清遠(yuǎn)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 林志剛

智能電網(wǎng)作為我國(guó)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(jìn)、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(duì)傳統(tǒng)物理電網(wǎng)進(jìn)行高度集成，使其處于統(tǒng)一的信息化管控平臺(tái)之上，同時(shí)借助能源轉(zhuǎn)化、能源多層級(jí)開發(fā)利用技術(shù)手段切實(shí)降低電網(wǎng)運(yùn)行能耗，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的智能化、跟蹤式與動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，保證電網(wǎng)運(yùn)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(fèi)、過度消耗，及時(shí)隔離電網(wǎng)運(yùn)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(jìn)我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)事業(yè)邁向更高的臺(tái)階，還能切實(shí)解決我國(guó)能源匱乏、能源分配不均衡的問題，對(duì)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(duì)物理電網(wǎng)進(jìn)行高度集成、將關(guān)鍵設(shè)備及運(yùn)行部分納入統(tǒng)一信息化管控與調(diào)度平臺(tái)內(nèi)，形成可實(shí)施監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行情況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)故障、計(jì)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(shì)便是經(jīng)濟(jì)互動(dòng)、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(yùn)行損耗、提高電能輸送效率、提升新能源利用率，從而及時(shí)響應(yīng)用電需求，在社會(huì)中形成理性、科學(xué)消費(fèi)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(dòng)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(jì)技術(shù)要點(diǎn)

1.1 可靠性

智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜性、系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)化的過程，包括電源設(shè)計(jì)、智能儀表設(shè)計(jì)、電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)等多個(gè)部分。在設(shè)計(jì)過程中各個(gè)部分能否相互協(xié)調(diào)、配合、互動(dòng)將直接影響電網(wǎng)運(yùn)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(jì)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(zhǎng)的智能電網(wǎng)中，當(dāng)設(shè)計(jì)與選擇智能儀表時(shí)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(jì)方法擴(kuò)大供電半徑。由此可見，可靠性是智能電網(wǎng)中電力設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)之一，應(yīng)保證所設(shè)計(jì)的智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)在安全可靠的狀態(tài)下運(yùn)行，并可及時(shí)反饋電網(wǎng)運(yùn)行情況、故障類型及異常信息流[2]。

1.2 自我修復(fù)性

相對(duì)于傳統(tǒng)電網(wǎng)的電力設(shè)計(jì)，智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計(jì)需考慮到電網(wǎng)故障的自動(dòng)化隔離、自動(dòng)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(shí)會(huì)影響其他設(shè)備的運(yùn)行情況，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。因此智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計(jì)需以自我修復(fù)性為技術(shù)要點(diǎn)，保證智能化系統(tǒng)可實(shí)時(shí)排查故障，確定故障類型并出具相應(yīng)的故障診斷報(bào)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(jì)應(yīng)能預(yù)測(cè)故障高頻發(fā)生期間，利用系統(tǒng)強(qiáng)大的運(yùn)算、分析功能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)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(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域生產(chǎn)、人們的日常生活、城鎮(zhèn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)等對(duì)電能的需求量與日俱增，且在城市擴(kuò)張、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的過程中，我國(guó)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(duì)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(guó)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(jì)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(guó)社會(huì)未來對(duì)電能的需求量、新能源領(lǐng)域發(fā)展形勢(shì)等，設(shè)計(jì)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(zhǎng)的對(duì)優(yōu)質(zhì)電能的需求，體現(xiàn)出智能電網(wǎng)中電力設(shè)計(jì)的社會(huì)效益[3]。

1.4 互動(dòng)性

智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計(jì)不僅需保證其電力系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)功能、可安全可靠供電，還需適應(yīng)電力行業(yè)發(fā)展形勢(shì)，以群眾需求為導(dǎo)向設(shè)計(jì)出高效、精準(zhǔn)、能與人們互動(dòng)的電價(jià)管理體系。當(dāng)前智能電網(wǎng)中電力設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智慧計(jì)價(jià)的技術(shù)要點(diǎn)在于綜合利用多功能智能表計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)在于雙向通信計(jì)量，一方面可記錄電網(wǎng)運(yùn)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(duì)電價(jià)管理進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃；另一方面可控制電力設(shè)備、監(jiān)測(cè)波形、掌握電流及電壓情況，為用戶反饋用電故障、電價(jià)問題等提供渠道。不僅如此，在電力設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮電網(wǎng)與現(xiàn)代化用電場(chǎng)景之間的交互，以此實(shí)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(guó)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(yùn)行的過程中不可避免地會(huì)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(huì)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(guó)能源儲(chǔ)備量與使用效率。為此在智慧電網(wǎng)的電力設(shè)計(jì)中需積極運(yùn)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(jì)目標(biāo)；再如科學(xué)計(jì)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(jì)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(yùn)行，又能切實(shí)避免能源浪費(fèi)、過度消耗。

