電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的新趨勢

電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的新趨勢電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的新趨勢電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的新趨勢xxx公司電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的新趨勢文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設(shè)計，管理制度電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的新趨勢張揚（浙江省電力公司，浙江杭州310007）

摘

要：分析了電力系統(tǒng)發(fā)展將面臨的問題，介紹了近年來國內(nèi)外為解決這些問題而進行研究和開發(fā)的技術(shù)。包括緊湊型輸電線路、動態(tài)熱限額、靈活輸電技術(shù)、高溫超導(dǎo)輸電、電力企業(yè)信息一體化等方面的技術(shù)發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電力市場；超導(dǎo)輸電；靈活交流輸電；狀態(tài)檢修；信息系統(tǒng)集成

在有限資源和環(huán)保嚴格的制約下發(fā)展經(jīng)濟、提高現(xiàn)有資源的利用率已成為全球最重要的話題，在電力系統(tǒng)中，如何使電力工業(yè)向高效、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國電力工業(yè)發(fā)展的目標。除了進行電力體制改革，打破壟斷，在電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)引入競爭，從而迫使電力企業(yè)提高資源利用率，降低成本，提高服務(wù)質(zhì)量來達到這個目標外，還將通過以下幾方面技術(shù)來實現(xiàn)這個目標：（1）采用新技術(shù)、新材料，提高輸電網(wǎng)的輸電能力。（2）開展?fàn)顟B(tài)檢修，降低維護的成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。（3）通過技術(shù)和服務(wù)創(chuàng)新，提高供電可靠性和電能質(zhì)量，為電力用戶提供增值服務(wù)，提高社會效益，從而增加售電量。（4）分散電源的出現(xiàn)，不但可以提高能源利用率、供電可靠性，而且減輕了輸配電網(wǎng)絡(luò)的壓力，從而降低供電的成本。

1采用新技術(shù)、新材料，提高輸電網(wǎng)的輸電能力

社會用電需求的不斷增長需要輸配電網(wǎng)絡(luò)能輸送更多的電力以滿足用電的需求，按傳統(tǒng)的技術(shù)和材料，只有依靠增加輸配電線路來增加電網(wǎng)的輸電能力。但是，由于線路走廊資源的日益緊張、環(huán)保壓力的不斷加大，新建輸電線路顯得越來越困難。為了解決對輸電容量的需求持續(xù)增長與建設(shè)新線路的困難的矛盾，近年來，人們開始將更多的注意力從電網(wǎng)的擴張轉(zhuǎn)移到挖掘現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的潛力上，研究采用新技術(shù)、新材料來均衡電網(wǎng)的潮流和提高輸電線路的輸送容量，從而提高輸電網(wǎng)的輸送能力。采用的新技術(shù)主要有：緊湊型輸電線路、動態(tài)熱限額、靈活輸電技術(shù)、高溫超導(dǎo)輸電等。1．1緊湊型輸電線路［1］

緊湊型輸電技術(shù)是通過減少輸電線相間距離和排列，達到減少線路電抗、增加容抗、提高線路自然功率，從而提高輸電線輸電能力的輸電技術(shù)。緊湊型輸電線路在線路走廊寬度和自然傳輸功率方面所具有的優(yōu)勢是一方面可減小走廊寬度，另一方面可提高自然傳輸功率。因此緊湊型輸電線路單位走廊寬度的自然傳輸功率可以達到高一級電壓等級常規(guī)型輸電線路的自然傳輸功率水平。目前國內(nèi)已經(jīng)在運行和正在研究的幾條緊湊型輸電線路與相同電壓等級的常規(guī)型輸電線路的自然傳輸功率及走廊寬度列于表1。我國華北電網(wǎng)于1994年和1999年分別有一條220kV緊湊型線路和500kV緊湊型試驗輸電線投入運行。其中華北昌房500kV緊湊型線路，長85km，線路總投資約17000萬元人民幣，較常規(guī)線路增加約10％左右。100km的500kV緊湊型線路造價比常規(guī)線路多1600萬元人民幣左右。但如果考慮走廊資源和每回線路的輸電能力，緊湊型線路將比常規(guī)線路經(jīng)濟。1．2動態(tài)熱限額

