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華明電力裝備股份有限公司

智能電網(wǎng)中電力設備及其技術(shù)發(fā)展分析

上傳時(shí)間:2016-10-11 08:49:00 來(lái)源: 瀏覽次數:2893

近年來(lái),隨著(zhù)各種先進(jìn)技術(shù)在電網(wǎng)中的廣泛應用,發(fā)展智能電網(wǎng)已在世界范圍內形成共識。由于智能電網(wǎng)尚處于起步階段,國際上對其還沒(méi)有達成統一而明確的定義。從技術(shù)發(fā)展和應用的角度看,世界各國、各領(lǐng)域的專(zhuān)家、學(xué)者普遍認同以下觀(guān)點(diǎn),智能電網(wǎng)是將先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、信息通信技術(shù)、分析決策技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和能源電力技術(shù)相結合,并與電網(wǎng)基礎設施高度集成而形成的新型現代化電網(wǎng)。作為一個(gè)完整的電力系統,智能電網(wǎng)涵蓋發(fā)、輸、變、配和用全流程,各個(gè)環(huán)節中涉及大量的電力設備和關(guān)鍵技術(shù)。智能電力設備,從狹義上來(lái)說(shuō),是具有信息獲取或傳輸,并能進(jìn)行邏輯判斷的電力設備,而廣義上,則可以認為是適應和支持智能電網(wǎng)新特點(diǎn)的有電力設備。實(shí)際上,就智能電網(wǎng)相關(guān)的各種硬件設施,比如高度的電力設備自動(dòng)化,各國一直都在進(jìn)行相關(guān)的建設。智能電網(wǎng)具有系統整合的特點(diǎn)和趨勢,將涉及到的各個(gè)單元或是部件整合成一個(gè)能智能化工作的系統,如智能配電系統,數字化變電站用戶(hù)電價(jià)互動(dòng)系統等,這些系統中已經(jīng)包含多種智能單元和部件,整合后的系統可能同時(shí)包含多個(gè)當前電力系統一、二次設備。

本文簡(jiǎn)要分析和介紹了支持智能電網(wǎng)的各項新設備(新技術(shù))包含各種新型能源發(fā)電和接入設備,超導、復合材料傳輸設備,儲能設備,新型電力電子設備,信息量測和傳輸設備,以及諸如智能電表、智能終端和智能管理終端等。其中部分技術(shù)和設備在智能電網(wǎng)概念提出之前就已經(jīng)出現,但作為智能電網(wǎng)建設的重要組成或實(shí)現智能電網(wǎng)的重要手段,在本文中也進(jìn)行了相應介紹。

國內外智能電網(wǎng)的側重區別

智能電網(wǎng)中電力設備及其技術(shù)發(fā)展的驅動(dòng)可以用“環(huán)境決定側重力度決定速度”來(lái)概括。后半句表明政府意圖對智能電網(wǎng)發(fā)展的決策和重視程度決定智能電網(wǎng)和各項技術(shù)的速度,而前面半句,則表明智能電網(wǎng)的發(fā)展應與國情相適應,智能電力設備技術(shù)的發(fā)展也與智能電網(wǎng)的側重相匹配。

