第四节 电网新技术介绍

一、未来电网技术主导发展方向和特征

（一）特高压和坚强统一智能电网的建设与完善

特高压和坚强统一智能电网的建设与完善，必将加快全国电力联网和提高长距离供电可靠性的进程，最大限度地满足社会发展的用电需求。

（二）高可靠的输配电系统

随着电力系统规模的扩大，负荷密度和用户重要性的增加，电力系统事故后果的严重，对输配电系统的可靠性须不断提高。未来的输配电系统必须满足环境保护的要求，把线路和变电站可能产生的电磁干扰、静电感应、噪声、电磁场的生态效应以及对景观的影响降低到最低限度。

（三）优质的电能质量和个性化服务

随着计算机、微电子设备等敏感设备的广泛采用，用户对电能质量的要求越来越高。如生产大规模集成电路的工厂，即使是电压的瞬时下降或升高，也可导致严重的后果。未来输配电系统必须满足重要用户对电能质量的要求。

（四）灵活、开放的输配电系统

电力行业面临着“放松管制”的改革。政策法令允许实行趸售托送，发电厂和电力用户可以根据协议通过电网售受电力。电网作为电力市场的物质载体，即发电厂和电力用户间电力交易的渠道，需要满足对电力潮流灵活调节控制的要求。由于大范围的电力交易，使线路的负载普遍增加，有的线路的负载已接近稳定极限，需要在强化电网、提高系统稳定性的同时，提高电网的灵活性和开放性。

（五）储能技术

储能技术主要分为物理储能、化学储能和电磁储能三大类。储能技术的特点是储能密度大、变换损耗小、运行费用低、维护较容易、不污染环境。根据各种储能技术的特点，飞轮储能、超导电磁储能和超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量、抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等；而抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源并入等大规模、大容量的应用场合。压缩空气储能是另一种能实现大规模工业应用的储能方式。利用这种储能方式，在电网负荷低谷期将富余电能用于驱动空气压缩机，将空气高压密封在山洞、报废矿井和过期油气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动燃汽轮机发电。由于压缩空气储能具有效率高、寿命长、响应速度快等特点，且能源转化效率较高（约为75%），因而是具有发展潜力的储能技术之一。

（六）微电网技术

微电网（Micro-Grid）是一种新型网络结构，是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元。微电网是大电网的有力补充，是智能电网领域的重要组成部分，在工商业区域、城市片区及偏远地区有广泛的应用前景。随着微电网关键技术研发进度加快，预计微电网将进入快速发展期。

二、融合传统技术的电网新技术

（一）灵活交流输电技术

基于硅片的大规模集成电路是现代信息社会的基础，被称为“硅片引起的第一次革命”；基于硅片的电力电子器件向高电压、大功率方向发展，将使电力系统发生重大变革，被称为“硅片引起的第二次革命”。

灵活交流输电（FACTS）是基于电力电子技术与现代控制技术，对交流输电系统的阻抗、电压、相位实施灵活快速调节的输电技术。它可以用来对系统的有功和无功潮流进行灵活控制，以达到大幅度提高线路输送能力、阻尼系统振荡、提高系统稳定水平的目的。

（二）集成化电力设备

为了实现电气设备紧凑化、模块化的目标，出现了不同电气设备集成和强电设备、弱电设备集成的倾向。集成电力设备具有占地小、结构简单、可以减少变电站投资、缩短安装周期、减少环境影响的优点。

由于绝缘材料、光纤测量技术和制造工艺的进步，现在已研究出包括断路器、隔离开关、接地开关、电压及电流互感器、传感器及控制保护设备在内的紧凑化、模块化的智能开关设备，它可以视为GIS和敞开式设备以及控制设备的集成。这些设备有的称为PASS，有的称为COMPASS，集成的程度有所差别，但设计思想是相同的。绝缘材料的进步，特别是电缆技术的进步，促进了发电机和变压器的集成。国外公司最近研制成功“电力发生器” （Powerformer），实质上是超高压发电机。由于电缆技术的进步，可以用电缆来代替原来发电机定子中的矩形截面的导线，使电机的绝缘耐压成数量级的提高。发电机出口的电压可以提高到400kV，不需要升压变压器就直接连接到架空线路。电力发生器的优点，除了使升压变电站大大简化以外，还有电机散热性能好、短路电流小、便于检修等。

（三）燃料电池

燃料电池是把燃料的化学能直接转换为电能的装置，是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。

燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。

磷酸型燃料电池（PAFC）被称为第一代燃料电池，目前已实现商业化运行，能生产大容量加压型11MW的设备以及便携式250k W等各种设备；第二代燃料电池的熔融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行MW级的验证试验；第三代燃料电池是固体电解质燃料电池（SOFC）。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池则是最有希望的电动车电源。

燃料电池的特点如下：

（1）效率高，其理论发电效率可达100%。实际发电效率可达60%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。

