智能電網中電力設備及其技術發展

張世偉

（許昌學院，河南 許昌 461000）

近些年來隨著先進技術的不斷發展和普及，當前電網行業中智能電網的應用也變得越來越普遍，更得到了全球范圍的認可與重視。作為一種智能信息技術與電網建設技術相結合的技術類型，其不但包括了自動控制、分析決策以及能源電力專業的特點，同時也是實現完整電力系統的重要環節之一。目前，我國的智能電網還處于相對初級的階段，無論是在建設質量，還是覆蓋率等方面，與西方發達國家都存在一定的差異。為了進一步提升我國智能電網電力設備的發展水平，本文就當前國內外智能電網的發展現狀分析如下。

基金項目：許昌學院校內科研基金項目（2017YB012）

1 國內外智能電網的側重與區別

國內外智能電網的發展都是以“環境、力度、速度”3個主要方面作為發展驅動力來逐步開展，但是在發展過程中卻出現了一些差異，以美國、日本和中國為例，簡要分析國內外智能電網的側重與區別。

美國的電網環境屬于側重于快速上升以及全面競爭力的電力市場關系，在該電網環境的影響下，美國的智能電網重點關注技術開發與應用，關注的是用戶側以及配電智能設備兩個層面的智能特征。隨著美國“grid2030”智能電網規劃工作的陸續開展，當前美國的智能電網也逐漸形成了圍繞著智能電表、智能終端以及智能配電設備網絡的儲能和超導特性，再加上需要滿足風能、太陽能以及生物質能等可持續發展能源的要求，所以選擇了可再生能源以及新能源的接入。在智能變電站以及配電網絡的自由控制等方面，日本顯然更具優勢，其不但建設了大規模的太陽能新能源開發與控制設備，同時也在不斷強化新能源產業的布局，在這方面的智能電網構建效果也逐漸顯現出來。結合目前我國的智能電網的建設情況來看，由于我國的能源長期處于傳統能源為主導的能源結構，出現了智能電網更加側重于高電壓輸變電以及雙向互動的發展需求，以此來適應電力市場的結構性改革，從而有效推進電力設備的應用與發展，如智能電表系統就是雙向通信網絡建設的成果之一。

2 智能電力設備的發展現狀

智能電力設備的發展具有一些階段性的特征，而不同的發展方面應用也存在較大的區別，現嘗試從以下幾個方面對其進行闡述。

2.1 發電方面

智能電網的建設涉及電氣設備的發電智能化，其主要通過可再生能源的電量轉換以及可靠性來提升智能電網的整體建設水平。

（1）新能源發電設備。新能源發電設備以及分布式發電設備是當前智能電網建設與發展中主要應用的技術設備類型，包括燃料電池、微型燃氣輪設備、光伏發電設備和風力發電設備等多種類型，此外，生物質能發電設備以及地熱發電設備也是目前行業發展的主要側重點之一。

（2）智能保護與控制設備。智能保護與控制設備的選擇對于提升智能電網的整體建設質量具有良好的促進作用，如常用到的數字型保護繼電器、分布式變換器、動態分布式電力控制器等都屬于這個類別的設備范疇。

（3）大容量儲能設備。大容量儲能設備主要包括高能轉換設備以及蓄電池、超導儲能以及飛輪儲能等多種電池類型，其中高效二次電池也是大容量儲能設備的主要選擇類型之一。

（4）分布式發電系統。分布式發電系統中會設置多個功率調節能力較強的逆變器，其不但可以通過功率轉換的方式來對多種設備進行調節，同時還可以對多個逆變器進行轉換，從而有效提升功率的高性能特征，有效體現出能源傳輸的穩定性優勢。此外，通過與大功率并網逆變器、電網連接設備、燃料電池和電能輸出設備的集合，能夠提升智能集成功率變流器的智能控制效果，以更好的應對不斷發展的智能化電網建設需求。

