智能电网关键基础技术分析

／工业和信息化部产业发展促进中心 高栋 刘嘉 范秋／

智能电网关键基础技术分析

／工业和信息化部产业发展促进中心 高栋 刘嘉 范秋／

智能电网是集成现代多学科科学技术发展成果的产物，涉及范围十分广泛，本文选择与智能电网发展密切相关且影响效应强的传感器、互联网及柔性输电三方面内容加以介绍。

第一节 传感器

一、我国传感器产业发展现状

传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

我国传感器产品仅有10大类、42小类、6000多个品种，尚有大量的品种短缺。在技术和生产能力上同发达国家相比，产品技术档次低，品种规格不齐全，远不能满足国内需求，特别是一些高档传感器、MEMS传感器、汽车用传感器以及专用配套传感器等，这些仍然主要依赖进口。

我国在传感器技术研究方面，正在逐渐缩小与国外的差距，一批基于MEMS技术的新型传感器正在进入市场，在各领域中不断拓宽应用范围，设计技术、材料控制技术、生产技术、可靠性技术和测试技术不断发展成熟，量产能力逐步提高。在激烈的市场竞争条件下，我国生产的传统传感器，如力学量传感器、气体传感器、温度传感器、光学传感器、电压敏传感器，产销形势稳中有升，在国内市场份额逐步增长的同时满足了部分国外市场的需求。

传感器技术朝着智能化、集成化的方向发展，数字化、网络化、低成本、标准化也成为传感器产品发展的总体趋势。生产制造方面应从产品、应用市场、营销模式、基础设施等多方面综合考虑，加强传感器的可靠性设计。可靠性指标，可与产品功能、性能指标一起确定。

二、智能电网传感器

智能电网信息化、自动化、互动化等特征，决定了电网设备需要通过高效先进的传感措施或手段与先进通信信息技术融合，形成智能电网通信信息网络。如果把整个智能电网比作人的身体，那传感器就是遍布于全身，使人感觉到酸甜苦辣、冷热饿饱、香臭麻疼等的末梢神经。

传感器、监视器、通信装置和智能电表等正是建设智能电网的最重要的组成部分。智能电网各个环节的信息采集必须通过传感器才能完成。传感器是智能电网得以建立的基础和前提。没有智能传感器就谈不上智能电网。

（一）智能电网设备工作的自然环境要求

见表1。

（二）智能电网设备工作状态下形成的人工环境要求

温度、湿度、电场强度、磁场强度、振动幅度与频度、振荡摆度、环境介质。

（三）特殊要求传感器自身的工作环境要求

如防雨淋、放挤压、防暴晒、防油污等。

三、智能电网中传感器需感知的参量

在智能电网每一个环节中除需要感知环境、气象等参量外，还都需要感知一次电路电压和电流等主要电参量。在发电、输电等环节还需要监测频率，而直流输电则不存在主频率问题，主要关注谐波分量等。（见表2）

四、智能电网传感器的种类（部分）

电力行业从发、输、变、配、用各个环节都离不开传感器技术的应用。智能电网设备所用到的部分传感器种类如下。

从用途方面来分，主要使用传感器有：

表1 智能电网设备工作的自然环境要求

表2 智能电网中传感器需感知的参量

应力传感器、角度传感器、风速传感器、光强度传感器。

振动传感器、红外传感器、图像传感器。

电流传感器、电压传感器、局部放电传感器、压力传感器、温度传感器、振动传感器、气体密度及微水传感器、湿度传感器、光电编码传感器。

变压器油色谱传感器系统、套管介质损耗传感器系统、绕组变形传感器、变压器油微水传感器、干湿度传感器、转速传感器、噪声传感器、油流量传感器、位置传感器等。

值得说明的是，多种原理和许多不同使用领域的新型传感器，如航天用传感器、汽车用传感器（如胎压传感器）、测绘测量用传感器、其他工业用传感器等，应该在智能电网设备上有很大的开发应用前景。

五、传感器需满足智能电网主设备一体化的需要

传感器行业需详细了解主设备及辅助设备的工作情形、工作状态及工作环境（如电磁场环境，温度、振动等），充分把握主设备对传感器种类、性能、形态、接口、通信等方面的需求或要求，满足智能电网设备一体化制造、一体化检测、一体化调试的要求。

（一）物理结构形态

自成体系的、置于主设备的传感器，要满足主设备的结构布局，实现空间占用最小，外形结构优美，风式格调统一；同时，与主设备对外接口规格一致。 特别易于疏忽的如主设备的运输颠震、操作振动等要求。

