“最低程度人工干預”“各種燃料來源發電”“用戶終端智能化自動平衡自我檢測”……這些高大上的關鍵詞是美國Xcel電力公司能源公司白皮書中關于智能電網的描述。如何建設更加智能的電網如今已經成為全球電網科研工作者的共同課題。

田杰的“升級”

2016年，田杰負責的項目“升級”了。田杰是南京南瑞繼保電氣有限公司研究院的副總工程師。今年，田杰接手了國家電網公司“十大重點科技創新工程”之一的蘇州南部500千伏電網UPFC（統一潮流控制器）應用研究項目。

這不是田杰第一次負責UPFC項目。2015年12月11日，江蘇南京220千伏西環網UPFC工程順利投運。這是我國首個自主知識產權的UPFC工程，也是國際上首個使用模塊化多電平換流（MMC）技術的UPFC工程，標志著我國在柔性交流輸電技術上走在了世界最前列。田杰正是該項目的技術負責人。

“電網中電力潮流的控制有點像日常交通中對車流的控制。車流向什么地方行進是呈現一種自然能分布的狀態，走向并不完全隨著各條道路擁堵的情況來分布，電力潮流也是如此。所以對于電網潮流的控制一直以來都是行業難題。”田杰告訴記者，“UPFC有些像是電網中的信號燈，同時又帶有閥門的作用，通過大功率電力電子技術的應用，使電網潮流由自然分布轉變為智能化靈活控制，在保持現有網架結構不變、不新建輸電通道的前提下，有效解決常規電網建設、改造和運行中難以解決的潮流控制、供電能力提升等難題。UPFC非常適用于經濟發達地區城市電網供電能力的提升，以及現有電網的挖潛增效。”

這些非常實用的特性使UPFC研究在全球范圍內一直備受關注，也被業界認為是柔性交流輸電技術的集大成者，代表著未來電力電子技術的發展方向。

“目前世界上有3套已經投運的UPFC工程，兩套在美國，一套在韓國。”田杰告訴記者，這些工程的投運后均取得了良好的效果，但是由于普遍采用GTO和變壓器多重化換流技術，存在結構復雜、損耗大等問題，成本也相對較高。

南京主城西環網近、遠期潮流分布不均、整體供電能力受限，而該區域位于繁華地帶，建設新的輸電通道極為困難且代價高昂。因此，國網江蘇省電力公司提出建設南京西環網UPFC工程，在不新建輸電線路的情況下，提高南京城市電網供電能力和安全穩定水平。

2015年，國家電網公司將南京220千伏UPFC項目列入當年重點科技示范工程，同年6月開工。南京西環網UPFC示范工程投資約2.2億元，歷時6個月，于2015年12月11日正式投運。

南京西環網UPFC示范工程的成功投運，實現了南京城市西部核心區電力傳輸的精準控制，最大可提升該區域供電能力500～600兆瓦，并在2016年迎峰度夏期間多次將西環網關鍵斷面潮流控制在穩定限額以下。與此同時，由于該項目投運后減少了投資巨大的電纜輸電通道建設，節約投資超過10億元。

南京西環網UPFC示范工程的良好效應，加上江蘇電網目前所面臨的潮流復雜多變、分布不均等問題，國家電網公司決定開展500千伏UPFC的應用研究。

“江蘇電網目前已經建成‘六縱五橫’500千伏骨干輸電網架，是消納區外來電、接納省內大型電源接入送出、向重要城市及重要負荷中心供電的主力軍。”國家電網公司科技部科研處修建表示，“我們全面梳理了江蘇電網樞紐點附近、重要斷面和重要負荷中心應用UPFC的需求及效果，發現蘇州南部電網（木瀆變電站）是最優選擇。”

而對于田杰來說，蘇州南部500千伏UPFC項目難在電壓等級和容量的提升。“南京項目積攢了很多經驗，不過蘇州項目的電壓等級和容量提升是很大挑戰。目前世界上還沒有500千伏UPFC項目。”田杰告訴記者，電壓等級的提升給設備制造、系統可靠性、控制保護等方面帶來的挑戰都是前所未有的。

示范區的示范工程

在一千多公里之外的張北，有一個團隊正在進行著一項看起來與田杰負責項目非常相近的，著力提升電網靈活性的柔性輸電技術研究項目。和UPFC項目不同的是，張北項目是柔性直流輸電技術的研究，側重于電網對于新能源的接納。

在張家口可再生能源示范區內的張北±500千伏柔性直流電網示范工程項目（以下簡稱張北柔直示范工程）是國家電網公司推動可再生能源友好并網送出與靈活消納，探索可再生能源開發和利用的典型模式所開展的三個示范工程之一。

“張北柔直示范工程是匯集和輸送大規模風電、光伏等多種形態能源的四端柔性直流電網。”國家電網公司科技部科研處副處長李震宇告訴記者，該工程建成后將成為世界上第一個采用架空輸電線路、電壓等級最高、容量最大的柔性直流電網，計劃于2018年建成。

為保證工程可靠性，在項目可研評審階段，國家電網公司邀請包括周孝信、鄭健超、楊奇遜、黃其勵、郭劍波等院士在內的33位國內外知名專家，對該項目的整體技術方案進行把關，并組織中國電科院(300215,股吧)等單位開展孤島方案下新能源并網、柔直與新能源聯合運行等研究工作。

