摘要
21世纪电力供应面临环境压力、购电能力、安全可靠和高效利用等重大挑战。以美国和欧盟为代表的不同国家和组织不约而地提出要建设灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网，将智能电网视为未来电网的发展方向。智能电网已成为近年来国内外有关未来电网发展趋势的热门话题。
文章简要分析了智能电网研究背景情况，智能电网的概念、特性以及国内外发展现状。重点研究了智能数字变电站、分布式能源和可再生能源接入相关技术。其中数字变电站部分首先分析研究了数字变电站的系统结构，主要研究了数字电流互感器的原理和特性及发展的新方向，然后设计了以罗氏线圈为电流传感头的数字采集系统。分布式能源部分首先研究了分布式发电技术，包括太阳能发电技术和风能发电技术。然后分析了几种储能技术，重点分析了超导储能和超级电容器储能技术的原理，接着分析了并网的问题和解决方法，最后对智能电网的发展前景进行了展望，并总结了其技术优势和存在的问题。
关键词：智能电网数字变电站分布式能源可再生能源微网
THE ANALYSIS AND DISCUSSION OF
SMART GRID’S KEY TECHNOLOGY
Abstract
In the 21th century electricity supply is facing with great challenges such as environmental pressures, the capacity of electricity purchase ,safety ,reliability and efficient use.Different countries and organizations such as US and UE put forward to built a flexible clean safe economical power grid and make smart grid the future power grid’s direction. Smart grid has become a hot topic of the development trend of power grid at home and abroad .
The paper briefly analyze the research background of smart grid its concept features and current development status. It focuses on the intelligent digital substation technology and the link technology distributed energy and renewable energy .The first part analyze and research the digital substation system’s architecture .It mainly research digital current transformer’s principle features and the new development direction .Then it designs a digital acquisition system which make Rogowiski circle as the current sending head. The second part studies distributed generation technology including soar power generation and wind power generation technology. Then it analyze several energy storage technologies focusing on the analysis of the super conducting energy storage and super capacitor energy storage principles . Then it discusses the problem and solution of linking to the power grid. Finally it draws the development of smart grid’ prospect and summarizes its technical advantages and problems.