（2）处于热备用状态的燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1s内跟随50%的负荷变化。

（3）噪声低；省水；可以实现实际上的零排放。

（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统的投资。

燃料电池商业化的技术关键是电池性能、寿命、大型化和价格等项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。例如，磷酸燃料电池（PAFC）采用高浓度磷酸为电解质。高浓度磷酸在电池工作温度下腐蚀性很强，要求电池的组成材料有良好的导电性能和耐腐蚀性，电极载体用碳，催化剂则采用铂系金属。为保持电极防水性，将部分碳颗粒用防水性很好的聚四氟乙烯薄膜包埋，即以催化剂颗粒、载体碳粒和表面覆有聚四氟乙烯的碳颗粒为材料制备电极。成本是实现PAFC大规模应用的主要障碍之一。现在PC-25机组的设备费为3000美元/k W，比常规的火电设备费高出许多。研究的方向在于降低成本，通过开发廉价催化剂或减少催化剂用量，以及开发新的电解质以取代腐蚀性强的磷酸。

（四）灵活、可靠的智能配电系统

灵活、可靠的智能配电系统是一种灵活、可靠性高、可提供多品质电力的电能流通系统。它相当于用户附近的一个电力改质中心。改质中心产生多种品质的电能，通过静止开关可与高压侧配电线和低压侧配电线灵活地连接。另一方面，通过连接的光缆网，改质中心还进行信息处理和交换。它的重要功能是：

（1）通过电力电子开关和分散信息处理，构成灵活的供电系统，能应付平常、事故和作业停电等各种情况；

（2）利用分布式电源和电能贮存设备，做到基本不停电的，高可靠性供电；

（3）用户可自由选择电力品质、种类和供电者；

（4）改善双向信息服务和用户服务；

（5）可以实现用户侧控制。

（五）先进的配电管理系统

配电管理系统是配电技术中更新最快的一个领域，其内容通常包括SCADA系统、馈线自动化系统、地理信息和设备管理系统GIS、故障报修应答系统、负荷管理系统、自动抄表系统等。这些系统通常有不同的组合，并可与离线的管理信息系统集成。未来的配电自动化系统发展的趋势是：发展建立在开放式计算机平台上的综合配电自动化系统，以实现配电系统的数据采集监视、无功自动调节、故障隔离、设备管理、负荷控制、用电管理等功能。同时，还可以与其他离线的管理系统和信息系统交换、共享信息资源。

（六）先进的表计系统和电力线通信系统

先进仪表（Advanced Metering）是未来配电自动化系统的重要组成部分。现代电能表计系统，除电能计量的功能外，还具有负荷调查（实现所谓的“不打扰的调查”）、实时电价、电价区间指示、电能质量监控的功能，此外还具有双向通信、用户访问、自诊断及警报、误差软件补偿等重要的功能。许多公司正在研究电力线通信（Power Line Telecommunication），即用配电线路传送多媒体信息，主要是着眼利用电力线通道的宝贵资源。已经有一些公司声称取得了成功，但由于配电网的拓扑结构极其复杂，要获得高质量的多媒体信息传送，还有许多技术困难有待克服。

传统电力技术结合电子信息技术、电力电子技术、先进控制理论及技术等高新技术的进步，并结合我国实际的具体研究开发目标和应用，为面向21世纪的先进电力系统技术目标的实现提供了坚实、可靠的基础。

三、电网新技术重点发展项目

下面以交/直流特高压输电技术、坚强统一智能电网的建设、灵活交流输电系统（FACTS）为例做简单介绍。

（一）交/直流特高压输电技术

1.概述

特高压（UHV），我国是指交流1000kV、直流±800kV及以上的电压等级。特高压输电是世界上最先进的输电技术。由于电功率是电压和电流的乘积，所以要想得到长距离、大功率的输电，就必须加大电压或电流，而电流太大会引起输电导线发热、损耗增大，于是只能采取不断升高电压的办法来提高输电的效率。

我国的煤炭储藏主要在西北，如山西、陕西、内蒙古东部、宁夏以及新疆部分地区，中东部省份煤炭储藏量很少。水力资源主要分布在西部地区和长江中上游、黄河上游以及西南的雅砻江、金沙江、澜沧江、雅鲁藏布江等。而我国的电力重负荷主要集中在中东部及沿海地区。如何将电力远距离从一次能源集中地输送到符合集中地，就有赖于特高压输电技术了。

2004年我国就开始规划建设1000kV的输电工程，2008年底建成了第一个试验示范工程（从山西的晋东南到河南南阳，再到湖北荆门），如图1-5所示。1000kV特高压交流试验示范工程，实现了具有里程碑意义的创新和突破。该工程是世界上目前商业化运营的、电压等级最高的输变电工程，验证了特高压输电技术的可行性、设备可靠性、运行安全性、环境友好性和相关设备生产供应的现实可行性，为特高压输电技术在世界范围内更广泛的应用积累了有益的经验。

继晋东南——南阳——荆门特高压交流试验示范工程取得成功之后，2010年7月8日成功投运的向家坝——上海特高压直流输电示范工程也是我国特高压发展中具有里程碑意义的重大创新成果，标志着我国全面进入了特高压交、直流混合电网时代，对推动我国大规模发展远距离输电工程、促进电力资源由传统的就地平衡转变为全国统筹平衡将发挥重大作用。

