分析智能电网的本质

本世纪初以来，智能电网的理念逐步从美国等发达国家萌发，并逐渐在世界各地蓬勃发展。随着特高压输电技术以及互联网、物联网、云计算、大数据技术的发展，人们对智能电网的内涵、构架、作用的认识不断深化。但总体而言，对智能电网的研究及应用仍处于初级阶段，就智能电网的概念来说，全球仍没有统一、明确的定义。分析国际、国内种种智能电网的定义可以发现，智能电网定义不统一甚至差别较大，主要分为三种情况。一是对智能电网发挥的作用认识不同，由于国情、发展阶段、资源分布及要解决的问题不同，各国智能电网在发展的目的、重点、步骤等方面有区别。二是对智能电网包含的范围认识不同，如智能电网是配电网还是包含了发电端和用户侧的整个电力系统。三是对智能电网以什么样的技术来支撑认识不同。 　　仅从发展智能电网的目的来看，各国有明显区别。中国科学技术部《智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划》指出：英法德等国家着重发展泛欧洲电网互联，意大利着重发展智能表计及互动化的配电网，而丹麦则着重发展风力发电及其控制技术；日本智能电网的核心是建设与太阳能发电大规模推广开发相适应的电网，解决国土面积狭小、能源资源短缺与社会经济发展的矛盾；韩国的智能电网研究重点放在智能绿色城市建设上；澳大利亚智能电网建设的目标是发展可再生能源和提高能源利用效率，主要工作集中在智能表计的实施及其相关的需求侧管理方面。 　　而英国《卫报》网站2015年6月22日撰文称：对于欧洲来说，能源效率是关键，智能电网是推广低碳技术和实现经济脱碳化的一个平台。对拉丁美洲而言，建造智能电网的一个重要驱动力在于抑制窃电行为。对中国而言，智能电网更大的意义在于打造一个能够与巨大电力需求相匹配的坚强电网。而对美国和日本来说，建造智能电网主要为了加强电网的适应能力以便在极端天气事件和自然灾害发生时保持电力的稳定供应。可见，智能电网的目的不同是大家公认的事实，针对各自不同国情发展智能电网也是大家的共识。 　　2015年7月6日，国家发展改革委、国家能源局发布了《关于促进智能电网发展的指导意见》（发改运行[2015]1518号），提出了中国发展智能电网的指导思想、基本原则、发展目标、主要任务、保障措施。《意见》提出，到2020年，中国将初步建成安全可靠、开放兼容、双向互动、高效经济、清洁环保的智能电网体系，满足电源开发和用户需求，全面支撑现代能源体系建设，推动我国能源生产和消费革命；带动战略性新兴产业发展，形成有国际竞争力的智能电网装备体系。 　　可以说，这是中国自2009年国家电网公司、南方电网公司先后提出智能电网发展计划，到2010年3月“加强智能电网建设”首次在《政府工作报告》中提出 ，再到2012年3月中国科学技术部发布的《智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划》以来，全面、系统阐述中国智能电网发展的权威性、政策性文件。《意见》使中国智能电网建设主要由企业推进、各领域分散探索、局部发展以及技术与政策间不平衡，向有序、协调、规范性的方向发展。 　　在全球经济一体化的格局下，能源革命、信息革命、电力技术发展和相互间的融合必然影响国际合作；智能电网标准的国际化也将使智能电网的发展具有互相影响、互相借鉴、协调发展的趋势。中国正处在智能电网规划发展的关键时期，为了进一步凝聚国内共识、形成合力，探求智能电网与“互联网+智慧能源”以及“能源互联网”的关系，加强与世界同行的交流、创新，有必要从本质上进一步厘清智能电网的概念。 　　智能电网的不同定义（描述）分析 　　采用规范的文字表达方式定义智能电网。百度百科对“定义”的定义和解释是：定义（Definition）：是透过列出一个事件或者一个物件的基本属性来描述或规范一个词或一个概念的意义；被定义的事务或者物件叫做被定义项，其定义叫做定义项。还有，定义：对于一种事物的本质特征或一个概念的内涵和外延所作的确切表述。最有代表性的定义是“种差+属”定义，即把某一概念包含在它的属概念中，并揭示它与同一个属概念下其他种概念之间的差别。《GB/T15237.1-2000术语工作 词汇 第1部分：理论与应用》3.3.1 中的对“定义”的定义：描述一个概念，并区别于其他相关概念的表述。