Key words: smart grid; digital substation; distributed energy resource; renewable energy resource; micro-network
目录
摘要.................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II 1绪论. (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 智能电网的概念及特性 (1)
1.3 智能电网的发展现状 (2)
1.3 1 国外研究现状 (2)
1.3.2 国内研究进展 (3)
2 数字变电站技术 (4)
2.1 数字变电站概述 (4)
2.2 IEC61850简介 (4)
2.3 数字变电站的系统结构 (5)
2.3.1 数字化的一次设备 (5)
2.3.2网络化的二次设备 (10)
2.4 数字变电站的信息采集 (11)
2.4.1 总体设计 (12)
2.4.2 系统硬件设计 (12)
3 分布式能源的接入 (15)
3.1 分布式能源的系统集成 (15)
3.1.1 分布式发电 (15)
3.1.2 储能技术 (16)
3.2 可再生能源和分布式能源并网 (18)
3.2.1 并网定义和并网意义 (18)
3.2.2 并网带来的问题 (19)
3.3 微网 (19)
3.3.1 微网概述 (19)
3.3.2 微网的运行与控制 (21)
3.4 分布式能源的发展方向 (21)
4智能电网的发展前景 (23)
5 智能电网技术优劣势分析 (24)
结束语 (26)
参考文献 (27)
致谢 (28)
1绪论
1.1 课题背景
在20世纪，大电网作为工程领域的最大成就之一，体现了能源工业的战略布局，是实现各种一次能源转换成电力能源之后进行相互调剂、互为补充的迅速、灵活、高效和能源流通渠道。然而，世界能源体系正面临着抉择，目前全球能源供应和消费的发展趋势从环境、经济、社会等方面来看具有很明显的不可持续性。在当前世界能源短缺危机日益严重、电力系统规模的持续增长、气候环境变化加剧等因素的影响下，21世纪电力供应面临一系列新的挑战。因此，在欧盟、美国和中国，政府、高校研究机构和企业共同参与，针对保证21世纪能源供应面临的技术问题、技术难点和技术路线开展了深入的研究，提出了智能电网的概念。目前，这些国家和地区将智能电网提高到国家战略的高度，将发展智能电网视为关系到国家安全、经济发展和环境保护的重要举措。智能电网是解决2l世纪电力供应面临问题的有效途径[1]。
我国随着江苏沿海大开发的迅猛推进，盐城地区的风力发电、光伏发电等新能源产业发展迅速，其接入以及正常运行对电网的影响日益显现，电网面临着巨大挑战和机遇。一方面，电网需要应对日益严峻的资源和环境压力，实现大范围的资源优化配置，提高全天候运行能力，满足能源结构调整的需要，适应电力体制改革；另一方面，输配电、发电、信息化、数字化等技术的进步也为解决这一系列问题提供了坚实的技术支持[2]。由此智能电网成为现代电力工业发展的方向。2009年举行的特高压输电技术国际会议上提出，到2020年，我国将全面建成统一的坚强智能电网。
1.2 智能电网的概念及特性
所谓智能电网即以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。
按照我国著名能源问题专家武建东先生的描述，将智能电网称之为智能互动电网或互动电网，“ 互动电网” 是指在开放和互联的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，是集合了产业革命、技术革命和管理革命的综合性的效率变革。智能电网的核心内涵是实现电网的信息化、数字化、自动化和互动化，简称为“ 坚强的智能电网”。智能电网概念提出的时间虽然不长，但人们对这项变革的热情却极为高涨，其根本原因是，智能电网战略不仅为全球能源转型提供了一个重要的契机，更为电力设备行业提供了无限的商机和难得的发展机遇。