2.特高压交流输电技术介绍

特高压交流输电是指1000kV及以上电压等级的交流输电工程及相关技术。特高压交流输电技术具有远距离、大容量、低损耗、节约土地占用和经济性等特点。目前，对特高压交流输电技术的研究主要集中在线路参数特性和传输能力、稳定性、经济性，以及绝缘与过电压、电晕及工频电磁场等方面。

（1）特点。

1）输电能力。1000kV输电线路的输电能力为500kV输电能力的4倍以上，但产生的容性无功也为500kV输电线路的4.4倍及以上。因此，特高压输电线路的输送功率较小时，送、受端系统的电压将升高。为抑制特高压线路的工频过电压，需要在线路两端并联电抗器以补偿线路产生的容性无功。

2）线路参数特性。特高压输电线路单位长度的电抗和电阻一般分别为500kV输电线路的85%和25%左右，但其单位长度的电纳可为500kV输电线路的1.2倍。

3）稳定性。特高压输电线路的输电能力很大程度上是由电力系统稳定性决定的。对于中、长距离输电（300km及以上），特高压输电线路的输电能力主要受功角稳定的限制（包括静态稳定、动态稳定和暂态稳定）；对于中、短距离输电（80～300km），则主要受电压稳定性的限制；对于短距离输电（80km以下），主要受热稳定极限的限制。

4）功率损耗。输电线路的功率损耗与输电电流的平方成正比，与线路电阻成正比。在输送相同功率的情况下，1000kV输电线路的线路电流约为500kV输电线路的1/2，其电阻约为500kV线路的25%。因此，1000kV特高压输电线路单位长度的功率损耗约为500kV超高压输电的1/16。

5）经济性。同超高压输电方式相比，特高压输电方式的输电成本、运行可靠性、功率损耗以及线路走廊宽度方面均优于超高压输电方式。

（2）存在的问题。特高压交流线路产生的充电无功功率约为500kV输电线路的5倍。为了抑制工频过电压，线路须装设并联电抗器。当线路输送功率变化，送、受端无功将发生大的变化。如果受端电网的无功功率分层分区平衡不合适，特别是动态无功备用容量不足，在严重工况和严重故障条件下，电压稳定可能成为主要的稳定问题。

3.特高压直流输电技术介绍

直流输电也是目前世界上电力大国解决高电压、大容量、远距离送电和电网互联的一个重要手段。直流输电将交流电通过换流器变换成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端并通过换流器变成交流电，最终注入交流电网。相比交流输电，直流输电具有输送灵活、损耗小、能够节约输电走廊、能够实现快速控制等优点。

我国拟建设15回特高压直流项目，具体情况见表1-3。

其中，云南水电第一回特高压直流工程（云——广直流）是我国建成投产的第一个特高压直流工程，也是世界上第一个特高压直流输电工程。该工程西起云南楚雄换流站，经过云南、广西、广东三省，东止广东增城穗东换流站，额定输电电压为±800kV，输送容量为5GW，在2009年建成投运。

（1）优点。

1）经济性。由于直流输电线路的造价和运行费用比交流输电低，而换流站的造价和运行费用均比交流变电所要高。因此，对于同样输电容量，输送距离越远，直流比交流的经济性越好。当输电距离大于等价距离时，直流输电的经济性优势便可以体现出来，并且输电距离越远，其经济性越好。在实际应用中，对于架空线路，此等价距离为600～700km；对于电缆线路，等价距离则可以降低至20～40km。另一方面，直流输电系统的结构使得其工程可以按照电压等级或级数分阶段投资建设。这也同样体现了高压直流输电经济性方面的特点。

2）互联性。交流输电能力受到同步发电机间功角稳定问题的限制，且随着输电距离的增大，同步机间的联系电抗增大，稳定问题更为突出，交流输电能力受到更大的限制。相比之下，直流输电不存在功角稳定问题，可在设备容量及受段交流系统允许的范围内，大量输送电力。交流系统联网的扩展，会造成短路容量的增大，许多场合不得不更换断路器，而选择合适的断路器又十分困难。而采用直流对交流系统进行互联时，不会造成短路容量的增加，也有利于防止交流系统的故障进一步扩大。因此对于已经存在的庞大交流系统，通过分割成相对独立的子系统，采用高压直流互连，可有效减少短路容量，提高系统运行的可靠性。

直流输电所连的两侧电网无须同步运行，原因是直流输电不存在传输无功问题，两侧的系统之间没有无功交换，也不存在交流系统中频率的问题。由于直流输电的这一特性，它可实现电网的非同步互连，进而也可实现不同频率交流电网的互连，起到频率变换器的作用。

