李士林

（廈門(mén)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén)361024）

1 引言

近年來(lái)，隨著電力行業(yè)的快速普及與發(fā)展，電能已經(jīng)滲透到生產(chǎn)、生活中的方方面面，電能在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)穩(wěn)定等方面占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行及電網(wǎng)提供的電能質(zhì)量就是社會(huì)運(yùn)行的必要保障，電網(wǎng)已經(jīng)成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公共事業(yè)。但隨著人們對(duì)電能需求量的逐漸增大及對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)電網(wǎng)的變革與更新已經(jīng)勢(shì)在必行。

智能電網(wǎng)是整合可持續(xù)再生能源并入中國(guó)發(fā)電行列，通過(guò)人工智能技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的自動(dòng)化調(diào)度，提升電網(wǎng)的自愈、兼容及抗干擾能力，維護(hù)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定及可靠性，利用信息、通信、自動(dòng)化、互動(dòng)等技術(shù)對(duì)發(fā)電、輸電、配電、供電及用電過(guò)程等流程實(shí)現(xiàn)信息化和數(shù)字化，使生活、生產(chǎn)更加便利。

2 智能電網(wǎng)的背景

2.1 國(guó)內(nèi)背景

如圖1 所示，在2010 年火力發(fā)電在中國(guó)的電力能源結(jié)構(gòu)占比73%，隨著國(guó)家大力提倡清潔能源的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用，在2019 年火力發(fā)電在電力能源結(jié)構(gòu)中已經(jīng)減至59%，同樣形成鮮明對(duì)比時(shí)新能源發(fā)電裝機(jī)容量，在2010 年時(shí)占總裝機(jī)容量的3%，而在2019 年占比已達(dá)20.6%。隨著清潔能源占比的不斷加大，如表1 所示，從2010—2019 年可再生能源裝機(jī)容量的增長(zhǎng)速度逐年增加，能源占比也在逐步增大。新的挑戰(zhàn)隨之而來(lái)，一方面是風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等清潔能源的發(fā)電量受到天氣、季節(jié)及地域等方面的限制，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行形成挑戰(zhàn)；另一方面利用清潔能源發(fā)電會(huì)形成分布式發(fā)電模式，在并網(wǎng)時(shí)會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量；最后隨著中國(guó)的華龍二號(hào)、三號(hào)等世界一流的核電技術(shù)的成熟，未來(lái)中國(guó)勢(shì)必會(huì)建立更多的核電站，這勢(shì)必會(huì)對(duì)中國(guó)的電網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)沖擊。這些都會(huì)影響傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)供電的安全、穩(wěn)定性及供電質(zhì)量。

圖1 中國(guó)電源結(jié)構(gòu)對(duì)比

表1 可再生能源的裝機(jī)容量及占比

所以傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級(jí)換代是必須的，智能電網(wǎng)就營(yíng)運(yùn)而生。中國(guó)對(duì)于智能電網(wǎng)的先期探索是從2009 年前后開(kāi)始的，經(jīng)過(guò)幾年的籌備，中國(guó)的第一條特高壓線路試運(yùn)營(yíng)成功，為中國(guó)打造智能電網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此，國(guó)家電網(wǎng)從實(shí)踐與國(guó)情出發(fā)提出建設(shè)具有中國(guó)特色的“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”計(jì)劃。

2.2 國(guó)外背景

2003-08-14 的美國(guó)、加拿大大停電事件，由于管理調(diào)度等原因造成大量的經(jīng)濟(jì)損失及數(shù)千萬(wàn)人受到影響；2003-08-28，由于英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)故障造成了倫敦市2 h 的停電事故，此次事故影響了50 萬(wàn)人的正常生活。上述事故的產(chǎn)生背后有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是電網(wǎng)在外力影響及突發(fā)事件的作用會(huì)造成電網(wǎng)的內(nèi)部電網(wǎng)系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，最終事故造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。

發(fā)達(dá)國(guó)家的電力行業(yè)雖然是比較發(fā)達(dá)的，但隨著不可再生能源的極限挖掘、新興的清潔能源的使用成為世界的潮流及用戶對(duì)于電力消費(fèi)的要求的提高，傳統(tǒng)的電網(wǎng)可能需要一次蛻變才能適應(yīng)世界的潮流及發(fā)展，所以電網(wǎng)的2.0 版本就適宜的出現(xiàn)了。

