2.2 靈活交流輸電技術(FACTS)

    靈活的交流輸電系統(tǒng)(FACTS)是80年代后期出現(xiàn)的新技術，近年來在世界上發(fā)展迅速。專家們預計在未來這項技術將在電力輸送和分配方面將引起重大變革，對于充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源和實現(xiàn)電能的高效利用，將會發(fā)揮重要作用。

    靈活交流輸電技術是指電力電子技術與現(xiàn)代控制技術結(jié)合以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。

    FACTS技術的出現(xiàn)和應用的背景是：(1)發(fā)展電力市場的需要。原作為公用事業(yè)之一的電力面臨著"放松管制"(Deregulation)的改革。一些國家頒布法令規(guī)定用戶可以發(fā)電并售電給電網(wǎng)，允許電力用戶可自由選擇供電者，允許實行躉售托送(Wholesale Wheeling)，某些地區(qū)甚至允許實行電力零售托送。發(fā)電廠和電力用戶可以根據(jù)協(xié)議通過電網(wǎng)售受電力。電網(wǎng)作為電力市場的物質(zhì)載體，即發(fā)電廠和電力用戶間電力輸送和分配的通道，需要滿足對電力潮流靈活調(diào)節(jié)控制的要求，而常規(guī)的交流輸電系統(tǒng)卻很難適應這一變化。

    (2)發(fā)展互聯(lián)電網(wǎng)的需要。在發(fā)達國家已形成了緊密相連、多電壓等級的復雜互聯(lián)電網(wǎng)。由于電路定則使然，電網(wǎng)內(nèi)部線路及聯(lián)絡線在運行中實際的潮流分布與這些線路的設計輸送能力相差甚遠；一部分線路已過載或接近穩(wěn)定極限，而另一部分線路卻被迫在遠低于線路額定輸送容量下運行。這就提出了靈活調(diào)節(jié)線路潮流、突破瓶頸限制、增加輸送能力，以充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源的要求。發(fā)達國家由于環(huán)保的嚴格限制，新建輸電線路十分困難，使得這一要求更為迫切。

    傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電力潮流的措施，如機械控制的移相器、帶負荷調(diào)變壓器抽頭、開關投切電容和電感、固定串聯(lián)補償裝置等，只能實現(xiàn)部分穩(wěn)態(tài)潮流的調(diào)節(jié)功能，而且，由于機械開關動作時間長、響應慢，無法適應在暫態(tài)過程中快速靈活連續(xù)調(diào)節(jié)電力潮流、阻尼系統(tǒng)振蕩的要求。因此，電網(wǎng)發(fā)展的需求促進了靈活交流輸電這項新技術的發(fā)展和應用。近年來，靈活交流輸電技術已經(jīng)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。

    盡管靈活交流輸電技術已在多個輸電工程中得到應用，并證明了它在提高線路輸送能力、阻尼系統(tǒng)振蕩、快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功、提高系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的優(yōu)越性能，但其推廣應用的進展步伐比預期的要慢。主要原因有：工程造價比常規(guī)的解決方案高，因此，只有在常規(guī)技術無法解決的情況下，用戶才會求助于FACTS技術；FACTS技術還需要進一步完善。目前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(diào)配合問題；FACTS裝置與已有的常規(guī)控制、繼電保護的銜接問題；FACTS控制納入現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)問題等等。也有專家認為，F(xiàn)ACTS技術尚不能更快推廣應用是因為電力部門對新技術持謹慎觀望態(tài)度，只有相當成熟的技術才會大規(guī)模應用。

    隨著電力電子器件的性能提高和造價降低，以電力電子器件為核心部件的FACTS裝置的造價會降低，可能會在不遠的將來比常規(guī)的輸配電方案更具競爭力。國際大電網(wǎng)會議展開了有關STATCOM與SVC性能價格比的討論，不少專家認為，由于STATCOM不需要采用大量的電容器就可以實現(xiàn)無功的快速調(diào)節(jié)，而電容器的價格多年比較穩(wěn)定，不大可能大幅度下降；相反，電力電子器件的價格會不斷降低，故預計STATCOM會比SVC(靜止無功補償器)更有競爭力。若將超導儲能裝置與STATCOM配合，可以實現(xiàn)系統(tǒng)有功功率的快速調(diào)節(jié)，這是以往任何的常規(guī)設備不能勝任的。

