智能电网（电力物联网）研究设想

人类近两百年的高速发展，以煤、石油、天然气为燃料，现在看来不久它们将被耗尽，因此近年来人类加速了核能、水能、风能、日光能、生物能等新能源的研究与利用；同时，也发现能源浪费严重，因此在开源的同时也要节流。

传统的电网是电流从发电厂，经输电、配电，流向用户的一种能量网络，在发电与用电之间没有能量的缓存，往往是按照用电的峰值发电，而实际利用效率低下，且不安全。

据美国的研究，美国现实电网资产的利用系数约为55%，其中占整个电网总资产75%的配电网资产的利用率更低，年平均载荷率仅约44%，浪费了大量的固定资产投入。调查表明：我国目前10kV配电资产利用率比美国还低。多数城市10kV配电线路和变压器的年平均载荷率低于30%；在电网出现一个主要元件故障后还可保证安全的条件下，峰荷时的线路载荷率全部在50%以下。

也据美国的研究，插电式的混合动力汽车（PHEVs）是一储备电能的好例子。美国预计它的推广应用“将每日减少石油消耗620万桶，占目前进口量的52%”。在节省成本、改善环境的同时，可在每天的非高峰负荷时间充电，而在用电高峰期对电网提供支持，起到削峰填谷的作用。因此，近年世界各国加强了电动汽车的研究，以此技术来发展交通，既减少了电能的浪费，又节约了石油资源，且减少了环境的污染，真是一举多得。

除了上述用储备电能来提高电网的利用率而外，近年国内外也开展了智能电网的研究，所谓智能电网就是要在传统电网之上，建设传感和信息网络来实时感知发电、输电、配电、用电的所有元件的工作信息，然后计算分析，并控制它们，使电网能自愈、高效、包容、鲁棒、环保地运行，从而维持即时供需平衡。如此实施智能电网建设，必然会减少电能损失、增强电网的安全，也必然会产生良好的经济与社会效益。

在电力专家探索解决电网的低效的同时，数学家也以“动力系统”的模式在研究电网的数学模型。比如我国在讨论数学科学与其它学科的交差研究时，杨乐教授发表的“数学是科学发展的基石”中，就简述了“每个发电厂的生产过程都可以用微分方程组来描述，用高阶代数方程作为它的约束条件”，“这是很复杂的微分方程组，不可能求出精确解，只能求数字解。粗看虽然是能源问题，但涉及到复杂的偏微分方程组、计算数学、概率论与数理统计、控制论以及几何学等多方面的数学问题”，也就是我国数学家也在研究电网的数学问题。

2010年1月，中国工程院19位院士及13位专家会议，讨论了物联网，得出“物联网：互联网在重要领域的应用”的论断，而重要领域范围宽广，其中也包含电力这个重要的领域，也就是要开展电力物联网研究。

上述这些使我们看出，关于解决电网利用效率低下的问题，多方面已经展开研究，但到底采用怎样的研究才有利于问题的解决呢？我觉得参考美国上世纪90年代进行的高性能计算与通信研究的思维，也就是交差研究的思维为好。

那时，美国经过数以千计的科学家讨论、筛选，认为“中长期天气预报”，“全球气候变化研究”，“大气污染研究”，“地球物理勘探”，“空气动力学模拟”，“新飞行器和武器系统研制”，“分子、原子、粒子结构探索”，“生物大分子理解”，“新材料的设计与新药剂的研制”等问题对国家及社会的发展至关重要，它们是“重大的挑战问题”，需要各行业的专家、应用数学家、计算机科学家和工程师，联合攻关解决上述这些问题，以促进人类社会进步。为此，1991年美国开展了“高性能计算及通信计划”，该研究也认为，计算已发展成为与实验、理论相并列的第三种科学研究方法，在不少领域计算已取代了实验，而且随着计算机硬件、软件及算法的进步，这种趋势还会加强。

也就是说，我们需要以“电力专家、应用数学家、计算机科学家和工程师，联合攻关”的办法，并要更多地利用计算的思维，来解决电网的各种问题，也就是要利用互联网加传感网在电力领域更智慧应用的思维来研制智能电网。具体的办法是：1、研制能够很好感知发电、输电、配电、用电的所有电网元件工作情况的电力传感器及网络，实现对电网工作的实时或准实时感知；2、用互联网加传感网技术，将上述感知信息实时或准实时地收集到信息中心并保存；3、对所收集的信息，依据电网自愈、高效、包容、鲁棒、环保地运行等原则进行科学的数学分析，得出对电网优化或比较优化控制的决策；4、研究并改进电网的控制功能，再依据3的决策对电网进行实时或准实时控制，以提高电网的运行效果。

反复实施上述过程，逐步改进电网运行管理的信息化水平，逐步使电网从比较盲目的状态，发展、改进到比较智慧的状态，也就是逐步智能化的状态。

我国电网很大，难于实现全网智能化，因此发展分布式电网，在子电网智能化基础之上，再发展全局智慧控制是科学的办法。下面是所设想研究的图示。

美国电科院在2004年对其后20年在美国实现智能电网成本所作的初步估算（以2002年美元的价值计）是，总成本为1650亿美元（其中输电占380亿美元，配电和用户参与占1270亿美元），效益为6380亿~8020亿美元，效益与成本比为4：1~5：1。从上述投入为1，产出为4到5看出，我国实施智能电网研究与建设，是完全值得的。我国从上世纪90年代实施信息化以来，已有20余年信息化研究及发展的经验，加之近10年传感及控制的研究，已经完全具备了实现智能电网、或电力物联网的研制能力，因此我们应解决电网问题了。

参考资料：
1、面向21世纪的智能电网，余贻鑫、栾文鹏，《科学时报》2010-9-6；
2、数学是科学发展的基石，杨乐，《科学时报》，2010-11-26；
3、物联网：互联网在重要领域的应用，中国工程院，2010年1月13日；
4、美国“高性能计算及通信计划”，1991年；
5、中国联通长途计费系统新技术研究，中信通信，1999年。