柔性直流输电技术中的电网智能化 驾驭复杂大电网
“最低程度人工干预”“各种燃料来源发电”“用户终端智能化自动平衡自我检测”……这些高大上的关键词是美国Xcel电力公司能源公司白皮书中关于智能电网的描述。如何建设更加智能的电网如今已经成为全球电网科研工作者的共同课题。
田杰的“升级”
2016年，田杰负责的项目“升级”了。田杰是南京南瑞继保电气有限公司研究院的副总工程师。今年，田杰接手了国家电网公司“十大重点科技创新工程”之一的苏州南部500千伏电网UPFC（统一潮流控制器）应用研究项目。
这不是田杰第一次负责UPFC项目。2015年12月11日，江苏南京220千伏西环网UPFC工程顺利投运。这是我国首个自主知识产权的UPFC工程，也是国际上首个使用模块化多电平换流（MMC）技术的UPFC工程，标志着我国在柔性交流输电技术上走在了世界最前列。田杰正是该项目的技术负责人。
“电网中电力潮流的控制有点像日常交通中对车流的控制。车流向什么地方行进是呈现一种自然能分布的状态，走向并不完全随着各条道路拥堵的情况来分布，电力潮流也是如此。所以对于电网潮流的控制一直以来都是行业难题。”田杰告诉记者，“UPFC有些像是电网中的信号灯，同时又带有阀门的作用，通过大功率电力电子技术的应用，使电网潮流由自然分布转变为智能化灵活控制，在保持现有网架结构不变、不新建输电通道的前提下，有效解决常规电网建设、改造和运行中难以解决的潮流控制、供电能力提升等难题。UPFC非常适用于经济发达地区城市电网供电能力的提升，以及现有电网的挖潜增效。”
这些非常实用的特性使UPFC研究在全球范围内一直备受关注，也被业界认为是柔性交流输电技术的集大成者，代表着未来电力电子技术的发展方向。
“目前世界上有3套已经投运的UPFC工程，两套在美国，一套在韩国。”田杰告诉记者，这些工程的投运后均取得了良好的效果，但是由于普遍采用GTO和变压器多重化换流技术，存在结构复杂、损耗大等问题，成本也相对较高。
南京主城西环网近、远期潮流分布不均、整体供电能力受限，而该区域位于繁华地带，建设新的输电通道极为困难且代价高昂。因此，国网江苏省电力公司提出建设南京西环网UPFC工程，在不新建输电线路的情况下，提高南京城市电网供电能力和安全稳定水平。
2015年，国家电网公司将南京220千伏UPFC项目列入当年重点科技示范工程，同年6月开工。南京西环网UPFC示范工程投资约2.2亿元，历时6个月，于2015年12月11日正式投运。
南京西环网UPFC示范工程的成功投运，实现了南京城市西部核心区电力传输的精准控制，最大可提升该区域供电能力500～600兆瓦，并在2016年迎峰度夏期间多次将西环网关键断面潮流控制在稳定限额以下。与此同时，由于该项目投运后减少了投资巨大的电缆输电通道建设，节约投资超过10亿元。
南京西环网UPFC示范工程的良好效应，加上江苏电网目前所面临的潮流复杂多变、分布不均等问题，国家电网公司决定开展500千伏UPFC的应用研究。
“江苏电网目前已经建成‘六纵五横’500千伏骨干输电网架，是消纳区外来电、接纳省内大型电源接入送出、向重要城市及重要负荷中心供电的主力军。”国家电网公司科技部科研处修建表示，“我们全面梳理了江苏电网枢纽点附近、重要断面和重要负荷中心应用UPFC的需求及效果，发现苏州南部电网（木渎变电站）是最优选择。”
而对于田杰来说，苏州南部500千伏UPFC项目难在电压等级和容量的提升。“南京项目积攒了很多经验，不过苏州项目的电压等级和容量提升是很大挑战。目前世界上还没有500千伏UPFC项目。”田杰告诉记者，电压等级的提升给设备制造、系统可靠性、控制保护等方面带来的挑战都是前所未有的。
示范区的示范工程
在一千多公里之外的张北，有一个团队正在进行着一项看起来与田杰负责项目非常相近的，着力提升电网灵活性的柔性输电技术研究项目。和UPFC项目不同的是，张北项目是柔性直流输电技术的研究，侧重于电网对于新能源的接纳。
在张家口可再生能源示范区内的张北±500千伏柔性直流电网示范工程项目（以下简称张北柔直示范工程）是国家电网公司推动可再生能源友好并网送出与灵活消纳，探索可再生能源开发和利用的典型模式所开展的三个示范工程之一。
“张北柔直示范工程是汇集和输送大规模风电、光伏等多种形态能源的四端柔性直流电网。”国家电网公司科技部科研处副处长李震宇告诉记者，该工程建成后将成为世界上第一个采用架空输电线路、电压等级最高、容量最大的柔性直流电网，计划于2018年建成。
为保证工程可靠性，在项目可研评审阶段，国家电网公司邀请包括周孝信、郑健超、杨奇逊、黄其励、郭剑波等院士在内的33位国内外知名专家，对该项目的整体技术方案进行把关，并组织中国电科院(300215,股吧)等单位开展孤岛方案下新能源并网、柔直与新能源联合运行等研究工作。
“张北柔直工程最终将建成一个多能源互补交直流协调控制系统，为解决电网薄弱导致的大规模可再生能源汇集与送出困难问题提供典型示范。”李震宇告诉记者，项目建成后将满足张家口地区新能源送出和北京市接纳新能源电量的需要，探索我国北方地区新能源开发和利用模式，积累相关技术和运行经验，对推动能源生产和消费革命起到科技引领示范作用。
