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国网甘肃省电力公司武威供电公司 733000
摘要：随着社会的发展，传统的大型电网系统的弊端逐渐凸显。作为未来一种重要的电能生产方式，分布式智能微网技术将改变电力系统在中低压层面的结构与运行方式。本文从分布式发电、智能配电网、微型电网三个方面介绍了分布式智能微网的概况，对相关关键技术进行了分析，提出了现阶段该技术四个可能的应用领域，对该技术的发展进行了进一步展望。
关键词：智能配电网；分布式发电；孤岛运行；微型电网
0 引言
随着社会的发展，人们对电力供应的质量及其安全可靠性的要求越来越高，传统的大型互联电力系统大电网供电方式由于局部事故易扩散、集中式大电网不能灵活跟踪电力负荷的变化等不足，以及在一些特殊地域不便架设电网等缺陷无法满足人们的需求。在这种情况下，分布式智能微网系统（distributed smart micro grid system，DSMS）被世界上很多能源电力专家认为是能够节省投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性的主要方法，是21世纪电力工业的发展方向[1]。
作为未来一种重要的电能生产方式，综合了分布式发电技术、微网技术和智能配电网的分布式智能微网技术将改变未来电力系统在中低压层面的结构与运行方式。这种方式以智能配电网为平台，整合了分布式发电技术与微网技术，发挥它们各自的技术优势，在实现电力系统的安全、可靠与高效运行的同时，提高了能源利用率，降低了成本。
1 分布式智能微网技术概况
分布式智能微网技术综合集成了分布式发电技术、智能配电网技术，以及微网技术，本质上是实现自发自用、区域互联的功能，下面将从这三个方面介绍分布式智能微网的概况。
1.1 分布式发电
随着世界经济的飞速发展和人口的持续增长，能源问题愈来愈成为世界各国面临的一个严峻挑战。随着包括风电、光伏等可再生能源和高效清洁的化石燃料在内的新型发电技术的逐渐成熟，使得应用这些能源的分布式发电系统（distributed generation system，DGS）日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的一种有效途径[2]。DGS 具有投资少、发电方式灵活、可与环境兼容等优点，在配电网中得到广泛的应用。但是，一些可再生能源间歇性和随机性等特点，使得这些电源仅依靠自身的调节能力难以满足负荷的功率平衡，为顺利实现功能，通常还需要其他内部或外部电源的配合。目前，比较成熟的分布式发电技术主要有风力发电、光伏发电、燃料电池和微型燃气轮机等几种形式。
如图1所示，分布式发电系统通常包括能量转换装置（即分布式电源）及控制系统，并通过电气接口与外部电网相连。通过能量装换装置将自然能源（风能、太阳能、潮汐能等）转化为电能，通过电气接口将电能传输到外部电网中，整个过程在控制系统的监控下有序进行。
1.2 智能配电网
智能配电网（smart grid，SG）指一个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都得到实时监控，并保证从电源到负载之间的每一点上的电流和信息的双向流动。智能电网涉及发电、输电、变电、配电、用电以及调度等6个环节，通过广泛应用的分布式智能和宽带通信，以及自动控制系统的集成，保证电力市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动，通过对信息进行整合分析，解决大量分散的分布式电源在配电网中的运行问题，实现降低成本，提高效率，提高整个电网的可靠性的目的，使电网的运行和管理达到最优化。
