第四節 電網新技術介紹

一、未來電網技術主導發展方向和特征

（一）特高壓和堅強統一智能電網的建設與完善

特高壓和堅強統一智能電網的建設與完善，必將加快全國電力聯網和提高長距離供電可靠性的進程，最大限度地滿足社會發展的用電需求。

（二）高可靠的輸配電系統

隨著電力系統規模的擴大，負荷密度和用戶重要性的增加，電力系統事故后果的嚴重，對輸配電系統的可靠性須不斷提高。未來的輸配電系統必須滿足環境保護的要求，把線路和變電站可能產生的電磁干擾、靜電感應、噪聲、電磁場的生態效應以及對景觀的影響降低到最低限度。

（三）優質的電能質量和個性化服務

隨著計算機、微電子設備等敏感設備的廣泛采用，用戶對電能質量的要求越來越高。如生產大規模集成電路的工廠，即使是電壓的瞬時下降或升高，也可導致嚴重的后果。未來輸配電系統必須滿足重要用戶對電能質量的要求。

（四）靈活、開放的輸配電系統

電力行業面臨著“放松管制”的改革。政策法令允許實行躉售托送，發電廠和電力用戶可以根據協議通過電網售受電力。電網作為電力市場的物質載體，即發電廠和電力用戶間電力交易的渠道，需要滿足對電力潮流靈活調節控制的要求。由于大范圍的電力交易，使線路的負載普遍增加，有的線路的負載已接近穩定極限，需要在強化電網、提高系統穩定性的同時，提高電網的靈活性和開放性。

（五）儲能技術

儲能技術主要分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類。儲能技術的特點是儲能密度大、變換損耗小、運行費用低、維護較容易、不污染環境。根據各種儲能技術的特點，飛輪儲能、超導電磁儲能和超級電容器儲能適合于需要提供短時較大的脈沖功率場合，如應對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質量、抑制電力系統低頻振蕩、提高系統穩定性等；而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學電池儲能適合于系統調峰、大型應急電源、可再生能源并入等大規模、大容量的應用場合。壓縮空氣儲能是另一種能實現大規模工業應用的儲能方式。利用這種儲能方式，在電網負荷低谷期將富余電能用于驅動空氣壓縮機，將空氣高壓密封在山洞、報廢礦井和過期油氣井中，在電網負荷高峰期釋放壓縮空氣推動燃汽輪機發電。由于壓縮空氣儲能具有效率高、壽命長、響應速度快等特點，且能源轉化效率較高（約為75%），因而是具有發展潛力的儲能技術之一。

（六）微電網技術

微電網（Micro-Grid）是一種新型網絡結構，是一組微電源、負荷、儲能系統和控制裝置構成的系統單元。微電網是大電網的有力補充，是智能電網領域的重要組成部分，在工商業區域、城市片區及偏遠地區有廣泛的應用前景。隨著微電網關鍵技術研發進度加快，預計微電網將進入快速發展期。

二、融合傳統技術的電網新技術

（一）靈活交流輸電技術

基于硅片的大規模集成電路是現代信息社會的基礎，被稱為“硅片引起的第一次革命”；基于硅片的電力電子器件向高電壓、大功率方向發展，將使電力系統發生重大變革，被稱為“硅片引起的第二次革命”。

靈活交流輸電（FACTS）是基于電力電子技術與現代控制技術，對交流輸電系統的阻抗、電壓、相位實施靈活快速調節的輸電技術。它可以用來對系統的有功和無功潮流進行靈活控制，以達到大幅度提高線路輸送能力、阻尼系統振蕩、提高系統穩定水平的目的。

（二）集成化電力設備

為了實現電氣設備緊湊化、模塊化的目標，出現了不同電氣設備集成和強電設備、弱電設備集成的傾向。集成電力設備具有占地小、結構簡單、可以減少變電站投資、縮短安裝周期、減少環境影響的優點。

由于絕緣材料、光纖測量技術和制造工藝的進步，現在已研究出包括斷路器、隔離開關、接地開關、電壓及電流互感器、傳感器及控制保護設備在內的緊湊化、模塊化的智能開關設備，它可以視為GIS和敞開式設備以及控制設備的集成。這些設備有的稱為PASS，有的稱為COMPASS，集成的程度有所差別，但設計思想是相同的。絕緣材料的進步，特別是電纜技術的進步，促進了發電機和變壓器的集成。國外公司最近研制成功“電力發生器” （Powerformer），實質上是超高壓發電機。由于電纜技術的進步，可以用電纜來代替原來發電機定子中的矩形截面的導線，使電機的絕緣耐壓成數量級的提高。發電機出口的電壓可以提高到400kV，不需要升壓變壓器就直接連接到架空線路。電力發生器的優點，除了使升壓變電站大大簡化以外，還有電機散熱性能好、短路電流小、便于檢修等。

（三）燃料電池

燃料電池是把燃料的化學能直接轉換為電能的裝置，是一種很有發展前途的潔凈和高效的發電方式，被稱為21世紀的分布式電源。

燃料電池的工作原理頗似電解水的逆過程。通常，完整的燃料電池發電系統由電池堆、燃料供給系統、空氣供給系統、冷卻系統、電力電子換流器、保護與控制及儀表系統組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應配備燃料改質器（又稱燃料重整器）。高溫燃料電池具有內重整功能，無須配備重整器。

