电力前沿技术的现状和前景

电力前沿技术的现状和前景

电力技术是通向可持续发展的桥梁，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下, 使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为下世纪电力技术的重点领域。电力技术属于传统技术的范畴，技术创新和出现重大突破的机会要比信息科学、生命科学、材料科学等新兴学科少得多。但是，应该看到，电力技术与其他学科的相互交叉和渗透的趋势越来越明显。电力研究的一些前沿课题反映了这种趋势。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行评述。 1、紧凑型发电、变电、输电技术1 分布式电源应用背景：由于土地资源的日益枯竭和公众对输电线路可能产生的电磁影响的忧虑，开辟新的线路走廊越来越困难。例如，北美和西欧许多国家已决定一般不再兴建新的输电线路。 1.1分布式发电装置（Distributed Generation）是指功率为数千瓦至50 MW小型模块式的、与环境兼容的独立电源。这些电源由电力部门、电力用户或第3方所有，用以满足电力系统和用户特定的要求。如调峰、为边远用户或商业区和居民区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等等。当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Micro tur_bines）和各种工程用的燃料电池（Fuel Cell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。于是，直接安置在用户近旁的分布式发电装置便成为一种替代方案。其次，与大电网配合，分布式电源可大大地提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争）情况下，维持重要用户的供电。加拿大魁北克省1997年冰雪灾造成输配电线路灾难性破坏，引起大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电。人们认识到，如果能有与电网配合的分布式电源在运转，供电可靠性将会大大地提高，一些灾难性后果是可以避免的。对供电网难以达到的边远分散用户，分布式电源在技术经济上具有竞争力。此外，发展电动车电源是研究发展分布式电源的重要推动力。⑴微型燃气轮机微型燃气轮机（Micro Turbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96 000 r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 ℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。⑵燃料电池燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为

燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 MW的设备及便携式250 kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700 ℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。性能和特点燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58 4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统。目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。 1.2 紧凑型变电设备由于发达地区的土地己成为稀缺资源，为了尽量减少变电站的占地、减少环境影响，以便降低投资、缩短建设工期，近年来出现了电气设蚤紧凑化、模块化，不同类型的电气设备集成为一体的倾向。由于绝缘材料、光纤测量技术和制造工艺的进步，现已出现了断路器、隔离开关、接地开关、电压及电流互感器及控制保护设各集成为一体的紧凑化、模块化的变电站设备。它可以视为介于全封闭组合电器（GIS）和常规的敞开式变电站之间的一种集成化设备。这类设各有不同的商品名称和集成度，但设计思路是相同的，即通过集成来改善设备的技术性能、减少占地和环境影响、降低造价。图4为一座5００ｋＶ的紧凑化变电站。HGIS 绝缘材料的进步也促进了发电机和变压器的集成。最近国外研制成功所谓的"电力发生器"（power former），它采用特殊的电缆来代替原来发电机定子中的矩形截面导线，使电机绝缘的耐压成数量级的提高。发电机出口的电压可达400KV，因此不需要升压变压器就可把发电机直接连接到架空线路。"电力发生器"的优点除了使升压变电站大大简化以外，还有热性能好、短路电流小、便于维护检修等伏点。这种技术用于电力变压器的设计，开发出新式的干式高压变压器。变压器高低压绕组均用电缆绕制（图幻。与传统的充油电力变压器相比，这种新式变压器具有结构简单、无火灾和泄漏的危险、运行维护工作量小、耐受短路能力强、绕组外部处在地电位人身安全性好、电场影响很小等优点。1． 3紧凑型输电线路－－紧凑型输电技术紧凑型输电技术是通过减少输电线相间距离和排列，达到减少线路电抗（自感、互感、集肤效应）、增加容抗、提高线路自然功率，从而提高输电线输电能力的输电技术。紧凑型输电技术通常应用于长距离输电工程中，如巴西南北联网工程。目前，我国的紧凑型输电线路尚在工业试验阶段，提高输电能力的作用尚未得到充分发挥，有些问题还需研究解决，如紧凑型线路的带电作业问题。我国华北电网于94年和99年分别有一条220kV紧凑型线路（安定－廊房，全长23.6公里）和500kV紧凑型试验输电线（昌平－房山）投入运行。华北昌房500kV 紧凑型线路，长85公里，子导线采用六分裂结构、圆环的直径为750mm，相间采用倒三角排列、相间距离6.7m，导线对地距离10m，走廊宽度约16m，自然功率比常规线路提高了1/3。