2 智能電網(wǎng)中的電力設(shè)計(jì)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(diǎn)在于控制電力設(shè)備、監(jiān)測(cè)電流及電壓情況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障。智能電網(wǎng)運(yùn)行過程中會(huì)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(yùn)含著高度的利用與挖掘價(jià)值，因此需運(yùn)用信息采集處理技術(shù)，設(shè)計(jì)智能電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，將電流、電壓、波形、電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)在信息系統(tǒng)中。同時(shí)，利用相應(yīng)的算法、分析技術(shù)等識(shí)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(yùn)行性能等，能夠強(qiáng)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(jì)的自我修復(fù)性作用，從而提升智能電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。

2.2 智能表計(jì)

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(shí)便很有可能損壞精密元件，不僅會(huì)加大智能電網(wǎng)運(yùn)行成本，還會(huì)影響正常的供配電服務(wù)。智能電網(wǎng)電力設(shè)計(jì)中的智能表計(jì)主要功能在于對(duì)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(jìn)行實(shí)時(shí)化、跟蹤式與動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，全面呈現(xiàn)智能電網(wǎng)運(yùn)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(jì)納入自動(dòng)化控制系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)智能表計(jì)出現(xiàn)異常指示時(shí)及時(shí)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(hù)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(yùn)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(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的研究焦點(diǎn)。在智能電網(wǎng)的電力設(shè)計(jì)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(jì)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(chǎng)集中在電纜內(nèi)部，從而防止對(duì)外界產(chǎn)生諧波污染；導(dǎo)故障限流器集故障監(jiān)測(cè)、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(jī)（提高電機(jī)發(fā)電效率、減少電機(jī)整體重量、提升電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)中電力系統(tǒng)的輕量化）、超導(dǎo)變壓器（運(yùn)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(chǔ)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(jì)中高速雙向通信技術(shù)是指，將信號(hào)集中在電壓過零處附近、信號(hào)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?hào)自身頻率較低，所以電網(wǎng)內(nèi)電感、電容的分布參數(shù)對(duì)信號(hào)的影響較小，可有效地解決跨配電變壓器臺(tái)區(qū)問題。當(dāng)前較為常用的電力設(shè)計(jì)高速雙向通信技術(shù)包括電力載波技術(shù)、雙向工頻自動(dòng)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(kuò)頻載波技術(shù)。相對(duì)于常規(guī)載波技術(shù)擴(kuò)頻載波技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(hào)通道、輸入信號(hào)通道兩部分，借助調(diào)制電流基波波形的方式進(jìn)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(hù)與電網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

在設(shè)計(jì)智能電網(wǎng)的廣域保護(hù)與智能調(diào)度系統(tǒng)時(shí)可采用的新技術(shù)、新軟件十分多元。如DES軟件可對(duì)廣域保護(hù)與智能調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行快速的模擬仿真（圖1），能構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)裝置、變壓器、負(fù)荷、電機(jī)等仿真模型，可模擬智能電網(wǎng)中電力系統(tǒng)日常運(yùn)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(yùn)行效率。同時(shí)，借助仿真算法求解技術(shù)可優(yōu)化智能電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算穩(wěn)態(tài)潮流與暫態(tài)處理，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)智能電網(wǎng)運(yùn)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(jī)交互功能，可適應(yīng)更加復(fù)雜的運(yùn)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(jì)的核心目標(biāo)之一。當(dāng)前我國(guó)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(yùn)行對(duì)傳統(tǒng)煤炭資源的消耗量。但我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)的太陽能儲(chǔ)備量具有明顯的差異性，因此需進(jìn)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(shì)、人們可接受的用電價(jià)格等將能源轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)計(jì)中，通過構(gòu)建大規(guī)模電能存儲(chǔ)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(jì)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(dòng)化、高效化及綠色化特征，在智能電網(wǎng)電力設(shè)計(jì)中需把握可靠性、自我修復(fù)性、通用性、互動(dòng)性及節(jié)能性五大技術(shù)要點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)智能電網(wǎng)運(yùn)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(jì)、超導(dǎo)電力技術(shù)、高速雙向通信技術(shù)、廣域保護(hù)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(jì)的科學(xué)性、可行性。