城市電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，事關(guān)社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)民生。城市電網(wǎng)具有用電量大、負(fù)荷密度高、安全可靠和供電質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，其建設(shè)需要與城市建設(shè)緊密配合，同步實(shí)施，同時(shí)與環(huán)境協(xié)調(diào)，與景觀和諧。實(shí)現(xiàn)城市電網(wǎng)的智能化發(fā)展是現(xiàn)代城市電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的必然趨勢，也是城市電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)和管理者所追求的目標(biāo)。
隨著新能源的廣泛接入和智能電網(wǎng)的建設(shè)推進(jìn)，現(xiàn)代城市電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制手段、運(yùn)營模式、管理策略等方面正在發(fā)生巨大的變化。本文按照“物理?信息?高級應(yīng)用”技術(shù)架構(gòu)體系，主要從更友好的配用電設(shè)備、更靈活的城市電力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、更廣泛的ICT技術(shù)支撐、更綜合的規(guī)劃設(shè)計(jì)、更精細(xì)的系統(tǒng)分析評估、更高級的運(yùn)行控制以及更人性化的維護(hù)管理7個方面闡述現(xiàn)代城市電網(wǎng)智能化發(fā)展所涉及的新技術(shù)和新方法，并展望應(yīng)用于未來城市電網(wǎng)發(fā)展的新技術(shù)與發(fā)展方向。
城市電網(wǎng)智能化發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)
更友好的新型配用電設(shè)備
傳統(tǒng)城市電網(wǎng)智能化工作的開展重點(diǎn)關(guān)注低損耗、可靠性高、免維護(hù)的新型變壓器、開關(guān)等設(shè)備的應(yīng)用和升級，對國內(nèi)近二十年的城市電網(wǎng)建設(shè)改造和可靠性提升起到了非常重要的支撐作用?，F(xiàn)代城市生活對城市電網(wǎng)的低碳環(huán)保需求和不斷繁榮的現(xiàn)代科技，特別是通信和信息技術(shù)的發(fā)展，共同推動了城市電網(wǎng)配用電設(shè)備的更新?lián)Q代，設(shè)備的種類和設(shè)備的功能相比傳統(tǒng)電網(wǎng)正發(fā)生質(zhì)的飛越。
首先，世界范圍內(nèi)日益嚴(yán)峻的能源環(huán)境問題要求城市電網(wǎng)更加低碳，催生了現(xiàn)代城市電網(wǎng)中大量新元素的出現(xiàn)。例如，分布式光伏發(fā)電、小型風(fēng)機(jī)、微燃機(jī)、儲能、電動汽車等。其次，為適應(yīng)和管理上述設(shè)備的并網(wǎng)連接與可靠協(xié)調(diào)運(yùn)行，城市電網(wǎng)中電力電子裝置開始大量出現(xiàn)，城市電網(wǎng)呈現(xiàn)出電力電子化的發(fā)展趨勢。此外，計(jì)算機(jī)、電子、通信技術(shù)的快速發(fā)展也促使傳統(tǒng)城市電網(wǎng)設(shè)備的全面升級換代和大量新技術(shù)新設(shè)備的應(yīng)用，如智能變電站、配網(wǎng)潮流管理器、SOP軟開關(guān)等。
為支撐對各類分布式能源和靈活負(fù)荷的廣泛接入，未來的城市電網(wǎng)設(shè)備將沿著標(biāo)準(zhǔn)化即插即用接口、高度電力電子化、物理信息控制高度融合的方向發(fā)展。
更靈活的電力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是支撐整個城市電網(wǎng)智能化發(fā)展的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的城市電網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖弦话悴扇 伴]環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行”的建設(shè)運(yùn)行模式，以輻射狀交流供電為主。由于地理?xiàng)l件、地方政策、電網(wǎng)歷史沿革、負(fù)荷構(gòu)成、用戶要求等不同，世界范圍內(nèi)的城市電網(wǎng)表現(xiàn)出不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形態(tài)。未來城市電網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)形式將更多向環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和雙側(cè)電源結(jié)構(gòu)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)城市電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性和可靠性。
