《智能電網(wǎng)》研究生教學(xué)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

(新疆工程學(xué)院 能源工程學(xué)院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

2020年9月，第75屆聯(lián)合國大會上，中國提出力爭2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。目前面臨著巨大挑戰(zhàn)，其一排放總量大，2020年，我國碳排放總量占全球比重超過25%，人均碳排放量超過世界平均水平40%；其二時間緊，我國經(jīng)濟(jì)邁向高質(zhì)量發(fā)展關(guān)鍵期，能源消費(fèi)還在增長，依賴高碳發(fā)展模式，10年內(nèi)碳達(dá)峰，30年實(shí)現(xiàn)碳中和，對政策及科技儲備的考驗(yàn)巨大[1-2]。

為了更好的實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，2021年3月，中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議上，提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。智能電網(wǎng)是新型電力系統(tǒng)的重要組成，是國家“十四五”規(guī)劃建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。新疆“三基地一通道”，在國家戰(zhàn)略全局和能源發(fā)展布局中具有特殊重要地位，在推動能源轉(zhuǎn)型發(fā)展中發(fā)揮了積極表率作用。新疆棄風(fēng)棄光率高，2018-2020年棄電率：21.2%，12.4%，9.9%，新疆煤化工產(chǎn)業(yè)面臨節(jié)能減排等方面的挑戰(zhàn)，新疆水資源相對匱乏，制約了煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，為了提高新疆新能源消納水平，降低煤化工污染，有效利用新疆的沙漠和戈壁，有必要發(fā)展新疆智能電網(wǎng)，促進(jìn)新疆能源產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展，支持國家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[3-4]。

首先對新疆某高?！吨悄茈娋W(wǎng)》博士研究生課程授課情況進(jìn)行介紹，結(jié)合科研狀況，然后對關(guān)鍵技術(shù)在我國電力系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行歸納總結(jié)，重點(diǎn)闡述特高壓技術(shù)、智能傳感器以及人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。本研究將有助于提高電氣工程專業(yè)研究生的教學(xué)以及科研水平，并具有一定的實(shí)踐工程價值。

1 新疆某高?！吨悄茈娋W(wǎng)》博士研究生課程授課情況

《智能電網(wǎng)》課程是新疆某高校電氣工程一級學(xué)科博士研究生必修課程，32課時，2學(xué)分，共有15人必修，包括4個專業(yè)：電力系統(tǒng)及其自動化、電力電子、特高壓以及電工理論。

《智能電網(wǎng)》是新疆某高校博士研究生培養(yǎng)的基礎(chǔ)學(xué)位課，《智能電網(wǎng)》基礎(chǔ)理論包括：建模仿真智能電網(wǎng)分析，優(yōu)化運(yùn)行，保護(hù)控制以及規(guī)劃與設(shè)計(jì)等?！吨悄茈娋W(wǎng)》關(guān)鍵技術(shù)包括：先進(jìn)傳感與量測技術(shù)，智能電網(wǎng)通信與信息技術(shù)智能用電與需求側(cè)管理，分布式發(fā)電與集成，先進(jìn)儲能技術(shù)及應(yīng)用，智能電網(wǎng)高性能計(jì)算技術(shù)節(jié)能環(huán)保低碳技術(shù)，電力物聯(lián)網(wǎng)，電動汽車與能源交通融合，智慧樓宇與智慧小區(qū)，微電網(wǎng)與微能源網(wǎng)，綜合能源電力系統(tǒng)，能源互聯(lián)網(wǎng)，信息安全，韌性電網(wǎng)，電力大數(shù)據(jù)與人工智能應(yīng)用以及電力交易與區(qū)塊鏈等。

針對學(xué)生特點(diǎn)，制定了教學(xué)目標(biāo)：掌握智能電網(wǎng)的部分基礎(chǔ)理論與核心技術(shù)，掌握智能電網(wǎng)的國內(nèi)外最新發(fā)展動態(tài)和趨勢，了解智能電網(wǎng)領(lǐng)域的前沿研究成果，掌握智能電網(wǎng)仿真分析工具，具備編程解決問題的能力，培養(yǎng)文獻(xiàn)調(diào)研、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題及成果總結(jié)的能力，初步培養(yǎng)獨(dú)立思考和自主創(chuàng)新能力，初步培養(yǎng)應(yīng)用理論成果解決工程實(shí)際問題的能力理念重點(diǎn)培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力。為今后進(jìn)一步研究智能電網(wǎng)并將智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于工程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。

2 我國電力系統(tǒng)中的智能電網(wǎng)

2021年劉振亞在《智能電網(wǎng)技術(shù)》中給出堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)概念，以特高壓為骨架的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)[6]。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系如圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)我國以新能源為核心的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)能量流與信息流相互融合一體化，離不開智能傳感器以及人工智能技術(shù)。智能傳感器被視作“電力三次設(shè)備”，是智能電網(wǎng)可見、可知、可控的信息物理融合基礎(chǔ)；人工智能技術(shù)是智能電網(wǎng)的核心，是構(gòu)造新型電力系統(tǒng)的戰(zhàn)略支撐。

