智能電網(wǎng)中電力設(shè)備及其技術(shù)發(fā)展

張世偉

（許昌學(xué)院，河南 許昌 461000）

近些年來(lái)隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，當(dāng)前電網(wǎng)行業(yè)中智能電網(wǎng)的應(yīng)用也變得越來(lái)越普遍，更得到了全球范圍的認(rèn)可與重視。作為一種智能信息技術(shù)與電網(wǎng)建設(shè)技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)類(lèi)型，其不但包括了自動(dòng)控制、分析決策以及能源電力專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)完整電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一。目前，我國(guó)的智能電網(wǎng)還處于相對(duì)初級(jí)的階段，無(wú)論是在建設(shè)質(zhì)量，還是覆蓋率等方面，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家都存在一定的差異。為了進(jìn)一步提升我國(guó)智能電網(wǎng)電力設(shè)備的發(fā)展水平，本文就當(dāng)前國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀分析如下。

基金項(xiàng)目：許昌學(xué)院校內(nèi)科研基金項(xiàng)目（2017YB012）

1 國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)的側(cè)重與區(qū)別

國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)的發(fā)展都是以“環(huán)境、力度、速度”3個(gè)主要方面作為發(fā)展驅(qū)動(dòng)力來(lái)逐步開(kāi)展，但是在發(fā)展過(guò)程中卻出現(xiàn)了一些差異，以美國(guó)、日本和中國(guó)為例，簡(jiǎn)要分析國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)的側(cè)重與區(qū)別。

美國(guó)的電網(wǎng)環(huán)境屬于側(cè)重于快速上升以及全面競(jìng)爭(zhēng)力的電力市場(chǎng)關(guān)系，在該電網(wǎng)環(huán)境的影響下，美國(guó)的智能電網(wǎng)重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，關(guān)注的是用戶(hù)側(cè)以及配電智能設(shè)備兩個(gè)層面的智能特征。隨著美國(guó)“grid2030”智能電網(wǎng)規(guī)劃工作的陸續(xù)開(kāi)展，當(dāng)前美國(guó)的智能電網(wǎng)也逐漸形成了圍繞著智能電表、智能終端以及智能配電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)能和超導(dǎo)特性，再加上需要滿(mǎn)足風(fēng)能、太陽(yáng)能以及生物質(zhì)能等可持續(xù)發(fā)展能源的要求，所以選擇了可再生能源以及新能源的接入。在智能變電站以及配電網(wǎng)絡(luò)的自由控制等方面，日本顯然更具優(yōu)勢(shì)，其不但建設(shè)了大規(guī)模的太陽(yáng)能新能源開(kāi)發(fā)與控制設(shè)備，同時(shí)也在不斷強(qiáng)化新能源產(chǎn)業(yè)的布局，在這方面的智能電網(wǎng)構(gòu)建效果也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。結(jié)合目前我國(guó)的智能電網(wǎng)的建設(shè)情況來(lái)看，由于我國(guó)的能源長(zhǎng)期處于傳統(tǒng)能源為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了智能電網(wǎng)更加側(cè)重于高電壓輸變電以及雙向互動(dòng)的發(fā)展需求，以此來(lái)適應(yīng)電力市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)性改革，從而有效推進(jìn)電力設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展，如智能電表系統(tǒng)就是雙向通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成果之一。

2 智能電力設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

智能電力設(shè)備的發(fā)展具有一些階段性的特征，而不同的發(fā)展方面應(yīng)用也存在較大的區(qū)別，現(xiàn)嘗試從以下幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行闡述。

2.1 發(fā)電方面

智能電網(wǎng)的建設(shè)涉及電氣設(shè)備的發(fā)電智能化，其主要通過(guò)可再生能源的電量轉(zhuǎn)換以及可靠性來(lái)提升智能電網(wǎng)的整體建設(shè)水平。

（1）新能源發(fā)電設(shè)備。新能源發(fā)電設(shè)備以及分布式發(fā)電設(shè)備是當(dāng)前智能電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展中主要應(yīng)用的技術(shù)設(shè)備類(lèi)型，包括燃料電池、微型燃?xì)廨喸O(shè)備、光伏發(fā)電設(shè)備和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等多種類(lèi)型，此外，生物質(zhì)能發(fā)電設(shè)備以及地?zé)岚l(fā)電設(shè)備也是目前行業(yè)發(fā)展的主要側(cè)重點(diǎn)之一。

