真模型研究、大规模电力系统数字实时仿真研究、电网可视化技术等依然是仿真技术研究的热点问题。
　　试验与测试技术是检测智能电网控制策略是否有效，控制过程与结果是否满足相关标准的重要环节，也是控制设备付诸实施的必经环节。基本的试验与测试平台已经在以往的电力系统控制策略研究中发挥了重要作用。智能电网的实施对试验与测试条件提出了更高的要求。平台的智能化、柔性化与示范作用将在智能电网控制策略研究中发挥重要作用。
　　3 智能电网控制的实现
　　智能电网一方面是电气技术、新能源技术及信息技术推动力的产物，另一方面又对这些技术领域提出新的挑战。智能电网体现了未来电网发展的愿景，其既定目标的实现主要依靠技术进步。
　　因此， 智能电网控制技术体系融合了先进设备制造技术、信息与通信技术、标准与试验评估技术等众多技术，其中信息与通信技术是实现智能电网控制功能的“中枢神经”，电力电子与储能技术扮演智能电网控制的“执行机构”， 而标准与试验评估则构成智能电网控制得以顺利实施的制度与管理层面的“保障”。
　　4 展望
　　智能电网已成为未来电网的代名词，因此，智能电网的控制也代表着未来电网的控制。 电力系统已成为大规模、多尺度、非线性的复杂大系统，电网未来的发展使该系统更为庞大、复杂，高可靠性、高度兼容性和高效、互动、自愈等特征对该系统的控制提出更高要求。因此，智能电网控制将始终作为电网建设和运行的核心问题和热点问题一直存在。随着信息技术、电力电子技术及储能技术的发展，有关智能电网控制的研究和开发将会不断进步，在未来高可靠性、高效率、高智能化电网的建设和运行中发挥关键作用。
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