譯者序

原書前言

第1章輸電網前沿技術集成的中期路線圖

1.1輸電繫統的演化

1.1.1歐洲（或歐盟）

1.1.2美國

1.1.3全球電力繫統未來的焦點

1.1.4歐洲案例：泛歐地區輸電網絡面對的五大挑戰

1.1.5對2030年泛歐洲輸電繫統的展望

1.2針對TSO的歐洲中期技術路線圖

1.2.1技術集成路線圖的適用範圍

1.2.2支持輸電繫統的既定創新技術

1.2.3技術集成路線圖的概述

1.2.4無源設備集成技術路線圖

1.2.5有源設備技術集成路線圖

1.2.6實時監控設備的技術集成路線圖

1.3結論

參考文獻

第2章新型電纜

2.1輸電電纜的發展簡史

2.2技術綜述

2.2.1電纜的基本組成

2.2.2擠包絕緣電纜繫統

2.2.3自容式充油電纜繫統

2.2.4其他類型的電纜

2.2.5電氣參數

2.3擠包絕緣電纜交流輸電的可靠性及運行歷史

2.3.1輸電電纜的運行

2.3.2電纜安裝

2.4長距離輸電

2.4.1特高壓交流電纜的輸電距離

2.4.2對網絡的影響及並聯補償

2.5高壓直流輸電電纜

2.5.1粘性浸漬紙絕緣高壓直流電纜繫統

2.5.2高壓直流擠包絕緣電纜

2.5.3其他類型的高壓直流輸電電纜

2.5.4陸地輸電用高壓直流電纜

2.5.5高壓直流輸電電纜的主要特性

2.6輸電電纜的電氣應力

2.6.1交流電纜的電氣應力

2.6.2直流電纜的電氣應力

2.6.3高壓直流電纜工程

2.7電纜對環境的影響

2.8電磁場

2.9電纜繫統的投資成本

2.10其他革新技術

2.10.1超導電纜

2.10.2高溫超導電纜的設計

2.10.3高溫超導電纜的特點

2.11氣體絕緣線路

參考文獻

第3章實時熱容評定繫統

3.1實時熱容評定繫統的背景

3.2技術綜述

3.2.1建立實時熱容評定繫統的目的

3.3實時熱容評定繫統與輸電繫統運營商的運營

3.4高壓輸電線路中設置實時熱容評定繫統的益處

3.5有關實時熱容評定繫統的說明

3.5.1分布式溫度傳感器的設計原則

3.6實時熱容評定繫統中分布式溫度傳感器繫統的應用

3.7動態實時熱容評定繫統與僅采用分布式溫度傳感器的繫統的比較

3.8實時熱容評定繫統的實現

3.9繫統檢驗的專用檢測電路

3.9.1電纜設計

3.9.2測試電路的供電

3.9.3測試電路的特性

3.9.4估算地面熱阻率

3.9.5電阻測量值的確定

3.9.6額定電流的計算

3.9.7參數監測及傳感器

3.10繫統功能

3.10.1繫統描述數據庫

3.10.2數學模型

3.10.3人機界面

3.10.4硬件要求

3.10.5現場輸入

3.10.6輸出

3.10.7用戶的數據采集與監控設備直接輸入/輸出

3.11分布式溫度傳感器的測量方法

3.11.1未受干擾的地面溫度

3.12實時數據庫

3.13數學計算

3.14圖形用戶界面的特點

3.14.1圖形用戶界面

3.14.2警報窗口

3.14.3數據的歷史變化趨勢

3.15測試結果

3.15.1電纜發熱

3.16運行經驗

3.17結論

參考文獻

第4章柔性交流輸電繫統設備

4.1歷史和技術背景

4.2技術回顧

4.2.1並聯控制器

4.2.2串聯控制器

4.2.3復合控制器

4.2.4FACTS設備的可靠性和可用性

4.3FACTS設備的主要技術特征總結

4.4經濟性和環境方面

4.4.1簡介

4.4.2FACTS的經濟層面分析

4.4.3FACTS對環境的影響

4.5FACTS在網狀電網中的整合規劃

4.5.1FACTS在現代電力繫統發展中的潛力

4.5.2傳輸擁塞緩解和提高容量

4.5.3FACTS應用實例

4.5.4未來趨勢

4.6總結

參考文獻

第5章高壓直流輸電

5.1簡要歷史背景和展望

5.2技術綜述

5.2.1電網換相CSC HVDC

5.2.2自換相VSC HVDC

5.2.3可靠性和可用性

