《电力数据预测理论与方法应用》：
第1章 智能电网的概念与发展历程
1.1 智能电网的概念
1.1.1 智能电网的定义
电力系统是由电机、电线和电力机械设备组成的用来发电和供电的网络。智能电网的概念由大量技术、用户解决方案组成，并发布若干政策及规范。目前，智能电网没有一个确切的定义，大多数的定义是将数据处理技术与信息通信技术应用于现行电网之中，使电网自动化成为智能电网的核心。各种功能的数字化技术与电网应用深入整合，并融合了新的电网信息流应用于电网业务流程及系统中，成为智能电网设计的关键问题。
美国能源部定义[1]：智能电网是利用数字技术来提高电力系统的可靠性、安全性和运行效率（经济和能源），通过传输系统保证从电厂到终端用户整个输配电过程中所有节点之间的信息和电能的双向流动。
欧洲技术论坛定义[2]：智能电网是能够智能集成所有用户电力消费行为的电力网络，这类用户主要包括发电商和电力用户，目的是有效地进行可再生的、经济的和安全的电力供应。
国际电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）定义[3]：智能电网是指下一代完善的电力生产与管理系统，加强通信与信息技术在电力生产、传输和使用环节的应用。
中国国家电网公司定义[4]：“坚强智能电网”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，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化等特征，包含发电、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。
从上述提到的定义可以看出，智能电网是透明的、无缝的、瞬时的电能信息双向传递，使电力公司能够更好地管理能源输送与传输，同时赋予消费者更多的用电决策权。现有电网与智能电网的明显区别在于用户与电网公司之间的信息互动。例如，在智能电网的概念之下，智能温控器可能会收到关于电价的信号和响应更高的要求，通过电网通信自动调整温度，为消费者省钱，同时保持舒适。它所具有的功能主要表现在以下几个方面：
（1）可以自我修复；
（2）鼓励消费者参与电网运行；
（3）确保电能质量；
（4）允许电力市场业务增长；
（5）更有效地运营与管理。
综上所述，我们对智能电网的定义是基于双向数字通信技术，为电力供、需侧提供电能时变信息的双向互动平台。该平台允许在能源供应链上进行监测、分析、控制和通信，以帮助提高效率，降低能耗和成本，并最大限度地提高能源供应链的透明度和可靠性。世界各地政府机构一直鼓励使用和建设智能电网，以控制和应对全球变暖、应急能力和能源独立。
图1-1描绘了未来智能电网蓝图。
图1-1未来智能电网蓝图1.1.2智能电网的特征
简而言之，智能电网引进带有智能监测、控制、通信与自愈技术的创新产品和服务。部分研究文献[5~10]表明智能电网具有如下典型特征：
第一，电力用户主导的电网运营。它能够通过智能电表、智能家电、微电网及电能存储设备的集成进行需求响应和需求侧管理，并为用户提供能源使用和价格的相关信息，制定相关的激励措施来调整用户的消费习惯，从而克服电网运行的约束。
第二，更好地吸纳间歇性能源。它能够适应并促进可再生能源、分布式发电、住宅微型发电与电能存储，将提供类似于“即插即用”的互联电网，从而大大减少整个电网供应系统的环境影响。
第三，更有效地优化和管理电网运营资产。智能电网能够提供随需、随时的电力供应，有利于追求有效自主的资产运营与管理。
第四，更有弹性地应对灾难、物理或网络攻击。智能电网能够通过预测和自愈响应来保障和提高电网供应的可靠性和安全性，并通过超导技术提高电网传输容量以增强电力供应的安全性。
第五，更有质量地供应电能。智能电网建设的重要方向是保障电网的电能质量，可再生能源发电的大量接入使得电网的非线性负荷急剧增加，其向电网注入了大量的谐波和次谐波，严重威胁电网的运行安全。
第六，更优质的服务水平和质量。为适应以客户为主导的电网运行规律，智能电网建设将为用户提供友好的互动平台、与未来时代相匹配的电网服务与管理水平，通过增加电网传输路径、聚合供应、需求响应以及辅助服务等方式开展多种适应不同客户需求的业务应用。
