电力系统技术发展的新趋势

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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第5页 共6页电力系统技术发展的新趋势张扬（浙江省电力公司，浙江杭州310007） 摘 要：分析了电力系统发展将面临的问题，介绍了近年来国内外为解决这些问题而进行研究和开发的技术。包括紧凑型输电线路、动态热限额、灵活输电技术、高温超导输电、电力企业信息一体化等方面的技术发展趋势。 关键词：电力市场；超导输电；灵活交流输电；状态检修；信息系统集成 在有限资源和环保严格的制约下发展经济、提高现有资源的利用率已成为全球最重要的话题，在电力系统中，如何使电力工业向高效、环保、可持续发展已成为世界各国电力工业发展的目标。除了进行电力体制改

2、革，打破垄断，在电力系统各个环节引入竞争，从而迫使电力企业提高资源利用率，降低成本，提高服务质量来达到这个目标外，还将通过以下几方面技术来实现这个目标：（1）采用新技术、新材料，提高输电网的输电能力。（2）开展状态检修，降低维护的成本，提高企业经济效益。（3）通过技术和服务创新，提高供电可靠性和电能质量，为电力用户提供增值服务，提高社会效益，从而增加售电量。（4）分散电源的出现，不但可以提高能源利用率、供电可靠性，而且减轻了输配电网络的压力，从而降低供电的成本。1采用新技术、新材料，提高输电网的输电能力 社会用电需求的不断增长需要输配电网络能输送更多的电力以满足用电的需求，按传统的技术和材料，

3、只有依靠增加输配电线路来增加电网的输电能力。但是，由于线路走廊资源的日益紧张、环保压力的不断加大，新建输电线路显得越来越困难。为了解决对输电容量的需求持续增长与建设新线路的困难的矛盾，近年来，人们开始将更多的注意力从电网的扩张转移到挖掘现有网络的潜力上，研究采用新技术、新材料来均衡电网的潮流和提高输电线路的输送容量，从而提高输电网的输送能力。采用的新技术主要有：紧凑型输电线路、动态热限额、灵活输电技术、高温超导输电等。11紧凑型输电线路1紧凑型输电技术是通过减少输电线相间距离和排列，达到减少线路电抗、增加容抗、提高线路自然功率，从而提高输电线输电能力的输电技术。紧凑型输电线路在线路走廊宽度和自

4、然传输功率方面所具有的优势是一方面可减小走廊宽度，另一方面可提高自然传输功率。因此紧凑型输电线路单位走廊宽度的自然传输功率可以达到高一级电压等级常规型输电线路的自然传输功率水平。目前国内已经在运行和正在研究的几条紧凑型输电线路与相同电压等级的常规型输电线路的自然传输功率及走廊宽度列于表1。我国华北电网于1994年和1999年分别有一条220 kV紧凑型线路和500 kV紧凑型试验输电线投入运行。其中华北昌房500 kV紧凑型线路，长85km，线路总投资约17000万元人民币，较常规线路增加约10左右。100 km的500 kV紧凑型线路造价比常规线路多1600万元人民币左右。但如果考虑走廊资源

5、和每回线路的输电能力，紧凑型线路将比常规线路经济。12动态热限额利用现代测量技术（例如全球定位系统）和SCADA数据，通过实时预测输电设备的温度、气候参数、线路弧垂、负荷变化等，配之于精确的热力模型，使电力设备的热稳定限额随环境、设备温度的变化而变化，可以最大程度利用输电设备输送容量，提高输送能力515。13灵活输电技术灵活的交流输电系统（FACTS）是20世纪80年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。专家们预计在未来这项技术将在电力输送和分配方面将引起重大变革，对于充分利用现有电网资源和实现电能的高效利用，将会发挥重要作用。灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电

6、力系统电压、参数（如线路阻抗）、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，均衡电网潮流，充分发挥输电网络的利用率。近年来，FACTS所包含的器件不断增加，目前已知的主要有：静止无功发生器（STATCOM）、可逆变的静止补偿器（CSC）、可控串联电容补偿器（TCSC）、统一潮流控制器（UPFC）、可控移相器（TCPR）、次同步振荡阻尼器（NGHSSRD）、故障电流限制器（FCL）等。以上装置有的已投入实际应用，有的正处于工业示范阶段，还有些尚处于设计测试阶段。美国EPRI与田纳西电力局（TVA）和西屋电气公司合作，耗资1000万美元，于1996在TVA

