第2章 电力物联网的发展情况

2.1 智能电网

智能电网是将电力系统建设与信息通信技术进行融合的产物，将支持更多网络动态实时信息流，更好地促进电力供需双方交互。智能电网的核心是实现电网的信息化、数字化和智能化，使电力传输效率及发配电网络的可靠性大幅提升。

智能电网的建设需要一个长期、渐进的过程，随着电网智能化程度不断提高，电网运营商能够得到更加详尽的电力供需信息，从而加强其系统管理和错峰用电能力。消费者也能够通过智能电网获取更多信息以实现用电节约，智能电网将成为消费者降低用电成本与碳排放的有效工具。

2.1.1 国外发展情况

1.美国

美国初期的电网是由各地建设的独立电网组成的。这些独立电网属于各个私有和公有公司，各自的负荷与电源条件存在差异。经过多年的发展，电网运营公司通过签订双边、多边协议，或采用联合经营等方式使分散的电网相互联网、同步运行，逐步形成目前美国的三大联合电网，即东部电网、西部电网和得克萨斯联合电网。美国东部电网和西部电网以洛基山脉为界，分别与加拿大电网并网运行，西部的加利福尼亚电网和南部得克萨斯电网与墨西哥电网连接。

由于美国电网的建设自带“分散”的基因，美国电力市场最显著的特点就是发电权和输电网所有权的分散化。根据市场数据，美国最大的发电公司控制的装机规模仅为4%，全美排名前二十的发电公司发电装机总和也只达到45%左右；而在其他大多数国家，输电网通常被国有企业或少数几家公司控制。由于多个电网分散运营，加之现网部分设备已投入使用多年，自然灾害频繁，所以美国存在大范围停电的隐患。美国建设智能电网的根本原因是原有电网逐渐无法满足社会生产的发展需求，电网的稳定性、可靠性不高，运营损耗却在慢慢增大。因此，美国建设智能电网的根本诉求是改造基础电网设施，提升电网智能化水平，提高电网的安全可靠性，同时降低电网运行损耗。在智能电网建设过程中，美国政府更关注电网基础架构的升级更新，以提高其电网运行水平和供电可靠性，同时将可再生能源的接入作为建设目标，以满足用户日益增长的用电需求。

自2003年起，美国相关政府部门先后发布了“Grid 2030”“国家输电技术路线图”，明确了美国未来电网发展目标与战略部署。同一时期陆续发起“Grid Wise（电网智能化）”“现代电网”等项目，促进电网现代化的发展。

2007年年底，美国国会颁布了《2007能源独立和安全法案》（EISA 2007），其中的第13号法令为智能电网法令，该法案用法律形式确立了智能电网在国家战略中的地位。

2009年2月，美国时任总统奥巴马在《经济复苏计划》中划拨110亿美元用于建设具有先进运营监控手段的新一代智能电网。其中，45亿美元用于智能电网的相关项目资助、标准制定、人员培养、能源资源评估、需求预测与电网分析等工作。2009年7月，美国政府部门发布了第一批智能电网的行业标准，标志着美国智能电网建设的正式启动。

随后，美国政府为了更好地推动智能电网建设，制定了《2010—2014年智能电网研发跨年度项目规划》，旨在拓展智能电网研发领域，其研发项目类型主要涉及技术和建模两大领域。

① 技术领域：主要集中在传感技术、电网通信整合和安全技术、先进零部件和附属系统、先进控制方法和先进系统布局技术、决策和运行支持等。

② 建模领域：主要集中在如何精准建设电网，从发电、输电到配电的整个过程中，其运作情况、配送成本、智能电网资产和电网运行所产生的各种影响的模型构建等。

此外，在《2010—2014年智能电网研发跨年度项目规划》中也包含了有关标准制定和评价体系建立的研究内容。由于标准制定对于智能电网建设具有重要意义，尤其在电子和通信互联、电网整合、电网协同、统一测试和推广运行等环节，美国能源部配合国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology,NIST）针对电网互联、整合、协作、网络安全、能源配送统一检测等方面开展了美国国家和国际标准的研发。在评价体系方面，其研发方向主要是关于智能电网部署方案、投资进程的评估、政府商业政策制定和规则的考评等内容。

2.欧盟

以欧盟为代表的欧洲建设智能电网的出发点与美国不同。欧洲电网与美国类似，原本由六大输电运营商各自分区独立运维，2009年年后联合形成高度集成化的互联电网。欧洲各国电网存在不同的运行模式，电力需求呈现饱和态势，能源成本逐渐上升，因此欧洲智能电网的主要建设目标是发展可再生能源，支撑可再生能源和分布式能源的灵活接入，建立低碳经济模式。欧盟在其公布的能源政策里明确了发展可再生能源发电技术的战略，要求智能电网建设注重对环境的保护和发展，向用户提供双向互动的信息交流等功能。

