隨著新能源的廣泛接入和智能電網的建設推進，現(xiàn)代城市電網與傳統(tǒng)電網相比在系統(tǒng)結構、控制手段、運營模式、管理策略等方面正在發(fā)生巨大的變化。
城市電網是電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是城市現(xiàn)代化建設的重要基礎設施，事關社會穩(wěn)定和經濟民生。城市電網具有用電量大、負荷密度高、安全可靠和供電質量要求高等特點，其建設需要與城市建設緊密配合，同步實施，同時與環(huán)境協(xié)調，與景觀和諧。實現(xiàn)城市電網的智能化發(fā)展是現(xiàn)代城市電網建設發(fā)展的必然趨勢，也是城市電網規(guī)劃建設和管理者所追求的目標。
隨著新能源的廣泛接入和智能電網的建設推進，現(xiàn)代城市電網與傳統(tǒng)電網相比在系統(tǒng)結構、控制手段、運營模式、管理策略等方面正在發(fā)生巨大的變化。本文按照“物理?信息?高級應用”技術架構體系，主要從更友好的配用電設備、更靈活的城市電力網架結構、更廣泛的ICT技術支撐、更綜合的規(guī)劃設計、更精細的系統(tǒng)分析評估、更高級的運行控制以及更人性化的維護管理7個方面闡述現(xiàn)代城市電網智能化發(fā)展所涉及的新技術和新方法，并展望應用于未來城市電網發(fā)展的新技術與發(fā)展方向。
城市電網智能化發(fā)展關鍵技術
更友好的新型配用電設備
傳統(tǒng)城市電網智能化工作的開展重點關注低損耗、可靠性高、免維護的新型變壓器、開關等設備的應用和升級，對國內近二十年的城市電網建設改造和可靠性提升起到了非常重要的支撐作用?，F(xiàn)代城市生活對城市電網的低碳環(huán)保需求和不斷繁榮的現(xiàn)代科技，特別是通信和信息技術的發(fā)展，共同推動了城市電網配用電設備的更新?lián)Q代，設備的種類和設備的功能相比傳統(tǒng)電網正發(fā)生質的飛越。
首先，世界范圍內日益嚴峻的能源環(huán)境問題要求城市電網更加低碳，催生了現(xiàn)代城市電網中大量新元素的出現(xiàn)。例如，分布式光伏發(fā)電、小型風機、微燃機、儲能、電動汽車等。其次，為適應和管理上述設備的并網連接與可靠協(xié)調運行，城市電網中電力電子裝置開始大量出現(xiàn)，城市電網呈現(xiàn)出電力電子化的發(fā)展趨勢。此外，計算機、電子、通信技術的快速發(fā)展也促使傳統(tǒng)城市電網設備的全面升級換代和大量新技術新設備的應用，如智能變電站、配網潮流管理器、SOP軟開關等。
為支撐對各類分布式能源和靈活負荷的廣泛接入，未來的城市電網設備將沿著標準化即插即用接口、高度電力電子化、物理信息控制高度融合的方向發(fā)展。
更靈活的電力網架結構
網架結構是支撐整個城市電網智能化發(fā)展的關鍵和基礎。傳統(tǒng)的城市電網在網絡拓撲上一般采取“閉環(huán)設計、開環(huán)運行”的建設運行模式，以輻射狀交流供電為主。由于地理條件、地方政策、電網歷史沿革、負荷構成、用戶要求等不同，世界范圍內的城市電網表現(xiàn)出不同的網架結構形態(tài)。未來城市電網中的結構形式將更多向環(huán)網結構和雙側電源結構發(fā)展，實現(xiàn)城市電網網絡架構的靈活性和可靠性。
受分布式能源接入、ICT技術、電力電子技術等技術的推動，現(xiàn)代城市電網在結構形態(tài)上呈現(xiàn)出了多樣化的趨勢。以城市配電網為例，目前學術上討論的配電網形態(tài)包括傳統(tǒng)配電網(被動配電網)、有源配電網(主動配電網)、智能配電網、微電網和能源互聯(lián)網;按照電能的傳輸方式，包括直流配電網、交流配電網和交直流混合配電網的形式。其中最受關注的主要是微電網和有源(主動)配電網的概念。微電網和主動配電網均被認為是未來智能配電網的重要組成部分，均存在交流、直流和交直流混聯(lián)3種傳輸模式。