7、电力系统的Sullivan500 kV变电所投入了世界上最大容量的一套10 Mvar的STATCOM，减少了由于负荷波动造成的电压波动及变压器有载分接开关的动作次数，消除了TVA与AEP电网之间的振荡现象，推迟了该变电站第二组变压器的安装，缓建了第五回161 kV供电线路2。在国内，河南省电力局与清华大学共同研制的20 Mvar STATCOM已成功投入运行，目前正在完善过程中。在众多的FACTS器件中，UPFC的功能最为完善，技术也较复杂。世界上第一台UPFC已经在美国AEP电网投入运行，它由西屋电气公司、美国电科院及美国电力公司合作研制开发，安装在AEP电网的肯塔基州的东部Big Sand

8、y到Inez的一条138kV线路的Inez变电站内。通过此UPFC，不但彻底解决了电网问题，而且使新建线路的输送能力得到了充分利用，与没有UPFC相比，输送能力提高了100MW，线路功率损耗减少了24 MW，并且推迟了新架设一条345 kV线路的计划2。我国正在考虑在西电东送的输电线路中采用TCSC技术，提高输送能力。14高温超导输电 由于高温超导体的临界温度都高于液氮温度（77 K），因此，可以用液氮作为高温超导体的冷却介质。液氮生产的成本要比液氦低一个数量级，液氮的蒸发潜热为液氦的60倍，热导率为液氦的72倍，这使高温超导体具有更高的热稳定性。同时常温、常压下氮气的电绝缘强度为氦气或变压器

9、油的12倍，非沸腾液氮在交直流下绝缘强度为氦气或变压器油的17倍，因此，它不仅是高温超导体很好的冷却剂，同时又具有很高的电气绝缘性能。随着极细丝交流超导线的出现和高温超导技术的发展，高温超导技术在电力方面的应用受到了许多国家极大的关注，相继开展了超导蓄能、超导变压器、超导电缆、超导故障限流器等的研究，并取得了实质性的进展。最近，美国超导公司与威斯康辛公共电力公司合作将世界上第一批分布式的超导电磁蓄能装置简称DSMES投入商业运行。每一个装置蓄能容量为3 MJ，以小于05 ms的响应时间提供有功和无功功率补偿，连续无功补偿调节容量可达28Mvar，瞬时的有功和无功补偿输出分别为3 MW、16 M

10、var，用以防止电压崩溃，提高电网电压稳定性。超导电缆具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，是解决大容量、低损耗输电、节约输电走廊的一个重要途径，因此受到普遍的重视。特别是高温超导体的出现，使高温超导电缆的冷却和热绝缘比常规低温超导电缆有更大的竞争潜力，由Pirelli、DOE和SPI共同研制110 kg的120 m、三相、24kV、24 kA高温超导电缆将被安装在直径为10 cm的电缆管道中，用以替换铜导体总重为8200 kg的9根常规电缆。2开展状态检修，降低维护的成本 电力系统的可靠性在很大程度上取决于电力设备的可靠性。随着电网容量的增大和用户对供电可靠性要求的提高，维修管理的重要性日益

11、显现出来。维修费用占电力成本的比例也不断提高。如何采取合理的维修策略和正确决定维修计划，以保证在不降低可靠性的前提下节省维修费用，便成为电力部门或负责设备维修的公司面临的重要课题。 状态检修方式以设备当前的实际工作状况及其在系统的重要性为依据，合理选择系统内各个设备的检修策略，而非传统的以设备使用时间为依据，通过先进的状态监测、可靠性评价及寿命预测，判断有关设备的状态，识别故障的早期征兆，对故障部位及其严重程度、故障发展趋势作出判断，并根据分析诊断结果在其性能下降到一定程度或故障将要发生之前进行维修。由于科学地提高了设备的可用率和明确了检修目标，在不降低可靠性的基础上，总体上降低了检修费用，提

12、高了企业的效益。状态检修的核心是设备的状态分析和故障诊断，而状态分析和故障诊断需要大量的设备运行、维修和监测数据，现代信息技术、在线监测技术为实现这个目标奠定了基础。例如，以美国电科院为主开发的维修管理工作站MMW（Maintenance Management Workstation）将设备运行和维修的历史数据（包括来自于SCADA的数据）、监视数据、技术参数、性能评估、财务数据等集成在一起，经过分析得出设备的状态，用以指导设备的检修。美国Commonwealth Edison电力公司应用MMW将4个地区的数据集成用以对设备故障进行快速分析；Texas电力公司则在全公司范围内将运行与维修（OM

