智能电网建设中电力工程技术的应用分析

邱宇晟

国网江苏省电力有限公司泗洪县供电分公司 江苏 宿迁 223900

引言

智能电网的建设始终离不开发电、输电、用电、系统检修、故障排查等关键环节，而这些管理工作都离不开传统电力工程技术的支持。因此，在建设智能电网的过程中要积极利用电力工程技术来提升系统性能。例如，现阶段广泛使用的高压直流输电技术、柔性输电技术以及能源转换技术等都可用于智能电网的建设。

1 智能电网建设方向及特点

1.1 建设方向

智能电网是在传统的技术路线上广泛应用人工智能、先进传感器以及清洁能源等技术所形成的产物，现阶段国内的电力能源供应正在逐渐减少火力发电的占比，同时不断提升水力发电、风力发电等清洁能源比例。而光伏发电、风力发电等具有不稳定的特点，电网系统在运行过程中必须借助更加先进的控制方式来全面提升其整体的稳定性和节能性，智能电网更加符合新时代的技术需求，根据现阶段的发展趋势开看，智能电网在未来的主要建设方向可参考表1。

表1 智能电网主要建设方向

续表

1.2 智能电网的技术特点

1.2.1 较强的兼容性。传统电网技术的形成基础是火力发电，并且火电主要利用锅炉燃烧煤粉、产生热能、形成高压水蒸气、驱动蒸汽轮机，火电的特点是功率非常稳定，电网应对电能和峰值波动性的能力较差。但是这种情况正在发生改变，根据2020年的统计数据来看，国内的水电、风电、太阳能发电以及核电等清洁能源的占比已经达到31.13%，未来还具有进一步上升的趋势[1]。而这些新能源往往具有发电不稳定的特点，与传统的电力电网技术在兼容性方面存在一定的难度。智能电网利用更加先进的控制技术来提升电网系统的实时监控能力、调峰能力以及稳定性，因为其对新能源的兼容性更加突出，要更符合未来的技术需求。

1.2.2 可自愈。电网系统的稳定性对工业企业运行、社会商业活动以及人民群众的生活具有非常重要的作用，但是电力系统在运行的过程中经常因为线路故障、设备故障而产生电力中断，传统的电力技术在定位故障信息、解决电网运行异常方面都存在效率低下、能力薄弱的问题。而智能电网中应用了较多的先进传感器和人工智能等新技术，使其具备了较高的故障自动定位以及故障自愈能力。

1.2.3 节能环保。智能电网技术正在广泛应用特高压输电、清洁能源以及智能化电力控制等技术来全面提升整个电网系统的能源利用效率，降低设备本身的能耗以及线损，这种技术在未来的发展中将会产生更加深远的意义。

2 电力工程技术应用分析

2.1 应用于智能电源的电力工程技术

智能电网是各种终端用电设备的主要能源供应形式，而用电终端实际上具有直流和交流两大类型，而用电设备的负载情况也对系统运行的稳定性具有显著的影响力。具备智能化管理能力的电网系统可根据设备的实际情况实时匹配合理的电源供应形式。这种智能化的电源供应形式在满足各类设备运行需求的同时也提高了能源利用利率，优化了电力能源的供应和分配。这方面当前最具发展潜力的技术路线是分布式发电。

2.2 应用于智能输电过程的电力工程技术

理想化的电力系统应该将所有的电力能源应用于各种终端电气设备，然而实际情况是电力系统中的电容器、电磁元件以及电力输送线路都会消耗一定的电力能源。例如，电容器建立电厂时就会占用一定的电力能源。而电力线路本身也具有一定的电阻值，电流从中通过时也会产生热量，进而将电能转变为热能，这就是所谓的线损，实际上线损造成的能源损失还是比较大的。在智能电网的建设中可利用无功补偿的电力工程技术来全面提高有功功率的比例常数，也就是将更多的电力能源用于终端用户，而不是消耗在无功功率中。这一点也是电力工程技术在智能电网电力输送中应用价值的体现[2]。

2.3 应用于智能发电过程的电力工程技术

发电厂中具有众多的发电设备、系统运行监控设备、电力输送监控设备，并且在日常管理中还要根据电力系统的运行特点和特定的工作场景制定出管理决策。智能发电站的概念应运而生，其主要的功能特点可参考表2。事实上智能发电厂中的很多技术都是将传统的电力工程技术和现代化的信息技术相结合所形成的产物。例如，智能诊断技术就涉及发电机机组运行状态的检测，传统技术模式下由工程技术人员凭借经验和现场情况来确定机组运行状态，而智能技术下则是依靠先进的传感器以及软件模拟等来完成这一功能，但是电力设备的运行原理依然起到了非常根本性的作用，因而电力工程技术在智慧发电中也具有重要的应用价值。

