構建智能電網的關鍵技術研究

摘要：在歸納智能電網基本特征的基礎上，對構建智能電網的關鍵技術（如：骨架結構、繼電保護、變電站自動化等關鍵技術）的要點進行了闡述。結合參與研制開發的智能變電站輔助系統綜合監控系統，描述了變電站自動化中智能聯動技術的特點。

關鍵詞：智能電網；智能聯動；關鍵技術

作者簡介：侯宇（1985-），男，江蘇南京人，國電南瑞科技股份有限公司研發中心，助理工程師。（江蘇 南京 210061）

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0201-02

國家電網公司在UHV2009（2009特高壓輸電技術國際會議）上提出了我國智能電網發展路線，2010年又制定了《智能電網技術標準體系規劃》。在智能電網發展技術路線圖的指導下，加快建設由1000kV交流、±800kV、±1000kV直流構成的特高壓骨干網架，實現各級電網協同發展；圍繞發電、輸電、變電、配電、用電、調度等主要環節推進智能電網建設。智能電網規劃全面完成后，將使我國的電力資源配置能力、安全穩定水平及電網、電源與用戶間的協調互動得到顯著提高。

一、智能電網的特征

我國的智能電網是以特高壓電網為骨干網架、各電壓等級電網協調發展，將先進的傳感測量技術、通訊技術、信息技術、計算機技術、控制技術和決策支持技術高度集成而形成的新型電網。智能電網對電網設備與系統的運行狀況進行實時、在線監控，把獲得的數據整合、分析、挖掘，達到對整個電力系統的優化管理。智能電網具有以下特征：

1.堅強與自愈

在自然災害、極端氣候條件或外力破壞使電網發生大的擾動和故障時仍能保證電網的安全運行，保持對用戶的供電能力，而不發生大面積停電事故，具有實時、在線和連續的評估、分析能力、預警和預控能力及自動故障診斷、故障隔離和系統自我恢復的能力，因此有的文獻又把智能電網稱為堅強智能電網。

2.兼容與集成

可以容納集中式、分布式等不同類型的電源，滿足用戶多樣化的電力需求。支持可再生能源、分布式電源、微電網（Micro-Grid）的有序、合理接入。采用統一的平臺和模型，實現標準化、規范化和精益化管理，電網信息高度集成和共享，與用戶高效互動。

3.經濟與優化

支持電力市場運營和電力交易的高效實施，提高資源的優化配置水平，降低電網損耗，提高能源利用效率，降低運行維護成本。

智能電網是一系列高新技術的集成，合理的電網骨架結構、先進的繼電保護策略與裝置、變電站自動化等是智能電網的關鍵技術。

二、合理的電網骨架結構

特高壓電網合理的骨架結構可以為電網提供堅強的基礎。“十二五”期間，我國將建成連接大型能源基地與主要負荷中心“三橫三縱”的特高壓骨干網架，形成以華北、華中、華東為受端，以西南、西北、東北電網為送端的三大同步電網，使電網的資源配置能力、經濟運行效率、安全與智能化水平得到全面提升。

20世紀70年代末，我國在對國內外大停電事故進行詳細調查、分析的基礎上得出結論：不受控制的系統結構和繼電保護連鎖反應是造成大停電的重要原因。在深入研究的基礎上制定的《電力系統安全穩定導則》等行業技術準則對我國電網形成合理的電源、電網結構與繼電保護技術起到了奠基作用。

由于技術發展歷史的原因，有的國家形成了不合理的電源、電網結構。如采用交流聯網破壞，至少是削弱了直流聯網的安全作用。在龐大、復雜、可控度低的無序聯網結構上，一旦跳閘形成負荷轉移，可能導致“連鎖跳閘”，造成整個交流電網失穩振蕩。

合理的電源、電網結構應該是可靠的交、直流分層、分區和“點對網”式的分散外接電源。任一外送電源或線路故障只損失局部電力負荷，而不會引起連鎖反應。根據我國《電力系統安全穩定導則》規定，我國電網結構的幾大區域基本上用直流聯網，任一區域的故障或失穩都不會波及鄰區，避免了連鎖反應。

我國的經驗引起了國際電力界的重視。美國電科院和直流聯網（DC Interconnect）公司分析研究了美、歐多次大停電事故，2008年1月在IEEE Power Energy發表報告，建議將美國東部網用直流隔離分為四個交流區，形成更為合理的電網結構。同樣的策略也應該適用于歐、美其他電網。

