智能电网中电力设备及其技术发展分析

孔祥玉，赵帅，贾宏杰，姜涛

（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

近年来，随着各种先进技术在电网中的广泛应用，发展智能电网已在世界范围内形成共识。由于智能电网尚处于起步阶段，国际上对其还没有达成统一而明确的定义。从技术发展和应用的角度看，世界各国、各领域的专家、学者普遍认同以下观点：智能电网是将先进的传感测量技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合，并与电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。作为一个完整的电力系统，智能电网涵盖发、输、变、配和用全流程，各个环节中涉及大量的电力设备和关键技术。

智能电力设备，从狭义上来说，是具有信息获取或传输，并能进行逻辑判断的电力设备；而广义上，则可以认为是适应和支持智能电网新特点的所有电力设备［1］。实际上，就智能电网相关的各种硬件设施，比如高度的电力设备自动化，各国一直都在进行相关的建设。智能电网具有系统整合的特点和趋势，将涉及到的各个单元或是部件整合成一个能智能化工作的系统，如智能配电系统，数字化变电站，用户电价互动系统等，这些系统中已经包含多种智能单元和部件，整合后的系统可能同时包含多个当前电力系统一、二次设备［2～4］。

本文简要分析和介绍了支持智能电网的各项新设备（新技术），包含各种新型能源发电和接入设备：超导、复合材料传输设备，储能设备，新型电力电子设备，信息量测和传输设备，以及诸如智能电表、智能终端和智能管理终端等。其中部分技术和设备在智能电网概念提出之前就已经出现，但作为智能电网建设的重要组成或实现智能电网的重要手段，在本文中也进行了相应介绍。

1 国内外智能电网的侧重区别

智能电网中电力设备及其技术发展的驱动可以用“环境决定侧重，力度决定速度”来概括。后半句表明政府意图对智能电网发展的决策和重视程度决定智能电网和各项技术的速度，而前面半句，则表明智能电网的发展应与国情相适应，智能电力设备技术的发展也与智能电网的侧重相匹配。

美国智能电网环境的特点是分布式发电比重快速上升与完全竞争性的电力市场，因此注重用户侧和配电智能设备，相关技术开发和应用也着重这两部分。在美国“grid2030”智能电网规划中，美国智能电网的电力设备主要围绕如智能电表、智能终端、智能配电网设备以及超导和储能等方面。欧洲国家智能电网建设主要是促进并满足风能、太阳能和生物质能等可再生能源的快速发展，把可再生能源、分布式电源的接入以及碳的零排放等环保问题作为重点，因此优先发展新能源接入与控制相关设备及技术［5］。日本和韩国将智能变电站、配电网的自愈控制相关设备，以及大规模太阳能等新能源开发的保护与控制设备作为研究重点。由于我国能源与用电负荷分布的情况以及网、售合并的垄断性电力环境，导致智能电网规划侧重长距离、高电压输变电的发展，但同时智能用电双向互动、分布式电源"即插即用"接入的需求及电力市场化改革，也极大推动配用电设备的发展，如智能电表及双向通信网络的广泛建设。

2 智能电力设备发展现状

智能电网作为一个整体，无论侧重点在哪个部分，都需要众多先进的智能电力设备的支持。

2.1 发电方面

智能电网在发电方面涉及的电气设备包括各种可再生能源能量转换设备，安全、可靠并网接入设备以及储能设备。

1）各种新能源和分布式发电技术设备，如微型燃气轮机、燃料电池（微透平）、太阳能光伏发电（太阳板）、风力发电（风机）、生物质能发电设备、海洋能发电设备和地热发电设备等。

2）智能保护与控制类设备，如数字型保护继电器、智能分接头变换器、动态分布式电力控制设备等。

3）各种大容量储能及高效能量转换装置，如蓄电池储能、超级电容器、超导储能、飞轮储能，以及燃料电池，高容量储氢、高效二次电池等设备。

以分布式发电系统为例，如图1所示，发电部分、功率调节部分有多个逆变器，其中功率转换和控制装置又包含诸多核心设备，如各种大功率高性能变流器、大功率风力发电机的励磁与控制器、风力发电用永磁发电机变速调速装置、大功率并网逆变器、储能装置以及电网的连接设备，燃料电池、电能输出波形质量设备，电压跌落隔离和保护设备等。对于大功率燃料电池系统，则涉及新的电路拓扑、智能集成功率变流器和智能系统级控制设备［6］。

