智能化电网促进输配电设备市场扩容和提升

西安高压电器研究院 王晋根

2009年初美国出台了智能化电网标准,紧接着中国宣布至2020年要完成电网智能化建设与改造。实际上从上世纪九十年代起，随者计算机技术和信息技术兴起，先进工业国家就开始探索电网的数字化信息通信。美国的作为大大推进了国际电力网的智能化建设。那么什么是电网智能化呢？电网智能化的意义和任务是什么？其带来输变电设备市场又多大呢？

⒈什么是智能化电网

上世纪七十年代起电网变电站兴起遥控技术、八十年代到九十年代转向变电站自动化、本世纪初出现了数字化变电站潮流，而美国又明确了智能化电网（变电站）概念。美国的智能化电网英文名词为“Smart Grid”, 其含义为灵巧的、智能化的网络，就是指在高速双向通信网络基础上加上先进的遥感、测量技术、光纤、电力电子技术与先进设备的合成。也就是将数字化技术和网络信息技术纳入电网，使电网具备自愈、安全、兼容、协调、集成、优质、高效等特性，并提高能源效率，减少环境影响，提高供电的安全性和可靠性。因此电网智能化是随着科技水平的提高而发展，是一个在不断提升优化的动态概念。目前各国对电网智能化概念虽相近但有差异，中国国网公司的定义为，以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、数字化、互动化为特征的统一坚强智能化电网。

⒉电网智能化意义和任务

电是一种特殊的商品，目前还不能大规模、灵活地储存，只能用多少电就发多少电。而电在现代人类文明中又十分重要，如果较长时间停电就会对人类的生产和生活带来严重的损害和影响。停电上几十层楼就象上山那样费劲和费时、医院里正在给病人开刀，突然停电会多么紧张、车间待浇铸的融化钢水因停电而倾倒又多么危险，美国因天灾而损坏计算中心，造成多日停电，人们只能点油灯照明，烧柴禾做饭，似乎又回到了中世纪生活，因此电是一种现实生活中不可短缺的能源。电网运行必须做到安全、可靠、灵活、高效、节能，实现电网智能化就是要向这一目标迈进。

电力系统从发电、升压、输电、降压、配电和用电所涉及的一次回路设备功能来看，传统电网与智能电网有差别但不大，如表1。变压器、高压开关设备等主回路设备主要功能是一样的，但二次系统差别较大，需要有通信接口，要把硬导线联结的电磁信息系统改为光纤数字化计算机通信系统，并设置传感器进行在线监测运行状态。对于电流互感器和电压互感器、滤波及无功补尝、继电保护装置、运行调度控制、双向电度表与智能化插座等，不是简单改造而是全面更新。尤其终端用户的双向电度表与智能化插座数量特别大，在中国这样人口众多的国家市场更可贵。实现数字化、信息化以及计算机集中管理的智能化电网可以显著提升电网的安全性、可靠性、灵活性和节能。采用数字化、信息化以及计算机集中管理的系统可以避免强电磁环境对信息系统的干扰，而传统电网中的电磁型继电器的误动作事故是比较多的，不少是电磁干扰造成的。老高压开关设备事故率高以往没有设置在线监测，因为害怕设备事故所以检修频繁，有些用户认为不少高压开关设备不是用坏的而是修坏的。采用在线监测后可以逐步做到状态检修。目前用户自发电自用，风电、太阳能等发电越来越多，如果不足部分由电网补足，而多余部分也可回输电网，灵活进出电网有显著节能效果。目前我国从输电到用电前的电网线损率为6.85%，如采用智能电网降低线损2%就可节能数百亿KWh。另外建立在电磁信息基础上传统电网的计量、保护、信号、控制的二次系统是用硬导线联结的，比较复杂。如本人在温州工作时,曾遇到过一件事,一家日本大电气公司接到了十多个间隔的高压GIS,要求企业分包GIS二次控制保护柜配线。因为是老式的控制保护柜,有十多个柜，工作量大，企业调用熟练的配线工用了十多天时间，经过了多次反复才完成。目前可采用智能化方案，如采用光电互感器，由电流（电压）等的电信息转化为光信息，采用多种传感器，可以将电、机械、温度等各种量值转化为计算机可以接受的数字信息，并以集成，实现计算机操作与处理，那么控制柜尺寸可以变得很小接线也变得很简单，控制保护柜也变成了尺寸很小附设于GIS旁的小箱子。整个智能变电站的二次系统会大大简化，可靠性也显著提高。当然变电站的二次系统改造也有较大市场。总之，智能化电网的意义在于，充分满足用户的电力负荷需求，提高供电的安全性和可靠性，降低网损和节能，保证电能质量和再生能源自由出入电网，显著提高电网的经济效益。

