／工業(yè)和信息化部產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心 高棟 劉嘉 范秋／

智能電網(wǎng)關鍵基礎技術(shù)分析

／工業(yè)和信息化部產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心 高棟 劉嘉 范秋／

智能電網(wǎng)是集成現(xiàn)代多學科科學技術(shù)發(fā)展成果的產(chǎn)物，涉及范圍十分廣泛，本文選擇與智能電網(wǎng)發(fā)展密切相關且影響效應強的傳感器、互聯(lián)網(wǎng)及柔性輸電三方面內(nèi)容加以介紹。

第一節(jié) 傳感器

一、我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

傳感器（transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

我國傳感器產(chǎn)品僅有10大類、42小類、6000多個品種，尚有大量的品種短缺。在技術(shù)和生產(chǎn)能力上同發(fā)達國家相比，產(chǎn)品技術(shù)檔次低，品種規(guī)格不齊全，遠不能滿足國內(nèi)需求，特別是一些高檔傳感器、MEMS傳感器、汽車用傳感器以及專用配套傳感器等，這些仍然主要依賴進口。

我國在傳感器技術(shù)研究方面，正在逐漸縮小與國外的差距，一批基于MEMS技術(shù)的新型傳感器正在進入市場，在各領域中不斷拓寬應用范圍，設計技術(shù)、材料控制技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、可靠性技術(shù)和測試技術(shù)不斷發(fā)展成熟，量產(chǎn)能力逐步提高。在激烈的市場競爭條件下，我國生產(chǎn)的傳統(tǒng)傳感器，如力學量傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器、光學傳感器、電壓敏傳感器，產(chǎn)銷形勢穩(wěn)中有升，在國內(nèi)市場份額逐步增長的同時滿足了部分國外市場的需求。

傳感器技術(shù)朝著智能化、集成化的方向發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、低成本、標準化也成為傳感器產(chǎn)品發(fā)展的總體趨勢。生產(chǎn)制造方面應從產(chǎn)品、應用市場、營銷模式、基礎設施等多方面綜合考慮，加強傳感器的可靠性設計?？煽啃灾笜?，可與產(chǎn)品功能、性能指標一起確定。

二、智能電網(wǎng)傳感器

智能電網(wǎng)信息化、自動化、互動化等特征，決定了電網(wǎng)設備需要通過高效先進的傳感措施或手段與先進通信信息技術(shù)融合，形成智能電網(wǎng)通信信息網(wǎng)絡。如果把整個智能電網(wǎng)比作人的身體，那傳感器就是遍布于全身，使人感覺到酸甜苦辣、冷熱餓飽、香臭麻疼等的末梢神經(jīng)。

傳感器、監(jiān)視器、通信裝置和智能電表等正是建設智能電網(wǎng)的最重要的組成部分。智能電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的信息采集必須通過傳感器才能完成。傳感器是智能電網(wǎng)得以建立的基礎和前提。沒有智能傳感器就談不上智能電網(wǎng)。

（一）智能電網(wǎng)設備工作的自然環(huán)境要求

見表1。

（二）智能電網(wǎng)設備工作狀態(tài)下形成的人工環(huán)境要求

溫度、濕度、電場強度、磁場強度、振動幅度與頻度、振蕩擺度、環(huán)境介質(zhì)。

（三）特殊要求傳感器自身的工作環(huán)境要求

如防雨淋、放擠壓、防暴曬、防油污等。

三、智能電網(wǎng)中傳感器需感知的參量

在智能電網(wǎng)每一個環(huán)節(jié)中除需要感知環(huán)境、氣象等參量外，還都需要感知一次電路電壓和電流等主要電參量。在發(fā)電、輸電等環(huán)節(jié)還需要監(jiān)測頻率，而直流輸電則不存在主頻率問題，主要關注諧波分量等。（見表2）

四、智能電網(wǎng)傳感器的種類（部分）

電力行業(yè)從發(fā)、輸、變、配、用各個環(huán)節(jié)都離不開傳感器技術(shù)的應用。智能電網(wǎng)設備所用到的部分傳感器種類如下。

