智能電網關鍵基礎技術分析

／工業和信息化部產業發展促進中心 高棟 劉嘉 范秋／

智能電網關鍵基礎技術分析

／工業和信息化部產業發展促進中心 高棟 劉嘉 范秋／

智能電網是集成現代多學科科學技術發展成果的產物，涉及范圍十分廣泛，本文選擇與智能電網發展密切相關且影響效應強的傳感器、互聯網及柔性輸電三方面內容加以介紹。

第一節 傳感器

一、我國傳感器產業發展現狀

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。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

我國傳感器產品僅有10大類、42小類、6000多個品種，尚有大量的品種短缺。在技術和生產能力上同發達國家相比，產品技術檔次低，品種規格不齊全，遠不能滿足國內需求，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。

我國在傳感器技術研究方面，正在逐漸縮小與國外的差距，一批基于MEMS技術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、材料控制技術、生產技術、可靠性技術和測試技術不斷發展成熟，量產能力逐步提高。在激烈的市場競爭條件下，我國生產的傳統傳感器，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，產銷形勢穩中有升，在國內市場份額逐步增長的同時滿足了部分國外市場的需求。

傳感器技術朝著智能化、集成化的方向發展，數字化、網絡化、低成本、標準化也成為傳感器產品發展的總體趨勢。生產制造方面應從產品、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。可靠性指標，可與產品功能、性能指標一起確定。

二、智能電網傳感器

智能電網信息化、自動化、互動化等特征，決定了電網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融合，形成智能電網通信信息網絡。如果把整個智能電網比作人的身體，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。

傳感器、監視器、通信裝置和智能電表等正是建設智能電網的最重要的組成部分。智能電網各個環節的信息采集必須通過傳感器才能完成。傳感器是智能電網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。

（一）智能電網設備工作的自然環境要求

見表1。

（二）智能電網設備工作狀態下形成的人工環境要求

溫度、濕度、電場強度、磁場強度、振動幅度與頻度、振蕩擺度、環境介質。

（三）特殊要求傳感器自身的工作環境要求

如防雨淋、放擠壓、防暴曬、防油污等。

三、智能電網中傳感器需感知的參量

在智能電網每一個環節中除需要感知環境、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。在發電、輸電等環節還需要監測頻率，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、智能電網傳感器的種類（部分）

電力行業從發、輸、變、配、用各個環節都離不開傳感器技術的應用。智能電網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 智能電網設備工作的自然環境要求

表2 智能電網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、套管介質損耗傳感器系統、繞組變形傳感器、變壓器油微水傳感器、干濕度傳感器、轉速傳感器、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、其他工業用傳感器等，應該在智能電網設備上有很大的開發應用前景。

五、傳感器需滿足智能電網主設備一體化的需要

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

（一）物理結構形態

自成體系的、置于主設備的傳感器，要滿足主設備的結構布局，實現空間占用最小，外形結構優美，風式格調統一；同時，與主設備對外接口規格一致。 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、站總體通用要求

各種傳感器要滿足場站信息通信交互、計量保護監測、調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的情況。

第二節 互聯網

一、互聯網技術

互聯網技術指在計算機技術的基礎上開發建立的一種信息技術， 簡稱 IT。一般認為IT有以下三部分組成：

1）傳感技術，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，這是人的神經系統的延伸與拓展，承擔傳遞信息的功能；

3）計算機技術，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、互聯網經濟

互聯網經濟是基于互聯網所產生的經濟活動的總和，在當今發展階段主要包括電子商務、即時通訊、搜索引擎和網絡游戲四大類型。互聯網經濟是信息網絡化時代產生的一種嶄新的經濟現象。

互聯網對世界經濟的發展的影響有兩個大的方面：一方面是成為 新經濟發展的引擎，創造了新的經濟發展模式；一方面，對傳統的經濟模式和產業，起到了革新改造的作用，加速傳統產業變革與融合。

互聯網思維具體來說分兩個階段：第一個階段，把互聯網當做一個工具、方法，互聯網對整個傳統產業互相融合，才能把傳統產業真正轉型升級，創造價值。第二個階段，一是從客戶角度思考問題，為客戶創造價值。二是互聯網一定是開放、合作的，要靠資源整合合作共贏的理念來達到共贏。

面對互聯網、大數據、云計算等技術快速發展，許多傳統企業正在對市場、用戶、產品、企業價值鏈乃至整個商業生態進行重新審視。

除了對經濟發展產生重大影響，互聯網已經從根本上改變了人們的生活方式。它將繼續對人類的社會生活諸多方面。以及世界的經濟發展產生深遠的影響！典型應用GPS的使用只受限于人們的想象力。