（2）智能保護(hù)與控制設(shè)備。智能保護(hù)與控制設(shè)備的選擇對(duì)于提升智能電網(wǎng)的整體建設(shè)質(zhì)量具有良好的促進(jìn)作用，如常用到的數(shù)字型保護(hù)繼電器、分布式變換器、動(dòng)態(tài)分布式電力控制器等都屬于這個(gè)類(lèi)別的設(shè)備范疇。

（3）大容量?jī)?chǔ)能設(shè)備。大容量?jī)?chǔ)能設(shè)備主要包括高能轉(zhuǎn)換設(shè)備以及蓄電池、超導(dǎo)儲(chǔ)能以及飛輪儲(chǔ)能等多種電池類(lèi)型，其中高效二次電池也是大容量?jī)?chǔ)能設(shè)備的主要選擇類(lèi)型之一。

（4）分布式發(fā)電系統(tǒng)。分布式發(fā)電系統(tǒng)中會(huì)設(shè)置多個(gè)功率調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的逆變器，其不但可以通過(guò)功率轉(zhuǎn)換的方式來(lái)對(duì)多種設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)還可以對(duì)多個(gè)逆變器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而有效提升功率的高性能特征，有效體現(xiàn)出能源傳輸?shù)姆€(wěn)定性?xún)?yōu)勢(shì)。此外，通過(guò)與大功率并網(wǎng)逆變器、電網(wǎng)連接設(shè)備、燃料電池和電能輸出設(shè)備的集合，能夠提升智能集成功率變流器的智能控制效果，以更好的應(yīng)對(duì)不斷發(fā)展的智能化電網(wǎng)建設(shè)需求。

2.2 輸電方面

（1）FACTS技術(shù)與設(shè)備。柔性交流電技術(shù)是基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展而來(lái)的電力技術(shù)之一，其不但可以在智能電力設(shè)備輸電部分取得良好的應(yīng)用，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電系統(tǒng)的參數(shù)控制，還可以根據(jù)其變化情況對(duì)其進(jìn)行靈活的適時(shí)控制，從而有效完善輸送功率的合理分配工作，確保功率損耗與發(fā)電成本的匹配，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與整體可靠性。當(dāng)前我國(guó)在使用的FACTS裝置高達(dá)十幾種類(lèi)型，除了常規(guī)的靜止無(wú)功補(bǔ)償器之外，還有靜止快速勵(lì)磁器、統(tǒng)一潮流控制器、可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器等多種類(lèi)型。近些年來(lái)，隨著我國(guó)FACTS技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前該技術(shù)在日本、瑞典、巴西等重要國(guó)家都開(kāi)始全面普及，而其中一些國(guó)家在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域取得了顯著的成果。盡管FACTS技術(shù)無(wú)法覆蓋所有的技術(shù)層面，其在大多數(shù)情況下還會(huì)局限于一些局部特征，但是其在協(xié)調(diào)配合方面的效果依然值得肯定。由于FACTS裝置與常規(guī)的控制、繼電保護(hù)工作存在銜接方面的問(wèn)題，所以該部分需要進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化。

（2）HVDC技術(shù)與設(shè)備。HVDC技術(shù)設(shè)備是高壓直流輸電技術(shù)的主要應(yīng)用途徑之一，其通過(guò)將交流電經(jīng)過(guò)換流閥轉(zhuǎn)換成為直流電，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)直流輸電線(xiàn)路的交互，這在提升電路的穩(wěn)定性與輸送更高質(zhì)量的電流方面具有不錯(cuò)的應(yīng)用效果。從技術(shù)層面上來(lái)看，HVDC當(dāng)中有輕型直流輸電系統(tǒng)，該技術(shù)在海上風(fēng)力發(fā)電等新能源領(lǐng)域應(yīng)用得十分廣泛，由于可以免除換相的步驟，所以可以顯著提升系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)抵御能力，也在一定程度上降低了受托系統(tǒng)的容量要求。城市配電系統(tǒng)當(dāng)中HVDC技術(shù)與設(shè)備的應(yīng)用也可以取得良好的控制，所以該技術(shù)在整個(gè)智能發(fā)電系統(tǒng)中都占據(jù)著重要地位。