图1 分布式发电、储能及转化系统Fig.1 Distributed generation，energy storage and conversion system

2.2 输电方面

智能电网网架建设，既要发展大容量远距离低损耗输电技术，也要考虑大规模间歇式新能源接入对输电网的影响，主要集中于柔性交流输电FACTS（flexible AC transmission systems）及其相应柔性交流输电设备，高压、特高压直流输电HVDC（high voltage direct current），以及高温超导技术等，前两项涉及大量的电力电子设备，最后一项同时涉及新材料和复合材料等关键技术和设备。

1）FACTS技术及设备

柔性交流输电技术是现代电力电子技术与电力系统相结合的产物，是智能电力设备在输电部分应用的体现。该技术采用具有单独或综合功能的电力电子装置，对输电系统的主要参数（如电压、相位差、电抗等）进行灵活快速的适时控制，以期实现输送功率合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定和可靠性。目前已成功应用或正在开发研究的FACTS装置有十几种，如静止无功补偿器（SVC）、静止调相机（STATCOM）、静止快速励磁器（PSS）、串联补偿器（SSSC）、统一潮流控制器（UPFC）、晶闸管控制串联电容器（TCSC）、晶闸管控制申联电抗器（TCSR）和可转换静止补偿器（CSC）等。

近年来，该技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高压输电工程中得到应用。但FACTS技术的应用还局限于个别工程，如果大规模应用FACTS装置，还要解决一些全局性的技术问题［7］，例如多个FACTS装置控制系统的协调配合问题，FACTS装置与已有的常规控制、继电保护的衔接问题等。随着智能电网的发展以及电力电子器件的性能提高和造价降低，FACTS装置和设备会在未来输电领域大规模应用。

2）HVDC技术及设备

高压直流输电是将发电厂发出的交流电通过换流阀变成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端再变成交流电注入受端交流电网。直流输电核心技术集中于换流站设备，换流站实现了直流输电工程中直流和交流相互能量转换，除在交流场具有交流变电站相同设备外，还有以下特有设备：换流阀、控制保护系统、换流变压器、交流滤波器和无功补偿设备、直流滤波器、平波电抗器及直流场设备，而换流阀是换流站中的核心设备，其主要功能是交直流转换，从最初的汞弧阀发展到现在的电控和光控晶闸管阀，换流阀单位容量在不断增大。

HVDC中的轻型直流输电系统（Light HVDC）技术目前备受关注，如海上风力发电用岸上轻型高压直流输电装置，采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，可以免除换相失败的风险，对受端系统的容量没有要求。未来可用于向孤立小系统（如海上石油平台、海岛）供电，或在城市配电系统中用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源，是智能电网发展中的重要技术和设备［8］。

3）超导技术及设备

智能电网的目标是降低网络损耗，美国智能电网规划的一个重要目标是实现以超导为主的骨干网，大幅降低网络损耗。超导电力技术是利用超导体的无阻高密度载流能力及超导体的超导态和正常态相变的物理特性发展起来的一门新的电力技术，它在实现电力装置的轻量化、小型化、低能耗和提高电力系统的安全性、稳定性和电力质量等方面具有重要的意义和广阔的应用前景。

超导技术及其发展的各种设备是智能电网发展的重要构成部分和载体。目前，超导电力技术已进入高速发展时期，若干超导电力设备，如超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导磁储能系统等已在电力系统试运行。表1为超导电力设备的特点及其对电力工业的作用和影响。

表1 超导电力设备的特点及其对电力系统的作用和影响Tab.1 Characteristics of superconducting equipment and its role and influence in power system