2006年，欧盟发布《欧洲可持续的、竞争的和安全的能源策略》（A European Strategy for Sustainable,Competitive and Secure Energy），该书中指出欧洲当前的能源建设进程，强调了发展智能电网技术对于欧盟电网电能质量的重要性。

2009年，欧盟提出将波罗的海、大西洋的海上发电系统、欧洲南部、非洲北部的太阳能电网与欧洲电网进行合并，形成互联智能电网的战略构想，希望借此实现可再生能源大规模集成的突破。

2011年，为对欧盟的智能电网建设形成统一指引，欧盟委员会出台《智能电网：从创新到部署》，要求其成员针对智能电网制订部署计划。

2013年之前，欧盟已经拥有了完整的智能电网标准体系，并且加快了智能电表的推广与安装工作，各个成员依照各自计划推进终端部署，并进一步促进技术创新。

“欧盟智能电网战略”目标要求在2020年实现35%的电力输配来自可再生能源，到2050年实现完全去碳化；将各个成员电网纳入基于市场的泛欧电网中，在为消费者提供高质量电力的同时，鼓励消费者主动提高能源使用效率。由于欧洲复杂的地理条件，电网建设运营分散度较高，各个成员多以政企合作的方式推进智能电网研发建设，采取的政策具有较强的地域性特征。

3.英国

英国电网在建设初期也是由众多电力公司分散建设运营的，数量最多时有接近500家。自1926年电力法案提出后，原本分散的独立电网开始合并，逐渐形成统一的国家电网。进入21世纪以来，英国对于其电网升级改造的需求愈加迫切。

2009年，英国政府提出《英国低碳转型计划》，将推进智能电网建设提升到国家战略层面，随后发布《智能电网：机遇》报告，并针对智能电网建设出台了详细的计划。

英国负责电力及天然气市场调节的主管部门—煤气电力市场办公室，从2010年4月起共投入5亿英镑用于扩大智能电网实验规模，大力支持电动汽车充电基础设施等相关领域的配套发展。

英国根据自身电网发展情况制定了“2050年智能电网线路图”，并加大对智能电网技术研究的投资力度。该路线图设立了两个阶段的规划：第一阶段为自规划发布起至2020年，英国将加大智能电表的推广与普及，其目标是在2020年之前将英国现网的约5000万个普通电表全部用智能电表替代，通过智能计量系统，对各个地区的需求进行积极响应，以达到促进需求侧发展、系统优化、资金规划和固定资产管理的目的；第二阶段为2020—2050年，英国计划着重开发清洁能源，并研究将分布式能源接入现网供电的相关技术，同时利用智能家居、智能家庭、嵌入式储存等技术配合智能电网的建设使用，并通过智能设计提高整个电网的智能化水平，提升运营管控效率，为2050年后实现混合电力接入系统方案奠定基础。

4.日本

日本电网基础设施较欧美等国家和地区相对完善，从发电端到各个配电网都已经基本加装传感器，并建有较为完备的电力通信网络，可对电网运行情况进行监控。近年来，日本也一直在维护并增强相关功能。日本智能电网的建设目标是开发“与太阳能发电时代相应的输电网”，包括太阳能发电输出功率预测系统、高性能蓄电池系统和火力发电与蓄电池相组合的供需控制系统。这一目标与日本国内用电与建筑特征存在一定关系，日本拥有较多独立建筑，可分布式发电，尤其是太阳能发电成为重要的发电方式。在此背景下，日本计划在每栋建筑内设置蓄电池，在建筑内部完成电力负荷控制，从而实现能源利用的高效化。

日本由政府主导智能电网的整体规划、对外合作和标准制定等，同时产业界与各个高校也积极参与，在智能电网建设中起到了重要作用。

2009年3月，东京工业大学成立了综合研究所，主要研究智能电网的相关技术。2009年7月，日本电力中央研究院成立了智能电网研究协会。2010年开始，东京电力公司、东京工业大学、东芝公司和日立炼铁研究所在东京工业大学校园内联合开展日本智能电网示范项目试验，同时开展了孤岛智能电网规模建设试验，主要对大规模太阳能发电场景下相关技术方案进行验证，例如，剩余功率、频率波动与电池电量的控制。

此后，日本电气事业联合会发布“智能电网开发计划”，在2020年开发出太阳能发电输出预测与蓄电池系统。该机构联合了日本十大电力企业，共同开展对太阳能发电系统运行监测的研究，并对太阳能蓄电池组进行小规模电源试验。

2.1.2 国内发展情况

近年来，我国用电需求随着社会生产的不断进步而迅速增加，新型电网的建设改造作为服务于国家战略的重大工程，吸纳了大量资金与科研力量。经过多年建设，我国电网覆盖率、供电能力和设备数字化程度大大提高。

我国电网建设主要由政府主导，各级国家电网公司承建落地，快速推进了智能电网设施的建设及相关技术研发速度。自2007年起，国家电网公司陆续开展了针对智能电网的研发部署工作，并制订了至2020年的智能电网规划。当时的华东电网公司首先启动智能互动电网可行性研究项目，希望增强电网运行的安全性与稳定性，同时启动高级调度中心和统一信息平台等智能电网试点工程。

