“最低程度人工干預(yù)”“各種燃料來源發(fā)電”“用戶終端智能化自動平衡自我檢測”……這些高大上的關(guān)鍵詞是美國Xcel電力公司能源公司白皮書中關(guān)于智能電網(wǎng)的描述。如何建設(shè)更加智能的電網(wǎng)如今已經(jīng)成為全球電網(wǎng)科研工作者的共同課題。
田杰的“升級”
2016年，田杰負(fù)責(zé)的項目“升級”了。田杰是南京南瑞繼保電氣有限公司研究院的副總工程師。今年，田杰接手了國家電網(wǎng)公司“十大重點科技創(chuàng)新工程”之一的蘇州南部500千伏電網(wǎng)UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）應(yīng)用研究項目。
這不是田杰第一次負(fù)責(zé)UPFC項目。2015年12月11日，江蘇南京220千伏西環(huán)網(wǎng)UPFC工程順利投運。這是我國首個自主知識產(chǎn)權(quán)的UPFC工程，也是國際上首個使用模塊化多電平換流（MMC）技術(shù)的UPFC工程，標(biāo)志著我國在柔性交流輸電技術(shù)上走在了世界最前列。田杰正是該項目的技術(shù)負(fù)責(zé)人。
“電網(wǎng)中電力潮流的控制有點像日常交通中對車流的控制。車流向什么地方行進(jìn)是呈現(xiàn)一種自然能分布的狀態(tài)，走向并不完全隨著各條道路擁堵的情況來分布，電力潮流也是如此。所以對于電網(wǎng)潮流的控制一直以來都是行業(yè)難題。”田杰告訴記者，“UPFC有些像是電網(wǎng)中的信號燈，同時又帶有閥門的作用，通過大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用，使電網(wǎng)潮流由自然分布轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑`活控制，在保持現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不變、不新建輸電通道的前提下，有效解決常規(guī)電網(wǎng)建設(shè)、改造和運行中難以解決的潮流控制、供電能力提升等難題。UPFC非常適用于經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)城市電網(wǎng)供電能力的提升，以及現(xiàn)有電網(wǎng)的挖潛增效。”
這些非常實用的特性使UPFC研究在全球范圍內(nèi)一直備受關(guān)注，也被業(yè)界認(rèn)為是柔性交流輸電技術(shù)的集大成者，代表著未來電力電子技術(shù)的發(fā)展方向。
“目前世界上有3套已經(jīng)投運的UPFC工程，兩套在美國，一套在韓國?！碧锝芨嬖V記者，這些工程的投運后均取得了良好的效果，但是由于普遍采用GTO和變壓器多重化換流技術(shù)，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、損耗大等問題，成本也相對較高。
南京主城西環(huán)網(wǎng)近、遠(yuǎn)期潮流分布不均、整體供電能力受限，而該區(qū)域位于繁華地帶，建設(shè)新的輸電通道極為困難且代價高昂。因此，國網(wǎng)江蘇省電力公司提出建設(shè)南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程，在不新建輸電線路的情況下，提高南京城市電網(wǎng)供電能力和安全穩(wěn)定水平。
2015年，國家電網(wǎng)公司將南京220千伏UPFC項目列入當(dāng)年重點科技示范工程，同年6月開工。南京西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程投資約2.2億元，歷時6個月，于2015年12月11日正式投運。
南京西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程的成功投運，實現(xiàn)了南京城市西部核心區(qū)電力傳輸?shù)木珳?zhǔn)控制，最大可提升該區(qū)域供電能力500～600兆瓦，并在2016年迎峰度夏期間多次將西環(huán)網(wǎng)關(guān)鍵斷面潮流控制在穩(wěn)定限額以下。與此同時，由于該項目投運后減少了投資巨大的電纜輸電通道建設(shè)，節(jié)約投資超過10億元。
南京西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程的良好效應(yīng)，加上江蘇電網(wǎng)目前所面臨的潮流復(fù)雜多變、分布不均等問題，國家電網(wǎng)公司決定開展500千伏UPFC的應(yīng)用研究。
“江蘇電網(wǎng)目前已經(jīng)建成‘六縱五橫’500千伏骨干輸電網(wǎng)架，是消納區(qū)外來電、接納省內(nèi)大型電源接入送出、向重要城市及重要負(fù)荷中心供電的主力軍?！眹译娋W(wǎng)公司科技部科研處修建表示，“我們?nèi)媸崂砹私K電網(wǎng)樞紐點附近、重要斷面和重要負(fù)荷中心應(yīng)用UPFC的需求及效果，發(fā)現(xiàn)蘇州南部電網(wǎng)（木瀆變電站）是最優(yōu)選擇。”
而對于田杰來說，蘇州南部500千伏UPFC項目難在電壓等級和容量的提升?！澳暇╉椖糠e攢了很多經(jīng)驗，不過蘇州項目的電壓等級和容量提升是很大挑戰(zhàn)。目前世界上還沒有500千伏UPFC項目?！碧锝芨嬖V記者，電壓等級的提升給設(shè)備制造、系統(tǒng)可靠性、控制保護(hù)等方面帶來的挑戰(zhàn)都是前所未有的。
示范區(qū)的示范工程
