1.智能電網的發展

1. 1 《美國復蘇與再投資法案》

2009年2月17日美國總統奧巴馬簽署了2009年《美國復蘇與再投資法案》(American Recovery and Reinvestment Act—ARRA)。此法案規定撥款給美國能源部(Department of Energy-DOE)來支持研發智能電網(smart grid)的經費和示范工程，美國能源部即于2009年4月19日公布了《基金機遇通告》(FOA，(Funding Opportunity Announcementr))，將智能電網示范工程規定如下：①地區示范——核實智能電網技術生存能力和確認智能電網的商務模型。②電力公司電能儲存示范——測試費用和收益，檢驗各種電能儲存方法的技術性能，如新型電池、特殊電容器、飛輪、風與光電組合以及壓縮空氣能量系統等。③同步相量測量示范-建立廣域信息網絡(即相量測量裝置PMU/廣域測量系統WAMS)來調度和規劃電力系統。

美國能源部統計，通過對美國電網的智能化改造，預計未來20年內可節省投資近千億美元。智能電網技術革新將打開電信、電網、電視網等整合的通道，為全球電力、電信產業、通信產業、電視媒體等的改革提供獨特的機遇。

1.2 中國智能電網的研發

2009年5月21日舉行的“2009特高壓輸電技術國際會議”上，國家電網公司總經理劉振亞表示，積極發展智能電網已成為世界電力發展的新趨勢，到2020年，中國將全面建成統一的堅強智能電網。我國國家電網結合基本國情和特高壓實踐，確立了加快建設堅強智能電網的發展目標，即加快建設以特高壓電網為骨干網架，各級電網協調發展，具有信息化、數字化、自動化、互動化特征的統一的堅強智能電網。國網公司將按照統籌規劃、統一標準、試點先行、整體推進的原則，在加快建設由1000kV交流和±800kV、±1000kV直流構成的特高壓骨干網架，實現各級電網協調發展的同時，分階段推進堅強智能電網發展。

按照規劃，國家電網公司的智能電網建設將分3階段：在2010年之前完成規劃與試點工作;在2010～2015年大面積推開;到2020年，全面建成統一的堅強智能電網。

2.堅強智能電網與電子式互感器及電力一次設備在線監測

2.1自愈性智能電網(Self-Healing Smart Grid)

目前各大國都逐步建立了特大電網，為保證電網的安全運行，美國、歐盟、俄羅斯、日本、巴西等國先后都在進行智能電網的研究。

我國特高壓骨干網架將由1000kV級交流輸電網和±800kV、±1000kV直流直流系統構成。我國地域遼闊，各大區電網互聯，大量的西電東送，使國家大電網跨越了幾個時區。為保證電網的安全、穩定、可靠運行，對智能電網的研發，則是急迫和至關重要的任務。由于這種跨越幾個時區的特大電網存在大面積停電的危險，而這種危險大多涉及調度員處理是否得當的人為因素，如2003年 “8.14”美加大停電事故。為解決此問題，美國電力研究院(EPRI)最先提出以相量測量裝置PMU，Phasor Measurement Unit)/廣域測量系統(WAMS，Wide Area Measurement System)為基礎的突出自愈功能的智能電網概念。它要求對電網節點的電壓相角測量快速而準確。20世紀80年代同步相量測量的研究在美國已經開始，并成為廣域測量系統的一部分。1996年夏季美國兩次大停電事故中，WAMS進行了較全面準確的記錄。1997年法國電力公司(EDF，Electric de France)也建設了基于PMU的協調防御控制系統。但是系統動作響應時間卻很長，達到1.03s。2003年“8.14” 美加大停電事故更推進了WAMS的建設。只要在全網PMU合理化布點的基礎上(滿足可觀測性)，就可對現代化大電網進行靜態功角穩定裕度監視;在線擾動識別;分析電網的短路故障、機組振蕩與失步和系統電壓失穩等;利用實時聯絡線功率和相對相角等參量的頻譜特性(特征頻率以及對應的衰減因子)識別系統低頻振蕩;在系統發生擾動時，實時監視機組間相對功角的暫態過程;進行發電機組進相運行監測;電壓動態過程監測與動態穩定預報。以及實現暫態穩定監控等。

