新型电力系统专家会–20230308

智能电网领域的关键技术发展方向：总体上来讲，智能电网的出现是一个相对来说比较长的一个历史。 从20世纪的60年代开始，从计算机引入到电力系统的监控、控制和优化的时候，就已经进入了智能化的初期阶段。 到目前为止，应该说已经发展到了第5个阶段，即从2005年5月特高压输电技术国际会议上，中国国家电网公司提出了名为坚强智能电网的发展规划。 总体上来讲，我们还是先明晰智能电网整个的技术概念，智能电网是指利用先进的信息技术、通信技术、控制技术和计算技术实现电力系统的高效、可靠、安全和环保运行的现代化的电网。 智能电网也是一种现代化的电网，尽管分类的时候会讲到特高压，但是从目前的角度来讲，智能电网器既包含一次设备，也包含一二次融合设备，甚至包含二次设备，对于调度等一些系统平台也覆盖在内。 新型电力系统和智能电网之间的关系：新型电力系统是为了实现碳达峰、碳中和的目标，以新能源为主要发电方式，以坚强智能电网为枢纽平台，以源网荷储互动为特征，以数字化技术为核心支撑的现代化定位系统。 智能电网本质上是新型电力系统的一个重要的组成部分。 我们把新型电力系统如果简单地分成三部分来看的话，那么最上游的是发电端，包括清洁能源发电、非清洁能源的火力发电，从枢纽端来讲，他就是一个智能电网，负责电能的传输、电源的接入以及给用户共挤复合。 总体上来讲，新型电力系统需要智能电网为其提供一个可靠、安全、高效、环保的输配送服务，同时，还需要智能电网为其提供多元化、个性化、互动式的一种用电服务。 新型电力系统出现之后，智能电网的内涵和外延发生的变化：总体上来讲，智能电网的内涵主要包括以下几个方面：①它必须是一个坚强的基础体系，必须能够有高度的自御能力，能够抵御外部的各种干扰和攻击，以保证供电的稳定性。 ②它必须能够适应大规模清洁能源和可再生能源的波动性、间歇性复核的接入，来促进低碳经济发展。 ③它必须要有一个高效的运行方式，电的传输以光速传播，智能电网必须要有足够的实时监测能力。同时，还要对不可存储的电能在供需两端做实时的动态平衡的调节。 ④在新型电力系统的要求下，它还必须具有更强的互动的供电服务的模式，这种双向的交互本质上是两层含义：用户侧可能也会出现电源的传送，用户侧还可能会出现需求响应的要求。 智能电网的外延主要是其应用范围和影响领域，应用场景是多领域的、综合的。 智能电网不仅涉及传统的发送配用的环节，还包含了储备调度中心、微网、分布式发电等很多新兴的组成部分，同时在相关领域比如说其他的基础设施、交通运输系统、系统管理等等，都形成了紧密的联系。 我们在去年年底给科技部做过十四五重大专项规划研究，当时对新型电力系统下，智能电网应该怎样去发展做过一个专题报告，这个报告也提交给相关的财政部等的部委，去做一个未来项目立项的评价和评估的报告。 新型电力系统对智能电网的重大技术需求主要分布在四个方面：①可再生能源并网消纳的问题很突出，智能电网要想办法解决高比例可再生能源并网发电受制约的情况，我们国家以传统煤电为主，其稳定性和快速调节性都远好于风、光等间接性的这种可再生能源。 当风电、光伏要去替代火电的时候，功率接不进来造成弃光问题特别突出。 这是未来的智能电网必须要去突破的一个重点问题，特别是到2035年之后，如果可再生能源成为主力，那么整个风电光伏装机超过13亿千瓦的时候，这个问题就是非常严峻的。 ②电网支撑新形态源荷平衡的挑战是在持续加大的，为了解决大规模可再生能源消纳和影响大电网安全稳定运行的问题，那么还是需要重点研究大电网分析调度运行技术、柔性交直流输电和直流输电网的技术。 要突破源网荷储的互动的需求侧响应虚拟电厂相关的技术，以及要提升大容量距离跨区输电能力和大电网抵御故障的水平，这是在电网的传输侧面临的相关挑战。 ③从目前的角度看，用户侧主要面临以下问题：第一，整个用电效能还有提升空间；第二，随着再电气化推进以及本地的分布式电源渗透率的提升，电动汽车保有存量超过5000万辆的时候，电能占终端用能的比例非常高。 那我们讲，源是波动的，荷也是波动的，智能电网怎么有效地将其均衡起来是未来智能电网面临的重大的技术需求。 ④总体上我国在电网的基础支撑技术领域还很薄弱，高端的电工装备用的基础材料、核心器件和工艺等对外依存度仍然比较高，这是智能电网的相关技术领域需要发力的重点方向。 我国智能电网领域的技术进展和竞争力：①高比例可再生能源的并网调控，间歇式的高比例的可再生能源怎么能非常高效地不弃风、不弃光，能够把它全额消纳在电网上并且不会影响到电网安全，这个课题在未来二○三五甚至以后可再生能源渗透率比较高的时候，智能电网会面临一个比较严重的挑战。 总体上来讲，这个领域主要面临的关键的技术方向是两个：一是如何准确地开展新能源的功率预测；二是如何能够有效地调动我们国家基地式的新能源和分布式的新能源集群电网来实现整体的协调，保证接入的有效性。 总体上，在这两个领域，我们和国外的先进技术相比仍然处于跟进阶段。 ②多元用户供需互动用电以及能效提升，这里面包含两个主要的问题：第一个是供需互动，怎样做到虚拟电厂和需求侧响应协调发展，即源网荷互动的协同。 总体上，国内外在这个领域可能不相上下。 第二个是能源区块链领域，国外和国内目前总体上仍然都处于实验室的状态，国外由于体制等多方面的原因比我们要领先。 第三个是在低碳的综合能源系统领域，国内仍然处于产业化初期状态，国际的先进水平已经做到了产业化，但总体上国内外差距并不大，我们略微落后于国外。 ③第三个重点领域也是国家特别关注的领域，即电网的柔性互联与安全运行，关键的技术方向如下：第一个是特高压交直流电网的装备，我国在此领域处于产业化的前端。 第二个是直流电网的关键设备，我国已经建成了世界上最高电压等级的多端柔性直流的工程，我国在此领域属于领跑阶段，但比较遗憾的是换流阀和柔性直流的电力电子器件离大规模工业化应用还有一些时间。 第三个方向就是复杂电网分析与仿真。 因为整个交直流混联的体系下边，整个故障逻辑过程、整体的暂态、怎么确定整个电网的安全以及怎样控制系统稳定运行都有赖于复杂电网分析与仿真。 我们国家电网互联的电压等级高，电网互联复杂程度高，电网规模大，总体上我们国家是数据领跑的。 第四个是智能电网的运行控制，国际上对于智能电网的规模相对国内来说较小，像中国这样南网、国网两大电网公司覆盖全国的大网不太常见，因此中国电网的运行控制远比他们的系统要复杂。 总体上我们国家处于领跑阶段。 第五个方面在柔性智能配电领域，通过直流来实现柔性的互联，国外开展相关的研究早于我国。 但是我们国家在广州、苏州都形成了中央等级的直流互联示范工程，技术上相对来说比较成熟，主要面临的问题是成本和可靠性。 第六个方面在电网的保护与安全防御领域，国外处于产业化初期阶段，国内已经有很多电网公司、科研机构、高校和电力设备的制造企业都在开展大电网安全防御领域的技术攻关，攻克了大电网多时间尺度、安全稳定性能分析、网源的协同、直流分层、柔性直流、电网的控制保护等相关技术。 在这个领域总体呈现很好状况。 ④金属支撑技术方面，比在表中所列出的还要更多，但是，我们认为在目前在表中列出来的这三项是最为关键的，也是我们国家弱势比较明显的领域，第一是在电工材料领域，尽管我们国家的电工材料研究产业链的覆盖是非常完整的，但是在高端的新型绝缘材料、节能的导体材料、新型的磁性材料、超导材料等领域的技术水平比国际上的领先国家略微落后，重点就是在高端的产品方面还需要突破。 第二个是在功率半导体器件方面，功率半导体领域特别是可控的功率半导体，比如说IGBT、IGCT等等这些领域，我们国家仍然在产业化初期，比如说株洲时代等等，我们国家的产业在中低压器件方面相对较好，对于1500伏高压的电子器件还是在突破当中，与国外有差距。 