磷酸型燃料電池（PAFC）被稱為第一代燃料電池，目前已實現商業化運行，能生產大容量加壓型11MW的設備以及便攜式250k W等各種設備；第二代燃料電池的熔融碳酸鹽電池（MCFC），工作在高溫（600～700℃）下，重整反應可以在內部進行，可用于規模發電，現在正在進行MW級的驗證試驗；第三代燃料電池是固體電解質燃料電池（SOFC）。由于電解質是氧化鋯等固體電解質，未來可用于煤基燃料發電。質子交換膜燃料電池則是最有希望的電動車電源。

燃料電池的特點如下：

（1）效率高，其理論發電效率可達100%。實際發電效率可達60%。通過熱電聯產或聯合循環綜合利用熱能，燃料電池的綜合熱效率可望達到80%以上。燃料電池發電效率與規模基本無關，小型設備也能得到高效率。

（2）處于熱備用狀態的燃料電池跟隨負荷變化的能力非常強，可以在1s內跟隨50%的負荷變化。

（3）噪聲低；省水；可以實現實際上的零排放。

（4）安裝周期短，安裝位置靈活，可省去新建輸配電系統的投資。

燃料電池商業化的技術關鍵是電池性能、壽命、大型化和價格等項目，主要涉及新的電解質材料和催化劑。例如，磷酸燃料電池（PAFC）采用高濃度磷酸為電解質。高濃度磷酸在電池工作溫度下腐蝕性很強，要求電池的組成材料有良好的導電性能和耐腐蝕性，電極載體用碳，催化劑則采用鉑系金屬。為保持電極防水性，將部分碳顆粒用防水性很好的聚四氟乙烯薄膜包埋，即以催化劑顆粒、載體碳粒和表面覆有聚四氟乙烯的碳顆粒為材料制備電極。成本是實現PAFC大規模應用的主要障礙之一。現在PC-25機組的設備費為3000美元/k W，比常規的火電設備費高出許多。研究的方向在于降低成本，通過開發廉價催化劑或減少催化劑用量，以及開發新的電解質以取代腐蝕性強的磷酸。

（四）靈活、可靠的智能配電系統

靈活、可靠的智能配電系統是一種靈活、可靠性高、可提供多品質電力的電能流通系統。它相當于用戶附近的一個電力改質中心。改質中心產生多種品質的電能，通過靜止開關可與高壓側配電線和低壓側配電線靈活地連接。另一方面，通過連接的光纜網，改質中心還進行信息處理和交換。它的重要功能是：

（1）通過電力電子開關和分散信息處理，構成靈活的供電系統，能應付平常、事故和作業停電等各種情況；

（2）利用分布式電源和電能貯存設備，做到基本不停電的，高可靠性供電；

（3）用戶可自由選擇電力品質、種類和供電者；

（4）改善雙向信息服務和用戶服務；

（5）可以實現用戶側控制。

（五）先進的配電管理系統

配電管理系統是配電技術中更新最快的一個領域，其內容通常包括SCADA系統、饋線自動化系統、地理信息和設備管理系統GIS、故障報修應答系統、負荷管理系統、自動抄表系統等。這些系統通常有不同的組合，并可與離線的管理信息系統集成。未來的配電自動化系統發展的趨勢是：發展建立在開放式計算機平臺上的綜合配電自動化系統，以實現配電系統的數據采集監視、無功自動調節、故障隔離、設備管理、負荷控制、用電管理等功能。同時，還可以與其他離線的管理系統和信息系統交換、共享信息資源。

（六）先進的表計系統和電力線通信系統

先進儀表（Advanced Metering）是未來配電自動化系統的重要組成部分?，F代電能表計系統，除電能計量的功能外，還具有負荷調查（實現所謂的“不打擾的調查”）、實時電價、電價區間指示、電能質量監控的功能，此外還具有雙向通信、用戶訪問、自診斷及警報、誤差軟件補償等重要的功能。許多公司正在研究電力線通信（Power Line Telecommunication），即用配電線路傳送多媒體信息，主要是著眼利用電力線通道的寶貴資源。已經有一些公司聲稱取得了成功，但由于配電網的拓撲結構極其復雜，要獲得高質量的多媒體信息傳送，還有許多技術困難有待克服。

傳統電力技術結合電子信息技術、電力電子技術、先進控制理論及技術等高新技術的進步，并結合我國實際的具體研究開發目標和應用，為面向21世紀的先進電力系統技術目標的實現提供了堅實、可靠的基礎。

三、電網新技術重點發展項目

下面以交/直流特高壓輸電技術、堅強統一智能電網的建設、靈活交流輸電系統（FACTS）為例做簡單介紹。

（一）交/直流特高壓輸電技術

1.概述

特高壓（UHV），我國是指交流1000kV、直流±800kV及以上的電壓等級。特高壓輸電是世界上最先進的輸電技術。由于電功率是電壓和電流的乘積，所以要想得到長距離、大功率的輸電，就必須加大電壓或電流，而電流太大會引起輸電導線發熱、損耗增大，于是只能采取不斷升高電壓的辦法來提高輸電的效率。

我國的煤炭儲藏主要在西北，如山西、陜西、內蒙古東部、寧夏以及新疆部分地區，中東部省份煤炭儲藏量很少。水力資源主要分布在西部地區和長江中上游、黃河上游以及西南的雅礱江、金沙江、瀾滄江、雅魯藏布江等。而我國的電力重負荷主要集中在中東部及沿海地區。如何將電力遠距離從一次能源集中地輸送到符合集中地，就有賴于特高壓輸電技術了。