受分布式能源接入、ICT技術(shù)、電力電子技術(shù)等技術(shù)的推動，現(xiàn)代城市電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)形態(tài)上呈現(xiàn)出了多樣化的趨勢。以城市配電網(wǎng)為例，目前學(xué)術(shù)上討論的配電網(wǎng)形態(tài)包括傳統(tǒng)配電網(wǎng)（被動配電網(wǎng)）、有源配電網(wǎng)（主動配電網(wǎng)）、智能配電網(wǎng)、微電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)；按照電能的傳輸方式，包括直流配電網(wǎng)、交流配電網(wǎng)和交直流混合配電網(wǎng)的形式。其中最受關(guān)注的主要是微電網(wǎng)和有源（主動）配電網(wǎng)的概念。微電網(wǎng)和主動配電網(wǎng)均被認(rèn)為是未來智能配電網(wǎng)的重要組成部分，均存在交流、直流和交直流混聯(lián)3種傳輸模式。
除傳統(tǒng)配電網(wǎng)外，各種形態(tài)的電網(wǎng)形式均未形成固化的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模式，但各形態(tài)電網(wǎng)均要求未來城市電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)更加靈活主動，能夠依據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、用戶用電需求、系統(tǒng)故障等具體場景主動進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、開閉環(huán)運(yùn)行自由切換以及網(wǎng)絡(luò)自愈，保證系統(tǒng)故障時(shí)最小化停電范圍、系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)最大化運(yùn)行效率。
更綜合的城市電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)
規(guī)劃元素多樣化和與運(yùn)行深度耦合的特性給城市電網(wǎng)綜合規(guī)劃提出了新的挑戰(zhàn)和需求，未來城市電網(wǎng)規(guī)劃需要采取“主動規(guī)劃”的理念。需要對區(qū)域內(nèi)的分布式可再生能源資源的可利用能力進(jìn)行主動評估，主動規(guī)劃設(shè)計(jì)分布式可再生能源發(fā)電的接入點(diǎn)，主動評估城市電網(wǎng)對分布式電源的接納能力和最大負(fù)荷供應(yīng)能力，前瞻性的給出網(wǎng)絡(luò)解和非網(wǎng)絡(luò)解相結(jié)合的綜合規(guī)劃解決方案。
同時(shí)，為增強(qiáng)方案的可操作性和可實(shí)施性，規(guī)劃中還需要考慮規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行的完整性、統(tǒng)一性，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就充分考慮配電自動化、通信和配電管理系統(tǒng)對改善城市電網(wǎng)運(yùn)行性能所發(fā)揮的重大作用，協(xié)調(diào)統(tǒng)一地規(guī)劃建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)可靠的一次電網(wǎng)網(wǎng)架、深度協(xié)同的二次自動化系統(tǒng)與功能強(qiáng)大的智能決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三位一體式的協(xié)同規(guī)劃。
更精細(xì)化的城市電網(wǎng)分析評估
現(xiàn)代城市電網(wǎng)中由于多樣化分布式電源及多元化負(fù)荷的加入，其規(guī)劃運(yùn)行的不確定性大大增加，傳統(tǒng)基于單一靜態(tài)斷面的潮流分析和單項(xiàng)靜態(tài)指標(biāo)的分析評估模式已無法滿足現(xiàn)代城市電網(wǎng)規(guī)劃所需的細(xì)粒度詳盡分析的需要；傳統(tǒng)基于高比例不健全量測數(shù)據(jù)的狀態(tài)估計(jì)和參數(shù)辨識也無法支撐現(xiàn)代城市電網(wǎng)精細(xì)化運(yùn)行的需要。要求提供從單個設(shè)備、單條線路至區(qū)域電網(wǎng)整體，多場景的，單斷面靜態(tài)至?xí)r序多斷面動態(tài)的多維度精細(xì)化分析評估，也就是說現(xiàn)代城市電網(wǎng)的分析評估需要更加精細(xì)化。
