智能電網中的電力設計關鍵技術研究

清遠電力規劃設計院有限公司 林志剛

智能電網作為我國現代化供配電體系建設中的核心組成部分，是下一代電網基本模式，通過利用先進、前沿且現代化的信息、通信、智能控制、智能調度等技術對傳統物理電網進行高度集成，使其處于統一的信息化管控平臺之上，同時借助能源轉化、能源多層級開發利用技術手段切實降低電網運行能耗，可實現對電網運行的智能化、跟蹤式與動態化監測，保證電網運行安全、可靠、持續、穩定的前提下最大程度上降低能源浪費、過度消耗，及時隔離電網運行故障部分，不僅能夠引發電網系統、設備、技術的新一代變革，促進我國電網建設事業邁向更高的臺階，還能切實解決我國能源匱乏、能源分配不均衡的問題，對于電網領域的高質量、可持續發展意義重大。

智能電網即電網智能化，是指利用現代信息、通信及科學技術在原本物理電網基礎上通過對物理電網進行高度集成、將關鍵設備及運行部分納入統一信息化管控與調度平臺內，形成可實施監測電網運行情況、及時發現電網故障、計算并調節電網能耗的智能化供電網絡。與傳統電網相比，智能電網最為顯著的優勢便是經濟互動、兼容利用與能源替換，在保證遠距離供配電安全可靠、穩定持續的前提下，依靠智能調度系統、高速通信系統、超導電力、信息采集處理等關鍵技術降低電網運行損耗、提高電能輸送效率、提升新能源利用率，從而及時響應用電需求，在社會中形成理性、科學消費電能的良好氛圍。綜合來看，智能電網具有信息化、數字化、智能化、互動化、高效化及綠色化等顯著特征[1]。

1 智能電網中的電力設計技術要點

1.1 可靠性

智能電網中的電力設計是一項復雜性、系統性、動態化的過程，包括電源設計、智能儀表設計、電網自動化設計等多個部分。在設計過程中各個部分能否相互協調、配合、互動將直接影響電網運行可靠性的高低。如采用大容量、靈活接入方式的智能電網，在電源設計工作中應綜合考慮短路容量、無輻射潮流等問題；在輸電距離較長的智能電網中，當設計與選擇智能儀表時需提前做好用電量規劃，并通過降低允許電壓、減小電纜直徑的設計方法擴大供電半徑。由此可見，可靠性是智能電網中電力設計的技術要點之一，應保證所設計的智能電網電力系統在安全可靠的狀態下運行，并可及時反饋電網運行情況、故障類型及異常信息流[2]。

1.2 自我修復性

相對于傳統電網的電力設計，智能電網中的電力設計需考慮到電網故障的自動化隔離、自動化診斷。智能電網系統十分復雜，包含諸多電力設備，當設備出現故障時會影響其他設備的運行情況，甚至會導致整個系統癱瘓。因此智能電網中的電力設計需以自我修復性為技術要點，保證智能化系統可實時排查故障，確定故障類型并出具相應的故障診斷報告，以此為電力系統檢修人員提供便利與決策支持。不僅如此，智能電網中的電力設計應能預測故障高頻發生期間，利用系統強大的運算、分析功能精準預測子系統、電力設備的故障發生周期、影響程度，從而做好應急預案，最大程度上降低故障發生概率。

1.3 通用性

伴隨著我國城鎮化建設進程的推進，社會各個領域生產、人們的日常生活、城鎮的正常運轉等對電能的需求量與日俱增，且在城市擴張、基礎設施建設的過程中，我國供電系統的輸電距離持續加大，需跨越復雜地形及苛刻地貌，對于智能電網的通用性、適用性提出了更高的要求。雖然當前我國智慧電網的發電類型多種多樣，如水利發電、核能發電等，但不同智慧電網中的電力設計原理基本相同，且秉承求同存異的基本原則。為此，應綜合考慮我國社會未來對電能的需求量、新能源領域發展形勢等，設計出具有兼容性、可支持擴展、便于接入多種設備及智能服務終端的智能電網電力系統，以此滿足日益增長的對優質電能的需求，體現出智能電網中電力設計的社會效益[3]。

