清遠(yuǎn)電力規(guī)劃設(shè)計院有限公司 林志剛

智能電網(wǎng)作為我國現(xiàn)代化供配電體系建設(shè)中的核心組成部分，是下一代電網(wǎng)基本模式，通過利用先進、前沿且現(xiàn)代化的信息、通信、智能控制、智能調(diào)度等技術(shù)對傳統(tǒng)物理電網(wǎng)進行高度集成，使其處于統(tǒng)一的信息化管控平臺之上，同時借助能源轉(zhuǎn)化、能源多層級開發(fā)利用技術(shù)手段切實降低電網(wǎng)運行能耗，可實現(xiàn)對電網(wǎng)運行的智能化、跟蹤式與動態(tài)化監(jiān)測，保證電網(wǎng)運行安全、可靠、持續(xù)、穩(wěn)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(wǎng)運行故障部分，不僅能夠引發(fā)電網(wǎng)系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)的新一代變革，促進我國電網(wǎng)建設(shè)事業(yè)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(wǎng)領(lǐng)域的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展意義重大。

智能電網(wǎng)即電網(wǎng)智能化，是指利用現(xiàn)代信息、通信及科學(xué)技術(shù)在原本物理電網(wǎng)基礎(chǔ)上通過對物理電網(wǎng)進行高度集成、將關(guān)鍵設(shè)備及運行部分納入統(tǒng)一信息化管控與調(diào)度平臺內(nèi)，形成可實施監(jiān)測電網(wǎng)運行情況、及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)故障、計算并調(diào)節(jié)電網(wǎng)能耗的智能化供電網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)最為顯著的優(yōu)勢便是經(jīng)濟互動、兼容利用與能源替換，在保證遠(yuǎn)距離供配電安全可靠、穩(wěn)定持續(xù)的前提下，依靠智能調(diào)度系統(tǒng)、高速通信系統(tǒng)、超導(dǎo)電力、信息采集處理等關(guān)鍵技術(shù)降低電網(wǎng)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(yīng)用電需求，在社會中形成理性、科學(xué)消費電能的良好氛圍。綜合來看，智能電網(wǎng)具有信息化、數(shù)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(wǎng)中的電力設(shè)計技術(shù)要點

1.1 可靠性

智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計是一項復(fù)雜性、系統(tǒng)性、動態(tài)化的過程，包括電源設(shè)計、智能儀表設(shè)計、電網(wǎng)自動化設(shè)計等多個部分。在設(shè)計過程中各個部分能否相互協(xié)調(diào)、配合、互動將直接影響電網(wǎng)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(wǎng)，在電源設(shè)計工作中應(yīng)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(wǎng)中，當(dāng)設(shè)計與選擇智能儀表時需提前做好用電量規(guī)劃，并通過降低允許電壓、減小電纜直徑的設(shè)計方法擴大供電半徑。由此可見，可靠性是智能電網(wǎng)中電力設(shè)計的技術(shù)要點之一，應(yīng)保證所設(shè)計的智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)在安全可靠的狀態(tài)下運行，并可及時反饋電網(wǎng)運行情況、故障類型及異常信息流[2]。

1.2 自我修復(fù)性

相對于傳統(tǒng)電網(wǎng)的電力設(shè)計，智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計需考慮到電網(wǎng)故障的自動化隔離、自動化診斷。智能電網(wǎng)系統(tǒng)十分復(fù)雜，包含諸多電力設(shè)備，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時會影響其他設(shè)備的運行情況，甚至?xí)?dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。因此智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計需以自我修復(fù)性為技術(shù)要點，保證智能化系統(tǒng)可實時排查故障，確定故障類型并出具相應(yīng)的故障診斷報告，以此為電力系統(tǒng)檢修人員提供便利與決策支持。不僅如此，智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計應(yīng)能預(yù)測故障高頻發(fā)生期間，利用系統(tǒng)強大的運算、分析功能精準(zhǔn)預(yù)測子系統(tǒng)、電力設(shè)備的故障發(fā)生周期、影響程度，從而做好應(yīng)急預(yù)案，最大程度上降低故障發(fā)生概率。

1.3 通用性

伴隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)進程的推進，社會各個領(lǐng)域生產(chǎn)、人們的日常生活、城鎮(zhèn)的正常運轉(zhuǎn)等對電能的需求量與日俱增，且在城市擴張、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的過程中，我國供電系統(tǒng)的輸電距離持續(xù)加大，需跨越復(fù)雜地形及苛刻地貌，對于智能電網(wǎng)的通用性、適用性提出了更高的要求。雖然當(dāng)前我國智慧電網(wǎng)的發(fā)電類型多種多樣，如水利發(fā)電、核能發(fā)電等，但不同智慧電網(wǎng)中的電力設(shè)計原理基本相同，且秉承求同存異的基本原則。為此，應(yīng)綜合考慮我國社會未來對電能的需求量、新能源領(lǐng)域發(fā)展形勢等，設(shè)計出具有兼容性、可支持?jǐn)U展、便于接入多種設(shè)備及智能服務(wù)終端的智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)，以此滿足日益增長的對優(yōu)質(zhì)電能的需求，體現(xiàn)出智能電網(wǎng)中電力設(shè)計的社會效益[3]。