城市電網(wǎng)的精細(xì)化分析評估主要體現(xiàn)在多時(shí)間尺度和多維度的精細(xì)化評估方面。（1）時(shí)間尺度方面，需要建立多時(shí)間顆粒度的時(shí)序分析體系(如時(shí)序潮流)，在有條件的情況下應(yīng)充分利用城市電網(wǎng)的高級量測體系所提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用分布式計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等高級數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)分析和精細(xì)化的結(jié)果輸出，以應(yīng)對現(xiàn)代電網(wǎng)日益增加的隨機(jī)性和不確定性。（2）多維度方面，則可以借鑒綜合評價(jià)的系統(tǒng)方法學(xué)理念，面向不同的分析評估目標(biāo)對象，構(gòu)建適宜的分析體系，給出全面的分析評估結(jié)果，既包括各關(guān)鍵點(diǎn)上的細(xì)致量化指標(biāo)結(jié)果，也包括各維度上的整體量化結(jié)果。
高度協(xié)調(diào)的城市電網(wǎng)運(yùn)行控制
大量分布式電源和靈活負(fù)荷的接入以及電力市場化的逐步深入，使得現(xiàn)代城市電網(wǎng)調(diào)的運(yùn)行控制不得不面臨著更多新的問題：
?。?）控制手段豐富，需要具備更全面的信息監(jiān)測和感知能力。
?。?）控制目標(biāo)復(fù)雜，需要具備全局協(xié)調(diào)優(yōu)化控制能力。
?。?）多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)，需要具備與其他能源網(wǎng)絡(luò)更高的互聯(lián)優(yōu)化運(yùn)行能力。
針對上述新問題和新需求，一些新的調(diào)度運(yùn)行控制方法已經(jīng)提出并且正處于不斷完善的過程中。例如，通過建立廣域量測和廣域閉環(huán)控制系統(tǒng)、應(yīng)用新型設(shè)備（如智能用電終端、智能電力電子變壓器、軟開關(guān)SOP等）、建立分層控制體系、建立電力市場運(yùn)營機(jī)制以及能源路由器（EnergyRouter）的出現(xiàn)，使得以城市電網(wǎng)為核心樞紐的綜合城市能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行成為可能。可以說，新技術(shù)新要素的出現(xiàn)在給現(xiàn)代城市電網(wǎng)的運(yùn)行控制提出新要求和新目標(biāo)的同時(shí)，也為城市電網(wǎng)的高級運(yùn)行和綜合優(yōu)化運(yùn)行提供了新的思路與方法。
更高效與人性化的維護(hù)管理
現(xiàn)代城市電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量龐大、設(shè)備的種類及其相互的關(guān)聯(lián)關(guān)系也日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工檢測、維護(hù)和檢修方式效率較低且由于人為因素而產(chǎn)生的不確定性較大，已經(jīng)不能滿足社會對城市電網(wǎng)安全高效可靠供電服務(wù)的要求。此外，海量設(shè)備的監(jiān)測和日常電網(wǎng)運(yùn)行的維護(hù)檢修也常常超過人類的工作負(fù)荷，有些高危工作還會給工作人員帶來危險(xiǎn)。因此，現(xiàn)代城市電網(wǎng)維護(hù)管理旨在：
?。?）圍繞提高供電可靠性和供電服務(wù)質(zhì)量，應(yīng)用智能化計(jì)算機(jī)技術(shù)，減少人工干預(yù)因素，建立標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)維管理體系，提高運(yùn)維管理率；
?。?）建立更加人性化的維護(hù)管理系統(tǒng)，減輕人工負(fù)荷和危險(xiǎn)系數(shù)，提高電網(wǎng)管理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。
為更加高效智能的管理維護(hù)城市電網(wǎng)的設(shè)備及其運(yùn)行，全面提升城市電網(wǎng)供電可靠性和供電服務(wù)水平，圍繞“設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測-設(shè)備狀態(tài)評價(jià)-設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化維護(hù)管理”的許多新技術(shù)和新方法正不斷涌現(xiàn)。
