智能電網(wǎng)（電力物聯(lián)網(wǎng)）研究設(shè)想

人類近兩百年的高速發(fā)展，以煤、石油、天然氣為燃料，現(xiàn)在看來不久它們將被耗盡，因此近年來人類加速了核能、水能、風(fēng)能、日光能、生物能等新能源的研究與利用；同時，也發(fā)現(xiàn)能源浪費(fèi)嚴(yán)重，因此在開源的同時也要節(jié)流。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)是電流從發(fā)電廠，經(jīng)輸電、配電，流向用戶的一種能量網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)電與用電之間沒有能量的緩存，往往是按照用電的峰值發(fā)電，而實(shí)際利用效率低下，且不安全。

據(jù)美國的研究，美國現(xiàn)實(shí)電網(wǎng)資產(chǎn)的利用系數(shù)約為55%，其中占整個電網(wǎng)總資產(chǎn)75%的配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率更低，年平均載荷率僅約44%，浪費(fèi)了大量的固定資產(chǎn)投入。調(diào)查表明：我國目前10kV配電資產(chǎn)利用率比美國還低。多數(shù)城市10kV配電線路和變壓器的年平均載荷率低于30%；在電網(wǎng)出現(xiàn)一個主要元件故障后還可保證安全的條件下，峰荷時的線路載荷率全部在50%以下。

也據(jù)美國的研究，插電式的混合動力汽車（PHEVs）是一儲備電能的好例子。美國預(yù)計它的推廣應(yīng)用“將每日減少石油消耗620萬桶，占目前進(jìn)口量的52%”。在節(jié)省成本、改善環(huán)境的同時，可在每天的非高峰負(fù)荷時間充電，而在用電高峰期對電網(wǎng)提供支持，起到削峰填谷的作用。因此，近年世界各國加強(qiáng)了電動汽車的研究，以此技術(shù)來發(fā)展交通，既減少了電能的浪費(fèi)，又節(jié)約了石油資源，且減少了環(huán)境的污染，真是一舉多得。

除了上述用儲備電能來提高電網(wǎng)的利用率而外，近年國內(nèi)外也開展了智能電網(wǎng)的研究，所謂智能電網(wǎng)就是要在傳統(tǒng)電網(wǎng)之上，建設(shè)傳感和信息網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時感知發(fā)電、輸電、配電、用電的所有元件的工作信息，然后計算分析，并控制它們，使電網(wǎng)能自愈、高效、包容、魯棒、環(huán)保地運(yùn)行，從而維持即時供需平衡。如此實(shí)施智能電網(wǎng)建設(shè)，必然會減少電能損失、增強(qiáng)電網(wǎng)的安全，也必然會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

在電力專家探索解決電網(wǎng)的低效的同時，數(shù)學(xué)家也以“動力系統(tǒng)”的模式在研究電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型。比如我國在討論數(shù)學(xué)科學(xué)與其它學(xué)科的交差研究時，楊樂教授發(fā)表的“數(shù)學(xué)是科學(xué)發(fā)展的基石”中，就簡述了“每個發(fā)電廠的生產(chǎn)過程都可以用微分方程組來描述，用高階代數(shù)方程作為它的約束條件”，“這是很復(fù)雜的微分方程組，不可能求出精確解，只能求數(shù)字解。粗看雖然是能源問題，但涉及到復(fù)雜的偏微分方程組、計算數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、控制論以及幾何學(xué)等多方面的數(shù)學(xué)問題”，也就是我國數(shù)學(xué)家也在研究電網(wǎng)的數(shù)學(xué)問題。

2010年1月，中國工程院19位院士及13位專家會議，討論了物聯(lián)網(wǎng)，得出“物聯(lián)網(wǎng)：互聯(lián)網(wǎng)在重要領(lǐng)域的應(yīng)用”的論斷，而重要領(lǐng)域范圍寬廣，其中也包含電力這個重要的領(lǐng)域，也就是要開展電力物聯(lián)網(wǎng)研究。

上述這些使我們看出，關(guān)于解決電網(wǎng)利用效率低下的問題，多方面已經(jīng)展開研究，但到底采用怎樣的研究才有利于問題的解決呢？我覺得參考美國上世紀(jì)90年代進(jìn)行的高性能計算與通信研究的思維，也就是交差研究的思維為好。

