能源作为人类生存和社会发展的基础性资源是经济社会发展的基本物质保障，它既是经济资源，也是战略资源和政治资源。目前以化石能源为主要形式的能源结构将受到能源枯竭和温室气体排放的双重挑战，今后能源结构将从现在以化石能源为主，逐步转变为以可再生能源为主，如何实现这一转变是人类所面临的重大课题，也是发展智能电网的最终目标。本文从未来能源发展的要求出发，提出了智能电网的目标、使命和社会属性，阐述了智能电网的基本原理和主要应用，以及信息和通信技术所发挥的作用。
未来能源的发展
能源是人类生存和发展的重要物质基础，纵观人类社会发展历史，人类文明每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。在过去一百多年里，人类经历了从传统可再生能源和薪柴时期、煤炭时期、石油时期三个不同阶段，今后将进入新能源与可再生能源利用的新时期（图1-1，图1-2）。
随着人类使用能源特别是化石能源越来越多，能源对人类经济社会发展的制约越发突出，对赖以生存的自然环境的影响也越来越大，矿物质能源最终将消耗殆尽，因此，人们开始对风能、太阳能、海洋能、生物质能、地热等的开发研究与利用。2004年欧洲联合研究中心（JRC）根据各种能源技术的发展潜力及其资源量，对未来100年的能源需求总量和结构变化做出预测：可再生能源的比重将不断上升，2020、2030、2040、2050和2100年将分别达到20%、30%、50%、62%和86%。其中，太阳能在未来能源结构中的比重将越来越大。
在能源发展史上，一种新的能源占能源总供应量的比重由１％上升到50％，替换周期平均需100年。大规模能源系统的建设周期一般需要20—30年，新能源从开始研究到推广应用的周期则需要30—50年，许多国家和地区将可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分，已有30多个发达国家和100多个发展中国家制定了全国性的可再生能源发展目标，以推动可再生能源的发展，使之最终代替常规化石燃料。面对这样一种能源结构和形式的变化，将会引起一系列经济和社会的变革。因此，解决能源的结构调整和转型问题必须有长远的观点，面向未来能源的发展深入分析传统电网存在的问题，研究和探讨解决问题的方法与途径。
传统电网的关键难题
传统电网（或称电力系统）是以“发电、输电、配电和用电”这种单一流向的供电模式，以电能的生产和使用为基本目标，是工业化社会中电力大量生产和大量消费的基础，也是工业经济规模效益的具体体现。在电力规划和设计时，更多地从电力负荷需求和一次能源生产出发，研究和确定电源点、输电路径、送电容量和电压等级，以及网架结构等内容，很少考虑需求侧的能源利用问题。在整个能源生产、供给，直到终端用户消费的过程中，有56.2%的能源被浪费，而仅在电力生产过程中就有平均68.8%的能源损失，电力传输和分配过程中还有约5%的能源损失（图2-1）。
智能电网的使命和社会属性
了解决传统电网存在的问题，2003年4月2～3日，美国65位来自电力公司、电力设备制造商、联邦和州政府官员、大学和国家实验室的专家汇聚一堂，讨论美国未来的电力系统。会后，于2003年6月以美国能源部输配电办公室的名义发布了一份报告“Grid 2030—电力的下一个100年的国家设想”，描绘了美国未来电力系统的设想，并确定了各项研发和试验工作的分阶段目标。这份报告可谓是美国电力改革的纲领性文件，它提出了未来电网的发展宗旨是“打造更具活力的、更具竞争性的国家电力市场 — 一个可以连接任何人的、在任何时间、任何地方都能够提供充裕的、可供应的、清洁的、有效的和可靠的电能交易，并且为消费者提供世界上最安全的电力服务体系”。如果把智能电网当作人们对未来电网的称谓，这份报告是人们对未来电网提出的愿景。尽管后来，人们对智能电网给出了这样、那样的定义，大多都是从技术或功能层面提出了各自的认识而已。倘若你有幸参加了这65位专家的会议，以未来能源发展的视野，思考未来的电力系统，相信也会得出相同的结论。事实上，未来电网所强调的既不是某项功能，也不是实现的具体手段和技术，更不是规模和大小，以及电压等级的高低，而是如何通过现有及未来能够实现的技术和手段打造一个更好的电力市场，建立更好的电力服务体系。这既是对未来电网（或电力系统）的期许，也是智能电网的使命和社会属性，同时也为电网今后的发展指明了方向。