從用途方面來分，主要使用傳感器有：

表1 智能電網(wǎng)設備工作的自然環(huán)境要求

表2 智能電網(wǎng)中傳感器需感知的參量

應力傳感器、角度傳感器、風速傳感器、光強度傳感器。

振動傳感器、紅外傳感器、圖像傳感器。

電流傳感器、電壓傳感器、局部放電傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、氣體密度及微水傳感器、濕度傳感器、光電編碼傳感器。

變壓器油色譜傳感器系統(tǒng)、套管介質(zhì)損耗傳感器系統(tǒng)、繞組變形傳感器、變壓器油微水傳感器、干濕度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、噪聲傳感器、油流量傳感器、位置傳感器等。

值得說明的是，多種原理和許多不同使用領域的新型傳感器，如航天用傳感器、汽車用傳感器（如胎壓傳感器）、測繪測量用傳感器、其他工業(yè)用傳感器等，應該在智能電網(wǎng)設備上有很大的開發(fā)應用前景。

五、傳感器需滿足智能電網(wǎng)主設備一體化的需要

傳感器行業(yè)需詳細了解主設備及輔助設備的工作情形、工作狀態(tài)及工作環(huán)境（如電磁場環(huán)境，溫度、振動等），充分把握主設備對傳感器種類、性能、形態(tài)、接口、通信等方面的需求或要求，滿足智能電網(wǎng)設備一體化制造、一體化檢測、一體化調(diào)試的要求。

（一）物理結(jié)構(gòu)形態(tài)

自成體系的、置于主設備的傳感器，要滿足主設備的結(jié)構(gòu)布局，實現(xiàn)空間占用最小，外形結(jié)構(gòu)優(yōu)美，風式格調(diào)統(tǒng)一；同時，與主設備對外接口規(guī)格一致。 特別易于疏忽的如主設備的運輸顛震、操作振動等要求。

（二）網(wǎng)、站總體通用要求

各種傳感器要滿足場站信息通信交互、計量保護監(jiān)測、調(diào)度控制管理等多種一致性的通用要求。

（三）主體設備性能參數(shù)保障

不能因為各種傳感器的應用，有降低主設備整體性能參數(shù)的情況。

第二節(jié) 互聯(lián)網(wǎng)

一、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)指在計算機技術(shù)的基礎上開發(fā)建立的一種信息技術(shù)， 簡稱 IT。一般認為IT有以下三部分組成：

1）傳感技術(shù)，這是人的感覺器官的延伸與拓展，最明顯的例子是條碼閱讀器；

2）通信技術(shù)，這是人的神經(jīng)系統(tǒng)的延伸與拓展，承擔傳遞信息的功能；

3）計算機技術(shù)，這是人的大腦功能延伸與拓展，承擔對信息進行處理的功能。

二、互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟

互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟是基于互聯(lián)網(wǎng)所產(chǎn)生的經(jīng)濟活動的總和，在當今發(fā)展階段主要包括電子商務、即時通訊、搜索引擎和網(wǎng)絡游戲四大類型。互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟是信息網(wǎng)絡化時代產(chǎn)生的一種嶄新的經(jīng)濟現(xiàn)象。

互聯(lián)網(wǎng)對世界經(jīng)濟的發(fā)展的影響有兩個大的方面：一方面是成為 新經(jīng)濟發(fā)展的引擎，創(chuàng)造了新的經(jīng)濟發(fā)展模式；一方面，對傳統(tǒng)的經(jīng)濟模式和產(chǎn)業(yè)，起到了革新改造的作用，加速傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)變革與融合。

互聯(lián)網(wǎng)思維具體來說分兩個階段：第一個階段，把互聯(lián)網(wǎng)當做一個工具、方法，互聯(lián)網(wǎng)對整個傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)互相融合，才能把傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)真正轉(zhuǎn)型升級，創(chuàng)造價值。第二個階段，一是從客戶角度思考問題，為客戶創(chuàng)造價值。二是互聯(lián)網(wǎng)一定是開放、合作的，要靠資源整合合作共贏的理念來達到共贏。