3）控制性。直流输电另一个重要特点是潮流快速可控，可由于锁链交流系统的稳定与频率控制。直流输电的换流器是基于电力电子器件构成的电能控制电路，因此其对电力潮流的控制迅速且精确。对于双端直流输电而言，可迅速实现潮流的反转。潮流反转有正常运行中所需要的慢速潮流反转和交流系统发生故障需要紧急功率支援时的快速潮流反转。其迅速的潮流控制对于所连交流系统的稳定控制，应对交流系统正常运行过程中负荷随机波动的频率控制及故障状态下的频率变动控制都能发挥重要作用。

（2）缺点。

1）直流输电换流站设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高、可靠性差。

2）直流输电换流站的工作过程中会产生大量谐波，处理不当而流入交流系统的谐波就会对交流电网的运行造成一系列问题。因此，必须通过设置大量、成组的滤波器消除谐波。

3）传统的电网换相直流输电在传送有功功率的同时，会吸收大量无功功率，可达有功功率的50%～60%。需要大量的无功功率补偿设备及其相应的控制策略。

4）直流输电的接地极问题、直流断路器问题，都还存在一些没有很好解决的技术难点。当受端交流系统的短路容量与直流输送容量之比小于2时，称为弱受端系统，这时为了控制受端电压的稳定性，保证直流输送的可靠运行，通常要增设调相机、静止无功功率补偿器或静止无功发生器，且应实现HVDC与这些补偿设备的协调控制。

（3）特点。我国对特高压直流输电经过20多年的科学研究，为特高压直流输电提供了有力的技术支撑，保障了特高压直流电网的建设。在建设过程以及建成投运后，仍需要进一步加深对特高压直流问题的研究，要结合实际运行经验，逐步实现标准化。

1）特高压直流输电系统中间不落点，可点对点、大功率、远距离直接将电力输送至负荷中心；

2）特高压直流输电系统控制方式灵活、快速，可以减少或避免大量过网潮流，按照送、受两端运行方式变化而改变潮流；

3）特高压直流输电系统的电压高、输送容量大、线路走廊窄，适合大功率、远距离输电；

4）在交、直流混合输电的情况下，利用直流有功功率调制可以有效抑制与其并列的交流线路的功率振荡，包括区域性低频振荡，提高交流系统的动态稳定性；

5）当发生直流系统闭锁时，UHVDC两端交流系统将承受很大的功率冲击。

（4）直流输电适用的领域。

1）海底电缆输电。从世界范围来看，直流输电工程中约有1/3为海底电缆送电，这是基于降低容性电流等影响的考虑。

2）长距离架空线输电。有研究工作表明，对于输送10GW、300km的电力，直流架空线路输送已开始占有优势，依据这一分析报告，适用直流架空线路的输电容量将占到全球总输电容量的26%以上。

3）BTB方式。BTB方式工程约占全世界直流工程的40%，主要用于在不增加交流电网短路容量的情况下，实现功率的融通和紧急功率支援。以其应用可分为交流系统互连或不同频率交流系统互连，如我国的灵宝工程（一般交流系统互连）和日本国内工程（不同频率交流系统互连）。

（5）需要关注的技术问题。

1）过电压和绝缘问题。出现绝缘故障带来的损失和系统扰动问题将很严重，因此过电压保护以及绝缘配合将是特高压直流输电的最根本性问题。另外，我国西部水电资源位于高海拔地区，存在较严重的污秽、履冰等问题，合理优化的过电压保护和绝缘配合将为系统安全稳定提供有利的保障。

2）电磁环境问题。电磁环境指的是输电线路的电磁环境，包括线路下方电场效应、无线电干扰和可听噪声等几方面的内容，是工程设计、建设以及运行中必须考虑的关键问题。随着电压等级从±500kV提高到±800kV，电磁环境问题将更加突出。目前我国已经过研究论证给出了推荐方案。

3）控制保护问题。直流工程的核心就是控制保护。控制保护的关键技术有软硬件平台技术、直流控制保护系统设计、阀触发控制、直流保护。

4）安全、稳定问题。随着我国1000kV特高压交流网架与±800kV特高压直流网架的建设，我国会逐渐形成1000kV交流与±800kV直流的大联网，因此，保证交、直流联网就能够安全、稳定，防止大停电将是一个十分重要的问题。

4.特高压工程系统示例

向家坝——上海±800kV特高压直流线路工程起于四川复龙换流站，途经四川、重庆、湖南、湖北、安徽、浙江、江苏、上海八省市，止于上海奉贤换流站。全长约2000km，4次跨越长江，如图1-16所示。

（1）特高压站部分工程设备现场图片如图1-17所示。

（2）1000kV线路杆塔如图1-18所示。

（3）汉江大跨越铁塔。汉江大跨越主跨档距1650m，是特高压交流试验示范工程中最大的档距；导线横担重量为91t，是特高压工程中最重的横担；单件构件最重达8t，也是特高压工程中最重的单件构件；直线跨越塔单基质量为1100t，塔高181.8m，根开39.06m，为特高压交流试验示范工程最高、最重、最大根开铁塔，如图1-19所示。