5.2.4VSC HVDC嵌入同步電網的影響

5.2.5多端HVDC輸電

5.2.6遠距離電力傳輸

5.3經濟和環境方面

5.3.1HVDC輸電設備的成本要素

5.3.2HVDC輸電線路的環境影響

5.4精選至今仍在運行中的HVDC輸電項目

5.4.1歐洲的HVDC輸電項目

5.4.2美洲的HVDC輸電項目

5.4.3非洲的HVDC輸電項目

5.4.4亞洲的HVDC輸電項目

5.4.5總結和經驗教訓

5.5輸電網絡集成HVDC繫統的規劃

5.5.1HVDC面向現代電力繫統發展的潛力

5.5.2輸電阻塞的減輕和容量的增加

5.5.3異步運行的電網間的耦合

5.5.4海上風電場的連接

5.6結論

參考文獻

第6章電力潮流控制設備的協調方法

引言

6.1為什麼需要進行電力潮流設備的協調

6.2協調PST的現行技術途徑

6.2.1容量分配過程中PST的協調

6.2.2在TSO日前操作安全規劃中PST的協調性

6.2.3實時操作中PST的協調

6.2.4PST設備在北美的實時操作

6.3PFC設備協調控制的新方法

6.3.1關於PFC協調繫統以前的工作

6.3.2對方法的分析

6.3.3未來協調方法的一般性討論

6.4總結

6.4.1容量分配

6.4.2日前安全計劃

6.4.3實時協調

參考文獻

第7章電能存儲：提高未來電力繫統靈活性的新選擇

7.1未來的電力繫統需要提高靈活性

7.2電能存儲的定義

7.3電能存儲在電網運行中的作用

7.3.1電能存儲在輸電繫統中的作用

7.3.2電能存儲在配電繫統中的作用

7.4歐洲未來儲能技術發展的推動力

7.5儲能技術在歐洲的應用及發展前景

7.5.1物理儲能

7.5.2電磁儲能和靜電儲能

7.5.3化學儲能

7.5.4蓄熱

7.6儲能在美國和日本的應用前景

7.6.1儲能在美國的應用前景

7.6.2儲能在日本的應用前景

7.7儲能技術的技術成熟度及成本

7.8儲能商業應用的效益前景

7.8.1孤島電力繫統儲能

7.8.2英國蘇格蘭奧克尼群島的電力儲能站

7.9結論

參考文獻

附錄

附錄A先進傳輸技術的術語解釋

A.1高溫超導（HTS）電纜

A.2氣體絕緣線路（GIL）

A.3高溫導線（HTC）

A.4移相變壓器（PST）

A.5基於實時熱評定（RTTR）的電纜/線路

A.6廣域監測繫統（WAMS）/同步相量（PMU）

A.7高壓直流輸電（HVDC）

A.8柔性交流輸電繫統（FACTS）

A.9風力抽水蓄能及風機快速停機狀況下的電能供應

A.10壓縮空氣儲能（CAES）

A.11飛輪儲能（FES）

A.12超導磁儲能（SMES）

A.13鈉硫（NaS）電池

A.14液流體電池（功率/能量存儲）

A.15超級電容器（儲能）

A.16鋰離子電池

A.17故障限流器（FCL）

A.18新型輸電塔

附錄B參考文獻

B.1背景

B.2路線圖和相關規範

B.3超導電纜

B.4PST

B.5基於RTTR的電纜和線路

B.6GIL

B.7HTC

B.8WAMS/PMU

B.9HVDC

B.10FACTS

B.11儲能技術

B.12限流器

B.13新型輸電塔

關於作者

譯者序

進入21世紀以來,新一輪能源革命的序幕已經拉開。隨著經濟的發展、社會的進步、科技和信息化水平的提高及全球資源與環境問題的日益突出,能源的合理開發利用、電網的協調發展面臨著新的課題和新的挑戰。尤其是近年來,綠色能源、低碳變革已經在世界範圍內成為一種發展趨勢, 水力發電、風力發電、太陽能發電等可再生能源發電得到了國家政策的扶持,我國可再生能源發電產業處於迅速發展的階段。在能源結構調整的大背景下,我國電網的發展已步入一個全新的智能電網階段。建設智能電網,是開發利用清潔能源、建設科學合理的能源利用體繫的迫切要求,是滿足經濟社會可持續發展要求的重大選擇,更是時代賦予我國電力工業的歷史性重任,關繫到經濟社會發展和國計民生。

