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1、智能电网前沿技术综述宋晓芳，薛峰，李威，孟昭军，常康，李峰，黄杰，谢东亮（国网电力科学研究院，江苏省南京市210003）摘要：本文从电力系统的发、输、变、配、用电和调度六个方面，介绍了一些对智能电网发展及其特征展现具有典型意义的前沿技术，并对各种技术的研究现状和应用前景进行了简单评述。关键词：智能电网；智能调度；核聚变发电；基于电压源换流器的高压直流输电；智能机器人巡检系统；配电网柔性输电；用电监控技术 - 6 -1引言在2009年5月的“2009特高压输电技术国际会议”上，中国国家电网公司正式提出了坚强智能电网概念，即以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包括发电、输电、
2、变电、配电、用电和调度六大环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。智能电网作为未来电网发展的愿景，对科学技术的发展具有指导和引领作用，同时智能电网的发展和实现也取决于其中关键前沿技术的突破和应用。本文从电力系统的发、输、变、配、用电和调度六个方面，介绍了一些对智能电网发展及其特征展现具有典型意义的前沿技术，并对其研究现状和应用前景进行了简单评述。2 发电领域前沿技术1-5随着新能源的开发和科学技术的进步，各种新型发电技术层出不穷，如风能发电、核聚变发电、太阳能光伏发电、海洋能发电、生物质能发电、燃料电池
3、发电、海水抽水蓄能发电、煤炭气化复合发电、太阳能热气流发电、太空太阳能发电、高空风力发电等，这里只介绍其中几种。2.1核聚变发电核能发电分为裂变能和聚变能两种。与核裂变正好相反，核聚变是氢元素发生原子核互相聚合作用伴随着能量释放的核反应过程。目前人类能和平利用的只有裂变能，可控聚变能实用技术还在研究中。2.2海洋能发电海洋能通常是指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要是通过波浪、海流、潮汐、盐度差、温度差等方式，以动能、位能、物理化学能等形式通过海水自身呈现出来。目前除了潮汐能发电技术已经基本成熟，有可能进行规模化开发利用外，其他海洋能发电技术还没有达到实际利用的技术要求，还有许多工程技术问题
4、需要解决。2.3生物质能发电生物质燃烧发电是将生物质替代化石燃料在锅炉中燃烧，产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热，生成的高温高压蒸汽在燃气轮机中膨胀做功产生电能。目前生物质能发电技术主要包括：直燃发电技术、气化发电技术、沼气发电技术。开发生物质能发电技术既可降低对化石能源的依赖，又可保护生态环境，发展前景十分广阔。2.4高空风力发电高空风是一种广泛、相对可靠且潜力巨大的能源。目前高空风力发电主要有两种构架方式：第一种是在空中建造发电站，在高空发电，然后通过电缆输送到地面；第二种类似放“风筝”，通过拉伸产生机械能，再由发电机转换为电能。高空风力发电项目在国内外仅停留在试验阶段，还面临诸多技术难题
5、。2.5小结目前，除了风能发电、核裂变发电和太阳能光伏发电技术已经逐步走向实用化，其他新型发电技术还停留在实验和研究阶段，无法大规模使用。3 输电领域前沿技术6-8输电领域的新技术主要有新型直流输电、半波长交流输电、分频交流输电、多相输电、无线输电和光纤输电等。3.1新型直流输电新型直流输电技术包括基于电压源换流器的高压直流输电、多端直流输电和采用电容换相换流器的直流输电。基于电压源换流器的高压直流（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC）输电系统采用了由具备自关断能力的绝缘栅双极晶体管器件构成的