利用現(xiàn)代測量技術(shù)（例如全球定位系統(tǒng)）和SCA－DA數(shù)據(jù)，通過實時預(yù)測輸電設(shè)備的溫度、氣候參數(shù)、線路弧垂、負荷變化等，配之于精確的熱力模型，使電力設(shè)備的熱穩(wěn)定限額隨環(huán)境、設(shè)備溫度的變化而變化，可以最大程度利用輸電設(shè)備輸送容量，提高輸送能力5％～15％。

1．3靈活輸電技術(shù)靈活的交流輸電系統(tǒng)（FACTS）是20世紀80年代后期出現(xiàn)的新技術(shù)，近年來在世界上發(fā)展迅速。專家們預(yù)計在未來這項技術(shù)將在電力輸送和分配方面將引起重大變革，對于充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源和實現(xiàn)電能的高效利用，將會發(fā)揮重要作用。

靈活交流輸電技術(shù)是指電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)（如線路阻抗）、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，均衡電網(wǎng)潮流，充分發(fā)揮輸電網(wǎng)絡(luò)的利用率。

近年來，F(xiàn)ACTS所包含的器件不斷增加，目前已知的主要有：靜止無功發(fā)生器（STATCOM）、可逆變的靜止補償器（CSC）、可控串聯(lián)電容補償器（TCSC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、可控移相器（TCPR）、次同步振蕩阻尼器（NGH－SSRD）、故障電流限制器（FCL）等。以上裝置有的已投入實際應(yīng)用，有的正處于工業(yè)示范階段，還有些尚處于設(shè)計測試階段。

美國EPRI與田納西電力局（TVA）和西屋電氣公司合作，耗資1000萬美元，于1996在TVA電力系統(tǒng)的Sullivan500kV變電所投入了世界上最大容量的一套±10Mvar的STATCOM，減少了由于負荷波動造成的電壓波動及變壓器有載分接開關(guān)的動作次數(shù)，消除了TVA與AEP電網(wǎng)之間的振蕩現(xiàn)象，推遲了該變電站第二組變壓器的安裝，緩建了第五回161kV供電線路［2］。在國內(nèi)，河南省電力局與清華大學(xué)共同研制的20MvarSTATCOM已成功投入運行，目前正在完善過程中。

在眾多的FACTS器件中，UPFC的功能最為完善，技術(shù)也較復(fù)雜。世界上第一臺UPFC已經(jīng)在美國AEP電網(wǎng)投入運行，它由西屋電氣公司、美國電科院及美國電力公司合作研制開發(fā)，安裝在AEP電網(wǎng)的肯塔基州的東部BigSandy到Inez的一條138kV線路的Inez變電站內(nèi)。通過此UPFC，不但徹底解決了電網(wǎng)問題，而且使新建線路的輸送能力得到了充分利用，與沒有UPFC相比，輸送能力提高了100MW，線路功率損耗減少了24MW，并且推遲了新架設(shè)一條345kV線路的計劃［2］。我國正在考慮在西電東送的輸電線路中采用TCSC技術(shù)，提高輸送能力。

1．4高溫超導(dǎo)輸電

由于高溫超導(dǎo)體的臨界溫度都高于液氮溫度（77K），因此，可以用液氮作為高溫超導(dǎo)體的冷卻介質(zhì)。液氮生產(chǎn)的成本要比液氦低一個數(shù)量級，液氮的蒸發(fā)潛熱為液氦的60倍，熱導(dǎo)率為液氦的7．2倍，這使高溫超導(dǎo)體具有更高的熱穩(wěn)定性。同時常溫、常壓下氮氣的電絕緣強度為氦氣或變壓器油的12倍，非沸騰液氮在交直流下絕緣強度為氦氣或變壓器油的1．7倍，因此，它不僅是高溫超導(dǎo)體很好的冷卻劑，同時又具有很高的電氣絕緣性能。

隨著極細絲交流超導(dǎo)線的出現(xiàn)和高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)技術(shù)在電力方面的應(yīng)用受到了許多國家極大的關(guān)注，相繼開展了超導(dǎo)蓄能、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)故障限流器等的研究，并取得了實質(zhì)性的進展。

最近，美國超導(dǎo)公司與威斯康辛公共電力公司合作將世界上第一批分布式的超導(dǎo)電磁蓄能裝置簡稱D－SMES投入商業(yè)運行。每一個裝置蓄能容量為3MJ，以小于0．5ms的響應(yīng)時間提供有功和無功功率補償，連續(xù)無功補償調(diào)節(jié)容量可達28Mvar，瞬時的有功和無功補償輸出分別為3MW、16Mvar，用以防止電壓崩潰，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