2.3 变电方面

未来变电站需要在网络信息交互共享的基础上实现信息互用，建立电力企业的大信息平台，并在此基础上逐步实现智能电网所要求的诸多强大功能。目前主要进行的是数字化变电站，它由智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850通信协议基础上分层构建，从而实现智能设备间信息共享和互操作。与传统变电站相比，数字化变电站间隔层和站控层的设备及网络接口只是通信模型发生了变化，而过程层却发生了较大的改变，由传统的电流、电压互感器、一次设备以及一次设备与二次设备之间的电缆连接，逐步改变为电子式互感器、智能化一次设备、合并单元、光纤连接等内容。

智能变电站是数字变电站的发展，是以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站。与数字化变电站相比，不仅是简单的数字采集与展示，更具有一定智能意义的分析功能。智能变电站中，一次设备被检测的信号回路和被控操作驱动将采用微处理器和光电技术设计，简化了传统机电式继电器及控制回路结构。数字程控器及数字公共信号网络取代传统导线连接。变电站二次回路中传统继电器及其逻辑回路被可编程序代替，传统的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替［9］。

变电站内的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等，将基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接采用高速的网络通信，常规的功能装置将具有逻辑功能模块。

2.4 配电方面

智能电网配电部分将实现高级配电自动化，以适应分布式电源与柔性配电设备的大量接入，满足功率双向流动配电网的监控需要；同时采用分布式智能控制，现场终端装置能通过局域网交换信息，实现广域电压无功调节、快速故障隔离等控制功能［10］。智能配电网依赖前端先进的传感量测技术对各类数据的采集，并通过通信网络完成数据的融合和传输，实现运行监视与协调控制，其中包含诸多的新技术和新设备。例如构建覆盖配电网中所有节点（控制中心、变电站、分段开关、用户端口等）的数据通信网，将涉及光纤、无线、载波等各种组网技术及设备。对各种信息量的采集，涉及先进的传感测量技术与设备，如光学或电子互感器、架空线路与电缆温度测量、电力设备状态在线监测、电能质量测量等。目前我国配电网的传感测量比较多的是构建在光纤传感测量技术之上，未来智能电网的构建也将在此基础上进行延伸。

提高电能质量是智能电网构建的一个重要目标，在配电方面涉及大量的电力电子设备。而作为FACTS技术在配电系统应用的延伸，DFACTS（Distribution FACTS）技术综合了配电网未来新技术的应用。DFACTS技术与输电系统中的FACTS技术侧重不同，FACTS设备的主要作用是调整输电线路的参数，控制线路的潮流，提高输电线路的功率传输极限，使输电线路的潮流能按预定计划实现控制，提高全网的经济性；也可以通过快速控制提高系统动态性能，如调节电压、控制功率振荡和抑制次同步振荡等；而DFACTS技术主要用来提高供电质量，即减小谐波和畸变、电压波动与闪变、电压暂降与电压中断、消除三相不平衡，使电压的幅值和波形符合要求、提高功率因数等。配电网涉及的智能电力设备如表2所示。

表2 配电网涉及的智能电力设备的特点及分类Tab.2 Characteristics and classification of distribution electrical equipment involved in smart grid

2.5 用电方面

智能用电部分的重要目标是实现用户互动，促使电力市场完全竞争。用户侧支持能量和信息的双向流动，用户可以通过实时获取用电信息与不断变化的不同供电商的电价，真正实现全国范围内电力市场完全竞争［11］。

供电侧将以信息采集与管理为主，通过对配电变压器和终端用户的用电数据的采集和分析，实现用电监控、推行阶梯定价、复合管理、线损分析，最终达到自动抄表、错峰用电、用电检查（防窃电）等；用户侧能够了解实时电价和按照自己需求，实时用电管理及用电质量等服务。因此该部分的智能电力设备包括：智能表计、高度自动化、即插即用式智能电力设备、智能保护装置、测量监视设备、储能电池、家庭自动化设备、海量数据处理设备和可视化设备等。

1）智能表计，具有电功率计量计时、记费、与上位机通讯、用电管理等功能的电度表，可以定时或即时取得用户带有时标的分时段的（如15min，1h等）或实时（或准实时）的多种计量值，如用电量、用电功率、电压、电流和其他信息。

