《智能电网》研究生教学及其在电力系统中的应用

(新疆工程学院 能源工程学院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

2020年9月，第75届联合国大会上，中国提出力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。目前面临着巨大挑战，其一排放总量大，2020年，我国碳排放总量占全球比重超过25%，人均碳排放量超过世界平均水平40%；其二时间紧，我国经济迈向高质量发展关键期，能源消费还在增长，依赖高碳发展模式，10年内碳达峰，30年实现碳中和，对政策及科技储备的考验巨大[1-2]。

为了更好的实现“双碳”目标，2021年3月，中央财经委员会第九次会议上，提出构建以新能源为主体的新型电力系统。智能电网是新型电力系统的重要组成，是国家“十四五”规划建设的重点项目。新疆“三基地一通道”，在国家战略全局和能源发展布局中具有特殊重要地位，在推动能源转型发展中发挥了积极表率作用。新疆弃风弃光率高，2018-2020年弃电率：21.2%，12.4%，9.9%，新疆煤化工产业面临节能减排等方面的挑战，新疆水资源相对匮乏，制约了煤化工产业的发展。因此，为了提高新疆新能源消纳水平，降低煤化工污染，有效利用新疆的沙漠和戈壁，有必要发展新疆智能电网，促进新疆能源产业绿色发展，支持国家“双碳”目标的实现[3-4]。

首先对新疆某高校《智能电网》博士研究生课程授课情况进行介绍，结合科研状况，然后对关键技术在我国电力系统中应用进行归纳总结，重点阐述特高压技术、智能传感器以及人工智能技术在电力系统中的应用。本研究将有助于提高电气工程专业研究生的教学以及科研水平，并具有一定的实践工程价值。

1 新疆某高校《智能电网》博士研究生课程授课情况

《智能电网》课程是新疆某高校电气工程一级学科博士研究生必修课程，32课时，2学分，共有15人必修，包括4个专业：电力系统及其自动化、电力电子、特高压以及电工理论。

《智能电网》是新疆某高校博士研究生培养的基础学位课，《智能电网》基础理论包括：建模仿真智能电网分析，优化运行，保护控制以及规划与设计等。《智能电网》关键技术包括：先进传感与量测技术，智能电网通信与信息技术智能用电与需求侧管理，分布式发电与集成，先进储能技术及应用，智能电网高性能计算技术节能环保低碳技术，电力物联网，电动汽车与能源交通融合，智慧楼宇与智慧小区，微电网与微能源网，综合能源电力系统，能源互联网，信息安全，韧性电网，电力大数据与人工智能应用以及电力交易与区块链等。

针对学生特点，制定了教学目标：掌握智能电网的部分基础理论与核心技术，掌握智能电网的国内外最新发展动态和趋势，了解智能电网领域的前沿研究成果，掌握智能电网仿真分析工具，具备编程解决问题的能力，培养文献调研、发现问题、分析问题、解决问题及成果总结的能力，初步培养独立思考和自主创新能力，初步培养应用理论成果解决工程实际问题的能力理念重点培养研究生的创新能力。为今后进一步研究智能电网并将智能电网的关键技术应用于工程打下坚实的基础[5]。

2 我国电力系统中的智能电网

2021年刘振亚在《智能电网技术》中给出坚强智能电网概念，以特高压为骨架的电网结构[6]。坚强智能电网与泛在电力物联网、能源互联网的关系如图1所示，为了实现我国以新能源为核心的新型电力系统的建设，实现能量流与信息流相互融合一体化，离不开智能传感器以及人工智能技术。智能传感器被视作“电力三次设备”，是智能电网可见、可知、可控的信息物理融合基础；人工智能技术是智能电网的核心，是构造新型电力系统的战略支撑。

2.1 我国特高压

2009年我国建成世界上首条1 000 kV特高压输变电工程，长治—南阳—荆门特高压示范工程，全长654公里，跨越黄河和汉江，变电容量600万kVA。2014年我国投运当时世界上输电容量最大的±800 kV特高压直流输电系统，哈密至郑州，输电容量8 000 MW；2018年我国自主设计的首个±1 100 kV特高压直流输电工程，新疆昌吉至安徽古泉，线路全长3 293 km，输电容量1 200万千瓦，是当今世界电压等级最高，输电距离最远，输电容量最大的特高压直流输电。