智能电网是人类面对电力供需平衡、新能源的接人、电网可靠性以及信息安全挑战的一种必然选择。它代表了电网将来进化的一种愿景，结合先进的自动化技术、信息技术以及可控电力设备，支持从发电到用电的整个电力供应环节的优化管理，尤其是新能源的接人以及电网的安全运行。智能电网在电网安全运行、可为用户可靠提供高质量电能前提下，提高能源使用效率，减少对环境影响，同时可以形成新的产业群，促进就业。
一般来说，智能电网具有以下功能特点
1）自愈—稳定可靠。自愈是实现电网安全可靠运行的主要功能，指无需或仅需少量人为干预，实现电力网络中存在问题元器件的隔离或使其恢复正常运行，最小化或避免用户的供电中断。
2）安全—抵御攻击。无论是物理系统还是计算机遭到外部攻击，智能电网均能有效抵御由此造成的对电力系统本身的攻击伤害以及对其他领域形成的伤害，一旦发生中断，也能很快恢复运行。
3）兼容—发电资源。传统电力网络主要是面向远端集中式发电的，通过在电源互联领域引入类似于计算机中的“即插即用”技术(尤其是分布式发电资源)，电网可以容纳包含集中式发电在内的多种不同类型电源甚至是储能装置。
4）交互—电力用户。电网在运行中与用户设备和行为进行交互，将其视为电力系统的完整组成部分之一，可以促使电力用户发挥积极作用，实现电力运行和环境保护等多方面的收益。
5）协调—电力市场。与批发电力市场甚至是零售电力市场实现无缝衔接，有效的市场设计可以提高电力系统的规划、运行和可靠性管理水平，电力系统管理能力的提升促进电力市场竞争效率的提高。
6）高效—资产优化。引入最先进的信息和监控技术优化设备和资源的使用效益可以提高单个资产的利用效率，从整体上实现网络运行和扩容的优化，降低它的运行维护成本和投资。
7）优质—电能质量。在数字化、高科技占主导的经济模式下，电力用户的电能质量能够得到有效保障，实现电能质量的差别定价。
8）集成—信息系统。实现包括监视、控制、维护、能量管理(EMS)、配电管理(DMS)、市场运营（MOS)、企业资源规划(ERP)等和其他各类信息系统之间的综合集成并实现在此基础上的业务集成。
1.3 智能电网的发展现状
1.3 1 国外研究现状
在美国，奥巴马政府的经济刺激计划中，有大约45亿美元贷款用于智能电网投资和地区示范项目。智能电网采用数字技术收集、交流、处理数据，提高电网系统的效率和可靠性。智能电网的倡导者要让客户相信，智能电网将帮助客户减少电费支出。另外，太阳
能等分布式可再生能源、即插即拔式电动车等还将创造大量间接的工作机会，智能电网将带来数百万个“绿色就业机会” 。
美国全国范围内有3个交流输电网，由于投入不足，技术陈旧，美国在智能电网建设中更加关注电力网络基础架构的升级更新，以提高电网运行水平和供电可靠性，同时最大限度利用信息技术，实现系统智能对人工的替代。其发展智能电网的重点在配电和用电侧，注重推动可再生能源发展，注重商业模式的创新和用户服务的提升。
欧洲国家发展智能电网主要是促进并满足风能、太阳能和生物质能等可再生能源快速发展的需要，把可再生能源、分布式电源的接人及碳的零排放等环保问题作为侧重点。日本构建智能电网以新能源为主。日本将根据自身国情，主要围绕大规模开发太阳能等新能源，确保电网系统稳定构建智能电网。日本政府计划在与电力公司协商后，开始在孤岛进行大规模的构建智能电网试验。
1.3.2 国内研究进展
国内开展智能电网的体系性研究虽然稍晚，但在智能电网相关技术领域开展了大量的研究和实践，在输电领域，多项研究应用达到国际先进水平，在配用电领域，智能化应用研究也正在积极探索。我国的智能电网与西方国家有所不同，是建立在特高压建设基础上的坚强的智能电网，中国式智能电网将以特高压电网为主干网架，利用先进的通信信息和控制技术，构建以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的智能电网。其特征将包括在技术上实现信息化、数字化、自动化和互动化，同时在管理上实现集团化、集约化精益化、标准化。