而智能化的輸電網無疑是智能電網建設的重中之重。

全國聯網的逐步增強,智能電網建設步伐加快，以及新能源產業日漸興旺,這一切使得電力繫統對安全、高效、穩定運行等條件的要求越來越高,電力行業的多種變革無不對輸電網智能化的創新技術和先進設備的應用產生強烈的需求。

本書作者親自參與了由歐盟委員會分布式發電能源組織出資的研究項目——REALISEGRID，在歷時三年研究中發現，雖然有關輸電網的各項新技術的一些細節已發表過大量研究成果，但缺乏對它們的全面闡述，更缺乏對輸電網各種新技術一體化集成發展的未來願景的研究，以及對各種新技術進行成本效益評估時所必需的信息和專家知識。作者全面介紹了REALISEGRID項目對於未來輸電網先進技術發展的中期路線圖，闡明了每項技術在達到成熟水平之前面臨的關鍵問題。依據輸電網目前的研究熱點，選取了具有代表性的可預期成果的六項新設備技術，包括新型輸電電纜、電纜的實時熱容評定繫統、柔性交流輸電、高壓直流輸電、電力繫統潮流控制協調技術和儲能技術，論述了每種技術的特征、利弊，概述它們在電力繫統規劃階段的指南，給出了它們接入繫統後在經濟和環境方面影響的寶貴的數據，並介紹了一些工程實例或樣機。

全書取材於工程實際項目的研究成果，又進行了全面深化和完善，內容層次分明，數據豐富，信息充沛。每種技術各自獨立成章，方便讀者各取所需。本書是一本反映現代電力繫統輸電網先進技術、學術水平較高的專著。

在新一輪能源和信息技術創新蓬勃發展的今天，搶占輸電網相關先進技術領域和產業制高點無疑是我國電力工業發展的重要機遇。本書恰恰為我們展示了歐盟各國電力運營商們在這方面的努力和研究成果。它山之石，可以攻玉。我國電力行業及相關行業專業技術人員，不僅可以從本書借鋻歐洲輸電網先進技術發展的理念，還可以找到許多感興趣的技術細節。

本書譯者來自幾所高校的電力繫統及其自動化專業。其中，前言、第1、5、6章及部分附錄由朱革蘭翻譯，第2~4章及部分附錄由劉楊華翻譯，第7章由韓新瑩翻譯，並由朱革蘭進行統稿，同時張勇軍參加了部分內容的翻譯並對全書進行審校，另外劉澤槐、劉倫、李欽豪、孫舒逸、楊雨瑤、胡鑫、張錫填、劉宇新、盛建蘭等研究生也參與了本書的翻譯工作。

翻譯工作難以完美，由於譯者水平有限，書中難免存在錯誤不妥之處，深望讀者批評指正。

譯者 原 書 前 言

歐洲電力繫統近幾年的發展速度非常快，主要是因為受到兩方面重要力量的聯合作用：可再生能源（Renewable Energy Sources，RES）的快速增長，尤其是風能和太陽能電站；能源跨境貿易的發展。前一個使北歐到南歐軸線（見圖0.1）上的潮流持續增長，使得RES潛力大的地區（特別是北海海上風場和南歐的太陽能）和RES潛力較低但負載大的中歐地區聯繫起來。然而，由於風力發電和太陽能發電自身特有多變的運行狀況，它們可能連續幾小時發電過剩，而在另一些時段可能發電不足。在發電過剩的情況下，多餘的電量必須輸送到幾個儲能裝置（在當前主要限於抽水蓄能電站）；而在發電不足的情況下，為了補償發電“缺口”，儲能裝置中存儲的能量必須釋放出來。為了緩解風電場由於儲能資源的不足、負載和發電量必須實時嚴格匹配的困境，應不斷推動儲能裝置的應用。