图1 坚强智能电网与泛在电力物联网、能源互联网

我国能源资源主要分布在“三北”，与中东部及沿海的负荷中心不匹配，“十四五”规划大力发展特高压直流，大规模远距离输电。南方电网特高压±800 kV/8 000 MW柔性直流输电关键技术：

(1)特高压柔性直流，特高压由400 kV+400 kV双阀组串联实现，具有成熟运行经验，特高压直流的基本结构型式，柔直接线设计与传统直流侧的电压、容量相匹配；

(2)大容量柔性直流，输送5 000 MW有功功率同时具备1 000 Mvar动态无功补偿能力，STATCOM运行方式下无功补偿能力达1 500 Mvar，模块电容单体储能是1 GW级工程换流阀的2.2倍，重量、体积显著增加；

(3)远距离架空线柔性直流，架空线远距离、大容量输电运行环境复杂，具备直流侧故障清除和重启动能力，是保障运行可靠性的基本功能，高压直流输电清除直流线路故障小于100 ms，整流站快速移相至逆变模式，泄放直流侧能量，逆变站维持逆变模式且不闭锁，泄放直流侧能量，功率恢复时间小于100 ms(不含去游离时间)，具备多次重启、降压重启动能力[7-9]。

2.2 智能传感器

传感器是构成现代电网信息系统和自动化系统的物理基础，在电网运行和管理中发挥了重要作用，目前电网传感器亟需更新换代，性能不稳定，易受环境影响可维护性低，校准困难尺寸大、安装不便，应用场景受限价格高，性价比低单兵作战，功能单一有限的采集范围、慢节奏的采集频率。随着电网智能化、透明化、市场化物联化发展，对传感器有了更高要求：更全面、更充分、更及时、更便捷、更可靠[10]。

传感器智能化：(1)高精度，电气量测量最低0.5毫秒级，目标达到0.1毫秒级；(2)分析决策，据存储、数据传输、统计分析、滤波处理、剔除异常值、逻辑判断、分析决策；(3)自我学习，根据条件变化自我学习，自动调节参数、自动量程选择，自动改变硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能；(4)高可靠性，传感器能够自动补偿、自动校准、自动调零、自动检验。高集成度芯片化技术实现传感器微型化与低功耗，集成传感芯片、多核处理器芯片技术、数据传输及处理技术，替代传统互感器加自动化终端架构，大幅提升装置的可靠性和集成度，如图2所示。

2.3 人工智能技术

人工智能及其在电系统中的发展如图3所示。

图2 高集成度芯片智能传感器

图3 人工智能及其在电系统中的发展

人工智能不依赖与数学模型，对大数据分析，通过自我深度学习，突破解决电力系统复杂性问题。电网“三高”，高比例新能源、高比例电力电子、高比例交直流，数据海大、复杂，必须需要人工智能的参与。人工智能在电力系统中的作用如图4所示[11]。

图4 人工智能在电力系统中的作用

3 结束语

《智能电网》是新疆某高校的博士研究生必修课，重点掌握智能电网的部分基础理论与核心技术，培养发现问题、分析问题、解决问题的能力，并应用到工程，解决实际问题，为新疆可持续发展提供动力。

智能电网是我国“十四五”规划的重点，是实现我国“双碳”目标的重要技术，是构建我国新型电力系统的关键。我们要着眼新疆实际情况，大力发展新疆智能电网建设。

(1)统筹全面推进新疆电网建设，积极配套建设750 kV全疆网架；

(2)保障全疆电网安全可靠，优化资源配置，统筹平衡电量，提升供电服务；

(3)加强“疆电外送”，促进新能源消纳，加大外送力度。新疆是我国能源的大后方，解决我国能源安全问题，为我国未来发展提供有力支撑。