除傳統(tǒng)配電網外，各種形態(tài)的電網形式均未形成固化的標準結構模式，但各形態(tài)電網均要求未來城市電網的結構更加靈活主動，能夠依據電網運行狀態(tài)、用戶用電需求、系統(tǒng)故障等具體場景主動進行網絡重構、開閉環(huán)運行自由切換以及網絡自愈，保證系統(tǒng)故障時最小化停電范圍、系統(tǒng)正常運行時最大化運行效率。
更綜合的城市電網規(guī)劃設計
規(guī)劃元素多樣化和與運行深度耦合的特性給城市電網綜合規(guī)劃提出了新的挑戰(zhàn)和需求，未來城市電網規(guī)劃需要采取“主動規(guī)劃”的理念。需要對區(qū)域內的分布式可再生能源資源的可利用能力進行主動評估，主動規(guī)劃設計分布式可再生能源發(fā)電的接入點，主動評估城市電網對分布式電源的接納能力和最大負荷供應能力，前瞻性的給出網絡解和非網絡解相結合的綜合規(guī)劃解決方案。
同時，為增強方案的可操作性和可實施性，規(guī)劃中還需要考慮規(guī)劃、建設和運行的完整性、統(tǒng)一性，在規(guī)劃設計階段就充分考慮配電自動化、通信和配電管理系統(tǒng)對改善城市電網運行性能所發(fā)揮的重大作用，協(xié)調統(tǒng)一地規(guī)劃建設堅強可靠的一次電網網架、深度協(xié)同的二次自動化系統(tǒng)與功能強大的智能決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)三位一體式的協(xié)同規(guī)劃。
更精細化的城市電網分析評估
現(xiàn)代城市電網中由于多樣化分布式電源及多元化負荷的加入，其規(guī)劃運行的不確定性大大增加，傳統(tǒng)基于單一靜態(tài)斷面的潮流分析和單項靜態(tài)指標的分析評估模式已無法滿足現(xiàn)代城市電網規(guī)劃所需的細粒度詳盡分析的需要;傳統(tǒng)基于高比例不健全量測數據的狀態(tài)估計和參數辨識也無法支撐現(xiàn)代城市電網精細化運行的需要。要求提供從單個設備、單條線路至區(qū)域電網整體，多場景的，單斷面靜態(tài)至時序多斷面動態(tài)的多維度精細化分析評估，也就是說現(xiàn)代城市電網的分析評估需要更加精細化。
城市電網的精細化分析評估主要體現(xiàn)在多時間尺度和多維度的精細化評估方面。(1)時間尺度方面，需要建立多時間顆粒度的時序分析體系(如時序潮流)，在有條件的情況下應充分利用城市電網的高級量測體系所提供的實時數據，并應用分布式計算、大數據分析等高級數據處理技術實現(xiàn)快速的數據分析和精細化的結果輸出，以應對現(xiàn)代電網日益增加的隨機性和不確定性。(2)多維度方面，則可以借鑒綜合評價的系統(tǒng)方法學理念，面向不同的分析評估目標對象，構建適宜的分析體系，給出全面的分析評估結果，既包括各關鍵點上的細致量化指標結果，也包括各維度上的整體量化結果。
高度協(xié)調的城市電網運行控制
大量分布式電源和靈活負荷的接入以及電力市場化的逐步深入，使得現(xiàn)代城市電網調的運行控制不得不面臨著更多新的問題：
(1)控制手段豐富，需要具備更全面的信息監(jiān)測和感知能力。
(2)控制目標復雜，需要具備全局協(xié)調優(yōu)化控制能力。
(3)多能源系統(tǒng)協(xié)調，需要具備與其他能源網絡更高的互聯(lián)優(yōu)化運行能力。
針對上述新問題和新需求，一些新的調度運行控制方法已經提出并且正處于不斷完善的過程中。例如，通過建立廣域量測和廣域閉環(huán)控制系統(tǒng)、應用新型設備(如智能用電終端、智能電力電子變壓器、軟開關SOP等)、建立分層控制體系、建立電力市場運營機制以及能源路由器(EnergyRouter)的出現(xiàn)，使得以城市電網為核心樞紐的綜合城市能源系統(tǒng)協(xié)調運行成為可能。可以說，新技術新要素的出現(xiàn)在給現(xiàn)代城市電網的運行控制提出新要求和新目標的同時，也為城市電網的高級運行和綜合優(yōu)化運行提供了新的思路與方法。
