智能電網技術現狀及發展分析

李士林

（廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門361024）

1 引言

近年來，隨著電力行業的快速普及與發展，電能已經滲透到生產、生活中的方方面面，電能在促進經濟發展與社會穩定等方面占據著越來越重要的地位。電網的穩定運行及電網提供的電能質量就是社會運行的必要保障，電網已經成為國家經濟命脈的基礎產業和公共事業。但隨著人們對電能需求量的逐漸增大及對電能質量的要求越來越高，傳統電網的變革與更新已經勢在必行。

智能電網是整合可持續再生能源并入中國發電行列，通過人工智能技術、自動化技術、物聯網技術來實現電網的自動化調度，提升電網的自愈、兼容及抗干擾能力，維護電網系統的穩定及可靠性，利用信息、通信、自動化、互動等技術對發電、輸電、配電、供電及用電過程等流程實現信息化和數字化，使生活、生產更加便利。

2 智能電網的背景

2.1 國內背景

如圖1 所示，在2010 年火力發電在中國的電力能源結構占比73%，隨著國家大力提倡清潔能源的開發與運用，在2019 年火力發電在電力能源結構中已經減至59%，同樣形成鮮明對比時新能源發電裝機容量，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。新的挑戰隨之而來，一方面是風能、水能、太陽能等清潔能源的發電量受到天氣、季節及地域等方面的限制，對電網的穩定運行形成挑戰；另一方面利用清潔能源發電會形成分布式發電模式，在并網時會影響電網的電能質量；最后隨著中國的華龍二號、三號等世界一流的核電技術的成熟，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系統帶來沖擊。這些都會影響傳統的電力系統供電的安全、穩定性及供電質量。

圖1 中國電源結構對比

表1 可再生能源的裝機容量及占比

所以傳統電網的升級換代是必須的，智能電網就營運而生。中國對于智能電網的先期探索是從2009 年前后開始的，經過幾年的籌備，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打下堅實基礎。因此，國家電網從實踐與國情出發提出建設具有中國特色的“堅強智能電網”計劃。

2.2 國外背景

2003-08-14 的美國、加拿大大停電事件，由于管理調度等原因造成大量的經濟損失及數千萬人受到影響；2003-08-28，由于英國國家電網故障造成了倫敦市2 h 的停電事故，此次事故影響了50 萬人的正常生活。上述事故的產生背后有一個共同的特點，就是電網在外力影響及突發事件的作用會造成電網的內部電網系統失去穩定性，最終事故造成大量的經濟損失。

發達國家的電力行業雖然是比較發達的，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，傳統的電網可能需要一次蛻變才能適應世界的潮流及發展，所以電網的2.0 版本就適宜的出現了。

美國率先提出建設智能電網，美國能源部DOE（United States Department of Energy）在21 世紀初提出“智能電網”（Grid－Wise），美國的“智能電網”不太重視對基礎架構的升級，最看重的是利用信息化來實現可視化的智能電網；其次是歐洲，歐洲視智能電網為Smart Grid，歐洲更加現實，希望利用清潔能源的分布式發展進行整個電力網絡的優化。

3 智能電網的發展現狀

隨著“十三五計劃”收官之年的到來，智能電網的關鍵技術的日益成熟，在電網的運行及控制方面，中國具有“統一調度”的社會主義體制優勢和深厚的運行、維護技術積累，電網的調度能力及水準已達到國際一流。在發電環節能夠將水能、潮汐能、風能及太陽能等可循環使用的可再生能源發電站連接并入傳統的電網系統之中，在輸電環節擁有超高壓和特高壓的直流、交流輸電技術，在變電環節擁有以智能自動化、集成化、數字信息化為特點且處于國際領先地位的智能變電站[4]，在配用電環節掌握了配電自動化系統技術、分布式電源接入與微電網技術等。

2013-07，“德令哈50 MW 塔式太陽能熱發電站一期10 MW 工程”并入青海電網，這是中國首座大規模應用的太陽能發電站，這標志著中國自主研發的太陽能光熱發電技術向商業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發電的空白，為中國建設并發展大規模應用的商業化太陽能熱發電站提供了強力的技術支撐與示范引領；坐落于上海南匯的柔性直流輸電項目在2011-10 完成建設并正式開始運營；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，這標志著中國在柔性直流輸電技術領域的又一大突破；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，標志著中國在高壓大容量直流輸電技術上處于世界一流水平；2019 年，國網遼寧電力圍繞電網運行各個環節萬物互聯，制定多類型能源的實時協同控制策略，建立以水火電調節為主、電蓄熱和電儲能為輔、風光緊急調節的多能源協同發電控制系統。

綜上所述，隨著中國智能電網十數年的快速發展，中國智能電網取得了令全世界矚目的成就，電網終將建設成具有堅強、智能兩大特征的國家電網乃至世界電網。

由于世界各國對于智能電網的理解與目的不同，所以智能電網在各個國家的出發點大不一樣。美國的智能電網比較重視智能配電環節與智能用電環節，主要包括智能電表、微電網及相應需求等方面。為了發展智能電網，美國政府在2009-04 宣布開發新的電力傳輸技術，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城市[2]。

歐洲智能電網則主要在配電側，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，遠距離輸電和新技術的應用都是主要部分。

4 智能電網的關鍵技術

4.1 柔性直流輸電技術

在傳統電網建設時期，由于技術及設備的落后，在輸電配電環節只能采用交流電的配電方案，隨著直流技術的發展及直流輸電具有穩定性、經濟性及低損耗等優點，直流輸配電方案絕對是具有發展潛力的配電方式。

柔性直流輸電技術是繼交流輸電技術和常規直流輸電技術之外的輸電技術，柔性直流輸電技術是以電壓源換流器為核心，并且是目前可控性、適應性都極優秀的輸電技術[3]。這項技術對智能電網的建設至關重要。

4.2 智能設備的在線監測

近年來，傳感器技術快速發展，將傳感器應用于智能變電站的各類電器一次設備的在線監控已經能夠實現。智能變電站的實時監控不僅能夠監控各種電氣設備的狀態，還能根據大數據對電氣設備綜合評估并預防事故的發生。例如對斷路器的和監控，不但能夠監控斷路器內部的其他的密度及其密封性，還能夠實時監測斷路器內部觸頭構的機械損耗情況。

4.3 自愈控制技術

智能電網的自愈控制技術指的是通過利用當前能調用的所有電網資源，了解電網運行狀態，并分析判斷當前電網是否存在運行隱患，對于正常運行的電網適時采用優化策略，而對于非正常狀態運行下的電網及時進行檢修等措施，對于可能產生的干擾現象進行遏制，減少人工操作，從而實現配電網擾動以及線路故障的影響最小化。

5 總結

智能電網是電力系統發展過程中產物，智能電網貫穿經濟、能源、生活、國家安全等諸多方面，是社會穩定的重要基石之一，同時智能電網的建設過程中也會遇到極強的挑戰，我們應借鑒國內外同行的成功經驗與吸取失敗的教訓，為未來遇到更大挑戰做準備。

智能電網是電力系統建設的最終目標，也是“中國夢”的重要助推力之一，智能電網的建設不是一朝一夕就能建設成功的，而是需要電力電器行業的工作者堅持不懈奮斗的復雜工程。智能電網的建設不僅能夠把清潔能源的發電并入電網，而且能夠為變電、輸電、配電及用電過程提供數字化、自動化、互動化等便利；未來的電力系統能源消耗結構清潔能源占比不斷加大；整個電力系統的運轉平穩、安全，處理電力系統故障精確、方便、快捷。