    FACTS技術也在不斷改進，一些新的FACTS裝置被開發(fā)出來，例如可轉(zhuǎn)換靜止補償器(Convertible Static Compensator)，它由多個同步電壓源逆變器構(gòu)成，可以同時控制2條以上線路潮流(有功、無功)、電壓、阻抗和相角，并能實現(xiàn)線路之間功率轉(zhuǎn)換。可轉(zhuǎn)換靜止補償器具有下列功能：(1)靜止同步補償器的并聯(lián)無功補償功能；(2)靜止同步串聯(lián)補償器的功能；(3)綜合潮流控制器功能；(4)控制2條線路以上潮流的線間潮流控制(IPFC)功能；CSC被認為是第3代靈活交流輸電裝置。
 
    電力電子器件的發(fā)展趨勢是：一方面研制經(jīng)濟性能好的器件，以便降低設備造價；另一方面，研制開斷功率更大的高性能器件。最近，國外公司宣布研制成功以碳化硅(SiC)為基片的電力電子器件�；�片的耐壓和熱容量可大幅度提高，而元件的損耗卻大大降低，從而使元件的斷開功率可望有數(shù)量級的飛躍。這預示用電子高壓斷路器取代機械的高壓斷路器(油斷路器、六氟化硫斷路器、真空開關等)已成為現(xiàn)實的可能。如果電力系統(tǒng)的高壓機械開關一旦被大功率的電子開關取代，則電力系統(tǒng)完全的靈活調(diào)節(jié)控制便將成為現(xiàn)實。

    2.3 定質(zhì)電力技術

    定質(zhì)電力(Custom Power)技術是應用現(xiàn)代電力電子技術和控制技術為實現(xiàn)電能質(zhì)量控制，為用戶提供用戶特定要求的電力供應的技術。

    現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對提高供電的可靠性、改善電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。在現(xiàn)代企業(yè)中，由于變頻調(diào)速驅(qū)動器、機器人、自動生產(chǎn)線、精密的加工工具、可編程控制器、計算機信息系統(tǒng)的日益廣泛使用，對電能質(zhì)量的控制提出了日益嚴格的要求。這些設備對電源的波動和各種干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量的惡化可能會造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，產(chǎn)生重大損失。

    重要用戶為保證優(yōu)質(zhì)的不間斷供電，往往自己采取措施，如安裝不間斷電源(UPS)，但是這并不是經(jīng)濟合理的解決辦法。根本的出路在于供電部門能根據(jù)用戶的需要，提供可靠和優(yōu)質(zhì)的電能供應。因而，便產(chǎn)生了以電力電子技術和現(xiàn)代控制技術為基礎的定質(zhì)電力技術(Custom Power �㏕echnology)。

    為提高配電網(wǎng)無功調(diào)節(jié)的質(zhì)量，已開發(fā)出用于配電網(wǎng)的靜止無功發(fā)生器(D�睸TATCOM)。它由儲能電路、GTO或IGBT變換電路和變壓器組成。它的功能是快速調(diào)節(jié)電壓，發(fā)生和吸收電網(wǎng)的無功功率，同時可以抑制電壓閃變。這是"定質(zhì)電力"的關鍵設備之一。此外，靜止無功發(fā)生器和固態(tài)開關配合，可在電網(wǎng)發(fā)生故障的暫態(tài)過程中保持電壓恒定。另一關鍵設備是動態(tài)電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer)，它由直流儲能電路、變換器和級次串聯(lián)在供電線路中的變壓器構(gòu)成。變換器根據(jù)檢測到的線路電壓波形情況，產(chǎn)生補償電壓，使合成的電壓動態(tài)保持恒定。無論是短時的電壓低落或過電壓，通過DVR均可以使負載上的電壓保持動態(tài)恒定。

    2.4 新型直流輸電技術

    直流輸電已是成熟技術。造價較高是其與交流送電競爭的不利因素。新一代的直流輸電是指進一步改善性能、大幅度簡化設備、減少換流站的占地、降低造價的技術。直流輸電性能創(chuàng)新的典型例子是輕型直流輸電系統(tǒng)(Light HVDC)，它采用GTO、IGBT等可關斷的器件組成換流器，省去了換流變壓器，整個換流站可以搬遷，可以使中型的直流輸電工程在較短的輸送距離也具有競爭力，從而使中等容量的輸電在較短的輸送距離也能與交流輸電競爭。此外，可關斷的器件組成換流器，由于采用可關斷的電力電子器件，可以免除換相失敗之虞，對受端系統(tǒng)的容量沒有要求，故可用于向孤立小系統(tǒng)(海上石油平臺、海島)的供電，今后還可用于城市配電系統(tǒng)，并用于接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。

