DQZHAN技術(shù)訊：深度解析！未來電力系統(tǒng)十大關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)
2016年8月21～26日，第46屆國際大電網(wǎng)委員會(huì)（CIGRE）年會(huì)在法國巴黎召開，超過3000位代表出席了會(huì)議，其中來自中國的參會(huì)代表有80多位。大會(huì)以主旨報(bào)告《電力大變革—未來電力系統(tǒng)》作為開始，并以“分布式發(fā)電對(duì)大容量電網(wǎng)影響的全球視角”為主題召開了開幕論壇。CIGRE2016提出了兩個(gè)大方向：一是未來電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)及動(dòng)向；另一個(gè)是如何充分盡限利用現(xiàn)有的系統(tǒng)。
CIGRE2016的主旨報(bào)告《電力大變革—未來電力系統(tǒng)》指出，各種各樣的因素正推動(dòng)著全球能源系統(tǒng)向著面對(duì)不同挑戰(zhàn)風(fēng)險(xiǎn)、不同管理方式、不同條件狀況的資源–市場混合型模式轉(zhuǎn)變。這些因素主要包括：
（1）國際和國家層面的政策鼓勵(lì)低碳生產(chǎn)、可再生能源（RES）的使用以及能源的高效利用。
（2）將可再生能源（RES）和分布式電源（DG）接入配電網(wǎng)。
（3）配電網(wǎng)中日益增加的用戶和由此引起的對(duì)電網(wǎng)的需求。
（4）信息與通信技術(shù)（ICT）的進(jìn)步。
（5）電網(wǎng)全壽命周期更新投資的需要。
（6）利用基于市場的方法控制電網(wǎng)阻塞的必要性。
（7）市場規(guī)劃與管理機(jī)制向著公平、成本效益*好的方法演變。
（8）現(xiàn)有及新建設(shè)施的穩(wěn)定性、持續(xù)性及其對(duì)環(huán)境的影響。
（9）世界上仍有大量的人口用電不足的問題亟待解決。
上述因素可能促使電網(wǎng)在2020年及以后（甚至到2040年），向著以下兩種模式發(fā)展：
（1）互聯(lián)大電網(wǎng)：在負(fù)荷區(qū)域和大型集中式可再**電站之間傳輸大功率的互聯(lián)大電網(wǎng)的重要性不斷提升。應(yīng)用大電網(wǎng)聯(lián)接不同國家的能源市場。
（2）主動(dòng)配電網(wǎng)：大量小型及大型包含分散式發(fā)電廠、儲(chǔ)能、有功用戶參與的自我供給配電網(wǎng)的簇?fù)沓霈F(xiàn)，導(dǎo)致必須采用主動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)有功和無功進(jìn)行管理。
未來的電網(wǎng)發(fā)展中，大型能源網(wǎng)絡(luò)越發(fā)重要，同時(shí)小型微電網(wǎng)也蓬勃發(fā)展，它們相輔相成，共同發(fā)展。未來，不同地區(qū)的電網(wǎng)中將會(huì)出現(xiàn)不同的能源組合，以往的用電方也可以成為發(fā)電方，因此電網(wǎng)必須更加智能可控，要實(shí)現(xiàn)雙向負(fù)荷流的管理。由于大量互聯(lián)電網(wǎng)的加入，主動(dòng)配電網(wǎng)被視為解決日益突出的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可靠等問題的方法，因此未來電力系統(tǒng)很可能以上述兩類模式的混合形式出現(xiàn)。
一 未來電力系統(tǒng)十大關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)挑戰(zhàn)
（1）主動(dòng)配電網(wǎng)將導(dǎo)致在配電網(wǎng)電壓等級(jí)和更高電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生雙向潮流與數(shù)據(jù)流，如何建立合理的智能控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大量小型電源之間的協(xié)調(diào)是一項(xiàng)新的技術(shù)挑戰(zhàn)。
首先需要獲取數(shù)據(jù)信息（配電網(wǎng)自動(dòng)化、家庭能源管理以及電動(dòng)汽車的數(shù)據(jù)信息），這就需要安裝大量的智能電表和需求側(cè)響應(yīng)電表。同時(shí)，還需要研究合理的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以確保其能夠?yàn)楫?dāng)?shù)氐哪芰科胶馓峁└玫谋Ｕ稀Ａ硗猓捎谑袌龊椭贫日凉撘颇叵蛑咝Ч芾怼⒐焦⒊杀净厥盏姆较蜻M(jìn)化，以市場為導(dǎo)向的分布式發(fā)電（如虛擬電廠）控制技術(shù)也是應(yīng)對(duì)該項(xiàng)挑戰(zhàn)的可能方法之一。
（2）先進(jìn)測量與監(jiān)測設(shè)備的使用以及對(duì)信息交換的大量需求，對(duì)傳感技術(shù)及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)提出了新的要求。
