电网技术发展趋势分析

电网技术发展趋势分析

李广凯 柳勇军 洪骁 谷裕 谢明磊 刘志学

南方电网科学研究院

摘要：随着大量波动的可再生能源的并网、电力体制改革的深化，电力系统的安全稳定运行面临更加严峻的挑战，为此电网技术需要不断的升级创新发展来保障电力系统的稳定运行。文章概述了国内外电网技术发展的背景，介绍了美国和欧洲在电网建设方面的关键技术，重点论述了国内电网技术在大电网运行与规划、电力设备与智能运维、智能电网三个方向的发展现状，并探讨了未来发展方向。

关键词：电网技术；大电网运行；设备运维；智能电网

1国内外电网发展背景

1.1中国电网技术发展背景

我国电网技术发展迅猛，目前已攻克交直流串并联复杂大电网一系列前沿和关键技术问题，建立了一体化电网运行智能系统OS2，保障电网安全稳定运行；创立了世界领先的特高压直流研究技术体系，有力支撑了滇西北、鲁西背靠背、禄高肇、昆柳龙等（特）高压直流输电工程建设和运行；突破了电力现货市场出清技术和中长期交易技术，实现了南方（以广东起步）电力现货市场在全国率先开展结算试运行；研制了面向多应用场景的系列电力专用主控芯片，实现国产化。

1.1.1政策支持

国家的电网技术的发展革新离不开政策的支持。党的十九大以来，中国特色社会主义进入一个新的发展阶段，呈现出新变革、新特征、新要求和新任务，创新成为引领发展的第一动力。为加快创新型国家的建设，指引科技创新方向，政府发布了一系列的重要政策文件。如2016年的《国家创新驱动发展战略纲要》、2017年的《国家技术创新中心建设工作指引》、2018年的《关于进一步推进中央企业创新发展的意见》、2019年的《国务院办公厅关于推广第二批支持创新相关改革举措的通知》、2020年的《关于推进国家技术创新中心建设的总体方案(暂行)》，这些战略规划和系列支持政策的出台不断优化科技创新环境，有利于电网技术的创新与发展。

1.1.2电网结构

我国电网发展总体上将是向国家骨干输电网与地方输配电网、微网相结合的模式，同时向多元化、清洁化、互联化、智能化的新模式转变，构建起清洁、低碳、安全、高效的能源体系。

随着新能源的兴起以及分布式电源技术的普及，电力作为清洁能源利用的主要方式，占终端能源消费比例稳步提升。与此同时电网技术的发展必须紧跟世界能源技术革命的新趋势，顺应清洁能源的高速发展，更好地满足清洁能源的接入需求。

同时，基于“互联网+”的推进与电力体制改革的深化，电网系统广泛应用云大物移智等先进技术，向电网智能化、绿色化方向发展，实现各环节的信息交互与数据共享、需求快速响应；电力市场售电侧逐步向社会资本开放，新的市场主体加入以及新的电力交易形式的涌现，电网结构向电网多元化方向发展。

1.1.3面临挑战

电网结构的变化驱使着电网技术的升级创新，同时也面临着诸多挑战。

（1）外部挑战

①国内外形势变化要求电网技术发展创新

如今科技创新力量逐渐成为国际经济竞争甚至综合国力竞争的关键。在中美摩擦冲突不断、发达国家对我国技术封锁管制的今天，电网技术的创新发展更是迫在眉睫。

在国家“一带一路”、粤港澳大湾区发展的背景下，电网技术要能够促进电网安全稳定运行，实现柔直输电、电网实时仿真等核心技术成果转化与输出。

②电力体制改革与高新企业崛起要求电网技术发展创新

受电力体制改革与高新企业崛起的影响，电力行业竞争主体增加，行业竞争加剧。电力体制改革开放竞争性售电业务，地方政府、发电企业涌入售电行业，导致竞争加剧；分布式能源、即插式储能装置和微电网的普及可能打破电网企业传统的单一经营模式，使得更多的经济体参与电力市场交易，改变电力行业竞争格局；跨领域的高新企业不断崛起，电力市场和电网运营面临的局面更加复杂，决策风险更高，对于电力市场、交易平台、需求侧分析和财务运营等创新需求明显扩大，都对电网技术发展带来很大挑战，需要电网技术创新发展，有针对性地解决电力市场相关问题，促进电力系统的稳定安全运行。

