ABB的智能電網觀

文/本刊記者 肖吉德

ABB在智能電網建設的大潮中迎來了發展的明媚春天。持續的高強度創新是ABB長期雄踞世界電力技術領導地位的根本原因，就是在面臨2002年這樣極為困難的時期對研發的投入也非常可觀，ABB每年都有超過1000項的專利技術問世。作為全球最大的電網技術和設備供應商，ABB在過去的100多年里憑借一系列突破性和演進性創新引領著電網技術的發展，1891年推出全球第一個高壓交流輸電系統，1893年推出第一套三相輸電系統，1932年推出全球第一臺自冷式變壓器，1954年率先發明高壓直流（HVDC）輸電技術，2005年推出輕型高壓直流輸電技術，2006年建成的世界首個增效節能的特高壓試驗中心開創特高壓時代的新紀元。持續巨額的研發投入和出色的創新能力使ABB有能力幫助全球電網客戶在激烈的競爭中獲得明顯的優勢，ABB電網技術成為全球用戶的首選，北美地區60%以上的電網設備由ABB提供。創新是ABB發展的基石和命脈，而智能電網將是人類在電能開發和應用技術上的一次重大創新，ABB有義務也有能力擔負這次技術創新的主力軍，同時也是ABB進一步提升自己實力和競爭力的重大機遇。在這個重要時刻，ABB相關高層對此發表了自己的看法。

巧干智能電網

作為ABB首席技術官，唐維詩博士于1999年加入ABB并出任研究中心執行董事，從2005至今一直擔任ABB首席技術官，負責公司的技術創新。對于智能電網的發展唐維詩發表了自己的看法。

唐維詩指出，現代經濟的運行模式告訴人們，工作“要巧干，而不要苦干”。花一點時間和精力分析工作方式，比只增加工作強度而不改變方式的效果更好。個人情況如此，大型系統也同樣如此。目前輸配電網的變化方式，也同樣面臨如何最好地應對這些變化的問題。讓現有基礎設施“苦干”嗎(在接近極限的工況下工作，用戶面臨故障和斷電增加的風險)？還是采用“更智能的電網”作為更好的解決方案呢？

電網有別于其他人造服務不僅在于其廣泛的覆蓋性(無線通信可能除外)，而且還在于極高的可獲得性，電力的供應必須緊隨客戶需求。電網的功能正經歷一場根本性的變革。未來的電網通常是指“智能電網”。實現這一變革的關鍵技術得益于電力電子和自動化領域所取得的進步。未來電網中，發電和用電之間不再是單向關系，而是在能源儲存或供應設備的幫助下實現了雙向互動，從而確保發電和輸電基礎設施更符合生態要求，更具經濟效益。

由于電能總消費日益增加，加之市場自由化和可再生能源比重上升，電網壓力進一步增加。風能和太陽能從本質上說具有間歇性和不可預測性的特點。此外，可再生能源大多位于電網設施薄弱的偏遠地區。因此，有必要重新評估用戶的作用和配電網的任務：那些擁有自己本地電廠的用戶正變成“主動型用戶”。從前的配電網就變成收集分布式能源的接收電網。

當用電量發生變化，如果采用以往的“苦干”方法，就得增加備用的周轉機組。這不僅成本很大，而且也部分抵消了可再生能源發電的環保效益。“巧干”則以更為全面的觀點看待輸電系統。傳統電網的控制系統假定需求方是“特定的”。而智能電網則鼓勵用戶改進用電模式以適應電網狀況。

控制系統做出最佳決策的能力取決于對系統狀態及時準確的了解。電網關鍵位置上安裝傳感器有助于獲得數據。雖然傳感器的安裝數量不斷增加，但令人驚訝的是，僅從現有設備就可以獲得很多數據。因此，除進一步增加傳感器之外，智能電網還必須解決通信問題，以便分享這些數據，甚至包括控制節點。

對于發電來說，輕型高壓直流技術可用于連接風電場，同時通過控制無功功率提高電網穩定性。開創性的儲能技術也已問世，以應對短期的電力需求變化。對于運行和控制來說，如果設備沒有達到預期效果，那么最好的控制系統也不會有多大用處。談到家庭應用時，智能儀表幫助居民及時了解家庭用電情況，也有助于計費模式的調整，以鼓勵居民減少尖峰負荷期間的用電量。直觀的控制系統也有助于家庭用戶節約能源。

