《智能電網》研究生教學及其在電力系統中的應用

(新疆工程學院 能源工程學院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

2020年9月，第75屆聯合國大會上，中國提出力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。目前面臨著巨大挑戰，其一排放總量大，2020年，我國碳排放總量占全球比重超過25%，人均碳排放量超過世界平均水平40%；其二時間緊，我國經濟邁向高質量發展關鍵期，能源消費還在增長，依賴高碳發展模式，10年內碳達峰，30年實現碳中和，對政策及科技儲備的考驗巨大[1-2]。

為了更好的實現“雙碳”目標，2021年3月，中央財經委員會第九次會議上，提出構建以新能源為主體的新型電力系統。智能電網是新型電力系統的重要組成，是國家“十四五”規劃建設的重點項目。新疆“三基地一通道”，在國家戰略全局和能源發展布局中具有特殊重要地位，在推動能源轉型發展中發揮了積極表率作用。新疆棄風棄光率高，2018-2020年棄電率：21.2%，12.4%，9.9%，新疆煤化工產業面臨節能減排等方面的挑戰，新疆水資源相對匱乏，制約了煤化工產業的發展。因此，為了提高新疆新能源消納水平，降低煤化工污染，有效利用新疆的沙漠和戈壁，有必要發展新疆智能電網，促進新疆能源產業綠色發展，支持國家“雙碳”目標的實現[3-4]。

首先對新疆某高校《智能電網》博士研究生課程授課情況進行介紹，結合科研狀況，然后對關鍵技術在我國電力系統中應用進行歸納總結，重點闡述特高壓技術、智能傳感器以及人工智能技術在電力系統中的應用。本研究將有助于提高電氣工程專業研究生的教學以及科研水平，并具有一定的實踐工程價值。

1 新疆某高校《智能電網》博士研究生課程授課情況

《智能電網》課程是新疆某高校電氣工程一級學科博士研究生必修課程，32課時，2學分，共有15人必修，包括4個專業：電力系統及其自動化、電力電子、特高壓以及電工理論。

《智能電網》是新疆某高校博士研究生培養的基礎學位課，《智能電網》基礎理論包括：建模仿真智能電網分析，優化運行，保護控制以及規劃與設計等。《智能電網》關鍵技術包括：先進傳感與量測技術，智能電網通信與信息技術智能用電與需求側管理，分布式發電與集成，先進儲能技術及應用，智能電網高性能計算技術節能環保低碳技術，電力物聯網，電動汽車與能源交通融合，智慧樓宇與智慧小區，微電網與微能源網，綜合能源電力系統，能源互聯網，信息安全，韌性電網，電力大數據與人工智能應用以及電力交易與區塊鏈等。

針對學生特點，制定了教學目標：掌握智能電網的部分基礎理論與核心技術，掌握智能電網的國內外最新發展動態和趨勢，了解智能電網領域的前沿研究成果，掌握智能電網仿真分析工具，具備編程解決問題的能力，培養文獻調研、發現問題、分析問題、解決問題及成果總結的能力，初步培養獨立思考和自主創新能力，初步培養應用理論成果解決工程實際問題的能力理念重點培養研究生的創新能力。為今后進一步研究智能電網并將智能電網的關鍵技術應用于工程打下堅實的基礎[5]。

2 我國電力系統中的智能電網

2021年劉振亞在《智能電網技術》中給出堅強智能電網概念，以特高壓為骨架的電網結構[6]。堅強智能電網與泛在電力物聯網、能源互聯網的關系如圖1所示，為了實現我國以新能源為核心的新型電力系統的建設，實現能量流與信息流相互融合一體化，離不開智能傳感器以及人工智能技術。智能傳感器被視作“電力三次設備”，是智能電網可見、可知、可控的信息物理融合基礎；人工智能技術是智能電網的核心，是構造新型電力系統的戰略支撐。

2.1 我國特高壓

2009年我國建成世界上首條1 000 kV特高壓輸變電工程，長治—南陽—荊門特高壓示范工程，全長654公里，跨越黃河和漢江，變電容量600萬kVA。2014年我國投運當時世界上輸電容量最大的±800 kV特高壓直流輸電系統，哈密至鄭州，輸電容量8 000 MW；2018年我國自主設計的首個±1 100 kV特高壓直流輸電工程，新疆昌吉至安徽古泉，線路全長3 293 km，輸電容量1 200萬千瓦，是當今世界電壓等級最高，輸電距離最遠，輸電容量最大的特高壓直流輸電。