最后一个就是高性能仿真计算，即通过对复杂的大电力系统去建模、仿真来形成对于实际电力系统的数字孪生，甚至包括暂态等级、毫秒等级的仿真的研究工作，我们的基础储备仍然弱于国外。 总体上来看，在智能电网领域，和新型电力系统密切相关的就这四个主要的技术领域。 我们国家应用能力超强、场景众多，但是基础较弱，在材料、功率半导体、高性能仿真等方面都有缺陷。 另外一个特点就是中国的智能电网相关领域的场景是非常多的，有些是国外不具备这样的应用场景，他们就没有研究，有些是我们做了研究，但是我们对国外的领先优势其实非常小。 总体上，我们跟国际主要国家和地区智能电网领域的竞争体现出来的是跟跑、领跑和并跑三跑共存的局面。我们国家智能电网领域要取得实质性的技术领先和话语权，有赖于关键基础科学问题和关键技术的突破。 智能电网领域的头部企业：总体上来讲，我们认为国电南瑞包括南瑞继保是国内一枝独秀的电力企业，如果粗略地把整个电力系统分成三类，第一类叫软的，第二类叫硬的，第三类叫一次的，把软的和硬的划分在二次，国电南瑞最核心的能力就聚集在软的和硬的，也就是在二次的领域，他基本上涵盖了所有的二次系统的业务范围，而且绝大多数都能做到智能电网的头部。 目前国电南瑞也在向相关的一次设备领域进军，会开展相关的变压器、开关的设计和制造，但是它的电压等级比较低，除了在换流阀领域一枝独秀，他的一次设备力量较弱。 第二个企业就是许继电气，涉及一次、二次，和国电南瑞的性质有点像，他的二次的力量比较强，但对于整个调度系统研究或者竞争力比不上南瑞集团。 第三个是平高电气，高压和特高压的开关设备的力量非常强。 在配电的一次设备领域也有涉足，但是配电领域很难有特别突出的头部企业，大家的份额都不会特别高，远远做不到像国电南瑞在电力调度一家独霸的状态。 思邦股份做二次起家，做电力电子等。 包括长园、思源、国电南自、西电、特变电工等都是相关的装备制造、二次系统、配电自动化系统以及绝缘体领域里做得非常好的企业。朗新科技实际上是为国网和南网在做电力营销平台当中成绩非常好。 威盛电子被公认为是中国电力物联网相关第一梯队的供应商，包括物联网表计里的体验，它应该是做得非常好。国网信通也是聚焦在二次、平台这侧，主要发展的是“源—网—荷—储”全链条的数字化电力系统。 宏力达做智能柱上开关。 亿嘉和做智能研发机器人，他在电网的巡检当中也有比较大的优势。 总之，不管是从电网的形态，还是从业务角度来讲，一次和二次难以区分，很多企业方方面面都涉足，也有很多设备在做一二次的融合。 Q：十四五电网智能化主要集中在软件层面还是硬件层面？A：很难判断。 目前智能电网推进到现在的程度已经很难区分了，如果一定要区分是软件层面还是硬件层面的话，我个人觉得还是硬件占主导。硬件占主导就意味着一次的设备占比较高。 而一次的设备往往体现出来的都是一二次融合的特征。 另外还有柔性直流或者常规直流的设备，很难说它是一次还是二次的，比如说容式变压器那么大的直流变压器，它里面除了IGBT、电力电容器、绝缘子的支撑、避雷器之外，它还集成了很多的控制系统来保证我们这个电力电子器件可以按照我的需要稳定的开关。 所以很难去区分是硬的还是软的，从这个角度讲，我认为一二次融合的硬设备是比较多的，其二就是在配电领域，配网智能化的改造涉及很多的 FTU、DTU、融合终端这样的智能化设备。 但是配网的智能化改造涉及网架结构，涉及从传统的单线的模式向花瓣型复杂的网架结构转变的过程，甚至还有电缆化过程，而这一部分的一次的占比，或者说硬的部分的占比不少，总体上我感觉硬件会占主导。 Q：当前我国已经进入到第二代智能电表的更新阶段，未来会不会进入到第三代、第四代这种不断的智能电表更新？A：有点难回答。 第二代电表技术要更换到第三代电表的话，应该还会有一个周期。 换句话说，第二代电表技术换上去之后，不会立刻大规模地去推第三代，第三代应该仍然处在技术储备阶段。