线路总投资约17000万元人民币，较常规线路增加约10%左右。一百公里的500kV紧凑型线

路造价比常规线路多1600万元人民币左右。但如果考虑走廊资源和每回线路的输电能力，紧凑型线路将比常规线路经济。验，国家电力公司电网建设分公司针对三峡输变电工程待建的政平——宜兴两回500kV输电线路，提出了《工业性试验项目 - 政平——宜兴500kV 同塔双回路紧凑型线路的技术报告》，取得了专家的论证认可。并组织开展500kV双回紧凑型输电线路的研究，宗旨在于填补国内双回紧凑型输电线路的空白，使国内500kV双回紧凑型输电线路技术达到国际先进水平。用"昌房500kV紧凑型送电线路"的研究成果)。国电华北电力设计院工程公司借鉴了昌房500kV紧凑型输电线路的经验，开展了500kV同塔双回紧凑型塔的研究工作，并采用到政平至宜兴500kV同塔双回输电线路工程中去。500kV 同塔双回紧凑型输电线路设计比过去双回同塔并架输电线路有以下特点：a) 线路自然输送功率同塔双回500kV紧凑型线路与常规同塔双回500kV线路相比，自然输送功率提高约30%，达到世界先进水平。b) 降低工程建设投资降低铁塔钢材耗量：单基直线塔铁塔耗钢量，比常规同塔双回500kV线路降低约30%，单基耐张塔铁塔耗钢量，比常规同塔双回500kV线路降低约20%。降低基础混凝土耗量：降低铁塔高度，减少铁塔基础作用力，基础混凝土耗量比常规同塔双回500kV线路降低10%以上。c) 控制线路走廊500kV 同塔双回路紧凑型线路，两外边线间距离为24.65m，与常规同塔双回500kV线路走廊宽度相当。d) 减少对环境的电磁影响500kV同塔双回路紧凑型线路，导线下最大地面工频电场强度与常规线路相当，且线下地面高场强区小于常规线路，并可听噪声、无线电干扰水平与常规线路相当。e) 提高线路耐雷水平同塔双回500kV紧凑型线路，耐雷水平高于常规线路，且雷击跳闸率低于常规线路。f) 线路绝缘水平同塔双回500kV 紧凑型线路，绝缘水平与我国已运行的单回500kV紧凑型线路一致，操作冲击闪络概率与常

规同塔双回和单回500kV线路相当，均低于10-3。

2、多相输电技术多相交流输电技术是指相数多于3相的输电技术，如6相、12相等，这种输电系统的优点是在线路输送同样的功率下可节省线路走廊和占地面积，使输电线路更加紧凑。1973年国际大电网会议首次有论文推荐把多相交流输电用于电力系统，尔后在世界上建立了多个试验基地，例如1987年美国PIT在其马尔太试验基地建设了6相和12相试验线路。1992年纽约州的电气与煤气公司(NYSEG)和美国电力研究院等单位在NYSEG系统纽约的滨黑姆登附近将戈得到奥克代尔之间已建成的双回115kV三相交流线路改造成单回93kV(线电压)6相输电线路，全长2.4km，并通过两端的两台三相转换变压器与三相系统相连，两台都接成Yn，d，已联合运行多年。这说明多相交流输电已进入了工业性的试验和试运行阶段。对多相交流输电的研究和运行实践表明，这种输电方式在技术上是可行的，经济上也是有效的，并且其研究也在进一步的深入。不过，这项技术的应用范围仍然是相当有限的，也难以广泛替代目前应用的三相交流输电系统。多相输电的研究与工业试运行，在美国及其他一些国家进行了二十多年，并取得了很有吸引力的结果。多相输电线路与三相输电线路相比具有许多潜在的优势，它具有较低的相间电压，轻巧的杆塔结构，较窄的架线走廊，大的输送能力，易于与三相现有系统协调、兼容运行，对高压断路器触头断流容量的要求较低等。进一步的研究与试验显示，多相输电线路运行的可闻噪声、无线电噪声、地面电磁场等环境指标均优于三相线路。现有的多相输电方式的研究，限于相数为3的倍数相，如6、12、24相等，因为实现三相与3的倍数相之间的多相变换很容易通过改变三相变压器的接