（4）黄河大跨越铁塔。黄河大跨越铁塔位于黄河南岸，跨越塔N3的酒杯形窗口高度达40m，横担全长71m，单基塔全重465t、安装高度达122.8m，是国内单次吊重最大、就位难度最大的跨越塔。采用耐——直——直——直——耐的跨越方式，主跨档距1220m，单回路架设，跨越耐张段总长3651m，如图1-20所示。

（5）特高压调压补偿变。由于长治站变压器为变磁通调压方式，为了保证低压侧电压恒定，在调压变压器中还装设有低压补偿变压器，用于补偿低压侧电压的波动，故调压变中有调压器和补偿器两部分。调压变、补偿变两个器身共用一个油箱，通过管母与主变压器连接。

特高压1000kV#1调压补偿变如图1-21所示。

（6）特高压高抗。长南I线高抗采用自然油循环强迫风冷冷却方式，共4台，其中1台备用，单台容量为320Mvar，总重350t，高压套管由ABB公司生产，高18.7m。中性点装设一台110kV电压等级的中性点小电抗。特高压高抗如图1-22所示。

（7）并联电抗器。并联电抗器是为了减弱“工频电压升高”效应，常在远距离输电线路的中途或末端装设。1000kV特高压输电线路容升效应及过电压是由于线路容性充电功率的存在，将引起一种“长线的电容效应”而导致“工频电压升高”的现象产生，即由于容性无功使电压升高，使得线路的末端电压反而超过首端电压，依靠电抗器的感性无功来补偿线路上的容性充电功率，从而达到减低工频电压升高的目的。

（8）特高压GIS组合电器。特高压GIS组合电器布置为双断路器并联接线。GIS组合电器包括断路器、电流互感器、隔离开关、接地开关、避雷器、母线、波纹管、套管和汇控柜等设备，现场一字型排列，安装在1000kVGIS区域，每相21个气室。1000kVGIS断路器采用双断口结构，通过大功率液压操动机构的带动进行分闸、合闸及自动重合闸操作，如图1-23、图1-24所示。特高压GIS组合电器现场布置模型图如图1-25所示。

（二）坚强统一智能电网

1.定义

坚强智能电网是指电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，其目标是实现电网安全稳定运行，提高电网资产的利用率，有效利用电力能源的资源，降低大规模停电的风险，提高用户用电的效率、可靠性和电能质量；激励节约用电，向用户提供充分的分时电价信息、提供满足21世纪用户需求的电能质量、具有多种方案和电价可供用户选择，提供分布式电源补充和容许各种不同发电形式的接入，可实现电网智能化与资产管理软件深度的集成，可在系统发生故障时减少停电影响实现自愈，可在恐怖攻击或自然灾害时实现快速恢复供电等。

目前，国内外对智能电网的叫法并不统一，我国称为“坚强统一智能电网”，欧洲称为“超级智能电网”，美国使用的是“统一智能电网”。尽管叫法不一，但实质性的内涵基本差不多。

智能电网涵盖了电网的发、输、变、配、用电各个环节。以与电力用户直接相关联的配电网为例，它首先是一种集成化的自动化系统，其范围包括以10kV （20kV）馈线自动化为主，覆盖了400V低压配电台区自动化，并延伸到用户集中抄表系统；在在线实时状态下，能够监控、协调、管理配电网各个环节的设备优化控制。例如，美国科罗拉多州的博尔德在2008年成为了全球第一个智能电网城市。该市的每个家庭都安装了智能电表，人们可以直观地了解即时电价，把洗衣服、烫衣服、热水器加温等事情安排在电价低的时间段，帮助人们优先使用风电和太阳能等清洁能源，配电站可以收集到每家每户的用电情况，一旦有问题出现，可以重新配备电力。

2.特征

坚强智能电网以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。

坚强智能电网能够有效提高线路输送能力和电网安全稳定水平，具有强大的资源优化配置能力和有效抵御各类严重故障及外力破坏的能力；能够适应各类电源与用户便捷接入、退出的需要，实现电源、电网和用户资源的协调运行，显著提高电力系统运营效率；能够精确高效集成、共享与利用各类信息，实现电网运行状态及设备的实时监控和电网优化调度；能够满足用户对电力供应开放性和互动性的要求，全面提高用电服务质量，实现信息化、数字化、自动化、互动化。

3.发展

（1）智能电网概念发展的3个里程碑。

1）2006年美国IBM公司提出了“智能电网”解决方案，主要是解决电网安全运行、提高可靠性。在我国发布的《建设智能电网创新运营管理——中国电力发展的新思路》白皮书主要包括以下几个方面：一是通过传感器连接资产和设备以提高数字化程度；二是数据的整合体系和数据的收集体系；三是进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理。该方案提供了一个大的框架，通过对电力生产、输送、零售的各个环节的优化管理，为相关企业提高运行效率及可靠性、降低成本描绘了一个蓝图。这是IBM一个市场推广策略。

2）奥巴马上任后提出的美国能源计划，将着重集中对每年要耗费1200亿美元的电路损耗和故障维修的电网系统进行升级换代，建立美国横跨四个时区的统一电网；发展智能电网产业，最大限度地发挥美国国家电网的价值和效率，将逐步实现新能源的统一入网管理；全面推进分布式能源管理，创造世界上最高的能源使用效率。