2004年我國就開始規劃建設1000kV的輸電工程，2008年底建成了第一個試驗示范工程（從山西的晉東南到河南南陽，再到湖北荊門），如圖1-5所示。1000kV特高壓交流試驗示范工程，實現了具有里程碑意義的創新和突破。該工程是世界上目前商業化運營的、電壓等級最高的輸變電工程，驗證了特高壓輸電技術的可行性、設備可靠性、運行安全性、環境友好性和相關設備生產供應的現實可行性，為特高壓輸電技術在世界范圍內更廣泛的應用積累了有益的經驗。

繼晉東南——南陽——荊門特高壓交流試驗示范工程取得成功之后，2010年7月8日成功投運的向家壩——上海特高壓直流輸電示范工程也是我國特高壓發展中具有里程碑意義的重大創新成果，標志著我國全面進入了特高壓交、直流混合電網時代，對推動我國大規模發展遠距離輸電工程、促進電力資源由傳統的就地平衡轉變為全國統籌平衡將發揮重大作用。

2.特高壓交流輸電技術介紹

特高壓交流輸電是指1000kV及以上電壓等級的交流輸電工程及相關技術。特高壓交流輸電技術具有遠距離、大容量、低損耗、節約土地占用和經濟性等特點。目前，對特高壓交流輸電技術的研究主要集中在線路參數特性和傳輸能力、穩定性、經濟性，以及絕緣與過電壓、電暈及工頻電磁場等方面。

（1）特點。

1）輸電能力。1000kV輸電線路的輸電能力為500kV輸電能力的4倍以上，但產生的容性無功也為500kV輸電線路的4.4倍及以上。因此，特高壓輸電線路的輸送功率較小時，送、受端系統的電壓將升高。為抑制特高壓線路的工頻過電壓，需要在線路兩端并聯電抗器以補償線路產生的容性無功。

2）線路參數特性。特高壓輸電線路單位長度的電抗和電阻一般分別為500kV輸電線路的85%和25%左右，但其單位長度的電納可為500kV輸電線路的1.2倍。

3）穩定性。特高壓輸電線路的輸電能力很大程度上是由電力系統穩定性決定的。對于中、長距離輸電（300km及以上），特高壓輸電線路的輸電能力主要受功角穩定的限制（包括靜態穩定、動態穩定和暫態穩定）；對于中、短距離輸電（80～300km），則主要受電壓穩定性的限制；對于短距離輸電（80km以下），主要受熱穩定極限的限制。

4）功率損耗。輸電線路的功率損耗與輸電電流的平方成正比，與線路電阻成正比。在輸送相同功率的情況下，1000kV輸電線路的線路電流約為500kV輸電線路的1/2，其電阻約為500kV線路的25%。因此，1000kV特高壓輸電線路單位長度的功率損耗約為500kV超高壓輸電的1/16。

5）經濟性。同超高壓輸電方式相比，特高壓輸電方式的輸電成本、運行可靠性、功率損耗以及線路走廊寬度方面均優于超高壓輸電方式。

（2）存在的問題。特高壓交流線路產生的充電無功功率約為500kV輸電線路的5倍。為了抑制工頻過電壓，線路須裝設并聯電抗器。當線路輸送功率變化，送、受端無功將發生大的變化。如果受端電網的無功功率分層分區平衡不合適，特別是動態無功備用容量不足，在嚴重工況和嚴重故障條件下，電壓穩定可能成為主要的穩定問題。

3.特高壓直流輸電技術介紹

直流輸電也是目前世界上電力大國解決高電壓、大容量、遠距離送電和電網互聯的一個重要手段。直流輸電將交流電通過換流器變換成直流電，然后通過直流輸電線路送至受電端并通過換流器變成交流電，最終注入交流電網。相比交流輸電，直流輸電具有輸送靈活、損耗小、能夠節約輸電走廊、能夠實現快速控制等優點。

我國擬建設15回特高壓直流項目，具體情況見表1-3。

其中，云南水電第一回特高壓直流工程（云——廣直流）是我國建成投產的第一個特高壓直流工程，也是世界上第一個特高壓直流輸電工程。該工程西起云南楚雄換流站，經過云南、廣西、廣東三省，東止廣東增城穗東換流站，額定輸電電壓為±800kV，輸送容量為5GW，在2009年建成投運。

（1）優點。

1）經濟性。由于直流輸電線路的造價和運行費用比交流輸電低，而換流站的造價和運行費用均比交流變電所要高。因此，對于同樣輸電容量，輸送距離越遠，直流比交流的經濟性越好。當輸電距離大于等價距離時，直流輸電的經濟性優勢便可以體現出來，并且輸電距離越遠，其經濟性越好。在實際應用中，對于架空線路，此等價距離為600～700km；對于電纜線路，等價距離則可以降低至20～40km。另一方面，直流輸電系統的結構使得其工程可以按照電壓等級或級數分階段投資建設。這也同樣體現了高壓直流輸電經濟性方面的特點。

2）互聯性。交流輸電能力受到同步發電機間功角穩定問題的限制，且隨著輸電距離的增大，同步機間的聯系電抗增大，穩定問題更為突出，交流輸電能力受到更大的限制。相比之下，直流輸電不存在功角穩定問題，可在設備容量及受段交流系統允許的范圍內，大量輸送電力。交流系統聯網的擴展，會造成短路容量的增大，許多場合不得不更換斷路器，而選擇合適的斷路器又十分困難。而采用直流對交流系統進行互聯時，不會造成短路容量的增加，也有利于防止交流系統的故障進一步擴大。因此對于已經存在的龐大交流系統，通過分割成相對獨立的子系統，采用高壓直流互連，可有效減少短路容量，提高系統運行的可靠性。

