一、 概述

在某個傍晚的下班高峰期，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，最終人們還是會再次匯聚在一起。

另一方面，能源供應(yīng)長期以來主要依賴化石能源。化石燃料的大量開發(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)高效更智能地運作。2005年坎貝爾通過無線控制器把大樓里面的各個電器相連，并實現(xiàn)有效控制。比如，一臺空調(diào)運轉(zhuǎn)15分鐘并維持室內(nèi)溫度在24℃的前提下，另兩臺空調(diào)可以停運一段時間，從而提高能源的利用效率。這，其實就是智能電網(wǎng)的初苗。

傳統(tǒng)電網(wǎng)是一個剛性系統(tǒng)，電源的接入與退出、電能的傳輸?shù)榷既狈椥裕率闺娋W(wǎng)沒有動態(tài)柔性及可組性；垂直的多級控制機制反應(yīng)遲緩，無法構(gòu)建實時、可配置、可重組的系統(tǒng)；系統(tǒng)自愈、自恢復(fù)能力完全依賴于實體冗余；對客戶的服務(wù)簡單、信息單向；系統(tǒng)內(nèi)部存在多個信息孤島，缺乏信息共享

大勢所趨：互動電網(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，同時也是實現(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特點。

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)到正常運行狀態(tài)，從而幾乎不中斷對用戶的供電服務(wù) 。

2.人電交互：鼓勵和促進用戶參與電力系統(tǒng)的運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，慢慢，可以人人可以參與電網(wǎng)的運行與管理；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)，考驗了其抵御風險的能力。

·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，特別是對應(yīng)對戰(zhàn)爭和恐怖襲擊具有重要的意義。

4. 蓬勃與節(jié)能：分時計費，分時計費、削峰填谷、合理利用電力資源、節(jié)能減排

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

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

由此，智能電網(wǎng)具備可靠、自愈、經(jīng)濟、兼容、集成和安全等特點。互動電網(wǎng)學說的本質(zhì)就是以信息革命的造發(fā)性標準和技術(shù)手段大規(guī)模推動工業(yè)革命最重要財產(chǎn)——電網(wǎng)體系的革新和升級，建立消費者和電網(wǎng)管理者之間的互動，并對社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的促進作用：

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

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

III、風能、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)堅強智能電網(wǎng)可以顯著提高電網(wǎng)對清潔能源的接入、消納和調(diào)節(jié)能力，有力推動清潔能源的發(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圖呢？

二、解決方案：

首先，我們從一個簡短視頻整體了解如何配備互動電網(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+鼠標左鍵即可觀看，若無法觀看請手動打開video文件夾里面的視頻）

沒錯，在節(jié)能的同時節(jié)能資金，設(shè)計更智能的電網(wǎng)！面向能源智能化的解決辦法，涵蓋了從測量、監(jiān)測、保護、傳輸、通信、微電子等各個領(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，其增強了電網(wǎng)的靈活性和可靠性，是智能電網(wǎng)的先進控制和調(diào)節(jié)手段。

傳統(tǒng)的機械式控制手段，響應(yīng)速度慢、不能頻繁動作、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、更快、更有效的功能特點。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階，人們越來越重視相關(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，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)用引進智能監(jiān)控和控制提供了經(jīng)濟高效的方法。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實施也會遇到諸如數(shù)據(jù)可靠性等的困難。

C：新能源并軌：

當今社會，能源緊缺是各個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、熱或生物來源中捕獲毫瓦級能量。可能的能源還來自手機天線塔等發(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。利用專用于每個模塊的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器補充傳統(tǒng)串逆變器，使單個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)施的各個環(huán)節(jié)上很常見，它們能夠讓運營商在不同的點監(jiān)視和控制電網(wǎng)，兩大主要功能是測量和保護。在現(xiàn)代保護繼電器中，通信也是解決方案的必要組成部分，能夠讓運營商遠程監(jiān)視和運行電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。保護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（打開或關(guān)閉）以及與電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信。當保護繼電器檢測到故障時，它會命令斷路器將經(jīng)檢測發(fā)生故障的線路置為開路，從而為保護繼電器下游線路的一切提供保護。在測量精度以及響應(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：

配電自動化和用戶信息采集，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)實現(xiàn)智能化的關(guān)鍵。配電自動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；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。這些終端包括數(shù)據(jù)集中器、智能電子式電表、電能質(zhì)量檢測儀、水表、熱量表等。

單相本地費控智能電表

預(yù)付費型智能單相代碼表

例如傳統(tǒng)的智能電表是由用戶交費對智能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拉閘斷電，新型的智能電表目前以完美實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)購電，就像手機充值一樣簡單。除了具備傳統(tǒng)電能表基本用電量的計量功能以外，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、雙向多種費率計量功能、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)量或電能保護監(jiān)測儀常用于許多工業(yè)環(huán)境中。現(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，還能監(jiān)控某個建筑、機器或設(shè)備的用電情況。在某些情況下，可通過調(diào)制解調(diào)器或高速通信線對設(shè)備功能進行遠程監(jiān)視和控制。

各種傳感器負責收集重要電站設(shè)備的性能和狀況信息，例如變壓器和電路斷路器，并負責存儲數(shù)據(jù)以供將來參考使用。這些分時數(shù)據(jù)將用于執(zhí)行特定功能并為操作員、維護計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，而是一個過程。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)標準體系的研究最具代表性的是國際電工委員會（IEC）、美國國家標準技術(shù)研究院（NIST）、美國電氣和電子工程師協(xié)會（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)濟運行效率、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)標準體系概念模型：

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)能意識的驅(qū)動下，智能電網(wǎng)成為世界各國競相發(fā)展的一個重點領(lǐng)域，理念初步萌發(fā)形成，成為全球電力工業(yè)應(yīng)對未來挑戰(zhàn)的共同選擇。我國電力工作者應(yīng)順應(yīng)形勢變化，把握歷史機遇，響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，加快信息化、智能化建設(shè)的步伐，我堅信祖國一定會成為世界智能電網(wǎng)理論與實踐的引領(lǐng)者！