智能电网教育的模块化及体系构建探讨

    游义刚 张志刚

    

    摘? 要 随着智能电网技术和电力市场的深入发展，电力产业在发电、输电、配电和用户等各个环节都发生革命性的变化。智能电网是未来电力系统的载体，对专业人才的培养有更高层面的要求，如何制定适应我国国情的教育模式是专业技术人才培养的关键。分别从技术层面和功能实现对智能电网实行模块化教学的可行性进行探讨，提出智能电网教育体系构建的初步设想。

    关键词 智能电网;人才培养;模块化教学;教育体系;智能电网信息工程

    Abstract With the development of smart grid technology and power market， the power industry has undergone revolutionary changes in power generation， transmission， distribution and users. Smart grid is the carrier of power system in the future. It has higher requirements for the professional personaltraining. How to formulate an educa-tion model adapted to Chinese national conditions is the key to the training of professional and technical person. This paper will discuss the feasibility of modular teaching of smart grid from the technical level and functional realization， and finally put forward the prelimi-nary idea of building smart grid education system.

    Key words smart grid; personnel training; modular teaching; educa-tion system; smart grid information engineering

    1 引言

    近年來，随着智能电网技术和电力市场的深入发展，电力产业在发电、输电、配电和用户等各个环节都发生革命性的变化。越来越多的新技术和新设备，如电力电子新装置、有源配电网技术、数字式保护的协调和监控等，以及可再生新能源的微电网技术，对传统电力系统建模与控制提出挑战。

    智能电网对专业人才的培养有更高层面的要求，除了智能电网的专业技术，还需要学习设备制造、资产优化、数据管理、政策和协议开发等知识[1]。此外，智能电网也需要在通信控制、信息安全、决策支持、计算机智能技术等领域开展学习和研究[2]。

    与传统的电力系统相对而言，智能电网从概念之初就带着横跨多个学科、综合多项技术的显著特点，这决定了其对应的知识体系是以电力工程为基础，交叉融合了信息工程、通信工程、计算机工程、控制科学等多个学科，其核心技术将涉及电网状态信息感测、大数据分析技术、决策控制理论、交互式信息处理与通信、新能源微网技术等领域。因此，针对电网新技术的发展趋势，急需构建足以支撑其理论体系的智能电网教育模式。

    近十年以来，国内外许多大学对智能电网进行课程设置和建设且卓有成效。例如，美国华盛顿州立大学开设了“新型智能电网的关键基础设施安全”，佛罗里达国际大学开设了“智能电网的网络安全”，北卡罗来纳州立大学开设了“智能电网通信与SCADA系统”等[3]，这些课程均紧跟智能电网的发展趋势，对其技术应用或深入研究都起到保证作用。

    在我国，从2010年开始，教育部就将“智能电网信息工程”列入本科院校特设专业目录，归属于电气类专业。华北电力大学（北京）、南京理工大学、电力科技大学等20多所高校已开设该专业[4]，其他高校则在原有的电气工程类专业中增设智能电网专业课程。

    智能电网的建设是一个复杂的、长期的过程，如何建立与其适配的人才培养体制是值得每个教育工作者深思的问题。除了上述提及的将现有高校资源作为智能电网技术教育的主要平台以外，还应对电力系统现有技术人员、管理人员等加强新技术的再教育和培训。通过积极调动社会各界的力量，采取多种方式加强人才培养工作[5]，从而促进智能电网教育的发展步伐与我国智能电网的建设速度相适应。

    智能电网是未来电力系统的载体，制定适应我国国情的教育模式是专业技术人才培养的关键。本文将分别从技术层面和功能实现对智能电网实行模块化教学的可行性进行探讨，最后提出智能电网教育体系构建的初步设想。

    2 技术层面的模块化

    除了包含电力系统相关技术，智能电网还涉及通信、控制、决策、计算机等学科，其关键技术可划分为五个技术模块：电力设备技术模块、传感计量与量测模块、通信技术模块、信息管理技术模块、决策与控制理论模块。

    智能电网的构建将依赖多项基础技术的发展、推广和应用[6]。五个关键技术模块之间并没有很强的关联，可以分别嵌入相应的专业课程中学习，建议各模块可围绕主要知识点确定难度和范畴。

    电力设备技术模块? 坚强电网是智能电网的基础，而构建坚强电网需立足于广泛应用先进的电气设备和技术支持。在该模块中，可主要针对电力电子技术、可再生能源技术、高效储能技术、输配电技术展开学习。

    传感、计量与量测技术模块? 该模块与通信模块共同构成SCADA系统，是智能电网设备监控和数据通信的底层平台。正确理解电源、电网和用户三者的技术特点和不同要求，是学习和掌握好该技术模块的关键。

    通信技术模块? 建立实时、高速的通信系统是实现智能电网的基础。通信技术是现代工科专业必须掌握的基本理论之一，对该模块的学习应结合电力系统的应用环境，如强磁干扰、电磁兼容等特点，理解智能电网中实现开放数据通信架构和统一技术标准的途径。

    信息管理技术模块? 作为一种成熟的计算机应用技术，信息管理系统提供了一个人机互动的智能电网可视化平台。该模块主要内容包括信息采集与处理、信息分析、信息集成、信息显示以及信息安全。

    决策与控制理论模块? 决策理论和自动控制技术是智能电网“聪明”程度的体现。一方面需要懂得如何实现潮流分析、负荷预测、安全稳定计算等传统电力技术实时性的提升;另一方面可将智能电网作为复杂系统进行仿真、建模，通过对最新人工智能技术的合理利用，掌握对其展开电力规划和开发的技术手段。

