ZHINENG DIANWANG JISHU 智能电网技术 刘振亚/主编 团中用电力出懒社 www copp.com.cn
序 当前，国际国内的经济形势、能源形势正在发生深刻变化， 新一轮的世界能源变革已经拉开序幕。欧美发达国家从发展清洁 能源、应对气候变化、保障能源安全、促进经济增长的需要出发， 相继提出发展智能电网，并将其作为国家战略的重要组成部分， 智能化成为目前世界电力发展的新趋势】 我国高度重视智能电网建设，温家宝总理在2010年政府工作 报告中强调：“大力开发低碳技术，推广高效节能技术，积极发展 新能源和可再生能源，加强智能电网建设。” 面对新形势、新挑战，国家电网公司根据我国能源结构以煤 为主、能源资源与生产力逆向分布、能源开发加速向西部北部转 移和以风电为代表的清洁能源迅猛发展的基本国情，结合世界电 网发展的新趋势，提出了加快建设以特高压电网为骨干网架，各 级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能 电网的战略目标。与欧美国家发展智能电网重在配电、用电环节 以及电网的技术改造上有所不同的是，国家电网公司提出的坚强 智能电网，突出强调了坚强网架与智能化的有机统一，这已经得 到国内外的广泛认同。 目前，我国坚强智能电网建设工作正在加快推进，在规划编 制、标准制定、理论研究、设备研制、关键技术攻关、试验能力
建设等方面取得了重要阶段性成果，一批具有世界领先水平的示 范工程正在加快建设。电网的功能和形态正在发生深刻变革，传 智能电网技术 统的输电网络正在向综合配置能源、产业、信息等各类资源，带 动智能家居、智能交通、智能社区、智能城市发展的智能化电网 转变。一场以智能电网为重要标志的新的能源革命正在悄然向我 们走来。 为全面介绍国内外智能电网发展历程，系统阐述智能电网概 念、研究领域及关键技术，总结我国在智能电网相关领域中的技 术成果与实践经验，为今后中国智能电网建设提供有益参考，国 家电网公司面对不同的读者对象，分别组织编写了《智能电网技 术》和《智能电网知识读本》。 本书的出版，凝聚了我国电力系统众多老领导、老专家和广 大工程技术人员的汗水和心血。希望更多关心智能电网的读者和 有志于投身智能电网技术领域的专家、学者和工程技术人员，能 从本书中吸取有益的知识，共同打造我国智能电网的美好未来！ 刘振亚 2010年3月 2
前 进入21世纪以来，发展低碳经济、建设生态文明、实现可持续发展，成为 人类社会的普遍共识。世界能源发展格局因此发生重大而深刻的变化，新一轮能 源革命的序幕己经拉开。 发展清洁能源、保障能源安全、解决环保问题、应对气候变化，是本轮能源 革命的核心内容。作为能源供应的重要环节，电网对于清洁能源的发展至关重要， 其发展模式也因此面临巨大的挑战和重大的抉择。国内外电力行业和研究机构积 极开展了一系列创新性的探索和实践，智能电网的理念逐渐萌发形成，成为全球 电力工业应对未来挑战的共同选择。 我国的电力工作者顺应形势变化，把握历史机遇，在加快推进特高压电网建 设的同时，高度重视智能电网技术研究和工程实践，培育出一批具有国际先进水 平、引领电网发展的科技成果，为建设智能电网奠定了坚实的基础。国家电网公 司以求真务实的态度、开拓创新的思维，提出加快建设以特高压电网为骨干网架， 各级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网，得到世 界范围的普遍认同和赞赏，中国正在成为世界智能电网理论与实践的引领者。 智能电网建设是一项高度复杂的系统工程，国内外对于智能电网的发展重点 和实施路线存在不同的理解，根本原因是各国在经济社会发展水平、能源禀赋特 点和电网发展阶段等方面存在较大差异。我国正处于工业化、城镇化加速发展阶 段，经济社会持续高速发展，电力需求将长期保持快速增长，预计到2020年， 我国的用电需求和发电装机容量均将为现有水平的2倍以上。我国能源结构以煤 为主，煤炭资源主要分布在北部、西部地区，而能源消费需求主要集中在经济较 为发达的中东部地区。同时，国际能源问题日趋政治化，使加快发展清洁能源成为 我国的重要国家战略。近年来，我国风能、太阳能等清洁能源发展迅猛，预计到 2020年，我国清洁能源装机容量将达到5.7亿kW,占总装机容量的35%左右。国