（3）超導(dǎo)技術(shù)與設(shè)備。超導(dǎo)技術(shù)與設(shè)備是美國(guó)智能電網(wǎng)規(guī)劃過(guò)程中的重要組成部分，同時(shí)也是我國(guó)未來(lái)智能電網(wǎng)建設(shè)的主要側(cè)重點(diǎn)之一。從技術(shù)應(yīng)用層面上看，超導(dǎo)技術(shù)能夠有效降低線(xiàn)組，降低高壓輸電成本的同時(shí)，也可提升輸電的穩(wěn)定性。但是受到技術(shù)層面的限制與發(fā)展穩(wěn)定性的約束，當(dāng)前該技術(shù)依然處于試驗(yàn)和研發(fā)階段，能被廣泛的應(yīng)用于智能電網(wǎng)還需要一定時(shí)間。

2.3 變電方面

變電方面的控制是智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)，隨著變電站在網(wǎng)絡(luò)信息交互共享方面的建設(shè)水平不斷提升，當(dāng)前建立電力企業(yè)大信息平臺(tái)也逐漸成為眾多智能電網(wǎng)建設(shè)的新選擇。目前，數(shù)字化變電站主要由智能化一次設(shè)備、二次設(shè)備以及通信協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)所組成，所以不同的設(shè)備之間，采用電纜連接后，可以實(shí)現(xiàn)電子式互感器的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)通信平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，這樣一來(lái)變電站就可以輕松完成自動(dòng)化的信息采集、測(cè)量，甚至控制與保護(hù)，隨時(shí)對(duì)功能進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)和在線(xiàn)分析，這對(duì)提升協(xié)同的互動(dòng)性也具有一定作用。此外，相鄰的變電站以及電網(wǎng)調(diào)度的互動(dòng)，也是變電站的主要控制策略。

2.4 配電方面

配電方面，智能電網(wǎng)當(dāng)中的配電主要以高級(jí)自動(dòng)化配電來(lái)完成，其可以適應(yīng)一般的分布式電源與柔性配電設(shè)備的接入要求，同時(shí)也滿(mǎn)足雙向流動(dòng)配電網(wǎng)的一般監(jiān)護(hù)需求。另外，由于分布式智能控制在終端裝置的控制與局域網(wǎng)信息交互方面具有一定的適應(yīng)性，所以其可以有效提升廣域電壓的無(wú)功調(diào)節(jié)，從而快速實(shí)現(xiàn)故障隔離，這對(duì)于提升配電的整體穩(wěn)定性具有不錯(cuò)的應(yīng)用效果。另外，在配電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程中需要切實(shí)做好數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的建設(shè)，重點(diǎn)完善光纖、載波以及組網(wǎng)技術(shù)與設(shè)備的應(yīng)用，確保光學(xué)與電子互感器的有效應(yīng)用，從而在智能電網(wǎng)構(gòu)建基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)功能的拓展和延伸。

2.5 用電方面

智能用電的關(guān)鍵技術(shù)在于用戶(hù)互動(dòng)，從而形成完整閉合的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)體系，這也是支持用戶(hù)側(cè)的信息雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)變動(dòng)與供電商電價(jià)的直觀調(diào)整，實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。供電側(cè)的管理主要以信息的采集和管理為主要目標(biāo)，而用電監(jiān)控與負(fù)荷管理主要依靠自動(dòng)抄表和錯(cuò)峰用電作為技術(shù)背景，從而確保用戶(hù)可以隨時(shí)了解自己的需求，并根據(jù)自己的需求提出信息交互邀請(qǐng)，以此來(lái)提升供電單位的整體服務(wù)水平。

3 智能電力設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

隨著國(guó)家對(duì)于智能電網(wǎng)建設(shè)的重視程度不斷提升，當(dāng)前智能電力設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)也逐漸成為行業(yè)發(fā)展過(guò)程中最為關(guān)注的環(huán)節(jié)之一，為了更好的研究智能電力設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展，現(xiàn)就我國(guó)智能電力設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀分析如下。

3.1 高性能的電力電子設(shè)備

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，在未來(lái)的智能電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中，發(fā)電部分會(huì)更加接近于分布式能源與新能源，而輸電部分則會(huì)向著安全穩(wěn)定的電力供應(yīng)系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)損耗的傳輸控制等方向發(fā)展，從而確保能夠符合配用電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定與用戶(hù)的電能質(zhì)量需求。根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)，目前超過(guò)95%以上的電力供應(yīng)都必須經(jīng)過(guò)電網(wǎng)處理才能夠?qū)崿F(xiàn)安全、高質(zhì)量的配送，所以電力電子技術(shù)與設(shè)備在未來(lái)的智能電網(wǎng)建設(shè)中將依然占據(jù)主導(dǎo)地位。