面對互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)快速發(fā)展，許多傳統(tǒng)企業(yè)正在對市場、用戶、產(chǎn)品、企業(yè)價值鏈乃至整個商業(yè)生態(tài)進行重新審視。

除了對經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重大影響，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從根本上改變了人們的生活方式。它將繼續(xù)對人類的社會生活諸多方面。以及世界的經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響！典型應用GPS的使用只受限于人們的想象力。

第三節(jié) 柔性輸電

一、柔性交流輸電技術(shù)

（一）簡介

柔性交流輸電技術(shù)是綜合電力電子技術(shù)、微處理和微電子技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術(shù)，它能夠增強交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性并降低電力傳輸?shù)某杀?。該技術(shù)通過為電網(wǎng)提供感應或無功功率從而提高輸電質(zhì)量和效率。柔性交流輸電技術(shù)（Flexible Alternating Current Transmission Systems，簡稱FACTS）又稱為靈活交流輸電技術(shù)，定義為“除了直流輸電之外所有將電力電子技術(shù)用于輸電的實際應用技術(shù)”，其實質(zhì)就是引入各種電力電子變換器、補償控制器以實現(xiàn)靈活快速有效的控制交流輸電系統(tǒng)。

（二）主要內(nèi)容及功能

柔性交流輸電技術(shù)的主要內(nèi)容有：在輸電系統(tǒng)的主要部位，采用具有單獨或綜合功能的電力電子裝置，對輸電系統(tǒng)的主要參數(shù)（如電壓、相位差、電抗等）進行靈活快速的適時控制，以期實現(xiàn)輸送功率合理分配，降低功率損耗和發(fā)電成本，大幅度提高系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠性。

柔性交流輸電的主要功能可歸納為：①較大范圍地控制潮流；②保證輸電線輸電容量接近熱穩(wěn)定極限；③在控制區(qū)域內(nèi)可以傳輸更多的功率，減少發(fā)電機的熱備用；④依靠限制短路和設備故障的影響防止線路串級跳閘；⑤阻尼電力系統(tǒng)振蕩。

（三）主要設備及作用

柔性交流輸電主要設備分三大類。

串聯(lián)補償裝置：晶閘管控制串聯(lián)電容器（HYPERLINK TCSC）、晶閘管控制串聯(lián)電抗器（TCSR），靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC）等，主要作用是改變系統(tǒng)的有功潮流分布，提高系統(tǒng)的輸送容量和暫態(tài)穩(wěn)定性等；

并聯(lián)補償裝置：靜止無功補償器（SVC），晶閘管控制制動電阻器（TCBR）、靜止同步補償器（STATCOM）等，主要作用是改善系統(tǒng)的無功分布，進行電壓調(diào)整和提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性等；

綜合控制裝置：統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等綜合了串、并聯(lián)補償?shù)墓δ芎吞攸c，是實現(xiàn)電力網(wǎng)絡控制潮流，阻尼振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等功能的得力措施。

二、柔性直流輸電技術(shù)

（一）柔性直流輸電技術(shù)原理

先介紹高壓直流輸電技術(shù)原理易于理解柔性直流輸電技術(shù)。

（1）高壓直流輸電技術(shù)原理

高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。它包括兩個換流站（ZH1、ZH2）和直流線路。兩個換流站的直流側(cè)分別接到直流線路的兩端，交流側(cè)分別接到兩個交流系統(tǒng)I和II。換流站中主要包括換流器、換流變壓器、濾波器等裝置，它的功用是實現(xiàn)交流電和直流電之間的轉(zhuǎn)換。

從電力系統(tǒng)I向電力系統(tǒng)II輸送電力時，換流站ZH1把送端電力系統(tǒng)I送來的三相交流電流變換成直流電流，通過直流線路把直流電流和功率輸送到換流站ZH2，再由ZH2把直流電流又變換成三相交流電流。從交流變換成直流和從直流換成交流過程分別稱為整流和逆變。