（2）内部挑战

我国的电网技术发展面临自主创新不够、创新机制创新支撑保障不够健全、技术成果推广不够等问题。

对于这些挑战，电网技术升级需要实现核心领域技术突破，集中力量攻克关键技术问题，提高科技创新的质量，注重开展科技创新成果的输出、转化和应用。

1.2美国、欧洲电网技术发展背景

进入21世纪以来，为解决化石燃料资源枯竭与环境恶化问题，可再生能源逐渐成为主力能源。美国和欧洲的策略主要可以总结为：节能减排，增加能源供应的多样性，注重国内能源供应，减少能源的对外依存度。其在电网技术方面的应用值得我们借鉴学习。

1.2.1美国“Grid2030”电网规划

为解决电力系统设备老化与电网技术升级资金不足的问题，美国提出了“Grid2030”未来电网规划，解决输电可靠性问题。

“Grid2030”分为国家电力主干网、区域互联、地方配电系统三部分。国家电力主干网负责用高容量的输电通道将北美东西海岸及加拿大墨西哥连在一起，实现全国范围内的用电供需平衡。主干网的电力是通过区域网络来分配的。国家地方配电系统与区域电网相连，且通过区域电网与国家主干网相连。

美国“Grid2030”在电网技术方面的革新：

①主干网采用可运行于交流电网、可控、超低阻抗的超导电缆及变压器，形成区域间互联的高压直流输电设备，其他类型先进的导线，需求侧响应和管理，以及支持国家电力交易实时运行的信息、通信和控制技术。其中超导电缆能够有效降低线路损耗保证电力系统稳定，同时超导输电的低温制冷设备也可同时用于其他产业，如氢气液化，两者结合可有效降低基础设施的成本。

②区域互联内的长距离输电交流设备采用可控制的柔性电力电子器件，或者利用直流联络线并将其扩容。通过大功率直流联络线在相邻的区域电网之间建立连接，根据发电设备（集中电站或分布式发电）及负荷状态的实时信息来制定区域系统的运行计划。同时，为解决因天气条件或其它因素而引起的电力供需不平衡问题广泛应用先进的储能装置。电力市场在跨州电网公司的引导下，进行大规模功率交换和高效运行。

③地方配电系统实现实时监测和信息交换，使市场能够在全国范围内瞬时地处理交易。用户可以定制对自己的个性化的用电模式。分布式发电系统和氢能技术的发展使新能源汽车成为可双向使用的发电设备。

1.2.2欧洲“超级电网”计划

欧洲提出北海超级电网计划，提议将苏格兰的海上风力涡轮机、德国的太阳能阵列、比利时和丹麦的波浪能发电站与挪威的水力发电站连接起来，从而形成贯穿从北海到欧洲大陆北部的联合电网，对电力消费者、输电网、微网和多种发电单元进行控制、管理、优化，从而实现电力系统的快速响应与安全稳定。这是欧洲第一个专门用于传输可再生能源电力的网络，减小了可再生能源发电随时间变化而产生的波动，提高了可再生能源的信用度和经济性，不仅可以平衡整个欧洲大陆的电力需求，而且能够及时把所产生的能源以电力形式传输到邻近国家，进一步提高能源的利用率。

欧洲超级电网在电网技术方面的革新：

①直流输电技术：欧洲电网主网架建设以400kV交流为主。超级电网采用直流输电技术、柔性直流输电技术、多端直流输电系统以及直流输电网络，来实现大容量远距离输电，不仅能够节省线路架设费用、易扩建、电网损耗小、提高输电效率、大大提升直流输电的经济性与灵活性，而且适用于可再生能源的并网，运行可靠，保障设备供电。