与发达国家相比，我国智能电网发展较为滞后，还没有从国家层面制定智能电网的发展战略，但一些研究成果已经为发展智能电网奠定了一定的基础。2009年2月华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组验收[3]。该系统首次将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成，调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换，便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。
1.3 微型电网
微型电网（micro grid，MG）是一个完备的小型电力系统，由分布式电源、负载、控制单元和保护单元等组成。微型电网一般有两种运行状态，与主网连接时称为“联网运行”状态，与主网跳开后独立运行时称为“孤岛运行”状态。如图2中虚线框内所示，在图2中，主隔离设备闭合时，微网处于联网运行状态，主隔离设备断开时，微网则进入孤岛运行状态。
美国能源部将微型电网视为未来电力系统的三大基础技术之一，并列入美国“ Grid 2030——电力下一个百年的国家展望”计划中[4]。该计划于2003年7月提出，是美国电力改革的纲领性文件，主要对美国未来电力系统进行展望，并确定各项研究开发工作的阶段性目标，微型电网将成为美国未来配电网的重要组成部分。
2 关键技术
2.1 高效大功率储能技术
在DSMS中，风电、光伏发电等可再生分布式电源的输出功率，受自然环境制约，具有间歇性、随机性的特点，再加上负载的扰动，使潮流大小和方向不断变化，从而导致电网电压质量下降、电网稳定性变差和供电可靠性降低等问题。具有快速功率调节能力的储能装置为解决这些问题，提供了一种可行的方案，成为DSMS必不可少的部分。现阶段DSMS中可利用的储能装置很多，主要包括超级电容器储能、超导储能、蓄电池储能和飞轮储能等。
储能装置作为微电网安全稳定运行必不可少的部分，其作用主要体现在：提供短时供电、用于能量缓冲和改善电能质量等方面。主要表现为，当DSMS中出现瞬时或短时的功率不平衡现象时，快速吸收剩余功率或注入功率缺额，从而实现模式间的无缝切换，提高系统的稳定性，为重要负荷提供优质的电能，保持不间断供电[5]。
2.2 高效的电力计量技术 智能化电网需要电力调度机构（设备）了解得知用户的用电规律，从而在需求和供应更好地实现平衡。由智能电表以及连接它们的通信系统组成的高效电力计量系统能够实现对诸如远程监测、分时电价和用户端管理等的更快和准确的系统响应。作为美国 Intelligrid 项目的重要研究内容之一，用户门户（customer portal）技术研究致力于设计与目前用户使用的提供“非能源服务”的协议相连接的接口。
分布式发电应用不同的能源进行发电，各种能源的成本、损耗等情况差别较大，一些能源（如风能、太阳能）等的季节性、地域性差异较大。如何根据实际情况，制定合理的电价方案，平衡投资与收益，使得DSMS用户、投资方、服务商等相关方都能接受，成为需要进行深入研究与突破的重要问题。
2.3 电力智能调度与防护技术
电网的本质是发电与用电的平衡，智能调度是未来电网发展的必然趋势，调度的智能化是指运用先进传感技术、智能控制技术等，对现有电网调度控制中心（设备）进行的重大扩展[5]，从而真正实现物理、信息与应用系统的融合互动。调度智能化的最终目标是建立一个基于广域同步信息的网络保护和紧急控制一体化的新理论与新技术，协调电力系统元件保护和控制、区域稳定控制系统、紧急控制系统、解列控制系统和恢复控制系统等具有多道安全防线的综合防御体系[6]。智能化调度的核心是在线实时决策指挥，目标是灾变防治，实现大面积连锁故障的预防。
此外还包括应急指挥系统以及高级的配电自动化等相关技术，其中高级的配电自动化包含系统的监视与控制、配电系统管理功能和与用户的实时交互等功能（如负荷管理、计量和实时定价）[3]。
3 应用前景
相对于传统的大功率传输电网，分布式智能微网技术具有发电方式灵活、环境兼容性好、收益投资比较高等原因，在一些不便架设电网的特殊地域或场所具有广阔的应用前景。
3.1 离岸船舶及海洋工程平台