13、）数据集成，每周进行一次检修计划的安排。这两个公司都认为MMW能帮助他们根据设备性能的发展趋势预防故障的发生，通过自动分析使新的监视设备需求最小化来降低费用。另外MMW也在Consolidated Edison、Duke、TVA和PEPCO电力公司得到应用。3电力企业信息化一体技术目前多数电力企业的信息化环境都面临多种计算机硬件平台和操作系统，信息技术的应用是随信息技术的逐步发展而逐步应用的过程，因此信息系统的开发往往是逐步开发面向各个业务过程的子系统，形成了如图1所示各个子系统之间信息不共享、功能重复、数据冗余等现象，企业信息资源的综合利用得不到充分发挥。公共信息模型（Common Info

14、rmation Models，简称：CIM）技术、企业集成总线（Utility IntegratedBus，简称：UIB）技术、企业通信结构（Utility Communication Architecture，简称：UCA）技术、中间件技术等信息新技术为电力企业信息应用系统向标准化、模块化和可集成化提供了关键技术。 基于统一建模语言UML基础的CIM技术可以对各个应用系统进行交换的信息实现标准化的对象模型，使各个应用系统实现信息共享成为可能，并实现对象模型的可维护性和可扩展性。IEC在美国电科院CCAPI研究的基础上制定了基于CIM的EMS和DMS的应用程序接口标准，使用户可以将来自不同EM

15、S、DMS开发商的应用系统进行集成。 UIB技术可以使电力企业信息系统集成实现模块化、可集成化和可扩展化，避免采用子系统点对点接口技术来实现信息系统集成所带来的接口繁多的缺点。通过中间件技术可以解决老系统与UIB之间的接口问题，通过中间件技术，可以比较容易地将老系统接入到UIB，实现与其他系统的信息共享，避免了重新开发应用系统，保护了原有投资。图2为基于CIM、UIB和中间件技术的电力企业信息集成原理结构。UCA为电力企业提高通信网络的利用率提供了有效的解决方案，通过该方案，电力企业可以将企业内部的技术信息、管理信息、电力生产的实时信息的采集、用户信息等通过UCA联系起来。 美国佛罗里达电力公

16、司已经应用上述技术将DMS和AMS（资产管理系统）集成在一起，并计划进一步将故障管理系统（故障呼叫系统）也集成在一起。为了做好这项工作，该公司主要开展了建立基于信息的接口架构，制定应用系统规范，建立信息交换模型以及制定应用系统迁移计划。在建立信息交换模型时，在应用IEC有关电力系统信息模型标准的基础上，结合该公司的特点，对IEC有关模型进行了扩展，满足了公司的需要。4提高供电可靠性和电能质量，为电力用户提供增值服务随着计算机技术、信息技术、过程控制技术、微电子和电力电子技术、集成电路技术的发展和普遍应用，电力用户对电能质量的要求越来越高，由于电能质量问题造成的经济损失也越来越大；例如：位于美国

17、俄勒冈州Corvallis的惠普集成电路制造厂内20 min的停电损失将高达3000万美元3。同时电力工业放松管制，特别是发电市场、输电市场、配电市场和电力零售市场的出现，提高电能质量和供电可靠性，为电力用户提供增值服务，必将成为供电企业增加售电量、占领市场的手段。现代社会对电能质量的要求已不仅仅限于供电电压偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、频率偏差和公用电网谐波，而是从以下几个方面考虑电能质量问题，涉及的范围更广：（1）暂态型电能质量问题：主要包括脉冲型的暂态电能质量问题和振荡型的暂态电能质量问题，它们可以是由于雷击造成，也可以是投切并联补偿电容器、配电系统的铁磁谐振、变压器涌流等造成，

18、频率范围可以从5 kHz以下到500 kHz以上。 （2）短持续时间电能质量问题：短持续时间的电能质量问题主要有电压骤降、电压骤升和失电这三类。（3）长持续时间电能质量问题：长持续时间电能质量问题主要包括：高电压、低电压和持续失电。 （4）三相电压不平衡、波形畸变、电压波动和闪变和频率变化。电力电子技术用在输电网中主要是为了解决电网潮流的可控性，提高电网的稳定性，在供电系统电力电子技术主要用来改善电能质量，提高供电可靠性，并由此形成各种用于改善电能质量的装置。 图3是用于解决电压骤降问题的动态电压恢复器的工作原理，它一般串联在供电网和负荷之间，当供电网正常供电时，DVR的逆变器侧升压变处在短路