表1 传统变电站与智能变电站设备的功能比较

⒊实现智能化电网的重点与难点

由传统电力网改造为智能电力网应该做的工作有如下一些。

⑴计量、保护、控制、讯号所涉及的仪表、继电器、测量设备等，如电流互感器、电压互感器要由线性化、数字化传感器代替，继电器由电磁式改为数字式微机型，仪表则由指针式改为数字显示，控制系统由计算机操作，整个二次系统由计算中心汇集信息统一控制、操作、调度、显示及储存；⑵所有用户终端安装双向数字式电能表及智能插座，不仅计量提示从电网取得的电能，也可以计量向电网反馈用户自发多余的绿色电能，并向用户提示用电的构成及合理性；⑶为了保证变压器、GIS等高压开关设备运行安全性、可靠性，设置各种运行状态的在线监测，及时通报异常运行状态，及时安排状态检修。⑷电网二次系统的控制电缆、CT、PT电缆、及计量、保护、信号的硬导线联结，全部改为光纤为基础的数字网络；⑸当电网遭遇灾害故障时，为了能自动调控运行回路不仅断路器就是隔离开关和接地开关也能远方自动操作，以便隔离故障回路保证健全回路正常运行，当故障回路自愈时能自动回归网络；⑹为了保证电能质量，应限制高次谐波、电压闪变、无功短缺等在允许水平内，应设置滤波、自动静止无功补赏装置（SVC）等; ⑺风电、太阳能发电是随机性的，比较分散单个发电量也不大，允许自由出入电网需要建立分布的机动发电源及储能电池予以调节和补充。

在以上电网改制中有几项难度较大，如：

a.在线监测，变压器、GIS等高压设备尽管国内外已做了大量研发工作，但有些项目仍不够成熟，如灭弧室触头电寿命、操动机构的机械特性。而局放、SF6泄漏、真空开关真空度等虽已应用，但还需要完善。在线监测常需要在设备内部预埋设传感器和探头，这又常常增加了用户的担心。b.分布电源与电能质量，用户自发小绿色电源自由进出电网，必须建设大量机动的分布电源不仅投资高，管理也很困难。而且风电、太阳能发电入网还会带来高次谐波和无功短缺，予以治理也是很困难的。c.如电流互感器、电压互感器要由线性化、数字化传感器代替，所有用户终端安装双向数字式电能表及智能插座这些改造工由于涉及面大，投资不少。

⒋中美智能化电网异同及输变电设备市场评估

中美都在实施电网智能化 但两者有较大差别。中国的主要能源资源如水电70%以上在西南（云贵川藏），而煤和绿色能源（风能、太阳能）在西北地区，负荷中心则在京广线以东的东部沿海地区，必须实施远距离大容量的西电东输、北电南送建设全国交直流特高压统一大电网，这是中国电网发展的必然趋势。中国是在四大一特（大水电、大火电、大核电、大绿色能源发电与交直流特高压）坚强大潮流电网基础上搞分布电源和储能电源的灵巧电网。

美国电网的电源是分散的，与诸多负荷中心距离不远，一般275kv输电电压就够了, 而且美国已经在全国建立了大量的天燃气小规模发电的机动性分布式电源, 这为电网接纳大量绿色能源（风能、太阳能、地热能）发电提供了物质保证。美国规划用超导电缆把全国跨四大时区的三大电网联成一体互通有无。超导电缆线损特别低可显著降低网损。这为电网与用户建立互动式智能化电网提供了条件。两者的特点: 中国电网“大潮流大电源特高压＋分布电源和用户互动电网”,美国电网“分布式电源小潮流、超导电缆区域电网联网与用户互动电网”。目前中国的电网智能化建设。是在四大一特上下功夫，机动性、分布式、储能式电源的建设目前正在试点还不是重点。