高壓直流換流器（換流閥）通常由一個或多個換流橋串聯(lián)（或并聯(lián)）組成。目前用于直流輸電的換流器均采用三相橋式換流電路，每一個橋有六個橋臂（換流閥臂）?，F(xiàn)代高壓直流輸電工程都是利用晶閘管作為主要部件構(gòu)造換流閥。由于晶閘管單管耐壓相對較低，因此一般用幾十甚至幾百個晶閘管串聯(lián)組成換流器的橋臂。尤其是特高壓直流換流閥，其所需晶閘管串聯(lián)數(shù)更多。

圖1 直流輸電系統(tǒng)基本原理圖

（2）柔性直流輸電技術(shù)原理

柔性直流輸電作為新一代直流輸電技術(shù)，其在結(jié)構(gòu)上與高壓直流輸電類似，仍是由換流站和直流輸電線路（通常為直流電纜）構(gòu)成，圖2為雙端柔性直流輸電系統(tǒng)原理圖，包括兩個換流站和直流線路。

圖2 柔性直流輸電系統(tǒng)原理圖

與基于相控換相技術(shù)的電流源換流器型高壓直流輸電不同，柔性直流輸電中的換流器為電壓源換流器（VSC），其最大的特點是采用了可關斷器件（通常為IGBT）和高頻調(diào)制技術(shù)。通過調(diào)節(jié)換流器出口電壓的幅值和與系統(tǒng)電壓之間的功角差，可以獨立地控制輸出的有功功率和無功功率。這樣，通過對兩端換流站的控制，就可以實現(xiàn)兩個交流網(wǎng)絡之間有功功率的相互傳送，同時兩端換流站還可以獨立調(diào)節(jié)各自所吸收或發(fā)出的無功功率，從而對所聯(lián)的交流系統(tǒng)給予無功支撐。

（二）柔性直流輸電技術(shù)的特點

柔性直流輸電在孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模風電場并網(wǎng)方面具有較強的技術(shù)優(yōu)勢。柔性直流輸電與傳統(tǒng)采用晶閘管硅（ SCR）換流裝置的高壓直流輸電相比，技術(shù)上的主要特點為：

1）VSC能夠自關斷，工作于無源換流方式，不需要電網(wǎng)提供換相電壓；

2）控制方式靈活，可同時獨立控制有功功率和無功功率，穩(wěn)態(tài)運行時不需要交流系統(tǒng)提供無功；

3）交流系統(tǒng)故障時，能夠提供緊急有功支援和動態(tài)無功支撐，提高系統(tǒng)的功角、電壓穩(wěn)定性；

4）采用 VSC有利于構(gòu)成并聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)；

5）采用 PWM技術(shù)，輸出諧波多為高次諧波，濾波裝置容量大大減小。

第四節(jié) 傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、柔性輸電與智能電網(wǎng)

一、互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)具體來說就是智能化的電網(wǎng)。通常把由輸電、變電、配電設備及相應的輔助系統(tǒng)組成的聯(lián)系發(fā)電與用電的統(tǒng)一整體稱為電力網(wǎng)。即電網(wǎng)。這里電網(wǎng)主要包含兩方面的含義，一是聯(lián)絡發(fā)電與用電而設的充當“一次”電流、電壓載體、傳遞能量的“連接體系”；二是映像及保障“連接體系”安全、穩(wěn)定運行的相應的輔助系統(tǒng)。