民经济的快速发展、能源供应与消费的逆向分布特征以及清洁能源发电的高速增 长，对电网的安全可靠性、灵活适应性以及大规模资源优化配置能力等提出了革命 智能电网 性的挑战。只有加快建设坚强智能电网，才能满足经济高速发展、清洁能源大规模 利用的需要。 菜 建设智能电网，关系经济社会发展和国计民生，是开发利用清洁能源、建设 科学合理的能源利用体系的迫切要求，是满足经济社会可持续发展要求的重大选 择，是时代赋予中国电力工业的历史性重任。中华民族的智慧先贤曾经说过，“士 不可以不弘毅，任重而道远”，非弘不能胜其重，非毅无以致其远。建设智能电 网，更加需要我们坚定理想、忠诚使命、凝心聚智、开拓创新，实现我国电网从 传统电网向高效、经济、清洁、互动的现代电网的升级和跨越，为经济社会又好 又快发展提供强大支撑。 随着智能电网建设的逐步开展，迫切需要能够系统阐述智能电网概念、介绍 关键技术的专著。为此，国家电网公司组织相关专家和技术人员，编写了《智能 电网技术》。希望本书的出版，能够为智能电网建设提供技术指导和借鉴。 本书以智能电网技术为主线，系统阐述了智能电网基础技术、研发及应用领 域、实践与展望，力求清晰完整、严谨有序。在编写过程中吸收了国家电网公司 在智能电网技术研究和工程实践取得的一批重要成果，对于目前尚未完全成熟的 理论和技术，从电网智能化的需要出发，进行了适度的前瞻性描述。 智能电网技术的发展将是一个渐进而漫长的过程，本书仅是对现有研究和实 践成果的总结，随着智能电网建设的深入开展，必将会有大量的新技术不断涌现， 需要我们密切跟踪和深入研究。 由于编写时间仓促，书中难免有疏漏之处，敬请批评指正。 编者 2010年3月
录 前言 第一章智能电网概述、 第一节电网的发展及面临的挑战 …】 第二节智能电网的理念和驱动力 …6 第三节智能电网研究现状… …8 第四节坚强智能电网… …11 第二章 智能电网基础技术 n 第一节传感与量测技术 …17 第二节电力电子技术。 38 第三节超导技术… 55 第四节仿真分析及控制决策技术 68 第五节信息与通信技术… …82 第三章大规棋新能源线电及并网技术 第一节大规模新能源发电… …101 第二节大规模储能… …113 第三节大规模新能源发电集中并网 125 第四章 智能榆电网技木42 第一节先进输电技术… …142 第二节智能变电站… …168
第三节智能电网调度技术 190 第四节输电线路状态监测技术… …220 智能电 第五章智能配电网技术 225 第一节高级配电运行自动化 225 第二节高级配电管理自动化： 229 第三节 高级配电自动化支撑技术 234 第四节配电网定制电力技术 …243 第五节智能配电网规划 …249 第六节分布式发电与微电网技术 …256 第六章，智能用电技米 279 第一节概述… …279 第二节高级量测体系 283 第三节用电信息采集 287 第四节智能家居与智能楼宇/小区… 295 第五节电动汽车充放电技术… 304 第六节需求响应… 310 第七节双向互动服务门户… 319 第七章智能电网实践与展望 326 第一节特高压交直流示范工程 …326 第二节上海世博园智能电网综合示范工程 …333 第三节用电信息采集系统工程 346 第四节其他试点工程… 350 第五节智能电网应用展望 353 附录A智能电网技术标准体系 .360 附录B智能电网国际组织与研究机构 .368 附录C专业名词中英文对照表… 373 参考文献… 375
第一章智能电网概述 电网是电力网的简称，通常是指联系发电与用电，由输电、变电、配电设备 及相应的二次系统等组成的统一整体。现代电网是目前世界上结构最复杂、规模 最大的人造系统和能量输送网络。 进入21世纪以来，随着世界经济的发展，能源需求量持续增长，环境保护 问题日益严峻，调整和优化能源结构，应对全球气候变化，实现可持续发展成为 人类社会普遍关注的焦点，更成为电力工业实现转型发展的核心驱动力。在此背 景下，智能电网成为全球电力工业应对未来挑战的共同选择。 第一节电网的发展及面临的挑战 发展，是人类文明进步的永恒主题和不竭动力。电网的建设历程，始终是求 进步、谋发展的探索过程，始终是依靠科技进步和技术创新迎接挑战、实现超越 的实践过程。100多年来，电力工业从无到有，经历了不同时代的变迁、不同技 术发展路线的选择和不同经营管理模式的实践，取得了令人瞩目的巨大成就，成 为国民经济的基础产业和重要的公用事业，在经济社会发展中具有举足轻重的地 位。 一、电网的发展历程 作为清洁、高效的二次能源，电力的应用遍及人类生产和生活的各个领域， 电气化成为社会现代化水平和文明进步的重要标志。 (一)电网发展概述 1831年，法拉第提出了著名的电磁感应定律。次年，法国物理学家皮克斯研 制成功世界上第一台发电机，并在巴黎公开展示。1866年西门子发明了自励式直 流发电机，1876年贝尔发明了电话，1879年爱迪生发明了电灯。这三大发明与 瓦特发明蒸汽机具有同样的划时代意义，从此开创了电气化的新纪元