直流輸電所連的兩側電網無須同步運行，原因是直流輸電不存在傳輸無功問題，兩側的系統之間沒有無功交換，也不存在交流系統中頻率的問題。由于直流輸電的這一特性，它可實現電網的非同步互連，進而也可實現不同頻率交流電網的互連，起到頻率變換器的作用。

3）控制性。直流輸電另一個重要特點是潮流快速可控，可由于鎖鏈交流系統的穩定與頻率控制。直流輸電的換流器是基于電力電子器件構成的電能控制電路，因此其對電力潮流的控制迅速且精確。對于雙端直流輸電而言，可迅速實現潮流的反轉。潮流反轉有正常運行中所需要的慢速潮流反轉和交流系統發生故障需要緊急功率支援時的快速潮流反轉。其迅速的潮流控制對于所連交流系統的穩定控制，應對交流系統正常運行過程中負荷隨機波動的頻率控制及故障狀態下的頻率變動控制都能發揮重要作用。

（2）缺點。

1）直流輸電換流站設備多、結構復雜、造價高、損耗大、運行費用高、可靠性差。

2）直流輸電換流站的工作過程中會產生大量諧波，處理不當而流入交流系統的諧波就會對交流電網的運行造成一系列問題。因此，必須通過設置大量、成組的濾波器消除諧波。

3）傳統的電網換相直流輸電在傳送有功功率的同時，會吸收大量無功功率，可達有功功率的50%～60%。需要大量的無功功率補償設備及其相應的控制策略。

4）直流輸電的接地極問題、直流斷路器問題，都還存在一些沒有很好解決的技術難點。當受端交流系統的短路容量與直流輸送容量之比小于2時，稱為弱受端系統，這時為了控制受端電壓的穩定性，保證直流輸送的可靠運行，通常要增設調相機、靜止無功功率補償器或靜止無功發生器，且應實現HVDC與這些補償設備的協調控制。

（3）特點。我國對特高壓直流輸電經過20多年的科學研究，為特高壓直流輸電提供了有力的技術支撐，保障了特高壓直流電網的建設。在建設過程以及建成投運后，仍需要進一步加深對特高壓直流問題的研究，要結合實際運行經驗，逐步實現標準化。

1）特高壓直流輸電系統中間不落點，可點對點、大功率、遠距離直接將電力輸送至負荷中心；

2）特高壓直流輸電系統控制方式靈活、快速，可以減少或避免大量過網潮流，按照送、受兩端運行方式變化而改變潮流；

3）特高壓直流輸電系統的電壓高、輸送容量大、線路走廊窄，適合大功率、遠距離輸電；

4）在交、直流混合輸電的情況下，利用直流有功功率調制可以有效抑制與其并列的交流線路的功率振蕩，包括區域性低頻振蕩，提高交流系統的動態穩定性；

5）當發生直流系統閉鎖時，UHVDC兩端交流系統將承受很大的功率沖擊。

（4）直流輸電適用的領域。

1）海底電纜輸電。從世界范圍來看，直流輸電工程中約有1/3為海底電纜送電，這是基于降低容性電流等影響的考慮。

2）長距離架空線輸電。有研究工作表明，對于輸送10GW、300km的電力，直流架空線路輸送已開始占有優勢，依據這一分析報告，適用直流架空線路的輸電容量將占到全球總輸電容量的26%以上。

3）BTB方式。BTB方式工程約占全世界直流工程的40%，主要用于在不增加交流電網短路容量的情況下，實現功率的融通和緊急功率支援。以其應用可分為交流系統互連或不同頻率交流系統互連，如我國的靈寶工程（一般交流系統互連）和日本國內工程（不同頻率交流系統互連）。

（5）需要關注的技術問題。

1）過電壓和絕緣問題。出現絕緣故障帶來的損失和系統擾動問題將很嚴重，因此過電壓保護以及絕緣配合將是特高壓直流輸電的最根本性問題。另外，我國西部水電資源位于高海拔地區，存在較嚴重的污穢、履冰等問題，合理優化的過電壓保護和絕緣配合將為系統安全穩定提供有利的保障。

2）電磁環境問題。電磁環境指的是輸電線路的電磁環境，包括線路下方電場效應、無線電干擾和可聽噪聲等幾方面的內容，是工程設計、建設以及運行中必須考慮的關鍵問題。隨著電壓等級從±500kV提高到±800kV，電磁環境問題將更加突出。目前我國已經過研究論證給出了推薦方案。

3）控制保護問題。直流工程的核心就是控制保護?？刂票Ｗo的關鍵技術有軟硬件平臺技術、直流控制保護系統設計、閥觸發控制、直流保護。

4）安全、穩定問題。隨著我國1000kV特高壓交流網架與±800kV特高壓直流網架的建設，我國會逐漸形成1000kV交流與±800kV直流的大聯網，因此，保證交、直流聯網就能夠安全、穩定，防止大停電將是一個十分重要的問題。

4.特高壓工程系統示例

向家壩——上?！?00kV特高壓直流線路工程起于四川復龍換流站，途經四川、重慶、湖南、湖北、安徽、浙江、江蘇、上海八省市，止于上海奉賢換流站。全長約2000km，4次跨越長江，如圖1-16所示。

（1）特高壓站部分工程設備現場圖片如圖1-17所示。

（2）1000kV線路桿塔如圖1-18所示。

（3）漢江大跨越鐵塔。漢江大跨越主跨檔距1650m，是特高壓交流試驗示范工程中最大的檔距；導線橫擔重量為91t，是特高壓工程中最重的橫擔；單件構件最重達8t，也是特高壓工程中最重的單件構件；直線跨越塔單基質量為1100t，塔高181.8m，根開39.06m，為特高壓交流試驗示范工程最高、最重、最大根開鐵塔，如圖1-19所示。