人们在讨论智能电网时，往往关注的是具体功能和实现的技术方法，不同的观点反映了不同的技术方法，容易忽略它的社会属性。某一事物的社会属性是一定区域经济基础下的上层建筑形态所反映的内容，智能电网的社会属性有三个方面内容：
一是开放的社会服务。智能电网是一个开放型系统，表现为与电力系统相关各方在规范的电力市场环境下进行信息、能量的交换，在为客户提供电力的同时，还需要通过市场和价格的杠杆作用引导人们节约用电、合理用电、科学用电，成为一个环境友好、可持续的能源服务平台。
二是安全、可靠的服务保障。智能电网是一个安全、可靠的系统，通过信息通信技术与电力基础设施的集成，科学调配微型电网、分布式能源和分布式储能系统，分散大电网的安全和可靠性风险，提高电网自愈能力。
三是支持未来能源的发展与社会变革。利用智能决策支持系统，实时挖掘需方用电的各种数据，及时获取需方相应机会，全方位调配风、光、水、核等电源优先上网，实现最低能源和成本消耗、最大经济和环境效益的目标。此外，利用电动车与智能电网互动及能量交换，形成大量分布式储能电源，参与电网调峰，接纳间歇式电源入网，对于改变能源结构、迎接未来能源发展带来的挑战都具有重大意义。
因此，只有从智能电网的社会属性和未来电网的发展目标出发，才能正确认识智能电网的重点和发展方向。
智能电网涵盖的内容十分广泛，但就其实现方法和手段来说，就是将信息技术、通信技术、计算机技术和原有的输、配电基础设施高度集成，形成的新型电网，以实现提高能源效率、减少对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少输电损耗等目标，基本原理就是在电网（或电力系统）内的每个元件（发电设备、储能装置、变压器、开关等），以及每个变电站、发电厂、储能站中皆设置一套具有强健功能操作系统的处理器（Processor）或独立的代理服务器（Agent），它们之间能够在电力系统信息网络安全Ⅰ区实现双向高速通信，从而形成一个庞大的分布式计算平台。每个代理服务器与相应元部件的传感器或广域相量测量系统(WAMS)的向量测量单元（PMU）相连接，将数据和信息送至相应的处理中心进行快速分析、优化决策，使其具有自平衡、自检测、自调节和自愈能力，从而实现对电网的准确控制、安全控制和智能控制的目标，配合用户的数字化工厂和智能家居，通过需求侧管理和双向互动为用户提供增值服务［5］。
从技术方面看，智能电网是一个融信息、通信于一体的电力供应与交换平台，具有开放式的体系结构，从发电、输电、配电和用户以及相关的应用，通过该平台实现“即插即用”，共享该平台带来的效益，以智能电网为平台的管理、服务和应用。
智能电网平台：采用集中与分散相结合的控制与决策机制，可以自动收集电网中所有相关节电状态信息，支持核心电网自动化，管理人员能够发现所有地区的电网损耗（包括：高压、中压、低压电网），能更好地管理可再生能源，使其及时并网供电或对储能装置充电，实现电网的优化管理，大幅减少停电现象。
需求侧管理：降低家庭、办公室和工厂的电力消耗成本。通过持续监控电力需求计划及电价的波动，使用户可以根据一天中的时间段选择可变价位，通过让顾客随时看到其所消耗的能源实际成本做出相应的调整，将那些可平移的负荷（如：电暖器、空调、热水器、电冰箱等）从高价格时段转换至低价格事端，从而在有效降低高峰时段电力负荷需求的同时节省用户费用。
集成可再生能源：鼓励家庭和企业安装自己的可再生能源系统。家庭、住宅和办公区利用小型发电设备（光电、太阳能及梯级能源利用）本地供电更经济高效，可以有效降低社会用能，减少温室气体排放。小规模低碳源发电技术与智能电网相结合，可以使用户成为电网一个积极的、双向互动的组成部分，并可通过“虚拟电厂”的方式与集中发电系统相集成。