為此， 在PMU /WAMS的基礎上就能實現包括暫態穩定性、電壓穩定性和頻率穩定性在內的動態安全評估。當電網出現危機之前就能立即提出網絡重構、調整保護定值和穩定補救等安全對策。[1]

文獻[1]指出，電網自愈功能的目標是：“實時評價電力系統行為，應對電力系統可能發生的各種事件組合、防止大面積停電，并快速從緊急狀態恢復到正常狀態。其實現方法，可概括為快速仿真決策、協調/自適應控制和分布能源(DER, Distributed Energy Resource)集成等3個方面。”

2.2電子式互感器

(1)自愈性智能電網對電子式互感器的要求

自愈性智能電網要求高速和高準確度的PMU，這樣才能高準確度進行電網運行參數(如I、δI、 U、δU、cosφ、f、P、Q )的測量, 監控電網的運行。目前常規電磁式電流互感器鐵芯在電力系統故障狀態下的鐵芯飽和及磁滯回線，會引起電流測量極其不準確。從而使PMU/ WAMS的測量也不準確，嚴重威脅現代化電網的安全穩定運行，增加了繼保裝置的復雜性;抗電磁干擾能力減弱;絕緣技術、體積、質量和價格都隨電壓等級的升高而越來越大;運輸、安裝和維護困難;量測受頻率影響;變電站占地大，成本高等。為此，有必要研發能克服上述缺點并滿足智能電網要求的新型電子式電流互感器。

這種新型電子式電流互感器要求既快速又高度準確，并將為現代化大電網的安全可靠和經濟運行提供關鍵的基礎。它也是電力一次、二次設備的完美結合，解決了電網自動化發展的“瓶頸”。現代化大電網的安全穩定控制技術也急需滿足要求的電子式互感器的出現。因此電子式互感器不是一般的對電磁式互感器的升級換代，而是現代化大電網安全穩定運行的需求。

電網的安全運行要求電力設備安全可靠。而據統計，電網中的電力設備平均每年有1/3的事故都是因為互感器所致，如雷電季節，打雷或閃電都有可能導致互感器爆炸或燃燒。電子式互感器的使用將大大減少這方面的事故。

電子式互感器是電網一次的重要主設備，它們擔負著電網的精確“測量和計量”，以及故障“監測”的作用。要求量測的電網運行參數高度精確;裝置本身應具有相當的可靠性。它是為智能電網、數字化繼電保護、電網實時PMU、WAMS、電網快速狀態估計、電網暫態穩定監控、特高壓輸電線路的電暈測量、電網實時經濟調度、諧波在電網中的應用、電網輸電阻塞的緩解(美國)、解決輸電走廊問題的分相輸電技術、實現準確的故障測距和緊湊型一次智能設備等提供可靠保證。對現代電網運行和設備革命發揮重要的作用。因此，要求它必須具有高準確性、快速數據傳輸的高性能。

(2)電子式互感器的國際標準和國家標準

國際電工委員會和國內標準化組織近年來也相應頒布了有關協議和標準以作為指導。IEC61850協議是變電站自動化系統建設的依據。完全符合IEC61850協議的一次和二次數字化設備的研制和產品化是建設智能電網的堅實基礎。IEC 61850-5-13規定了變電站內智能電子設備(IED，Intelligent Electronic Device)的同步標準以及電力系統有關參數值的指標，是變電站自動化系統的設計，電子式互感器及IED的性能研制和生產以及電力部門招標必須依據的標準。IEC60044-7/8標準也是電子式互感器制造檢測和招標應遵循的標準。我國于2007年1月正式頒布等同于IEC60044-7/8的國家標準 GT20840-7/8，并于2007年8月1日起實施。[3]

⑴根據國際標準IEC61850-5-13的要求，電子式互感器需為各種智能IED提供高準確度的電流I和電壓U，其數據采樣率必須≥12000次/s，三相同步時間應為±1μs。[3]，[4]

⑵PMU與WAMS的連接應滿足IEEE 37.118的準確性標準(1級)并對數據傳輸使用IEEE 37.118標準。 要求PMU的數據采樣率≥12000次/s，測量頻率的絕對準確度為± 1 mHz，絕對相角準確度為± 0.02度，時間準確度為± 1 μs。數據傳輸率為50/60 Hz。要達到此要求，提供給PMU和WAMS原始數據的電子式互感器對I、U的測量準確度應小于0.2%, 三相同步時間為± 1 μs，相位移應滿足IEC60044-7/8的要求。[3]