（4）黃河大跨越鐵塔。黃河大跨越鐵塔位于黃河南岸，跨越塔N3的酒杯形窗口高度達40m，橫擔全長71m，單基塔全重465t、安裝高度達122.8m，是國內單次吊重最大、就位難度最大的跨越塔。采用耐——直——直——直——耐的跨越方式，主跨檔距1220m，單回路架設，跨越耐張段總長3651m，如圖1-20所示。

（5）特高壓調壓補償變。由于長治站變壓器為變磁通調壓方式，為了保證低壓側電壓恒定，在調壓變壓器中還裝設有低壓補償變壓器，用于補償低壓側電壓的波動，故調壓變中有調壓器和補償器兩部分。調壓變、補償變兩個器身共用一個油箱，通過管母與主變壓器連接。

特高壓1000kV#1調壓補償變如圖1-21所示。

（6）特高壓高抗。長南I線高抗采用自然油循環強迫風冷冷卻方式，共4臺，其中1臺備用，單臺容量為320Mvar，總重350t，高壓套管由ABB公司生產，高18.7m。中性點裝設一臺110kV電壓等級的中性點小電抗。特高壓高抗如圖1-22所示。

（7）并聯電抗器。并聯電抗器是為了減弱“工頻電壓升高”效應，常在遠距離輸電線路的中途或末端裝設。1000kV特高壓輸電線路容升效應及過電壓是由于線路容性充電功率的存在，將引起一種“長線的電容效應”而導致“工頻電壓升高”的現象產生，即由于容性無功使電壓升高，使得線路的末端電壓反而超過首端電壓，依靠電抗器的感性無功來補償線路上的容性充電功率，從而達到減低工頻電壓升高的目的。

（8）特高壓GIS組合電器。特高壓GIS組合電器布置為雙斷路器并聯接線。GIS組合電器包括斷路器、電流互感器、隔離開關、接地開關、避雷器、母線、波紋管、套管和匯控柜等設備，現場一字型排列，安裝在1000kVGIS區域，每相21個氣室。1000kVGIS斷路器采用雙斷口結構，通過大功率液壓操動機構的帶動進行分閘、合閘及自動重合閘操作，如圖1-23、圖1-24所示。特高壓GIS組合電器現場布置模型圖如圖1-25所示。

（二）堅強統一智能電網

1.定義

堅強智能電網是指電網的智能化，它是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，其目標是實現電網安全穩定運行，提高電網資產的利用率，有效利用電力能源的資源，降低大規模停電的風險，提高用戶用電的效率、可靠性和電能質量；激勵節約用電，向用戶提供充分的分時電價信息、提供滿足21世紀用戶需求的電能質量、具有多種方案和電價可供用戶選擇，提供分布式電源補充和容許各種不同發電形式的接入，可實現電網智能化與資產管理軟件深度的集成，可在系統發生故障時減少停電影響實現自愈，可在恐怖攻擊或自然災害時實現快速恢復供電等。

目前，國內外對智能電網的叫法并不統一，我國稱為“堅強統一智能電網”，歐洲稱為“超級智能電網”，美國使用的是“統一智能電網”。盡管叫法不一，但實質性的內涵基本差不多。

智能電網涵蓋了電網的發、輸、變、配、用電各個環節。以與電力用戶直接相關聯的配電網為例，它首先是一種集成化的自動化系統，其范圍包括以10kV （20kV）饋線自動化為主，覆蓋了400V低壓配電臺區自動化，并延伸到用戶集中抄表系統；在在線實時狀態下，能夠監控、協調、管理配電網各個環節的設備優化控制。例如，美國科羅拉多州的博爾德在2008年成為了全球第一個智能電網城市。該市的每個家庭都安裝了智能電表，人們可以直觀地了解即時電價，把洗衣服、燙衣服、熱水器加溫等事情安排在電價低的時間段，幫助人們優先使用風電和太陽能等清潔能源，配電站可以收集到每家每戶的用電情況，一旦有問題出現，可以重新配備電力。

2.特征

堅強智能電網以堅強網架為基礎，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節，覆蓋所有電壓等級，實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合，是堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放、友好互動的現代電網。

堅強智能電網能夠有效提高線路輸送能力和電網安全穩定水平，具有強大的資源優化配置能力和有效抵御各類嚴重故障及外力破壞的能力；能夠適應各類電源與用戶便捷接入、退出的需要，實現電源、電網和用戶資源的協調運行，顯著提高電力系統運營效率；能夠精確高效集成、共享與利用各類信息，實現電網運行狀態及設備的實時監控和電網優化調度；能夠滿足用戶對電力供應開放性和互動性的要求，全面提高用電服務質量，實現信息化、數字化、自動化、互動化。

3.發展

（1）智能電網概念發展的3個里程碑。

1）2006年美國IBM公司提出了“智能電網”解決方案，主要是解決電網安全運行、提高可靠性。在我國發布的《建設智能電網創新運營管理——中國電力發展的新思路》白皮書主要包括以下幾個方面：一是通過傳感器連接資產和設備以提高數字化程度；二是數據的整合體系和數據的收集體系；三是進行分析的能力，即依據已經掌握的數據進行相關分析，以優化運行和管理。該方案提供了一個大的框架，通過對電力生產、輸送、零售的各個環節的優化管理，為相關企業提高運行效率及可靠性、降低成本描繪了一個藍圖。這是IBM一個市場推廣策略。