美國智能電網(wǎng)環(huán)境的特點(diǎn)是分布式發(fā)電比重快速上升與完全競爭性的電力市場(chǎng),因此注重用戶(hù)側和配電智能設備,相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)和應用也著(zhù)重這兩部分。在美國“grid203032 “智能電網(wǎng)規劃中,美國智能電網(wǎng)的電力設備主要圍繞如智能電表、智能終端、智能配電網(wǎng)設備以及超導和儲能等方面。歐洲國家智能電網(wǎng)建設主要是促進(jìn)并滿(mǎn)足風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能等可再生能源的快速發(fā)展,把可再生能源、分布式電源的接入以及碳的零排放等環(huán)保問(wèn)題作為重點(diǎn),因此優(yōu)先發(fā)展新能源接入與控制相關(guān)設備及技術(shù)。日本和韓國將智能變電站、配電網(wǎng)的自愈控制相關(guān)設備,以及大規模太陽(yáng)能等新能源開(kāi)發(fā)的保護與控制設備作為研究重點(diǎn)。由于我國能源與用電負荷分布的情況以及網(wǎng)、售合并的壟斷性電力環(huán)境,導致智能電網(wǎng)規劃側重長(cháng)距離、高電壓輸變電的發(fā)展,但同時(shí)智能用電雙向互動(dòng)、分布式電源,即插即用,接入的需求及電力市場(chǎng)化改革,也極大推動(dòng)配用電設備的發(fā)展,如智能電表及雙向通信網(wǎng)絡(luò )的廣泛建設。

智能電力設備發(fā)展現狀

智能電網(wǎng)作為一個(gè)整體,無(wú)論側重點(diǎn)在哪個(gè)部分,都需要眾多先進(jìn)的智能電力設備的支持。

發(fā)電方面

智能電網(wǎng)在發(fā)電方面涉及的電氣設備包括各種可再生能源能量轉換設備,安全、可靠并網(wǎng)接入設備以及儲能設備。

各種新能源和分布式發(fā)電技術(shù)設備,如微型燃氣輪機、燃料電池(微透平、太陽(yáng)能光伏發(fā)電(太陽(yáng)板)、風(fēng)力發(fā)電(風(fēng)機)、生物質(zhì)能發(fā)電設備、海洋能發(fā)電設備和地熱發(fā)電設備等。

智能保護與控制類(lèi)設備如數字型保護繼電器、智能分接頭變換器、動(dòng)態(tài)分布式電力控制設備等。

各種大容量?jì)δ芗案咝芰哭D換裝置,如蓄電池儲能、超級電容器、超導儲能、飛輪儲能以及燃料電池高容量?jì)洹⒏咝Ф坞姵氐仍O備。

以分布式發(fā)電系統為例,如圖1所示,發(fā)電部分、功率調節部分有多個(gè)逆變器,其中功率轉換和控制裝置又包含諸多核心設備,如各種大功率高性能變流器、大功率風(fēng)力發(fā)電機的勵磁與控制器、風(fēng)力發(fā)電用永磁發(fā)電機變速調速裝置、大功率并網(wǎng)逆變器、儲能裝置以及電網(wǎng)的連接設備,燃料電池、電能輸出波形質(zhì)量設備,電壓跌落隔離和保護設備等。對于大功率燃料電池系統則涉及新的電路拓撲、智能集成功率變流器和智能系統級控制設備。

                                    

                            

                                                                圖1 分布式發(fā)電、儲能及轉化系統

輸電方面

智能電網(wǎng)網(wǎng)架建設,既要發(fā)展大容量遠距離低損耗輸電技術(shù),也要考慮大規模間歇式新能源接入對輸電網(wǎng)的影響,主要集中于柔性交流輸電及其相應柔性交流輸電設備,高壓、特高壓直流輸電以及高溫超導技術(shù)等,前兩項涉及大量的電力電子設備,最后一項同時(shí)涉及新材料和復合材料等關(guān)鍵技術(shù)和設備。

FACTS技術(shù)及設備

柔性交流輸電技術(shù)是現代電力電子技術(shù)與電力系統相結合的產(chǎn)物,是智能電力設備在輸電部分應用的體現。該技術(shù)采用具有單獨或綜合功能的電力電子裝置,對輸電系統的主要參數,如電壓、相位差、電抗等,進(jìn)行靈活快速的適時(shí)控制,以期實(shí)現輸送功率合理分配,降低功率損耗和發(fā)電成本,大幅度提高系統穩定和可靠性。目前已成功應用或正在開(kāi)發(fā)研究的裝置有十幾種,如靜止無(wú)功補償器(SVC)、靜止調相機(STATCOM)、靜止快速勵磁器(PSS)、串聯(lián)補償器(SSSC)、統一潮流控制器(UPFC)、晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)、晶閘管控制申聯(lián)電抗器(TCSR)和可轉換靜止補償器(CSC)等。