“張北柔直工程最終將建成一個多能源互補交直流協調控制系統，為解決電網薄弱導致的大規模可再生能源匯集與送出困難問題提供典型示范。”李震宇告訴記者，項目建成后將滿足張家口地區新能源送出和北京市接納新能源電量的需要，探索我國北方地區新能源開發和利用模式，積累相關技術和運行經驗，對推動能源生產和消費革命起到科技引領示范作用。

駕馭復雜大電網

相比蘇州南部UPFC項目和張北柔直項目更側重于一定區域內電網控制的難點突破，國調中心牽頭負責的“構建大電網安全綜合防御體系—系統保護”項目，則從全景視角綜合提升電網可靠性和安全性。

“特高壓電網的快速發展，加上風電和光伏等新能源大量并網，遠距離輸電規模持續增長，電網格局和電源結構都發生了重大改變，特別是在電網‘強直弱交’的過渡期，電網運行特性發生了深刻變化，電網安全運行壓力巨大。”國調中心相關負責人表示，目前電網特性的變化表現在故障對系統的沖擊全局化，電網運行安全風險增大，而電源結構的變化大大降低了電網的調節能力，同時電網的電力電子化特征凸顯也令電網穩定形態更加復雜。

在這樣的背景下，國調中心決定從技術標準、運行管理、防控措施等方面調整傳統交流系統形成的認識方法、防御理念和控制技術，構建特高壓交直流混聯大電網系統保護（以下簡稱系統保護技術），實現電網防控技術的歷史性突破。該項目也被列入國家電網公司十大重點科技創新工程。

“系統保護技術是以有效控制大電網安全運行風險為目標，構建多目標控制、多資源統籌和多時間尺度協調的高可靠性、高安全性大電網安全綜合防御體系。”該負責人告訴記者，系統保護建設是一個復雜的系統性工程，涵蓋系統分析、智能控制、計算機及通信等多個專業，在世界上尚無先例，要適應多種運行場景，協調各種控制資源，整合多類先進技術。

“現在需要重點解決系統特性認知、控制措施協同、系統集成等三方面問題。”南瑞集團穩定控制技術分公司工程師李德勝告訴記者。

系統保護技術依托先進的信息通訊技術，實現對電網的多頻段、高精度全景狀態感知，并能夠基于故障診斷和系統實時響應特征，實現多場景、全過程的實時智能決策，還將通過整合廣泛分布于全網的多種控制資源，實現有序、分層的一體化協同控制。

華東電網成為這個系統的第一個試點。

近年來，隨著復奉、錦蘇、賓金各特高壓直流相繼投產，以及西南水電送電華東需求長期居高不下，華東電網最大單一區外直流來電功率和區外直流來電總功率均持續增長，大功率直流故障造成受端功率缺失的情況，對電網頻率穩定的沖擊日益顯著。

“通過建設頻率緊急協調控制系統、增加多直流聯合功率調制、快速切除抽蓄機組和可中斷負荷功能、調整低周減載總體策略各綜合措施，實現華東電網頻率穩定控制水平的整體提升。”國網華東分部相關負責人表示，華東電網頻率緊急協調控制系統的建設，對多直流饋入受端電網頻率穩定控制具有很好的借鑒意義，為大受端電網的頻率穩定控制提供了很好的示范。

后續，公司將針對華北、華中、西北、東北、西南電網的不同運行特性，有針對性的建設相應系統保護，全面提升大電網安全運行水平。

大云物移中的電網智能化

“除了從設備及系統層面的技術研發，公司將智能電網基礎支撐技術方面研究列入十大重點科技創新工程。”李震宇告訴記者，在信息通信技術方面，配合“互聯網+”行動計劃，重點突破嵌入式系統在電網應用中的信息安全技術，移動互聯網、云計算、大數據和物聯網等在智能電網中的融合應用技術。

為落實國家“互聯網+”行動計劃，2015年，國網信通部牽頭制定了“信息通信新技術推動智能電網和‘一強三優’現代公司創新發展行動計劃”，并在國家電網公司內全面推進。

“行動計劃的主要內容包括‘四項目標、六大領域、六年計劃’。對照技術先進、智能生產、智慧運營、業務創新四項目標，國家電網公司將推進信通新技術在智能電網發、輸、變、配、用、調和公司經營管理領域的全面滲透和深度融合，重點開展輸變電智能化、智能配用電、

源網荷協調優化、智能調度控制、企業經營管理和信息通信支撐六大領域19個方面的研發攻關和創新應用。”該項目負責人表示，根據行動計劃，2015～2016年開展167項工作，2017～2020年規劃開展72項工作。

2020年，這項涉及國家電網公司多層面的行動計劃完成后，將從輸變電智能化、智能配用電、源網荷協調優化、智能調度控制四方面取得顯著的效益：預計輸變電狀態采集監測裝置線路覆蓋長度每增加百公里，每年可降低運維成本約13萬元，減低故障成本約4萬元；配網故障診斷定位效率和準確率每提升10%，配網故障搶修時長可縮短30%，提高配網運行可靠性和客戶滿意度；微電網分布式電源有效發電小時數每增加10%，每100戶家庭可具備50千瓦削峰潛力；新能源發電功率預測準確率每提升1%，可增加約0.3%的新能源消納能力，減少電網旋轉備用容量，節省電網投資。

隨著能源變革的不斷深入，建設網架堅強、廣泛互聯、高度智能、開放互動的世界一流電網成為目前電網發展的重要方向，特別是在我國能源互聯進入大規模建設、集中投產和特高壓網架形成過渡期的關鍵階段，還需要通過技術進步不斷提升大電網的安全、高效、清潔、綠色等方面水平，將電網打造成為資源優化配置的平臺。