深度解析！未來電力系統(tǒng)十大關鍵技術及挑戰(zhàn)
2016年8月21～26日，第46屆國際大電網委員會（CIGRE）年會在法國巴黎召開，超過3000位代表出席了會議，其中來自中國的參會代表有80多位。大會以主旨報告《電力大變革—未來電力系統(tǒng)》作為開始，并以“分布式發(fā)電對大容量電網影響的全球視角”為主題召開了開幕論壇。CIGRE2016提出了兩個大方向：一是未來電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢及動向；另一個是如何充分盡限利用現(xiàn)有的系統(tǒng)。
CIGRE2016的主旨報告《電力大變革—未來電力系統(tǒng)》指出，各種各樣的因素正推動著全球能源系統(tǒng)向著面對不同挑戰(zhàn)風險、不同管理方式、不同條件狀況的資源–市場混合型模式轉變。這些因素主要包括：
（1）國際和國家層面的政策鼓勵低碳生產、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。
（3）配電網中日益增加的用戶和由此引起的對電網的需求。
（4）信息與通信技術（ICT）的進步。
（5）電網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阻塞的必要性。
（7）市場規(guī)劃與管理機制向著公平、成本效益最好的方法演變。
（8）現(xiàn)有及新建設施的穩(wěn)定性、持續(xù)性及其對環(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：在負荷區(qū)域和大型集中式可再生發(fā)電站之間傳輸大功率的互聯(lián)大電網的重要性不斷提升。應用大電網聯(lián)接不同國家的能源市場。
（2）主動配電網：大量小型及大型包含分散式發(fā)電廠、儲能、有功用戶參與的自我供給配電網的簇擁出現(xiàn)，導致必須采用主動配電網對有功和無功進行管理。
未來的電網發(fā)展中，大型能源網絡越發(fā)重要，同時小型微電網也蓬勃發(fā)展，它們相輔相成，共同發(fā)展。未來，不同地區(qū)的電網中將會出現(xiàn)不同的能源組合，以往的用電方也可以成為發(fā)電方，因此電網必須更加智能可控，要實現(xiàn)雙向負荷流的管理。由于大量互聯(lián)電網的加入，主動配電網被視為解決日益突出的環(huán)保、經濟、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)十大關鍵技術及相關挑戰(zhàn)
（1）主動配電網將導致在配電網電壓等級和更高電壓等級網絡中產生雙向潮流與數據流，如何建立合理的智能控制技術來實現(xiàn)大量小型電源之間的協(xié)調是一項新的技術挑戰(zhàn)。
首先需要獲取數據信息（配電網自動化、家庭能源管理以及電動汽車的數據信息），這就需要安裝大量的智能電表和需求側響應電表。同時，還需要研究合理的配電網結構以確保其能夠為當地的能量平衡提供更好的保障。另外，由于市場和制度正潛移默化地向著高效管理、公平公正、成本回收的方向進化，以市場為導向的分布式發(fā)電（如虛擬電廠）控制技術也是應對該項挑戰(zhàn)的可能方法之一。
（2）先進測量與監(jiān)測設備的使用以及對信息交換的大量需求，對傳感技術及大數據處理技術提出了新的要求。
1）在系統(tǒng)的運行、保護、檢修以及全壽命管理等過程中需要新的量測參數、網架信息、通信技術以及相關的新式算法。
2）交換數據的識別及其相關需求，例如數據的可靠性、安全性等。
3）故障恢復與轉供規(guī)劃方法。
4）網絡安全與準入控制：網絡安全、信安全等問題。
（3）在各電壓等級下直流技術與電力電子（PE）應用的增長及其在電能質量、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)安全以及系統(tǒng)標準化方面的影響。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和含有大量電力電子設備的微電網，需要做更多新技術的相關研究。
1）計及高壓直流（HVDC）和PE系統(tǒng)控制模型的交流電網性能的研究。