3）我国提出的互动电网是在开放和互连的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，再造电网的信息回路，构建用户新型的反馈方式，推动电网整体转型为节能基础设施，提高能源效率，降低客户成本，减少温室气体排放，创造电网价值的最大化。

（2）国外智能电网发展概况。就在中国对智能电网定义争论不休、普罗大众对此既新鲜又陌生之际，美国人已经付诸行动了。

在北美“统一智能电网”启动的同时，欧洲也开始了一项超级智能电网的工程，最前沿地分析认为，“智能电网”将重塑世界经济和能源格局。

美国政府下令尽快构建一个新的“智能电网”的法案，同时委任了一名专家担任首任智能电网互动操作全国协调员，并且美国目前至少有15家机构在协同制定智能电网标准。

（3）国内智能电网发展概况。我国坚强统一智能电网的发展目标的三个阶段如图1-26所示。

我国建设坚强统一智能电网的发展主要是基于未来几十年将是我国全面建设小康社会，向工业化、城镇化、信息化和现代化深入推进的重要发展时期，经济社会将继续保持平稳较快发展。这一时期，也是我国加强节能减排，建设“资源节约型、环境友好型”社会，实现能源与经济社会和谐发展的关键时期。同时，对电网发展的要求更高、更多，主要体现在：大范围能源资源配置和可再生能源的大规模集中接入要求电网结构更加坚强合理，控制管理更加灵活便利；“两型”社会建设要求电网在确保安全可靠的前提下，着重提升其运行效率和灵活管理能力；现有电网的输送能力、电能质量和优质服务需要适应形势的发展；能源结构优化和提高能源效率是我国提升国际竞争力和实现可持续发展的重要内容。

（三）灵活交流输电系统（FACTS）

1.定义

灵活交流输电系统（FACTS）的英文表达为Flexible Alternative Current Transmis-sion Systems，又称为基于电力电子技术的柔性交流输电系统，是由美国著名的电力专家N. G. Hingorani于1986年首次提出的。IEEE及国际大电网会议（CIGRE）于1995年共同认定的定义是：“一类以电力电子技术为基础并具有其他静止控制器的交流输电设备，它们能增强可控能力，并增大输电容量”。因此，柔性交流输电技术就是基于电力电子变换器技术，并直接作用于输电系统的一些快速控制设备的集合群。

FACTS是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。

2.作用

FACTS通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，使电力传输容量更接近线路的热稳定极限。从这一意义来讲，FACTS是目前提高供电可靠性和提高输电系统传输容量的最有效措施。

FACTS是电力电子技术在电力系统中应用的重要方面。作为在交流输电系统中引入的可控制的一次设备，FACTS装置的应用可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平，实现电力系统动态过程中相量角度的控制，为未来电力系统动态和稳定性控制的新策略提供了必要手段。

电力电子器件的快速发展使FACTS的设想成为现实。近十年来，可控整流器、可关断器件的开断能力不断提高。目前，100mm直径的晶闸管的耐压已达到6～10kV的水平，通过电流已达到6k A以上，6kV、6k A的可关断晶闸管元件（GTO）已有商品。单个电力电子器件的开断能力已达到30～40MW的水平，使电子开关用于高电压、大功率的输配电一次系统成为可能。

在以晶闸管控制串联电容器、静止无功补偿器、可控并联电抗器、故障电流限制器为代表的第一代FACTS装置研究与应用方面，我国走在世界前列，关键技术和经济指标已经接近甚至超过了国外先进电气设备供应商的技术水平，并在我国电网中推广应用，获得了良好的社会效益和经济效益。

在以静止同步补偿器和静止同步串联补偿器为代表的第二代FACTS装置方面，我国已开展相关技术研究，其中，静止同步补偿器在输电网中已有示范应用，但在容量、电压等级和可靠性等方面与国外技术水平尚存在一定差距；静止同步串联补偿器仍然处于实验室研究阶段，还没有实际的工业装置投入运行。

以统一潮流控制器、线间潮流控制器、可转换静止补偿器为代表的第三代FACTS装置是对第二代FACTS装置的创新和发展，功能更强大，结构更加紧凑，性能大幅度提升，可以为电网提供更先进的控制手段，代表了FACTS技术的发展方向。

在智能电网中大规模应用FACTS装置，还要解决一些全局性的技术问题，例如：多个FACTS装置间的协调控制问题，FACTS装置与已有常规控制、继电保护的配合问题，FACTS装置纳入智能电网调度系统的问题等。

（1）静止无功补偿器（SVC）。静止无功补偿器是在机械投切式电容器和电感器的基础上，采用大容量晶闸管代替机械开关而发展起来的，它可以快速地改变其发出的无功功率，具有较强的无功调节能力，可为电力系统提供动态无功电源。SVC在电网运行中可以起到提高电压稳定性、提高稳态传输容量、增强系统阻尼、缓解次同步谐振（振荡）、降低网损、抑制冲击负荷引起的母线电压波动、补偿负荷三相不平衡等作用。SVC主要包括以下4种结构：晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、TCR+固定电容器（FC）混合装置、TCR+TSC混合装置。