圖1 堅強智能電網與泛在電力物聯網、能源互聯網

我國能源資源主要分布在“三北”，與中東部及沿海的負荷中心不匹配，“十四五”規劃大力發展特高壓直流，大規模遠距離輸電。南方電網特高壓±800 kV/8 000 MW柔性直流輸電關鍵技術：

(1)特高壓柔性直流，特高壓由400 kV+400 kV雙閥組串聯實現，具有成熟運行經驗，特高壓直流的基本結構型式，柔直接線設計與傳統直流側的電壓、容量相匹配；

(2)大容量柔性直流，輸送5 000 MW有功功率同時具備1 000 Mvar動態無功補償能力，STATCOM運行方式下無功補償能力達1 500 Mvar，模塊電容單體儲能是1 GW級工程換流閥的2.2倍，重量、體積顯著增加；

(3)遠距離架空線柔性直流，架空線遠距離、大容量輸電運行環境復雜，具備直流側故障清除和重啟動能力，是保障運行可靠性的基本功能，高壓直流輸電清除直流線路故障小于100 ms，整流站快速移相至逆變模式，泄放直流側能量，逆變站維持逆變模式且不閉鎖，泄放直流側能量，功率恢復時間小于100 ms(不含去游離時間)，具備多次重啟、降壓重啟動能力[7-9]。

2.2 智能傳感器

傳感器是構成現代電網信息系統和自動化系統的物理基礎，在電網運行和管理中發揮了重要作用，目前電網傳感器亟需更新換代，性能不穩定，易受環境影響可維護性低，校準困難尺寸大、安裝不便，應用場景受限價格高，性價比低單兵作戰，功能單一有限的采集范圍、慢節奏的采集頻率。隨著電網智能化、透明化、市場化物聯化發展，對傳感器有了更高要求：更全面、更充分、更及時、更便捷、更可靠[10]。

傳感器智能化：(1)高精度，電氣量測量最低0.5毫秒級，目標達到0.1毫秒級；(2)分析決策，據存儲、數據傳輸、統計分析、濾波處理、剔除異常值、邏輯判斷、分析決策；(3)自我學習，根據條件變化自我學習，自動調節參數、自動量程選擇，自動改變硬件模塊和軟件模塊的組合狀態，完成不同的測量功能；(4)高可靠性，傳感器能夠自動補償、自動校準、自動調零、自動檢驗。高集成度芯片化技術實現傳感器微型化與低功耗，集成傳感芯片、多核處理器芯片技術、數據傳輸及處理技術，替代傳統互感器加自動化終端架構，大幅提升裝置的可靠性和集成度，如圖2所示。

2.3 人工智能技術

人工智能及其在電系統中的發展如圖3所示。

圖2 高集成度芯片智能傳感器

圖3 人工智能及其在電系統中的發展

人工智能不依賴與數學模型，對大數據分析，通過自我深度學習，突破解決電力系統復雜性問題。電網“三高”，高比例新能源、高比例電力電子、高比例交直流，數據海大、復雜，必須需要人工智能的參與。人工智能在電力系統中的作用如圖4所示[11]。

圖4 人工智能在電力系統中的作用

3 結束語

《智能電網》是新疆某高校的博士研究生必修課，重點掌握智能電網的部分基礎理論與核心技術，培養發現問題、分析問題、解決問題的能力，并應用到工程，解決實際問題，為新疆可持續發展提供動力。

智能電網是我國“十四五”規劃的重點，是實現我國“雙碳”目標的重要技術，是構建我國新型電力系統的關鍵。我們要著眼新疆實際情況，大力發展新疆智能電網建設。

(1)統籌全面推進新疆電網建設，積極配套建設750 kV全疆網架；

(2)保障全疆電網安全可靠，優化資源配置，統籌平衡電量，提升供電服務；

(3)加強“疆電外送”，促進新能源消納，加大外送力度。新疆是我國能源的大后方，解決我國能源安全問題，為我國未來發展提供有力支撐。