②海底电缆技术：跨海输电和海上风电送出均需依托直流海底电缆技术，海底电缆采用直流输电技术，具有输送容量大、损耗小，海水散热快，海缆绝缘热老化损坏程度低等优点。

③储能技术：储能技术是实现风能、太阳能等可再生能源发电规模化利用的关键技术。电力系统的储能技术包括抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超导储能、超级电容器储能及电池储能等。欧洲超级电网主要有用于电力电子换流器对旋转电机的惯性仿真的小规模储能；用于初级、次级控制备用能量以维持系统频率稳定的中规模储能；用于在负荷低谷时充电、负荷高峰时放电、调峰调频的大规模储能。

④智能输电控制技术：可再生能源由于输出不确定性，接入电网后将对系统电压、频率、阻尼特性等产生影响。超级电网连接了大规模可再生能源，电网安全性面临严峻挑战。智能输电控制中心利用广域测量系统对电力系统动态过程进行监测，分析电网动态特性，及时发现故障并予以解决，优化输电网运行，从而实现超级电网的安全稳定优化运行。

2电网技术发展现状

在新能源革命背景下，为适应未来电力市场的发展需求，电网发展总体上是向多元化、清洁化、互联化、智能化的新模式转变。电网技术创新已经成为电网发展的重要推动力，国内电网技术的发展主要可以总结为三个大方向：大电网规划与运行、电力设备与智能运维、智能电网。

2.1大电网规划与运行

保障电网的稳定运行是电网的首要任务。电网技术在大电网规划与运行方面的发展主要集中在大容量电力电子技术、柔性直流输电、可再生能源并网三个方向。

2.1.1大容量电力电子技术

随着电网向信息化、数字化、自动化、互动化发展，电力电子技术越来越广泛地应用在电网中来构建智能电网，其中以灵活交流输电技术、高压直流输电技术、电能质量技术和能量转换技术为代表。

（1）灵活交流输电技术

灵活交流输电技术能够大幅提高线路的输送能力，增强系统稳定性、可靠性。主要包括静止无功补偿器(SVC)、可控串联补偿器(TCSC)、静止同步补偿器(STATCOM)、统一潮流控制器(UPFC)等。

我国在灵活交流输电技术方面成果显著。2004年中国自主研发了首套100Mvar SVC装置并顺利投运，开启了SVC在中国电力系统中大规模的应用的序幕。目前，中国电网总计投运180多套SVC，在我国广东江门、郑州小刘、东北沙窝、湖南云田和武汉凤凰山等500kV变电站也有6台投运，对电网安全、智能化发展发挥了重要作用。2004年底，中国建成投运了甘肃成碧220 kV可控串补工程，这是我国第一个国产化TCSC工程。2015年12月，我国首个统一潮流控制器(UPFC)工程：南京220kV西环网UPFC工程正式投运。2017年12月，苏州南部电网500kV UPFC工程正式投运，在世界范围内首次实现500千伏电网潮流的灵活、精准控制。

（2）高压直流输电技术

特高压直流输电技术是指±800kV（±750kV）及以上电压等级的直流输电及相关技术，具有容量大、距离远、损耗低、占地少等显著优点，能够实现能源资源大范围优化配置与清洁能源消纳以及远距离电力输送的需求。

截止2016年底，世界上正在投运和规划中的常规直流输电工程已经达到110个以上。我国±800kV昆柳龙直流创造了世界“一最三首”，这是世界上容量最大的特高压多端直流输电、世界上首个特高压多端混合直流输电、世界上首个特高压柔性直流换流站工程、世界上首个具备架空线路直流故障自清楚能力的柔性直流工程。±1100kV准东-皖南特高压直流输电工程是世界电压等级最高、输电容量最大、输电距离最远的直流工程，相关配套设备技术如±1100kV直流气体绝缘穿墙套管、±1100kV/550A特高压直流环流阀也已设计并生产成功。同时，我国正加快研究特高压直流电缆，为跨海互联电网提供技术支撑。

