智能电网中的电力设计关键技术研究

清远电力规划设计院有限公司 林志刚

智能电网作为我国现代化供配电体系建设中的核心组成部分，是下一代电网基本模式，通过利用先进、前沿且现代化的信息、通信、智能控制、智能调度等技术对传统物理电网进行高度集成，使其处于统一的信息化管控平台之上，同时借助能源转化、能源多层级开发利用技术手段切实降低电网运行能耗，可实现对电网运行的智能化、跟踪式与动态化监测，保证电网运行安全、可靠、持续、稳定的前提下最大程度上降低能源浪费、过度消耗，及时隔离电网运行故障部分，不仅能够引发电网系统、设备、技术的新一代变革，促进我国电网建设事业迈向更高的台阶，还能切实解决我国能源匮乏、能源分配不均衡的问题，对于电网领域的高质量、可持续发展意义重大。

智能电网即电网智能化，是指利用现代信息、通信及科学技术在原本物理电网基础上通过对物理电网进行高度集成、将关键设备及运行部分纳入统一信息化管控与调度平台内，形成可实施监测电网运行情况、及时发现电网故障、计算并调节电网能耗的智能化供电网络。与传统电网相比，智能电网最为显著的优势便是经济互动、兼容利用与能源替换，在保证远距离供配电安全可靠、稳定持续的前提下，依靠智能调度系统、高速通信系统、超导电力、信息采集处理等关键技术降低电网运行损耗、提高电能输送效率、提升新能源利用率，从而及时响应用电需求，在社会中形成理性、科学消费电能的良好氛围。综合来看，智能电网具有信息化、数字化、智能化、互动化、高效化及绿色化等显著特征[1]。

1 智能电网中的电力设计技术要点

1.1 可靠性

智能电网中的电力设计是一项复杂性、系统性、动态化的过程，包括电源设计、智能仪表设计、电网自动化设计等多个部分。在设计过程中各个部分能否相互协调、配合、互动将直接影响电网运行可靠性的高低。如采用大容量、灵活接入方式的智能电网，在电源设计工作中应综合考虑短路容量、无辐射潮流等问题；在输电距离较长的智能电网中，当设计与选择智能仪表时需提前做好用电量规划，并通过降低允许电压、减小电缆直径的设计方法扩大供电半径。由此可见，可靠性是智能电网中电力设计的技术要点之一，应保证所设计的智能电网电力系统在安全可靠的状态下运行，并可及时反馈电网运行情况、故障类型及异常信息流[2]。

1.2 自我修复性

相对于传统电网的电力设计，智能电网中的电力设计需考虑到电网故障的自动化隔离、自动化诊断。智能电网系统十分复杂，包含诸多电力设备，当设备出现故障时会影响其他设备的运行情况，甚至会导致整个系统瘫痪。因此智能电网中的电力设计需以自我修复性为技术要点，保证智能化系统可实时排查故障，确定故障类型并出具相应的故障诊断报告，以此为电力系统检修人员提供便利与决策支持。不仅如此，智能电网中的电力设计应能预测故障高频发生期间，利用系统强大的运算、分析功能精准预测子系统、电力设备的故障发生周期、影响程度，从而做好应急预案，最大程度上降低故障发生概率。

1.3 通用性

伴随着我国城镇化建设进程的推进，社会各个领域生产、人们的日常生活、城镇的正常运转等对电能的需求量与日俱增，且在城市扩张、基础设施建设的过程中，我国供电系统的输电距离持续加大，需跨越复杂地形及苛刻地貌，对于智能电网的通用性、适用性提出了更高的要求。虽然当前我国智慧电网的发电类型多种多样，如水利发电、核能发电等，但不同智慧电网中的电力设计原理基本相同，且秉承求同存异的基本原则。为此，应综合考虑我国社会未来对电能的需求量、新能源领域发展形势等，设计出具有兼容性、可支持扩展、便于接入多种设备及智能服务终端的智能电网电力系统，以此满足日益增长的对优质电能的需求，体现出智能电网中电力设计的社会效益[3]。

1.4 互动性

智能电网中的电力设计不仅需保证其电力系统达到设计功能、可安全可靠供电，还需适应电力行业发展形势，以群众需求为导向设计出高效、精准、能与人们互动的电价管理体系。当前智能电网中电力设计实现智慧计价的技术要点在于综合利用多功能智能表计，其优点在于双向通信计量，一方面可记录电网运行中产生的海量数据，了解智能电网覆盖范围内用电高峰与低谷期，在遵循保障广大群众合法权益、为群众创造利益的基本原则上对电价管理进行科学规划；另一方面可控制电力设备、监测波形、掌握电流及电压情况，为用户反馈用电故障、电价问题等提供渠道。不仅如此，在电力设计中还应考虑电网与现代化用电场景之间的交互，以此实现电能的优化利用。

1.5 节能性

智能电网是构建我国现代化电网系统的必然选择，但在智能电网建设、运行的过程中不可避免地会造成能源、资源消耗。在建立资源节约型、环境友好型社会的大背景下，电网系统作为能源及资源消耗集中地，其节能性、高效性、绿色化程度将直接影响我国能源储备量与使用效率。为此在智慧电网的电力设计中需积极运用节能降耗技术，如优化电力系统布局，以最优化的布局方案、最低的材料消耗最大化达成电力设计目标；再如科学计算电能输送量、规划电网敷设形式、选择能耗低的电力设备、采用变频节能技术等，尤其是在偏远、贫困地区，需以合理的设计产生规模效应，避免电网分散，既可保证智能电网高效率运行，又能切实避免能源浪费、过度消耗。