⑶IEC61850-9-1對以太網物理層傳輸速率的要求

電子式互感器的綜合單元對保護、測量等IED的輸出傳輸速率應與IED的采樣率匹配。根據IEC61850-5-13的規定：保護裝置IED的采樣率為480、960和1920次/s;測量儀表的IED采樣率為1500、4000和12000次/s。

IEC61850-9-1規定：電子式電流/電壓互感器的綜合單元對保護、測量等IED的輸出傳輸速率應與IED的采樣率匹配。[3]，[5]

2.3 電力一次設備在線監測對堅強智能電網的作用

目前，大電網的安全防護已與涉及自然和社會因素的災害防護緊密相連，因此大電網的安全防護受到了美國白宮科技政策辦公室和美國國內安全部的重視。美國政府已于2007年通過了《能源獨立和安全法規(Energy Independence and Security Act)》, 有專門一章就是智能電網。[2]

參考文獻[2]在解釋智能電網的具體內容時指出：“在輸電的每個元件(如開關、變壓器等)、每個變電站和發電廠中皆設置一個具有堅強的操作系統獨立的處理器(processor)，也可用作獨立的代理器(agent)，在這些處理器或代理器之間能進行雙向快速通信，從而形成一個巨大的分布式平臺。每個代理器必須與相應元部件的傳感器連接，以評估其運行狀況，并用高速寬帶光纖通信系統將傳感器的數據傳送到其它處理器(代理器)，各處的代理器既是獨立動作的，又是彼此通信互連的，可以進行協調控制。”

智能電網的自愈控制是在事故影響電網之前就從本地或局部地區對事故進行處理后，從而達到自愈的效果。由此可見，電力一次設備的在線安全監測裝置就是智能電網實現自愈控制的智能代理器最基礎部分。電力一次設備的在線安全監測裝置最初是為了對一次設備進行常規診斷，后來實現狀態檢修，以代替傳統的計劃檢修。當然，目前的在線安全監測，還不是實時的在線監測。在此基礎上，若狀態監測的可信度大大提高，并加快對設備狀態的監測頻率，就可逐步成為自愈智能電網的智能代理器。這樣，當新型的傳感器、在線監測裝置和執行機構研制出來后就可形成智能代理器，從而加強電網的自適應和重組控制能力。

智能電網的智能代理器要求新型傳感器對電網運行參數的測量速度和高準確度與對電子式互感器的要求應是一致的，甚至對某些數據的測量準確度的要求更高，如對電暈損失的測量,其采樣率最好采用250k次/s，相當每周期(50Hz)采樣5000次。

在線監測裝置主要是監測電容型設備的介質損耗，電容及其變化量，泄漏電流及其變化量，不平衡電壓，避雷器的全電流和阻性電流，變壓器套管的介損和油中氫氣含量，變壓器的局部放電、油中色譜，少油開關的泄漏電流及其他設備(如發電機放電)等。對變電站關鍵電力設備的電氣絕緣綜合在線監測研究具有重要的意義，并要加強在線監測裝置的防干擾措施。

3.結論

①隨著特高壓、大容量、超大規模電網的逐步形成，為保證電網的安全、穩定、可靠運行，研發智能電網和進行示范工程是急迫及至關重要的任務。

②為保證智能電網實現自愈性，要求研制和生產高速及高準確度的電子式互感器。

③研制新型的傳感器、在線檢測裝置是實現智能電網所需的智能代理器的基礎。

參考文獻

[1] 王明俊. 突出自愈功能的智能電網. 動力與電氣工程師，2007，2(2)：12~16.

[2] 何大愚. 應用智能網絡技術構建未來自愈型輸電網. 動力與電氣工程師，2008， 3(6):12~16.

[3] 徐立子，萬啟發. 現代化電網與國際標準對電子式互感器的要求. 電子式互感器 技術研討會交流文集，中國電力企業聯合會成果鑒定辦公室，2007，10：54～66.

[4] IEC 61850-5 Communication Network and Systems in Substations. Part 5-13：Message performance requirements. 2003-07.

[5] IEC 61850-9-1 Communication Network and System in Substation-Part 9-1: Specific communication service mapping (SCSM)—Sampled values over serial unidirectional multi-drop point to point link 2003-05.