19、状况，DVR运行在低损耗旁路状态，当供电网侧发生电压骤降或电压骤升，DVR可以在一个周波内作出响应，在串联回路中注入一个交流电压对电压进行补偿，使补偿后的电压与电压骤降或电压骤升前相同。改善和提高电能质量一般需要安装电力调节设备，从而增加投资。电力调节设备可以为单个用电设备安装也为一批用电设备安装，国外为了提高资源的利用率，提出了电力用户场所（CustomPower Park）的概念，在电力用户场所内的用电设备可以根据对电能质量的不同要求享受不同的电能质量水平，在等级分成CPAAA、CPAA、CPA 3类用户中，分别对电能质量有不同要求，三类用户都可以享受双路电源供电、有固态切换开关来保证电压

20、跌落持续时间小于48 ms及有源滤波器来保证用电设备免于其它用电设备产生的谐波的影响；在失去双路电源时，CPAA和CPAAA用户可以享受备用电源（可以是510 MW的柴油机或燃机）提供电源的保证，当失去电源后，备用电源可以在1020 s启动并达到同步转速并入母线CP，而CPA用户只能等到双回电源中的任一回修复时才能恢复供电；为了保证CPAAA用户在备用电源启动过程中也不停电并向这类用户提供无电压跌落、无畸变和平衡的电力，可以将有源滤波、动态电压恢复器和热备用蓄能器组合在一起来向这类用户供电。5分散电源用于供电系统分散电源是指功率为数千瓦至50 MW小型模块式的、与环境兼容的独立电源，一些容量较

21、小分散电源直接并入配电系统。这些电源由电力部门、电力用户或第3方所有，用以满足电力系统和用户特定的要求。以往做分散电源的燃气轮机容量一般为50500 kW，现在出现了容量只有几个kW的微型燃气轮机。1995年日本日产汽车销售一种只有26 kW的微型燃气轮机装置，其包装尺寸为084 m042 m044 m，重量只有65 kg。利用航空发动机技术制造的微型发动机，转速高达100000 rmin。发电机产生数千赫兹的交流电，经过整流后再换流成50 Hz或60Hz市电使用。整套装置精致小巧，热电联供。 由于分散型电源有以下广阔的应用前景，所以受到发达国家的普遍重视：（1）适应电网峰荷的需要。依托电网，

22、个别设备分散电源的作法，比建设大电厂与输电设施，在整体上更经济。（2）分散电源可以小型、零星的热电联供方式，供应店铺、医院及住宅大楼使用。（3）电源分散设置，“化整为零”，节省地域资源与输变电建设成本。这种做法更适合发展中国家与人烟稀少的地区。当今的分散电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机（IC）、微型燃气轮机（Microturbines）、各种工程用的燃料电池（Fuel Cell）、光伏发电（PhotovoltaicsGeneration），因其具有良好的环保性能，分散电源与“小机组”已不是同一概念。6结束语 线国由于人口众多、资源有限、工业化进程和城市化等因素，对能源需求的增长很快，同时电

23、网也比较薄弱，因此在相当长的时期内，电力供需矛盾难以根本缓解。为实现可持续发展，必须依靠科技进步，尽快实现电力新技术规模应用，利用新型输配电技术和信息技术，提高现有设备的利用率，挖掘现有电网的潜力。过去，对配电系统的发展未给予应有的重视。随着社会的发展，可靠、优质的供电不仅是现代化 大都市的重要标志，而且直接影响现代工业产品的质量.为此,研究采用配电新技术,提高供电的可靠性和电能质量已是十分紧迫的任务.参考文献1 刘亚芳，袁亦超，等500 kV紧凑型输电技术的研究J电网技术,1999,23(2).2 AEdris.FACTS Technology Development:An UpdateJ.IEEE Power Engineering Review,2000,(3):4-9.3 Karl EStahlkopfKeeping Up：TechnologicalChallengesin PowerDeliveryJIEEEPower Engineering Review，1999，（7）：474 Mario RabinowitzPowerSystemsoftheFutureJIEEEPowerEngineering Review，2000，（1）：592000，（3）：10152000，第 5 页 共 6 页