在一千多公里之外的張北，有一個團隊正在進(jìn)行著一項看起來與田杰負(fù)責(zé)項目非常相近的，著力提升電網(wǎng)靈活性的柔性輸電技術(shù)研究項目。和UPFC項目不同的是，張北項目是柔性直流輸電技術(shù)的研究，側(cè)重于電網(wǎng)對于新能源的接納。
在張家口可再生能源示范區(qū)內(nèi)的張北±500千伏柔性直流電網(wǎng)示范工程項目（以下簡稱張北柔直示范工程）是國家電網(wǎng)公司推動可再生能源友好并網(wǎng)送出與靈活消納，探索可再生能源開發(fā)和利用的典型模式所開展的三個示范工程之一。
“張北柔直示范工程是匯集和輸送大規(guī)模風(fēng)電、光伏等多種形態(tài)能源的四端柔性直流電網(wǎng)。”國家電網(wǎng)公司科技部科研處副處長李震宇告訴記者，該工程建成后將成為世界上第一個采用架空輸電線路、電壓等級最高、容量最大的柔性直流電網(wǎng)，計劃于2018年建成。
為保證工程可靠性，在項目可研評審階段，國家電網(wǎng)公司邀請包括周孝信、鄭健超、楊奇遜、黃其勵、郭劍波等院士在內(nèi)的33位國內(nèi)外知名專家，對該項目的整體技術(shù)方案進(jìn)行把關(guān)，并組織中國電科院(300215,股吧)等單位開展孤島方案下新能源并網(wǎng)、柔直與新能源聯(lián)合運行等研究工作。
“張北柔直工程最終將建成一個多能源互補交直流協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，為解決電網(wǎng)薄弱導(dǎo)致的大規(guī)?？稍偕茉磪R集與送出困難問題提供典型示范?！崩钫鹩罡嬖V記者，項目建成后將滿足張家口地區(qū)新能源送出和北京市接納新能源電量的需要，探索我國北方地區(qū)新能源開發(fā)和利用模式，積累相關(guān)技術(shù)和運行經(jīng)驗，對推動能源生產(chǎn)和消費革命起到科技引領(lǐng)示范作用。
駕馭復(fù)雜大電網(wǎng)
相比蘇州南部UPFC項目和張北柔直項目更側(cè)重于一定區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)控制的難點突破，國調(diào)中心牽頭負(fù)責(zé)的“構(gòu)建大電網(wǎng)安全綜合防御體系—系統(tǒng)保護(hù)”項目，則從全景視角綜合提升電網(wǎng)可靠性和安全性。
“特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展，加上風(fēng)電和光伏等新能源大量并網(wǎng)，遠(yuǎn)距離輸電規(guī)模持續(xù)增長，電網(wǎng)格局和電源結(jié)構(gòu)都發(fā)生了重大改變，特別是在電網(wǎng)‘強直弱交’的過渡期，電網(wǎng)運行特性發(fā)生了深刻變化，電網(wǎng)安全運行壓力巨大?！眹{(diào)中心相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，目前電網(wǎng)特性的變化表現(xiàn)在故障對系統(tǒng)的沖擊全局化，電網(wǎng)運行安全風(fēng)險增大，而電源結(jié)構(gòu)的變化大大降低了電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力，同時電網(wǎng)的電力電子化特征凸顯也令電網(wǎng)穩(wěn)定形態(tài)更加復(fù)雜。
在這樣的背景下，國調(diào)中心決定從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、運行管理、防控措施等方面調(diào)整傳統(tǒng)交流系統(tǒng)形成的認(rèn)識方法、防御理念和控制技術(shù)，構(gòu)建特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)（以下簡稱系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)），實現(xiàn)電網(wǎng)防控技術(shù)的歷史性突破。該項目也被列入國家電網(wǎng)公司十大重點科技創(chuàng)新工程。
“系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)是以有效控制大電網(wǎng)安全運行風(fēng)險為目標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)控制、多資源統(tǒng)籌和多時間尺度協(xié)調(diào)的高可靠性、高安全性大電網(wǎng)安全綜合防御體系。”該負(fù)責(zé)人告訴記者，系統(tǒng)保護(hù)建設(shè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涵蓋系統(tǒng)分析、智能控制、計算機及通信等多個專業(yè)，在世界上尚無先例，要適應(yīng)多種運行場景，協(xié)調(diào)各種控制資源，整合多類先進(jìn)技術(shù)。
“現(xiàn)在需要重點解決系統(tǒng)特性認(rèn)知、控制措施協(xié)同、系統(tǒng)集成等三方面問題?！蹦先鸺瘓F穩(wěn)定控制技術(shù)分公司工程師李德勝告訴記者。
系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)依托先進(jìn)的信息通訊技術(shù)，實現(xiàn)對電網(wǎng)的多頻段、高精度全景狀態(tài)感知，并能夠基于故障診斷和系統(tǒng)實時響應(yīng)特征，實現(xiàn)多場景、全過程的實時智能決策，還將通過整合廣泛分布于全網(wǎng)的多種控制資源，實現(xiàn)有序、分層的一體化協(xié)同控制。