（二）网、站总体通用要求

各种传感器要满足场站信息通信交互、计量保护监测、调度控制管理等多种一致性的通用要求。

（三）主体设备性能参数保障

不能因为各种传感器的应用，有降低主设备整体性能参数的情况。

第二节 互联网

一、互联网技术

互联网技术指在计算机技术的基础上开发建立的一种信息技术， 简称 IT。一般认为IT有以下三部分组成：

1）传感技术，这是人的感觉器官的延伸与拓展，最明显的例子是条码阅读器；

2）通信技术，这是人的神经系统的延伸与拓展，承担传递信息的功能；

3）计算机技术，这是人的大脑功能延伸与拓展，承担对信息进行处理的功能。

二、互联网经济

互联网经济是基于互联网所产生的经济活动的总和，在当今发展阶段主要包括电子商务、即时通讯、搜索引擎和网络游戏四大类型。互联网经济是信息网络化时代产生的一种崭新的经济现象。

互联网对世界经济的发展的影响有两个大的方面：一方面是成为 新经济发展的引擎，创造了新的经济发展模式；一方面，对传统的经济模式和产业，起到了革新改造的作用，加速传统产业变革与融合。

互联网思维具体来说分两个阶段：第一个阶段，把互联网当做一个工具、方法，互联网对整个传统产业互相融合，才能把传统产业真正转型升级，创造价值。第二个阶段，一是从客户角度思考问题，为客户创造价值。二是互联网一定是开放、合作的，要靠资源整合合作共赢的理念来达到共赢。

面对互联网、大数据、云计算等技术快速发展，许多传统企业正在对市场、用户、产品、企业价值链乃至整个商业生态进行重新审视。

除了对经济发展产生重大影响，互联网已经从根本上改变了人们的生活方式。它将继续对人类的社会生活诸多方面。以及世界的经济发展产生深远的影响！典型应用GPS的使用只受限于人们的想象力。

第三节 柔性输电

一、柔性交流输电技术

（一）简介

柔性交流输电技术是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术，它能够增强交流电网的稳定性并降低电力传输的成本。该技术通过为电网提供感应或无功功率从而提高输电质量和效率。柔性交流输电技术（Flexible Alternating Current Transmission Systems，简称FACTS）又称为灵活交流输电技术，定义为“除了直流输电之外所有将电力电子技术用于输电的实际应用技术”，其实质就是引入各种电力电子变换器、补偿控制器以实现灵活快速有效的控制交流输电系统。

（二）主要内容及功能

柔性交流输电技术的主要内容有：在输电系统的主要部位，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。

柔性交流输电的主要功能可归纳为：①较大范围地控制潮流；②保证输电线输电容量接近热稳定极限；③在控制区域内可以传输更多的功率，减少发电机的热备用；④依靠限制短路和设备故障的影响防止线路串级跳闸；⑤阻尼电力系统振荡。

（三）主要设备及作用

柔性交流输电主要设备分三大类。

串联补偿装置：晶闸管控制串联电容器（HYPERLINK TCSC）、晶闸管控制串联电抗器（TCSR），静止同步串联补偿器（SSSC）等，主要作用是改变系统的有功潮流分布，提高系统的输送容量和暂态稳定性等；

并联补偿装置：静止无功补偿器（SVC），晶闸管控制制动电阻器（TCBR）、静止同步补偿器（STATCOM）等，主要作用是改善系统的无功分布，进行电压调整和提高系统电压稳定性等；

综合控制装置：统一潮流控制器（UPFC）等综合了串、并联补偿的功能和特点，是实现电力网络控制潮流，阻尼振荡，提高系统稳定性等功能的得力措施。

二、柔性直流输电技术

（一）柔性直流输电技术原理

先介绍高压直流输电技术原理易于理解柔性直流输电技术。

（1）高压直流输电技术原理

高压直流输电系统的基本原理如图1所示。它包括两个换流站（ZH1、ZH2）和直流线路。两个换流站的直流侧分别接到直流线路的两端，交流侧分别接到两个交流系统I和II。换流站中主要包括换流器、换流变压器、滤波器等装置，它的功用是实现交流电和直流电之间的转换。

从电力系统I向电力系统II输送电力时，换流站ZH1把送端电力系统I送来的三相交流电流变换成直流电流，通过直流线路把直流电流和功率输送到换流站ZH2，再由ZH2把直流电流又变换成三相交流电流。从交流变换成直流和从直流换成交流过程分别称为整流和逆变。

高压直流换流器（换流阀）通常由一个或多个换流桥串联（或并联）组成。目前用于直流输电的换流器均采用三相桥式换流电路，每一个桥有六个桥臂（换流阀臂）。现代高压直流输电工程都是利用晶闸管作为主要部件构造换流阀。由于晶闸管单管耐压相对较低，因此一般用几十甚至几百个晶闸管串联组成换流器的桥臂。尤其是特高压直流换流阀，其所需晶闸管串联数更多。