（3）电能质量技术与能量转化技术

优质的电能有利于电网的安全稳定运行，带来较好的经济收益。目前国际上广泛采用的提高电能质量的定制电力技术装置主要为有源电力滤波器(APF)、动态电压调节器(DVR)以及配电网静止同步补偿器等。我国电能质量基础研究已经开始，但主要集中在部分高等院校，工程化的应用并不多见。性能更佳的新型补偿技术(如统一电能质量控制器)，还处于系统结构、模型和仿真研究阶段，相关电力电子装置的技术标准和规范还有待制定。

能量转化技术的创新与应用是低碳经济的关键所在。我国目前对轨道交通能馈系统、抽水蓄能启动变频技术和风力发电机组变流器控制技术已有研究，特别是风力发电机组变流器控制技术。我国现阶段间歇式能源的控制运行技术研究主要集中在开发大规模风电场的并网方面。与国外相比，我国对能量转换技术的研究才刚刚起步，相关技术还有待进一步研究。

2.1.2柔性直流输电

柔性直流输电因为具有黑启动、有功和无功独立解耦控制、不存在同步稳定问题、传输距离基本不受限制、能够实现大范围的潮流调节和控制、对可再生能源发电具有显著支撑作用等特点被广泛应用于风电、光伏等分布式能源并网、交流电网异步互联等领域。

截止2016年底，世界上已经投运的柔性直流输电工程超过20个，在建柔性直流输电工程近20个，规划中的工程超过10个，如下表所示。

我国南方电网公司于2013年12月建成了世界上首个多端柔性直流输电示范工程——南澳±160kV多端柔性直流输电示范工程，于2016年8月建成世界上最大容量1000MW的云南异步联网工程的柔直单元。在设备方面，我国在直流限流器、DC/AC变换器、直流电缆等方面都处于世界领先水平。

表1 世界范围内主要柔性直流输电工程

2.1.3可再生能源并网

可再生能源并网技术包括可再生能源分布式并网技术、可再生能源集中式并网技术等方面内容。国外在这一方面研究较为成熟，有着多套示范或商业化应用的储能装置投入运行。国内对此也有所研究，但在大规模储能用于可再生能源接入电网的工程应用方面仍然处于空白阶段。

2.2电力设备与智能运维

优质的电力设备可以使电网的操作更加便捷、运行更加安全广泛，同时智能化的运维能够实时监测设备情况，实现电网安全在线预警与智能化监控。

2.2.1电力设备

输变电装备主要包括变压器、电抗器、开关、互感器、电容器、避雷器、套管、绝缘子等。我国在输变电设备上取得了突破性进展。变压器方面研制出了超特高压大容量变压器系列产品、320Mvar单柱带两旁轭特高压并联电抗器样机、1000kV/200MVA特高压分级式可控高抗（单相）样机、10.5 kV/1.25 MVA高温超导变压器等。开关方面成功研制额定电压1100kV，额定电流6300A，额定短路开断电流63kA的特高压交流SF6气体绝缘金属封闭开关设备；±800kV直流系统、转换电流5300A的特高压直流转换开关；可以实现3ms内开断15kA的故障电流的±200kV高压直流断路器；大容量SF6发电机断路器成套装置等。套管方面研制了国际上首支1000kV特高压交流胶浸纸油-SF6套管样机，额定电流3600A的±800kV胶浸纸换流变阀侧套管，±600kV/630A胶浸纸直流穿墙套管以及±400kV纯SF6气体绝缘直流穿墙套管等。电容器方面研制出了交流特高压串联补偿装置。避雷器、绝缘子方面也取得巨大进展，同时设备智能化，研究了智能变压器、智能隔离断路器、智能开关等。

2.2.2智能运维

（1）智能巡检技术

智能巡检技术主要包括直升机巡线检测及作业、无人机巡检、机器人巡检、应急处理及带电作业等技术，在输变配电中采用巡检技术，可以大大提升隐患发现和快速诊断的预控能力，提高效率，为输变电安全稳定可靠运行提供有力的技术保障。

目前国内已实现了无人机50km的远距离巡检任务；大型无人直升机日常快速巡视、灾情普查、三维激光扫描；电力电缆隧道巡检机器人进行红外光、有害气体等监测功能与火灾预警及灭火功能。