线方式得到。但是，为了避免多相输电线路复杂的换位，又保证各相参数平衡，必须将多相线路的各相导线排列成正多边形，这使得6相及以上多相导线的悬挂困难，杆塔结构复杂，线路造价上升；随着线路相数的增加，多相输电线路的故障组合类型迅速增加，这使故障的分析计算、继电保护的设计及整定增加了难度；多相输电系统中的断路器结构比较复杂，相间过电压倍数较高。由于上述缺点，六相及以上多相输电方式的推广应用受到限制。四相架空输电线路对称性好，线路及杆塔结构简单，在多相输电线中具有独特的优势。四相线路与同参数的三相线路比较，可以提高输送容量33.3%。由于线路走廊宽度反而减小，单位走廊宽度输送容量可以提高41~88.7%，经济及环境效益十分显著。21世纪输电系统的发展，为新型四相输电系统的应用提供了前所未有的契机。四相输电的最大特点是，虽然输电方式新颖，但是所采用的技术却与现有的三相输电系统基本一致，从技术上看，并不存在较大的困难，可以及时地开发与应用。如果四相输电方式在四北电网即将出现的更高一级电压中及时地得到应用，还可以进一步完全避免同一等级电压下三相与四相混合输电系统运行所需要增加的兼容成本。建议尽快在西北地区建设一条四相输电试验线路，首先降低电压为330KV （四相线路的相对地电压为330/√3KV）运行，一旦时机成熟，则可以灵活地升级为750KV （四相线路的相对地电压为750/√3KV）运行。这样，既抓住了机遇，又不会有较大的风险。

2 大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命”

3 灵活交流输电技术(FACTS)灵活的交流输电系统(FACTS)是80年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。专家们预计在未来这项技术将在电力输送和分配方面将引起重大变革，对于充分利用现有电网资源和FACTS技术的出现和应用的背景是：（1）发展电力市场的需要。原作为公用事业之一的电力面临着“放松管制”（Deregulation）的改革。一些国家颁布法令规定用户可以发电并售电给电网，允许电力用户可自由选择供电者，允许实行趸售托送（Wholesale Wheeling），某些地区甚至允许实行电力零售托送。发电厂和电力用户可以根据协议通过电网售受电力。电网作为电力市场的物质载体，即发电厂和电力用户间电力输送和分配的通道，需要满足对电力潮流灵活调节控制的要求，而常规的交流输电系统却很难适应这一变化。 （2）发展互联电网的需要。在发达国家已形成了紧密相连、多电压等级的复杂互联电网。由于电路定则使然，电网内部线路及联络线在运行中实际的潮流分布与这些线路的设计输送能力相差甚远；一部分线路已过载或接近稳定极限，而另一部分线路却被迫在远低于线路额定输送容量下运行。这就提出了灵活调节线路潮流、突破瓶颈限制、增加输送能力，以充分利用现有电网资源的要求。发达国家由于环保的严格限制，新建输电线路十分困难，使得这一要求更为迫切。传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速灵活连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了灵活交流输电这项新技术的发展和应用。近年来，灵活交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高压输电工程中得到应用。尽管灵活交流输电技术已在多个输电工程中得到应用，并证明了它在提高线路输送能力、阻尼系统振荡、快速调节系统无功、提高系统稳定等方面的优越性能，但其推广应用的进展步伐比预期的要慢。主要原因有：工程造价比常规的解决方案高，因此，只有在常规技术无法解决的情况下，用户才会求助于FACTS技术；FACTS技术还需要进一步完善。目前FACTS 技术的应用还局限于个别工程，如果大规模应用FACTS装置，还要解决一些全局性的技术问题，例如：多个FACTS装置控制系统的协调配合问题；FACTS装置与已有的常规控制、继电保护的衔接问题；FACTS控制纳入现有的电网调度控制系统问题等等。也有专家认为，FACTS技术尚不能更快推广应用是因为电力部门对新技术持谨慎观望态度，只有相当成熟的技术才会大规模应用。随着电力电子器件的性能提高和造价降低，以电力电子器件为核心部件的FACTS装置的造价会降低，可能会在不远的将来比常规的输配电方案更具竞争力。