驾驭复杂大电网
相比苏州南部UPFC项目和张北柔直项目更侧重于一定区域内电网控制的难点突破，国调中心牵头负责的“构建大电网安全综合防御体系—系统保护”项目，则从全景视角综合提升电网可靠性和安全性。
“特高压电网的快速发展，加上风电和光伏等新能源大量并网，远距离输电规模持续增长，电网格局和电源结构都发生了重大改变，特别是在电网‘强直弱交’的过渡期，电网运行特性发生了深刻变化，电网安全运行压力巨大。”国调中心相关负责人表示，目前电网特性的变化表现在故障对系统的冲击全局化，电网运行安全风险增大，而电源结构的变化大大降低了电网的调节能力，同时电网的电力电子化特征凸显也令电网稳定形态更加复杂。
在这样的背景下，国调中心决定从技术标准、运行管理、防控措施等方面调整传统交流系统形成的认识方法、防御理念和控制技术，构建特高压交直流混联大电网系统保护（以下简称系统保护技术），实现电网防控技术的历史性突破。该项目也被列入国家电网公司十大重点科技创新工程。
“系统保护技术是以有效控制大电网安全运行风险为目标，构建多目标控制、多资源统筹和多时间尺度协调的高可靠性、高安全性大电网安全综合防御体系。”该负责人告诉记者，系统保护建设是一个复杂的系统性工程，涵盖系统分析、智能控制、计算机及通信等多个专业，在世界上尚无先例，要适应多种运行场景，协调各种控制资源，整合多类先进技术。
“现在需要重点解决系统特性认知、控制措施协同、系统集成等三方面问题。”南瑞集团稳定控制技术分公司工程师李德胜告诉记者。
系统保护技术依托先进的信息通讯技术，实现对电网的多频段、高精度全景状态感知，并能够基于故障诊断和系统实时响应特征，实现多场景、全过程的实时智能决策，还将通过整合广泛分布于全网的多种控制资源，实现有序、分层的一体化协同控制。
华东电网成为这个系统的第一个试点
近年来，随着复奉、锦苏、宾金各特高压直流相继投产，以及西南水电送电华东需求长期居高不下，华东电网最大单一区外直流来电功率和区外直流来电总功率均持续增长，大功率直流故障造成受端功率缺失的情况，对电网频率稳定的冲击日益显著。
“通过建设频率紧急协调控制系统、增加多直流联合功率调制、快速切除抽蓄机组和可中断负荷功能、调整低周减载总体策略各综合措施，实现华东电网频率稳定控制水平的整体提升。”国网华东分部相关负责人表示，华东电网频率紧急协调控制系统的建设，对多直流馈入受端电网频率稳定控制具有很好的借鉴意义，为大受端电网的频率稳定控制提供了很好的示范。
后续，公司将针对华北、华中、西北、东北、西南电网的不同运行特性，有针对性的建设相应系统保护，全面提升大电网安全运行水平。
大云物移中的电网智能化
“除了从设备及系统层面的技术研发，公司将智能电网基础支撑技术方面研究列入十大重点科技创新工程。”李震宇告诉记者，在信息通信技术方面，配合“互联网+”行动计划，重点突破嵌入式系统在电网应用中的信息安全技术，移动互联网、云计算、大数据和物联网等在智能电网中的融合应用技术。
为落实国家“互联网+”行动计划，2015年，国网信通部牵头制定了“信息通信新技术推动智能电网和‘一强三优’现代公司创新发展行动计划”，并在国家电网公司内全面推进。
“行动计划的主要内容包括‘四项目标、六大领域、六年计划’。对照技术先进、智能生产、智慧运营、业务创新四项目标，国家电网公司将推进信通新技术在智能电网发、输、变、配、用、调和公司经营管理领域的全面渗透和深度融合，重点开展输变电智能化、智能配用电、
源网荷协调优化、智能调度控制、企业经营管理和信息通信支撑六大领域19个方面的研发攻关和创新应用。”该项目负责人表示，根据行动计划，2015～2016年开展167项工作，2017～2020年规划开展72项工作。
2020年，这项涉及国家电网公司多层面的行动计划完成后，将从输变电智能化、智能配用电、源网荷协调优化、智能调度控制四方面取得显著的效益：预计输变电状态采集监测装置线路覆盖长度每增加百公里，每年可降低运维成本约13万元，减低故障成本约4万元；配网故障诊断定位效率和准确率每提升10%，配网故障抢修时长可缩短30%，提高配网运行可靠性和客户满意度；微电网分布式电源有效发电小时数每增加10%，每100户家庭可具备50千瓦削峰潜力；新能源发电功率预测准确率每提升1%，可增加约0.3%的新能源消纳能力，减少电网旋转备用容量，节省电网投资。
随着能源变革的不断深入，建设网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动的世界一流电网成为目前电网发展的重要方向，特别是在我国能源互联进入大规模建设、集中投产和特高压网架形成过渡期的关键阶段，还需要通过技术进步不断提升大电网的安全、高效、清洁、绿色等方面水平，将电网打造成为资源优化配置的平台。
来源：《国家电网》杂志