近年來，隨著各種先進技術在電網中的廣泛應用，發(fā)展智能電網已在世界范圍內形成共識。由于智能電網尚處于起步階段，國際上對其還沒有達成統(tǒng)一而明確的定義。從技術發(fā)展和應用的角度看，世界各國、各領域的專家、學者普遍認同以下觀點，智能電網是將先進的傳感測量技術、信息通信技術、分析決策技術、自動控制技術和能源電力技術相結合，并與電網基礎設施高度集成而形成的新型現(xiàn)代化電網。作為一個完整的電力系統(tǒng)，智能電網涵蓋發(fā)、輸、變、配和用全流程，各個環(huán)節(jié)中涉及大量的電力設備和關鍵技術。智能電力設備，從狹義上來說，是具有信息獲取或傳輸，并能進行邏輯判斷的電力設備，而廣義上，則可以認為是適應和支持智能電網新特點的有電力設備。實際上，就智能電網相關的各種硬件設施，比如高度的電力設備自動化，各國一直都在進行相關的建設。智能電網具有系統(tǒng)整合的特點和趨勢，將涉及到的各個單元或是部件整合成一個能智能化工作的系統(tǒng)，如智能配電系統(tǒng)，數(shù)字化變電站用戶電價互動系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)中已經包含多種智能單元和部件，整合后的系統(tǒng)可能同時包含多個當前電力系統(tǒng)一、二次設備。

本文簡要分析和介紹了支持智能電網的各項新設備（新技術）包含各種新型能源發(fā)電和接入設備，超導、復合材料傳輸設備，儲能設備，新型電力電子設備，信息量測和傳輸設備，以及諸如智能電表、智能終端和智能管理終端等。其中部分技術和設備在智能電網概念提出之前就已經出現(xiàn)，但作為智能電網建設的重要組成或實現(xiàn)智能電網的重要手段，在本文中也進行了相應介紹。

國內外智能電網的側重區(qū)別

智能電網中電力設備及其技術發(fā)展的驅動可以用“環(huán)境決定側重力度決定速度”來概括。后半句表明政府意圖對智能電網發(fā)展的決策和重視程度決定智能電網和各項技術的速度，而前面半句，則表明智能電網的發(fā)展應與國情相適應，智能電力設備技術的發(fā)展也與智能電網的側重相匹配。

美國智能電網環(huán)境的特點是分布式發(fā)電比重快速上升與完全競爭性的電力市場，因此注重用戶側和配電智能設備，相關技術開發(fā)和應用也著重這兩部分。在美國“grid203032 “智能電網規(guī)劃中，美國智能電網的電力設備主要圍繞如智能電表、智能終端、智能配電網設備以及超導和儲能等方面。歐洲國家智能電網建設主要是促進并滿足風能、太陽能和生物質能等可再生能源的快速發(fā)展，把可再生能源、分布式電源的接入以及碳的零排放等環(huán)保問題作為重點，因此優(yōu)先發(fā)展新能源接入與控制相關設備及技術。日本和韓國將智能變電站、配電網的自愈控制相關設備，以及大規(guī)模太陽能等新能源開發(fā)的保護與控制設備作為研究重點。由于我國能源與用電負荷分布的情況以及網、售合并的壟斷性電力環(huán)境，導致智能電網規(guī)劃側重長距離、高電壓輸變電的發(fā)展，但同時智能用電雙向互動、分布式電源，即插即用，接入的需求及電力市場化改革，也極大推動配用電設備的發(fā)展，如智能電表及雙向通信網絡的廣泛建設。

智能電力設備發(fā)展現(xiàn)狀

智能電網作為一個整體，無論側重點在哪個部分，都需要眾多先進的智能電力設備的支持。

發(fā)電方面

智能電網在發(fā)電方面涉及的電氣設備包括各種可再生能源能量轉換設備，安全、可靠并網接入設備以及儲能設備。

各種新能源和分布式發(fā)電技術設備，如微型燃氣輪機、燃料電池(微透平、太陽能光伏發(fā)電(太陽板)、風力發(fā)電(風機)、生物質能發(fā)電設備、海洋能發(fā)電設備和地熱發(fā)電設備等。

智能保護與控制類設備如數(shù)字型保護繼電器、智能分接頭變換器、動態(tài)分布式電力控制設備等。

各種大容量儲能及高效能量轉換裝置，如蓄電池儲能、超級電容器、超導儲能、飛輪儲能以及燃料電池高容量儲氫、高效二次電池等設備。

以分布式發(fā)電系統(tǒng)為例，如圖1所示，發(fā)電部分、功率調節(jié)部分有多個逆變器，其中功率轉換和控制裝置又包含諸多核心設備，如各種大功率高性能變流器、大功率風力發(fā)電機的勵磁與控制器、風力發(fā)電用永磁發(fā)電機變速調速裝置、大功率并網逆變器、儲能裝置以及電網的連接設備，燃料電池、電能輸出波形質量設備，電壓跌落隔離和保護設備等。對于大功率燃料電池系統(tǒng)則涉及新的電路拓撲、智能集成功率變流器和智能系統(tǒng)級控制設備。