2009年2月2日，中国能源问题专家武建东在《全面推互动电网革命拉动经济创新转型》的文章中，明确提出中国电网必须实施“ 互动电网” 革命性改造。在2008年5月末召开的特高压国际大会上，国务院副总理张德江表示，中国将从实际出发积极探索符合中国国情的智能电网发展道路。这是我国高层领导首次在公开场合表达对智能电网的态度。会议上，国家电网公司公布，将分三个阶段推动坚强智能电网的建设：2009年至2010年为规划试点阶段，重点开展“ 坚强智能电网” 发展规划工作，制定技术和管理标准，开展关键技术研发和设备研制，及各环节试点工作；2011年至2015年为全面建设阶段，加快特高压电网和城乡配电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用；2016年至2020年为引领提升阶段，全面建成统一的“坚强智能电网”，技术和装备全面达到国际先进水平。这一宏伟蓝图让众多电力设备及自动化企业兴奋不已，并纷纷投入人力、物力、财力对智能电网进行技术研究，寄望能够在这一轮带有技术革命性质的行业洗牌中拔得头筹。我国西部地区的电网建设水平低于东部，而西部有大量风电、太阳能等清洁能源等待接入电网，因此，预期我国清洁能源接人将在西部进行试点。
2 数字变电站技术
2.1 数字变电站概述
变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，担负着电能转换和重新分配的任务，对于电网的安全、可靠和经济运行起着举足轻重的作用。随着电力系统容量、输电电压等级的提高，使得电力系统的测量与控制更加复杂，传统变电站的缺陷日渐突出，主要体现在安全性，可靠性已不能满足现代电力系统的要求；供电电能质量缺乏保证；不适应电力系统快速计算和时实控制的要求；维护工作量巨大，设备可靠性差，不利于提高运行管理水平和自动化水平；占地面积大，增加了征地投资等缺点。数字化变电站就是将信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变电站。全站采用统一的通讯规约构建通信网络, 保护、测控、计量、监控、远动、VQC等系统, 均用同一网络接收电流、电压和状态信息, 各个系统实现信息共享。数字化变电站技术意味着变电站自动化系统将迈入一个新的发展平台。数字化变电站技术将逐步引领未来变电站自动化系统技术发展的趋势。促使二次系统信息应用模式发生根本性变化的原因是非常规互感器、IEC61850标准、网络通信技术、智能断路器技术等相关支撑技术的发展。
2.2 IEC61850简介
IEC61850《变电站通信网络和系统》是新一代的变电站站内通信网络和系统协议，但其所规定的内容已不限于规约范畴。为适应电子式互感器、智能一次设备的发展，IEC61850将变电站IED重新划分为过程层、间隔层和站控层并对各层的功能划分及要求进行了说明。为了充分利用高速通信的效率，避免复杂的规约开发、转换和维护工作，IEC61850根据电力系统生产过程的特点，制定了满足实时信息传输要求的服务模型；采用抽象通信服务接口、特定通信服务映射等以适应未来通信技术的发展；采用面向对象建模技术，面向设备建模和自我描述，以适应功能扩展，满足应用开放互操作要求；采用配置语言，配备配置工具，在信息源定义数据属性；定义和传输元数据，扩充数据和设备管理功能；传输采样测量值等。
IEC61850系列标准共包含10个部分：
1）IEC61850-1基本原则；
2）IEC61850-2术语；
3）IEC61850-3一般要求；
4）IEC61850-4系统和工程管理；
5）IEC61850-5功能和装置模型的通信要求；
6）IEC61850-6变电站自动化系统结构语言；
7）IEC61850-7-1变电站和馈线设备的基本通信结构—原理和模式；
IEC61850-7-2变电站和馈线设备的基本通信结构—抽象通信服务接口(ACSI:abstract
communication service interface)；
IEC61850-7-3变电站和馈线设备的基本通信结构—公共数据级别和属性；
IEC61850-7-4变电站和馈线设备的基本通信结构—兼容的逻辑节点和数据对象（DO:date object）寻址；
8）IEC61850-8特殊通信服务映射：（SCSM:special communication service mapping）到变电站和间隔层和过程层内以及间隔层和过程层之间通信映射；
9）IEC61850-9特殊通信服务映射：间隔层和过程层内以及间隔层和过程层之间通信的映射；
10）IEC61850-10一致性测试。
IEC61850作为一个满足性能和价格要求的通信标准，实现了应用和通信的分离，使各厂家的设备具备互操作性和可互换性，并能够支持技术的发展[3]。IEC 61850系列标准吸收了多种国际最先进的新技术，并且引用了多个领域内的其它国际标准，它通过采用面向对象的建模技术和面向未来通信的可扩展架构，来实现“一个世界、一种技术、一个标准”的目标。它已经成为智能变电站实现的基础。