2.2 輸電方面

（1）FACTS技術與設備。柔性交流電技術是基于現代電力電子技術發展而來的電力技術之一，其不但可以在智能電力設備輸電部分取得良好的應用，同時也可以實現對輸電系統的參數控制，還可以根據其變化情況對其進行靈活的適時控制，從而有效完善輸送功率的合理分配工作，確保功率損耗與發電成本的匹配，提升系統的穩定性與整體可靠性。當前我國在使用的FACTS裝置高達十幾種類型，除了常規的靜止無功補償器之外，還有靜止快速勵磁器、統一潮流控制器、可轉換靜止補償器等多種類型。近些年來，隨著我國FACTS技術的不斷發展，當前該技術在日本、瑞典、巴西等重要國家都開始全面普及，而其中一些國家在技術應用領域取得了顯著的成果。盡管FACTS技術無法覆蓋所有的技術層面，其在大多數情況下還會局限于一些局部特征，但是其在協調配合方面的效果依然值得肯定。由于FACTS裝置與常規的控制、繼電保護工作存在銜接方面的問題，所以該部分需要進行重點優化。

（2）HVDC技術與設備。HVDC技術設備是高壓直流輸電技術的主要應用途徑之一，其通過將交流電經過換流閥轉換成為直流電，以此來實現直流輸電線路的交互，這在提升電路的穩定性與輸送更高質量的電流方面具有不錯的應用效果。從技術層面上來看，HVDC當中有輕型直流輸電系統，該技術在海上風力發電等新能源領域應用得十分廣泛，由于可以免除換相的步驟，所以可以顯著提升系統的風險抵御能力，也在一定程度上降低了受托系統的容量要求。城市配電系統當中HVDC技術與設備的應用也可以取得良好的控制，所以該技術在整個智能發電系統中都占據著重要地位。

（3）超導技術與設備。超導技術與設備是美國智能電網規劃過程中的重要組成部分，同時也是我國未來智能電網建設的主要側重點之一。從技術應用層面上看，超導技術能夠有效降低線組，降低高壓輸電成本的同時，也可提升輸電的穩定性。但是受到技術層面的限制與發展穩定性的約束，當前該技術依然處于試驗和研發階段，能被廣泛的應用于智能電網還需要一定時間。

2.3 變電方面

變電方面的控制是智能電網建設的基礎，隨著變電站在網絡信息交互共享方面的建設水平不斷提升，當前建立電力企業大信息平臺也逐漸成為眾多智能電網建設的新選擇。目前，數字化變電站主要由智能化一次設備、二次設備以及通信協議的分層結構基礎所組成，所以不同的設備之間，采用電纜連接后，可以實現電子式互感器的應用，從而實現通信平臺的網絡化建設，這樣一來變電站就可以輕松完成自動化的信息采集、測量，甚至控制與保護，隨時對功能進行跟蹤監測的同時，也可以實現智能調節和在線分析，這對提升協同的互動性也具有一定作用。此外，相鄰的變電站以及電網調度的互動，也是變電站的主要控制策略。

2.4 配電方面

配電方面，智能電網當中的配電主要以高級自動化配電來完成，其可以適應一般的分布式電源與柔性配電設備的接入要求，同時也滿足雙向流動配電網的一般監護需求。另外，由于分布式智能控制在終端裝置的控制與局域網信息交互方面具有一定的適應性，所以其可以有效提升廣域電壓的無功調節，從而快速實現故障隔離，這對于提升配電的整體穩定性具有不錯的應用效果。另外，在配電網絡構建過程中需要切實做好數據通信網的建設，重點完善光纖、載波以及組網技術與設備的應用，確保光學與電子互感器的有效應用，從而在智能電網構建基礎上進一步實現功能的拓展和延伸。