                                                                圖１　分布式發(fā)電、儲能及轉化系統(tǒng)

輸電方面

智能電網網架建設，既要發(fā)展大容量遠距離低損耗輸電技術，也要考慮大規(guī)模間歇式新能源接入對輸電網的影響，主要集中于柔性交流輸電及其相應柔性交流輸電設備，高壓、特高壓直流輸電以及高溫超導技術等，前兩項涉及大量的電力電子設備，最后一項同時涉及新材料和復合材料等關鍵技術和設備。

FACTS技術及設備

柔性交流輸電技術是現(xiàn)代電力電子技術與電力系統(tǒng)相結合的產物，是智能電力設備在輸電部分應用的體現(xiàn)。該技術采用具有單獨或綜合功能的電力電子裝置，對輸電系統(tǒng)的主要參數(shù)，如電壓、相位差、電抗等，進行靈活快速的適時控制，以期實現(xiàn)輸送功率合理分配，降低功率損耗和發(fā)電成本，大幅度提高系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠性。目前已成功應用或正在開發(fā)研究的裝置有十幾種，如靜止無功補償器(SVC)、靜止調相機(STATCOM)、靜止快速勵磁器(PSS)、串聯(lián)補償器(SSSC)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)、晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)、晶閘管控制申聯(lián)電抗器(TCSR)和可轉換靜止補償器(CSC)等。

近年來，該技術已經在美國、日本、瑞典、巴西等國重要的超高壓輸電工程中得到應用。但FACTS技術的應用還局限于個別工程，如果大規(guī)模應用FACTS裝置，還要解決一些全局性的技術問題，例如多個FACTS裝置控制系統(tǒng)的協(xié)調配合問題，F(xiàn)ACTS裝置與已有的常規(guī)控制、繼電保護的銜接問題等。隨著智能電網的發(fā)展以及電力電子器件的性能提高和造價降低，F(xiàn)ACTS裝置和設備會在未來輸電領域大規(guī)模應用。

HVDC技術及設備

高壓直流輸電是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過換流閥變成直流電，然后通過直流輸電線路送至受電端再變成交流電注入受端交流電網。直流輸電核心技術集中于換流站設備，換流站實現(xiàn)了直流輸電工程中直流和交流相互能量轉換除在交流場具有交流變電站相同設備外，還有以下特有設備，換流閥、控制保護系統(tǒng)、換流變壓器、交流濾波器和無功補償設備、直流濾波器、平波電抗器及直流場設備，而換流閥是換流站中的核心設備，其主要功能是交直流轉換，從最初的汞弧閥發(fā)展到現(xiàn)在的電控和光控晶閘管閥，換流閥單位容量在不斷增大。

HVDC中的輕型直流輸電系統(tǒng)(LIGHTHVDC)技術目前備受關注，如海上風力發(fā)電用岸上輕型高壓直流輸電裝置，采用GTO、IGBT等可關斷的器件組成換流器，可以免除換相失敗的風險，對受端系統(tǒng)的容量沒有要求。未來可用于向孤立小系統(tǒng)，(如海上石油平臺、海島)供電，或在城市配電系統(tǒng)中用于接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源，是智能電網發(fā)展中的重要技術和設備。

超導技術及設備

智能電網的目標是降低網絡損耗，美國智能電網規(guī)劃的一個重要目標是實現(xiàn)以超導為主的骨干網，大幅降低網絡損耗。超導電力技術是利用超導體的無阻高密度載流能力及超導體的超導態(tài)和正常態(tài)相變的物理特性發(fā)展起來的一門新的電力技術，它在實現(xiàn)電力裝置的輕量化、小型化、低能耗和提高電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和電力質量等方面具有重要的意義和廣闊的應用前景。

超導技術及其發(fā)展的各種設備是智能電網發(fā)展的重要構成部分和載體。目前，超導電力技術已進入高速發(fā)展時期，若干超導電力設備，如超導電纜、超導變壓器、超導限流器、超導磁儲能系統(tǒng)等已在電力系統(tǒng)試運行。表1為超導電力設備的特點及其對電力工業(yè)的作用和影響。

