智能電網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用

張興華，林頌晨

（中國電建集團海南電力設(shè)計研究院有限公司，海南 海口 570203）

0 引 言

電能是一種較為清潔的二次能源，其在社會生產(chǎn)生活中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。電力系統(tǒng)規(guī)劃是電力資源高效利用的基礎(chǔ)。而將智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)規(guī)劃中，能徹底改變傳統(tǒng)的電力資源利用形式，實現(xiàn)電力資源的靈活配置和高效利用。

1 智能電網(wǎng)構(gòu)成特征

1.1 智能電網(wǎng)的框架構(gòu)成

智能電網(wǎng)包含用戶終端、配電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)4個關(guān)鍵組成部分。在智能電網(wǎng)用戶終端，除既有的用電功能外，智能電網(wǎng)增加了PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）、WSN（Wireless Sensor Network，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）、藍(lán)牙及WLAN（Wireless Local Area Networks，無線局域網(wǎng)）形式的家用服務(wù)總線接口，同時為用戶終端配置統(tǒng)一固定的電子標(biāo)識碼，并設(shè)置與功能相匹配的軟硬件程序，確保了用電控制的安全性、可靠性。配電系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，不僅包含電能與通信集成系統(tǒng)，而且涉及分布式能源系統(tǒng)等。智能配電系統(tǒng)改變了原有的拓?fù)浣涌冢沟门潆娋W(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用更加靈活、高效，而且能動態(tài)進行電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測，在降低損耗的同時提高電網(wǎng)利用率。智能輸電系統(tǒng)是電力資源從發(fā)電系統(tǒng)到用戶終端傳輸?shù)闹匾d體，其在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要求深化整個輸電網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù)，確保輸電網(wǎng)絡(luò)具有較高的“自愈”能力。與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比，智能電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最顯著的區(qū)別在于其進一步加大了可再生能源的利用規(guī)模，尤其是在風(fēng)電和光電等領(lǐng)域，其發(fā)電設(shè)備的應(yīng)用更具標(biāo)準(zhǔn)化和智能化優(yōu)勢[1]。

1.2 智能電網(wǎng)的技術(shù)特征

步入新時期以來，社會生產(chǎn)對于電力資源的需求量不斷增加，促使智能電網(wǎng)工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴大（見表1）。從智能電網(wǎng)應(yīng)用過程來看，其具有以下特征。一是智能電網(wǎng)本身具有可靠性特點。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)應(yīng)用中，電網(wǎng)本身容易受到外界因素的干擾，對于居民用電造成了較大阻礙。采用智能電網(wǎng)系統(tǒng)能實現(xiàn)有效抵御外界風(fēng)險因素，對于維護電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性具有積極作用。二是在智能控制技術(shù)的支撐下，智能電網(wǎng)實現(xiàn)了發(fā)電、輸電、配電與用電的有效銜接，在一定程度上實現(xiàn)了信息流、電力流以及業(yè)務(wù)流的高度集成，并且這種集成性特征為電力系統(tǒng)的信息共享創(chuàng)造了機會。三是智能電網(wǎng)具有自愈性特點。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建設(shè)中，電力技術(shù)的應(yīng)用存在一定缺陷，使得外界因素容易對于電力系統(tǒng)的使用造成干擾，從而引發(fā)電力系統(tǒng)運行故障。為徹底解決這些問題，提升電力系統(tǒng)應(yīng)用的高效性、穩(wěn)定性和安全性，對新時期的智能電網(wǎng)建設(shè)提出了系統(tǒng)“自愈性”要求。通過智能電網(wǎng)自愈性設(shè)計，能合理解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)應(yīng)用問題，提升智能電網(wǎng)運作效率與安全性[2]。