国际大电网会议展开了有关STA TCOM与SVC性能价格比的讨论，不少专家认为，由于STA TCOM不需要采用大量的电容器就可以实现无功的快速调节，而电容器的价格多年比较稳定，不大可能大幅度下降；相反，电力电子器件的价格会不断降低，故预计STA TCOM会比SVC（静止无功补偿器）更有竞争力。若将超导储能装置与STA TCOM配合，可以实现系统有功功率的快速调节，这是以往任何的常规设备不能胜任的。FACTS技术也在不断改进，一些新的FACTS装置被开发出来，例如可转换静止补偿器（Convertible Static Compensator），它由多个同步电压源逆变器构成，可以同时控制2条以上线路潮流（有功、无功）、电压、阻抗和相角，并能实现线路之间功率转换。可转换静止补偿器具有下列功能：（1）静止同步补偿器的并联无功补偿功能；（2）静止同步串联补偿器的功能；（3）综合潮流控制器功能；（4）控制2条线路以上潮流的线间潮流控制（IPFC）功能；CSC被认为是第3代灵活交流输电装置。 电力电子器件的发展趋势是：一方面研制经济性能好的器件，以便降低设备造价；另一方面，研制开断功率更大的高性能器件。最近，国外公司宣布研制成功以碳化硅（SiC）为基片的电力电子器件。基片的耐压和热容量可大幅度提高，而元件的损耗却大大降低，从而使元件的断开功率可望有数量级的飞跃。这预示用电子高压断路器取代机械的高压断路器（油断路器、六氟化硫断路器、真空开关等）已成为现实的可能。如果电力系统的高压机械开关一旦被大功率的电子开关取代，则电力系统完全的灵活调节控制便将成为现实。 大功率电力电子器件的重大进展电力电子学（Power Electronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（High Power Electronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。近10多年来，可控整流器(SCR)、可关断的晶闸管(GTO)、MOS控制的晶闸管(MCT)、绝缘门极双极性三极管(IGBT)等大功率高压开关器件的开断能力不断提高。目前，已经生产出6 kA、6 kV的GTO，单个元件的开断功率可达到30 MW左右，这无疑是一个巨大的进步。近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质电力技术（Custom Power）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为下世纪的电力研究前沿。同步开断(Synchronized Switching)是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。在理论上应用同步开断技术可完全避免电力系统的操作过电压。这样，由操作过电压决定的电力设备绝缘水平可大幅度降低，由于操作引起设备（包括断路器本身）的损坏也可大大减少。目前，高压开关都是属于机械开关，开断的时间长、分散性大，难以实现准确的定相开断。目前的同步开断设备是应用一套复杂的电子控制装置，实时测量各种影响开断时间分散性的参量变化，对开断时刻的提前量进行修正。即便采取了这种代价昂贵的措施，由于机械开关特性决定，还不能做到准确的定相开断，设计人员还不敢贸然降低电气设备的绝缘水平，以防同步开断失败造成设备损毁。因此，同步开断的优势没有发挥出来。实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关。美国西屋公司已制造出13 kV、600A、由GTO元件组成的固态开关，安装在新泽西州的变电站中使用。GTO开断时间可缩短到1/3 ms，这是一般机械开关无法比拟的。现在，由固态开关构成的电容器组的配电系统“软开关”已问世。

4 直流输电技术高压直流输电是应用换流技术将交流电转换为直流电输送到落点处再逆变为交流的一种输电技术。它的优点是：可以用来实现异步联网；在输电距离超过临界距离时比交流输电更经济；利用相同的线路走廊可比交流输送更多的电力；适合于跨海送电等。端对端直流输电已是一种成熟的远距离输电技术。全球己建成了57个直流输电工程，10项正在建设中，主要用于联网、远距离输电和跨海送电等。端对端的直流输电犹如没有出口的直达高速路，线路不能中途落点。它对受端电网的容量、落点在同一负荷区的多条直流输电线路之间的电气距离等有严格的要求。因此，现在的直流输电技术的应用范围受到一定的限

