Exploration of Smart Grid Planning in Large Cities

以电为中心、清洁化和智能化为特征的新一轮能源革命正在世界范围兴起^[1-3]。同时随着智慧城市的建设，城市智能电网迎来加速发展时期。城市智能电网规划通过先进的理念，清洁能源供应技术，互联网+新技术等应用，城市的产出高效特性将得以突显，城市布局紧凑，功能综合，其能源供应、城市的建设也将与环境融合度进一步提升，城市的管理运行更加趋于数字化^[4]。目前对于城市智能电网的研究多关注新技术的介绍，单个或几个电力环节的效率提升，没有从系统的角度体系化地进行智能电网的规划^[5-8]。

本文以广州电网为例对城市智能电网规划思路和方法进行了探索。通过对标国际先进城市智能电网，以目标电网自身条件为基础，制定合理的规划目标和指标体系，逐个挖掘电力各环节可提升的空间，提出有针对性且具有可操作性的举措，最终通过指标的提升，验证了本方法的有效性。

新加坡、香港、日本东京、巴黎城区、韩国首尔等城市电网是国内外公认的先进城市智能电网。根据收资结果，初步掌握的智能电网情况概括如表1所示：

综述以上情况，国际先进城市智能电网的特征体现在电网的能源互动性、资源节约、安全可靠、以及环境友好。国际先进城市智能电网应有如下内容：

1）配电网拥有强健的信息系统和专家系统作为支撑，电网的建设经过合理的规划设计和严格的设备选型。

2）高效的调度和运维管理。电网拥有高效实用的配电自动化系统，计量自动化系统、通信系统、资产管理系统等，实现对配网运行状态、设备情况、可调度负荷等元素的可观可测可控。

3）配网运行的安全、可靠、优质和经济。配电网有能力保证运行时期的供电安全，如保证N-1通过率，容载比等，并提供高质量的供电服务，如供电可靠性达到99.999%，停电时间达到国际先进水平。

4）支持能源互动，保证电网的环境友好^[9]。支持新型能源、分布式能源及充电汽车的大规模接入与利用。通过智能电表、智能交互终端等互动设备，支持电网与用户之间的数据和电力双向交互。

广州电网经过多年发展，220 kV电网已基本形成了以500 kV变电站为中心、地区骨干电源为支撑的分区分片供电模式，网络结构以双回链网和环网为主。同时与周边220 kV电网联系较为紧密。110 kV电网除在增城、花都、从化等地区仍保留有部分110 kV链式接线外，已基本形成围绕220 kV变电站的“3T”辐射型接线，220 kV站之间保持有适当的110 kV联络。电网供电可靠性和供电能力得到大幅提高。

广州电网虽经大规模的发展，但自给率低（低于40%）、部分站点短路电流高、直流落点密集存在大面积停电风险的问题依然存在。随着现代化城市的不断发展，广州全面开始实施“智慧广州”战略。智能电网不仅可以解决传统电网现存问题，同时也可对“智慧广州”起到全方位的支撑作用。近年来，广州电网开展了一系列智能电网建设举措，建成了8个高可靠性示范区，实现A+区配电自动化和光纤通信全覆盖，开展智能电房试点建设，为广州推进智能电网发展奠定了基础。

广州智能电网与国际先进智能电网相比，在规划、设计、建设、运行等全过程技术和管理标准化上存在差距。网架方面，中压线路标准化程度待进一步提高，光纤通信网覆盖率偏低；设备方面，智能化水平不高；运维方面，管理及监控手段不足，运行状态分析能力有待提升；客户服务方面，与客户互动手段不足；调控方面，在接纳分布式光伏和大量充电设施接入问题上面临一定挑战；信息平台方面，存在数据打架、割裂的问题。

从广州电网基础上看全国，我国大型城市电网主网架基本已成环网，但供电可靠性、智能化方面和国外先进城市智能电网还存在较大差距。因此，城市智能电网建设重点在于电网的高可靠性和精益性管理，以及对智慧城市的全面支撑。