（2）晶闸管控制串联电容器（FSC）。输电线路采用串联电容器补偿线路感抗的方式可以缩短线路的等效电气距离，减小功率输送引起的电压降和功角差，从而提高线路输送能力和系统稳定性。常规串联电容器补偿装置的补偿容抗固定，也称为固定串联电容器补偿，它不能灵活地调整补偿容抗值以适应系统运行条件的变化。晶闸管控制串联电容器（TCSC）应用了电力电子技术，利用对晶闸管阀的触发控制，实现对串联补偿容抗值的平滑调节，使输电线路的等效阻抗成为动态可调，系统的静态、暂态和动态性能得到改善。TCSC是FACTS技术应用的典型装置之一，在电网中可以起到控制电网潮流分布、提高系统稳定性极限、阻尼系统振荡、缓解次同步谐振、预防电压崩溃等作用。

（3）可控并联电抗器（CSR）。可控并联电抗器是一种新型FACTS装置，它并联于电力系统，且其电抗值可以在线调节，在一定程度上解决电压在小负荷方式下过高或大负荷方式下过低的情况，紧急情况下可以实现强补以抑制工频过电压，配合中性点电抗器还可以抑制潜供电流、降低恢复电压。CSR的投入运行，使双回或多回线发生N-1故障时，可按其最大调节范围实现动态无功补偿，提高系统的电压稳定性。同时，对于系统在各种扰动下出现的电压振荡或功率振荡也能起到一定的抑制作用，提高系统的动态稳定性。CSR主要有磁控式并联电抗器（MCSR）和分级式可控并联电抗器（SCSR）两种。MCSR通过晶闸管控制励磁系统电流来改变电抗器铁芯的饱和程度，可实现并联电抗值的快速、连续、大范围调节。SCSR通过晶闸管分级投切变压器低压侧电抗器，可实现并联电抗值在有限个级别间的快速切换。

（4）故障电流限制器（FCL）。故障电流限制器是一种串联在输电线路中的FACTS装置，在系统正常运行时其阻抗为零，不对系统运行产生任何影响。当系统发生故障时，FCL通过投切或以其他的方式迅速增大串联阻抗，来达到限制线路短路电流的目的。在适当位置装设合适的FCL可使电网的互联和电源容量的增加不再受制于短路电流水平，这对于电网安全稳定的运行具有重要意义。

（5）静止同步补偿器（STATCOM）。静止同步补偿器是一种基于电压源换流器（VSC）的动态无功补偿设备，是第二代FACTS装置的典型代表。STATCOM以VSC为核心，直流侧采用电容器为储能元件，VSC将直流电压转换成与电网同频率的交流电压，通过连接电抗器或耦合变压器并联接入系统。当只考虑基波频率时，STATCOM可以看成一个与电网同频率的交流电压源通过电抗器连到电网上。由于STATCOM直流侧电容仅起电压支撑作用，所以相对于SVC中的电容容量要小得多。此外，与SVC相比，STATCOM还拥有调节速度更快、调节范围更广、欠压条件下的无功调节能力更强的优点，同时谐波含量和占地面积都大大减小。STATCOM以VSC为核心，将直流电容电压变换为与电网同频率的交流电压，通过等效连接电抗器接入系统。STATCOM可被看做一个电抗后的可控电压源，这意味着无需并联电容器或并联电抗器来产生或吸收无功功率。

（6）静止同步串联补偿器（SSSC）。静止同步串联补偿器属于第二代FACTS装置，它可以等效为串联在线路中的同步电压源，通过注入与线电流呈合适相角的电压来改变输电线路的等效阻抗，具有与输电系统交换有功功率和无功功率的能力。若注入的电压与线路电流同相，那么就可以与电网交换有功功率；若注入的电压与线路电流正交，那么就可以与电网交换无功功率。SSSC不仅调节线路电抗，还可以同时调节线路电阻，且补偿电压不受线路电流大小影响，是比TCSC更具潜力的一种FACTS装置。

（7）统一潮流控制器（UPFC）。统一潮流控制器是由并联补偿的STATCOM和串联补偿的SSSC相结合构成的新型潮流控制装置，是目前通用性最好的FACTS装置，仅通过控制规律的改变，就能分别或同时实现并联补偿、串联补偿和移相等作用。

3.特性

柔性交流输电系统的主要特性有以下几点：

（1）能在较大范围有效地控制潮流；

（2）线路的输送能力可增大至接近导线的热极限，例如：一条500kV线路的安全送电极限为1000～2000MW，线路的热极限为3000MW，采用FACTS技术后，可使输送能力提高50%～100%；

（3）备用发电机组容量可从典型的18%减少到15%，甚至更少；

（4）电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩大；

（5）易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。

4.功能

FACTS系统的技术功能主要指应用技术及其控制器技术，该技术已被国内外一些权威的电力工作者确定为“未来输电系统新时代的三项支持技术之一”。这三项支持技术指的是柔性输电技术、先进的控制中心技术和综合自动化技术。