凭借良好的可扩展性和体系结构，IEC61850将为全世界所有电力相关行业的信息共享、功能交互以及调度协调做出重大的、决定性的影响。同时，由于世界范围内绿色能源、分布式能源和智能电网的兴起，IEC61850作为智能电网中连接电力生产和消费环节的纽带，将担当起越来越重要的角色。智能电网要求实现信息的高度集成和共享，采用统一的平台和模型，以实现电网内设备和系统的互操作，这与IEC 61850标准的设计思路是一致的。美国电科院最近公布的规划中已经将IEC 61850作为智能电网启动标准之一。国家电网公司颁布的《智能变电站技术导则中》中也规定了智能变电站的信息交换及管理将遵循IEC 61850的要求，智能变电站的各种设备的信息建模及信息交互将在IEC61850框架下统一进行。IEC 61850必将成为未来智能电网领域的主要标准之一[4]。
2.3 数字变电站的系统结构
数字变电站系统结构在物理上可分为两类，即数字化的一次设备和网络化的二次设备。
2.3.1 数字化的一次设备
数字化的一次设备主要包括数字互感器和智能开关。
1）数字电流互感器
传统电磁式互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在饱和及铁磁谐振等问题，难以实现大范围测量，并且，同一互感器很难同时满足测量和继电保护的需要。其所用钢材、变SF气体等耗量较大，不符合节能、环保要求。针对电磁式互感器本身存在的不压器油、
6
足，电子式互感器逐渐受到国内外的广泛关注和深入研究。电子式电流/电压互感器(ECT/EVT)与保护设备的接口实现途径，从系统可靠性和技术发展两个方面考虑，一般采
用数字化，即：对ECT/EVT所输出的电流、电压信号进行就地数字化后，通过光纤、合并单元、网络设备等传输至保护、测控设备。采样值数字化传输是数字化变电站区别于当前变电站自动化系统的重要技术特征之一[5]。
在国内，电子式电流互感器主要有两种，一种是基于罗氏线圈原理,一种是基于法拉第磁光效应原理，这里面又分为磁光玻璃式和纯光纤式。前者的目前国内生产厂商主要是新宁电力和南瑞继保；后者中磁光玻璃式是西安同维，纯光纤式是南瑞航天。罗氏线圈、磁光玻璃、纯光纤电子式互感器的比较见表2-1。
罗氏线圈电子式电流互感器的敏感元件是空心线圈，光纤只作为传输元件。空芯线圈密度和骨架截面积要求恒定，线圈横截面要与中心线垂直，因此工艺水平影响产品稳定性。罗氏线圈电子式电流互感器采用开环控制技术，动态范围和精度受局限，且不能应用在直流电路中。罗氏线圈的原理结构：将导线均匀地环绕在一个截面均匀的非磁性材料的骨架上，即可构成一个罗氏线圈，其原理如图2-1：
图2-1罗氏线圈的原理结构图
罗氏线圈的输出电压e(t)与被测电流i(t)的时间导数成正比，将e(t)积分便可求得电流i(t)，e(t)经积分变换及A/D变换后，变成离散化的数字信号，编码后由LED转换为数字光信号经光缆输出。[6]
磁光玻璃电子式电流互感器的敏感元件是光学玻璃，采用光纤作为传输元件。磁光玻璃是特殊光学材料，生产成品率低，成本高，且有双折射问题，影响测量精度。磁光玻璃与光纤采用胶结方式连接，维护周期短。
纯光纤式电流互感器的敏感元件和传输元件都是光纤，安装维护相对于其它电子式互感器简单。输入输出光路为统一路径，提高了抗干扰能力，安全可靠性高。纯光纤式电流互感器采用独特的闭环控制技术，动态范围大且精度高。纯光纤式电流互感器主要由三相敏感环、电气单元和连接光缆组成。从电子式互感器发展的趋势来看，纯光纤式电流互感器以其简单、可靠等特色处于该产品的主导地位。纯光纤电流互感器的原理如下[7]磁光法拉第效应是指当一束线偏振光沿着与磁场平行的方向通过磁光材料时，线偏振光的振动平面将产生偏转。线偏光振动平面偏转角的大小与磁场强度和光在磁场中所经历的路径距离成正比，用数学公式表达为：
?=VHdl
θ（2-1）
F
θ是通过介质的光的振动平面偏转角的大小，V是维尔德（verdet）常数，H是式中
F
磁场强度，l是光在磁场中所经历的路径距离
图2-2法拉第效应原理图
如果敏感路径是闭合环路，那么穿过敏感环路的电流所产生的磁场将作用于闭合环路，产生法拉第相角的大小将遵守安培环路定律，公式如下：
VI N I VN Hdl VN VHdl i N i i i F ====∑??θ
（2-2） 其中，l N 是敏感路径的圈数（或匝数），I 是通过环路的总电流数。式（2-2）表明，通过