2）在HVDC和PE運行過程中，交流和直流諧波過濾器所產生的諧波失真管理，以及由于電力電子用戶日益增加所產生諧波污染的去除。
3）在交流電網發(fā)生故障時，直流和基于PE的發(fā)電站在動態(tài)響應及性能方面較傳統(tǒng)發(fā)電廠和交流線路有著顯著的區(qū)別。許多情況下，如何選用適當的設計和控制方法，從而大大增強全網的可靠性是需要考慮的重要問題。
4）高壓直流電網是一種與傳統(tǒng)電網在動態(tài)響應和性能上皆有著明顯不同的全新電網形式。建立完善的HVDC電網，需要靈活使用制造業(yè)的各種設備，并逐步完善各項標準和網絡節(jié)點。
5）高壓直流電網是一種全新電網形式。為了使其逐步的建立起來，需要建立相應的標準以及電網技術準則（gridcodes）。同時，不同制造商提供的設備也應該具有互換性。
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）儲能系統(tǒng)中重要設備的發(fā)展及其對電力系統(tǒng)運行發(fā)展的影響。
為實現(xiàn)分布式能源之間的協(xié)調，儲能系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的作用，同時也帶來了許多技術問題。
1）建設問題：先進材料、安裝成本和建設成本的下降、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價模型的研發(fā)等。
2）運行和網絡問題：各電壓等級下儲能的影響、靜態(tài)穩(wěn)定建模和動態(tài)仿真、充放電管理、與RES聯(lián)合運行的混合系統(tǒng)、孤島管理、削峰能力，以及需求側管理技術協(xié)調運行等。
3）抽水蓄能和電池儲能的協(xié)調發(fā)展。
（5）針對系統(tǒng)運行、系統(tǒng)控制和市場/法規(guī)規(guī)劃，建立計及主動用戶與不同發(fā)電形式間相互作用的新概念。
1）發(fā)電站隨機組合以及柔性負荷和儲能導致的負荷變動所帶來的運行挑戰(zhàn)。包括：功率平衡、阻塞管理、市場規(guī)劃和規(guī)范機制的改進，以及促進含用戶和RES參與的電力市場、有功無功儲備和風險管理等。
2）輸電系統(tǒng)中電力電子整合技術，如含HVDC線路的內部互聯(lián)系統(tǒng)會對可靠性、電力市場整合與控制以及電力系統(tǒng)動態(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)運行人員（TSO）、配電系統(tǒng)運行人員（DSO）、電力市場運行人員、能源服務商以及其他相關人員之間都需要共同協(xié)作。應當了解全網的地位、各系統(tǒng)間的界限，信息交互以及生產和負荷中心TSO、DSO及其他相關人員間的可操作接口。
4）自動化水平的提升：新開發(fā)軟件的工具可以快速地確定系統(tǒng)在整個網絡中的狀態(tài)，其可提供決策支持，并為系統(tǒng)運行、自動化結構以及電氣參數的調整、轉供自動化、事故恢復等提供警示。
5）應確保系統(tǒng)運行人員相關培訓和具有相應資質。
（6）發(fā)電廠的不同特征和發(fā)展中電網保護的新概念。
1）新的輸電網廣域保護系統(tǒng)（WAPS）將可克服特定類型繼電保護在可靠性、靈活性、檢修成本方面的局限性和不足。
2）全新的發(fā)電技術會對保護系統(tǒng)產生影響，例如減小短路功率、導致潮流逆向等。
3）故障穿越能力，即新發(fā)電機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行，即部分配電網由于沒有連接至高壓網絡而呈現(xiàn)物理孤島情況。
5）使用高效通信網絡的配電網中新式保護和自動化功能。
6）其他創(chuàng)新技術，例如直流斷路器。
（7）計及新輸電/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。
1）環(huán)境因素的更高社區(qū)意識（communityaware-ness）。
2）不確定因素增加下的規(guī)劃和批準。
3）現(xiàn)役設備的最佳利用。
4）網絡投資規(guī)劃：規(guī)劃中需要考慮需求響應、分布式電源的分布，以及輸電線路和配電線路擴建投資的相互影響等因素。