表1 我國電力資源應(yīng)用規(guī)模

2 智能電網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用

2.1 大容量儲能技術(shù)應(yīng)用

相比傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，智能電網(wǎng)對電能存儲容量提出了更高要求。采用大容量儲能技術(shù)，能顯著提升智能電網(wǎng)系統(tǒng)的輸電效率和質(zhì)量，同時能提升電力企業(yè)自身的盈利能力，滿足居民和企業(yè)的用電需要。目前，大容量儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用逐漸增多，從儲能形式來看，物理儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能以及相變儲能是大容量儲能技術(shù)應(yīng)用的4種形態(tài)。抽水儲能是物理儲能的典型形式，其綜合效率保持在70%～85%。截至2020年，在全世界范圍內(nèi)，抽水蓄能電站總裝機容量已經(jīng)達到9×107kW，占全球發(fā)電總?cè)萘康?%，我國抽水蓄能電站裝機容量已居世界第一，在運規(guī)模達2.849×107萬kW，在建規(guī)模達3.871×107kW，到2020年年底，我國運行總?cè)萘繉⑦_4×107kW。在電化學(xué)儲能中，除鈉硫電池、液流電池外，鉛酸電池、鎳鎘電池以及超級電容器等都是較為常用的形式。電磁儲能主要是用超導(dǎo)體制成線圈儲存磁場能量，該儲能系統(tǒng)應(yīng)用具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高以及比能量/比功率大等優(yōu)勢[3]（見表2）。相變儲能中最常見的是冰蓄冷技術(shù)。從應(yīng)用效果來看，大容量蓄能技術(shù)有效提升了電力輸送的穩(wěn)定性，其在緩解用電緊張問題的基礎(chǔ)上，給人們的生活生產(chǎn)創(chuàng)造了良好條件。

2.2 智能通信技術(shù)應(yīng)用

智能通信技術(shù)是智能電網(wǎng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，具有高效性、集成性以及雙向性等特點。相比傳統(tǒng)電網(wǎng)，智能電網(wǎng)的規(guī)模更大，其通信數(shù)據(jù)更加繁多。在智能通信實現(xiàn)過程中，智能電網(wǎng)中數(shù)據(jù)的獲取、控制及保護具有較強的專業(yè)性、綜合性以及復(fù)雜性，數(shù)據(jù)獲取困難影響了電網(wǎng)控制、運行效率。新時期，智能通信技術(shù)依托高效、集成、雙向的技術(shù)特征，為智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取和控制創(chuàng)造了良好條件。一方面，在較多智能電子設(shè)備、電子控制器的作用下，融合使用智能表計、控制系統(tǒng)以及保護系統(tǒng)等，有效地實現(xiàn)了電網(wǎng)工程網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，對于提升電網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量和水平具有較大影響；另一方面，在強大的智能通信技術(shù)的支撐下，電力工作人員可以及時地對配電網(wǎng)系統(tǒng)的故障進行監(jiān)測，增強電網(wǎng)的防御性，通過對外部風(fēng)險要素的有效抵御，智能電網(wǎng)系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性更加突出，其能更好地服務(wù)于社會經(jīng)濟發(fā)展。

2.3 超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用

超導(dǎo)技術(shù)主要是通過超導(dǎo)體材料的作用，降低輸電過程損耗的一種技術(shù)，其應(yīng)用形式多樣。一方面，可利用超導(dǎo)技術(shù)、超導(dǎo)材料制作磁體，應(yīng)用于電機、高能粒子加速器等設(shè)備中，以提升相應(yīng)設(shè)備的性能；另一方面，超導(dǎo)技術(shù)在高壓輸電中也有廣泛應(yīng)用。高壓輸電的電壓等級多保持在500～1 000 kV，有效提升了線路走廊的利用率，但超高壓輸電過程仍然存在一定的電力損耗。采用超導(dǎo)技術(shù)開展電力輸送，能有效地減少超高壓輸電的電力損耗。在智能電網(wǎng)輸電系統(tǒng)中，采用超導(dǎo)技術(shù)可有效保證電網(wǎng)輸電的效率及質(zhì)量，對于保障居民生活、促進經(jīng)濟發(fā)展具有積極作用。