美國(guó)率先提出建設(shè)智能電網(wǎng)，美國(guó)能源部DOE（United States Department of Energy）在21 世紀(jì)初提出“智能電網(wǎng)”（Grid－Wise），美國(guó)的“智能電網(wǎng)”不太重視對(duì)基礎(chǔ)架構(gòu)的升級(jí)，最看重的是利用信息化來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化的智能電網(wǎng)；其次是歐洲，歐洲視智能電網(wǎng)為Smart Grid，歐洲更加現(xiàn)實(shí)，希望利用清潔能源的分布式發(fā)展進(jìn)行整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。

3 智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著“十三五計(jì)劃”收官之年的到來(lái)，智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)的日益成熟，在電網(wǎng)的運(yùn)行及控制方面，中國(guó)具有“統(tǒng)一調(diào)度”的社會(huì)主義體制優(yōu)勢(shì)和深厚的運(yùn)行、維護(hù)技術(shù)積累，電網(wǎng)的調(diào)度能力及水準(zhǔn)已達(dá)到國(guó)際一流。在發(fā)電環(huán)節(jié)能夠?qū)⑺堋⒊毕堋L(fēng)能及太陽(yáng)能等可循環(huán)使用的可再生能源發(fā)電站連接并入傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)之中，在輸電環(huán)節(jié)擁有超高壓和特高壓的直流、交流輸電技術(shù)，在變電環(huán)節(jié)擁有以智能自動(dòng)化、集成化、數(shù)字信息化為特點(diǎn)且處于國(guó)際領(lǐng)先地位的智能變電站[4]，在配用電環(huán)節(jié)掌握了配電自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)、分布式電源接入與微電網(wǎng)技術(shù)等。

2013-07，“德令哈50 MW 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站一期10 MW 工程”并入青海電網(wǎng)，這是中國(guó)首座大規(guī)模應(yīng)用的太陽(yáng)能發(fā)電站，這標(biāo)志著中國(guó)自主研發(fā)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)向商業(yè)化運(yùn)行邁出堅(jiān)實(shí)步伐，填補(bǔ)了中國(guó)沒(méi)有太陽(yáng)能光熱電站并網(wǎng)發(fā)電的空白，為中國(guó)建設(shè)并發(fā)展大規(guī)模應(yīng)用的商業(yè)化太陽(yáng)能熱發(fā)電站提供了強(qiáng)力的技術(shù)支撐與示范引領(lǐng)；坐落于上海南匯的柔性直流輸電項(xiàng)目在2011-10 完成建設(shè)并正式開(kāi)始運(yùn)營(yíng)；緊接著在2014-08，位于浙江舟山的五端柔性直流輸電工程項(xiàng)目完成并投入使用，這標(biāo)志著中國(guó)在柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域的又一大突破；2015-12，隨著廈門(mén)±320 kV 柔性直流輸電示范工程的正式投入運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著中國(guó)在高壓大容量直流輸電技術(shù)上處于世界一流水平；2019 年，國(guó)網(wǎng)遼寧電力圍繞電網(wǎng)運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)萬(wàn)物互聯(lián)，制定多類型能源的實(shí)時(shí)協(xié)同控制策略，建立以水火電調(diào)節(jié)為主、電蓄熱和電儲(chǔ)能為輔、風(fēng)光緊急調(diào)節(jié)的多能源協(xié)同發(fā)電控制系統(tǒng)。

綜上所述，隨著中國(guó)智能電網(wǎng)十?dāng)?shù)年的快速發(fā)展，中國(guó)智能電網(wǎng)取得了令全世界矚目的成就，電網(wǎng)終將建設(shè)成具有堅(jiān)強(qiáng)、智能兩大特征的國(guó)家電網(wǎng)乃至世界電網(wǎng)。

由于世界各國(guó)對(duì)于智能電網(wǎng)的理解與目的不同，所以智能電網(wǎng)在各個(gè)國(guó)家的出發(fā)點(diǎn)大不一樣。美國(guó)的智能電網(wǎng)比較重視智能配電環(huán)節(jié)與智能用電環(huán)節(jié)，主要包括智能電表、微電網(wǎng)及相應(yīng)需求等方面。為了發(fā)展智能電網(wǎng)，美國(guó)政府在2009-04 宣布開(kāi)發(fā)新的電力傳輸技術(shù)，為項(xiàng)目投資40 億美元[1]，波爾得（Boulder）位于科羅拉多州，是全美第一座智能電網(wǎng)城市[2]。