    2.5 同步開斷技術

    同步開斷(Synchronized Switching)是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開或閉合。在理論上應用同步開斷技術可完全避免電力系統(tǒng)的操作過電壓。這樣，由操作過電壓決定的電力設備絕緣水平可大幅度降低，由于操作引起設備(包括斷路器本身)的損壞也可大大減少。目前，高壓開關都是屬于機械開關，開斷的時間長、分散性大，難以實現(xiàn)準確的定相開斷。目前的同步開斷設備是應用一套復雜的電子控制裝置，實時測量各種影響開斷時間分散性的參量變化，對開斷時刻的提前量進行修正。即便采取了這種代價昂貴的措施，由于機械開關特性決定，還不能做到準確的定相開斷，設計人員還不敢貿(mào)然降低電氣設備的絕緣水平，以防同步開斷失敗造成設備損毀。因此，同步開斷的優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來。

    實現(xiàn)同步開斷的根本出路在于用電子開關取代機械開關。美國西屋公司已制造出13 kV、600A、由GTO元件組成的固態(tài)開關，安裝在新澤西州的變電站中使用。GTO開斷時間可縮短到1/3 ms，這是一般機械開關無法比擬的�，F(xiàn)在，由固態(tài)開關構(gòu)成的電容器組的配電系統(tǒng)"軟開關"已問世。

    2.6 未來全可控的電力系統(tǒng)

    現(xiàn)在的電力系統(tǒng)由于還依賴高壓機械開關(油斷路器、六氟化硫斷路器、真空開關等)實現(xiàn)線路、設備、負荷的投切，尚不能做到完全可控。這是因為機械的慢過程不可能控制電的快過程。"電網(wǎng)控制"目前只能做到部分控制，本質(zhì)上仍然是一個調(diào)度員的決策支持系統(tǒng)。如果電力系統(tǒng)的高壓機械開關一旦被大功率的電子開關取代，則電力系統(tǒng)真正的靈活調(diào)節(jié)控制便將成為現(xiàn)實。

    3 狀態(tài)維修技術

    狀態(tài)維修技術(Condition Based Maintenance)可以包涵可靠性為中心的維修技術(RCM)和預測維修技術(PDM)。

    3.1應用背景

    這2項技術最初是應用于航空航天系統(tǒng)，后來移植應用于核電站的維修，近年已成功地用于發(fā)電廠設備的維修，并正在用于輸變電設備的檢修。

    電力系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于電力設施的可靠性。隨著電網(wǎng)容量的增大和用戶對供電可靠性要求的提高，維修管理的重要性日益顯現(xiàn)出來。維修費用占電力成本的比例也不斷提高。一座現(xiàn)代化核電站的運行維修費用已超過燃料費用。如何采取合理的維修策略和正確決定維修計劃，以保證在不降低可靠性的前提下節(jié)省維修費用，便成為電力部門或負責設備維修的公司面臨的重要課題。

    近年來，由于電力體制的改革，電力設備的維修也開始進入市場，過去電力部門獨家負責設備維修的局面已被打破，電力設備制造部門也開始介入維修這一領域。由于設備制造商對設備的設計和薄弱環(huán)節(jié)了如指掌，加上備品備件來源有保證，往往在承接維修合同的競爭中處于有利地位。

    電力部門對于設備的運行狀況十分熟悉，對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種電氣、熱、機械應力和氣象影響因素十分了解，承擔維修任務也具有優(yōu)勢。競爭促進了技術的發(fā)展。過去電力設備維修常用的定時檢修(Time�瞓ased Maintenance)和以定時檢修為基礎，根據(jù)經(jīng)驗決定延長或縮短維修周期的做法已不能滿足需要，需要發(fā)展新技術。

    3.2 主要技術內(nèi)容

    以可靠性為中心的維修(RCM)和預測性維修是互相緊密聯(lián)系而又不同的2個技術領域。

    以可靠性為中心的維修(Reliability�瞔entered Maintenance)是在對元件的可能故障對整個系統(tǒng)可靠性影響評估的基礎上決定維修計劃的一種維修策略。RCM技術在60年代末開始發(fā)展起來。當時由于寬體客機的投運，系統(tǒng)變得十分復雜，航空系統(tǒng)沿用定時大修的傳統(tǒng)方法在經(jīng)濟上變得不可接受。根據(jù)元件故障后果的嚴重程度確定維修計劃的RCM收到了良好效果，使航空系統(tǒng)可靠性提高。現(xiàn)在RCM已成為全世界幾乎所有航空公司采用的方法。 80年代美國EPRI將RCM引入核電站的維修，后來又應用于火電廠，取得了提高可靠性和降低維修費用的目的�，F(xiàn)在正在研究變電站設備的RCM技術。