1）在系統(tǒng)的運(yùn)行、保護(hù)、檢修以及全壽命管理等過程中需要新的量測參數(shù)、網(wǎng)架信息、通信技術(shù)以及相關(guān)的新式算法。
2）交換數(shù)據(jù)的識(shí)別及其相關(guān)需求，例如數(shù)據(jù)的可靠性、**性等。
3）故障恢復(fù)與轉(zhuǎn)供規(guī)劃方法。
4）網(wǎng)絡(luò)**與準(zhǔn)入控制：網(wǎng)絡(luò)**、信**等問題。
（3）在各電壓等級(jí)下直流技術(shù)與電力電子（PE）應(yīng)用的增長及其在電能質(zhì)量、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)**以及系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化方面的影響。傳統(tǒng)的電路理論不能簡單地直接用于分析交直流混合電網(wǎng)和含有大量電力電子設(shè)備的微電網(wǎng)，需要做更多新技術(shù)的相關(guān)研究。
1）計(jì)及高壓直流（HVDC）和PE系統(tǒng)控制模型的交流電網(wǎng)性能的研究。
2）在HVDC和PE運(yùn)行過程中，交流和直流諧波過濾器所產(chǎn)生的諧波失真管理，以及由于電力電子用戶日益增加所產(chǎn)生諧波污染的去除。
3）在交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，直流和基于PE的發(fā)電站在動(dòng)態(tài)響應(yīng)及性能方面較傳統(tǒng)發(fā)電廠和交流線路有著顯著的區(qū)別。許多情況下，如何選用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和控制方法，從而大大增強(qiáng)全網(wǎng)的可靠性是需要考慮的重要問題。
4）高壓直流電網(wǎng)是一種與傳統(tǒng)電網(wǎng)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)和性能上皆有著明顯不同的全新電網(wǎng)形式。建立完善的HVDC電網(wǎng)，需要靈活使用制造業(yè)的各種設(shè)備，并逐步完善各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
5）高壓直流電網(wǎng)是一種全新電網(wǎng)形式。為了使其逐步的建立起來，需要建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)以及電網(wǎng)技術(shù)準(zhǔn)則（gridcodes）。同時(shí)，不同制造商提供的設(shè)備也應(yīng)該具有互換性。
6）如何滿足日益增長的終端直流供電的需求（例如居民用戶和商業(yè)建筑等）也是挑戰(zhàn)之一。
（4）儲(chǔ)能系統(tǒng)中重要設(shè)備的發(fā)展及其對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)展的影響。
為實(shí)現(xiàn)分布式能源之間的協(xié)調(diào)，儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的作用，同時(shí)也帶來了許多技術(shù)問題。
1）建設(shè)問題：先進(jìn)材料、安裝成本和建設(shè)成本的下降、環(huán)境影響的降低、充放電周期效率的提升、重量減輕且尺寸密度的提升以及全壽命周期評(píng)價(jià)模型的研發(fā)等。
2）運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)問題：各電壓等級(jí)下儲(chǔ)能的影響、靜態(tài)穩(wěn)定建模和動(dòng)態(tài)仿真、充放電管理、與RES聯(lián)合運(yùn)行的混合系統(tǒng)、孤島管理、削峰能力，以及需求側(cè)管理技術(shù)協(xié)調(diào)運(yùn)行等。
3）抽水蓄能和電池儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)發(fā)展。
（5）針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)控制和市場/法規(guī)規(guī)劃，建立計(jì)及主動(dòng)用戶與不同發(fā)電形式間相互作用的新概念。
1）發(fā)電站隨機(jī)組合以及柔性負(fù)荷和儲(chǔ)能導(dǎo)致的負(fù)荷變動(dòng)所帶來的運(yùn)行挑戰(zhàn)。包括：功率平衡、阻塞管理、市場規(guī)劃和規(guī)范機(jī)制的改進(jìn)，以及促進(jìn)含用戶和RES參與的電力市場、有功無功儲(chǔ)備和風(fēng)險(xiǎn)管理等。
2）輸電系統(tǒng)中電力電子整合技術(shù)，如含HVDC線路的內(nèi)部互聯(lián)系統(tǒng)會(huì)對(duì)可靠性、電力市場整合與控制以及電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能帶來挑戰(zhàn)。