美国有的大公司预测，美国智能化电网将会带来1000亿美元商机，光通讯部分就达200亿是互联网的数百倍。美国智能化电网是由政府和私人公司共同投资。

中国智能化电网完全由政府投资。有的专家预测12年投资需人民币1万亿以上，有的预测需4万亿。总之是不少的，近两年光特高压线路投资就达830亿元（特高压交流570亿元，特高压直流260亿元）。中国的智能化电网主要由以下几部分构成：

⑴发展智能化电网需要，实施“四大一特”建设全国坚强统一电网政策下，“十二五”期间交直流特高压统一大电网建设加快，预期以华东、华中、华北电网为基础建设双环交流特高压环网，同时西南地区（云贵川藏）到华东、到华南建多条±800KV及±500KV直流超特高压线路，以满足东部经济发展和城市化对电能需要；⑵随着智能化电网建设扩大，以区域网和省网为基础建设和完善数字化信息网通信系统及计算机管理中心；⑶新建和改造的超特高压变压器、GIS等开关设备逐步实施运行状态的在线监测，如埋设探头、传感器测量局放、变压器油的劣化、开关机械特性等等以提升电网主设备运行可靠性，实现状态检修。这是一块新兴的技术含量较高的市场；⑷为满足对计量、保护、控制、讯号等二次系统智能化的改造，以电磁感应原理为基础的传统电流互感器、电压互感器将由线性数字化电子式传感器或混合式传感器代替，以满足光纤宽带网和数字化变电站建设需要。由于这是全网各电压等级互感器全面更换，因此其市场规模在一次设备中是比较大的。⑸建设机动性分布式电源及储能式电源，以满足电网接纳大量绿色能源（风能、太阳能）发电的需要。风能、太阳能是不稳定的随机的，电网需要时可能发不出电，而电网不需要时却要发电，因此电网必须设置分布面大机动性或储能式电源，以补足绿色能源发电的不足，把绿色能源发电多余的储存起来备用，不足的给予补足。这些机动性或储能式电源单个站容量不大但数量可贵，因此市场是不小的，储能式电源技术还不成熟，需要技术攻关。⑹风能、太阳能发电涉及整流、变频、逆变等入网工作，会产生高次谐波及无功欠缺而影响电能质量，需要加设滤波及静止无功补赏（SVC）, 而电炉炼钢、电焊等也会产生电压闪变、高次谐波等需要加装静止无功补赏（SVC），不光投资多国内技术上不够成熟需要完善。⑺为了保证用户自发小绿色电源自由进出电网，需要所有用户终端安装双向数字式电能表及智能插座，中国有十几亿人口，光是居民用户装设的双向数字式电能表及智能插座，就有上亿组，其市场相当大，有的企业已经在作这方面准备。

⒌小结

美国智能化电网：其功能有电网自动化、数字化信息通信和计算机管理、超导电缆输电、分布电源并用户自发绿色电能与电网互动。

中国智能化电网：是在美国元素基础上加上交直流超特高压主网架建设。

中国是一个人口众多的经济大国，随着经济发展和人民生活提高，近十年中国的装机容量还要翻一翻达到16亿KW以上。中国目前高碳煤电占比重过大，发展中国式智能化电网是很必要的。中国智能化电网建设将会从质和量两方面提升输变电设备市场，近5年交直流超特高压输变电设备市场将会有较大发展。当前电网智能化已起步，但有些技术还不够成熟有些技术需要研发和完善，如交直流特高压输电的电磁环境对生物影响；如何提高某些在线监测的可靠性；如何使绿色能源发出的电自由入网而不影响电能质量等等，需要大家做工作来完善。电网智能化是一个动态过程，是渐进式的不是一劳永逸的。

从目前美国智能电网投资来看，市场效益最好是IT产业、其次是电网的二次系统、随后是电网的一次设备（含输变电设备）。中国智能电网第一阶段投资重点是建设交直流超特高压电网的基础电网的主网架并进行智能化电网试点，第二阶段才类似于美国的投资程序。

总之，智能化电网的电子技术、传感器技术及计算机网络信息技术等提升了输变电设备的技术水平和市场容量。