制。为了解决直流输电多电源供电、多落点受电问题，研究出多端直流输电技术。已投运的多端直流输电工程是加拿大－美国的五端直流输电工程。由于控制器协调困难等原因，目前实际上只有三端接人运行。新一代直流输电系统正在研究开发之中。新系统有望大幅度简化设各、减少换流站的占地、降低造价。由于采用可关断的电力电子器件组成换流器，换流过程不受受端系统短路容量的影响，新系统不会出现换相失败和多条直流输电线路落点在同一负荷区时发生的相互影响等问题。新一代的直流输电技术实用化的关键在于电力电子技术的突破和造价的大幅度降低。直流输电已是成熟技术。造价较高是其与交流送电竞争的不利因素。新一代的直流输电是指进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价的技术。直流输电性能创新的典型例子是轻型直流输电系统（Light HVDC），它采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力，从而使中等容量的输电在较短的输送距离也能与交流输电竞争。此外，可关断的器件组成换流器，由于采用可关断的电力电子器件，可以免除换相失败之虞，对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统（海上石油平台、海岛）的供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源.

5 状态维修技术状态维修技术（Condition Based Maintenance）可以包涵可靠性为中心的维修技术（RCM）和预测维修技术（PDM）。5.1应用背景这2项技术最初是应用于航空航天系统，后来移植应用于核电站的维修，近年已成功地用于发电厂设备的维修，并正在用于输变电设备的检修。电力系统的可靠性在很大程度上取决于电力设施的可靠性。随着电网容量的增大和用户对供电可靠性要求的提高，维修管理的重要性日益显现出来。维修费用占电力成本的比例也不断提高。一座现代化核电站的运行维修费用已超过燃料费用。如何采取合理的维修策略和正确决定维修计划，以保证在不降低可靠性的前提下节省维修费用，便成为电力部门或负责设备维修的公司面临的重要课题。近年来，由于电力体制的改革，电力设备的维修也开始进入市场，过去电力部门独家负责设备维修的局面已被打破，电力设备制造部门也开始介入维修这一领域。由于设备制造商对设备的设计和薄弱环节了如指掌，加上备品备件来源有保证，往往在承接维修合同的竞争中处于有利地位。 电力部门对于设备的运行状况十分熟悉，对系统中可能出现的各种电气、热、机械应力和气象影响因素十分了解，承担维修任务也具有优势。竞争促进了技术的发展。过去电力设备维修常用的定时检修（Time based Maintenance）和以定时检修为基础，根据经验决定延长或缩短维修周期的做法已不能满足需要，需要发展新技术。 5.2 主要技术内容以可靠性为中心的维修（RCM）和预测性维修是互相紧密联系而又不同的2个技术领域。以可靠性为中心的维修（Reliability centered Maintenance）是在对元件的可能故障对整个系统可靠性影响评估的基础上决定维修计划的一种维修策略。RCM技术在60年代末开始发展起来。当时由于宽体客机的投运，系统变得十分复杂，航空系统沿用定时大修的传统方法在经济上变得不可接受。根据元件故障后果的严重程度确定维修计划的RCM收到了良好效果，使航空系统可靠性提高。现在RCM已成为全世界几乎所有航空公司采用的方法。 80年代美国EPRI将RCM 引入核电站的维修，后来又应用于火电厂，取得了提高可靠性和降低维修费用的目的。现在正在研究变电站设备的RCM技术。 预测性维修（Predictive Maintenance）是根据对潜伏故障进行在线或离线测量的结果和其他信息来安排维修的技术。其关键是依靠先进的故障诊断技术对潜伏故障进行分类和严重性分析（Criticality Analysis）,以决定设备（部件）是否需要立即退出运行和应及时采取的措施。 综上所述，电力设备状态维修技术涉及复杂大系统可靠性评价、先进的传感技术、信息采集处理技术、干扰抑制技术、模式识别技术、故障严重性分析、寿命估计等领域。 5.3 先进传感器先进的传感器(Advanced Sensor)是实现预测性维修的重要手段,是一个长盛不衰的研究热点。这是因为,故障诊断技术的发展首先决定