1875年，世界上第一座火电厂在巴黎北火车站建成：1879年，美国旧金山 电厂建成并开始出售电力。从19世纪80年代开始，随着具有工业规模的发电 的建设，电能开始得到大规模利用。1882年，爱迪生建成世界上第一座具有工业 意义的发电厂一一纽约市珍珠街发电厂，装有6台共900p0的直流发电机，并 米 通过110V电缆，为6200盏白炽灯供电，最大送电距离为1.6km。到1913年， 全世界的年发电量已达500亿kWh。电力工业作为独立的工业部门，进入人类的 生产活动领域。 由于电以光速传输，电能难以大量存储，电力的生产与消费必须同时完成， 因此必须在发电厂和用户之间建设输电线路以实现电能的传输。1873年，法国的 弗泰内在维也纳国际博览会上，首次进行了远距离电能输送技术的试验。1874 年，俄国的皮罗茨基建立了输送功率为4.5kW的直流输电线路，并于1876年将 低压直流电沿铁路轨道输送了3.6km。1882年，法国物理学家德普勒完成了有史 以来第一次真正意义上的远距离直流输电试验，他通过长度57km的电报线（直 径为4.5mm的钢线)，以1500~2000V电压，将安装在米斯巴赫煤矿的直流发电 机发出的电能，输送到慕尼黑明兴国际博览会，为1台驱动装饰喷泉水泵的电动 机供电。19世纪80年代以后，交流输电开始走上历史舞台。1886年，威斯汀豪 斯在美国麻省进行了电压为3kV、距离为1,2km的交流输电示范演示：同年，在 意大利的塞奇建成电压为2kV、长度为17英里©的交流输电线路。1888年，俄国 的多布罗沃斯基提出三相交流制，效率较高的三相异步电机随之问世，交流输电 的优越性逐渐显现。1891年，由劳芬至明兴河畔的世界上第一条三相交流高压输 电线路一法兰克福线路在德国投入运行，总长175km,电压为15.2kV。进入 20世纪以后，交流输电的优越性更加明显，特别是直流发电机被三相交流发电机 取代后，采用直流电源和负荷串联方式的直流输电很快被交流输电所取代。直到 20世纪50年代，大功率汞弧阀问世，采用交直流换流方式的直流输电技术才再 次得到工程应用。至20世纪六七十年代，电力电子技术和微电子技术迅速发展， 并在直流输电工程中得到广泛应用，促使直流输电技术得到较快发展。 人类最早建设发电厂的目的在于照明，电厂安装直流发电机，直接为串联弧 光灯供电，供电半径仅为1~2km。从19世纪末到20世纪初的10年里，电动机 01hp=735.5W。 1英里=1609.3m
第一章 械成为工业生产中机械设备的主要拖动装置，面对不断增长的需求，电力开始集 中供应，通过高压输电网，将不同发电厂连成整体，形成地区电网。随着用电量 的不断增长和对供电可靠性要求的日益提高，人们一方面研制更大容量的发电设 备，建设大型发电厂：另一方面不断提高输电电压等级，扩大电网规模，将初期 发展时分散的孤立小电网联成统一或联合的大电网，以增加电力供应能力，提高 供电可靠性。从20世纪30年代开始，随着水电资源的大力开发和高压输电技术 的不断进步，各工业发达国家积极开展110~400kV线路建设，超高压输电线路 开始出现。 20世纪50年代后，电力工业快速发展，电压等级不断提高，电网规模日益 扩大，特别是20世纪70年代以后，百万千瓦乃至千万千瓦等级装机容量的大型 水电站、火电厂和核电站的建成，促进了超特高压输电和互联电力系统的发展， 电力工业进入以大机组、大电厂、超/特高压输电、大规模互联电网为特点的新时 期。1952年，世界上第一条380kV交流输电线路在瑞典投运：1964年，第一条 500kV交流输电线路在苏联投运；1965~1969年，加拿大、苏联和美国先后建成 735、750kV和765kV线路。随后，一些国家还开展了特高压交流输电技术的研 究。1985年，苏联1150kV特高压输电线路投入试验运行：2009年，世界上第 条商业化运行的1000kV特高压交流输电线路在中国投运。 与此同时，直流输电工程建设也得到迅速发展。从1954年瑞典果特兰岛高 压直流输电工程投入工业化运行以来，至2008年底，全世界投入运行的高压直 流工程总数已超过76个，总容量超过70000MW,其中±450~±600kV直流输电 工程有20多个。 纵观电力工业100多年的发展历程，不难发现电网发展的客观规律。一是与 电源的开发密切相关，电源的建设极大地促进和推动了电网的发展。这是由电网 的基本功能定位所决定的，即电网首先是电力传输的物理载体，电力需求决定了 电网的发展方式。二是规模经济特征突出，孤立电网逐步发展成为规模较大的互 联电网，其核心的驱动力是效率的提高和服务的提升。 (二)中国电网的发展 中国电力工业的发展几乎与欧美同步。1882年，由英国人成立的上海电气 公司在上海建设了中国第一座发电厂，并于当年7月26日开始供电。 自1882年上海外滩点燃15盏弧光灯，到装机容量和年发电量居世界第二位， 中国的电力工业已经走过120多年的发展历程