超導(dǎo)電纜具有載流能力大、損耗低和體積小的優(yōu)點，是解決大容量、低損耗輸電、節(jié)約輸電走廊的一個重要途徑，因此受到普遍的重視。特別是高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)，使高溫超導(dǎo)電纜的冷卻和熱絕緣比常規(guī)低溫超導(dǎo)電纜有更大的競爭潛力，由Pirelli、DOE和SPI共同研制110kg的120m、三相、24kV、2．4kA高溫超導(dǎo)電纜將被安裝在直徑為10cm的電纜管道中，用以替換銅導(dǎo)體總重為8200kg的9根常規(guī)電纜。

2開展?fàn)顟B(tài)檢修，降低維護的成本

電力系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于電力設(shè)備的可靠性。隨著電網(wǎng)容量的增大和用戶對供電可靠性要求的提高，維修管理的重要性日益顯現(xiàn)出來。維修費用占電力成本的比例也不斷提高。如何采取合理的維修策略和正確決定維修計劃，以保證在不降低可靠性的前提下節(jié)省維修費用，便成為電力部門或負責(zé)設(shè)備維修的公司面臨的重要課題。

狀態(tài)檢修方式以設(shè)備當(dāng)前的實際工作狀況及其在系統(tǒng)的重要性為依據(jù)，合理選擇系統(tǒng)內(nèi)各個設(shè)備的檢修策略，而非傳統(tǒng)的以設(shè)備使用時間為依據(jù)，通過先進的狀態(tài)監(jiān)測、可靠性評價及壽命預(yù)測，判斷有關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，識別故障的早期征兆，對故障部位及其嚴重程度、故障發(fā)展趨勢作出判斷，并根據(jù)分析診斷結(jié)果在其性能下降到一定程度或故障將要發(fā)生之前進行維修。由于科學(xué)地提高了設(shè)備的可用率和明確了檢修目標，在不降低可靠性的基礎(chǔ)上，總體上降低了檢修費用，提高了企業(yè)的效益。

狀態(tài)檢修的核心是設(shè)備的狀態(tài)分析和故障診斷，而狀態(tài)分析和故障診斷需要大量的設(shè)備運行、維修和監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)代信息技術(shù)、在線監(jiān)測技術(shù)為實現(xiàn)這個目標奠定了基礎(chǔ)。例如，以美國電科院為主開發(fā)的維修管理工作站MMW（MaintenanceMan－agementWorkstation）將設(shè)備運行和維修的歷史數(shù)據(jù)（包括來自于SCADA的數(shù)據(jù)）、監(jiān)視數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、性能評估、財務(wù)數(shù)據(jù)等集成在一起，經(jīng)過分析得出設(shè)備的狀態(tài)，用以指導(dǎo)設(shè)備的檢修。美國CommonwealthEdison電力公司應(yīng)用MMW將4個地區(qū)的數(shù)據(jù)集成用以對設(shè)備故障進行快速分析；Texas電力公司則在全公司范圍內(nèi)將運行與維修（O＆M）數(shù)據(jù)集成，每周進行一次檢修計劃的安排。這兩個公司都認為MMW能幫助他們根據(jù)設(shè)備性能的發(fā)展趨勢預(yù)防故障的發(fā)生，通過自動分析使新的監(jiān)視設(shè)備需求最小化來降低費用。另外MMW也在Consoli－datedEdison、Duke、TVA和PEPCO電力公司得到應(yīng)用。

3電力企業(yè)信息化一體技術(shù)

目前多數(shù)電力企業(yè)的信息化環(huán)境都面臨多種計算機硬件平臺和操作系統(tǒng)，信息技術(shù)的應(yīng)用是隨信息技術(shù)的逐步發(fā)展而逐步應(yīng)用的過程，因此信息系統(tǒng)的開發(fā)往往是逐步開發(fā)面向各個業(yè)務(wù)過程的子系統(tǒng)，形成了如圖1所示各個子系統(tǒng)之間信息不共享、功能重復(fù)、數(shù)據(jù)冗余等現(xiàn)象，企業(yè)信息資源的綜合利用得不到充分發(fā)揮。公共信息模型（CommonInformationModels，簡稱：CIM）技術(shù)、企業(yè)集成總線（UtilityIntegratedBus，簡稱：UIB）技術(shù)、企業(yè)通信結(jié)構(gòu)（UtilityCom－municationArchitecture，簡稱：UCA）技術(shù)、中間件技術(shù)等信息新技術(shù)為電力企業(yè)信息應(yīng)用系統(tǒng)向標準化、模塊化和可集成化提供了關(guān)鍵技術(shù)。