變電方面

未來變電站需要在網絡信息交互共享的基礎上實現(xiàn)信息互用，建立電力企業(yè)的大信息平臺，并在此基礎上逐步實現(xiàn)智能電網所要求的諸多強大功能。目前主要進行的是數(shù)字化變電站，它由智能化一次設備、網絡化二次設備在通信協(xié)議基礎上分層構建，從而實現(xiàn)智能設備間信息共享和互操作。與傳統(tǒng)變電站相比，數(shù)字化變電站間隔層和站控層的設備及網絡接口只是通信模型發(fā)生了變化，而過程層卻發(fā)生了較大的改變，由傳統(tǒng)的電流、電壓互感器、一次設備以及一次設備與二次設備之間的電纜連接，逐步改變?yōu)殡娮邮交ジ衅鳌⒅悄芑淮卧O備、合并單元、光纖連接等內容。

智能變電站是數(shù)字變電站的發(fā)展，是以全站信息數(shù)字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實現(xiàn)與相鄰變電站、電網調度等互動的變電站。與數(shù)字化變電站相比，不僅是簡單的數(shù)字采集與展示更具有一定智能意義的分析功能。智能變電站中，一次設備被檢測的信號回路和被控操作驅動將采用微處理器和光電技術設計，簡化了傳統(tǒng)機電式繼電器及控制回路結構。數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號網絡取代傳統(tǒng)導線連接。變電站二次回路中傳統(tǒng)繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，傳統(tǒng)的強電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。

變電站內的二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測裝置等將基于標準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接采用高速的網絡通信，常規(guī)的功能裝置將具有邏輯功能模塊。

配電方面

智能電網配電部分將實現(xiàn)高級配電自動化，以適應分布式電源與柔性配電設備的大量接入，滿足功率雙向流動配電網的監(jiān)控需要，同時采用分布式智能控制，現(xiàn)場終端裝置能通過局域網交換信息，實現(xiàn)廣域電壓無功調節(jié)、快速故障隔離等控制功能。智能配電網依賴前端先進的傳感量測技術對各類數(shù)據的采集，并通過通信網絡完成數(shù)據的融合和傳輸，實現(xiàn)運行監(jiān)視與協(xié)調控制，其中包含諸多的新技術和新設備。例如構建覆蓋配電網中所有節(jié)點，控制中心、變電站、分段開關、用戶端口等，的數(shù)據通信網，將涉及光纖、無線、載波等各種組網技術及設備。對各種信息量的采集，涉及先進的傳感測量技術與設備，如光學或電子互感器、架空線路與電纜溫度測量、電力設備狀態(tài)在線監(jiān)測、電能質量測量等。目前我國配電網的傳感測量比較多的是構建在光纖傳感測量技術之上，未來智能電網的構建也將在此基礎上進行延伸。

提高電能質量是智能電網構建的一個重要目標，在配電方面涉及大量的電力電子設備。而作為FACTS技術在配電系統(tǒng)應用的延伸，DFACTS(DISTRIBUTIONFACTS)技術綜合了配電網未來新技術的應用。DFACTS技術與輸電系統(tǒng)中的FACTS技術側重不同，F(xiàn)ACTS設備的主要作用是調整輸電線路的參數(shù)，控制線路的潮流，提高輸電線路的功率傳輸極限，使輸電線路的潮流能按預定計劃實現(xiàn)控制，提高全網的經濟性，也可以通過快速控制提高系統(tǒng)動態(tài)性能，如調節(jié)電壓、控制功率振蕩和抑制次同步振蕩等，而DFACTS技術主要用來提高供電質量，即減小諧波和畸變、電壓波動與閃變、電壓暫降與電壓中斷、消除三相不平衡，使電壓的幅值和波形符合要求、提高功率因數(shù)等。配電網涉及的智能電力設備如表2所示。

用電方面

智能用電部分的重要目標是實現(xiàn)用戶互動，促使電力市場完全競爭。用戶側支持能量和信息的雙向流動，用戶可以通過實時獲取用電信息與不斷變化的不同供電商的電價，真正實現(xiàn)全國范圍內電力市場完全競爭。

供電側將以信息采集與管理為主，通過對配電變壓器和終端用戶的用電數(shù)據的采集和分析，實現(xiàn)用電監(jiān)控、推行階梯定價、復合管理、線損分析最終達到自動抄表、錯峰用電、用電檢查(防竊電)等，用戶側能夠了解實時電價和按照自己需求，實時用電管理及用電質量等服務。因此該部分的智能電力設備包括，智能表計、高度自動化、即插即用式智能電力設備、智能保護裝置、測量監(jiān)視設備、儲能電池、家庭自動化設備、海量數(shù)據處理設備和可視化設備等。

智能表計，具有電功率計量計時、記費、與上位機通訊、用電管理等功能的電度表，可以定時或即時取得用戶帶有時標的分時段的，如(15min，1h)等，或實時(或準實時)的多種計量值，如用電量、用電功率、電壓、電流和其他信息。

