论分布式智能电网的“设备”和“系统”属性

本文系旧文改编重发，原作者系华南理工大学蔡泽祥教授，专此致谢！

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分布式智能电网的由来

分布式智能电网的提法，权威说法可以追溯到中央财经委员会第十一次会议强调的，全面加强基础设施建设构建现代化基础设施体系。会议指出，要加强交通能源等网络型基础设施建设，把联网、补网、强链作为建设的重点，着力提升网络效益。发展分布式智能电网，建设一批新型绿色低碳能源基地，加快完善油气管网。

新型电力系统和分布式智能电网，概念是明确的，也有一定程度共识，但无权威定义。

02 分布式智能电网的两个重要属性

分布式智能电网，不仅仅要解决风光储氢Renewables等具体设备资产的“点”的问题，还要解决其局部能源互济、电压功率平衡、与上级电网和本地负荷之间协调的“网”的问题，也就是从功能和实现上需同时具备设备属性和系统属性。

目前新能源行业多数是关注“点”的问题，比如发电效率、平准化度电成本等已经到了锱铢必较的小数点后的竞争，背后是海量投资带来的回报压力。路线稍一差池则前功尽弃，而后沉舟侧畔千帆竞发，重新掷色子再来新一轮赌局。

花如此多代价关注“点”，由此带来的过剩产能问题实质上已经非常严峻。外部市场和政策稍一风吹草动，带来的就是无情的市场出清。因此新能源行业很少或没有关注“网”的问题，实在是一个误区。过去很多投资新能源的大佬甚至认为无条件消纳是无条件的，但实际上并不是，能源的源网荷物理系统的平衡是要接受物理定律支配的。过剩产能必须出清，以这样或那样的方式。

既然新能源渗透率已经高到了挑战电网现有调节潜力上限，那么期望别人而不是新能源行业自己来解决“网”的问题，无异缘木求鱼，而假如最后整个行业被迫承受非优化解决方案的话，所带来的损失也只能说是求仁得仁。

（高压超高压电网不在本文讨论范围之内）而分布式智能电网恰是解决风光波动性现状实际与新型电力系统中远期目标之间的必经之路和支撑，是电力系统（不仅仅是电网）迈向现代化实现技术重构的中坚和刚需。将会是新能源行业迈向下一轮跃升的必然选择，也是实现行业出清优胜劣汰的重要抓手。本文提出了分布式智能电网所必须同时具备的两个基本属性，分别是“设备”属性和“系统”属性。

03 设备属性和系统属性的举例

电力系统是由发电机（组）、变压器、线路、负荷构成的，现状越来越多地还包括电力电子变换器、储能等。当然，还应该加上保护、控制、计量等二次系统。构成电力系统的设备有自己的“设备”属性（绝缘耐压、过载、应力），还会有大电网联网所带来的“系统”属性（稳定性、经济性、优化协调配合的需求等）。电力系统及其自动化专业，是搞电力系统“运行”的（不是搞设备制造的），更应该关注的是设备的“系统”属性。电力系统专业的核心技术是要透过纷繁复杂的表象，认识到清楚复杂电力系统的本质：即有海量设备互联成的大电网所带来的“复杂性”—系统属性。

大电网一次系统的稳定性问题就是最具复杂电力系统的“系统”性问题。例如，功角稳定就是由多台发动机并列运行时的同步问题，也即如果只有一台发电机运行，是无所谓功角稳定问题的。直流系统换相失败问题既有设备属性（丢失触发脉冲引起），也有系统属性（交流电网故障引起）。电网越大，设备的系统属性所引起的运行约束就越严苛。例如，大电网由于互联引起的（大扰动或小扰动）稳定极限对线路输送能力的限制使得线路输送极限远小于其自然功率。

二次系统，电力系统继电保护的“系统”属性问题。继电保护关键技术主要包含两个方面：一是继电保护核心软硬件结构、判据、算法等，核心技术掌握在厂家手里，是继电保护的“设备”属性；另一是继电保护运行的核心技术：继电保护配置、整定计算、特殊运行场景下的继电保护动作特性等，属于继电保护的“系统”属性。这就是为什么电网公司继电保护专业的管理放在“系统运行部”（调控中心），而没有放在“设备部”（生技部）的原因。而对于继电保护这类二次专业，其设备属性与系统属性经常交织在一起。实际上，继电保护在电网运行中遇到的一些共性问题缺陷，在经过充分研究论证后，会形成新的原理判据直接由厂家在继电保护设备层面修正实现，这些由于电网运行的“系统”属性问题就转变成了“设备”属性。

