智能电网入门——支持双向电力流动的信息层配电网络

传统的配电网络的设计基于电力单向流动的假设，即从发电厂流向用户。杆式变压器的作用仅仅是将高压降至家庭使用的低压；它从未被设计用于电流反向流动。但是，一旦屋顶太阳能电池板、家用蓄电池和电动汽车接入配电线路，就会出现这样的情况：在阳光明媚的午后，电力会从用户反向流入电网。智能电网是一种能够安全处理这种双向电力流动的配电网络，它通过叠加计量、通信和控制的“信息层”来实现这一目标。关于输送电力的变电站和输电线路（系统的“骨架”）的工作原理，已在变电站和输电线路入门中进行了介绍。本文将着眼于配电层面，从智能电表、通信协议、需求响应和自愈式配电自动化这四个方面探讨这些变化。

30 秒速览

• 传统的配电网络采用的是单向自上而下的设计。随着分布式能源（太阳能、电池、电动汽车）的增加，出现了电力从用户反向流入电网的环节，从而引发了诸如电压升高等传统设计无法预见的问题。

• 智能电表（AMI：高级计量基础设施）不仅仅是一个自动抄表的设备。它是一个双向通信终端，能够处理精细的用电数据，例如每 30 分钟的读数、远程连接/断开以及停电检测。在日本，低压部分（例如家庭用户）的智能电表部署据称已于 2024 财年末基本完成。

• 智能电表有三条通信路径：B 路径，连接智能电表和家庭能源管理系统 (HEMS)；A 路径，由电力公司使用；C 路径，将数据传输给零售商和第三方——每条路径的通信方式和用途都各不相同。 ECHONET Lite 和 OpenADR 是涵盖不同层面的国际标准协议：家庭控制和企业间需求响应。

• 需求响应 (DR) 是一种远程控制需求侧设备的机制，用于调节供需，如同发电厂的出力增加或减少一样。它与其说是一种单一技术，不如说是一个统称，涵盖了通信、合同和市场设计等多种操作。

• 自愈式配电自动化技术能够自动隔离故障区域，并通过备用路径恢复正常区域的供电，目前已在日本电力公司广泛应用。智能电网的创新之处不在于自动恢复本身，而在于如今可用于决策的数据粒度和速度都得到了显著提升。

1. 为什么电网必须变得“智能”

输电网络是一个拥有数百千伏电压、高电压和大容量的复杂网络，长期以来，电力流动一直由变电站保护继电器和电网运营商集中管理。相比之下，配电网络位于系统的远端，是一个低压区域，其最初的设计理念是“电力从上游流向下游”。打破这一理念的是小型分布式能源（DER）的迅速崛起——例如屋顶太阳能、家用储能电池和电动汽车。

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图 1 — 随着需求平衡和分布式能源发电量的变化，各段的潮流方向也会发生变化。智能电表和馈线传感器将遥测数据发送到配电和分布式能源管理系统，后者会返回电压、充电和需求响应指令。

随着反向潮流的增加，配电线路的电压可能会升高，这引发了人们对违反日本《电力经营法》规定的电压维持义务的担忧（低电压时为 101±6V，低电压时为 202±20V 等）。传统上，电压管理由变电站的有载调压开关 (OLTC) 或区段级自动电压调节器 (SVR) 完成，但这些控制方案的前提是电力从上游流向下游。当太阳能发电量和用电需求在同一条配电线路上同时发生变化时，仅靠简单的调压控制已无法满足需求。智能电网正是为应对这种物理变化，在配电网络中叠加计量、通信和分布式控制等技术的统称。

2. 智能电表 (AMI) — 从抄表到双向数据平台

智能电表不仅仅是一个替代抄表员的用电量计量设备。它还是一个名为 AMI（高级计量基础设施）的整个通信网络的终端，其功能包括：

• 精细间隔计量：它以 30 分钟等间隔记录用电量数据并将其发送给电力公司，从而构成分时电价的基础数据，并用于衡量需求响应的效果。

• 远程连接/断开：无需现场勘察，即可远程控制电力供应或切断，用于处理合同变更、欠费账单以及灾害安全等各种情况。

• 停电检测：通过让电表发送最后的“断电”信号，电力公司无需等待客户来电即可掌握停电范围。

在日本，根据经济产业省制定的政策，电力公司已推进智能电表的转换。据称，高压领域（工厂等）的智能电表推广工作已于2016年基本完成，低压领域（家庭等）的推广工作已于2024财年末完成。这已建成覆盖全国的大规模计量网络。日本自然资源能源厅正在研究下一阶段——“下一代智能电表”方案，该方案旨在为基于电力数据的新服务（电力行业数字化转型）提供基础设施。

智能电表数据通过三条独立的通信路径进行路由，分别用于不同的用途。

通过 B 路由将用电量数据传输到家庭能源管理系统 (HEMS) 后，即可实现将家庭的太阳能、电池和空调作为一个整体进行管理的服务，实现用电量的“可视化”和自动控制。

3. 通信协议层级 — 家庭控制和企业间协调是不同的层级

智能电网通信并非基于单一协议。家庭设备控制和公用事业/聚合商之间的通信需要不同的协议特性。

• ECHONET Lite：由 ECHONET 联盟制定的用于控制智能家居内部设备的协议。它基于 UDP/IP 协议，定义了 90 多种设备类别，包括空调、热水器、电池和电动汽车充电器。该协议已作为 ISO/IEC 标准在国际上标准化，负责 HEMS 和家庭设备之间的“最后一公里”通信。

• OpenADR（开放式自动需求响应）：一种国际标准协议，用于在公用事业公司/聚合商和消费者（或其网关）之间自动交换需求响应信号。OpenADR 2.0b 是用于自动化企业间需求响应的代表性规范。