    3 功能实现的模块化

    根据电力系统的发电、输电、配电和用电四个环节，可将智能电网划分为六个功能模块：智能电网控制中心模块、智能分布式电源系统模块、智能变电站模块、智能线路模块、智能保护系统模块、智能需求侧管理系统模块。各模块的关系组成如图1所示。

    我国的智能电网包含电力系统的发电、输变电、配电、用电和调度等环节，具有自动化、数字化、信息化的智能技术特征[7]。以长距离、大容量输变电网为基础的坚强电网，通过智能技术的支撑，在各级电网协调发展的网架结构下，提供新能源和分布式电源的灵活接入方式，从而构建统一规划、协调建设的坚强的智能电网。所以，从电源侧、电网侧和用户侧可将智能电网划分为六个功能模块，其中电源侧包含智能分布式电源系统模块;用户侧包括智能需求侧管理系统模块;电网侧包含两大类功能模块：一是通过智能电网控制中心模块实现从发电到用电各环节的调度功能，二是以智能变电站模块、智能线路模块和智能保护系统模块共同实现输、变、配电功能。

    由图1可见，智能电网各功能模块主要围绕电力系统展开，因此建议在电力专业课程中增设相关模块内容，其主要知识点可参考以下范围。

    1）智能电网控制中心模块。该模块是实现智能电网统一调度的关键，包含能源管理系统EMS、配电管理系统DMS、数据采集与监控系统SCADA、虚拟电厂等技术，因此，要求掌握好这几个系统的组建技术、功能实现和应用场景。

    2）智能分布式电源系统模块。准许不同类型的电源或储能设备接入是智能电网开放性的特征表现，因此，对于互联标准需要有所了解，而各种新能源的接入方式及对电网可靠性和质量的影响也值得深入学习和研究。

    3）电网模块。该模块包括智能变电站模块、智能线路模块和智能保护系统模块，变电站和电力线路是输变电系统的基本元件，需要学习了解其在智能电网环境下的新设备和新技术，对智能保护系统的学习应侧重于其及时准确地配合电网运行的技术手段。

    4）智能需求侧管理系统模块。该模块针对用电环节的新设备和新技术，可重点关注智能终端体系和微网技术，前者是以智能电网、远程通信和智能电网数据管理构建的系统，后者是对分散式电源、负荷及相关的监控保护设备构成的小型发电、供配电系统，作为智能电网的终端，既能并入大电网运行，也能实现孤岛运行。

    4 体系构建设想

    面向智能电网的教育培养方案需要在传统电力专业技术的基础上，辅以通信技术、电力电子、自动控制技术、决策理论等学科平台，以夯实电气类专业人才的智能电网知识结构，从而适应我国智能电网的建设要求[8]。因此，智能电网作为电力系统发展的方向，构建一套适配的专业课程体系是极为重要的。在该体系中，不仅需要对成熟的理论技术展开学习，还需要定期跟踪引入最新的研究领域、分析工具和技术发展路径等。

    从上文的技术模块分析可知，智能电网是跨学科、跨专业的知识体系，除了电气知识，还涉及通信理论、最优化控制、动态决策等技术。从功能模块的设置来看，智能电网是与电力系统发电、输电、配电和用电各环节对应的新设备和新技术的应用体系。传统的电力系统课程内容主要包括电能的传输、利用及管理，高电压技术，电力电子技术，自动控制系统等，以及相关的其他跨学科内容，如远程通信、计算机技术等。

    为适应智能电网的发展需求，新构建的智能电网教育体系还应该包括数字化控制理论、电力系统动态稳定性分析、电能质量及信号分析、输配电硬件新设备、电力系统保护新技术、可靠性分析及风险评估、电力市场及规划等。通过对内容范围和深度的选择，该知识体系既可面向高校电气类学生提供智能电网的专业学习，也可作为电力系统相关技术工作人员的智能电网教育培训。

    如对智能电网教育体系继续深化，以满足电网构架设计等更高层次的需求，则在智能电网教育体系构建中还应包括以下关键内容：

    1）实时量测技术及应用工具;

    2）可再生能源及储能技术;

    3）考虑不确定性的电网规划及运行;

    4）智能电网性能评价体系;

    5）复杂系统建模仿真技术;

    6）最新优化技术;

    7）基于智能电网的电力市场系统等。

    5 结语

    作为电力产业的发展方向，智能电网势必对电力教育机制产生巨大影响，并对人才培养提出多方面的需求。本文旨在抛砖引玉，浅析适应于我国现阶段智能电网发展步伐的教育体系构建方案，以尽电力教育工作者之责任。

    参考文献

    [1]Heydt G T， Kezunovic M， Sauer P W， et al. Pro-fessional Resources to Implement the Smart Grid[M]//NAPS Power Sysposium.2009.

    [2]Momoh J A. Fundamentals of Analysis and Computa-tion for the Smart Grid[M]//IEEE PES General Meeting.2010.

    [3]孔玲玲，高飛，陈剑培，等.电气工程专业智能电网课程设计[J].云南大学学报：自然科学版，2019，41（S1）：33-38.

    [4]王晓雷，张吉涛，刘玉翠，等.智能电网信息工程专业复合型人才培养与实施方案研究[J].教育教学论坛，2018（9）：244-245.

    [5]宋丽，赵兴勇，晋鹏娟，等.智能电网评估体系构建及教育培养模式规划研究[J].中国电力教育，2013（14）：207-208，210.

    [6]林宇锋，钟金，吴复立.智能电网技术体系探讨[J].电网技术，2009，33（12）：8-14.

    [7]张文泉.智能电网建设与人才教育培养[J].中国电力教育，2009（15）：264-266.

    [8]王忠，张惠刚，杨志超.智能电网各环节与电气类本科人才培养[J].中国科教创新导刊，2012（29）：182-183.