華東電網(wǎng)成為這個系統(tǒng)的第一個試點。
近年來，隨著復(fù)奉、錦蘇、賓金各特高壓直流相繼投產(chǎn)，以及西南水電送電華東需求長期居高不下，華東電網(wǎng)最大單一區(qū)外直流來電功率和區(qū)外直流來電總功率均持續(xù)增長，大功率直流故障造成受端功率缺失的情況，對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的沖擊日益顯著。
“通過建設(shè)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、增加多直流聯(lián)合功率調(diào)制、快速切除抽蓄機組和可中斷負(fù)荷功能、調(diào)整低周減載總體策略各綜合措施，實現(xiàn)華東電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制水平的整體提升?！眹W(wǎng)華東分部相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的建設(shè)，對多直流饋入受端電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制具有很好的借鑒意義，為大受端電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定控制提供了很好的示范。
后續(xù)，公司將針對華北、華中、西北、東北、西南電網(wǎng)的不同運行特性，有針對性的建設(shè)相應(yīng)系統(tǒng)保護(hù)，全面提升大電網(wǎng)安全運行水平。
大云物移中的電網(wǎng)智能化
“除了從設(shè)備及系統(tǒng)層面的技術(shù)研發(fā)，公司將智能電網(wǎng)基礎(chǔ)支撐技術(shù)方面研究列入十大重點科技創(chuàng)新工程?！崩钫鹩罡嬖V記者，在信息通信技術(shù)方面，配合“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，重點突破嵌入式系統(tǒng)在電網(wǎng)應(yīng)用中的信息安全技術(shù)，移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等在智能電網(wǎng)中的融合應(yīng)用技術(shù)。
為落實國家“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，2015年，國網(wǎng)信通部牽頭制定了“信息通信新技術(shù)推動智能電網(wǎng)和‘一強三優(yōu)’現(xiàn)代公司創(chuàng)新發(fā)展行動計劃”，并在國家電網(wǎng)公司內(nèi)全面推進(jìn)。
“行動計劃的主要內(nèi)容包括‘四項目標(biāo)、六大領(lǐng)域、六年計劃’。對照技術(shù)先進(jìn)、智能生產(chǎn)、智慧運營、業(yè)務(wù)創(chuàng)新四項目標(biāo)，國家電網(wǎng)公司將推進(jìn)信通新技術(shù)在智能電網(wǎng)發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)和公司經(jīng)營管理領(lǐng)域的全面滲透和深度融合，重點開展輸變電智能化、智能配用電、
源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)優(yōu)化、智能調(diào)度控制、企業(yè)經(jīng)營管理和信息通信支撐六大領(lǐng)域19個方面的研發(fā)攻關(guān)和創(chuàng)新應(yīng)用?！痹擁椖控?fù)責(zé)人表示，根據(jù)行動計劃，2015～2016年開展167項工作，2017～2020年規(guī)劃開展72項工作。
2020年，這項涉及國家電網(wǎng)公司多層面的行動計劃完成后，將從輸變電智能化、智能配用電、源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)優(yōu)化、智能調(diào)度控制四方面取得顯著的效益：預(yù)計輸變電狀態(tài)采集監(jiān)測裝置線路覆蓋長度每增加百公里，每年可降低運維成本約13萬元，減低故障成本約4萬元；配網(wǎng)故障診斷定位效率和準(zhǔn)確率每提升10%，配網(wǎng)故障搶修時長可縮短30%，提高配網(wǎng)運行可靠性和客戶滿意度；微電網(wǎng)分布式電源有效發(fā)電小時數(shù)每增加10%，每100戶家庭可具備50千瓦削峰潛力；新能源發(fā)電功率預(yù)測準(zhǔn)確率每提升1%，可增加約0.3%的新能源消納能力，減少電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量，節(jié)省電網(wǎng)投資。
隨著能源變革的不斷深入，建設(shè)網(wǎng)架堅強、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動的世界一流電網(wǎng)成為目前電網(wǎng)發(fā)展的重要方向，特別是在我國能源互聯(lián)進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)、集中投產(chǎn)和特高壓網(wǎng)架形成過渡期的關(guān)鍵階段，還需要通過技術(shù)進(jìn)步不斷提升大電網(wǎng)的安全、高效、清潔、綠色等方面水平，將電網(wǎng)打造成為資源優(yōu)化配置的平臺。