1.4 互動性

智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計不僅需保證其電力系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計功能、可安全可靠供電，還需適應(yīng)電力行業(yè)發(fā)展形勢，以群眾需求為導(dǎo)向設(shè)計出高效、精準(zhǔn)、能與人們互動的電價管理體系。當(dāng)前智能電網(wǎng)中電力設(shè)計實現(xiàn)智慧計價的技術(shù)要點在于綜合利用多功能智能表計，其優(yōu)點在于雙向通信計量，一方面可記錄電網(wǎng)運行中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，了解智能電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)用電高峰與低谷期，在遵循保障廣大群眾合法權(quán)益、為群眾創(chuàng)造利益的基本原則上對電價管理進行科學(xué)規(guī)劃；另一方面可控制電力設(shè)備、監(jiān)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(shè)計中還應(yīng)考慮電網(wǎng)與現(xiàn)代化用電場景之間的交互，以此實現(xiàn)電能的優(yōu)化利用。

1.5 節(jié)能性

智能電網(wǎng)是構(gòu)建我國現(xiàn)代化電網(wǎng)系統(tǒng)的必然選擇，但在智能電網(wǎng)建設(shè)、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(jié)約型、環(huán)境友好型社會的大背景下，電網(wǎng)系統(tǒng)作為能源及資源消耗集中地，其節(jié)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(wǎng)的電力設(shè)計中需積極運用節(jié)能降耗技術(shù)，如優(yōu)化電力系統(tǒng)布局，以最優(yōu)化的布局方案、最低的材料消耗最大化達(dá)成電力設(shè)計目標(biāo)；再如科學(xué)計算電能輸送量、規(guī)劃電網(wǎng)敷設(shè)形式、選擇能耗低的電力設(shè)備、采用變頻節(jié)能技術(shù)等，尤其是在偏遠(yuǎn)、貧困地區(qū)，需以合理的設(shè)計產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)，避免電網(wǎng)分散，既可保證智能電網(wǎng)高效率運行，又能切實避免能源浪費、過度消耗。

2 智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 信息采集處理技術(shù)

智能電網(wǎng)具有數(shù)字化、信息化的特征，技術(shù)要點在于控制電力設(shè)備、監(jiān)測電流及電壓情況、及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障。智能電網(wǎng)運行過程中會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)具有大數(shù)據(jù)的特征，即多源異構(gòu)，來源于不同環(huán)節(jié)、不同子系統(tǒng)及電力設(shè)備的數(shù)據(jù)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(shù)，設(shè)計智能電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)庫，將電流、電壓、波形、電量等數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化處理，將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，存儲在信息系統(tǒng)中。同時，利用相應(yīng)的算法、分析技術(shù)等識別數(shù)據(jù)背后的隱性關(guān)聯(lián)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果診斷故障類型、了解電力設(shè)備運行性能等，能夠強化智能電網(wǎng)的檢查分析功能，發(fā)揮智能電網(wǎng)中電力設(shè)計的自我修復(fù)性作用，從而提升智能電網(wǎng)的運行質(zhì)量。

2.2 智能表計

智能電網(wǎng)中包含眾多精密元件，當(dāng)遭遇雷擊、地震等自然災(zāi)害，或電網(wǎng)負(fù)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(wǎng)運行成本，還會影響正常的供配電服務(wù)。智能電網(wǎng)電力設(shè)計中的智能表計主要功能在于對智能電網(wǎng)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵電力設(shè)備、非關(guān)鍵電力設(shè)備的關(guān)鍵部位等進行實時化、跟蹤式與動態(tài)化監(jiān)測，全面呈現(xiàn)智能電網(wǎng)運行相關(guān)信息，如電力設(shè)備的性能指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、電壓、電流、電阻等，將智能表計納入自動化控制系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)智能表計出現(xiàn)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(shè)備，能夠避免故障傳導(dǎo)，保護智能電網(wǎng)內(nèi)的精密元件、支持電網(wǎng)元件之間的相互通信，以此顯著提升智能電網(wǎng)運行的安全性、可靠性[4]。

2.3 超導(dǎo)電力技術(shù)

超導(dǎo)體具有傳統(tǒng)導(dǎo)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(yīng)等。自1986年高超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)以來，開發(fā)超導(dǎo)電力裝置、研究包含超導(dǎo)裝置在內(nèi)的電力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與超導(dǎo)裝置間的相互影響等已成為世界各國智能電網(wǎng)建設(shè)的研究焦點。在智能電網(wǎng)的電力設(shè)計中采用超導(dǎo)電力技術(shù)規(guī)劃電網(wǎng)能夠達(dá)到綠色設(shè)計目標(biāo)：高超導(dǎo)電纜傳輸容量比常規(guī)電纜高3～5倍，焦耳熱損耗幾乎為零，加之高超導(dǎo)材料的完全抗磁特性能將磁場集中在電纜內(nèi)部，從而防止對外界產(chǎn)生諧波污染；導(dǎo)故障限流器集故障監(jiān)測、觸發(fā)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(wǎng)的安全性。