3）各大洲、各國、各地區(qū)電力系統(tǒng)控制的發(fā)展：輸電系統(tǒng)運(yùn)行人員（TSO）、配電系統(tǒng)運(yùn)行人員（DSO）、電力市場運(yùn)行人員、能源服務(wù)商以及其他相關(guān)人員之間都需要共同協(xié)作。應(yīng)當(dāng)了解全網(wǎng)的地位、各系統(tǒng)間的界限，信息交互以及生產(chǎn)和負(fù)荷中心TSO、DSO及其他相關(guān)人員間的可操作接口。
4）自動(dòng)化水平的提升：新開發(fā)軟件的工具可以快速地確定系統(tǒng)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)，其可提供決策支持，并為系統(tǒng)運(yùn)行、自動(dòng)化結(jié)構(gòu)以及電氣參數(shù)的調(diào)整、轉(zhuǎn)供自動(dòng)化、事故恢復(fù)等提供警示。
5）應(yīng)確保系統(tǒng)運(yùn)行人員相關(guān)培訓(xùn)和具有相應(yīng)資質(zhì)。
（6）發(fā)電廠的不同特征和發(fā)展中電網(wǎng)保護(hù)的新概念。
1）新的輸電網(wǎng)廣域保護(hù)系統(tǒng)（WAPS）將可克服特定類型繼電保護(hù)在可靠性、靈活性、檢修成本方面的局限性和不足。
2）全新的發(fā)電技術(shù)會(huì)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，例如減小短路功率、導(dǎo)致潮流逆向等。
3）故障穿越能力，即新發(fā)電機(jī)容量在承受由于故障所引起低電壓的能力。
4）偶然性孤島檢測與蓄意性孤島運(yùn)行，即部分配電網(wǎng)由于沒有連接至高壓網(wǎng)絡(luò)而呈現(xiàn)物理孤島情況。
5）使用高效通信網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)中新式保護(hù)和自動(dòng)化功能。
6）其他**技術(shù)，例如直流斷路器。
（7）計(jì)及新輸電/配電接口的全新規(guī)劃概念、環(huán)境約束的增加以及有功無功潮流控制的新技術(shù)。
1）環(huán)境因素的更高社區(qū)意識(shí)（communityaware-ness）。
2）不確定因素增加下的規(guī)劃和批準(zhǔn)。
3）現(xiàn)役設(shè)備的*佳利用。
4）網(wǎng)絡(luò)投資規(guī)劃：規(guī)劃中需要考慮需求響應(yīng)、分布式電源的分布，以及輸電線路和配電線路擴(kuò)建投資的相互影響等因素。
5）技術(shù)變化：需要了解各技術(shù)方案的成本、容量以及到期時(shí)間，以便進(jìn)行比較選擇。
6）經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力的改變：這會(huì)影響資金的可用性和投資風(fēng)險(xiǎn)，并可能對(duì)投資產(chǎn)生重大影響，尤其是在以市場為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。
7）市場和管理環(huán)境的改變（對(duì)中央規(guī)劃水平與市場方案的影響的比較）。
（8）新用戶、新發(fā)電機(jī)、新網(wǎng)絡(luò)特征下評(píng)價(jià)系統(tǒng)技術(shù)性能的新方法。
1）可用于解決時(shí)間集成動(dòng)態(tài)問題以及多相功率流問題的先進(jìn)計(jì)算技術(shù)和計(jì)算方法。
2）在三相模型和正序建模間找到過渡。
3）用于功率平衡和備用需求評(píng)估的先進(jìn)工具和技術(shù)。
4）可對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體性能進(jìn)行優(yōu)化并可基于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及應(yīng)用故障模式及影響分析（EMEA）來管理不確定性從而描述現(xiàn)有技術(shù)和新技術(shù)性能的規(guī)劃和運(yùn)行工具。
5）先進(jìn)的負(fù)荷建模技術(shù)。
6）可對(duì)分散控制應(yīng)用進(jìn)行建模的技術(shù)，即在環(huán)境的極限感知下能夠做出智能決策的功能，如多代理技術(shù)。
7）主動(dòng)和自適應(yīng)控制策略的建模（集中控制系統(tǒng)、電網(wǎng)友好型電器應(yīng)用、需求管理等）。
8）新技術(shù)和先進(jìn)技術(shù)的模型。
9）可以連接物理硬件設(shè)備和實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器接口（RTDS）的硬件在線仿真工具。
10）用于在各電壓等級(jí)下評(píng)估電網(wǎng)在更大DC和PE滲透率時(shí)諧波性能的工具和技術(shù)。
11）循環(huán)（HIP）模擬工具中的硬件設(shè)計(jì)，即與實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器（RTDS）進(jìn)行物理對(duì)接。
12）可集成模擬傳輸系統(tǒng)和分配系統(tǒng)的協(xié)同仿真平臺(tái)。
13）在電磁瞬態(tài)和正序仿真工具間找到過渡的方法。