1.4 互動性

智能電網中的電力設計不僅需保證其電力系統達到設計功能、可安全可靠供電，還需適應電力行業發展形勢，以群眾需求為導向設計出高效、精準、能與人們互動的電價管理體系。當前智能電網中電力設計實現智慧計價的技術要點在于綜合利用多功能智能表計，其優點在于雙向通信計量，一方面可記錄電網運行中產生的海量數據，了解智能電網覆蓋范圍內用電高峰與低谷期，在遵循保障廣大群眾合法權益、為群眾創造利益的基本原則上對電價管理進行科學規劃；另一方面可控制電力設備、監測波形、掌握電流及電壓情況，為用戶反饋用電故障、電價問題等提供渠道。不僅如此，在電力設計中還應考慮電網與現代化用電場景之間的交互，以此實現電能的優化利用。

1.5 節能性

智能電網是構建我國現代化電網系統的必然選擇，但在智能電網建設、運行的過程中不可避免地會造成能源、資源消耗。在建立資源節約型、環境友好型社會的大背景下，電網系統作為能源及資源消耗集中地，其節能性、高效性、綠色化程度將直接影響我國能源儲備量與使用效率。為此在智慧電網的電力設計中需積極運用節能降耗技術，如優化電力系統布局，以最優化的布局方案、最低的材料消耗最大化達成電力設計目標；再如科學計算電能輸送量、規劃電網敷設形式、選擇能耗低的電力設備、采用變頻節能技術等，尤其是在偏遠、貧困地區，需以合理的設計產生規模效應，避免電網分散，既可保證智能電網高效率運行，又能切實避免能源浪費、過度消耗。

2 智能電網中的電力設計關鍵技術

2.1 信息采集處理技術

智能電網具有數字化、信息化的特征，技術要點在于控制電力設備、監測電流及電壓情況、及時發現系統故障。智能電網運行過程中會產生海量數據，此類數據具有大數據的特征，即多源異構，來源于不同環節、不同子系統及電力設備的數據背后蘊含著高度的利用與挖掘價值，因此需運用信息采集處理技術，設計智能電網運行數據庫，將電流、電壓、波形、電量等數據進行結構化處理，將電信號轉化為數字信號，存儲在信息系統中。同時，利用相應的算法、分析技術等識別數據背后的隱性關聯，根據數據分析結果診斷故障類型、了解電力設備運行性能等，能夠強化智能電網的檢查分析功能，發揮智能電網中電力設計的自我修復性作用，從而提升智能電網的運行質量。

2.2 智能表計

智能電網中包含眾多精密元件，當遭遇雷擊、地震等自然災害，或電網負荷過大等問題時便很有可能損壞精密元件，不僅會加大智能電網運行成本，還會影響正常的供配電服務。智能電網電力設計中的智能表計主要功能在于對智能電網關鍵部位、關鍵電力設備、非關鍵電力設備的關鍵部位等進行實時化、跟蹤式與動態化監測，全面呈現智能電網運行相關信息，如電力設備的性能指標、技術指標、電壓、電流、電阻等，將智能表計納入自動化控制系統內，當智能表計出現異常指示時及時反饋異常信息、阻斷異常電流，或隔離故障部位、設備，能夠避免故障傳導，保護智能電網內的精密元件、支持電網元件之間的相互通信，以此顯著提升智能電網運行的安全性、可靠性[4]。