（2）新型传感技术

在传感网络中，需要监测的基本参数除了电、磁等电气量外，还有温度、湿度、压强、位移、速度、噪声水平等。我国在局部放电传感技术、分布式光纤传感技术、纳米材料传感技术与宽频电流传感技术有了巨大进步。

2.3智能电网

智能电网是新时期电网发展的重要方向，充分利用各类新技术，在减少能源消耗的同时更加满足电网运行的要求。电网技术在智能电网方面的发展主要集中在智能配用电技术、综合智慧能源技术、储能技术、电力市场、支持技术四个方向。

2.3.1智能配用电技术

（1）配电网技术

我国在配电网技术有着突破性进展。配电网装备技术方面，主要研究有载调容配变、一体化配电设备、智能终端硬件平台、直流金属封闭开关、复合动态电压调节、多端柔直统一控制保护系统、环保气/固体绝缘材料、植物绝缘油及非晶合金材料。配电自动化方面，主要研究配电网运行监测和馈线自动化、配电领域信息交换和综合应用、模拟测试等技术。配电网运维检修方面，主要研究生产抢修指挥平台、超声波/地电波局放、红外测温、电缆/变压器/发电机旁路作业法、各类防雷方法的选择和综合、电力扰动数据检测等。配电网智能化方面，主要研究智能配电网信息交互、事故前的风险预防与运行优化以及事故后的故障处理、分布式电源接口与配电网电能质量等技术。目前都已取得创新成果，大部分已投入实用。

（2）分布式电源与微电网技术

我国在分布式电源与微电网技术方面有着突破性进展。分布式发电方面，主要研究分布式发电特性及稳态建模、分布式电源逆变协调控制策略、分布式储能系统的集成与运行控制，在储能集成方面属于领先水平。分布式电源并网方面，主要研究并网规划设计及评估、并网控制与保护、分布式电源并网管理、并网检测技术和标准化技术，在并网运行控制技术方面属于领先水平。微电网技术方面，主要研究微电网的运营模式、并/孤网运行及转换协调控制、基于可再生能源互补的能量优化管理、动态全过程仿真等，建设了微电网综合仿真平台和多个示范工程。

（3）用电效能与电动汽车技术

我国在用电效能与电动汽车技术方面，主要研究分布式电源并网和微电网技术标准体系建立与管理、信息采集、无功优化、电动汽车充换电站布局规划、传导式充放电技术、营销业务建设与监管等。

2.3.2综合智慧能源技术

综合智慧能源能够为区域内用户提供电、热、冷、气、水等能源一体化。国内围绕能源互联网的理论研究和实践工作已经进入起步阶段，国家和相关企业分别从政策引导、项目试点等多个方面展开了综合智慧能源系统的实践工作。如以新能源为主导的互联网+风电光伏的模式，工业区与智慧能源结合的老港工业区项目，互联网+的新能源电动汽车运营平台等。

2.3.3储能技术

目前我国电化学储能应用主要集中在可再生能源并网、分布式发电及微网两个领域。截止到2016年8月16日，中国累计储能总装机32.10GW（94个在运行项目），其中抽水蓄能32GW（34个在运项目）、电化学储能0.05GW（58个在运项目）、储热0.05GW（2个）。目前抽水蓄能在规模上占绝对优势,但电化学储能的应用规模逐年快速增长。

2.3.4电力市场

我国电力市场建设实践经历了行业结构重组、建立电力监管体系、推进电价机制改革、探索电力市场建设和深化电力体制改革几个阶段，但目前电力建设缺乏统一规划和协调，发展质量和效益不高，新能源发电相关政策文件虽众多，但实施效果有限，市场机制尚未完全形成，资源配置效率不高，常规电源电力跨省消纳存在壁垒，制约了能源资源优化配置。

2.3.5智能电网支持技术

智能电网的发展需要人工智能、大数据挖掘、物联网等技术的支持。目前我国电网的智能水平还处在浅层阶段。现有的成果还主要集中在智能输配电装备、数据系统构建等硬件层面，而大数据的挖掘分析应用等软件层面的研究应用工作才刚刚起步。