另一方面，電能在不同國家的電力市場間尋找套利機會，這種跨境貿易的不斷發展給現有的跨境骨干網絡帶來了壓力，因為跨境聯網初的目的是提供電源的相互支撐而不是轉運大量商業性質的潮流。從理論上來說，在新的局面下，為實現彙流繫統的跨境聯網功能，所有限制功率傳輸的瓶頸都應該從網絡中移除。相比之下，歐洲大量的輸電基礎設施資產已經老化，不得不更換。

但是，由於強烈反對的民意和一個國家內部及不同國家之間的所有復雜、不和諧的授權生效程序，新建輸電線路正變得越發困難。這是建成新發電廠所需時間（幾年）和建設新的電氣聯絡所需時間（十年以上）之間存在巨大差距的主要原因之一。

圖0.1歐洲可再生能源潛力

除了上述輸電繫統的演變，配電繫統也發生著關鍵性的變化。相對於輸電繫統，傳統配電繫統使用的先進技術較少。就這一點而言，為保證電網發展的優化和經濟，輸電繫統運營商（Transmission System Operator，TSO）和配電繫統運營商（Distribution System Operator，DSO）之間有必要進行密切的互動。

為了解決上述問題，創新型輸電技術的應用將起到關鍵作用。創新型輸電技術的目標在於使現有的繫統“更加智能”，如更加靈活、對突然的條件變化反應更靈敏，且有能力處理大量的間歇性電源。

所有這些趨勢和問題促成了歐洲研究項目“REALISEGRID”（http：//realisegrid.rseweb.it）。該項目的目的在於開發出一套標準、指標、方法和工具，來評估輸電基礎設施的發展方案，從而支撐歐盟（European Union，EU）實現可靠的、有競爭力的和可持續發展的電力供應。“REALISEGRID”項目由歐盟委員會分布式發電能源組織共同組建，其重要的主題如下：

對輸電新技術的使用進行評估，來輔助電網規劃；

對能處理強易變性繫統的新規劃方法論進行研究；

對建立輸電主干網優先擴展路徑進行綜合分析與驗證；

對管理規定進行分析，從而在處理公眾輿論問題中能幫助實現更為快速、有效的決策過程；

對TSO構建有效激勵的報酬機制。

在協調“REALISEGRID”項目的三年中，我發現，盡管圍繞電力繫統的新技術這個主題已經出版了大量的書籍和論文，但是在電力繫統相關利益各方的期望和現狀之間還存在顯著的分歧。事實上，雖然對單項技術（如FACTS



FACTS：Flexible Alternative Current Transmission System，柔性交流輸電繫統。

HVDC：HighVoltage Direct Current，高壓直流輸電。

WAMS：Wide Area Measurement System，廣域監測繫統。

、HVDC或WAMS）的技術細節已不需要做更多介紹，但現有的科學文獻實際上在以下幾方面沒能提供有效的內容：

對比不同的技術，突出各自的利與弊；

解釋每項技術在繫統內所能扮演的角色；

概述每項技術在電力繫統的規劃階段能從哪些方面起輔助作用；

提供成本和效益的定性和定量（可能的話）的評估依據，以幫助建立商業案例和比較不同的投資可選方案（如新建架空線、電纜和提升現有設施利用率的新技術之間的比較）。

這些思考促使我和其他作者整理了“REALISEGRID”項目的成果，並用更多的數據和更深入的分析完善它們。這樣做也是為了使地理視野從歐洲擴大到全世界。

本書按以下章節組織：

第1章輸電網前沿技術集成的中期路線圖。首先介紹了推動輸電繫統不斷變化的關鍵趨勢和先進輸電技術帶來的機遇。接著給出了一個案例分析——集合進入泛歐洲電力繫統的有前景的先進輸電技術的中期路線圖，這是歐盟資助項目“REALISEGRID”（2008—2011）的框架。繪制該技術集合路線圖考慮了基於輸電網及其特征、發展的繫統性的方法。分析過程從並行的技術視角來完善，該技術視角聚焦於有前景的技術方案當前和預期的進展。路線圖由連續的層級組成，包括從TSO角度出發的泛歐洲輸電繫統的未來中期願景、推動該願景實現的過程中輸電繫統面對的嚴峻挑戰、引入候選技術方案預期總體效益及引入關鍵技術面對的挑戰。