更廣泛的信息技術(shù)支撐
信息通信技術(shù)（Information and Communication Technology，ICT）是通信服務(wù)、信息服務(wù)及相關(guān)應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，基于靈活可靠的數(shù)據(jù)交互傳輸和高效智能的數(shù)據(jù)分析共享，ICT技術(shù)正使城市電網(wǎng)向數(shù)字化、信息化和智能化的方向不斷發(fā)展。ICT技術(shù)對城市電網(wǎng)智能化的支撐主要體現(xiàn)在（1）提升城市電網(wǎng)的可觀性；（2）支撐城市電網(wǎng)高級配用電業(yè)務(wù)的開展。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展和城市電網(wǎng)智能化的深入，現(xiàn)代城市電網(wǎng)的物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)呈現(xiàn)出更加深度融合的趨勢，開展對城市電網(wǎng)CPS系統(tǒng)的模型建模、耦合特性分析、聯(lián)合運(yùn)行仿真和協(xié)調(diào)優(yōu)化規(guī)劃等將成為未來城市電網(wǎng)ICT技術(shù)層面的研究重點(diǎn)。
為便于理解，將傳統(tǒng)城市電網(wǎng)與現(xiàn)代城市電網(wǎng)的特征對比總結(jié)如表1所示：
表1現(xiàn)代城市電網(wǎng)和傳統(tǒng)城市電網(wǎng)對比
結(jié)論
城市電網(wǎng)的智能化是數(shù)學(xué)物理理論、材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、電力電子技術(shù)等各個科技領(lǐng)域發(fā)展的綜合體現(xiàn)。智能化的城市電網(wǎng)通過應(yīng)用各種先進(jìn)的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的數(shù)字化、信息化、自動化和智能化，并最終實(shí)現(xiàn)城市電網(wǎng)與用戶間的互動，以滿足未來各種關(guān)鍵的技術(shù)需求。
未來城市電網(wǎng)展望
基于大數(shù)據(jù)的城市電網(wǎng)智能化技術(shù)
城市電網(wǎng)的智能化發(fā)展伴隨而來的是數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)種類的爆發(fā)式增長，現(xiàn)代城市電網(wǎng)的數(shù)據(jù)已經(jīng)具備了大數(shù)據(jù)的一些典型特征。在未來，傳統(tǒng)方法將無法承載和消化如此龐大規(guī)模的城市電網(wǎng)數(shù)據(jù)，需要應(yīng)用大數(shù)據(jù)思維解決數(shù)據(jù)的融合、儲存、分析和處理。未來大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用主要面臨多元、異構(gòu)的數(shù)據(jù)集成，高速度精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)安全等方面的問題。
以城市電網(wǎng)為樞紐的綜合能源系統(tǒng)
建立綜合能源系統(tǒng)，綜合實(shí)現(xiàn)多種能源的高效生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)化與消費(fèi)是實(shí)現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的趨勢。未來的城市電網(wǎng)必將作為未來綜合能源系統(tǒng)的核心紐帶。為支撐綜合能源服務(wù)系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)代城市電網(wǎng)的建設(shè)運(yùn)行還將面臨以下2方面所需要解決的問題：
（1）規(guī)劃建設(shè)階段，如何考慮不同種類能源的特征和實(shí)際運(yùn)行時(shí)不同需求場景條件協(xié)調(diào)規(guī)劃建設(shè)各自的能源網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化布置電網(wǎng)與各能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化接口。
（2）實(shí)際運(yùn)行階段，根據(jù)用戶對不同能源的消費(fèi)需求如何協(xié)調(diào)控制各種能源的生產(chǎn)速率、轉(zhuǎn)化比例和傳輸容量。