2 智能电网中的电力设计关键技术

2.1 信息采集处理技术

智能电网具有数字化、信息化的特征，技术要点在于控制电力设备、监测电流及电压情况、及时发现系统故障。智能电网运行过程中会产生海量数据，此类数据具有大数据的特征，即多源异构，来源于不同环节、不同子系统及电力设备的数据背后蕴含着高度的利用与挖掘价值，因此需运用信息采集处理技术，设计智能电网运行数据库，将电流、电压、波形、电量等数据进行结构化处理，将电信号转化为数字信号，存储在信息系统中。同时，利用相应的算法、分析技术等识别数据背后的隐性关联，根据数据分析结果诊断故障类型、了解电力设备运行性能等，能够强化智能电网的检查分析功能，发挥智能电网中电力设计的自我修复性作用，从而提升智能电网的运行质量。

2.2 智能表计

智能电网中包含众多精密元件，当遭遇雷击、地震等自然灾害，或电网负荷过大等问题时便很有可能损坏精密元件，不仅会加大智能电网运行成本，还会影响正常的供配电服务。智能电网电力设计中的智能表计主要功能在于对智能电网关键部位、关键电力设备、非关键电力设备的关键部位等进行实时化、跟踪式与动态化监测，全面呈现智能电网运行相关信息，如电力设备的性能指标、技术指标、电压、电流、电阻等，将智能表计纳入自动化控制系统内，当智能表计出现异常指示时及时反馈异常信息、阻断异常电流，或隔离故障部位、设备，能够避免故障传导，保护智能电网内的精密元件、支持电网元件之间的相互通信，以此显著提升智能电网运行的安全性、可靠性[4]。

2.3 超导电力技术

超导体具有传统导体不具备的诸多物理性能，如零电阻特性、完全抗磁特性、宏观量子相干效应等。自1986年高超导材料被发现以来，开发超导电力装置、研究包含超导装置在内的电力系统、电力系统与超导装置间的相互影响等已成为世界各国智能电网建设的研究焦点。在智能电网的电力设计中采用超导电力技术规划电网能够达到绿色设计目标：高超导电缆传输容量比常规电缆高3～5倍，焦耳热损耗几乎为零，加之高超导材料的完全抗磁特性能将磁场集中在电缆内部，从而防止对外界产生谐波污染；导故障限流器集故障监测、触发及限流功能于一体，可明显降低最大短路电流，保障智能电网的安全性。

此外还包括超导电机（提高电机发电效率、减少电机整体重量、提升电机运行稳定性，实现智能电网中电力系统的轻量化）、超导变压器（运行效率高达99.1%、容量可提升至800kVA，提升配电变压器质量）、超导磁储能（能量转换效率达95%、反应速度达几毫秒；调节电力系统峰谷、降低电网低频功率震荡、改善电力系统稳定性。）

2.4 高速双向通信技术

智能电网电力设计中高速双向通信技术是指，将信号集中在电压过零处附近、信号穿过配电变压器附近无需转接设备的关键技术，因该技术下电网传输的信号自身频率较低，所以电网内电感、电容的分布参数对信号的影响较小，可有效地解决跨配电变压器台区问题。当前较为常用的电力设计高速双向通信技术包括电力载波技术、双向工频自动通信系统。

其中电力载波技术包括常规载波技术、扩频载波技术。相对于常规载波技术扩频载波技术优势明显，其能利用连续相位调制技术、自适应均衡技术等克服信道限制，从而显著提升智能电网双向通信的可靠性与连续性；双向工频通信系统包括输出信号通道、输入信号通道两部分，借助调制电流基波波形的方式进行通信，无需增设转接设备，不需要中继环节，可支持智能电网的远距离、大容量通信。

2.5 广域保护与电网智能调度系统设计技术

在设计智能电网的广域保护与智能调度系统时可采用的新技术、新软件十分多元。如DES软件可对广域保护与智能调度系统进行快速的模拟仿真（图1），能构建系统内自动装置、变压器、负荷、电机等仿真模型，可模拟智能电网中电力系统日常运行情况，了解智能电网内各类电力设备、网络的相应速度与运行效率。同时，借助仿真算法求解技术可优化智能电网节点，计算稳态潮流与暂态处理，实时评价智能电网运行安全性与稳定性。此外，以SCADA子系统为核心的电网智能调具备人机交互功能，可适应更加复杂的运行环境，支持智能电网连接设备信息的收集、处理、查询、调取。

图1 电网智能调度系统架构示意图

2.6 能源转换技术

节能降耗是智能电网中电力设计的核心目标之一。当前我国光伏发电技术愈发成熟，将清洁、可再生的太阳能转化为电能后可降低电网运行对传统煤炭资源的消耗量。但我国幅员辽阔，不同地区的太阳能储备量具有明显的差异性，因此需进一步借助能源转换技术探寻将风能、生物质能、潮汐能转化为电能的可行性路径，综合考虑不同区域的用电需求、能源优势、人们可接受的用电价格等将能源转换技术应用于电力设计中，通过构建大规模电能存储系统解决智能电网供配电问题，从而充分发挥智能电网中电力设计的作用。

3 结语

综上，智能电网具有信息化、数字化、智能化、互动化、高效化及绿色化特征，在智能电网电力设计中需把握可靠性、自我修复性、通用性、互动性及节能性五大技术要点。同时，根据智能电网运行条件、供配电需求、监控功能等合理利用信息采集处理技术、智能表计、超导电力技术、高速双向通信技术、广域保护与智能调度技术、能源转换技术，以此提升智能电网中电力设计的科学性、可行性。