（9）線路容量的增長，架空、地下、水下設(shè)施的使用，及其對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)性能和可靠性的影響。
1）提高現(xiàn)有架空線路輸送能力的技術(shù)：更換耐高溫導(dǎo)線，重新張緊現(xiàn)有架空線導(dǎo)線，提高電壓等級(jí)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
2）將交流轉(zhuǎn)換為直流線路，考慮交直流混合輸電，考慮架空線路的緊密排列和美觀性。
3）考慮地下系統(tǒng)的過載能力和熱瞬態(tài)計(jì)算，及其對(duì)地下部分的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的影響。
4）新的海底和地下絕緣交流或直流電纜在高電壓中的應(yīng)用，如海邊風(fēng)電場。考慮以風(fēng)電場為解決方案的“海上”基礎(chǔ)設(shè)施與離岸發(fā)展的變電站和電纜，包括輸電和配電，并將風(fēng)荷載數(shù)據(jù)用于海底電纜的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
5）制定深水電纜的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和完善安裝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)關(guān)聯(lián)。
6）提出對(duì)正在改變網(wǎng)絡(luò)狀況的輸配電設(shè)備的要求。
7）將智能化技術(shù)引入到輸配電設(shè)備中。
（10）使利益相關(guān)者了解技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，吸引他們加入電網(wǎng)未來發(fā)展。
需要考慮的因素包括：
1）環(huán)境（自然環(huán)境、動(dòng)植物、EMF、聲噪、視覺沖擊等）既是電網(wǎng)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力，也是全球能源項(xiàng)目（發(fā)電、輸送）的主要阻力。
2）環(huán)保因素（自然環(huán)境、人）是維持能源系統(tǒng)未來發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ唬@也是現(xiàn)在被電力部門逐漸了解的。
3）同時(shí)，同金融行業(yè)一樣，能源系統(tǒng)也受到“外部世界”的激勵(lì)，如政策、NGO和其他利益相關(guān)者的影響等。
在規(guī)劃階段，應(yīng)當(dāng)采取的措施如下：
1）證明項(xiàng)目能帶來的好處。
2）保證可持續(xù)發(fā)展的原則和與之相關(guān)的問題正在被考慮。
3）考慮已經(jīng)在系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和備選方案中的公眾態(tài)度，咨詢以及需求。
在建設(shè)和運(yùn)行階段，應(yīng)當(dāng)注意：
1）需要符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。
2）需要取得必要行動(dòng)的支持（如，維修）。
二 充分盡限利用現(xiàn)有系統(tǒng)
主要包括以下3個(gè)方面：
1）將成功經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。例如，低壓管理方式可以向高壓借鑒，甚至可以向其他能源系統(tǒng)（電、氣、水）的管理方面學(xué)習(xí)。
2）提高可靠性（自愈，孤島，故障穿越……），一定要從技術(shù)上提升經(jīng)濟(jì)效益。
3）資產(chǎn)生命周期問題，建議提早開始研究，可以借鑒發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。
報(bào)告嘉賓：
國家“千人計(jì)劃”特聘專家 馬釗
嘉賓簡介：
馬釗，博士，國家“千人計(jì)劃”特聘專家，中國電力科學(xué)研究院智能配電**專家；英國特許注冊(cè)電力工程師（CEng）、國際工程與技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)士（FIET）；現(xiàn)任CIGRESC6（配電系統(tǒng)及分布式發(fā)電）專委會(huì)中國委員，CIGRE中國和亞太區(qū)SC6主席；中國科學(xué)院電工研究所客座研究員，西安交通大學(xué)兼職教授。主要研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)規(guī)劃和資產(chǎn)管理、風(fēng)險(xiǎn)管控、智能電器設(shè)計(jì)研發(fā)及技術(shù)咨詢、中低壓直流配電網(wǎng)、能源信息系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)等。
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