2）奧巴馬上任后提出的美國能源計劃，將著重集中對每年要耗費1200億美元的電路損耗和故障維修的電網系統進行升級換代，建立美國橫跨四個時區的統一電網；發展智能電網產業，最大限度地發揮美國國家電網的價值和效率，將逐步實現新能源的統一入網管理；全面推進分布式能源管理，創造世界上最高的能源使用效率。

3）我國提出的互動電網是在開放和互連的信息模式基礎上，通過加載系統數字設備和升級電網網絡管理系統，實現發電、輸電、供電、用電、客戶售電、電網分級調度、綜合服務等電力產業全流程的智能化、信息化、分級化互動管理，再造電網的信息回路，構建用戶新型的反饋方式，推動電網整體轉型為節能基礎設施，提高能源效率，降低客戶成本，減少溫室氣體排放，創造電網價值的最大化。

（2）國外智能電網發展概況。就在中國對智能電網定義爭論不休、普羅大眾對此既新鮮又陌生之際，美國人已經付諸行動了。

在北美“統一智能電網”啟動的同時，歐洲也開始了一項超級智能電網的工程，最前沿地分析認為，“智能電網”將重塑世界經濟和能源格局。

美國政府下令盡快構建一個新的“智能電網”的法案，同時委任了一名專家擔任首任智能電網互動操作全國協調員，并且美國目前至少有15家機構在協同制定智能電網標準。

（3）國內智能電網發展概況。我國堅強統一智能電網的發展目標的三個階段如圖1-26所示。

我國建設堅強統一智能電網的發展主要是基于未來幾十年將是我國全面建設小康社會，向工業化、城鎮化、信息化和現代化深入推進的重要發展時期，經濟社會將繼續保持平穩較快發展。這一時期，也是我國加強節能減排，建設“資源節約型、環境友好型”社會，實現能源與經濟社會和諧發展的關鍵時期。同時，對電網發展的要求更高、更多，主要體現在：大范圍能源資源配置和可再生能源的大規模集中接入要求電網結構更加堅強合理，控制管理更加靈活便利；“兩型”社會建設要求電網在確保安全可靠的前提下，著重提升其運行效率和靈活管理能力；現有電網的輸送能力、電能質量和優質服務需要適應形勢的發展；能源結構優化和提高能源效率是我國提升國際競爭力和實現可持續發展的重要內容。

（三）靈活交流輸電系統（FACTS）

1.定義

靈活交流輸電系統（FACTS）的英文表達為Flexible Alternative Current Transmis-sion Systems，又稱為基于電力電子技術的柔性交流輸電系統，是由美國著名的電力專家N. G. Hingorani于1986年首次提出的。IEEE及國際大電網會議（CIGRE）于1995年共同認定的定義是：“一類以電力電子技術為基礎并具有其他靜止控制器的交流輸電設備，它們能增強可控能力，并增大輸電容量”。因此，柔性交流輸電技術就是基于電力電子變換器技術，并直接作用于輸電系統的一些快速控制設備的集合群。

FACTS是綜合電力電子技術、微處理和微電子技術、通信技術和控制技術而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術。

2.作用

FACTS通過控制電力系統的基本參數來靈活控制系統潮流，使電力傳輸容量更接近線路的熱穩定極限。從這一意義來講，FACTS是目前提高供電可靠性和提高輸電系統傳輸容量的最有效措施。

FACTS是電力電子技術在電力系統中應用的重要方面。作為在交流輸電系統中引入的可控制的一次設備，FACTS裝置的應用可實現對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統的穩定水平，實現電力系統動態過程中相量角度的控制，為未來電力系統動態和穩定性控制的新策略提供了必要手段。

電力電子器件的快速發展使FACTS的設想成為現實。近十年來，可控整流器、可關斷器件的開斷能力不斷提高。目前，100mm直徑的晶閘管的耐壓已達到6～10kV的水平，通過電流已達到6k A以上，6kV、6k A的可關斷晶閘管元件（GTO）已有商品。單個電力電子器件的開斷能力已達到30～40MW的水平，使電子開關用于高電壓、大功率的輸配電一次系統成為可能。

在以晶閘管控制串聯電容器、靜止無功補償器、可控并聯電抗器、故障電流限制器為代表的第一代FACTS裝置研究與應用方面，我國走在世界前列，關鍵技術和經濟指標已經接近甚至超過了國外先進電氣設備供應商的技術水平，并在我國電網中推廣應用，獲得了良好的社會效益和經濟效益。

在以靜止同步補償器和靜止同步串聯補償器為代表的第二代FACTS裝置方面，我國已開展相關技術研究，其中，靜止同步補償器在輸電網中已有示范應用，但在容量、電壓等級和可靠性等方面與國外技術水平尚存在一定差距；靜止同步串聯補償器仍然處于實驗室研究階段，還沒有實際的工業裝置投入運行。

以統一潮流控制器、線間潮流控制器、可轉換靜止補償器為代表的第三代FACTS裝置是對第二代FACTS裝置的創新和發展，功能更強大，結構更加緊湊，性能大幅度提升，可以為電網提供更先進的控制手段，代表了FACTS技術的發展方向。

在智能電網中大規模應用FACTS裝置，還要解決一些全局性的技術問題，例如：多個FACTS裝置間的協調控制問題，FACTS裝置與已有常規控制、繼電保護的配合問題，FACTS裝置納入智能電網調度系統的問題等。