于能否获取尽可能多的有用信息，这是数据处理和诊断决策的基础。为了提高故障诊断水平，研究各种新型传感器便成为电力界的研究热点。原来用于军事的传感技术，也有一部分移植到电力设备的状态监测上来。例如，用于锅炉管道高温应变测量的光纤传感器，是带有内部谐振腔的光导纤维，它可直接贴在被测管道上。用于测量锅炉燃烧室中温度的传感器，是用氧化铝保护的铂电阻，其测量精度优于1%。美国电力研究院已开发出一种直接测量分析油中气体的金属*.绝缘子*.半导体传感器，它可在线直接测量和分析油中的4种气体并监视其变化趋势，现已用于一些电力部门的变压器。下一步工作是把测量微水的传感器和它集成起来，并配合负荷电流测量，弄清油中气体、水分随负荷的变化关系。 对紫外光下发萤光的一些传感器，可能会用于测量发电厂中的高温和应变。研究人员还在研究利用偏振光遥测电场和磁场的技术，研究用压电材料的薄膜来测量腐蚀和积尘，传感器测得数据的无线传输也是需要解决的一个重要问题。 5.4 故障诊断的信息处理技术对采集到的信号加工处理，要比采集信号本身更为困难，信号加工和处理的目标有3：从现场中大量的背景干扰信号中提取有用的信号；根据测得的信号进行故障分类；判断故障的严重程度，以便决定设备是否需要退出运行。 为抑制现场测量中不可避免的干扰，除了应用硬件滤波器和数字滤波技术以外，近年的研究发现小波变换技术可有效地滤除稳态信号（如现场测试中经常遇到的载波信号干扰和噪杂声干扰），可以把有用信号从比信号强几个数量级的干扰中提取出来。故障信号的分类则是更为困难的研究课题。过去用频谱来区分故障类型的方法有很大的局限性。因为许多不同类型的故障信号频谱往往有一部分甚至大部分是重叠的，在频域内很难加以区分。研究故障的“指纹特征”以及提取和识别指纹特征的方法便成为故障诊断研究的一个重要的分支。在研究的故障分类方法有：神经网络、专家系统、小波分析、分形维分析等。 6 电力自动化技术-数字电网技术数字电力系统（DPS）——21世纪的电力信息化概述电力系统是由原动机、发电机、电力网络、负荷、控制中心等组成的。原来的电力网络是不可控的。近年来，随着电力电子技术的发展，FACTS设备引入了电力网，使电力网络也变成是可控的了。在电力系统增加了灵活性的同时，也增加了它的复杂性。较为完善的监视控制与数据采集（SCADA）系统/能量管理系统（EMS），其中有31家投入了自动发电控制（AGC）功能，有33家投入了状态估计（SE）、调度员潮流（DPF）、静态安全分析（SA）、负荷预测（LF）等EMS应用软件基本功能，有29家建成了调度员培训仿真（DTS）系统；在这里提出数字电力系统（Digital Power System）的概念。首先给数字电力系统一个定义：它是某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地、形象化地、实时地描述与再现。数字电力系统可能包含以下内容：（1）电力系统的物理结构（也即真实结构）、其各组成部件（单元）及整体的物理性能、运行方式和运营策略、管理的模式、人员的信息等，（2）电力系统各个元件、各个网络、各节点的实时状态变量（State V ariables），（3）各种自动控制装置的动作特性（包括继电保护装置）。（4）发电厂、变电站主要设备的“健康”状态。（5）经济结构、市场信息。下个世纪，中国的电力市场必然要实行。将来的电价类似股票那样是要波动、变化的，比如半个小时刷新一次电价。电力市场的出现提出了新的问题，这就是“经济结构和市场的信息”包含的内容。（6）影响电力系统安全的特殊自然环境。比如某一条超高压线路正处于落雷区或者台风袭击中，可能造成灾害。数字电力系统应能及时提示运行人员给予特别关注，以免发生重大灾难。（7）科技管理阶层、技术人员管理信息。（8）环保指标和环保设备投入及运行情况。我国环保指标和环保问题被提到非常重要的高度，关系到可持续发展的问题。我国环保法将对于不能达到环保要求的工厂、企业给予重罚。环保设备水平和设备情况，也应由DPS实时地通报。（9）电力系统各个环节的实时效率。热力系统、汽轮机、发电机系统、网络损耗、用户、电压等环节的效率，数字电力系统应实时显报。（10）重要的信息。如人才信息、科教活动信息在数字电力系统上应有所记录和通报。1．数