近年來(lái),該技術(shù)已經(jīng)在美國、日本、瑞典、巴西等國重要的超高壓輸電工程中得到應用。但FACTS技術(shù)的應用還局限于個(gè)別工程,如果大規模應用FACTS裝置,還要解決一些全局性的技術(shù)問(wèn)題,例如多個(gè)FACTS裝置控制系統的協(xié)調配合問(wèn)題,FACTS裝置與已有的常規控制、繼電保護的銜接問(wèn)題等。隨著(zhù)智能電網(wǎng)的發(fā)展以及電力電子器件的性能提高和造價(jià)降低,FACTS裝置和設備會(huì )在未來(lái)輸電領(lǐng)域大規模應用。

HVDC技術(shù)及設備

高壓直流輸電是將發(fā)電廠(chǎng)發(fā)出的交流電通過(guò)換流閥變成直流電,然后通過(guò)直流輸電線(xiàn)路送至受電端再變成交流電注入受端交流電網(wǎng)。直流輸電核心技術(shù)集中于換流站設備,換流站實(shí)現了直流輸電工程中直流和交流相互能量轉換除在交流場(chǎng)具有交流變電站相同設備外,還有以下特有設備,換流閥、控制保護系統、換流變壓器、交流濾波器和無(wú)功補償設備、直流濾波器、平波電抗器及直流場(chǎng)設備,而換流閥是換流站中的核心設備,其主要功能是交直流轉換,從最初的汞弧閥發(fā)展到現在的電控和光控晶閘管閥,換流閥單位容量在不斷增大。

HVDC中的輕型直流輸電系統(LIGHTHVDC)技術(shù)目前備受關(guān)注,如海上風(fēng)力發(fā)電用岸上輕型高壓直流輸電裝置,采用GTO、IGBT等可關(guān)斷的器件組成換流器,可以免除換相失敗的風(fēng)險,對受端系統的容量沒(méi)有要求。未來(lái)可用于向孤立小系統,(如海上石油平臺、海島)供電,或在城市配電系統中用于接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源,是智能電網(wǎng)發(fā)展中的重要技術(shù)和設備。

超導技術(shù)及設備

智能電網(wǎng)的目標是降低網(wǎng)絡(luò )損耗,美國智能電網(wǎng)規劃的一個(gè)重要目標是實(shí)現以超導為主的骨干網(wǎng),大幅降低網(wǎng)絡(luò )損耗。超導電力技術(shù)是利用超導體的無(wú)阻高密度載流能力及超導體的超導態(tài)和正常態(tài)相變的物理特性發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的電力技術(shù),它在實(shí)現電力裝置的輕量化、小型化、低能耗和提高電力系統的安全性、穩定性和電力質(zhì)量等方面具有重要的意義和廣闊的應用前景。

超導技術(shù)及其發(fā)展的各種設備是智能電網(wǎng)發(fā)展的重要構成部分和載體。目前,超導電力技術(shù)已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期,若干超導電力設備,如超導電纜、超導變壓器、超導限流器、超導磁儲能系統等已在電力系統試運行。表1為超導電力設備的特點(diǎn)及其對電力工業(yè)的作用和影響。

                                              

變電方面

未來(lái)變電站需要在網(wǎng)絡(luò )信息交互共享的基礎上實(shí)現信息互用,建立電力企業(yè)的大信息平臺,并在此基礎上逐步實(shí)現智能電網(wǎng)所要求的諸多強大功能。目前主要進(jìn)行的是數字化變電站,它由智能化一次設備、網(wǎng)絡(luò )化二次設備在通信協(xié)議基礎上分層構建,從而實(shí)現智能設備間信息共享和互操作。與傳統變電站相比,數字化變電站間隔層和站控層的設備及網(wǎng)絡(luò )接口只是通信模型發(fā)生了變化,而過(guò)程層卻發(fā)生了較大的改變,由傳統的電流、電壓互感器、一次設備以及一次設備與二次設備之間的電纜連接,逐步改變?yōu)殡娮邮交ジ衅鳌⒅悄芑淮卧O備、合并單元、光纖連接等內容。