按照南网智能电网“5个环节+4个支撑体系”框架，结合广州电网“一高三多、保供电任务重、自给率低、‘智慧广州’战略要求高、率先建设世界一流配电网责任重、运行环境复杂”的六大特色制定具有广州特色的智能电网规划目标，如表2所示。紧密围绕2020年广州电网全面建成世界一流电网的目标，构建开放、多元、互动、高效的能源供给和综合能源服务平台，打造集中与分布式协同、多能互补、供需侧互动、安全高效的现代电能供应体系，建成安全、可靠、绿色、高效的智能电网。

结合广州电网已有发展规划指标，本文以“安全可靠、绿色高效”作为核心特征，构建智能电网指标体系。如表3所示：

“安全可靠”供电是智能电网的第一要务和最基本要求，保障安全可靠供电，需要坚强的网架、优良的技术装备。网架结构水平和自动化支撑水平是影响安全可靠供电的关键因素，相关方面的指标是支撑城市供电可靠率的二级指标。支撑安全可靠维度的二级指标鱼骨图如图1所示。

Figure 1.  Safe and reliable dimension of the secondary indicator fishbone diagram

“绿色高效”致力于提升电网对环境的友好程度，提高电网企业运行和信息高效。各因素又可分解成下一级指标，具体见图2所示。

Figure 2.  Two-level indicator fish bone map of green efficient dimension

坚强可靠的主配网和广泛覆盖的光纤通信网是支撑智能电网的基础。坚持以化解电网风险为导向开展电网规划工作，科学规划、构建坚强网架结构，提升电网抗灾能力。根据区域发展和可靠性要求，做好主网与配网之间的有序衔接，构建各类供电区域的典型目标网架。根据智能配电网发展要求，全面开展光纤通信网建设。以满足“三遥”自动化业务、智能配电房通信需求为基本，建设骨干光纤网，新增工程同步建设光纤网络。借助新建小区、社区微改造、城市更新等契机，利用“四网融合”打通光纤入户“最后一公里”。

完善配网移动应用管控系统，实现人员行为全业务管控，实现移动应用对作业行为管控的全覆盖。打造智能设备监控系统，为多维度系统协同、辅助决策、设备全生命周期跟踪以及延长工作有效时间等方面提供基础支撑，实现设备状态全信息监控。优化快速复电及客户服务协同体系，深化数据挖掘和辅助决策体系，利用云平台汇总、分析和处理数据，打造数据挖掘和辅助决策体系，为智能决策提供依据，实现配网智能运维管理。

提升配电网双向互动水平。提升可再生能源消纳水平，推广即插即用并网设备等技术，满足新能源、分布式电源广泛接入的要求。满足电动汽车充电设施灵活接入需求，做好配电网规划与电动汽车充换电设施规划的衔接，加快配套电网建设与改造，确保及时接入电网。

用户侧互动重点在于广泛部署高级量测体系^[10]，推动智能小区与智能家居建设，积极推动需求侧响应。通过智能电表开展用电信息深度采集，满足智能用电和个性化客户服务需求。结合高级量测体系建设，构建居民侧智能用电技术支撑体系，实现与用电设备之间的信息交互，推动智能家居与智能小区的技术发展。推动需求侧管理平台应用，配合政府建立完善需求侧响应机制，引导非生产性空调负荷、工业负荷等柔性负荷主动参与需求侧响应。

至2002年底，广州智能电网建设将在“安全可靠、绿色高效”三方面取得显著进步，如表4所示，电网运行指标有较大提升。

智能电网贯穿了电力系统各个环节，是推动能源革命的重要手段，是构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的核心，是支撑智慧城市发展的基石。城市智能电网的规划是个系统性工程，需自上而下成体系地开展研究。有别于传统重点研究智能电网技术的做法，本文尝试从规划方法的角度对城市智能电网展开研究。提出以目标电网特点作为研究基础，以目的为导向，通过查找目标电网和先进智能电网的差距，定位出目标电网需提升方面，有针对性地提出智能电网建设举措。本文注重研究内容的全面性，从全流程的角度开展全覆盖全环节的电力系统规划，理念先进、方向正确，具有较高的引领带动作用，对大型城市智能电网发展具有参考价值。在以后的研究中，建议关注智能电网各环节间的技术融合，对智能电网整体如何发挥最优效果进行进一步分析。