歐洲智能電網(wǎng)則主要在配電側(cè)，對(duì)新能源的消納上，他們講究綠色低碳比任何一個(gè)國(guó)家都強(qiáng)，他們還有對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的支持，芬蘭等幾個(gè)小國(guó)家力度不比中國(guó)弱。巴西和中國(guó)有點(diǎn)類似，能源分布不均，但沒(méi)中國(guó)強(qiáng)，遠(yuǎn)距離輸電和新技術(shù)的應(yīng)用都是主要部分。

4 智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 柔性直流輸電技術(shù)

在傳統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)時(shí)期，由于技術(shù)及設(shè)備的落后，在輸電配電環(huán)節(jié)只能采用交流電的配電方案，隨著直流技術(shù)的發(fā)展及直流輸電具有穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及低損耗等優(yōu)點(diǎn)，直流輸配電方案絕對(duì)是具有發(fā)展?jié)摿Φ呐潆姺绞健?/p>

柔性直流輸電技術(shù)是繼交流輸電技術(shù)和常規(guī)直流輸電技術(shù)之外的輸電技術(shù)，柔性直流輸電技術(shù)是以電壓源換流器為核心，并且是目前可控性、適應(yīng)性都極優(yōu)秀的輸電技術(shù)[3]。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)至關(guān)重要。

4.2 智能設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，傳感器技術(shù)快速發(fā)展，將傳感器應(yīng)用于智能變電站的各類電器一次設(shè)備的在線監(jiān)控已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。智能變電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控不僅能夠監(jiān)控各種電氣設(shè)備的狀態(tài)，還能根據(jù)大數(shù)據(jù)對(duì)電氣設(shè)備綜合評(píng)估并預(yù)防事故的發(fā)生。例如對(duì)斷路器的和監(jiān)控，不但能夠監(jiān)控?cái)嗦菲鲀?nèi)部的其他的密度及其密封性，還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)斷路器內(nèi)部觸頭構(gòu)的機(jī)械損耗情況。

4.3 自愈控制技術(shù)

智能電網(wǎng)的自愈控制技術(shù)指的是通過(guò)利用當(dāng)前能調(diào)用的所有電網(wǎng)資源，了解電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，并分析判斷當(dāng)前電網(wǎng)是否存在運(yùn)行隱患，對(duì)于正常運(yùn)行的電網(wǎng)適時(shí)采用優(yōu)化策略，而對(duì)于非正常狀態(tài)運(yùn)行下的電網(wǎng)及時(shí)進(jìn)行檢修等措施，對(duì)于可能產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象進(jìn)行遏制，減少人工操作，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)擾動(dòng)以及線路故障的影響最小化。

5 總結(jié)

智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)物，智能電網(wǎng)貫穿經(jīng)濟(jì)、能源、生活、國(guó)家安全等諸多方面，是社會(huì)穩(wěn)定的重要基石之一，同時(shí)智能電網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中也會(huì)遇到極強(qiáng)的挑戰(zhàn)，我們應(yīng)借鑒國(guó)內(nèi)外同行的成功經(jīng)驗(yàn)與吸取失敗的教訓(xùn)，為未來(lái)遇到更大挑戰(zhàn)做準(zhǔn)備。

智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)建設(shè)的最終目標(biāo)，也是“中國(guó)夢(mèng)”的重要助推力之一，智能電網(wǎng)的建設(shè)不是一朝一夕就能建設(shè)成功的，而是需要電力電器行業(yè)的工作者堅(jiān)持不懈奮斗的復(fù)雜工程。智能電網(wǎng)的建設(shè)不僅能夠把清潔能源的發(fā)電并入電網(wǎng)，而且能夠?yàn)樽冸姟⑤旊?、配電及用電過(guò)程提供數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化等便利；未來(lái)的電力系統(tǒng)能源消耗結(jié)構(gòu)清潔能源占比不斷加大；整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、安全，處理電力系統(tǒng)故障精確、方便、快捷。