• 电网和变电站侧协议：变电站内部的保护和控制使用 IEC 61850 标准（详情请参阅变电站和输电线路入门）。配电系统监控有时使用通信标准，例如 SCADA 系统中使用的 IEC 60870-5-104 或 DNP3。

简而言之，ECHONET Lite 处理家庭内部通信，OpenADR 处理企业间需求响应信号，而 IEC 61850 系列协议处理输配电骨干网——智能电网是一个将多种不同用途的协议分层堆叠的系统。人们常常误以为存在单一的“智能电网协议”，但事实并非如此。

4. 需求响应 (DR) — 将需求侧用作“发电厂”

需求响应 (DR) 是一种通过控制用户设备来调节电网，从而达到与提高或降低发电厂输出相同的效果的机制。需求响应分为“向下需求响应”，即在电力供应短缺时降低需求；以及“向上需求响应”，即在电力供应过剩时（例如中午太阳能发电高峰期）增加需求。

从制度层面来看，需求响应大致可分为两类：

• 激励型需求响应：电力公司或聚合商直接远程控制签约用户的设备，并根据响应比例支付补偿。

• 价格型需求响应：电价根据一天中的不同时段或供需紧张时期进行调整，让用户自行决定如何改变用电量。

将需求响应 (DR) 打包，使其能够像单个电厂一样在市场上交易，这就是虚拟电厂 (VPP) 的作用——我们将在下一篇文章中详细介绍。关于需求响应如何作为市场产品进行交易，请参阅虚拟电厂 (VPP) 入门。

5. 自愈式配电网络

在输电线路故障期间，能够快速隔离故障部分的机制正是变电站和输电线路入门中介绍的保护继电器的作用。配电层面也存在类似的概念，称为配电自动化。它已在日本电力公司得到广泛应用——例如，九州电力输配电公司的自动配电线路控制系统能够自动检测故障部分，并通过备用路径快速恢复正常部分的供电。

一种典型的方案是延时顺序恢复。当发生故障时，变电站断路器首先完全切断电源，然后安装在各区段的自动开关从变电站侧依次闭合，每个开关之间有设定的延时。如果某个区段再次检测到故障电流，则该区段之前的开关保持断开状态，仅隔离故障区段——下游正常区的电源则通过备用路径（相邻的互联配电线路）输送。

图 2 — 配电自动化系统会自动打开故障段两侧的开关以隔离故障段，然后从相邻的健康配电线路（另一个变电站的系统）重新分配电力，从而最大限度地减少故障段以外的停电时间。这种无需人工干预即可快速完成此决策和切换的机制称为“自愈”。

这种自动化技术在智能电网出现之前就已存在，但智能电表故障检测和实时传感器数据的加入提高了故障段估计的准确性和恢复速度。关于智能电网的新变化“自愈电网”一词并非指自动恢复本身，而是指用于判断是否自动恢复的数据现在扩展到了从用户侧获取的数据。

6. 电压升高和逆变器电压调节

随着分布式能源的增加，首先出现的技术挑战是配电线路上的电压升高。将配电线路的阻抗记为R+jX，输出的有功功率记为P，无功功率记为Q，则发送端和接收端之间的电压差可以近似表示为：

当太阳能发电量超过需求时，P的指向会从用户侧转向电网侧（符号反转），这往往会导致配电线路远端的电压升高。为了抑制这种情况，需要采取多种措施：自动电压调节功能，使电源调节器（PCS）能够自动调节无功功率Q，以及相应的调整。维持电压稳定是智能电网面临的“最不起眼但最根本的挑战”，而这种控制的精细程度取决于高级计量基础设施（AMI）数据的粒度。

7. 当前技术与研究重点

• 下一代智能电表：目前正在进行一项研究，旨在重新审视当前AMI的通信标准和功能，以实现更高频率的数据采集和更强的安全性。

• 配电系统的数字孪生：模拟配电线路上的功率流和电压，以预先评估分布式发电可以互联的规模。

• 更复杂的配电级市场和控制：正在研究一种考虑电压和功率流约束的配电系统运营商（DSO）类型的功能。

• 网络安全：由于智能电表及其通信网络数量庞大，攻击面也很大，因此身份验证、加密和异常检测设计现在已成为前提条件。运行。

• 分布式能源资源管理系统 (DERMS)：一个软件平台，用于在配电系统的约束条件下协调和控制大量的太阳能装置、电池和电动汽车。

摘要：智能电网是“具有分层信息系统的配电网络”

智能电网并非单一技术；它是一个由多个分层机制组成的系统——通过智能电表进行计量、多层通信协议、通过需求响应进行需求侧利用以及自愈式配电自动化。它们的共同之处在于，都试图通过双向信息流来管理分布式能源资源已经实现物理双向传输的电力流。

在考察一个地区的智能电网建设工作时，值得检查以下几点：

1. 哪些通信路径和协议在交换哪些数据？

2. 谁在负责电压管理（PCS、SVR、电池），以及管理的时间尺度是什么？

3. 需求响应是基于激励还是基于费率，它连接到哪个市场或合同？

4. 如何故障期间的大部分自动恢复过程无需人工干预即可完成？

牢记这四点，您就能超越“智能电表正在普及”这样的标题，深入了解其背后配电网络的设计理念。

参考资料

• 自然资源与能源署 — 下一代智能电表系统研究小组总结

• 自然资源与能源署 — 关于智能电表退出

• ECHONET Lite 规范/概述

• [九州电力传输公司]和配电 — 自动配电线路控制系统](https://www.kyuden.co.jp/td/supply/effort/auto-system.html)

• 自然资源能源厅 — 电网现代化

• 日本输电运营商跨区域协调组织 (OCCTO)

• IEC 61850 — 电力自动化通信网络和系统

• NREL — 电网现代化