船舶（海洋工程）电网是全部电缆电线和配电装置以一定方式连接起来的组合体，是联系电能的生产者（各种电源）和电能的消费者（各种用电设备）的中间环节，担负分配和输送电能的任务。船舶电网系统的特点是系统容量较小，电气设备比较集中，电网较小，电气设备工作条件恶劣。
船舶电站是由原动机、发电机和附属设备（组合成发电机组）及配电板组成的，是船舶电网中提供电能的装置。为使船舶在各种不同工况下，如航行、作业、停泊、应急等情况下，都能连续、可靠、经济、合理地进行供电，船舶上常配置主电站、停泊电站、应急电站、特殊电站。船舶航行的海域，以及海洋平台作业的海域常具有丰富的风能资源，是分布式智能微网技术实际应用的重要场合。
图3 分布式智能微网技术在船舶和海洋工程平台上的应用
3.2 西北部牧区
我国新疆、青海、西藏、内蒙古等西、北部广大牧区有不少牧民采用游牧的方式进行生产活动。他们随水草迁徙，居无定所，四海为家。由于距离远，消费者少，耗电量小等原因，在这些区域不适合架设大规模电力网络。然而这些地区普遍具有丰富的风能和太阳能，通过应用分布式智能微网技术，以较少的投入就能够满足大多数牧民日常生活对电力的需求，是新型电力技术应用的重要领域。
3.3 远离大陆的海岛
为了有效维护海洋权益，我国近年来在南沙群岛大兴土木进行吹沙填海造岛工程，计划以这些海岛为支撑点，建成军民两用的南海资源管理体系，切实行使国家主权。为便于岛上官兵和人民的生活，岛上必将建设电网，然而这些海岛距离大陆距离太远，相互距离也很远，铺设电缆将面临成本高、建设周期长、安全性不足，用电量较少等问题。然而，这些海岛上丰富的风能资源、太阳能资源、周围海域的油气资源为分布式智能微网技术的应用提供了广阔的发展空间。
3.4 地震、暴风雪、洪水、飓风、恐怖袭击、战争等意外区域
近几十年来，我国进入地震频发期，随着社会经济的持续快速发展、城市化进程的加速，城镇人口密度加大、建筑物抗震能力普遍偏低的现状将长期存在，防震减灾形势不容乐观。2008年5月12日我国发生了震惊世界的汶川大地震，震区电网受损严重，影响了抢险救援工作的开展。此次灾害提醒我们：完善电力应急保障机制，加强电力系统抗灾能力建设以最大限度地减少自然灾害造成的损失，是我们面对的重要研究课题。利用微型电网能够独立组网、自治运行的特点，在负荷中心建立微型电网模式的新型终端电网，所有负荷可以由就地分布式电源分担[5]，将就地电源和负荷结合起来进行协调控制，是近年来关于分布式发电并网的一种新思路。这使微型电网在大电网崩溃或发生地震、暴风雪、洪水、飓风、恐怖袭击、战争等意外灾害情况下能够维持对重要用户的供电，从而避免大面积停电带来的严重后果。
4 结语
分布式智能微网技术是未来一种重要的电能生产方式，它综合了分布式发电技术、微网技术和智能配电网技术，将改变未来电力系统在中低压层面的结构与运行方式。相对于传统的大功率传输电网，分布式智能微网技术具有发电方式灵活、环境兼容性好、收益投资比较高等优点，现阶段在牧区、灾区、远离大陆的海岛、船舶与海洋工程钻井平台及灾区等不便架设传统大型输电网的地区和场所具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]赵宏伟，吴涛涛.基于分布式电源的微网技术[J].电力系统及其自动化学报，2008（1）：121-128
[2]黄伟，孙昶辉，吴子平，张建华.含分布式发电系统的微网技术研究综述[J].电网技术，2009（7）14-18
[3]鲁鸿毅，应鑫龙，何奔腾.微型电网联网和孤岛运行控制方式初探[J].电力系统保护与控制，2009（11）28-31
[4]伍磊，袁越，季侃，顾欣欣.微型电网及其在防震减灾中的应用[J].电网技术，2008（16）32-36
[5]刘宝泉，王先为，周运剑，卓放.微型电网中蓄电池储能系统的控制策略[J].电子电力技术，2012（6）1-3
[6]严俊，赵立飞.储能技术在分布式发电中的应用[J]安徽电力，2006（3）：55-57
作者简介：