2.5 用電方面

智能用電的關鍵技術在于用戶互動，從而形成完整閉合的市場競爭體系，這也是支持用戶側的信息雙向流動，實現市場變動與供電商電價的直觀調整，實現全國范圍內的市場競爭。供電側的管理主要以信息的采集和管理為主要目標，而用電監控與負荷管理主要依靠自動抄表和錯峰用電作為技術背景，從而確保用戶可以隨時了解自己的需求，并根據自己的需求提出信息交互邀請，以此來提升供電單位的整體服務水平。

3 智能電力設備關鍵技術

隨著國家對于智能電網建設的重視程度不斷提升，當前智能電力設備的關鍵技術也逐漸成為行業發展過程中最為關注的環節之一，為了更好的研究智能電力設備的應用與發展，現就我國智能電力設備關鍵技術的開發應用現狀分析如下。

3.1 高性能的電力電子設備

隨著智能電網的發展，在未來的智能電網建設過程中，發電部分會更加接近于分布式能源與新能源，而輸電部分則會向著安全穩定的電力供應系統以及網絡損耗的傳輸控制等方向發展，從而確保能夠符合配用電系統的安全穩定與用戶的電能質量需求。根據相關調查數據，目前超過95%以上的電力供應都必須經過電網處理才能夠實現安全、高質量的配送，所以電力電子技術與設備在未來的智能電網建設中將依然占據主導地位。

從智能電網的應用范圍上來看，其涉及到的電力電子設備主要包括變頻器、電能質量控制設備、柔性交流電FACTS等，以及電子電源產品。隨著智能電網電力電子設備的不斷發展，其也必然會向著智能化、數字化、高性能化、綠色化的方向發展和轉變，這會為我國現代化建設與發展提供新的平臺與契機。

3.2 低成本、高密度、大規模的儲能技術

低成本、高密度的儲能技術不但可以實現更高的理論負荷，也能夠有效提升配電系統的各種資源綜合配置和利用效率，有效降低整體性能的損耗，切實提升電能的利用水平。在儲能設備接入系統后，用戶側可以通過分布式電源的應用來解決風能與太陽能間歇性配電的問題，同時可以對配電系統的不利影響進行有效控制，以此來實現電能的質量控制與設備的配合，最終實現定制電力技術的有效應用。當前，由于儲能技術的研究變得越來越廣泛，其在國際學術界也受到了廣泛的認可與關注。隨著低成本、高密度儲能技術的應用與發展，電力運行的整體效率也會得到跨越式的提升，這對于用電策略也會產生顯著影響。

3.3 技術范圍與發展前景

技術范圍的擴充是整個智能電網電力設備的主要發展趨勢與方向之一。從技術應用的角度上來看，智能電網本來就是復合專業跨多領域形成的技術，所以其在技術創新與技術融合過程中，也需要多種技術的共同支持與幫助。隨著各種技術向著更高層次發展，當前數字化變電站技術和智能變電技術的發展都有效促進了整個智能電網設備的發展與進步。現階段，一些關鍵的智能電網建設技術與設備控制技術的研發還處于試驗階段，許多關鍵技術依然被西方發達國家掌控，這十分不利于我國智能電網的建設與發展。為了取得突破性的技術應用，體現出電力設備的發展性，依然需要繼續加大電力關鍵技術的投入與學術研究，重點攻克關鍵技術難關，以此來適應技術范圍與應用需求，確保智能電網的整體建設水平，在實現行業發展的同時，也為我國的工農業發展提供良好的能源支撐，為人們的生活質量提供充分的能源保障。

4 結語

綜上所述，智能電力設備的發展離不開智能電力設備關鍵技術的有效應用。在實際的設備設計與質量控制環節當中，智能電力設備的性能不但涉及到發電、輸電等傳統領域，對于變電、配電、用電等領域也多有涉及。為了更好的體現出智能電力設備關鍵技術的應用優勢，除了引入或者開發出高性能的電力電子設備之外，還需要重點做好技術范圍與發展前景的控制工作，切實完善智能電力設備關鍵技術的開發與維護，確保電力設備的質量，為智能電網的搭建創造新的條件。