图1 直流输电系统基本原理图

（2）柔性直流输电技术原理

柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路（通常为直流电缆）构成，图2为双端柔性直流输电系统原理图，包括两个换流站和直流线路。

图2 柔性直流输电系统原理图

与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器（VSC），其最大的特点是采用了可关断器件（通常为IGBT）和高频调制技术。通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，通过对两端换流站的控制，就可以实现两个交流网络之间有功功率的相互传送，同时两端换流站还可以独立调节各自所吸收或发出的无功功率，从而对所联的交流系统给予无功支撑。

（二）柔性直流输电技术的特点

柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网方面具有较强的技术优势。柔性直流输电与传统采用晶闸管硅（ SCR）换流装置的高压直流输电相比，技术上的主要特点为：

1）VSC能够自关断，工作于无源换流方式，不需要电网提供换相电压；

2）控制方式灵活，可同时独立控制有功功率和无功功率，稳态运行时不需要交流系统提供无功；

3）交流系统故障时，能够提供紧急有功支援和动态无功支撑，提高系统的功角、电压稳定性；

4）采用 VSC有利于构成并联多端直流输电系统；

5）采用 PWM技术，输出谐波多为高次谐波，滤波装置容量大大减小。

第四节 传感器、互联网、柔性输电与智能电网

一、互联网与智能电网

智能电网具体来说就是智能化的电网。通常把由输电、变电、配电设备及相应的辅助系统组成的联系发电与用电的统一整体称为电力网。即电网。这里电网主要包含两方面的含义，一是联络发电与用电而设的充当“一次”电流、电压载体、传递能量的“连接体系”；二是映像及保障“连接体系”安全、稳定运行的相应的辅助系统。

在电网中，构成“一次”电流、电压载体的“连接体系”自成“一次网络”，独立运行，与相应的辅助系统电气“隔离”。辅助系统为因“连接体系”而存在，也构成了一个相应的“辅助网络”即“二次网络”。“二次网络”根据“一次网络”运行情况、人工操作指令等“综合信息”对“一次网络”实施监测、调节、控制等，是一种“互联网系统”，但其中包含了“专家诊断系统”等人工智能、现代管理思想等软件体系，非普通网络可比。从物理结构上看，“互联网系统”只涉及到了“二次网络”的范畴，是整个智能电网物理结构的一个局部。物联网（尽管目的意义各不相同）。

传感器、RFID标签等代表或映像各种物体（无论是复杂精密的，或是简单普通的）通过和互联网IP地址等标识建立网络式互联，形成物联网。在电子生态系统中，真实世界与电脑互动，而传感器构成了该系统的边缘，提供的数据种类比键盘和鼠标输入的数据更丰富。将来更多的互联网数据不是来自键盘，而是来自传感器。传感器的应用将逐渐渗透到人们社会、经济生活的各个方面、各个领域，能够方便快捷地海量地传递各种信息或数据，这将进一步促进互联网的发展。

三、智能电网是传感器、互联网技术应用的集中反映

二、传感器与互联网

互联网最引人关注的两个方面是各种电脑终端（包括固定或移动、有线或无线）的互联和各种物体的互联形成的

传感器应用在智能电网建设、安全生产管理、运行维护、信息采集、安全监控、计量及用户交换等各个方面，可以全面提高各环节的信息感知深度、广度以及密度，促进 “信息流、业务流、电力流的高度融合”的实现。智能电网应用的传感器种类繁多、数量巨大，而且随着智能电网的发展，应用的传感器种类和数量将更多，技术要求也将更高。

智能电网是互联网应用于经济生产中的最为典型的案例，首先它的范围十分广大。其次是由于工作环境特殊，它在通信抗扰性、安全性等诸多方面比普通互联网要求高。再次，智能电网应用了大量高新技术发展的成果，也有与之相适应的网络要求。

可以说，智能电网是传感器和互联网技术发展成果的集合或集中展示，在很大程度上反映了传感器、互联网技术的发展水平。

四、柔性输电与智能电网

（一）柔性直流输电与智能电网

柔性直流输电是构建智能电网的重要环节，与传统相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。柔性直流输电可携带来自多个站点的风能、太阳能等清洁能源，通过大容量、长距离的电力传输，到达多个负荷中心，为新能源并网、城市供电等提供一种有效的解决方案。

（二）柔性交流输电与智能电网

运用柔性交流输电技术，通过控制设备，可以有效地控制和调节电网运行的柔性，且把风电等新能源引入系统的运行方式，从而更好地满足电网运行的需求。随着当前电网的不断发展，电网中的负荷和自由潮流也逐渐变大，这不利于电能的经济、高效传输。此外，电力系统的稳定性及导线发热对交流远距离的输电传输有着重要的影响。柔性交流输电技术中的控制系统的运行方式是很有必要的。柔性交流输电技术集中了电力电子技术和控制技术，为智能电网发展提供了保障。