许多原因导致传统电网无法满足不断增长的电力需求供应，同时传统电网的复杂性导致电力传输可靠性大大降低，因而其必将向更加先进的电网演进，表1-1比较了传统电网与智能电网的特征。
表1-1传统电网与智能电网的特征比较传统电网智能电网机电式/固态元件数字式/微处理器单向和本地双向通信全域/集成双向通信中心化发电自适应分布式发电优先保护、监测与控制系统广域保护、监测与控制系统，自适应保护手动恢复自愈手动检测设备远程监控设备有限控制系统偶发事件普适控制系统估计可靠性预测可靠性
1.2智能电网的起源与演变
现有电网是20世纪快速城镇化与基础设施建设发展的产物。尽管存在地理上的差异，但是电力公司采用的技术类似，电网系统的拓扑结构保持不变。自成立以来，电力行业在发电、输电、配电、用电等环节已经产生了清晰的界限，因此每一步已经塑造了不同的自动化、演进和转换[11]。
根据图1-2所示，现有电网遵从严格的等级划分系统，发电厂位于电力传输链条的顶层，电力用户位于电力传输链条的底层。该系统是一个没有实时信息的单向传输管道，使得电网负荷经常因过度聚合而超过电网负荷承载峰值，同时这个峰值往往是偶发性的，所以本质上系统运营效率仍比较低。并且，近年来电力需求急剧增加，而电力基础设施建设较为滞后，导致电网系统运行的稳定性降低。现代互联电力系统带来的好处使电网系统边界变得愈发模糊，任何不可预见的需求激增或者分布网络组件异常都可能导致灾难性的后果。为帮助进行故障诊断以及保养高昂设备，电网公司已经引进许多不同级别的指挥控制功能，最典型的例子就是部署最广泛的监测控制与数据采集（supervisory control and data acquisition，SCADA）系统[12]。
图1-2现有电网的等级划分考虑到将近90%的停电事故和电网干扰的根源在于配电网络，智能电网的发展重心应该落在电网系统的底层，即配电系统。并且，化石燃料成本的迅速增加使得电网公司不断扩张其发电容量，以满足电力需求的上升，通过引进先进的信息技术、电子通信技术及电气工程技术，得以实现配电网自动化、信息化、互动化，帮助进行需求侧管理并保障收入。
图1-3表明配电网的自动化及计量一直是最近电网设施建设投资的焦点。而早期的投资项目主要聚焦于配电网的自动抄表系统，通过自动抄表系统可以读取用电量数据、告警、用户的远程状态。虽然单向自动抄表已经被证明具有重要作用，但是电力公司也意识到它不是解决需求侧管理的主要方法。由于是单向通信，其通信容量在读取电表数据时受到限制，也不会从读取的数据中进行自动纠错。因此，单向自动抄表很难直接向智能电网转变，其技术是短暂的。如今电力公司已经建立双向通信的高级计量设施，其可以远程修改客户服务参数，并通过聚合分析进行负荷管理与收入保障。这不但可以获得即时的单个用户需求，还可以获得不同区域、不同类型的用户需求，进一步合理满足用户的电力需求[11]。
图1-3配电网的自动化及计量的投资演变
1.3智能电网的发展状况
1.3.1国内外智能电网发展现状
近几年，各国陆续出台政策扶持智能电网的发展，日美发达国家已将智能电网定位为国家战略。自2009年以来，智能电网进入全面建设阶段，其建设是在政府统一主导下，联合相关企业来共同推动。智能电网已成为各国抢占低碳经济发展的主要发展方向。
1.北美地区
迄今为止，美国智能电网建设从理论研究到项目实践都积累了丰富的经验，美国的智能电网建设注重于提高其电网运行的可靠性及需求侧的用电效率，降低由日益老化的电网带来的用电成本。根据2009年的《美国复兴与再投资法案》，美国能源部确定了“智能电网拨款计划”和“智能电网示范计划”两项投资计划。受此推动，2010年美国智能电网项目的总投资额超过100亿美元[13，14]。
而加拿大则因为可再生能源较为丰富，因此将大规模提升可再生能源的接入与传输能力作为其智能电网建设的重点。目前加拿大全国的智能电网建设工作由国家自然资源部负责进行协调。智能电网建设工作主要包括智能电表、需求响应、辅助服务、电网自动化及电网运行监测五个主要领域[13]。
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