表2 智能发电站的功能特点

3 智慧电网中应用电力工程技术的主要途径

3.1 改善电能质量

智慧电网建设对发电、输电以及用电三个核心环节都具有节能环保、提升效率方面的要求。但是国内的发电企业和输电线路存在建造年代不一、技术路线差异大、能效利用水平参差不齐的情况。原则上来讲规模大、技术先进、集成度高的大型发电厂往往具有更高的能效水平。但国内现存的小型劣质发电资源还不少，并且承担着一定的发电、送电功能，暂时还不能完全被弃用或者替代。这种客观情况制约了智慧电网的建设效果。因而在智慧电网的建设中还应该借助电力工程技术对这些小型、劣质、高能耗、低效率的电能资源进行优化、整合或者改造升级。所改善电力能源的质量是电力工程技术的重要应用途径，并且这些技术对智能电网的建设也具有显著的作用[3]。

3.2 高压直流输电

我国在电力输送中主要采用交流电的技术路线，不过交流电在某些特定的输送场景下并不具备良好的适应能力。智能电网中有大量的用电终端设备采用了高压直流输电的技术路线，其实现原理为利用换流站将高压三相交流电直接转化成直流电，并且再由直流输电线路将这种经过转化的电力能源输送到另外一个换流站，使其变成三相交流电。当然，如果用电终端设备本身就使用直流电，也可不做交流转换。高压直流输电技术的优点可参考表3。在智能电网的建设中要根据终端用电设备的特点积极广泛地采用高压直流输电技术。

表3 高压直流输电技术的优势（相对于交流电）

3.3 能源转换

当前使用的电力能源实际上都是将自然界产生的一次能源（化石燃料、太阳能、地热能等）转化成人类所需的二次能源（电能、热能、化学能等），能源转化也具有环保性和非环保性之分。如何将不同类型的一次能源转化成人类社会所需的二次能源，这是技术层面必须解决好的问题。当前已经发展出多种技术路径。例如，在发电过程中可利用热泵技术将蕴藏在地下的地热能转化成电力能源，而热电联产技术在发电的同时还会产生大量可用于城市集中供暖的热力能源，进而提高了发电过程中的能源利用率[4]。

在实施能源转换的过程中要按照国家“碳达峰”、“碳中和”的发展战略，逐步降低煤炭等化石燃料在发电工程中的应用，转而大幅提高太阳能、风能等潜力巨大的清洁可再生能源的利用率。清洁能源发电不同于火力发电，受到环境因素的制约，其稳定性较差，这种情况与电力供应的实际需求存在较大的差距。因此，在智能电网的建设中要加强电力调峰技术和能量储存技术的应用。在清洁能源发电量相对充裕的时段，借助能量储存技术将不能使用的能量收集起来，当电力负荷处于低谷时，可将多余的电力能源转化成易于存储的化学能、热能或者重力势能。电力调峰的主要策略是削峰填谷。所谓削峰是将电力负荷分散在不同的时段，避免其在特定时间段内的集中，这样就能有效控制其峰值。所谓填谷是在电力能源供应不足的情况下，将前期存储下来的能源释放到供电系统中，弥补电能的低谷。智能电网具备强大的数据监测能力，可通过电力大数据来科学的预测电力负荷的变化规律，进而制定出合理的调峰策略。

图1 智能电网电力调峰系统的示意图

3.4 柔性输电技术

电网的负荷、电压需求、电流需求会随着终端用户及设备的变化而处在动态变化的过程中，如果采用固定电压、固定电流来分配电力能源，显然会存在电力能源分配不均匀以及应用效率低下的问题。所谓柔性输电技术就是根据用电需求灵活地、自适应的调节电压以及电网的潮流，其优点在于电网的运行方式将会更好地满足特定的运行目标。无论在直流输电技术中，还是在交流输电技术中，柔性输电都具有良好的实践应用效果，在智能电网的建设中也脱离不了这种电力工程技术的运用。

4 结束语

建设智能电网是提升电能利用效率、降低线路损失、加强电力系统运维监控水平的技术方向。传统的电力技术在智能电网的建设中也发挥着不可替代的作用，在发电方面要积极使用能源转换技术，在输电方面则要运用高压直流输电技术、柔性输电技术等。将这些传统的电力工程技术和5G、人工智能等结合在一起，这就形成了更加先进的智慧电网。