吴小东（1983-8），男，国网甘肃省电力公司武威供电公司，毕业于东北电力大学电气工程及其自动化专业。
摘要：随着社会的发展，传统的大型电网系统的弊端逐渐凸显。作为未来一种重要的电能生产方式，分布式智能微网技术将改变电力系统在中低压层面的结构与运行方式。本文从分布式发电、智能配电网、微型电网三个方面介绍了分布式智能微网的概况，对相关关键技术进行了分析，提出了现阶段该技术四个可能的应用领域，对该技术的发展进行了进一步展望。
关键词：智能配电网；分布式发电；孤岛运行；微型电网
0 引言
随着社会的发展，人们对电力供应的质量及其安全可靠性的要求越来越高，传统的大型互联电力系统大电网供电方式由于局部事故易扩散、集中式大电网不能灵活跟踪电力负荷的变化等不足，以及在一些特殊地域不便架设电网等缺陷无法满足人们的需求。在这种情况下，分布式智能微网系统（distributed smart micro grid system，DSMS）被世界上很多能源电力专家认为是能够节省投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性的主要方法，是21世纪电力工业的发展方向[1]。
作为未来一种重要的电能生产方式，综合了分布式发电技术、微网技术和智能配电网的分布式智能微网技术将改变未来电力系统在中低压层面的结构与运行方式。这种方式以智能配电网为平台，整合了分布式发电技术与微网技术，发挥它们各自的技术优势，在实现电力系统的安全、可靠与高效运行的同时，提高了能源利用率，降低了成本。
1 分布式智能微网技术概况
分布式智能微网技术综合集成了分布式发电技术、智能配电网技术，以及微网技术，本质上是实现自发自用、区域互联的功能，下面将从这三个方面介绍分布式智能微网的概况。
1.1 分布式发电
随着世界经济的飞速发展和人口的持续增长，能源问题愈来愈成为世界各国面临的一个严峻挑战。随着包括风电、光伏等可再生能源和高效清洁的化石燃料在内的新型发电技术的逐渐成熟，使得应用这些能源的分布式发电系统（distributed generation system，DGS）日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的一种有效途径[2]。DGS 具有投资少、发电方式灵活、可与环境兼容等优点，在配电网中得到广泛的应用。但是，一些可再生能源间歇性和随机性等特点，使得这些电源仅依靠自身的调节能力难以满足负荷的功率平衡，为顺利实现功能，通常还需要其他内部或外部电源的配合。目前，比较成熟的分布式发电技术主要有风力发电、光伏发电、燃料电池和微型燃气轮机等几种形式。
如图1所示，分布式发电系统通常包括能量转换装置（即分布式电源）及控制系统，并通过电气接口与外部电网相连。通过能量装换装置将自然能源（风能、太阳能、潮汐能等）转化为电能，通过电气接口将电能传输到外部电网中，整个过程在控制系统的监控下有序进行。
1.2 智能配电网
智能配电网（smart grid，SG）指一个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都得到实时监控，并保证从电源到负载之间的每一点上的电流和信息的双向流动。智能电网涉及发电、输电、变电、配电、用电以及调度等6个环节，通过广泛应用的分布式智能和宽带通信，以及自动控制系统的集成，保证电力市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动，通过对信息进行整合分析，解决大量分散的分布式电源在配电网中的运行问题，实现降低成本，提高效率，提高整个电网的可靠性的目的，使电网的运行和管理达到最优化。