在電網(wǎng)中，構(gòu)成“一次”電流、電壓載體的“連接體系”自成“一次網(wǎng)絡”，獨立運行，與相應的輔助系統(tǒng)電氣“隔離”。輔助系統(tǒng)為因“連接體系”而存在，也構(gòu)成了一個相應的“輔助網(wǎng)絡”即“二次網(wǎng)絡”。“二次網(wǎng)絡”根據(jù)“一次網(wǎng)絡”運行情況、人工操作指令等“綜合信息”對“一次網(wǎng)絡”實施監(jiān)測、調(diào)節(jié)、控制等，是一種“互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”，但其中包含了“專家診斷系統(tǒng)”等人工智能、現(xiàn)代管理思想等軟件體系，非普通網(wǎng)絡可比。從物理結(jié)構(gòu)上看，“互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”只涉及到了“二次網(wǎng)絡”的范疇，是整個智能電網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)的一個局部。物聯(lián)網(wǎng)（盡管目的意義各不相同）。

傳感器、RFID標簽等代表或映像各種物體（無論是復雜精密的，或是簡單普通的）通過和互聯(lián)網(wǎng)IP地址等標識建立網(wǎng)絡式互聯(lián)，形成物聯(lián)網(wǎng)。在電子生態(tài)系統(tǒng)中，真實世界與電腦互動，而傳感器構(gòu)成了該系統(tǒng)的邊緣，提供的數(shù)據(jù)種類比鍵盤和鼠標輸入的數(shù)據(jù)更豐富。將來更多的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)不是來自鍵盤，而是來自傳感器。傳感器的應用將逐漸滲透到人們社會、經(jīng)濟生活的各個方面、各個領域，能夠方便快捷地海量地傳遞各種信息或數(shù)據(jù)，這將進一步促進互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

三、智能電網(wǎng)是傳感器、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用的集中反映

二、傳感器與互聯(lián)網(wǎng)

互聯(lián)網(wǎng)最引人關注的兩個方面是各種電腦終端（包括固定或移動、有線或無線）的互聯(lián)和各種物體的互聯(lián)形成的

傳感器應用在智能電網(wǎng)建設、安全生產(chǎn)管理、運行維護、信息采集、安全監(jiān)控、計量及用戶交換等各個方面，可以全面提高各環(huán)節(jié)的信息感知深度、廣度以及密度，促進 “信息流、業(yè)務流、電力流的高度融合”的實現(xiàn)。智能電網(wǎng)應用的傳感器種類繁多、數(shù)量巨大，而且隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，應用的傳感器種類和數(shù)量將更多，技術(shù)要求也將更高。

智能電網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)應用于經(jīng)濟生產(chǎn)中的最為典型的案例，首先它的范圍十分廣大。其次是由于工作環(huán)境特殊，它在通信抗擾性、安全性等諸多方面比普通互聯(lián)網(wǎng)要求高。再次，智能電網(wǎng)應用了大量高新技術(shù)發(fā)展的成果，也有與之相適應的網(wǎng)絡要求。

可以說，智能電網(wǎng)是傳感器和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展成果的集合或集中展示，在很大程度上反映了傳感器、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展水平。

四、柔性輸電與智能電網(wǎng)

（一）柔性直流輸電與智能電網(wǎng)

柔性直流輸電是構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)相比，柔性直流輸電在孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模風電場并網(wǎng)等方面具有較強的技術(shù)優(yōu)勢，是改變大電網(wǎng)發(fā)展格局的戰(zhàn)略選擇。柔性直流輸電可攜帶來自多個站點的風能、太陽能等清潔能源，通過大容量、長距離的電力傳輸，到達多個負荷中心，為新能源并網(wǎng)、城市供電等提供一種有效的解決方案。

（二）柔性交流輸電與智能電網(wǎng)

運用柔性交流輸電技術(shù)，通過控制設備，可以有效地控制和調(diào)節(jié)電網(wǎng)運行的柔性，且把風電等新能源引入系統(tǒng)的運行方式，從而更好地滿足電網(wǎng)運行的需求。隨著當前電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)中的負荷和自由潮流也逐漸變大，這不利于電能的經(jīng)濟、高效傳輸。此外，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及導線發(fā)熱對交流遠距離的輸電傳輸有著重要的影響。柔性交流輸電技術(shù)中的控制系統(tǒng)的運行方式是很有必要的。柔性交流輸電技術(shù)集中了電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，為智能電網(wǎng)發(fā)展提供了保障。