此外還包括超導(dǎo)電機（提高電機發(fā)電效率、減少電機整體重量、提升電機運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)智能電網(wǎng)中電力系統(tǒng)的輕量化）、超導(dǎo)變壓器（運行效率高達(dá)99.1%、容量可提升至800kVA，提升配電變壓器質(zhì)量）、超導(dǎo)磁儲能（能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)95%、反應(yīng)速度達(dá)幾毫秒；調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)峰谷、降低電網(wǎng)低頻功率震蕩、改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。）

2.4 高速雙向通信技術(shù)

智能電網(wǎng)電力設(shè)計中高速雙向通信技術(shù)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(zhuǎn)接設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，因該技術(shù)下電網(wǎng)傳輸?shù)男盘栕陨眍l率較低，所以電網(wǎng)內(nèi)電感、電容的分布參數(shù)對信號的影響較小，可有效地解決跨配電變壓器臺區(qū)問題。當(dāng)前較為常用的電力設(shè)計高速雙向通信技術(shù)包括電力載波技術(shù)、雙向工頻自動通信系統(tǒng)。

其中電力載波技術(shù)包括常規(guī)載波技術(shù)、擴頻載波技術(shù)。相對于常規(guī)載波技術(shù)擴頻載波技術(shù)優(yōu)勢明顯，其能利用連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)、自適應(yīng)均衡技術(shù)等克服信道限制，從而顯著提升智能電網(wǎng)雙向通信的可靠性與連續(xù)性；雙向工頻通信系統(tǒng)包括輸出信號通道、輸入信號通道兩部分，借助調(diào)制電流基波波形的方式進行通信，無需增設(shè)轉(zhuǎn)接設(shè)備，不需要中繼環(huán)節(jié)，可支持智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)距離、大容量通信。

2.5 廣域保護與電網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

在設(shè)計智能電網(wǎng)的廣域保護與智能調(diào)度系統(tǒng)時可采用的新技術(shù)、新軟件十分多元。如DES軟件可對廣域保護與智能調(diào)度系統(tǒng)進行快速的模擬仿真（圖1），能構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)自動裝置、變壓器、負(fù)荷、電機等仿真模型，可模擬智能電網(wǎng)中電力系統(tǒng)日常運行情況，了解智能電網(wǎng)內(nèi)各類電力設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)速度與運行效率。同時，借助仿真算法求解技術(shù)可優(yōu)化智能電網(wǎng)節(jié)點，計算穩(wěn)態(tài)潮流與暫態(tài)處理，實時評價智能電網(wǎng)運行安全性與穩(wěn)定性。此外，以SCADA子系統(tǒng)為核心的電網(wǎng)智能調(diào)具備人機交互功能，可適應(yīng)更加復(fù)雜的運行環(huán)境，支持智能電網(wǎng)連接設(shè)備信息的收集、處理、查詢、調(diào)取。

圖1 電網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.6 能源轉(zhuǎn)換技術(shù)

節(jié)能降耗是智能電網(wǎng)中電力設(shè)計的核心目標(biāo)之一。當(dāng)前我國光伏發(fā)電技術(shù)愈發(fā)成熟，將清潔、可再生的太陽能轉(zhuǎn)化為電能后可降低電網(wǎng)運行對傳統(tǒng)煤炭資源的消耗量。但我國幅員遼闊，不同地區(qū)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(zhuǎn)換技術(shù)探尋將風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能轉(zhuǎn)化為電能的可行性路徑，綜合考慮不同區(qū)域的用電需求、能源優(yōu)勢、人們可接受的用電價格等將能源轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)計中，通過構(gòu)建大規(guī)模電能存儲系統(tǒng)解決智能電網(wǎng)供配電問題，從而充分發(fā)揮智能電網(wǎng)中電力設(shè)計的作用。

3 結(jié)語

綜上，智能電網(wǎng)具有信息化、數(shù)字化、智能化、互動化、高效化及綠色化特征，在智能電網(wǎng)電力設(shè)計中需把握可靠性、自我修復(fù)性、通用性、互動性及節(jié)能性五大技術(shù)要點。同時，根據(jù)智能電網(wǎng)運行條件、供配電需求、監(jiān)控功能等合理利用信息采集處理技術(shù)、智能表計、超導(dǎo)電力技術(shù)、高速雙向通信技術(shù)、廣域保護與智能調(diào)度技術(shù)、能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，以此提升智能電網(wǎng)中電力設(shè)計的科學(xué)性、可行性。