字电力系统的功能1.1管理和决策的科学化要利用DPS帮助我国电力系统实现管理和决策的科学化。依助DPS可知晓管理层下达的指令在实际电力系统中产生的效果，这就是“指令效果反馈”。有了这样的反馈，管理层可进一步改进管理和决策，使效率提高。此外，电力系统是分层的，每一层要向上一级管理层通报信息，有了数字电力系统，就能很快地把这些信息及时收集起来，加以科学处理，向上一级通报。最终目的是实现全系统的高效管理。这就是DPS用所含有的高级M1S（管理信息系统）功能。1.2安全稳定性实时评估与改善对于电力系统最重要的是运行的安全性，这个问题在全世界均未得到很好解决，我国电力系统也出现过稳定破坏的重大事故。20世纪，美国发生过六七次大范围、灾难性的稳定破坏停电事故。这告诫我们要更加关注电力系统的安全与稳定问题。首先要实时地对系统进行安全评估。在系统正常运行时，应给出“忧患预告”，实时告知系统薄弱所在，需给以特别注意。系统实时稳定域的变化和状态点所处位置应予以实时显现。实际上电力系统有一个稳定域，而这个稳定域是随运行情况的变化而改变的，但因为没有DPS，运行人员不能看到它。稳定域的实时变化和状态点在稳定域中的运动轨迹可依助DPS图形化地显示。同时，还可给出改善安全稳定性的建议和策略。有了数字电力系统，就可以不断地对电力系统的安全稳定性进行再评估、再调整，以达到最佳的安全运行状态。1.3经济运行策略制定和实行在日常运行中，DPS可给出在满足安全稳定约束条件下、在市场运行规则指导下的全系统经济运行策略（这里讲的经济运行不是“自私”的经济运行，它必须考虑环保指标的确保）及在正常运行时，DPS应给出使运行状态恶化的因素提示，如某个节点的电压指标在下降，或某2个主要节点之间的功率角在不断扩大等。虽然没有发生事故，DPS应告诉人们恶化的原因及应采取的措施，即在正常运行时，DPS将对系统经济指标作实时显报，不断地给出现时系统整体经济效率、网络损耗和热效率等信息，并且给出如何减少损耗、提高效率的建议和方案。1.4紧急控制的实施电力系统遭受故障后，可通过紧急控制加以镇定，达到保持安全运行的目的。DPS可告知运行人员，故障发生的地点及何种故障。如单相短路，重合闸是否成功等。故障后，电力系统要进人暂态过程，重要发电机组的摇摆曲线应能依助DPS 加以显示，并给出采取何种紧急控制的建议。在最紧急的情况下，DPS亦可超过调度人员而直接施行控制，称“越权紧急控制”。但DPS这种越权要有严格规定，只有在最必要的情况下才能实行。经过DPS建议下的调度人员或DPS的直接紧急控制，最后使电力系统状态重新回到安全稳定域内。1.5最适解列方案实施对于一个电力系统，无论采取多么好的控制，如果把干扰视为一个球的话，球的半径超过一定限度时，电力系统的稳定将会遭到破坏。这时，DPS将给出最佳的解列方案。把一个大系统分解成几个独立的孤岛。解列后的系统，每一个孤岛的电源和负荷应基本平衡。不要象美国1996年事故那样，有的孤岛主要是电源，有的主要是负荷，这样会扩大事故。1.6最速恢复策略制定系统解列后，DPS将给出最佳的恢复策略建议，以流程图形式给出恢复操作程序。1.7科学研究、系统规划设计DPS 在电力系统科学研究和系统规划设计中将起到重要作用。如对于正在规划设计中的三峡电力系统要做一系列研究工作。我们曾在俄罗斯一个70多台模拟发电机组的物理模拟电力系统中，进行三峡系统的研究工作。事实上，有了DPS，就可以利用它对现实和未来系统进行深入细致的研究。下图给出了数字电力系统图像化的思考。图的右边是一个运行中的电力系统，左边是一个DPS。DPS通过实时数据通信，软跟踪这个实时的电力系统。如上所述，DPS在正常运行时给出建议，通过调度人员进行闭环；在最紧急的情况下，紧急地、不通过调度人员进行闭环，再“通知”调度人员，刚才进行了什么操作，产生了什么效果等。如果没有DPS（现在的系统就是这样），调度管理人员在运行中是相当盲目的，发生突然故障后不知道电力系统中发生了什么问题，产生什么后果，稳定域如何变化，状态点在稳定域的什么位置。如果发生了故障，调度人员茫然不知所措，甚至进行误操作，1996年、l997年美国西部电力系统发生事故后的情况就是如此。如果有DPS帮助，电力系统运行的安全性和

稳定性会得到极大提高。实现电能的高效利用，将会发挥重要作用。灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。