從智能電網(wǎng)的應(yīng)用范圍上來(lái)看，其涉及到的電力電子設(shè)備主要包括變頻器、電能質(zhì)量控制設(shè)備、柔性交流電FACTS等，以及電子電源產(chǎn)品。隨著智能電網(wǎng)電力電子設(shè)備的不斷發(fā)展，其也必然會(huì)向著智能化、數(shù)字化、高性能化、綠色化的方向發(fā)展和轉(zhuǎn)變，這會(huì)為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)與發(fā)展提供新的平臺(tái)與契機(jī)。

3.2 低成本、高密度、大規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)

低成本、高密度的儲(chǔ)能技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)更高的理論負(fù)荷，也能夠有效提升配電系統(tǒng)的各種資源綜合配置和利用效率，有效降低整體性能的損耗，切實(shí)提升電能的利用水平。在儲(chǔ)能設(shè)備接入系統(tǒng)后，用戶(hù)側(cè)可以通過(guò)分布式電源的應(yīng)用來(lái)解決風(fēng)能與太陽(yáng)能間歇性配電的問(wèn)題，同時(shí)可以對(duì)配電系統(tǒng)的不利影響進(jìn)行有效控制，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的質(zhì)量控制與設(shè)備的配合，最終實(shí)現(xiàn)定制電力技術(shù)的有效應(yīng)用。當(dāng)前，由于儲(chǔ)能技術(shù)的研究變得越來(lái)越廣泛，其在國(guó)際學(xué)術(shù)界也受到了廣泛的認(rèn)可與關(guān)注。隨著低成本、高密度儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，電力運(yùn)行的整體效率也會(huì)得到跨越式的提升，這對(duì)于用電策略也會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

3.3 技術(shù)范圍與發(fā)展前景

技術(shù)范圍的擴(kuò)充是整個(gè)智能電網(wǎng)電力設(shè)備的主要發(fā)展趨勢(shì)與方向之一。從技術(shù)應(yīng)用的角度上來(lái)看，智能電網(wǎng)本來(lái)就是復(fù)合專(zhuān)業(yè)跨多領(lǐng)域形成的技術(shù)，所以其在技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)融合過(guò)程中，也需要多種技術(shù)的共同支持與幫助。隨著各種技術(shù)向著更高層次發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字化變電站技術(shù)和智能變電技術(shù)的發(fā)展都有效促進(jìn)了整個(gè)智能電網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展與進(jìn)步?，F(xiàn)階段，一些關(guān)鍵的智能電網(wǎng)建設(shè)技術(shù)與設(shè)備控制技術(shù)的研發(fā)還處于試驗(yàn)階段，許多關(guān)鍵技術(shù)依然被西方發(fā)達(dá)國(guó)家掌控，這十分不利于我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展。為了取得突破性的技術(shù)應(yīng)用，體現(xiàn)出電力設(shè)備的發(fā)展性，依然需要繼續(xù)加大電力關(guān)鍵技術(shù)的投入與學(xué)術(shù)研究，重點(diǎn)攻克關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，以此來(lái)適應(yīng)技術(shù)范圍與應(yīng)用需求，確保智能電網(wǎng)的整體建設(shè)水平，在實(shí)現(xiàn)行業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也為我國(guó)的工農(nóng)業(yè)發(fā)展提供良好的能源支撐，為人們的生活質(zhì)量提供充分的能源保障。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能電力設(shè)備的發(fā)展離不開(kāi)智能電力設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的有效應(yīng)用。在實(shí)際的設(shè)備設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制環(huán)節(jié)當(dāng)中，智能電力設(shè)備的性能不但涉及到發(fā)電、輸電等傳統(tǒng)領(lǐng)域，對(duì)于變電、配電、用電等領(lǐng)域也多有涉及。為了更好的體現(xiàn)出智能電力設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，除了引入或者開(kāi)發(fā)出高性能的電力電子設(shè)備之外，還需要重點(diǎn)做好技術(shù)范圍與發(fā)展前景的控制工作，切實(shí)完善智能電力設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)與維護(hù)，確保電力設(shè)備的質(zhì)量，為智能電網(wǎng)的搭建創(chuàng)造新的條件。