數(shù)據量測設備，可以分為用戶專用和公用事業(yè)專用。用戶專用量測主要包括具有家電控制、電能質量分析、防偷電、功率和用電量測量、實時電價處理、成本控制、自備電源監(jiān)測等功能的設備。它們通常以電子計量設備為基礎通過發(fā)達的通信技術，實現(xiàn)對電力運行狀態(tài)及交易相關參數(shù)的測量、控制等。公用事業(yè)專用量測有公用事業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)和高級保護系統(tǒng)。相角量測單元(PMU)、廣域量測(WAMS)、線路容量動態(tài)監(jiān)測、各種先進的傳感器、具有監(jiān)測功能的電子設備（如電子變壓器）等均屬前者，高級保護系統(tǒng)包括故障檢測繼電器、一些特定保護系統(tǒng)，如關鍵設備監(jiān)視、狀態(tài)和預想故障監(jiān)視保護等相關智能電力設備。

通信設備，通信技術涉及的智能設備種類繁多，常見的類型有銅芯線、光纖、電力線通信(BPL)、無線通信等技術，還需發(fā)展如internet、衛(wèi)星、無線、3G、傳感器網絡等多種通信方式。通過這些載體，可以在更廣的范圍實現(xiàn)更多信息和應用的連接和集成，使數(shù)據在發(fā)電、輸電、配電和用戶等不同主體及各類應用系統(tǒng)之間高速傳遞。同時通信設備還包括維持精確的數(shù)據對時和同步能力的設備，提高抵御外部通信干擾的能力，降低對外部的輻射和電磁干擾等功能的技術和設備等。

智能電力設備的關鍵技術

結合我國智能電網發(fā)展特點和世界智能電網發(fā)展進程，智能電力設備方面應著重發(fā)展以下兩方面的技術。

高性能、智能化電力電子技術在未來的智能電網中，由于在發(fā)電部分各種新能源和分布式能源的開發(fā)和利用，在輸電部分電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定及降低網絡損耗的傳輸，以及在配、用電方面對電能質量的要求，預計會有95%以上的電能要經過電力電子技術的處理后才能使用。在智能電網中，可謂電力電子技術和裝置將無處不在，從發(fā)、輸電角度來說，電力電子技術可有效提高發(fā)電效率和提高輸電質量，從配用電角度來說，電力電子技術可有效進行節(jié)能改造，提高用電效率。

由于智能電網的范圍廣泛，圖2簡單說明了電力電子所涉及的各部分的應用，主要包括三大類產品，變頻器(變頻調速)、電能質量類產品(含高壓直流輸電、柔性交流輸電FACTS等)和電子電源產品。智能電網的電力電子設備正朝著高性能化、智能化、全數(shù)字控制、系統(tǒng)化和綠色化(無諧波公害)方向發(fā)展。

                                                               圖２　電力電子在智能電網中的應用

低成本、高密度、大規(guī)模儲能技術

利用電能儲存技術可以實現(xiàn)負荷的消峰填谷，有助于提高配電系統(tǒng)的資產利用率，降低系統(tǒng)損耗，是實現(xiàn)電能高效利用的一項重要措施。儲能設備接入系統(tǒng)或用戶側還可與各種分布式電源相配合，解決風能、太陽能等的間歇性對配電系統(tǒng)造成的不利影響問題，與各種電能質量控制設備相配合，有助于定制電力技術的實現(xiàn)。目前，各種儲能技術的研究在國際上受到了廣泛的關注。隨著低成本、高密度、大規(guī)模儲能技術的突破，電力系統(tǒng)的運行方式將大大改變對用戶的用電策略也會產生很大的影響。

需要注意的是，智能電網所涉及的技術范圍十分廣泛且不乏很多前沿的技術創(chuàng)新和技術融合，有些技術已經被開發(fā)和掌握，同時還在逐步完善并向更高層次發(fā)展，如數(shù)字化變電站技術，向智能變電站的發(fā)展，而有些技術依然是攻關的難度，如大規(guī)模儲能技術、高溫超導技術等，在何處取得技術突破性進展，將會對智能電力設備產生巨大影響。

結語

信息是智能電網的基礎支撐，信息的獲取需要大量的智能裝備來支持。在智能電網中，一次與二次、裝備與電網、裝置與系統(tǒng)將更加融合，復合技術應用日益廣泛。專業(yè)界限的模糊將使得智能電網中智能系統(tǒng)的外延大大拓寬。可以預期的是，各種智能設備和智能系統(tǒng)在智能電網中將呈現(xiàn)日益整合、相互交融、靈活組態(tài)的發(fā)展趨勢。因此，在今后電網建設和改造中，應該鼓勵和優(yōu)先采用適用于未來智能電網建設所需和可用的智能電網設備。（摘自《電力系統(tǒng)及其自動化學報》）