3电网技术未来发展方向

目前我国电网技术的发展在某些领域已处于世界前列，但在智能化方面稍有欠缺，还需要进一步研究来适应飞快增长的电网需求。

3.1大电网规划与运行

随着智能电网的发展，在大容量电力电子技术方面，未来将有更多FACTS设备投入高压/特高压交直流电网中运行，因此相关设备的可行性、研制、应用还需进一步研究。未来，FACTS装置将向模块化、高可靠性、体积小、可分布式安装、多套装置协调运行方向发展。

在直流输电方面，高压直流输电技术与国外有所差距，未来将加强对直流场设备的研究，强化其工程应用方面的研究，同时要加强高压直流转换开关和断路器方面的研究；柔性直流输电技术在高压大容量柔性直流技术和工程方面的经验还不够丰富，相关的工作可靠性、长期运行性能演化等问题尚需深入研究，拓展柔性直流的应用领域，进一步提升系统电压和容量水平，适应未来需求。

随着可再生能源的大量使用，如何确保可再生能源并网后电网安全稳定运行成为了电网技术的重要发展方向。未来研究输配电系统的分析与建模，丰富数据库，提高能量转换效率，降低储能技术成本，提高电网安全稳定性的间歇式电源控制、保护。

3.2电力设备与智能运维

未来电力设备与运维检修都是向智能化发展，对一次电力设备、二次控制设备以及电子传感设备进行一体化设计、一体化试验、一体化交付运行。在变压器、隔离开关、断路器等技术提出创新。

智能运维方面，我国已实现无人机巡检与机器人巡检，未来可进一步研究智能穿戴设备，结合物联网、地理信息等技术，开发信息融合、故障诊断和风险评估功能，实现与输变电装备的信息交互，提高电力系统设备信息化管理效能。

3.3智能电网

未来电网是向着智能化、清洁化、多元化的方向发展的，智能电网将是电网发展中的重要趋势。

（1）智慧能源

智能电网与智慧建筑相结合，更加注重用户端的诉求，注重精准服务，利用互联网+分布式能源思维模式去创新商业模式。

（2）储能技术

随着波动性的可再生能源的并网，储能技术能够有效提高电力系统的稳定性以及作为辅助调频调峰的备用，未来储能技术要与能源互联网、信息物理融合等未来核心技术联系紧密，同时开发大容量、低成本、长寿命、高安全、适应多种能源应用方式的储能装置，提升与能源互联网结合力度。

（3）电力市场

随着电力体制改革的深化，对电力市场的体制运营提出了新的要求。推进电价改革，健全科学监管机制，完善市场化交易机制，建立健全新能源市场消纳机制、现货机制、负荷资源参与市场交易机制。

4结论

随着电网向着多元化、清洁化、互联化、智能化发展，电网技术也要进行相应的发展创新。分布式发电、可再生能源与大电网联合运行是电力工业发展的必然方向，大电网的规划运行、智能运维、智能电网能够为电力系统的安全稳定运行提供强有力的支持保障。我国在电网技术上已取得了一定的成果，但还需进一步研究，不断创新，才能处于世界领先地位。

参考文献

[1]董飞飞,俞登科.我国电网技术的回顾与展望[J].智慧电力,2018(4):6-10.

[2]季阳,艾芊,解大.分布式发电技术与智能电网技术的协同发展趋势[J].电网技术,2010,34(12):15-23.

[3]肖世杰.构建中国智能电网技术思考[J].电力系统自动化,2009,33(09):1-4.

[4]周孝信,鲁宗相,刘应梅,陈树勇.中国未来电网的发展模式和关键技术[J].中国电机工程学报,2014,34(29):4999-5008.

[5]宋璇坤,韩柳,鞠黄培,陈炜,彭竹弈,黄飞.中国智能电网技术发展实践综述[J].电力建设,2016,37(07):1-11.

[6]李喜来,李永双,贾江波,陈海焱.中国电网技术成就、挑战与发展[J].南方能源建设,2016,3(02):1-8.