磁光材料（光纤或者磁光玻璃）的线偏振光振动平面的偏转角大小，与光学环路的匝数及穿过光学环路的总电流成正比。如果我们能够检测光信号的偏振旋转角，就可以得到对应的被测电流值，这就是磁光法拉第效应电流互感器的基本原理。
光源发出的连续光经过耦合器到达偏振器后被转化为线偏振光，以45度进入相位调制器分解为两束正交的线偏振光，沿光纤的两个轴（X 轴和Y 轴）传播。在相位调制器上施加合适的调制算法，两束正交的线偏振光的相位会发生预期的改变，两束受到调制的光波进入了光纤线圈，在电流产生的磁场的作用下，两束光波之间产生正比于载体电流的相位角。经反射镜反射后两束光波返回到相位调制器，到达偏振器后发生干涉，干涉光信号经过耦合器进入光电探测器，探测器输出的电压信号被信号处理电路接收并运算，运算结果通过数字接口输出。当汇流排没有电流时，两束光信号的相位差为零，信号处理电路输出也为零；当有电流通过时，两束光信号存在一个相位差4i NVI ??=，其中，N 是光纤的匝数，V 是维尔德常量，I 是被测电流，信号处理电路对相位差进行解调，得到被测电流的数字值并输出。
图2-3 纯光纤电流互感器（FOCT ）工作原理图
作为数字化变电站应用技术的重要标志，全光纤电流互感器技术对变电站自动化系统带来的影响主要体现在数据采集环节的数字化，信息的集成化，一、二次系统电气隔离对于二次系统安全性的提高，并将大大简化现场试验，实现保护应用原理的简洁化、提高保护装
置的安全性等。
与传统电磁式电流互感器相比，FOCT存在以下优点：测量精度高：全光纤电子式互感器每相只有一个敏感环，同时满足计量精度和保护应用，计量精度满足0.2S准确级要求，保护精度远优于5P；宽动态范围：可在1%-200%额定电流范围内满足计量精度，在额定电流50倍（不超过150kA）范围内满足保护精度要求；高带宽：带宽可达10kHz，能够实现准确的暂态电流测量、电能质量分析、故障录波等；绝缘方式简单：一次侧与二次侧的信号传递依靠光纤，绝缘易于实现，且在电压等级越高的应用场合，优势也越明显；敏感环安装方式灵活：电流敏感环安装的连接方式有多种选择，除采用传统汇流排的方式外还可采用无接触穿心式，无附加动稳定和热稳定问题；抗环境电磁干扰能力强：电流敏感环具有很强的抗电磁干扰能力，其偏心安装、套筒外安装等方式均不影响使用精度；安全性高、绿色环保：全光纤电子式互感器无二次开路危险、无爆炸危险，节省金属材料，运输成本低，占地面积少，安装维护简单。
FOCT对数字化变电站的影响主要体现在以下几个方面：
对数字化变电站继电保护的影响。进出FOCT的都是弱的光信号,因此二次侧开路时不会产生危险的高电压,保证了现场人员的安全和设备的可靠性。由于光电互感器具有数字输出、接口方便、通信能力强的天然特性,其应用将直接改变变电站通信系统的通信方式。
在数字化变电站的应用中，全光纤电流互感器的应用一方面简化继保设备，满足电力系统精确计量的要求；另一方面，对电力系统故障反应速度快、灵敏度高、测量范围广，满足暂态保护要求，适应了电力系统数字化、智能化、网络化的要求。为一次设备智能化改革提供了基础。
2）光纤电压互感器
光纤电压互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压测量的新型互感器。与传统的电磁式电压互感器和电容分压电压互感器相比较，光纤电压互感器的突出优点有：a 高压信号通过光纤传输到二次设备，使得其绝缘结构大大简化；b 频率响应宽；c 不存在磁饱和及铁磁谐振现象，提高系统保护可靠性；d 可同时实现电压测量和继电保护两种功能；e 可适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要，输出数字信号，而且能实现在线检测和故障诊断。由于光纤电压互感器具有上述众多突出的优点，基于光电子技术的数字式光电互感器在电力系统中有着十分广阔的应用前景。
3）智能断路器
所谓智能化断路器是指断路器操作所需的各种信息由装在断路器设备内的数字控制
装置直接处理，使断路器装置能独立地执行其当地功能，而不依赖于站控层的控制系统。
智能断路器的发展趋势是用微电子、计算机技术和新型传感器建立新的断路器二次系统，开发具有数字化操作功能的断路器。其主要特点是由电力电子技术、数字控制装置组成执行单元，代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器。
非常规互感器的出现以及计算机的发展，使得对于断路器设备内部的各种状态监测已