2.1 我國特高壓

2009年我國建成世界上首條1 000 kV特高壓輸變電工程，長治—南陽—荊門特高壓示范工程，全長654公里，跨越黃河和漢江，變電容量600萬kVA。2014年我國投運(yùn)當(dāng)時世界上輸電容量最大的±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)，哈密至鄭州，輸電容量8 000 MW；2018年我國自主設(shè)計(jì)的首個±1 100 kV特高壓直流輸電工程，新疆昌吉至安徽古泉，線路全長3 293 km，輸電容量1 200萬千瓦，是當(dāng)今世界電壓等級最高，輸電距離最遠(yuǎn)，輸電容量最大的特高壓直流輸電。

圖1 堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)

我國能源資源主要分布在“三北”，與中東部及沿海的負(fù)荷中心不匹配，“十四五”規(guī)劃大力發(fā)展特高壓直流，大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸電。南方電網(wǎng)特高壓±800 kV/8 000 MW柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)：

(1)特高壓柔性直流，特高壓由400 kV+400 kV雙閥組串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，具有成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，特高壓直流的基本結(jié)構(gòu)型式，柔直接線設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)直流側(cè)的電壓、容量相匹配；

(2)大容量柔性直流，輸送5 000 MW有功功率同時具備1 000 Mvar動態(tài)無功補(bǔ)償能力，STATCOM運(yùn)行方式下無功補(bǔ)償能力達(dá)1 500 Mvar，模塊電容單體儲能是1 GW級工程換流閥的2.2倍，重量、體積顯著增加；

(3)遠(yuǎn)距離架空線柔性直流，架空線遠(yuǎn)距離、大容量輸電運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，具備直流側(cè)故障清除和重啟動能力，是保障運(yùn)行可靠性的基本功能，高壓直流輸電清除直流線路故障小于100 ms，整流站快速移相至逆變模式，泄放直流側(cè)能量，逆變站維持逆變模式且不閉鎖，泄放直流側(cè)能量，功率恢復(fù)時間小于100 ms(不含去游離時間)，具備多次重啟、降壓重啟動能力[7-9]。

2.2 智能傳感器

傳感器是構(gòu)成現(xiàn)代電網(wǎng)信息系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，在電網(wǎng)運(yùn)行和管理中發(fā)揮了重要作用，目前電網(wǎng)傳感器亟需更新?lián)Q代，性能不穩(wěn)定，易受環(huán)境影響可維護(hù)性低，校準(zhǔn)困難尺寸大、安裝不便，應(yīng)用場景受限價格高，性價比低單兵作戰(zhàn)，功能單一有限的采集范圍、慢節(jié)奏的采集頻率。隨著電網(wǎng)智能化、透明化、市場化物聯(lián)化發(fā)展，對傳感器有了更高要求：更全面、更充分、更及時、更便捷、更可靠[10]。

傳感器智能化：(1)高精度，電氣量測量最低0.5毫秒級，目標(biāo)達(dá)到0.1毫秒級；(2)分析決策，據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、統(tǒng)計(jì)分析、濾波處理、剔除異常值、邏輯判斷、分析決策；(3)自我學(xué)習(xí)，根據(jù)條件變化自我學(xué)習(xí)，自動調(diào)節(jié)參數(shù)、自動量程選擇，自動改變硬件模塊和軟件模塊的組合狀態(tài)，完成不同的測量功能；(4)高可靠性，傳感器能夠自動補(bǔ)償、自動校準(zhǔn)、自動調(diào)零、自動檢驗(yàn)。高集成度芯片化技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器微型化與低功耗，集成傳感芯片、多核處理器芯片技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸及處理技術(shù)，替代傳統(tǒng)互感器加自動化終端架構(gòu)，大幅提升裝置的可靠性和集成度，如圖2所示。

2.3 人工智能技術(shù)

人工智能及其在電系統(tǒng)中的發(fā)展如圖3所示。

圖2 高集成度芯片智能傳感器

圖3 人工智能及其在電系統(tǒng)中的發(fā)展

人工智能不依賴與數(shù)學(xué)模型，對大數(shù)據(jù)分析，通過自我深度學(xué)習(xí)，突破解決電力系統(tǒng)復(fù)雜性問題。電網(wǎng)“三高”，高比例新能源、高比例電力電子、高比例交直流，數(shù)據(jù)海大、復(fù)雜，必須需要人工智能的參與。人工智能在電力系統(tǒng)中的作用如圖4所示[11]。

圖4 人工智能在電力系統(tǒng)中的作用

3 結(jié)束語

《智能電網(wǎng)》是新疆某高校的博士研究生必修課，重點(diǎn)掌握智能電網(wǎng)的部分基礎(chǔ)理論與核心技術(shù)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，并應(yīng)用到工程，解決實(shí)際問題，為新疆可持續(xù)發(fā)展提供動力。

智能電網(wǎng)是我國“十四五”規(guī)劃的重點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)，是構(gòu)建我國新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵。我們要著眼新疆實(shí)際情況，大力發(fā)展新疆智能電網(wǎng)建設(shè)。

(1)統(tǒng)籌全面推進(jìn)新疆電網(wǎng)建設(shè)，積極配套建設(shè)750 kV全疆網(wǎng)架；

(2)保障全疆電網(wǎng)安全可靠，優(yōu)化資源配置，統(tǒng)籌平衡電量，提升供電服務(wù)；

(3)加強(qiáng)“疆電外送”，促進(jìn)新能源消納，加大外送力度。新疆是我國能源的大后方，解決我國能源安全問題，為我國未來發(fā)展提供有力支撐。