DQZHAN技术讯：深度解析！未来电力系统十大关键技术及挑战
2016年8月21～26日，第46届国际大电网委员会（CIGRE）年会在法国巴黎召开，超过3000位代表出席了会议，其中来自中国的参会代表有80多位。大会以主旨报告《电力大变革—未来电力系统》作为开始，并以“分布式发电对大容量电网影响的全球视角”为主题召开了开幕论坛。CIGRE2016提出了两个大方向：一是未来电力系统发展趋势及动向；另一个是如何充分尽限利用现有的系统。
CIGRE2016的主旨报告《电力大变革—未来电力系统》指出，各种各样的因素正推动着全球能源系统向着面对不同挑战风险、不同管理方式、不同条件状况的资源–市场混合型模式转变。这些因素主要包括：
（1）国际和国家层面的政策鼓励低碳生产、可再生能源（RES）的使用以及能源的高效利用。
（2）将可再生能源（RES）和分布式电源（DG）接入配电网。
（3）配电网中日益增加的用户和由此引起的对电网的需求。
（4）信息与通信技术（ICT）的进步。
（5）电网全寿命周期更新投资的需要。
（6）利用基于市场的方法控制电网阻塞的必要性。
（7）市场规划与管理机制向着公平、成本效益*好的方法演变。
（8）现有及新建设施的稳定性、持续性及其对环境的影响。
（9）世界上仍有大量的人口用电不足的问题亟待解决。
上述因素可能促使电网在2020年及以后（甚至到2040年），向着以下两种模式发展：
（1）互联大电网：在负荷区域和大型集中式可再**电站之间传输大功率的互联大电网的重要性不断提升。应用大电网联接不同国家的能源市场。
（2）主动配电网：大量小型及大型包含分散式发电厂、储能、有功用户参与的自我供给配电网的簇拥出现，导致必须采用主动配电网对有功和无功进行管理。
未来的电网发展中，大型能源网络越发重要，同时小型微电网也蓬勃发展，它们相辅相成，共同发展。未来，不同地区的电网中将会出现不同的能源组合，以往的用电方也可以成为发电方，因此电网必须更加智能可控，要实现双向负荷流的管理。由于大量互联电网的加入，主动配电网被视为解决日益突出的环保、经济、可靠等问题的方法，因此未来电力系统很可能以上述两类模式的混合形式出现。
一 未来电力系统十大关键技术及相关挑战
（1）主动配电网将导致在配电网电压等级和更高电压等级网络中产生双向潮流与数据流，如何建立合理的智能控制技术来实现大量小型电源之间的协调是一项新的技术挑战。
首先需要获取数据信息（配电网自动化、家庭能源管理以及电动汽车的数据信息），这就需要安装大量的智能电表和需求侧响应电表。同时，还需要研究合理的配电网结构以确保其能够为当地的能量平衡提供更好的保障。另外，由于市场和制度正潜移默化地向着高效管理、公平公正、成本回收的方向进化，以市场为导向的分布式发电（如虚拟电厂）控制技术也是应对该项挑战的可能方法之一。
（2）先进测量与监测设备的使用以及对信息交换的大量需求，对传感技术及大数据处理技术提出了新的要求。
1）在系统的运行、保护、检修以及全寿命管理等过程中需要新的量测参数、网架信息、通信技术以及相关的新式算法。
2）交换数据的识别及其相关需求，例如数据的可靠性、**性等。
3）故障恢复与转供规划方法。
4）网络**与准入控制：网络**、信**等问题。
（3）在各电压等级下直流技术与电力电子（PE）应用的增长及其在电���质量、系统控制、系统**以及系统标准化方面的影响。传统的电路理论不能简单地直接用于分析交直流混合电网和含有大量电力电子设备的微电网，需要做更多新技术的相关研究。
1）计及高压直流（HVDC）和PE系统控制模型的交流电网性能的研究。
2）在HVDC和PE运行过程中，交流和直流谐波过滤器所产生的谐波失真管理，以及由于电力电子用户日益增加所产生谐波污染的去除。