那時，美國經(jīng)過數(shù)以千計的科學(xué)家討論、篩選，認(rèn)為“中長期天氣預(yù)報”，“全球氣候變化研究”，“大氣污染研究”，“地球物理勘探”，“空氣動力學(xué)模擬”，“新飛行器和武器系統(tǒng)研制”，“分子、原子、粒子結(jié)構(gòu)探索”，“生物大分子理解”，“新材料的設(shè)計與新藥劑的研制”等問題對國家及社會的發(fā)展至關(guān)重要，它們是“重大的挑戰(zhàn)問題”，需要各行業(yè)的專家、應(yīng)用數(shù)學(xué)家、計算機(jī)科學(xué)家和工程師，聯(lián)合攻關(guān)解決上述這些問題，以促進(jìn)人類社會進(jìn)步。為此，1991年美國開展了“高性能計算及通信計劃”，該研究也認(rèn)為，計算已發(fā)展成為與實(shí)驗(yàn)、理論相并列的第三種科學(xué)研究方法，在不少領(lǐng)域計算已取代了實(shí)驗(yàn)，而且隨著計算機(jī)硬件、軟件及算法的進(jìn)步，這種趨勢還會加強(qiáng)。

也就是說，我們需要以“電力專家、應(yīng)用數(shù)學(xué)家、計算機(jī)科學(xué)家和工程師，聯(lián)合攻關(guān)”的辦法，并要更多地利用計算的思維，來解決電網(wǎng)的各種問題，也就是要利用互聯(lián)網(wǎng)加傳感網(wǎng)在電力領(lǐng)域更智慧應(yīng)用的思維來研制智能電網(wǎng)。具體的辦法是：1、研制能夠很好感知發(fā)電、輸電、配電、用電的所有電網(wǎng)元件工作情況的電力傳感器及網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)工作的實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時感知；2、用互聯(lián)網(wǎng)加傳感網(wǎng)技術(shù)，將上述感知信息實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時地收集到信息中心并保存；3、對所收集的信息，依據(jù)電網(wǎng)自愈、高效、包容、魯棒、環(huán)保地運(yùn)行等原則進(jìn)行科學(xué)的數(shù)學(xué)分析，得出對電網(wǎng)優(yōu)化或比較優(yōu)化控制的決策；4、研究并改進(jìn)電網(wǎng)的控制功能，再依據(jù)3的決策對電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時控制，以提高電網(wǎng)的運(yùn)行效果。

反復(fù)實(shí)施上述過程，逐步改進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)行管理的信息化水平，逐步使電網(wǎng)從比較盲目的狀態(tài)，發(fā)展、改進(jìn)到比較智慧的狀態(tài)，也就是逐步智能化的狀態(tài)。

我國電網(wǎng)很大，難于實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)智能化，因此發(fā)展分布式電網(wǎng)，在子電網(wǎng)智能化基礎(chǔ)之上，再發(fā)展全局智慧控制是科學(xué)的辦法。下面是所設(shè)想研究的圖示。

美國電科院在2004年對其后20年在美國實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)成本所作的初步估算（以2002年美元的價值計）是，總成本為1650億美元（其中輸電占380億美元，配電和用戶參與占1270億美元），效益為6380億~8020億美元，效益與成本比為4：1~5：1。從上述投入為1，產(chǎn)出為4到5看出，我國實(shí)施智能電網(wǎng)研究與建設(shè)，是完全值得的。我國從上世紀(jì)90年代實(shí)施信息化以來，已有20余年信息化研究及發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，加之近10年傳感及控制的研究，已經(jīng)完全具備了實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)、或電力物聯(lián)網(wǎng)的研制能力，因此我們應(yīng)解決電網(wǎng)問題了。

參考資料：
1、面向21世紀(jì)的智能電網(wǎng)，余貽鑫、欒文鵬，《科學(xué)時報》2010-9-6；
2、數(shù)學(xué)是科學(xué)發(fā)展的基石，楊樂，《科學(xué)時報》，2010-11-26；
3、物聯(lián)網(wǎng)：互聯(lián)網(wǎng)在重要領(lǐng)域的應(yīng)用，中國工程院，2010年1月13日；
4、美國“高性能計算及通信計劃”，1991年；
5、中國聯(lián)通長途計費(fèi)系統(tǒng)新技術(shù)研究，中信通信，1999年。