2）数据量测设备，可以分为用户专用和公用事业专用。用户专用量测主要包括具有家电控制、电能质量分析、防偷电、功率和用电量测量、实时电价处理、成本控制、自备电源监测等功能的设备。它们通常以电子计量设备为基础，通过发达的通信技术，实现对电力运行状态及交易相关参数的测量、控制等。公用事业专用量测有公用事业监测系统和高级保护系统。相角量测单元（PMU）、广域量测（WAMS）、线路容量动态监测、各种先进的传感器、具有监测功能的电子设备（如电子变压器）等均属前者；高级保护系统包括故障检测继电器、一些特定保护系统，如关键设备监视、状态和预想故障监视保护等相关智能电力设备。

3）通信设备，通信技术涉及的智能设备种类繁多，常见的类型有铜芯线、光纤、电力线通信（BPL）、无线通信等技术，还需发展如Internet、卫星、无线、3G、传感器网络等多种通信方式。通过这些载体，可以在更广的范围实现更多信息和应用的连接和集成，使数据在发电、输电、配电和用户等不同主体及各类应用系统之间高速传递。同时通信设备还包括维持精确的数据对时和同步能力的设备，提高抵御外部通信干扰的能力，降低对外部的辐射和电磁干扰等功能的技术和设备等。

3 智能电力设备的关键技术

结合我国智能电网发展特点和世界智能电网发展进程，智能电力设备方面应着重发展以下两方面的技术。

3.1 高性能、智能化电力电子技术

在未来的智能电网中，由于在发电部分各种新能源和分布式能源的开发和利用，在输电部分电力系统安全稳定及降低网络损耗的传输，以及在配、用电方面对电能质量的要求，预计会有95%以上的电能要经过电力电子技术的处理后才能使用［6］。在智能电网中，可谓电力电子技术和装置将无处不在：从发、输电角度来说，电力电子技术可有效提高发电效率和提高输电质量；从配用电角度来说，电力电子技术可有效进行节能改造，提高用电效率。

由于智能电网的范围广泛，图2简单说明了电力电子所涉及的各部分的应用，主要包括三大类产品：变频器（变频调速）、电能质量类产品（含高压直流输电、柔性交流输电FACTS等）和电子电源产品。智能电网的电力电子设备正朝着高性能化、智能化、全数字控制、系统化和绿色化（无谐波公害）方向发展。

图2 电力电子在智能电网中的应用Fig.2 Applications of power electronics in smart grid

3.2 低成本、高密度、大规模储能技术

利用电能储存技术可以实现负荷的消峰填谷，有助于提高配电系统的资产利用率，降低系统损耗，是实现电能高效利用的一项重要措施。储能设备接入系统或用户侧还可与各种分布式电源相配合，解决风能、太阳能等的间歇性对配电系统造成的不利影响问题；与各种电能质量控制设备相配合，有助于定制电力技术的实现。目前，各种储能技术的研究在国际上受到了广泛的关注。随着低成本、高密度、大规模储能技术的突破，电力系统的运行方式将大大改变，对用户的用电策略也会产生很大的影响［12］。

需要注意的是，智能电网所涉及的技术范围十分广泛且不乏很多前沿的技术创新和技术融合，有些技术已经被开发和掌握，同时还在逐步完善并向更高层次发展，如数字化变电站技术，向智能变电站的发展；而有些技术依然是攻关的难度，如大规模储能技术、高温超导技术等，在何处取得技术突破性进展，将会对智能电力设备产生巨大影响。

4 结语

信息是智能电网的基础支撑，信息的获取需要大量的智能装备来支持。在智能电网中，一次与二次、装备与电网、装置与系统将更加融合，复合技术应用日益广泛。专业界限的模糊将使得智能电网中智能系统的外延大大拓宽。可以预期的是，各种智能设备和智能系统在智能电网中将呈现日益整合、相互交融、灵活组态的发展趋势。因此，在今后电网建设和改造中，应该鼓励和优先采用适用于未来智能电网建设所需和可用的智能电网设备。

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