3）在交流电网发生故障时，直流和基于PE的发电站在动态响应及性能方面较传统发电厂和交流线路有着显著的区别。许多情况下，如何选用适当的设计和控制方法，从而大大增强全网的可靠性是需要考虑的重要问题。
4）高压直流电网是一种与传统电网在动态响应和性能上皆有着明显不同的全新电网形式。建立完善的HVDC电网，需要灵活使用制造业的各种设备，并逐步完善各项标准和网络节点。
5）高压直流电网是一种全新电网形式。为了使其逐步的建立起来，需要建立相应的标准以及电网技术准则（gridcodes）。同时，不同制造商提供的设备也应该具有互换性。
6）如何满足日益增长的终端直流供电的需求（例如居民用户和商业建筑等）也是挑战之一。
（4）储能系统中重要设备的发展及其对电力系统运行发展的影响。
为实现分布式能源之间的协调，储能系统发挥着越来越重要的作用，同时也带来了许多技术问题。
1）建设问题：先进材料、安装成本和建设成本的下降、环境影响的降低、充放电周期效率的提升、重量减轻且尺寸密度的提升以及全寿命周期评价模型的研发等。
2）运行和网络问题：各电压等级下储能的影响、静态稳定建模和动态仿真、充放电管理、与RES联合运行的混合系统、孤岛管理、削峰能力，以及需求侧管理技术协调运行等。
3）抽水蓄能和电池储能的协调发展。
（5）针对系统运行、系统控制和市场/法规规划，建立计及主动用户与不同发电形式间相互作用的新概念。
1）发电站随机组合以及柔性负荷和储能导致的负荷变动所带来的运行挑战。包括：功率平衡、阻塞管理、市场规划和规范机制的改进，以及促进含用户和RES参与的电力市场、有功无功储备和风险管理等。
2）输电系统中电力电子整合技术，如含HVDC线路的内部互联系统会对可靠性、电力市场整合与控制以及电力系统动态性能带来挑战。
3）各大洲、各国、各地区电力系统控制的发展：输电系统运行人员（TSO）、配电系统运行人员（DSO）、电力市场运行人员、能源服务商以及其他相关人员之间都需要共同协作。应当了解全网的地位、各系统间的界限，信息交互以及生产和负荷中心TSO、DSO及其他相关人员间的可操作接口。
4）自动化水平的提升：新开发软件的工具可以快速地确定系统在整个网络中的状态，其可提供决策支持，并为系统运行、自动化结构以及电气参数的调整、转供自动化、事故恢复等提供警示。
5）应确保系统运行人员相关培训和具有相应资质。
（6）发电厂的不同特征和发展中电网保护的新概念。
1）新的输电网广域保护系统（WAPS）将可克服特定类型继电保护在可靠性、灵活性、检修成本方面的局限性和不足。
2）全新的发电技术会对保护系统产生影响，例如减小短路功率、导致潮流逆向等。
3）故障穿越能力，即新发电机容量在承受由于故障所引起低电压的能力。
4）偶然性孤岛检测与蓄意性孤岛运行，即部分配电网由于没有连接至高压网络而呈现物理孤岛情况。
5）使用高效通信网络的配电网中新式保护和自动化功能。
6）其他**技术，例如直流断路器。
（7）计及新输电/配电接口的全新规划概念、环境约束的增加以及有功无功潮流控制的新技术。
1）环境因素的更高社区意识（communityaware-ness）。
2）不确定因素增加下的规划和批准。
3）现役设备的*佳利用。
4）网络投资规划：规划中需要考虑需求响应、分布式电源的分布，以及输电线路和配电线路扩建投资的相互影响等因素。
5）技术变化：需要了解各技术方案的成本、容量以及到期时间，以便进行比较选择。
6）经济驱动力的改变：这会影响资金的可用性和投资风险，并可能对投资产生重大影响，尤其是在以市场为基础的系统。
7）市场和管理环境的改变（对中央规划水平与市场方案的影响的比较）。