基于統(tǒng)一建模語言UML基礎(chǔ)的CIM技術(shù)可以對各個應(yīng)用系統(tǒng)進行交換的信息實現(xiàn)標準化的對象模型，使各個應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享成為可能，并實現(xiàn)對象模型的可維護性和可擴展性。IEC在美國電科院CCAPI研究的基礎(chǔ)上制定了基于CIM的EMS和DMS的應(yīng)用程序接口標準，使用戶可以將來自不同EMS、DMS開發(fā)商的應(yīng)用系統(tǒng)進行集成。UIB技術(shù)可以使電力企業(yè)信息系統(tǒng)集成實現(xiàn)模塊化、可集成化和可擴展化，避免采用子系統(tǒng)點對點接口技術(shù)來實現(xiàn)信息系統(tǒng)集成所帶來的接口繁多的缺點。通過中間件技術(shù)可以解決老系統(tǒng)與UIB之間的接口問題，通過中間件技術(shù)，可以比較容易地將老系統(tǒng)接入到UIB，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的信息共享，避免了重新開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，保護了原有投資。圖2為基于CIM、UIB和中間件技術(shù)的電力企業(yè)信息集成原理結(jié)構(gòu)。

UCA為電力企業(yè)提高通信網(wǎng)絡(luò)的利用率提供了有效的解決方案，通過該方案，電力企業(yè)可以將企業(yè)內(nèi)部的技術(shù)信息、管理信息、電力生產(chǎn)的實時信息的采集、用戶信息等通過UCA聯(lián)系起來。

美國佛羅里達電力公司已經(jīng)應(yīng)用上述技術(shù)將DMS和AMS（資產(chǎn)管理系統(tǒng)）集成在一起，并計劃進一步將故障管理系統(tǒng)（故障呼叫系統(tǒng)）也集成在一起。為了做好這項工作，該公司主要開展了建立基于信息的接口架構(gòu)，制定應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)范，建立信息交換模型以及制定應(yīng)用系統(tǒng)遷移計劃。在建立信息交換模型時，在應(yīng)用IEC有關(guān)電力系統(tǒng)信息模型標準的基礎(chǔ)上，結(jié)合該公司的特點，對IEC有關(guān)模型進行了擴展，滿足了公司的需要。

4提高供電可靠性和電能質(zhì)量，為電力用戶提供增值服務(wù)

隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)、過程控制技術(shù)、微電子和電力電子技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展和普遍應(yīng)用，電力用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，由于電能質(zhì)量問題造成的經(jīng)濟損失也越來越大；例如：位于美國俄勒岡州Corvallis的惠普集成電路制造廠內(nèi)20min的停電損失將高達3000萬美元［3］。同時電力工業(yè)放松管制，特別是發(fā)電市場、輸電市場、配電市場和電力零售市場的出現(xiàn)，提高電能質(zhì)量和供電可靠性，為電力用戶提供增值服務(wù)，必將成為供電企業(yè)增加售電量、占領(lǐng)市場的手段。

現(xiàn)代社會對電能質(zhì)量的要求已不僅僅限于供電電壓偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、頻率偏差和公用電網(wǎng)諧波，而是從以下幾個方面考慮電能質(zhì)量問題，涉及的范圍更廣：

（1）暫態(tài)型電能質(zhì)量問題：主要包括脈沖型的暫態(tài)電能質(zhì)量問題和振蕩型的暫態(tài)電能質(zhì)量問題，它們可以是由于雷擊造成，也可以是投切并聯(lián)補償電容器、配電系統(tǒng)的鐵磁諧振、變壓器涌流等造成，頻率范圍可以從5kHz以下到500kHz以上。