2008年，华北电网公司开展了以智能调度体系为核心目标的智能电网研究与建设，设计建造智能电网信息系统，对新型能源关键技术进行研发，为后期智能输电网的建设奠定了基础。同时，华中科技大学、天津大学等高校也纷纷对相关技术领域开展研究探索，成立了一批专业的智能电网研究机构。

2009年年初，国家电网公司对智能电网系列课题进行立项研究，对中国电网现状进行调研，并在充分了解我国智能电网的技术需求与现状的基础上，通过分析国内外智能电网需求与技术特点，制订了我国电网发展目标、技术框架体系与实施计划等。另外，国家电网公司晋东南—南阳—荆门1000kV特高压交流试验示范工程和南方电网公司云南、广东800kV特高压直流输电工程相继投入运行，实现了我国在具有长距离、大容量特征的特高压核心技术上的重大突破，构建了智能电网的坚强骨干网架，为中国智能电网的建设奠定了基础。

在2009年特高压输电技术国际会议上，国家电网公司提出发展坚强智能电网要以坚强网络架构为基础，将信息通信平台作为支撑，使用智能控制手段，对端到端电力“发、输、变、配、用”各个运行环节进行保障，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，建成“坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动”的现代化电网。发展坚强智能电网就是要加快建设以特高压电网为骨干电网，两级电网协调发展，具备信息化、数字化、自动化、互动化等特点的统一坚强智能电网。

如今，我国电网设施配备已经基本达到发达国家水平。随着“新基建”战略的提出，国家要求以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系，并明确提到要将智慧能源基础设施纳入其中，重点进行改造升级。智能电网作为新型基础设施的重要组成部分，即将步入一个全新的加速建设阶段。

2.1.3 智能电网发展趋势

1.坚强灵活电网架构

我国幅员辽阔，自然资源分布较为分散，对于电力生产尤为重要的化石能源和河流分布不均衡，为各级电网的规划造成了一定困难。随着电网规模的扩大、互联电网的形成，增强电网的稳定性与安全性势在必行。国家开展的特高压联网、直流联网等系列工程也对主网架结构的规划设计提出了严格的要求。建立坚强、灵活的电网架构是智能电网设计的必然要求。

2.实时化、标准化电力网管

监控与分析能力是新型电网实现智能化控制的基础，包括对故障告警的早期识别，以及对设备运行调整的及时响应。新型网管系统的监测范围应当覆盖全网，并向终端侧积极拓展，为电网运行、综合管理等提供支撑，而不仅局限于对电网装备的监测。在当前阶段，电力网管系统还应着重在网络安全方面加大建设力度。

3.智能调度

智能调度系统是智能电网运营的重要组成部分。在现网中对设备进行硬件升级，并基于现有调度控制中心功能进行升级扩展，是实现调度系统实时监控全网，提升灵活配置资源的能力、突发事件应对能力、智能管理能力、高效调控能力和市场调配能力的基础。

4.先进测量体系

智能电网要实现对电网与用户用电信息的实时监控和采集，需要在建立先进测量体系的基础上构建具有自主调节和智能判断功能的网络系统。基于先进测量体系的电力网络，能够采用经济安全的输配电方式向终端用户输送电能，实现电能资源的高效配置利用，提高电网运行的可靠性和能源利用效率。

5.分布式能源

分布式能源是指布置在用户附近的小规模、分散式发电系统，具有节能减排、损耗低、效率高、系统可靠性高、能源种类多等优点，是智能电网的主要研究方向之一。

对分布式能源技术的研究包含两大分支：分布式发电与分布式储能。按照能源是否可再生的标准可以将分布式发电分为两大类：一是基于可再生能源的分布式发电技术，主要包括风能发电、太阳能光伏发电、生物质发电、地热能等发电形式；二是使用不可再生能源发电的分布式发电，主要包括内燃机、微型燃气轮机等。分布式储能装置包括蓄电池储能、超导储能和飞轮储能等。

6.人工智能融合

智能电网未来的主要发展方向之一是运营深度优化和需求实时预测，而人工智能可以针对能源生产、能源电网平衡和消费习惯等方面提供独特的解决方案。人工智能平台将提供丰富的算法和模型库，成为能源行业尤其是电力行业的重要组成部分。

机器学习为电力系统构建机器学习算法库，开发针对特定电力业务场景的机器学习应用模型；计算机视觉将重点研发电力图像资源库、电力图像智能辅助标注技术、电力设备检测与缺陷识别算法，并形成设备级的电力视觉模块，实现设备实时识别和缺陷检测；自然语言处理将建立电力主题词表，研究电力文本特征提取、本体建模、知识处理和推理等技术，构建监管、运行检查、营销等领域的知识“地图”，最终形成新一代电力智能搜索与问答解决方案；智能机器人将重点突破智能算法封装、自主识别、自主行为等核心技术，推动电动机器人的自主化和智能化。