智能電力創造可持續發展

最近，ABB執行副總裁、執行委員會成員兼營營銷與客戶解決方案負責人柯睿思和A B B智能電網業務負責人Bazmi Husain聯合撰文，闡述了對未來電力系統，也就是智能電網的看法。

在名為“智能電力”的文章中，作者指出，電是全世界最通用的能源形式。100多年前，人們就已經設計和制造出發電、輸電、配電和用電所必需的基礎設施，從一開始，ABB就始終處于電力基礎設施技術的創新前沿。今天，任何工業應用或居民生活幾乎都離不開電力。在世界各地，電力比任何其他能源的需求增長都更為迅速。同時，經濟數字化程度的提高對電力供應的可靠性提出更高的要求，因為即使瞬間的斷電也會造成巨大經濟損失。

今天，發電、輸電和用電的方式均不夠高效。由于效率低下，從一次能源到有效電力消費的整個能源鏈中，損失了大約80%的能源。為了應對挑戰，人類需要新的基于電力價值鏈的解決方案：發電量必須增加，但同時必須減少溫室氣體排放，輸電、配電和用電必須更加高效。

ABB執行副總裁、執行委員會成員兼營營銷與客戶解決方案負責人柯睿思

ABB智能電網業務負責人Bazmi Husain

為了實現日益增加的可再生能源的并網，同時顯著提高能源價值鏈的效率，需要大幅調整整個電力系統及其結構形式和運行方式。這種未來的系統就是“智能電網”。智能電網的設計必須滿足全球社會的四大要求：容量、可靠性、效率、可持續性。

據國際能源署預測，未來20年，全世界每周將要增加一座1 GW的電廠和相關電網設施，未來的電力系統必須以經濟的方法應對這種容量的增加。

輸電量越大，系統運行就越接近穩定的極限，但停電或甚至較小的擾動事故也越來越難以令人接受，電力系統的可靠性始終是工程技術人員關注的重點，在過去幾十年取得了很大的進步，但斷電的風險依然存在。更加可靠的電力供應不僅有助于經濟發展，提高生活質量，而且也對氣候變化有著積極影響。如果電力系統能安全地處理和穩定電網擾動，則系統將要求較少的備用電廠，也就意味著更低的排放。

國際能源署預測，未來20年，增效節能將能更好地遏制二氧化碳排放，其效果超過所有其它減排方案的總和。令人難以置信的是，企業不愿意在增效節能方面進行投資。增效節能的投資一般在兩年內即可通過節約下來的能源開支收回成本，商業機構往往不會放過這種快速回報的投資機會。其中一個主要障礙是許多家庭、企業、公共機構缺乏對增效節能設備的了解，再加上其他各種可選方案，用戶更加困惑不解。目前，缺乏有效的激勵機制。

采用太陽能、風能、潮汐或地熱能發電，無疑是避免二氧化碳排放的有效方法。人們希望，隨著技術的改進、轉換效率的提高以及生產成本的下降，這些能源對未來能源的貢獻將會增加。間歇式風力發電是電網穩定的另一大挑戰，需要增加額外儲備。連接遙遠的海上風電場的風電，也需要相應的技術。能源儲存將最終幫助克服間歇性的供電問題，高壓直流電纜技術則是跨海輸電的辦法。

最終的影響來自最終用戶，取決于其希望消耗能源的數量和方式。按照現在的能源成本和高、低電價，鼓勵節約能源或在低電價時段用電的作用有限。現在的技術可以讓用戶清晰地了解任一時刻的實時用電情況及其相應的電費。這對了解發電廠與用戶之間的需求響應關系，減少所需備用電力作用重大。

ABB擁有完整的產品、系統和服務組合，可進一步提升和發展電力系統。廣域控制系統、柔性交流輸電系統、變電站控制、高壓直流系統、電纜連接、配電控制和低壓系統等解決電網問題。傳動系統、高效裝置和過程控制技術的廣泛應用，則有助于增加工業和商業用電的效率。樓宇自動化和控制是ABB服務的另一個具有節能潛力的領域。ABB儀表和促進需求響應互動的連接通信技術，以及能源市場運營軟件，也已經廣泛用于全世界許多地方。

領跑智能電網技術創新與應用

在柯睿思、唐維詩和Bazmi Husain等ABB管理層來看，ABB在新時期的一個重大使命將是致力于智能電網的發展，為可持續發展的世界提供智能高效的電力。智能電網將采用現有技術和新技術進行構建，是現有技術和新技術協同發展的產物。作為擁有百年領先電網技術的企業，ABB范圍廣泛的產品和系統將用于構建和管理智能電網。其實早在智能電網這個術語出現前很久，ABB就處于智能電網技術開發的前沿。