也有“设备”和“系统”属性兼备的情况。变压器励磁涌流引起的继电保护误动问题就是兼具“设备”和“系统”属性的例子。所有厂家的变压器保护产品都有抗励磁涌流误动功能，但各家的判据细节处理存在差别，这取决于对于变压器在电网运行环境下励磁涌流特性的认识研究的深度，有一个不断总结完善的过程。这个过程即是把电网“系统”属性转变成保护装置“设备”属性的过程。类似的情况还有：母线保护抗电流互感器饱和问题，以及交直流相互作用对继电保护影响、同杆并架线路强磁弱电对继电保护影响等等。

04 以继电保护行业为例说明电网和技术装备协同交替进行代际更新

电网设备的“设备”和“系统”属性的发展和演化，可以管窥到电力系统继电保护技术革命的驱动力。继电保护上一次技术革命发生在约30年前，是由微机保护带来的，主要是由继电保护的“设备”属性驱动的，体现在微型计算机带来的继电保护实现方式上的革命：交流采样、硬件接线简化、保护功能软件化等。但微机保护在基本原理和理念上与电磁、机电式保护差别并不大。微机保护技术革命主要体现在继电保护“设备”属性上，因此也主要由厂家发起推动，其结果成就了南瑞、四方等保护巨头。而30年前的继电保护主流厂家阿城继电器厂和上海继电器厂已不见踪影，这就是技术革命的力量。

继电保护专业的这种特点造成了电网公司继电保护运行技术人员与保护厂家开发人员能够深入交流技术核心的一种局面，从而共同推进了中国继电保护技术领先于世界。其带来的另一个局面就是，继电保护核心技术成为一个小众的专业领域，客观上形成了较高的专业壁垒。这就是为什么国外厂家保护产品被挤出中国市场，为什么中国继电保护厂家形成寡头垄断的原因。

今天，电力系统的形态正在发生巨大变化：分布式发电接入带来运行方式变化加快；电力电子设备接入带来故障特征的变异；复杂的电网运行特性使传统的继电保护原理遭遇挑战（如考虑直流换相失败恢复约束时，继电保护故障切除时间甚至不能太快）。电力系统设备的“系统”属性正在成为新一轮电网控制和保护技术革命的内在的深层次的驱动力，继电保护的“系统”属性面临革命。即要为未来的智能电网和能源互联网建立新的继电保护体系——这将驱动新一次的继电保护革命。

05 一窥电网公司内设机构命名的玄奥

从机构命名角度再谈大电网的“系统”属性。中调曾经同时有三块牌子，以XX省为例，分别是：XX省电力调度中心（这块牌子现在撤了）、XX电网公司调度控制中心、XX电网公司系统运行部。“XX省电力调度中心”是对电厂的，代行政府对电厂上网的行政管理职能，所以有（XX） “省” 这个字（一直以来，有一个呼吁，调度独立成为政府行政管理部门，就是基于这个定位）。之所以对电厂上网的管理要用XX省一词，是因为从理论上，公司对公司是不存在纵向管理权力的（也即XX电网公司不能对YY发电厂发行政指令），这本属于政府或资产所有者的纵向经营管理职能。第二块牌子“XX电网公司调度控制中心”是调度专业管理，在电网公司内部呈现网调-中调-地调的纵向专业管理。理论上讲，中调只能给地调发文，不能给市级供电局发文，这块牌子是解决限于调度专业内部的事情，比如继电保护“反措”，基本不涉及其它专业和部门。第三块牌子“XX电网公司系统运行部”是中调代表XX电网行使电网运行管理职能，可以给市级供电局发文，用于解决跨专业电网运行的问题。例如，“保供电工作方案”不仅涉及调度，还涉及变电管理所、输电管理所、区局等，这样的发文就是直接发到供电局而不是发到地调的。

之前，系统运行部的电网运行管理职能是由生技部（或生产技术部、安全生产部）承担的，也就是所有涉及电网运行跨调度专业的问题由生技部负责。然而，生技部是按照电网“设备”属性来运作的，其岗位设置是开关专责、线路专责……，并没有调度运行专责。当电网规模较小时，设备的问题和系统问题是一件事：也即电网的设备问题一定会带来电网系统的问题，而所有电网的系统问题都是由设备故障引起的。也即，电网的运行就等同于设备的运行，生技部管理电网设备和系统运行的机制比较顺畅。