对“特征（ characteristic）”的定义是：“一个客体或一组客体特性的抽象结果。特征是用来描述概念的。” 　　在互联网上可以搜索到大量对智能电网的定义或描述、解释。下面选用美国、中国政府部门、中国国家电网公司对智能电网的定义或者描述，归纳分析智能电网的基本属性。美国《能源独立与安全法案（2007）》（EISA）中的定义：智能电网指的是现代化的电力网络传输系统，可以监测控制每一个用户及节点，并保证信息及电能在发电厂、设备及其间的任意点双向流动，可以监控、保护并且自动优化与之相连的设备运行，这些设备包括集中和分布式的电源，以及通过输电网和配电网与之相连接的工业用户、楼宇化系统、储能装置、终端用户及其自动调温器、电动汽车、电器及其他家用设备。 　　国家发改委、能源局的《意见》中提到：智能电网是在传统电力系统基础上，通过集成新能源、新材料、新设备和先进传感技术、信息技术、控制技术、储能技术等新技术，形成的新一代电力系统，具有高度信息化、自动化、互动化等特征，可以更好地实现电网安全、可靠、经济、高效运行。发展智能电网是实现我国能源生产、消费、技术和体制革命的重要手段，是发展能源互联网的重要基础。国家电网公司对坚强智能电网的表述是：以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，以信息通信平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化的特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网。 　　首先分析“智能”、“电网”与“智能电网”。智能电网中的“智能”不是指常规的自动化，而是智能化。自动化是相对于由人直接操作而言的，即把人在现场直接操控的一些工作交由机器执行，或者由人在远程指挥完成。即人在自动化中仍然是分析问题、解决问题、发出指令的主体，而自动化只是解决问题的工具，如同无人值守变电站，自动步枪等。智能化是指机器或者系统，根据人设定的目标和条件，自主分析问题、解决问题。虽然自动化及智能化系统仍然受人控制，但是人的作用由发出指令过渡到设定功能。我国一些变电站综合自动化运行管理中的有些环节已经不仅限于常规自动化功能，还能够实现在线自诊断，并将诊断结果送往远方主控端。因此，智能化是构成电网系统区域子系统或者整个电网为了实现新的重大功能所具有的智能。这些重大的功能包括能源变革中的电网安全、经济、绿色运行。 　　其次，智能电网中的“电网”不是指常规的电网而是新型电网。常规电网是指电力系统中各等级电压的变电所及输配电线路组成的整体，通常包含变电、输电、配电三个单元，电力网的任务是输送与分配电能，改变电压。而新型电网中，“电网”的概念有所拓展，一是增加了大量不同性质的“储电”方式，包括抽水蓄能发电、新型储电系统或设备，包括对高载电生产厂（如电解铝）通过智能化改造以起到移峰填谷的“储电”作用。二是大量可再生能源发电接入电网，使原来的单向电力“用户”成为双向电力“客户”，相应地需要对原有的电网进行硬件改造以满足电网安全的需要。三是电网的概念将延伸到发电端，根据需要包括部分或者全部发电设备。 　　再次，智能电网是一个整体的新概念，不是“智能”与“电网”的简单叠加。一是不能用“智能”简单定义传统“电网”，智能电网应是智能化及新型电网融合成为一种全新的电网运行形态。二是不能理解为整个电网智能化才是智能电网。智能电网是一个庞大的系统，可以由很多部分组成，如智能变电站、智能配电网、智能电能表、智能调度、智能城市用电网、新型储能系统等，根据需要可将多个系统整合为一个系统。还可以根据需要在电网的某一个局部进行智能化，如既可以优先在输电侧，也可以优先在配电网实现电网的智能化。 　　基于以上理解，并按照规范的“定义”要素，将三种智能电网描述的内容进行分析，将归纳后的基本属性列入表1。 　　从表中进一步简要分析三种智能电网表述的异同点如下： 　　（1）对智能电网的描述具有定义要求的定义项、属、种差、基本属性（本质特征）的基本要求，可以较完整地表达出智能电网的本质属性。 　　（2）三种描述中的智能电网基本属性无本质区别。即智能电网的名称上无区别，都是表示“智能化”的电网；都是针对包含发电方和用户在内的新型电力系统；被定义项都是电力流与信息流；与传统电网的区别都是实现电力流与信息流的监测与控制，实现电网的自动优化运行。