智能變電站是數字變電站的發(fā)展,是以全站信息數字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò )化、信息共享標準化為基本要求,自動(dòng)完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等功能,并可根據需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調節、在線(xiàn)分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級功能,實(shí)現與相鄰變電站、電網(wǎng)調度等互動(dòng)的變電站。與數字化變電站相比,不僅是簡(jiǎn)單的數字采集與展示更具有一定智能意義的分析功能。智能變電站中,一次設備被檢測的信號回路和被控操作驅動(dòng)將采用微處理器和光電技術(shù)設計,簡(jiǎn)化了傳統機電式繼電器及控制回路結構。數字程控器及數字公共信號網(wǎng)絡(luò )取代傳統導線(xiàn)連接。變電站二次回路中傳統繼電器及其邏輯回路被可編程序代替,傳統的強電模擬信號和控制電纜被光電數字和光纖代替。

變電站內的二次設備,如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動(dòng)裝置、故障錄波裝置、電壓無(wú)功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線(xiàn)狀態(tài)檢測裝置等將基于標準化、模塊化的微處理機設計制造,設備之間的連接采用高速的網(wǎng)絡(luò )通信,常規的功能裝置將具有邏輯功能模塊。

配電方面

智能電網(wǎng)配電部分將實(shí)現高級配電自動(dòng)化,以適應分布式電源與柔性配電設備的大量接入,滿(mǎn)足功率雙向流動(dòng)配電網(wǎng)的監控需要,同時(shí)采用分布式智能控制,現場(chǎng)終端裝置能通過(guò)局域網(wǎng)交換信息,實(shí)現廣域電壓無(wú)功調節、快速故障隔離等控制功能。智能配電網(wǎng)依賴(lài)前端先進(jìn)的傳感量測技術(shù)對各類(lèi)數據的采集,并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )完成數據的融合和傳輸,實(shí)現運行監視與協(xié)調控制,其中包含諸多的新技術(shù)和新設備。例如構建覆蓋配電網(wǎng)中所有節點(diǎn),控制中心、變電站、分段開(kāi)關(guān)、用戶(hù)端口等,的數據通信網(wǎng),將涉及光纖、無(wú)線(xiàn)、載波等各種組網(wǎng)技術(shù)及設備。對各種信息量的采集,涉及先進(jìn)的傳感測量技術(shù)與設備,如光學(xué)或電子互感器、架空線(xiàn)路與電纜溫度測量、電力設備狀態(tài)在線(xiàn)監測、電能質(zhì)量測量等。目前我國配電網(wǎng)的傳感測量比較多的是構建在光纖傳感測量技術(shù)之上,未來(lái)智能電網(wǎng)的構建也將在此基礎上進(jìn)行延伸。

提高電能質(zhì)量是智能電網(wǎng)構建的一個(gè)重要目標,在配電方面涉及大量的電力電子設備。而作為FACTS技術(shù)在配電系統應用的延伸,DFACTS(DISTRIBUTIONFACTS)技術(shù)綜合了配電網(wǎng)未來(lái)新技術(shù)的應用。DFACTS技術(shù)與輸電系統中的FACTS技術(shù)側重不同,FACTS設備的主要作用是調整輸電線(xiàn)路的參數,控制線(xiàn)路的潮流,提高輸電線(xiàn)路的功率傳輸極限,使輸電線(xiàn)路的潮流能按預定計劃實(shí)現控制,提高全網(wǎng)的經(jīng)濟性,也可以通過(guò)快速控制提高系統動(dòng)態(tài)性能,如調節電壓、控制功率振蕩和抑制次同步振蕩等,而DFACTS技術(shù)主要用來(lái)提高供電質(zhì)量,即減小諧波和畸變、電壓波動(dòng)與閃變、電壓暫降與電壓中斷、消除三相不平衡,使電壓的幅值和波形符合要求、提高功率因數等。配電網(wǎng)涉及的智能電力設備如表2所示。