（2）短持續(xù)時間電能質(zhì)量問題：短持續(xù)時間的電能質(zhì)量問題主要有電壓驟降、電壓驟升和失電這三類。

（3）長持續(xù)時間電能質(zhì)量問題：長持續(xù)時間電能質(zhì)量問題主要包括：高電壓、低電壓和持續(xù)失電。（4）三相電壓不平衡、波形畸變、電壓波動和閃變和頻率變化。電力電子技術(shù)用在輸電網(wǎng)中主要是為了解決電網(wǎng)潮流的可控性，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，在供電系統(tǒng)電力電子技術(shù)主要用來改善電能質(zhì)量，提高供電可靠性，并由此形成各種用于改善電能質(zhì)量的裝置。

圖3是用于解決電壓驟降問題的動態(tài)電壓恢復(fù)器的工作原理，它一般串聯(lián)在供電網(wǎng)和負荷之間，當(dāng)供電網(wǎng)正常供電時，DVR的逆變器側(cè)升壓變處在短路狀況，DVR運行在低損耗旁路狀態(tài)，當(dāng)供電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓驟降或電壓驟升，DVR可以在一個周波內(nèi)作出響應(yīng)，在串聯(lián)回路中注入一個交流電壓對電壓進行補償，使補償后的電壓與電壓驟降或電壓驟升前相同。改善和提高電能質(zhì)量一般需要安裝電力調(diào)節(jié)設(shè)備，從而增加投資。電力調(diào)節(jié)設(shè)備可以為單個用電設(shè)備安裝也為一批用電設(shè)備安裝，國外為了提高資源的利用率，提出了電力用戶場所（CustomPowerPark）的概念，在電力用戶場所內(nèi)的用電設(shè)備可以根據(jù)對電能質(zhì)量的不同要求享受不同的電能質(zhì)量水平，在等級分成CP－AAA、CP－AA、CP－A3類用戶中，分別對電能質(zhì)量有不同要求，三類用戶都可以享受雙路電源供電、有固態(tài)切換開關(guān)來保證電壓跌落持續(xù)時間小于4～8ms及有源濾波器來保證用電設(shè)備免于其它用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波的影響；在失去雙路電源時，CP－AA和CP－AAA用戶可以享受備用電源（可以是5－10MW的柴油機或燃機）提供電源的保證，當(dāng)失去電源后，備用電源可以在10－20s啟動并達到同步轉(zhuǎn)速并入母線CP，而CP－A用戶只能等到雙回電源中的任一回修復(fù)時才能恢復(fù)供電；為了保證CP－AAA用戶在備用電源啟動過程中也不停電并向這類用戶提供無電壓跌落、無畸變和平衡的電力，可以將有源濾波、動態(tài)電壓恢復(fù)器和熱備用蓄能器組合在一起來向這類用戶供電。

5分散電源用于供電系統(tǒng)

分散電源是指功率為數(shù)千瓦至50MW小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨立電源，一些容量較小分散電源直接并入配電系統(tǒng)。這些電源由電力部門、電力用戶或第3方所有，用以滿足電力系統(tǒng)和用戶特定的要求。以往做分散電源的燃氣輪機容量一般為50～500kW，現(xiàn)在出現(xiàn)了容量只有幾個kW的微型燃氣輪機。1995年日本日產(chǎn)汽車銷售一種只有2．6kW的微型燃氣輪機裝置，其包裝尺寸為0．84m×0．42m×0．44m，重量只有65kg。利用航空發(fā)動機技術(shù)制造的微型發(fā)動機，轉(zhuǎn)速高達100000r／min。發(fā)電機產(chǎn)生數(shù)千赫茲的交流電，經(jīng)過整流后再換流成50Hz或60Hz市電使用。整套裝置精致小巧，熱電聯(lián)供。由于分散型電源有以下廣闊的應(yīng)用前景，所以受到發(fā)達國家的普遍重視：

（1）適應(yīng)電網(wǎng)峰荷的需要。依托電網(wǎng)，個別設(shè)備分散電源的作法，比建設(shè)大電廠與輸電設(shè)施，在整體上更經(jīng)濟。

（2）分散電源可以小型、零星的熱電聯(lián)供方式，供應(yīng)店鋪、醫(yī)院及住宅大樓使用。

（3）電源分散設(shè)置，“化整為零”，節(jié)省地域資源與輸變電建設(shè)成本。這種做法更適合發(fā)展中國家與人煙稀少的地區(qū)。

當(dāng)今的分散電源主要是指用液體或氣體燃