6、电压源换流器。这种输电方式对无功的需要大幅度减少，并且能够动态补偿交流母线的无功功率，解决了向弱交流系统以及无电源的负荷区的送电问题。多端直流（Multi-Terminal High Voltage Direct Current，MTDC）输电系统是指含有多个整流站或多个逆变站的直流输电系统，主要应用于由多个能源基地输送电能到远方的多个负荷中心和几个孤立的交流系统之间利用直流输电线路实现联网等。采用电容换相换流器（Capacitor Commutated Converter, CCC）的直流输电技术是指在常规高压直流输电的换流变压器二次侧串联一组电容器，用来补偿换流器的无功消耗。这种输电技术提
7、高了高压直流输电运行的稳定性，且无需大容量的无功补偿装置，在远距离输电和受端系统较弱的情况下，有望取代常规高压直流输电得到广泛应用。3.2无线输电所谓无线输电（Wireless Power Transmission, WPT），就是用微波源或激光器把直流电转变为微波或激光，然后由天线发射出去；大功率的电磁射束通过自由空间后被接收天线收集，经微波或激光整流器后重新转变为直流电。它的实质就是用微波束或激光束来代替输电导线，通过自由空间把电能从一处输送到另一处。无线输电技术的最大困难在于无线电波的弥散与不期望的吸收与衰减。3.3光纤输电光纤输电是在电力发送端利用半导体激光二极管，把电能转变为激光，然
8、后在光纤中传输，在接收端是用太阳能电池作为接收器件。3.4小结此外，新型的输电技术还有半波长交流输电、分频交流输电、多相输电等。上述几种典型新型输电方式的特点、技术基础、适应对象等都各有不同。目前比较成熟的是新型直流输电，而其他的输电技术制约于科技水平和技术经济性能，还需要大量的理论研究和工程试验。4 变电领域前沿技术9-10变电领域的新技术主要表现在电力电子器件的应用、机器人巡检技术等。4.1电力电子器件的应用电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的一种现代技术，节能效果可达1040。智能电网大发展给大功率电力电子提供了广泛的应用空间。电力电子变压器具有体积小，电能转换质量和效率
9、高，可分散式变电等优点。随着在高频大功率双向电力电子开关器件和电力电子变压器控制技术方面研究的进展，电力电子变换技术对电力能量进行转换与控制将是未来的发展趋势，这使得电力电子变压器替代传统的配电变压器成为可能。4.2智能机器人巡检系统变电站设备巡检机器人系统是集机电一体化技术、多传感器融合技术、电磁兼容技术、导航及行为规划技术、机器人视觉技术、安防技术、稳定的无线传输技术于一体的复杂系统，采用完全自主或遥控方式，代替巡检人员对变电站内室外一次设备的部分项目进行巡检，并对图像进行分析和判断，及时发现电力设备存在的问题，为无人值班变电站的推广应用提供了创新型的技术检测手段，提高了电网的可靠稳定运行
10、水平。机器人在电力系统中的应用主要集中在电力设备，如线路、变压器、发电设备等的检测、检修和维护作业中。国内目前在变电站机器人设备巡检研发领域取得了长足的进展，并积累了许多宝贵经验，济南长清、天津吴庄等多个500 kV变电站已经有机器人巡检系统投入使用。5 配电领域前沿技术11-12现代工业的发展对供电的可靠性、电能质量要求越来越高的要求，分布式发电（如风力发电、燃料电池发电等）的快速发展，也对配电网提出了便捷可靠的入网方式要求。为满足用户对电力供给的要求，未来的配电技术必须具有如下特点：网络快速自愈、分布式电源易于接入、抗扰动能力强、提供优质电力、与用户互动等，与此对应的新型技术主要有以下几种
11、。5.1储能技术现有的电能存储方式主要可分为机械储能、化学储能、电磁储能和相变储能等。超导体电流大，能量密度高，存取快速，可作为理想的电磁能储藏器，超导材料临界温度低一直是超导储能应用的限制因素，目前直接冷却超导储能（HTc-SMES）的研究受到了美日等国的高度重视，但是与低温超导储能系统相比，HTc-SMES的研究仍处于起步阶段。目前只有属于机械储能的抽水蓄能技术相对成熟，其它储能方式还处于示范阶段或初期研究阶段。5.2配电网柔性输电技术配电网柔性输电（Distribution Flexible AC Transmission Systems, DFACTS）技术是柔性交流输电（Flexib