                

用電方面

智能用電部分的重要目標是實(shí)現用戶(hù)互動(dòng),促使電力市場(chǎng)完全競爭。用戶(hù)側支持能量和信息的雙向流動(dòng),用戶(hù)可以通過(guò)實(shí)時(shí)獲取用電信息與不斷變化的不同供電商的電價(jià),真正實(shí)現全國范圍內電力市場(chǎng)完全競爭。

供電側將以信息采集與管理為主,通過(guò)對配電變壓器和終端用戶(hù)的用電數據的采集和分析,實(shí)現用電監控、推行階梯定價(jià)、復合管理、線(xiàn)損分析最終達到自動(dòng)抄表、錯峰用電、用電檢查(防竊電)等,用戶(hù)側能夠了解實(shí)時(shí)電價(jià)和按照自己需求,實(shí)時(shí)用電管理及用電質(zhì)量等服務(wù)。因此該部分的智能電力設備包括,智能表計、高度自動(dòng)化、即插即用式智能電力設備、智能保護裝置、測量監視設備、儲能電池、家庭自動(dòng)化設備、海量數據處理設備和可視化設備等。

智能表計,具有電功率計量計時(shí)、記費、與上位機通訊、用電管理等功能的電度表,可以定時(shí)或即時(shí)取得用戶(hù)帶有時(shí)標的分時(shí)段的,如(15min,1h)等,或實(shí)時(shí)(或準實(shí)時(shí))的多種計量值,如用電量、用電功率、電壓、電流和其他信息。

數據量測設備,可以分為用戶(hù)專(zhuān)用和公用事業(yè)專(zhuān)用。用戶(hù)專(zhuān)用量測主要包括具有家電控制、電能質(zhì)量分析、防偷電、功率和用電量測量、實(shí)時(shí)電價(jià)處理、成本控制、自備電源監測等功能的設備。它們通常以電子計量設備為基礎通過(guò)發(fā)達的通信技術(shù),實(shí)現對電力運行狀態(tài)及交易相關(guān)參數的測量、控制等。公用事業(yè)專(zhuān)用量測有公用事業(yè)監測系統和高級保護系統。相角量測單元(PMU)、廣域量測(WAMS)、線(xiàn)路容量動(dòng)態(tài)監測、各種先進(jìn)的傳感器、具有監測功能的電子設備(如電子變壓器)等均屬前者,高級保護系統包括故障檢測繼電器、一些特定保護系統,如關(guān)鍵設備監視、狀態(tài)和預想故障監視保護等相關(guān)智能電力設備。

通信設備,通信技術(shù)涉及的智能設備種類(lèi)繁多,常見(jiàn)的類(lèi)型有銅芯線(xiàn)、光纖、電力線(xiàn)通信(BPL)、無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù),還需發(fā)展如internet、衛星、無(wú)線(xiàn)、3G、傳感器網(wǎng)絡(luò )等多種通信方式。通過(guò)這些載體,可以在更廣的范圍實(shí)現更多信息和應用的連接和集成,使數據在發(fā)電、輸電、配電和用戶(hù)等不同主體及各類(lèi)應用系統之間高速傳遞。同時(shí)通信設備還包括維持精確的數據對時(shí)和同步能力的設備,提高抵御外部通信干擾的能力,降低對外部的輻射和電磁干擾等功能的技術(shù)和設備等。

智能電力設備的關(guān)鍵技術(shù)