因此，从定义的本质属性上讲，三种对智能电网的定义或描述基本一致。 　　（3）在定义中各要素的准确性表达上，三种描述显然是有区别的。相对而言，美国的表述更为抽象，如“电力流和信息流”在“任意节点上的双向流动”，但这种表述更加符合定义的抽象要求。中国的表述易于理解和操作，但从定义本身的要求看有些欠缺。需要说明的是，中国方面对智能电网的描述并没有将其明确为“定义”，只能算是对智能电网的一种解释。 　　（4）从表中所列的智能电网需要的技术手段和达到的目的来看，美国的定义中没有表述，中国方面则分别有较为细致的表述。从定义的要求来看，这两个方面实际上已经不是定义的本身。国家电网的表述侧重于对坚强智能电网的描述，《意见》侧重于表述智能电网的功能和采用的技术，这种区别更加体现出中国在建设智能电网方面的重点和任务。显然，研究智能电网的目的是为了建设和应用智能电网，所以中国对智能电网的描述充分反映了智能电网建设的导向。 　　由以上分析可以看出，中美两国对智能电网的定义中包含的基本要素及内涵基本相同。用此归纳分析方法分析其他形式的定义或描述时也不难看出，大部分国家及组织所提出的智能电网的内涵也是基本相同的。定义的不同，除了文章开头所分析的3种分歧外，主要体现在对智能电网特征的抽象定义的文字表达上。 　　智能电网的普遍定义及概念拓展 　　智能电网的普遍定义： 　　综上分析，笔者给出智能电网的定义是：能够监测分析客户、电网设备及网络节点上电力流与信息流，控制电力流与信息流双向流动，实现电网自主优化运行的新型电力系统。 　　从以上定义可以看出以下几点：一是在智能电网定义中的“客户”及用户具有模糊性。不仅包括传统的电力用户、发电厂，也包括供、用经常转换的可再生能源发电客户，分布式发电、用电客户，储电设备等。只要在电力网络上，且具有电量和信息流动的设备都可被视为智能电网的电力客户。 　　二是智能电网的主体“新型电网”（是什么）范围扩大，但仍然是具有物理网络特性，网络之外的系统或设备不属于智能电网的范畴。 　　三是电网所监测、分析、传输的不仅是物理的“电能”还有“信息”（做什么），且电能与信息在电网与客户之间是可以“双向”流动的（做到什么程度）。 　　四是控制电网节点上的电力流与信息流双向流动、 “自主优化”电网运行。无论局部还是整体，凡是能够满足（符合）这些要求的就是智能电网，否则就不是。 　　英国《卫报》网站6月22日撰文提出：智能电网就是把电力网络数字化，数据的流动与电流变得同等重要。依靠家里和办公室装配的智能电表和其他智能设备，智能电网能够使电力公司实时了解电能是如何以及在哪里生产和消费的。这时电网技术可以通过这些信息的双向流动来平衡电力的供需环节。电力生产者和消费者之间的信息流动真正改变了电网规则。这是对智能电网本质的一种通俗解释。 　　定义的拓展： 　　以上定义显然不能为建设和应用智能电网提出更多的信息。通过对定义进行拓展，可以较好地解决应用的问题。定义拓展主要从两个方面开展，一方面从目的性方面展开，即“为什么”发展智能电网；另一方面从以什么样的技术来支撑智能电网，即“怎么做”才能实现智能电网功能。 　　将价值目标包含到扩展定义。在基本定义中并没有涉及“为什么”的价值目标内涵，这是因为价值目标不是智能电网的本质。智能电网可以实现的功能和价值在于使用者在什么阶段解决什么问题。由于各个国家、地区甚至客户所面对的问题不同，智能电网的功用也是不同的。但智能电网可根据需要，满足全社会能源资源优化配置、节能环保、电力市场化发展目标，满足电网安全性、经济性目标，以及满足电力生产端及用户端对电能质量、方便性、经济性等各种单一目标或者综合优化目标。 　　将支撑方法包含到扩展定义。为了实现智能电网的功能，智能电网必须由“硬件”及“软件”两个系统构成，只有其中之一都发挥不了智能电网的基本功能。支撑智能电网的硬件及软件，既包括与电网技术发展密切相关的自动化技术、高速双向通信网络、先进的传感和测量技术、不同电压等级的坚强输电网络，也包括智能化决策支持系统。可以说，硬件支撑系统像人的感觉器官及执行器官，而智能化决策支持软件系统像人的大脑，电网的“自主优化运行”是硬、软件系统联合运行的结果。因此，现在一些没有决策系统支持的所谓智能电网，并不是真正意义上的智能电网，而只是一个“摆设”。