12、le AC Transmission Systems, FACTS）技术在配电网的延伸，包括电能质量与动态潮流控制两部分内容。DFACTS装置的原理是通过检测电能质量的相关参数，控制快速的电子开关（动作时间在毫秒级）进行相应的补偿，提供满足特定用户需求的电能质量。DFACTS技术的充分发展，将使得电能质量、动态潮流等完全可控。5.3小结配电领域的新型技术还有同步开断（即智能开关）、故障电流限制技术、主动配电网技术和“即插即用”技术等。6 用电领域前沿技术电力需求弹性不足一直是影响电网可靠运行的重要因素之一。在智能电网大框架下，需要新型用电技术提高电力需求弹性，提升电力需求侧管理的智能化水平，帮
13、助电力用户与智能电网进行互动，更加高效、经济的管理用电。6.1用电监控技术用电监控技术包括用电监测和用电控制两部分，是通过在室内安装各种先进传感器，对用户的电力消费信息进行动态的准实时监测，帮助消费者了解自身的详细用电信息，以指导消费者改变自身的用电行为；并在信息获取的基础上，结合用户的用电习惯，对整个住宅用电系统进行自动控制，在电器中合理分配电能。6.2屋联网顾名思义，屋联网就是“房屋中物物相连的互联网”，它是采用各种先进的家庭传感器全面采集家庭数据，并通过有线通信技术、无线通信技术，将数据、语音、视频等各种信号，按约定的协议，使各种家庭智能电器与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能
14、化识别、跟踪、监控和管理的一种网络。未来的屋联网不仅家用电器主人能够远程管理，而且家用电器可以自我管理或相互管理。通过屋联网，各种家用电器就能以最经济、合理的方式工作，为人们带来舒适、节能的生活。7 电网调度前沿技术13-14智能调度是智能电网建设中的重要环节，智能调度的建设体现了智能电网坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放等多方面特征。智能调度建设的开展使得电网调度在一体化智能应用支撑、大电网运行控制、新能源并网控制、调度计划运作和调度管理等方面都有涌现出很多新的技术，下面重点介绍其中两点。7.1 大电网智能运行控制技术大电网智能运行控制技术的目标是建成智能电网安全防御系统，将通过广域、迅
15、捷、同步、精确的量测感知，自适应智能决策，基于决策指令和应对动态响应相协调的控制执行，形成具备自我感知、自我诊断、自我预防、自我愈合的大电网智能安全控制能力。7.2大型可再生能源及分布式能源接入控制技术目前，大型可再生能源及分布式能源接入电网的控制技术研究处于起步阶段。在可再生能源中，风电场输出功率具有间歇性和不确定性，大量风电接入电网会对运行调度带来较大的影响。尤其是很多地区风电具有反调峰特性，因此风电场的接入控制技术一直受到电力运行调度人员的关注。随着光伏发电技术的成熟，光伏发电在我国的电力供应中扮演者越来越重要的角色。但光伏发电的输出功率随日照情况、温度等的变化而变化，因此研究光伏发电的
16、接入控制技术对于光伏发电的进一步大规模应用也具有很重要的意义。通过研究计及风电场等可再生能源的电力系统运行与控制的相关技术，在智能调度技术支持系统中建立可再生能源发电模型，实现计及大型可再生能源及分布式能源的电网调度控制，充分研究可再生能源、分布式能源对电力系统安全、稳定、优质和经济运行的影响。8 结语随着技术的不断进步和电力工业的发展，电网功能由单一的输电物理载体功能逐步扩展出促进能源资源优化配置、引导能源生产和消费布局、保障电力系统安全稳定运行及电力市场运营等多项功能，电网发展方向已不仅仅是本行业、本领域的需求反映，更是各行各业共同作用的结果，智能电网的发展取决于其中各个环节的关键前沿技术的突破和应用，也必然会推动相关技术的发展和推广。参考文献 1 冯开明控核聚变与国际热核