与发达国家相比，我国智能电网发展较为滞后，还没有从国家层面制定智能电网的发展战略，但一些研究成果已经为发展智能电网奠定了一定的基础。2009年2月华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组验收[3]。该系统首次将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成，调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换，便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。
1.3 微型电网
微型电网（micro grid，MG）是一个完备的小型电力系统，由分布式电源、负载、控制单元和保护单元等组成。微型电网一般有两种运行状态，与主网连接时称为“联网运行”状态，与主网跳开后独立运行时称为“孤岛运行”状态。如图2中虚线框内所示，在图2中，主隔离设备闭合时，微网处于联网运行状态，主隔离设备断开时，微网则进入孤岛运行状态。
美国能源部将微型电网视为未来电力系统的三大基础技术之一，并列入美国“ Grid 2030——电力下一个百年的国家展望”计划中[4]。该计划于2003年7月提出，是美国电力改革的纲领性文件，主要对美国未来电力系统进行展望，并确定各项研究开发工作的阶段性目标，微型电网将成为美国未来配电网的重要组成部分。
2 关键技术
2.1 高效大功率储能技术
在DSMS中，风电、光伏发电等可再生分布式电源的输出功率，受自然环境制约，具有间歇性、随机性的特点，再加上负载的扰动，使潮流大小和方向不断变化，从而导致电网电压质量下降、电网稳定性变差和供电可靠性降低等问题。具有快速功率调节能力的储能装置为解决这些问题，提供了一种可行的方案，成为DSMS必不可少的部分。现阶段DSMS中可利用的储能装置很多，主要包括超级电容器储能、超导储能、蓄电池储能和飞轮储能等。
储能装置作为微电网安全稳定运行必不可少的部分，其作用主要体现在：提供短时供电、用于能量缓冲和改善电能质量等方面。主要表现为，当DSMS中出现瞬时或短时的功率不平衡现象时，快速吸收剩余功率或注入功率缺额，从而实现模式间的无缝切换，提高系统的稳定性，为重要负荷提供优质的电能，保持不间断供电[5]。
2.2 高效的电力计量技术 智能化电网需要电力调度机构（设备）了解得知用户的用电规律，从而在需求和供应更好地实现平衡。由智能电表以及连接它们的通信系统组成的高效电力计量系统能够实现对诸如远程监测、分时电价和用户端管理等的更快和准确的系统响应。作为美国 Intelligrid 项目的重要研究内容之一，用户门户（customer portal）技术研究致力于设计与目前用户使用的提供“非能源服务”的协议相连接的接口。
分布式发电应用不同的能源进行发电，各种能源的成本、损耗等情况差别较大，一些能源（如风能、太阳能）等的季节性、地域性差异较大。如何根据实际情况，制定合理的电价方案，平衡投资与收益，使得DSMS用户、投资方、服务商等相关方都能接受，成为需要进行深入研究与突破的重要问题。
2.3 电力智能调度与防护技术
电网的本质是发电与用电的平衡，智能调度是未来电网发展的必然趋势，调度的智能化是指运用先进传感技术、智能控制技术等，对现有电网调度控制中心（设备）进行的重大扩展[5]，从而真正实现物理、信息与应用系统的融合互动。调度智能化的最终目标是建立一个基于广域同步信息的网络保护和紧急控制一体化的新理论与新技术，协调电力系统元件保护和控制、区域稳定控制系统、紧急控制系统、解列控制系统和恢复控制系统等具有多道安全防线的综合防御体系[6]。智能化调度的核心是在线实时决策指挥，目标是灾变防治，实现大面积连锁故障的预防。
此外还包括应急指挥系统以及高级的配电自动化等相关技术，其中高级的配电自动化包含系统的监视与控制、配电系统管理功能和与用户的实时交互等功能（如负荷管理、计量和实时定价）[3]。
3 应用前景
相对于传统的大功率传输电网，分布式智能微网技术具有发电方式灵活、环境兼容性好、收益投资比较高等原因，在一些不便架设电网的特殊地域或场所具有广阔的应用前景。
3.1 离岸船舶及海洋工程平台