但是，随着电网规模的日益扩大，大电网的“系统”性问题凸显，系统的运行与设备的运行不完全是一回事。也即，设备不出故障系统可能出故障（比如低频振荡问题、短路电流超标问题等），而设备出故障并不意味着一定会有系统问题（比如n-1，电网任一设备故障不会导致系统损失负荷）。因此，大电网的运行包含两个方面的关键技术：一是设备的关键技术（耐高压、抗过载、抗应力、可靠性高等等），另一个是系统运行的关键技术（自愈、稳定控制、保护整定、短路电流抑制、电网优化运行等等）。前者掌握在厂家手里，后者在电网公司（以及高校、研究机构）。在电力体制改革和技术革命的大背景下，大电网的系统运行技术越来越重要，因此就将调度中心扩大成为了一个新的部门—“系统运行部”；而原生技部就收缩为“设备部”。正因为“系统运行部”具有代电网公司行使跨专业电网运行管理职能，所以调度中心的人都喜欢“系统运行部”这块牌子。

06 核心竞争力在哪里

与电力系统相关的有两大关键技术：设备（制造）技术和系统（运行）技术，前者体现设备属性，后者体现系统属性。其实，未来电网系统运行技术不一定仅限于稳定、运行方式、继电保护、调度控制等集中式的高大上领域，而可能以麻雀虽小五脏俱全的化身，以微电网、分布式智能电网的名义贯穿于虚拟电厂、售电公司、需求侧管理、状态运维等不同的商业路径，还原能源电力生产要素市场化配置的本色。分布式智能电网行业人员的核心竞争力不是编程序、设计电路，而是能提应用需求，能用科学和技术的方式定量描述这个需求，能让客户和研发人员听懂这一需求，能与研发人员一起确定技术路线，能判别不同客户需求的影响，能将新的产品融入进而优化现有商业模式，并在合适的时机，成为未来能源革命的价值中枢。

当前，能源革命和双碳表述正促使电力系统酝酿着巨大变革，会衍生出许多与电力系统相关的行业、产业、部门。这些新的行业发起者可能不是搞电力的，经常是搞金融的、互联网的、投资的，但这些新的行业一定需要懂电力。从数学模型层面看，售电、配网、能源互联网、能源管理等新行业有资金流、信息流等，也一定要有电力能量流，否则就成了无源之水、无本之木。这些新行业对应的电网设备属性变化不大，改变的恰恰是其与传统电网不同的“系统”属性，如何构建新的运营体系，正是基于对这些新的分布式智能电网形态系统属性的认识把握。 

 07 未来的机遇

十年前谁能想得到世界上居然有九块九包邮这件事情呢？新的时代已经到来，这是一场革命，正如微机保护之于集成电路保护，智能手机之于按键手机。带来的不仅仅是局部革新，更重要的，是整个电力系统构造方式和运营方式的改变，由此影响到的是整个社会能源使用方式乃至人们的生活方式，更加不用提万亿的产业链生态（继电保护、开关、变压器、线缆、控制和自动化、市场化的应用层）。但是，在这场革命的前夜，我们应该观望、质疑、还是参与、突破？这是每一个从业者都无法回避的问题。

我们是否应该建立与电力电子化电力系统动态特性相适应的新的电力系统运行机制呢？也就是，把电力电子化的电力系统看作是一个独立的、全新的电力系统对象，用分布式智能电网作为新型电力系统建设的依归和核心支撑而不是看作是传统电力系统的特例？这是一项非常宏大的基础性工作：建立分布式智能电网相适应的电力电子化的电力系统分析、保护、控制和运行的基础理论体系。这一体系中应该要有能比肩于传统交流电网中“Park变换”、“对称分量法”、“牛-拉”法这样的新理论；适应配网双向潮流的新型光储直柔配电设备；也应该要有能比肩于BPA、EMTDC这样的新工具。看看今天的微机保护跟30年前的电磁、机电和集成电路原理的保护的差别，就能想象未来电力系统与当今电力系统的差别。而且，以当前的发展速度，电力电子化电力系统的形成用不了30年。按照规划，到2030年，欧洲新能源占比达到50%，美国30%，中国20%。实际速度可能会更快。电力电子技术在大电网的应用类似于当年的集成电路型保护向微机保护转换过程，期间一定会诞生一批具有历史地位的大师，一定会产生一批千亿规模的企业，一定会有颠覆性的运营和商业模式。所以，我们正处在一个“最好的时代”。

那么分布式智能电网作为一个新兴事物（明日之星？），它究竟应该具备哪些特质，哪些四梁八柱，哪些光明前景？欢迎一起探讨、研究、实践！

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