（1）靜止無功補償器（SVC）。靜止無功補償器是在機械投切式電容器和電感器的基礎上，采用大容量晶閘管代替機械開關而發展起來的，它可以快速地改變其發出的無功功率，具有較強的無功調節能力，可為電力系統提供動態無功電源。SVC在電網運行中可以起到提高電壓穩定性、提高穩態傳輸容量、增強系統阻尼、緩解次同步諧振（振蕩）、降低網損、抑制沖擊負荷引起的母線電壓波動、補償負荷三相不平衡等作用。SVC主要包括以下4種結構：晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、TCR+固定電容器（FC）混合裝置、TCR+TSC混合裝置。

（2）晶閘管控制串聯電容器（FSC）。輸電線路采用串聯電容器補償線路感抗的方式可以縮短線路的等效電氣距離，減小功率輸送引起的電壓降和功角差，從而提高線路輸送能力和系統穩定性。常規串聯電容器補償裝置的補償容抗固定，也稱為固定串聯電容器補償，它不能靈活地調整補償容抗值以適應系統運行條件的變化。晶閘管控制串聯電容器（TCSC）應用了電力電子技術，利用對晶閘管閥的觸發控制，實現對串聯補償容抗值的平滑調節，使輸電線路的等效阻抗成為動態可調，系統的靜態、暫態和動態性能得到改善。TCSC是FACTS技術應用的典型裝置之一，在電網中可以起到控制電網潮流分布、提高系統穩定性極限、阻尼系統振蕩、緩解次同步諧振、預防電壓崩潰等作用。

（3）可控并聯電抗器（CSR）。可控并聯電抗器是一種新型FACTS裝置，它并聯于電力系統，且其電抗值可以在線調節，在一定程度上解決電壓在小負荷方式下過高或大負荷方式下過低的情況，緊急情況下可以實現強補以抑制工頻過電壓，配合中性點電抗器還可以抑制潛供電流、降低恢復電壓。CSR的投入運行，使雙回或多回線發生N-1故障時，可按其最大調節范圍實現動態無功補償，提高系統的電壓穩定性。同時，對于系統在各種擾動下出現的電壓振蕩或功率振蕩也能起到一定的抑制作用，提高系統的動態穩定性。CSR主要有磁控式并聯電抗器（MCSR）和分級式可控并聯電抗器（SCSR）兩種。MCSR通過晶閘管控制勵磁系統電流來改變電抗器鐵芯的飽和程度，可實現并聯電抗值的快速、連續、大范圍調節。SCSR通過晶閘管分級投切變壓器低壓側電抗器，可實現并聯電抗值在有限個級別間的快速切換。

（4）故障電流限制器（FCL）。故障電流限制器是一種串聯在輸電線路中的FACTS裝置，在系統正常運行時其阻抗為零，不對系統運行產生任何影響。當系統發生故障時，FCL通過投切或以其他的方式迅速增大串聯阻抗，來達到限制線路短路電流的目的。在適當位置裝設合適的FCL可使電網的互聯和電源容量的增加不再受制于短路電流水平，這對于電網安全穩定的運行具有重要意義。

（5）靜止同步補償器（STATCOM）。靜止同步補償器是一種基于電壓源換流器（VSC）的動態無功補償設備，是第二代FACTS裝置的典型代表。STATCOM以VSC為核心，直流側采用電容器為儲能元件，VSC將直流電壓轉換成與電網同頻率的交流電壓，通過連接電抗器或耦合變壓器并聯接入系統。當只考慮基波頻率時，STATCOM可以看成一個與電網同頻率的交流電壓源通過電抗器連到電網上。由于STATCOM直流側電容僅起電壓支撐作用，所以相對于SVC中的電容容量要小得多。此外，與SVC相比，STATCOM還擁有調節速度更快、調節范圍更廣、欠壓條件下的無功調節能力更強的優點，同時諧波含量和占地面積都大大減小。STATCOM以VSC為核心，將直流電容電壓變換為與電網同頻率的交流電壓，通過等效連接電抗器接入系統。STATCOM可被看做一個電抗后的可控電壓源，這意味著無需并聯電容器或并聯電抗器來產生或吸收無功功率。

（6）靜止同步串聯補償器（SSSC）。靜止同步串聯補償器屬于第二代FACTS裝置，它可以等效為串聯在線路中的同步電壓源，通過注入與線電流呈合適相角的電壓來改變輸電線路的等效阻抗，具有與輸電系統交換有功功率和無功功率的能力。若注入的電壓與線路電流同相，那么就可以與電網交換有功功率；若注入的電壓與線路電流正交，那么就可以與電網交換無功功率。SSSC不僅調節線路電抗，還可以同時調節線路電阻，且補償電壓不受線路電流大小影響，是比TCSC更具潛力的一種FACTS裝置。

（7）統一潮流控制器（UPFC）。統一潮流控制器是由并聯補償的STATCOM和串聯補償的SSSC相結合構成的新型潮流控制裝置，是目前通用性最好的FACTS裝置，僅通過控制規律的改變，就能分別或同時實現并聯補償、串聯補償和移相等作用。

3.特性

柔性交流輸電系統的主要特性有以下幾點：

（1）能在較大范圍有效地控制潮流；

（2）線路的輸送能力可增大至接近導線的熱極限，例如：一條500kV線路的安全送電極限為1000～2000MW，線路的熱極限為3000MW，采用FACTS技術后，可使輸送能力提高50%～100%；