三、先進的繼電保護準則與裝置

繼電保護系統要求當電力系統（如發電機、變壓器、輸電線路等）發生故障或異常工況時，在可能的最短時間和最小區域內自動將故障設備從系統中切除，消除異常工況根源后恢復正常運行，減輕或避免設備的損壞及對相鄰地區供電的影響。先進的繼電保護準則與繼電保護設備是智能電網的重要組成部分。

從電網安全穩定的要求出發，電網受振蕩影響的線路和發電機失穩時，不合理的繼電保護準則導致“連鎖跳閘”，可能使系統瓦解，最終導致大停電。根據我國《電力系統安全穩定導則》，線路故障跳閘引起負荷轉移時，從保護、穩定控制技術上要避免全部線路和絕大多數發電機的繼電保護“連鎖跳閘”，系統會在短時內恢復同步運行。

特高壓長距離輸電線路具有輸送功率大、波阻抗小、分布電容大等特點，線路的分布電容電流會達到很高的水平。這將導致繼電保護裝置在某些情況下拒動、靈敏度下降等問題。因此特高壓輸電系統繼電保護的配置必需滿足靈敏性、速動性、可靠性的要求。繼電保護要求更大的獨立性和冗余度，以保證在所有運行狀態下被保護線路上發生故障都有快速保護機制，避免產生過電壓、系統穩定性受損及設備損壞。

四、智能變電站監控系統

變電站自動化是智能電網的重要環節。國電南瑞研發的NS3000S智能變電站自動化系統為35kV到750kV變電站提供完整的智能化解決方案。項目已經成功應用于數百座智能變電站中。NS3000S智能變電站自動化系統以信息一體化平臺為基礎，無縫集成智能組件，實現各種智能化的高級應用功能，體現了智能變電站信息化、自動化、互動化的特征。除了常規的監視、控制、保護功能外，還有智能報警及分析決策、設備狀態可視化、經濟運行及優化控制、系統診斷、外部信息交互、五防閉鎖一體化等功能。

筆者參與研制開發的國電南瑞智能變電站輔助系統綜合監控系統，結合智能變電站SCADA數據和輔助系統各項功能，利用廠站輔助信息對SCADA數據的變化進行推理判斷和驗證實現智能聯動。

智能變電站采用了越來越多的智能型輔助設備和在線監測設備，想要有效地綜合利用這些設備提供的先進功能就必須實現各設備之間的智能聯動，充分交互各種類型的信息數據，提供監控界面綜合診斷和事件快速響應的能力。當變電站的能量傳輸（如電流、負荷等）和生產設備狀態（如故障跳閘、油氣溫度、壓力等）發生變化時，相關的SCADA監測系統能夠及時反映出這些狀態變化。過去由于信息展示方式單一，通常只有枯燥的數字和接線圖、拓撲圖，使得使用者難以對現場實際狀態產生全面、直觀的感受，進而理解現場實際狀態產生的原因并做出有效反應，以至于到目前為止，有些變電站還不能完全拋棄有人值守的生產方式。

在輔助系統結合SCADA數據聯動時，利用SCADA數據的變化作為驅動，聯動執行輔助系統中的執行項：例如SCADA進行遠程操作時，聯動視頻子系統調用相應的攝像機對準設備進行視頻確認。生產設備發生故障或火警時，聯動門禁安防、消防子系統進行人員疏散和消防噴淋等。

智能輔助系統中的視頻子系統在傳統上利用前端設備（如攝像機、圖像分析器等）對采集的圖像進行處理，分析歸納總結其中的圖像變化規律，并根據預定的判斷規則產生相應的報警信息和錄像資料。而后端軟件平臺僅收取前端設備的數據結果進行展示，難以結合控制命令輸出產生定位與跟蹤效果。新技術改變傳統的模式，采取輔助定位模塊和圖像跟蹤模塊配合的模式。輔助定位模塊采用智能視頻分析技術，完成前端設備對圖像中監視部位的分析，并將分析結果和圖像信息傳送給跟蹤模塊。跟蹤模塊不僅收取定位模塊傳送的結果，還可以收取人工在圖像監視軟件上選取的圖像區域信息，將圖像進行算法處理后結合推理機服務，對要進行跟蹤操作的前端設備發出控制命令。

智能輔助系統包含了相關視頻圖像、局部環境信息、火災或安防信息等變電站全景數據，利用圖像、圖片、文字、聲音等多維展示手段，大幅度提高遠方使用者的現場感和信息展示細致程度，可以有效地支持智能化無人值守方式，在更高層次上提升變電站自動化水平。

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（責任編輯：王祝萍）