    預測性維修(Predictive Maintenance)是根據(jù)對潛伏故障進行在線或離線測量的結(jié)果和其他信息來安排維修的技術。其關鍵是依靠先進的故障診斷技術對潛伏故障進行分類和嚴重性分析(Criticality Analysis),以決定設備(部件)是否需要立即退出運行和應及時采取的措施。

    綜上所述，電力設備狀態(tài)維修技術涉及復雜大系統(tǒng)可靠性評價、先進的傳感技術、信息采集處理技術、干擾抑制技術、模式識別技術、故障嚴重性分析、壽命估計等領域。

    3.3 先進傳感器

    先進的傳感器(Advanced Sensor)是實現(xiàn)預測性維修的重要手段,是一個長盛不衰的研究熱點。這是因為,故障診斷技術的發(fā)展首先決定于能否獲取盡可能多的有用信息，這是數(shù)據(jù)處理和診斷決策的基礎。為了提高故障診斷水平，研究各種新型傳感器便成為電力界的研究熱點。原來用于軍事的傳感技術，也有一部分移植到電力設備的狀態(tài)監(jiān)測上來。例如，用于鍋爐管道高溫應變測量的光纖傳感器，是帶有內(nèi)部諧振腔的光導纖維，它可直接貼在被測管道上。用于測量鍋爐燃燒室中溫度的傳感器，是用氧化鋁保護的鉑電阻，其測量精度優(yōu)于1%。

    美國電力研究院已開發(fā)出一種直接測量分析油中氣體的金屬*.絕緣子*.半導體傳感器，它可在線直接測量和分析油中的4種氣體并監(jiān)視其變化趨勢，現(xiàn)已用于一些電力部門的變壓器。下一步工作是把測量微水的傳感器和它集成起來，并配合負荷電流測量，弄清油中氣體、水分隨負荷的變化關系。

    對紫外光下發(fā)螢光的一些傳感器，可能會用于測量發(fā)電廠中的高溫和應變。研究人員還在研究利用偏振光遙測電場和磁場的技術，研究用壓電材料的薄膜來測量腐蝕和積塵，傳感器測得數(shù)據(jù)的無線傳輸也是需要解決的一個重要問題。

    3.4 故障診斷的信息處理技術

    對采集到的信號加工處理，要比采集信號本身更為困難，信號加工和處理的目標有3：從現(xiàn)場中大量的背景干擾信號中提取有用的信號；根據(jù)測得的信號進行故障分類；判斷故障的嚴重程度，以便決定設備是否需要退出運行。

    為抑制現(xiàn)場測量中不可避免的干擾，除了應用硬件濾波器和數(shù)字濾波技術以外，近年的研究發(fā)現(xiàn)小波變換技術可有效地濾除穩(wěn)態(tài)信號(如現(xiàn)場測試中經(jīng)常遇到的載波信號干擾和噪雜聲干擾)，可以把有用信號從比信號強幾個數(shù)量級的干擾中提取出來。

    故障信號的分類則是更為困難的研究課題。過去用頻譜來區(qū)分故障類型的方法有很大的局限性。因為許多不同類型的故障信號頻譜往往有一部分甚至大部分是重疊的，在頻域內(nèi)很難加以區(qū)分。研究故障的"指紋特征"以及提取和識別指紋特征的方法便成為故障診斷研究的一個重要的分支。在研究的故障分類方法有：神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)、小波分析、分形維分析等。

    4 電磁兼容技術

    電磁兼容(EMC)是指設備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何其他事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容技術是一門迅速發(fā)展的交叉學科，涉及電子、計算機、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以至人民生活各個方面。在當今信息社會，隨著電子技術、計算機技術的發(fā)展，一個系統(tǒng)中采用的電氣及電子設備數(shù)量大大增加，而且電子設備的頻帶日益加寬，功率逐漸增大，靈敏度提高，聯(lián)接各種設備的電纜網(wǎng)絡也越來越復雜，因此，電磁兼容問題日顯重要。
 