（3）備用發電機組容量可從典型的18%減少到15%，甚至更少；

（4）電網和設備故障的危害可得到限制，防止線路串級跳閘，以避免事故擴大；

（5）易阻尼消除電力系統振蕩，提高系統的穩定性。

4.功能

FACTS系統的技術功能主要指應用技術及其控制器技術，該技術已被國內外一些權威的電力工作者確定為“未來輸電系統新時代的三項支持技術之一”。這三項支持技術指的是柔性輸電技術、先進的控制中心技術和綜合自動化技術。

FACTS系統能夠增強交流電網的穩定性，并降低電力傳輸的成本。該技術通過為電網提供感應或無功功率，從而提高輸電質量和效率。

5.發展

（1）國外發展概況。作為世界領先的西門子公司的多種柔性交流輸電系統已經在全球的多個項目中得到成功應用。近年來，靈活交流輸電技術已經在美國、日本、瑞典、巴西等國的重要超高壓輸電工程中得到應用。有代表性的FACTS工程有美國卡因塔230kV可控串補工程、美國斯拉脫500kV可控串補工程、瑞典斯多德可控串補工程、美國TVA公司沙利文靜止同步補償器工程、美國AEP公司依乃茲統一潮流控制器工程等。

美國卡因塔230kV可控串補工程投運后，使這條輸電線路的輸送能力突破了穩定極限，收到顯著的經濟效益，四年就收回投資。

1999年1月巴西在500kV的聯絡線上安裝了兩套部分可控串補設備，成功地阻尼了南北電網聯絡線的低頻振蕩。

在新的電力電子器件的研究方面也取得重要進展：一方面正在研制經濟性能好的器件，以便降低設備造價；另一方面，研制開斷功率更大的高性能器件。最近，國外公司宣布研制成功以碳化硅（Si C）為基片的電力電子器件?；哪蛪汉蜔崛萘靠纱蠓忍岣?，而元件損耗卻大大降低，從而使元件開斷功率可望有數量級的飛躍。這預示用固態斷路器取代傳統機械的高壓斷路器（油開關、六氟化硫開關、真空開關等），使數字化電力系統成為可能。

自20世紀80年代后期，FACTS技術的提出、研究、開發和工程實踐已取得大量成果。目前，FACTS技術的開發和工程應用又有新的發展。具有對電壓、阻抗、相位綜合控制功能的統一潮流控制器（UPFC）的示范工程（并、串聯裝置容量各160MVA）在美國AEP電力公司投運。

國外一些先進國家對柔性配電技術的研究和應用進行了大規模的投入。其中，美國電力科學研究院EPRI、瑞典ABB公司、德國Sicmens公司已有了配電靜止同步補償器和動態電壓恢復器的商業化產品，并有數十例在配電系統和特殊的用戶端投入了運行。

國外已投入運行的DFACTS及FACTS系統的主要裝置，見表1-4。

（2）國內發展概況。我國已開始對FACTS技術進行有系統的研究、開發和應用。其中，對500kV超高壓輸電線路TCSC的研究已取得階段成果。結合伊敏——馮屯500kV輸電線路的研究表明，采用25%串聯補償電容的可控串補裝置，可顯著提高暫態穩定水平和阻尼振蕩能力。

對于我國下一步FACTS技術研究開發的主要目標是，首先應對TCSC和STAT-COM進行工程化研究、開發和完善，促進實際工程的實施。同時，應開展對具有綜合控制功能的UPFC和IPC（相間功率控制器）的研究開發。對FACTS的系統應用理論，應進一步開展系統建模和分析、系統控制策略等的研究。

我國由清華大學和原河南省電力局共同研制出的20Mvar STATCOM工業應用裝置，標志著我國是繼美、日、德之后，第四個掌握制造大容量FACTS裝置核心技術的國家。該裝置具有補償動態電壓、抑制系統不平衡和振蕩、提高系統穩定極限等功能，也是迄今為止我國唯一具有自主知識產權的FACTS工業裝置。

作為FACTS技術在配電系統應用的延伸，DFACTS技術已成為改善電能質量的有力工具。該技術的核心器件——絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）比門極GTO具有更快的開關頻率，并且關斷容量已達MV·A級，因此DFACTS裝置具有更快的響應特性，是解決電能質量問題的有效手段。目前主要的DFACTS裝置有有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）、動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）、固態斷路器等。其中，APF是補償諧波的有效工具；而DVR通過自身的儲能單元，能夠在毫秒級時間內向系統注入正常電壓與故障電壓之差，因此是抑制電壓跌落的有效裝置。

柔性配電技術及其裝置的應用已逐漸成為國外先進國家電力企業和電力用戶的最優選擇。但國內目前在該領域的研究還剛剛起步。有必要加大投入，采取積極應對的措施，開展先進技術的引進、消化、應用研究和開發應用國產化設備的工作。

圖1-27、圖1-28分別是20Mvar STATCOM裝置實物圖及響應曲線。

思考題

1. 《建設工程監理規范》GB/T50319—2013修訂了哪些主要內容？

2. 《建設工程監理規范》GB/T50319—2013對監理的定位是什么？

3. 《建設工程監理規范》GB/T50319—2013調整了哪些專業監理工程師的職責？

4. 《核電廠質量保證安全規定》HAF003要求質量保證文件包括哪三個層次？

5.如何理解火力發電新技術的應用對我國節能減排的作用？

6.簡述火力發電新技術應用推廣面臨的問題。

7.未來電網技術的主導發展方向和特征是什么？

8.特高壓交流輸電技術、特高壓直流輸電技術的優缺點有哪些？

9.堅強統一智能電網的定義是什么？

10.靈活交流輸電系統（FACTS）的含義及作用是什么？