結合我國智能電網(wǎng)發(fā)展特點(diǎn)和世界智能電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程,智能電力設備方面應著(zhù)重發(fā)展以下兩方面的技術(shù)。

高性能、智能化電力電子技術(shù)在未來(lái)的智能電網(wǎng)中,由于在發(fā)電部分各種新能源和分布式能源的開(kāi)發(fā)和利用,在輸電部分電力系統安全穩定及降低網(wǎng)絡(luò )損耗的傳輸,以及在配、用電方面對電能質(zhì)量的要求,預計會(huì )有95%以上的電能要經(jīng)過(guò)電力電子技術(shù)的處理后才能使用。在智能電網(wǎng)中,可謂電力電子技術(shù)和裝置將無(wú)處不在,從發(fā)、輸電角度來(lái)說(shuō),電力電子技術(shù)可有效提高發(fā)電效率和提高輸電質(zhì)量,從配用電角度來(lái)說(shuō),電力電子技術(shù)可有效進(jìn)行節能改造,提高用電效率。

由于智能電網(wǎng)的范圍廣泛,圖2簡(jiǎn)單說(shuō)明了電力電子所涉及的各部分的應用,主要包括三大類(lèi)產(chǎn)品,變頻器(變頻調速)、電能質(zhì)量類(lèi)產(chǎn)品(含高壓直流輸電、柔性交流輸電FACTS等)和電子電源產(chǎn)品。智能電網(wǎng)的電力電子設備正朝著(zhù)高性能化、智能化、全數字控制、系統化和綠色化(無(wú)諧波公害)方向發(fā)展。

                         

                                                               圖2 電力電子在智能電網(wǎng)中的應用

低成本、高密度、大規模儲能技術(shù)

利用電能儲存技術(shù)可以實(shí)現負荷的消峰填谷,有助于提高配電系統的資產(chǎn)利用率,降低系統損耗,是實(shí)現電能高效利用的一項重要措施。儲能設備接入系統或用戶(hù)側還可與各種分布式電源相配合,解決風(fēng)能、太陽(yáng)能等的間歇性對配電系統造成的不利影響問(wèn)題,與各種電能質(zhì)量控制設備相配合,有助于定制電力技術(shù)的實(shí)現。目前,各種儲能技術(shù)的研究在國際上受到了廣泛的關(guān)注。隨著(zhù)低成本、高密度、大規模儲能技術(shù)的突破,電力系統的運行方式將大大改變對用戶(hù)的用電策略也會(huì )產(chǎn)生很大的影響。

需要注意的是,智能電網(wǎng)所涉及的技術(shù)范圍十分廣泛且不乏很多前沿的技術(shù)創(chuàng )新和技術(shù)融合,有些技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)和掌握,同時(shí)還在逐步完善并向更高層次發(fā)展,如數字化變電站技術(shù),向智能變電站的發(fā)展,而有些技術(shù)依然是攻關(guān)的難度,如大規模儲能技術(shù)、高溫超導技術(shù)等,在何處取得技術(shù)突破性進(jìn)展,將會(huì )對智能電力設備產(chǎn)生巨大影響。

結語(yǔ)

信息是智能電網(wǎng)的基礎支撐,信息的獲取需要大量的智能裝備來(lái)支持。在智能電網(wǎng)中,一次與二次、裝備與電網(wǎng)、裝置與系統將更加融合,復合技術(shù)應用日益廣泛。專(zhuān)業(yè)界限的模糊將使得智能電網(wǎng)中智能系統的外延大大拓寬。可以預期的是,各種智能設備和智能系統在智能電網(wǎng)中將呈現日益整合、相互交融、靈活組態(tài)的發(fā)展趨勢。因此,在今后電網(wǎng)建設和改造中,應該鼓勵和優(yōu)先采用適用于未來(lái)智能電網(wǎng)建設所需和可用的智能電網(wǎng)設備。(摘自《電力系統及其自動(dòng)化學(xué)報》)

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