电动汽车与储能：随着油电混合动力汽车和电动汽车的开发和使用，利用电动汽车分散储能将成为现实。至2009年底，我国汽车保有量已达7600多万辆，若电动车占10%，按每辆车平均按100千瓦计算，充电容量达7.6亿千瓦，达到目前全国装机容量87%，因此，将电动汽车与智能电网相结合，双向互供，即能够解决可再生能源供给时的交通用能问题，还可以利用电动汽车分散储能“填谷补峰”，减少间歇式电源入网的阻力，同时还是应急供电的后备力量，减少电网停电风险，保证安全供电。此外，钠硫电池、液流电池和金属离子电池等电化学储能，以及临界压缩空气储能等技术的研究已经取得进展，主要用于变电站级。可以预见，大规模储能技术取的突破将大大推进可再生能源发电的应用。
智能配电管理：要改善对客户的服务、支持需求侧管理、集成分布能源系统入网，关键在于建立智能的配电管理系统（DMS），并在三方面取得突破。①在实施AMI全面感知用户用能需求的基础上，全方位调配区内风、光、储及分布式能源发电，实现与外部输电在规范电力市场支持下的统一调度；②提供自愈的功能，主动获取电网扰动和故障信息并及时对其做出响应，减小对客户的影响；③提供动态、无缝的图像化接口，将来自于各渠道的有关网络的信息以动态拓扑模型的方式集成在一起，并具有实时监控及辅助决策功能。
智能输电管理：基于数字化、网络化，可实现站内自适应调整与控制的智能变电站与调度中心无缝联接，采用先进的相量测量（PMU）和广域测量（WAMS）技术、三维、动态、可视化电网调度自动化技术，以及可再生能源的接入、大规模储能和灵活交流输电（FACTS）等技术，提高电网的自适应和自愈能力，实现电网的安全可靠、经济高效的目标。
信息技术在智能电网的作用
现代文明的重大进步均以各种网络系统的建立为标志，从上个世纪初的铁路、公路，以及后来的电力系统和信息通信系统，无不反映了网络系统带给人们的方便、快捷和高效。进入到本世纪，随着网络技术的不断发展，各种不同媒介的网络系统出现了相互融合，共同促进、共同发展的趋势，信息通信技术（ICT）和电力电子技术（PET）已经成为现代电网技术发展的重大推动力。因此，信息通信技术也是构建智能电网的基础，美国政府在2009年5月18日宣布的首批16个智能电网行业标准中，有9项是关于ICT的技术标准。通过ICT与电力设备、元件，乃至系统的融合，使发电、输电、配电和用户紧密地联系在一起，形成一个能源互动、信息共享的整体。早在Gird2030研究计划中就提出：能源、信息与通信一体化体系结构（IECSA），其目标是将电力系统（EPS）与信息通信系统（ICS）融合在一起，实现数据实时传递、信息全面共享、快速智能响应，实现由E到E+I的转变，如图5-1所示。
随着社会和科学技术的发展，电力系统从独立、封闭的“发、输、配、用”的树性结构演变为社会化的网络结构。电力系统的社会化、电力资源优化配置是形成未来电力系统的根本原因。经济发展的需求、资源配置需求、可持续发展以及结构调整的需求是推动电力系统演化的动力。在区域性电力系统互联形成的超大规模电网中，电能流与信息流的交换、共享、互动构成了未来电力系统的整体结构，也是实现智能电网的基础。
智能电网三大趋势
我国经济发展面临着资源和环境的双重约束，节约能源、改善能源结构、延缓气候变化，智能电网为我们开辟了一个全新的电力商业模式和高效、清洁的能源供系统。建设智能电网是一项长期的工程，需要长远的眼光、决心和魄力。展望未来，智能电网将呈现三大发展趋势：
1、智能电网将物理的电网和数字的电网融为一体，实现基于广域的、多种能源形式发电的优化配置，保障能源安全、提高能效，支持可再生能源入网。通过对电网运行的实时信息、电力价格信息、负荷需求信息，以及用电信息的整合、挖掘和互动，客户用电有更多选择，节能、减排、气候变化等国家目标可以通过市场杠杆的作用分解到每家每户，为建立一个面向未来能源发展、能源有序消费的社会奠定基础。
2、在公共信息模型（CIM）基础上建立数据的整合体系和数据库数据的收集体系，以整合电力系统中的数据，在此基础上通过更多传感器采集一线数据，根据市场价格信息号对资产进行实时的调配和高效管理，通过智能电表实现与客户的双向交流、互动，达到需求与供应的平衡。
3、全面优化能源利用决策支持系统。基于智能电网技术的综合资源规划和电力负荷需求响应，将为电力用户提供双向智能传输系统，以减少高峰期的负荷。此外，还将通过电动汽车、可平移负荷等分散储能装置，支持风能、太阳能等间歇式能源接入电网，为清洁能源发电市场带来根本性的变化。