船舶（海洋工程）电网是全部电缆电线和配电装置以一定方式连接起来的组合体，是联系电能的生产者（各种电源）和电能的消费者（各种用电设备）的中间环节，担负分配和输送电能的任务。船舶电网系统的特点是系统容量较小，电气设备比较集中，电网较小，电气设备工作条件恶劣。
船舶电站是由原动机、发电机和附属设备（组合成发电机组）及配电板组成的，是船舶电网中提供电能的装置。为使船舶在各种不同工况下，如航行、作业、停泊、应急等情况下，都能连续、可靠、经济、合理地进行供电，船舶上常配置主电站、停泊电站、应急电站、特殊电站。船舶航行的海域，以及海洋平台作业的海域常具有丰富的风能资源，是分布式智能微网技术实际应用的重要场合。
图3 分布式智能微网技术在船舶和海洋工程平台上的应用
3.2 西北部牧区
我国新疆、青海、西藏、内蒙古等西、北部广大牧区有不少牧民采用游牧的方式进行生产活动。他们随水草迁徙，居无定所，四海为家。由于距离远，消费者少，耗电量小等原因，在这些区域不适合架设大规模电力网络。然而这些地区普遍具有丰富的风能和太阳能，通过应用分布式智能微网技术，以较少的投入就能够满足大多数牧民日常生活对电力的需求，是新型电力技术应用的重要领域。
3.3 远离大陆的海岛
为了有效维护海洋权益，我国近年来在南沙群岛大兴土木进行吹沙填海造岛工程，计划以这些海岛为支撑点，建成军民两用的南海资源管理体系，切实行使国家主权。为便于岛上官兵和人民的生活，岛上必将建设电网，然而这些海岛距离大陆距离太远，相互距离也很远，铺设电缆将面临成本高、建设周期长、安全性不足，用电量较少等问题。然而，这些海岛上丰富的风能资源、太阳能资源、周围海域的油气资源为分布式智能微网技术的应用提供了广阔的发展空间。
3.4 地震、暴风雪、洪水、飓风、恐怖袭击、战争等意外区域
近几十年来，我国进入地震频发期，随着社会经济的持续快速发展、城市化进程的加速，城镇人口密度加大、建筑物抗震能力普遍偏低的现状将长期存在，防震减灾形势不容乐观。2008年5月12日我国发生了震惊世界的汶川大地震，震区电网受损严重，影响了抢险救援工作的开展。此次灾害提醒我们：完善电力应急保障机制，加强电力系统抗灾能力建设以最大限度地减少自然灾害造成的损失，是我们面对的重要研究课题。利用微型电网能够独立组网、自治运行的特点，在负荷中心建立微型电网模式的新型终端电网，所有负荷可以由就地分布式电源分担[5]，将就地电源和负荷结合起来进行协调控制，是近年来关于分布式发电并网的一种新思路。这使微型电网在大电网崩溃或发生地震、暴风雪、洪水、飓风、恐怖袭击、战争等意外灾害情况下能够维持对重要用户的供电，从而避免大面积停电带来的严重后果。
4 结语
分布式智能微网技术是未来一种重要的电能生产方式，它综合了分布式发电技术、微网技术和智能配电网技术，将改变未来电力系统在中低压层面的结构与运行方式。相对于传统的大功率传输电网，分布式智能微网技术具有发电方式灵活、环境兼容性好、收益投资比较高等优点，现阶段在牧区、灾区、远离大陆的海岛、船舶与海洋工程钻井平台及灾区等不便架设传统大型输电网的地区和场所具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]赵宏伟，吴涛涛.基于分布式电源的微网技术[J].电力系统及其自动化学报，2008（1）：121-128
[2]黄伟，孙昶辉，吴子平，张建华.含分布式发电系统的微网技术研究综述[J].电网技术，2009（7）14-18
[3]鲁鸿毅，应鑫龙，何奔腾.微型电网联网和孤岛运行控制方式初探[J].电力系统保护与控制，2009（11）28-31
[4]伍磊，袁越，季侃，顾欣欣.微型电网及其在防震减灾中的应用[J].电网技术，2008（16）32-36
[5]刘宝泉，王先为，周运剑，卓放.微型电网中蓄电池储能系统的控制策略[J].电子电力技术，2012（6）1-3
[6]严俊，赵立飞.储能技术在分布式发电中的应用[J]安徽电力，2006（3）：55-57
作者简介：
吴小东（1983-8），男，国网甘肃省电力公司武威供电公司，毕业于东北电力大学电气工程及其自动化专业。