FACTS系统能够增强交流电网的稳定性，并降低电力传输的成本。该技术通过为电网提供感应或无功功率，从而提高输电质量和效率。

5.发展

（1）国外发展概况。作为世界领先的西门子公司的多种柔性交流输电系统已经在全球的多个项目中得到成功应用。近年来，灵活交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国的重要超高压输电工程中得到应用。有代表性的FACTS工程有美国卡因塔230kV可控串补工程、美国斯拉脱500kV可控串补工程、瑞典斯多德可控串补工程、美国TVA公司沙利文静止同步补偿器工程、美国AEP公司依乃兹统一潮流控制器工程等。

美国卡因塔230kV可控串补工程投运后，使这条输电线路的输送能力突破了稳定极限，收到显著的经济效益，四年就收回投资。

1999年1月巴西在500kV的联络线上安装了两套部分可控串补设备，成功地阻尼了南北电网联络线的低频振荡。

在新的电力电子器件的研究方面也取得重要进展：一方面正在研制经济性能好的器件，以便降低设备造价；另一方面，研制开断功率更大的高性能器件。最近，国外公司宣布研制成功以碳化硅（Si C）为基片的电力电子器件。基片的耐压和热容量可大幅度提高，而元件损耗却大大降低，从而使元件开断功率可望有数量级的飞跃。这预示用固态断路器取代传统机械的高压断路器（油开关、六氟化硫开关、真空开关等），使数字化电力系统成为可能。

自20世纪80年代后期，FACTS技术的提出、研究、开发和工程实践已取得大量成果。目前，FACTS技术的开发和工程应用又有新的发展。具有对电压、阻抗、相位综合控制功能的统一潮流控制器（UPFC）的示范工程（并、串联装置容量各160MVA）在美国AEP电力公司投运。

国外一些先进国家对柔性配电技术的研究和应用进行了大规模的投入。其中，美国电力科学研究院EPRI、瑞典ABB公司、德国Sicmens公司已有了配电静止同步补偿器和动态电压恢复器的商业化产品，并有数十例在配电系统和特殊的用户端投入了运行。

国外已投入运行的DFACTS及FACTS系统的主要装置，见表1-4。

（2）国内发展概况。我国已开始对FACTS技术进行有系统的研究、开发和应用。其中，对500kV超高压输电线路TCSC的研究已取得阶段成果。结合伊敏——冯屯500kV输电线路的研究表明，采用25%串联补偿电容的可控串补装置，可显著提高暂态稳定水平和阻尼振荡能力。

对于我国下一步FACTS技术研究开发的主要目标是，首先应对TCSC和STAT-COM进行工程化研究、开发和完善，促进实际工程的实施。同时，应开展对具有综合控制功能的UPFC和IPC（相间功率控制器）的研究开发。对FACTS的系统应用理论，应进一步开展系统建模和分析、系统控制策略等的研究。

我国由清华大学和原河南省电力局共同研制出的20Mvar STATCOM工业应用装置，标志着我国是继美、日、德之后，第四个掌握制造大容量FACTS装置核心技术的国家。该装置具有补偿动态电压、抑制系统不平衡和振荡、提高系统稳定极限等功能，也是迄今为止我国唯一具有自主知识产权的FACTS工业装置。

作为FACTS技术在配电系统应用的延伸，DFACTS技术已成为改善电能质量的有力工具。该技术的核心器件——绝缘门极双极型晶体管（IGBT）比门极GTO具有更快的开关频率，并且关断容量已达MV·A级，因此DFACTS装置具有更快的响应特性，是解决电能质量问题的有效手段。目前主要的DFACTS装置有有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）、动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）、固态断路器等。其中，APF是补偿谐波的有效工具；而DVR通过自身的储能单元，能够在毫秒级时间内向系统注入正常电压与故障电压之差，因此是抑制电压跌落的有效装置。

柔性配电技术及其装置的应用已逐渐成为国外先进国家电力企业和电力用户的最优选择。但国内目前在该领域的研究还刚刚起步。有必要加大投入，采取积极应对的措施，开展先进技术的引进、消化、应用研究和开发应用国产化设备的工作。

图1-27、图1-28分别是20Mvar STATCOM装置实物图及响应曲线。

思考题

1. 《建设工程监理规范》GB/T50319—2013修订了哪些主要内容？

2. 《建设工程监理规范》GB/T50319—2013对监理的定位是什么？

3. 《建设工程监理规范》GB/T50319—2013调整了哪些专业监理工程师的职责？

4. 《核电厂质量保证安全规定》HAF003要求质量保证文件包括哪三个层次？

5.如何理解火力发电新技术的应用对我国节能减排的作用？

6.简述火力发电新技术应用推广面临的问题。

7.未来电网技术的主导发展方向和特征是什么？

8.特高压交流输电技术、特高压直流输电技术的优缺点有哪些？

9.坚强统一智能电网的定义是什么？

10.灵活交流输电系统（FACTS）的含义及作用是什么？