    電力系統(tǒng)中，在電網(wǎng)容量增大、輸電電壓增高的同時，以計算機和微處理器為基礎的繼電保護、電網(wǎng)控制、通信設備得到廣泛采用。因此，電力系統(tǒng)電磁兼容問題也變得十分突出。例如，集繼電保護、通信、SCADA功能于一體的變電站綜合自動化設備，通常安裝在變電站高壓設備的附近，該設備能正常工作的先決條件就是它能夠承受變電站中在正常操作或事故情況下產(chǎn)生的極強的電磁干擾。此外，由于現(xiàn)代的高壓開關常常與電子控制和保護設備集成于一體，因此，對這種強電與弱電設備組合的設備不僅需要進行高電壓、大電流的試驗，同時還要通過電磁兼容的試驗。GIS的隔離開關操作時，可以產(chǎn)生頻率高達數(shù)兆赫的快速暫態(tài)電壓。這種快速暫態(tài)過電壓不僅會危及變壓器等設備的絕緣，而且會通過接地網(wǎng)向外傳播，干擾變電站繼電保護、控制設備的正常工作。隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，電磁兼容技術的重要性日益顯現(xiàn)出來。

    4.1 電磁兼容技術的主要內(nèi)容和發(fā)展趨勢

    電力系統(tǒng)電磁兼容的主要內(nèi)容包括：

    (1)電磁環(huán)境評價。即通過實測或數(shù)字仿真等手段，對設備在運行時可能受到的電磁干擾水平(幅值、頻率、波形等)進行估計。例如，利用可移動的電磁兼容測試車對高壓輸電線路或變電站產(chǎn)生的各種干擾進行實測，或通過電磁暫態(tài)計算程序?qū)�可能產(chǎn)生的瞬變電磁場進行數(shù)字仿真。電磁環(huán)境評價是電磁兼容技術的重要組成部分，是抗干擾設計的基礎。

    (2)電磁干擾耦合路徑。弄清干擾源產(chǎn)生的電磁搔擾通過何種路徑到達被干擾的對象。一般來說，干擾可分為傳導型干擾和輻射型干擾2大類。傳導干擾是指電磁搔擾通過電源線路，接地線和信號線傳播到達對象所造成的干擾，例如，通過電源線傳入的雷電沖擊源產(chǎn)生的干擾；輻射干擾是指通過電磁源空間傳播到達敏感設備的干擾。例如，輸電線路電暈產(chǎn)生的無線電干擾或電視干擾即屬于輻射型的干擾。研究干擾的耦合途徑，對制定抗干擾的措施，消除或抑制干擾有重要的意義。

    (3)電磁抗擾性評價。研究電力系統(tǒng)中各種敏感的設備儀表，如繼電保護、自動裝置、計算機系統(tǒng)、電能計量儀表等耐受電磁干擾的能力。一般是采用試驗來模擬運行中可能出現(xiàn)的干擾并在設備盡可能接近工作條件下，試驗被試設備是否會產(chǎn)生誤動或永久性損壞。設備的抗擾性決定于該設備的工作原理，電子線路布置、工作信號電平，以及所采取的抗干擾措施。隨著電力系統(tǒng)中各種自動化系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的廣泛采用，隨著強電設備與強電設備集成為一體的趨向，如何評價這些設備耐受干擾的能力、研究實用和有效的試驗方法，制定評價標準將成為電力系統(tǒng)電磁兼容技術的重要課題。

    (4)抗干擾措施，電磁干擾的產(chǎn)生和耦合。敏感設備是不可能完全避免電磁搔擾的。因此，往往比較經(jīng)濟合理的解決辦法是在敏感設備上應用抗干擾措施。例如，電力調(diào)度大樓遭受雷擊是不可避免的。但通往系統(tǒng)和調(diào)度自動化系統(tǒng)的安全運行可通過正確的接地、屏蔽、隔離措施加以保證。研究有效經(jīng)濟和適用的抗干擾措施也是未來電磁兼容領域的重要任務。

    (5)電能質(zhì)量。國際大電網(wǎng)會議36學術委員會(電力系統(tǒng)電磁兼容)把電能質(zhì)量控制也列入電磁兼容的范疇，研究頻率變化、諧波、電壓閃變、電壓驟降等對用戶設備性能的影響。

    4.2 電磁場生態(tài)影響

    公眾對工頻電磁場對人體健康可能產(chǎn)生有害影響的疑慮，已成為一些國家高壓輸電發(fā)展的重要制約因素。致游離輻射，如X射線、伽馬射線對人體健康產(chǎn)生有害的影響已經(jīng)為人所熟悉。非致游離輻射(Non�瞚onizing Radiation),包括低頻電磁場是否對生物系統(tǒng)，特別是對人類的健康產(chǎn)生有害影響，始終是一個懸而未決的問題。

    盡管全球的科學家對此進行了大量的研究，由于此問題極其復雜，至今尚難以得出結(jié)論。預測未來需要開展更多的研究課題。