智能電網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展分析

李士林

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

1 引言

近年來，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，電能在促進經(jīng)濟發(fā)展與社會穩(wěn)定等方面占據(jù)著越來越重要的地位。電網(wǎng)的穩(wěn)定運行及電網(wǎng)提供的電能質(zhì)量就是社會運行的必要保障，電網(wǎng)已經(jīng)成為國家經(jīng)濟命脈的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公共事業(yè)。但隨著人們對電能需求量的逐漸增大及對電能質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)電網(wǎng)的變革與更新已經(jīng)勢在必行。

智能電網(wǎng)是整合可持續(xù)再生能源并入中國發(fā)電行列，通過人工智能技術(shù)、自動化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)電網(wǎng)的自動化調(diào)度，提升電網(wǎng)的自愈、兼容及抗干擾能力，維護電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定及可靠性，利用信息、通信、自動化、互動等技術(shù)對發(fā)電、輸電、配電、供電及用電過程等流程實現(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 國內(nèi)背景

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

圖1 中國電源結(jié)構(gòu)對比

表1 可再生能源的裝機容量及占比

所以傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級換代是必須的，智能電網(wǎng)就營運而生。中國對于智能電網(wǎng)的先期探索是從2009 年前后開始的，經(jīng)過幾年的籌備，中國的第一條特高壓線路試運營成功，為中國打造智能電網(wǎng)打下堅實基礎(chǔ)。因此，國家電網(wǎng)從實踐與國情出發(fā)提出建設(shè)具有中國特色的“堅強智能電網(wǎng)”計劃。

2.2 國外背景

2003-08-14 的美國、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)濟損失及數(shù)千萬人受到影響；2003-08-28，由于英國國家電網(wǎng)故障造成了倫敦市2 h 的停電事故，此次事故影響了50 萬人的正常生活。上述事故的產(chǎn)生背后有一個共同的特點，就是電網(wǎng)在外力影響及突發(fā)事件的作用會造成電網(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)濟損失。

發(fā)達國家的電力行業(yè)雖然是比較發(fā)達的，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于電力消費的要求的提高，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。

美國率先提出建設(shè)智能電網(wǎng)，美國能源部DOE（United States Department of Energy）在21 世紀(jì)初提出“智能電網(wǎng)”（Grid－Wise），美國的“智能電網(wǎng)”不太重視對基礎(chǔ)架構(gòu)的升級，最看重的是利用信息化來實現(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，希望利用清潔能源的分布式發(fā)展進行整個電力網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。

3 智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著“十三五計劃”收官之年的到來，智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)的日益成熟，在電網(wǎng)的運行及控制方面，中國具有“統(tǒng)一調(diào)度”的社會主義體制優(yōu)勢和深厚的運行、維護技術(shù)積累，電網(wǎng)的調(diào)度能力及水準(zhǔn)已達到國際一流。在發(fā)電環(huán)節(jié)能夠?qū)⑺?、潮汐能、風(fēng)能及太陽能等可循環(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)擁有以智能自動化、集成化、數(shù)字信息化為特點且處于國際領(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 塔式太陽能熱發(fā)電站一期10 MW 工程”并入青海電網(wǎng)，這是中國首座大規(guī)模應(yīng)用的太陽能發(fā)電站，這標(biāo)志著中國自主研發(fā)的太陽能光熱發(fā)電技術(shù)向商業(yè)化運行邁出堅實步伐，填補了中國沒有太陽能光熱電站并網(wǎng)發(fā)電的空白，為中國建設(shè)并發(fā)展大規(guī)模應(yīng)用的商業(yè)化太陽能熱發(fā)電站提供了強力的技術(shù)支撐與示范引領(lǐng)；坐落于上海南匯的柔性直流輸電項目在2011-10 完成建設(shè)并正式開始運營；緊接著在2014-08，位于浙江舟山的五端柔性直流輸電工程項目完成并投入使用，這標(biāo)志著中國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±320 kV 柔性直流輸電示范工程的正式投入運營，標(biāo)志著中國在高壓大容量直流輸電技術(shù)上處于世界一流水平；2019 年，國網(wǎng)遼寧電力圍繞電網(wǎng)運行各個環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)，制定多類型能源的實時協(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，隨著中國智能電網(wǎng)十?dāng)?shù)年的快速發(fā)展，中國智能電網(wǎng)取得了令全世界矚目的成就，電網(wǎng)終將建設(shè)成具有堅強、智能兩大特征的國家電網(wǎng)乃至世界電網(wǎng)。

由于世界各國對于智能電網(wǎng)的理解與目的不同，所以智能電網(wǎng)在各個國家的出發(fā)點大不一樣。美國的智能電網(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)，美國政府在2009-04 宣布開發(fā)新的電力傳輸技術(shù)，為項目投資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)，對新能源的消納上，他們講究綠色低碳比任何一個國家都強，他們還有對電動汽車的支持，芬蘭等幾個小國家力度不比中國弱。巴西和中國有點類似，能源分布不均，但沒中國強，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)濟性及低損耗等優(yōu)點，直流輸配電方案絕對是具有發(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]。這項技術(shù)對智能電網(wǎng)的建設(shè)至關(guān)重要。

4.2 智能設(shè)備的在線監(jiān)測

近年來，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)。智能變電站的實時監(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)對電氣設(shè)備綜合評估并預(yù)防事故的發(fā)生。例如對斷路器的和監(jiān)控，不但能夠監(jiān)控斷路器內(nèi)部的其他的密度及其密封性，還能夠?qū)崟r監(jiān)測斷路器內(nèi)部觸頭構(gòu)的機械損耗情況。

4.3 自愈控制技術(shù)

智能電網(wǎng)的自愈控制技術(shù)指的是通過利用當(dāng)前能調(diào)用的所有電網(wǎng)資源，了解電網(wǎng)運行狀態(tài)，并分析判斷當(dāng)前電網(wǎng)是否存在運行隱患，對于正常運行的電網(wǎng)適時采用優(yōu)化策略，而對于非正常狀態(tài)運行下的電網(wǎng)及時進行檢修等措施，對于可能產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象進行遏制，減少人工操作，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)擾動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)展過程中產(chǎn)物，智能電網(wǎng)貫穿經(jīng)濟、能源、生活、國家安全等諸多方面，是社會穩(wěn)定的重要基石之一，同時智能電網(wǎng)的建設(shè)過程中也會遇到極強的挑戰(zhàn)，我們應(yīng)借鑒國內(nèi)外同行的成功經(jīng)驗與吸取失敗的教訓(xùn)，為未來遇到更大挑戰(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“中國夢”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)，而且能夠為變電、輸電、配電及用電過程提供數(shù)字化、自動化、互動化等便利；未來的電力系統(tǒng)能源消耗結(jié)構(gòu)清潔能源占比不斷加大；整個電力系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、安全，處理電力系統(tǒng)故障精確、方便、快捷。