2.4 智能診斷技術(shù)應(yīng)用

智能診斷技術(shù)是智能電網(wǎng)自愈功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，該技術(shù)可對電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用情況進行全面診斷、分析和預(yù)測，為人們處理電網(wǎng)系統(tǒng)故障提供有效依據(jù)。智能診斷即為智能電網(wǎng)的“專家系統(tǒng)”，該系統(tǒng)能在很大程度上防止電力系統(tǒng)產(chǎn)生故障，更好地保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性及安全性[4]。需要注意的是，智能診斷技術(shù)應(yīng)用的前提是獲取電網(wǎng)系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，因此使得該技術(shù)通常與智能通信技術(shù)銜接使用。在電網(wǎng)元件監(jiān)測中，通過對電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)的有效收集、分析和檢測，能有效發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，隨后借助自動控制的執(zhí)行，可解決電網(wǎng)故障問題，滿足智能電網(wǎng)自愈控制需要?，F(xiàn)階段，“專家系統(tǒng)”在電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用不斷深入，其能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常問題，并在第一時間做出反應(yīng)，有效地提升了電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化水平，確保了電力系統(tǒng)控制、運行的高效性。

表2 超導(dǎo)電磁儲能應(yīng)用

2.5 智能固態(tài)表計應(yīng)用

智能固態(tài)表計是智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的重要形式。隨著電網(wǎng)設(shè)計規(guī)劃規(guī)模的擴大，智能固態(tài)表計的應(yīng)用也在逐漸加深。從應(yīng)用過程來看，該技術(shù)不僅能實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定性的有效評估，而且能對電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備的完整性進行檢測。此外，其能在讀取并分析表計上顯示的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，判斷用戶是否存在偷電或者其他的不法行為。這既保證了供電企業(yè)本身的效益，而且確保了整個配電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用的安全性。值得注意的是，在電力系統(tǒng)規(guī)劃中，合理使用智能固態(tài)表計這一智能電網(wǎng)技術(shù)，能有效提升電網(wǎng)元件之間的通信能力和自適應(yīng)能力，減少電網(wǎng)系統(tǒng)故障停電等問題的發(fā)生概率，避免電網(wǎng)故障對人們的生產(chǎn)生活造成影響。

3 智能電網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)規(guī)劃中應(yīng)用的發(fā)展趨勢

在電力系統(tǒng)規(guī)劃中，若電網(wǎng)規(guī)劃不細(xì)致，技術(shù)應(yīng)用不合理，則易導(dǎo)致電網(wǎng)的線路出現(xiàn)超負(fù)荷運行的現(xiàn)象，進而威脅電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、安全性。新時期，智能電網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用不斷深入。從應(yīng)用過程來看，智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用具有以下發(fā)展趨勢。一是智能化電網(wǎng)技術(shù)與電力系統(tǒng)規(guī)劃工作相融合的趨勢逐步加深，在一定程度上有利于智能化電網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新，而且能使得電力系統(tǒng)的規(guī)劃工作得到改善，對于電力工程現(xiàn)代化發(fā)展具有積極作用。二是數(shù)據(jù)共享是智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的另一個趨勢。在電力系統(tǒng)規(guī)劃中，受電網(wǎng)系統(tǒng)分布范圍廣、維護管理難度大等因素的影響，往往需要從多個層面進行配電、發(fā)電、變電、輸電過程的協(xié)同。信息傳遞與共享是電網(wǎng)運維管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在智能電網(wǎng)建設(shè)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享已成為一種必然趨勢。三是在未來電力系統(tǒng)規(guī)劃工作中，需要工作人員通過遠(yuǎn)程管理方式進行動態(tài)化監(jiān)督、控制，提升電力系統(tǒng)規(guī)劃、管理效果。

4 結(jié) 論

新時期，人們對于電力資源的需求量不斷增加。在電力系統(tǒng)規(guī)劃中，電力工作者深刻認(rèn)識到智能電網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢特征，立足配電網(wǎng)建設(shè)實際，實現(xiàn)智能電網(wǎng)技術(shù)與電力系統(tǒng)規(guī)劃的深度融合，才能有效提升智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用水平，促進我國電力工程有序發(fā)展。