智能电网与电子式互感器及电力一次设备在线监测(1)

1.智能电网的发展

1. 1 《美国复苏与再投资法案》

2009年2月17日美国总统奥巴马签署了2009年《美国复苏与再投资法案》(American Recovery and Reinvestment Act—ARRA)。此法案规定拨款给美国能源部(Department of Energy-DOE)来支持研发智能电网(smart grid)的经费和示范工程，美国能源部即于2009年4月19日公布了《基金机遇通告》(FOA，(Funding Opportunity Announcementr))，将智能电网示范工程规定如下：①地区示范——核实智能电网技术生存能力和确认智能电网的商务模型。②电力公司电能储存示范——测试费用和收益，检验各种电能储存方法的技术性能，如新型电池、特殊电容器、飞轮、风与光电组合以及压缩空气能量系统等。③同步相量测量示范-建立广域信息网络(即相量测量装置PMU/广域测量系统WAMS)来调度和规划电力系统。

美国能源部统计，通过对美国电网的智能化改造，预计未来20年内可节省投资近千亿美元。智能电网技术革新将打开电信、电网、电视网等整合的通道，为全球电力、电信产业、通信产业、电视媒体等的改革提供独特的机遇。

1.2 中国智能电网的研发

2009年5月21日举行的“2009特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司总经理刘振亚表示，积极发展智能电网已成为世界电力发展的新趋势，到2020年，中国将全面建成统一的坚强智能电网。我国国家电网结合基本国情和特高压实践，确立了加快建设坚强智能电网的发展目标，即加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网。国网公司将按照统筹规划、统一标准、试点先行、整体推进的原则，在加快建设由1000kV交流和±800kV、±1000kV直流构成的特高压骨干网架，实现各级电网协调发展的同时，分阶段推进坚强智能电网发展。

按照规划，国家电网公司的智能电网建设将分3阶段：在2010年之前完成规划与试点工作;在2010～2015年大面积推开;到2020年，全面建成统一的坚强智能电网。

2.坚强智能电网与电子式互感器及电力一次设备在线监测

2.1自愈性智能电网(Self-Healing Smart Grid)

目前各大国都逐步建立了特大电网，为保证电网的安全运行，美国、欧盟、俄罗斯、日本、巴西等国先后都在进行智能电网的研究。

我国特高压骨干网架将由1000kV级交流输电网和±800kV、±1000kV直流直流系统构成。我国地域辽阔，各大区电网互联，大量的西电东送，使国家大电网跨越了几个时区。为保证电网的安全、稳定、可靠运行，对智能电网的研发，则是急迫和至关重要的任务。由于这种跨越几个时区的特大电网存在大面积停电的危险，而这种危险大多涉及调度员处理是否得当的人为因素，如2003年 “8.14”美加大停电事故。为解决此问题，美国电力研究院(EPRI)最先提出以相量测量装置PMU，Phasor Measurement Unit)/广域测量系统(WAMS，Wide Area Measurement System)为基础的突出自愈功能的智能电网概念。它要求对电网节点的电压相角测量快速而准确。20世纪80年代同步相量测量的研究在美国已经开始，并成为广域测量系统的一部分。1996年夏季美国两次大停电事故中，WAMS进行了较全面准确的记录。1997年法国电力公司(EDF，Electric de France)也建设了基于PMU的协调防御控制系统。但是系统动作响应时间却很长，达到1.03s。2003年“8.14” 美加大停电事故更推进了WAMS的建设。只要在全网PMU合理化布点的基础上(满足可观测性)，就可对现代化大电网进行静态功角稳定裕度监视;在线扰动识别;分析电网的短路故障、机组振荡与失步和系统电压失稳等;利用实时联络线功率和相对相角等参量的频谱特性(特征频率以及对应的衰减因子)识别系统低频振荡;在系统发生扰动时，实时监视机组间相对功角的暂态过程;进行发电机组进相运行监测;电压动态过程监测与动态稳定预报。以及实现暂态稳定监控等。

为此， 在PMU /WAMS的基础上就能实现包括暂态稳定性、电压稳定性和频率稳定性在内的动态安全评估。当电网出现危机之前就能立即提出网络重构、调整保护定值和稳定补救等安全对策。[1]

文献[1]指出，电网自愈功能的目标是：“实时评价电力系统行为，应对电力系统可能发生的各种事件组合、防止大面积停电，并快速从紧急状态恢复到正常状态。其实现方法，可概括为快速仿真决策、协调/自适应控制和分布能源(DER, Distributed Energy Resource)集成等3个方面。”

2.2电子式互感器

(1)自愈性智能电网对电子式互感器的要求

自愈性智能电网要求高速和高准确度的PMU，这样才能高准确度进行电网运行参数(如I、δI、 U、δU、cosφ、f、P、Q )的测量, 监控电网的运行。目前常规电磁式电流互感器铁芯在电力系统故障状态下的铁芯饱和及磁滞回线，会引起电流测量极其不准确。从而使PMU/ WAMS的测量也不准确，严重威胁现代化电网的安全稳定运行，增加了继保装置的复杂性;抗电磁干扰能力减弱;绝缘技术、体积、质量和价格都随电压等级的升高而越来越大;运输、安装和维护困难;量测受频率影响;变电站占地大，成本高等。为此，有必要研发能克服上述缺点并满足智能电网要求的新型电子式电流互感器。

这种新型电子式电流互感器要求既快速又高度准确，并将为现代化大电网的安全可靠和经济运行提供关键的基础。它也是电力一次、二次设备的完美结合，解决了电网自动化发展的“瓶颈”。现代化大电网的安全稳定控制技术也急需满足要求的电子式互感器的出现。因此电子式互感器不是一般的对电磁式互感器的升级换代，而是现代化大电网安全稳定运行的需求。

电网的安全运行要求电力设备安全可靠。而据统计，电网中的电力设备平均每年有1/3的事故都是因为互感器所致，如雷电季节，打雷或闪电都有可能导致互感器爆炸或燃烧。电子式互感器的使用将大大减少这方面的事故。

电子式互感器是电网一次的重要主设备，它们担负着电网的精确“测量和计量”，以及故障“监测”的作用。要求量测的电网运行参数高度精确;装置本身应具有相当的可靠性。它是为智能电网、数字化继电保护、电网实时PMU、WAMS、电网快速状态估计、电网暂态稳定监控、特高压输电线路的电晕测量、电网实时经济调度、谐波在电网中的应用、电网输电阻塞的缓解(美国)、解决输电走廊问题的分相输电技术、实现准确的故障测距和紧凑型一次智能设备等提供可靠保证。对现代电网运行和设备革命发挥重要的作用。因此，要求它必须具有高准确性、快速数据传输的高性能。