2.3 超導電力技術

超導體具有傳統導體不具備的諸多物理性能，如零電阻特性、完全抗磁特性、宏觀量子相干效應等。自1986年高超導材料被發現以來，開發超導電力裝置、研究包含超導裝置在內的電力系統、電力系統與超導裝置間的相互影響等已成為世界各國智能電網建設的研究焦點。在智能電網的電力設計中采用超導電力技術規劃電網能夠達到綠色設計目標：高超導電纜傳輸容量比常規電纜高3～5倍，焦耳熱損耗幾乎為零，加之高超導材料的完全抗磁特性能將磁場集中在電纜內部，從而防止對外界產生諧波污染；導故障限流器集故障監測、觸發及限流功能于一體，可明顯降低最大短路電流，保障智能電網的安全性。

此外還包括超導電機（提高電機發電效率、減少電機整體重量、提升電機運行穩定性，實現智能電網中電力系統的輕量化）、超導變壓器（運行效率高達99.1%、容量可提升至800kVA，提升配電變壓器質量）、超導磁儲能（能量轉換效率達95%、反應速度達幾毫秒；調節電力系統峰谷、降低電網低頻功率震蕩、改善電力系統穩定性。）

2.4 高速雙向通信技術

智能電網電力設計中高速雙向通信技術是指，將信號集中在電壓過零處附近、信號穿過配電變壓器附近無需轉接設備的關鍵技術，因該技術下電網傳輸的信號自身頻率較低，所以電網內電感、電容的分布參數對信號的影響較小，可有效地解決跨配電變壓器臺區問題。當前較為常用的電力設計高速雙向通信技術包括電力載波技術、雙向工頻自動通信系統。

其中電力載波技術包括常規載波技術、擴頻載波技術。相對于常規載波技術擴頻載波技術優勢明顯，其能利用連續相位調制技術、自適應均衡技術等克服信道限制，從而顯著提升智能電網雙向通信的可靠性與連續性；雙向工頻通信系統包括輸出信號通道、輸入信號通道兩部分，借助調制電流基波波形的方式進行通信，無需增設轉接設備，不需要中繼環節，可支持智能電網的遠距離、大容量通信。

2.5 廣域保護與電網智能調度系統設計技術

在設計智能電網的廣域保護與智能調度系統時可采用的新技術、新軟件十分多元。如DES軟件可對廣域保護與智能調度系統進行快速的模擬仿真（圖1），能構建系統內自動裝置、變壓器、負荷、電機等仿真模型，可模擬智能電網中電力系統日常運行情況，了解智能電網內各類電力設備、網絡的相應速度與運行效率。同時，借助仿真算法求解技術可優化智能電網節點，計算穩態潮流與暫態處理，實時評價智能電網運行安全性與穩定性。此外，以SCADA子系統為核心的電網智能調具備人機交互功能，可適應更加復雜的運行環境，支持智能電網連接設備信息的收集、處理、查詢、調取。

圖1 電網智能調度系統架構示意圖

2.6 能源轉換技術

節能降耗是智能電網中電力設計的核心目標之一。當前我國光伏發電技術愈發成熟，將清潔、可再生的太陽能轉化為電能后可降低電網運行對傳統煤炭資源的消耗量。但我國幅員遼闊，不同地區的太陽能儲備量具有明顯的差異性，因此需進一步借助能源轉換技術探尋將風能、生物質能、潮汐能轉化為電能的可行性路徑，綜合考慮不同區域的用電需求、能源優勢、人們可接受的用電價格等將能源轉換技術應用于電力設計中，通過構建大規模電能存儲系統解決智能電網供配電問題，從而充分發揮智能電網中電力設計的作用。

3 結語

綜上，智能電網具有信息化、數字化、智能化、互動化、高效化及綠色化特征，在智能電網電力設計中需把握可靠性、自我修復性、通用性、互動性及節能性五大技術要點。同時，根據智能電網運行條件、供配電需求、監控功能等合理利用信息采集處理技術、智能表計、超導電力技術、高速雙向通信技術、廣域保護與智能調度技術、能源轉換技術，以此提升智能電網中電力設計的科學性、可行性。