第三節 柔性輸電

一、柔性交流輸電技術

（一）簡介

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

（二）主要內容及功能

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

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定極限；③在控制區域內可以傳輸更多的功率，減少發電機的熱備用；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。

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

并聯補償裝置：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的無功分布，進行電壓調整和提高系統電壓穩定性等；

綜合控制裝置：統一潮流控制器（UPFC）等綜合了串、并聯補償的功能和特點，是實現電力網絡控制潮流，阻尼振蕩，提高系統穩定性等功能的得力措施。

二、柔性直流輸電技術

（一）柔性直流輸電技術原理

先介紹高壓直流輸電技術原理易于理解柔性直流輸電技術。

（1）高壓直流輸電技術原理

高壓直流輸電系統的基本原理如圖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分別接到直流線路的兩端，交流側分別接到兩個交流系統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，它的功用是實現交流電和直流電之間的轉換。

從電力系統I向電力系統II輸送電力時，換流站ZH1把送端電力系統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（或并聯）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）。現代高壓直流輸電工程都是利用晶閘管作為主要部件構造換流閥。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，其所需晶閘管串聯數更多。

圖1 直流輸電系統基本原理圖

（2）柔性直流輸電技術原理

柔性直流輸電作為新一代直流輸電技術，其在結構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）構成，圖2為雙端柔性直流輸電系統原理圖，包括兩個換流站和直流線路。

圖2 柔性直流輸電系統原理圖

與基于相控換相技術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）和高頻調制技術。通過調節換流器出口電壓的幅值和與系統電壓之間的功角差，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，就可以實現兩個交流網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節各自所吸收或發出的無功功率，從而對所聯的交流系統給予無功支撐。

（二）柔性直流輸電技術的特點

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

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，穩態運行時不需要交流系統提供無功；

3）交流系統故障時，能夠提供緊急有功支援和動態無功支撐，提高系統的功角、電壓穩定性；

4）采用 VSC有利于構成并聯多端直流輸電系統；

5）采用 PWM技術，輸出諧波多為高次諧波，濾波裝置容量大大減小。

第四節 傳感器、互聯網、柔性輸電與智能電網

一、互聯網與智能電網

智能電網具體來說就是智能化的電網。通常把由輸電、變電、配電設備及相應的輔助系統組成的聯系發電與用電的統一整體稱為電力網。即電網。這里電網主要包含兩方面的含義，一是聯絡發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、穩定運行的相應的輔助系統。

在電網中，構成“一次”電流、電壓載體的“連接體系”自成“一次網絡”，獨立運行，與相應的輔助系統電氣“隔離”。輔助系統為因“連接體系”而存在，也構成了一個相應的“輔助網絡”即“二次網絡”。“二次網絡”根據“一次網絡”運行情況、人工操作指令等“綜合信息”對“一次網絡”實施監測、調節、控制等，是一種“互聯網系統”，但其中包含了“專家診斷系統”等人工智能、現代管理思想等軟件體系，非普通網絡可比。從物理結構上看，“互聯網系統”只涉及到了“二次網絡”的范疇，是整個智能電網物理結構的一個局部。物聯網（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）通過和互聯網IP地址等標識建立網絡式互聯，形成物聯網。在電子生態系統中，真實世界與電腦互動，而傳感器構成了該系統的邊緣，提供的數據種類比鍵盤和鼠標輸入的數據更豐富。將來更多的互聯網數據不是來自鍵盤，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據，這將進一步促進互聯網的發展。

三、智能電網是傳感器、互聯網技術應用的集中反映

二、傳感器與互聯網

互聯網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）的互聯和各種物體的互聯形成的

傳感器應用在智能電網建設、安全生產管理、運行維護、信息采集、安全監控、計量及用戶交換等各個方面，可以全面提高各環節的信息感知深度、廣度以及密度，促進 “信息流、業務流、電力流的高度融合”的實現。智能電網應用的傳感器種類繁多、數量巨大，而且隨著智能電網的發展，應用的傳感器種類和數量將更多，技術要求也將更高。

智能電網是互聯網應用于經濟生產中的最為典型的案例，首先它的范圍十分廣大。其次是由于工作環境特殊，它在通信抗擾性、安全性等諸多方面比普通互聯網要求高。再次，智能電網應用了大量高新技術發展的成果，也有與之相適應的網絡要求。

可以說，智能電網是傳感器和互聯網技術發展成果的集合或集中展示，在很大程度上反映了傳感器、互聯網技術的發展水平。

四、柔性輸電與智能電網

（一）柔性直流輸電與智能電網

柔性直流輸電是構建智能電網的重要環節，與傳統相比，柔性直流輸電在孤島供電、城市配電網的增容改造、交流系統互聯、大規模風電場并網等方面具有較強的技術優勢，是改變大電網發展格局的戰略選擇。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、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

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