（8）新用户、新发电机、新网络特征下评价系统技术性能的新方法。
1）可用于解决时间集成动态问题以及多相功率流问题的先进计算技术和计算方法。
2）在三相模型和正序建模间找到过渡。
3）用于功率平衡和备用需求评估的先进工具和技术。
4）可对网络的整体性能进行优化并可基于监控数据以及应用故障模式及影响分析（EMEA）来管理不确定性从而描述现有技术和新技术性能的规划和运行工具。
5）先进的负荷建模技术。
6）可对分散控制应用进行建模的技术，即在环境的极限感知下能够做出智能决策的功能，如多代理技术。
7）主动和自适应控制策略的建模（集中控制系统、电网友好型电器应用、需求管理等）。
8）新技术和先进技术的模型。
9）可以连接物理硬件设备和实时数字仿真器接口（RTDS）的硬件在线仿真工具。
10）用于在各电压等级下评估电网在更大DC和PE渗透率时谐波性能的工具和技术。
11）循环（HIP）模拟工具中的硬件设计，即与实时数字模拟器（RTDS）进行物理对接。
12）可集成模拟传输系统和分配系统的协同仿真平台。
13）在电磁瞬态和正序仿真工具间找到过渡的方法。
（9）线路容量的增长，架空、地下、水下设施的使用，及其对网络技术性能和可靠性的影响。
1）提高现有架空线路输送能力的技术：更换耐高温导线，重新张紧现有架空线导线，提高电压等级，并进行实时监测。
2）将交流转换为直流线路，考虑交直流混合输电，考虑架空线路的紧密排列和美观性。
3）考虑地下系统的过载能力和热瞬态计算，及其对地下部分的设计标准产生的影响。
4）新的海底和地下绝缘交流或直流电缆在高电压中的应用，如海边风电场。考虑以风电场为解决方案的“海上”基础设施与离岸发展的变电站和电缆，包括输电和配电，并将风荷载数据用于海底电缆的设计准则。
5）制定深水电缆的设计标准和完善安装技术，以实现相关关联。
6）提出对正在改变网络状况的输配电设备的要求。
7）将智能化技术引入到输配电设备中。
（10）使利益相关者了解技术和经济效益，吸引他们加入电网未来发展。
需要考虑的因素包括：
1）环境（自然环境、动植物、EMF、声噪、视觉冲击等）既是电网发展的主要驱动力，也是全球能源项目（发电、输送）的主要阻力。
2）环保因素（自然环境、人）是维持能源系统未来发展的主要动力之一，这也是现在被电力部门逐渐了解的。
3）同时，同金融行业一样，能源系统也受到“外部世界”的激励，如政策、NGO和其他利益相关者的影响等。
在规划阶段，应当采取的措施如下：
1）证明项目能带来的好处。
2）保证可持续发展的原则和与之相关的问题正在被考虑。
3）考虑已经在系统规划、设计和备选方案中的公众态度，咨询以及需求。
在建设和运行阶段，应当注意：
1）需要符合环境标准。
2）需要取得必要行动的支持（如，维修）。
二 充分尽限利用现有系统
主要包括以下3个方面：
1）将成功经验转移到其他网络结构。例如，低压管理方式可以向高压借鉴，甚至可以向其他能源系统（电、气、水）的管理方面学习。
2）提高可靠性（自愈，孤岛，故障穿越……），一定要从技术上提升经济效益。
3）资产生命周期问题，建议提早开始研究，可以借鉴发达国家的先进经验。
报告嘉宾：
国家“千人计划”特聘专家 马钊
嘉宾简介：
马钊，博士，国家“千人计划”特聘专家，中国电力科学研究院智能配电**专家；英国特许注册电力工程师（CEng）、国际工程与技术学会会士（FIET）；现任CIGRESC6（配电系统及分布式发电）专委会中国委员，CIGRE中国和亚太区SC6主席；中国科学院电工研究所客座研究员，西安交通大学兼职教授。主要研究方向为智能配电网规划和资产管理、风险管控、智能电器设计研发及技术咨询、中低压直流配电网、能源信息系统和能源互联网等。