5）技術變化：需要了解各技術方案的成本、容量以及到期時間，以便進行比較選擇。
6）經濟驅動力的改變：這會影響資金的可用性和投資風險，并可能對投資產生重大影響，尤其是在以市場為基礎的系統(tǒng)。
7）市場和管理環(huán)境的改變（對中央規(guī)劃水平與市場方案的影響的比較）。
（8）新用戶、新發(fā)電機、新網絡特征下評價系統(tǒng)技術性能的新方法。
1）可用于解決時間集成動態(tài)問題以及多相功率流問題的先進計算技術和計算方法。
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估的先進工具和技術。
4）可對網絡的整體性能進行優(yōu)化并可基于監(jiān)控數據以及應用故障模式及影響分析（EMEA）來管理不確定性從而描述現(xiàn)有技術和新技術性能的規(guī)劃和運行工具。
5）先進的負荷建模技術。
6）可對分散控制應用進行建模的技術，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。
7）主動和自適應控制策略的建模（集中控制系統(tǒng)、電網友好型電器應用、需求管理等）。
8）新技術和先進技術的模型。
9）可以連接物理硬件設備和實時數字仿真器接口（RTDS）的硬件在線仿真工具。
10）用于在各電壓等級下評估電網在更大DC和PE滲透率時諧波性能的工具和技術。
11）循環(huán)（HIP）模擬工具中的硬件設計，即與實時數字模擬器（RTDS）進行物理對接。
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。
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、水下設施的使用，及其對網絡技術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：更換耐高溫導線，重新張緊現(xiàn)有架空線導線，提高電壓等級，并進行實時監(jiān)測。
2）將交流轉換為直流線路，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)計算，及其對地下部分的設計標準產生的影響。
4）新的海底和地下絕緣交流或直流電纜在高電壓中的應用，如海邊風電場?？紤]以風電場為解決方案的“海上”基礎設施與離岸發(fā)展的變電站和電纜，包括輸電和配電，并將風荷載數據用于海底電纜的設計準則。
5）制定深水電纜的設計標準和完善安裝技術，以實現(xiàn)相關關聯(lián)。
6）提出對正在改變網絡狀況的輸配電設備的要求。
7）將智能化技術引入到輸配電設備中。
（10）使利益相關者了解技術和經濟效益，吸引他們加入電網未來發(fā)展。
需要考慮的因素包括：
1）環(huán)境（自然環(huán)境、動植物、EMF、聲噪、視覺沖擊等）既是電網發(fā)展的主要驅動力，也是全球能源項目（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)展的主要動力之一，這也是現(xiàn)在被電力部門逐漸了解的。
3）同時，同金融行業(yè)一樣，能源系統(tǒng)也受到“外部世界”的激勵，如政策、NGO和其他利益相關者的影響等。
在規(guī)劃階段，應當采取的措施如下：
1）證明項目能帶來的好處。
2）保證可持續(xù)發(fā)展的原則和與之相關的問題正在被考慮。
3）考慮已經在系統(tǒng)規(guī)劃、設計和備選方案中的公眾態(tài)度，咨詢以及需求。
在建設和運行階段，應當注意：
1）需要符合環(huán)境標準。
2）需要取得必要行動的支持（如，維修）。
二?充分盡限利用現(xiàn)有系統(tǒng)
主要包括以下3個方面：
1）將成功經驗轉移到其他網絡結構。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）的管理方面學習。
2）提高可靠性（自愈，孤島，故障穿越……），一定要從技術上提升經濟效益。
3）資產生命周期問題，建議提早開始研究，可以借鑒發(fā)達國家的先進經驗。
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