由于支持智能电网的软件与硬件都在不断发展，如云计算技术、物联网技术也处于初级发展阶段，所以智能电网的发展必然也需要一个过程，即由初级到中级，再向高级发展。在发展过程中，一些不成熟的软、硬件技术或者设备，并不一定是智能电网的必备条件，如云计算、物联网技术并不是智能电网的必备条件。 　　根据以上分析，智能电网概念模型及拓展可用表2表示： 　　从以上概念模型可以看出，从最上层的目的层至概念内涵层，主要是分层表述智能电网做什么以及需要什么样的目标、规划、路线、内容、政策、规则支撑；而从最下层的平台层至概念内涵层，主要是基于什么样的平台、基础技术和核心专有技术支撑。从上表还可以看出，智能电网及与之相关的各要素之间形成不同层面的相关配套、支持的闭环关系。根据以上概念模型，可以图中概念内涵为依据，按概念拓展的1、2、3对应的内容组合成不同形式的智能电网拓展定义。即可以从目标规划、体制机制上拓展，也可以从核心技术、基础技术上去拓展，也可以结合不同的需求拓展。但不管如何拓展，都是在基本定义的基础上的拓展。可以有以下几种拓展： 　　如：基于坚强电网及智能化决策支持系统，监测发电、储电、输电、变电、配电、用电、储电设备及网络节点上电力流与信息流，控制电力流与信息流双向流动，实现电网自主优化运行的新型电力系统。 　　再如，为实现能源资源的优化配置及可再生能源发展，以电价机制为导向，基于新材料、新设备、先进的传感技术、自动化技术及数据、云计算技术，监测发电、储电、输电、变电、配电、用电、储电设备及网络节点上电力流与信息流，控制电力流与信息流双向流动，实现电网自主优化运行的新型电力系统。 　　结论及建议 　　结论： 　　1、全球至今并没有智能电网的统一定义，但是人们对智能电网内涵的认识基本一致。基本内涵的认识表现在三个方面：一是智能电网是包括了发电、输电、变电、配电、用电、储电的新型电力系统；二是对电网节点上的电力流、信息流进行监测分析，对电力流与信息流的双向流动进行控制；三是电网（或者部分）可以自主优化运行。 　　2、不同国家、不同机构、不同专家对智能电网的不同定义或者不同描述的主要区别有三个方面：一是文字表述方式不同；二是对智能电网所要达到的目的或者实现的功能要求不同；三是采用的技术支撑条件不同。这些不同可能会影响到智能电网的物理形态、技术水平、发挥的作用，但都不会影响智能电网的本质属性。 　　3、可以从智能电网的概念内涵出发，对智能电网的定义进行扩展，既可以从目的、功能、政策、机制等方面进行扩展，也可以从关联平台、基础技术、核心技术等方面进行扩展，还可以从以上两个方面联合进行扩展，扩展时要注意根据需要进行合理搭配。 　　建议： 　　1、智能电网是一个巨大的系统工程，是未来电力工业综合技术发展的方向，是一个需要长期完善的过程，甚至是一个永远在路上的创新目标。同时，随着能源电力化进程的加快，电力占终端能源消费比重的不断提高，智能电网必将成为智能能源网的核心和基础，对此应有清醒而深刻的认识。 　　2、尽快统一对我国智能电网的认识，明确定义，做好智能电网顶层设计。如果定义不清，则会形成内部人、财、物的消耗；如果没有良好的顶层设计，就会走更多的弯路，付出更多的代价，更重要的是贻误稍纵即逝的时机。顶层设计不仅要对智能电网进行系统设计，而且要对智能电网在智慧能源网中作用进行科学定位。 　　3、建立与时俱进的智能电网发展效果的评价指标体系。人们对事物发展认识不统一的原因，除了基本观念发生冲突外，绝大部分是因为大家不是在一个评价体系内观察和认识问题。比如，可再生能源、新能源替代传统能源是必然趋势，但是用多长时间、替代到什么程度、用什么样的经济代价完成这个替代存在不同看法，一个重要的原因是评价指标体系不完善造成的分歧。发展智能电网决不是为了发展而发展，要把发展的理念和目的指标化，通过设定科学的评价指标来比较、评价各种方案、措施的可行性和正确性，不能用理念替代指标，也不能用方向指引来替代具体的成本效益评估后的决策。 　　4、建立科学决策机制。对于国家智能电网发展的战略及重大政策及规划发展，在决策之前应充分听取社会各方面意见建议，建立充分的辩论机制，努力达成共识。要完善由第三方对智能电网发展政策和规划评估机制，对于已经实施的政策和规划，实践证明不符合实际情况的要勇于改正，并建立相应的责任追究机制。（作者供职于中国电力企业联合会，本文观点与作者单位无关）