更高效與人性化的維護管理
現(xiàn)代城市電網設備數量龐大、設備的種類及其相互的關聯(lián)關系也日趨復雜，傳統(tǒng)的人工檢測、維護和檢修方式效率較低且由于人為因素而產生的不確定性較大，已經不能滿足社會對城市電網安全高效可靠供電服務的要求。此外，海量設備的監(jiān)測和日常電網運行的維護檢修也常常超過人類的工作負荷，有些高危工作還會給工作人員帶來危險。因此，現(xiàn)代城市電網維護管理旨在：
(1)圍繞提高供電可靠性和供電服務質量，應用智能化計算機技術，減少人工干預因素，建立標準化運維管理體系，提高運維管理率;
(2)建立更加人性化的維護管理系統(tǒng)，減輕人工負荷和危險系數，提高電網管理系統(tǒng)的經濟效益。
為更加高效智能的管理維護城市電網的設備及其運行，全面提升城市電網供電可靠性和供電服務水平，圍繞“設備狀態(tài)監(jiān)測-設備狀態(tài)評價-設備標準化維護管理”的許多新技術和新方法正不斷涌現(xiàn)。
更廣泛的信息技術支撐
信息通信技術(Information and Communication Technology，ICT)是通信服務、信息服務及相關應用的有機結合，基于靈活可靠的數據交互傳輸和高效智能的數據分析共享，ICT技術正使城市電網向數字化、信息化和智能化的方向不斷發(fā)展。ICT技術對城市電網智能化的支撐主要體現(xiàn)在(1)提升城市電網的可觀性;(2)支撐城市電網高級配用電業(yè)務的開展。
隨著信息技術的發(fā)展和城市電網智能化的深入，現(xiàn)代城市電網的物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)呈現(xiàn)出更加深度融合的趨勢，開展對城市電網CPS系統(tǒng)的模型建模、耦合特性分析、聯(lián)合運行仿真和協(xié)調優(yōu)化規(guī)劃等將成為未來城市電網ICT技術層面的研究重點。
為便于理解，將傳統(tǒng)城市電網與現(xiàn)代城市電網的特征對比總結如表1所示：
表1現(xiàn)代城市電網和傳統(tǒng)城市電網對比
結論
城市電網的智能化是數學物理理論、材料技術、計算機技術、通信技術、電力電子技術等各個科技領域發(fā)展的綜合體現(xiàn)。智能化的城市電網通過應用各種先進的信息技術，實現(xiàn)電網的數字化、信息化、自動化和智能化，并最終實現(xiàn)城市電網與用戶間的互動，以滿足未來各種關鍵的技術需求。
未來城市電網展望
基于大數據的城市電網智能化技術
城市電網的智能化發(fā)展伴隨而來的是數據量和數據種類的爆發(fā)式增長，現(xiàn)代城市電網的數據已經具備了大數據的一些典型特征。在未來，傳統(tǒng)方法將無法承載和消化如此龐大規(guī)模的城市電網數據，需要應用大數據思維解決數據的融合、儲存、分析和處理。未來大數據技術的應用主要面臨多元、異構的數據集成，高速度精準數據分析以及數據安全等方面的問題。
以城市電網為樞紐的綜合能源系統(tǒng)
建立綜合能源系統(tǒng)，綜合實現(xiàn)多種能源的高效生產、傳輸、轉化與消費是實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的趨勢。未來的城市電網必將作為未來綜合能源系統(tǒng)的核心紐帶。為支撐綜合能源服務系統(tǒng)的高效運轉，現(xiàn)代城市電網的建設運行還將面臨以下2方面所需要解決的問題：
(1)規(guī)劃建設階段，如何考慮不同種類能源的特征和實際運行時不同需求場景條件協(xié)調規(guī)劃建設各自的能源網絡，優(yōu)化布置電網與各能源系統(tǒng)的轉化接口。
(2)實際運行階段，根據用戶對不同能源的消費需求如何協(xié)調控制各種能源的生產速率、轉化比例和傳輸容量。
（轉載）