ABB 廣域監測系統（WAMS）在電力網絡重要部位實時采集電網狀態信息。準確的時間標記由 GPS 衛星提供。它結合相量數據，強化網絡分析，檢測任何不穩定現象。2003 年，美國麻省理工學院（MIT） 將 WAMS 技術確定為改變世界的十大技術之一。

ABB的世界級組合開關應用在北京奧運核心工程

數據采集和控制系統 (SCADA)監測和管理國家和區域電網遠程終端上成千上萬個測量點。它們可以建立網絡模型、模擬電網運行、檢測故障、制定停電問題解決預案以及參與能源交易市場等。ABB 在全球提供了5000多套SCADA系統，多于其他任何供應商。ABB 制造的世界上最大的SCADA系統安裝在印度的卡納塔克邦。該系統包括830個變電站，為1600萬人提供電力。該系統可提高運行效率50%，減少“客戶時間損失”70%。

FACTS 設備可以補償線路電感，實現最大電力傳輸 （串聯補償），并可控制電力流動。世界上最大的靜態無功補償裝置（SVC）由 ABB 提供，服務于美國的阿勒格尼電力公司。ABB在全球安裝了700多套SVC，占全球50%以上的份額。

高壓直流輸電系統（HVDC）先把電廠發出的電力從交流轉換成直流進行傳輸，然后再轉回交流供用戶使用。以不同頻率（50或60 Hz）運行的電網因此可以相互連接，而部分電網出現不穩定狀態時，也可以進行隔離。在復雜地域(如海底) 輸電和低損耗遠距離輸電方面，HVDC 技術是理想的選擇。在HVDC技術方面，ABB擁有50多年的豐富經驗，被公認為該領域的市場和技術領導者。

變電站自動化系統是ABB智能電網產品系列中的關鍵部分，可以執行數據采集、遠程通信、監測控制、 保護和故障評估等工作。ABB的變電站自動化系統滿足IEC61850通信標準的要求，可確保與同類產品的互操作性。ABB已銷售700多套系統，并在莫斯科安裝了世界上最大的變電站自動化系統。

優化電機驅動系統是企業節能潛力最大的一項措施。僅傳動系統一項就可節約3%左右的能源。ABB在全球安裝的傳動每年可減少排放1.7億t二氧化碳，相當于德國總排放量的20%。在過程控制中使用現有ABB技術，可實現節能30%左右。

ABB為水電、風電和太陽能發電提供電廠控制設備，同時為綠色能源并網發電專門提供遠距離連接技術。這種自動化系統和相關電氣設備已交付給歐洲首座 100 MW 大型太陽能電廠——西班牙昂達索爾 (Andasol)。在阿爾及利亞，世界首座綜合太陽能聯合循環電廠（175MW）的成套電廠控制設備也由ABB 提供。另外在西班牙，ABB 以創記錄的時間以交鑰匙方式建造了一座1MW太陽能集熱廠（80%效能比）。ABB已經將230GW的可再生能源并入電網。

ABB是風電產業最大的電氣設備與服務供應商。ABB為風力發電和海底與陸地電網連接提供成套電氣系統。輕型高壓直流（HVDC Light ）以及無油電纜和結構緊湊的換流站使Borkum海上風電場與德國國家電網相連，該風電場位于距離陸地125km的海上，額定功率400MW，是世界上最大的風電場之一。

對電力公司而言，平衡電力是一個重大問題，特別當大量間歇式風電和太陽能電力并網時。電能的大量儲存有助于彌補系統出現的任何不平衡，減少高成本運轉所需備用容量的需求。配備直流—交流變流器的電池系統是解決這個問題的一個途徑。ABB提供的世界上最大的電池蓄能系統(BESS)安裝在阿拉斯加的費爾班克斯。該設施可在15min內提供26MW電力。

FACTS設備通過控制線路電抗或注入無功功率，調節電網中的電力流動和電壓，使其傳輸容量最大化。通過整合電池儲存系統與FACTS，就可根據需要迅速注入或提取有功功率。另外還能提供電力平衡、尖峰電力支持以及電壓和電力質量控制。ABB提供的這種解決方案將于2010年投入運行。將來的系統將在M W級水平上運行。