第2章新型電纜。第2章研究了與新型地下電纜的技術性能及其對輸電繫統的影響相關的各個方面。海底電纜適用於地區之間穿過海洋利用島嶼時的互連，也適用於海上工廠（風電場或石油平臺）的互連。電纜是實現海底項目技術可行的方案。地下電纜和海底電纜從輸電網初級階段就一直在使用。傳統中，電纜的應用局限於輸電連接中架空線無法使用或難以使用的那些線路部分，如城市、工廠及海底這樣的情況。輸電繫統運營商們更加偏向於使用架空線的原因主要是經濟方面（架空線更便宜）。但是，不管怎樣也有一些技術層面的原因，也就是第2章將涉及的情況，仍然需要使用電纜。電力電纜技術的發展是一個十分緩慢的過程。由於減少投資成本和風險的需要，相關人員通常偏向於成熟的技術。現在有一種基於XLPE（Crosslinked Polyethylene，交聯聚乙烯）的商用固體絕緣技術，簡單而且對處理和維護的工藝要求較低，這主要是因為可利用預制配件（連接頭和終端）。在不久的將來，“智能電纜”的采用將會有力地推動HVAC和HVDC地下輸電線成為現實。另外，針對采用新型HVDC電纜技術實現大型輸電基礎設施或能源通道的可行性，第2章將會做特別的研究。

第3章實時熱容評定



RealTime Thermal Rating，RTTR。

繫統。第3章描述了動態增容繫統，即現在稱為實時熱溫度監測繫統的技術，並特地描述了其性能。這類繫統允許實時監測關鍵線路的熱環境，識別出變化的趨勢和處於危險的條件，以在達到真正的熱極限之前做出反應。在件和繫統特征的描述之後，第3章列舉了一個用於測試這種現場控制應用的全比例的實驗室樣機繫統。對實時測量結果和基於數學模型的理論預測進行了比較，以同時論證RTTR應用在可靠性和提升輸電容量兩方面的可行性和固有優勢。第3章也突出說明了在高壓和超高壓繫統中的現場應用的例子。

第4章柔性交流輸電繫統設備。第4章的目的是闡述FACTS的主要特征。這些基於電力電子的設備有可能在有限的環境影響下提高輸電網容量及繫統的靈活性、安全性和可控性。FACTS可能給輸電網規劃者提供有效的方法，去解決當前在規劃電網時遇到的一些問題。在闡述各種FACTS技術的特征之後，第4章給出了經濟和環境方面極其重要的數據。在評估此類設備接入繫統後對經濟和環境的影響時這些要素是必需的。另外，第4章不僅提供通用的規劃指南，還提供了一些特定的應用實例。第4章終的目標是提出FACTS的關鍵要素並提供指南，以支持在可選的加強設備中包含FACTS時選擇合理的擴展方案的決策。

第5章高壓直流輸電。第5章的目的是闡述HVDC技術的主要特征。近五十年以來，HVDC技術不僅在特定的長距離和海底輸電中已廣泛地使用，也廣泛用於非同步繫統中以防止大擾動的傳播。然而不管怎樣，在接下來的幾年時間裡，基於新型電壓源換流器的技術將帶來顯著的優勢，包括在網狀繫統中配置多端繫統以連接不同的海上風場。在闡述各種HVDC技術的特征之後，第5章給出了經濟和環境方面極其重要的數據。在評估此類設備接入繫統後對經濟和環境的影響時這些要素必需的。第5章不僅描述了通用的規劃指南，也描述了一些特定的應用實例。第5章終的目標是提出HVDC的關鍵要素並支持即用來在可選的加強設備中包含HVDC時選擇合理的擴展方案的決策。

第6章電力潮流控制設備的協調方法。第6章的目的是說明歐洲協調潮流控制設備的現有的方法，並綜述未來有前景的用於協調控制的方法。為了展示現有的TSO間協調程序可能的進一步的改進，第6章提供了新發展的潮流控制設備協調方法，並通過評估不同種類的應用的優缺點進行了比較。後，第6章給出了在未來以提升輸電總體容量為目標時應如何改進電力潮流控制設備協調方法的建議。

第7章電能存儲：提高未來電力繫統靈活性的新選擇。第7章提出了影響輸電網規劃和運行的電力儲能的關鍵技術。在對由輸電繫統內件的調度引起的問題做出綜述之後，第7章提出了不同電力儲能技術的技術特征，並提供了經濟和環境方面的數據，對此類技術的技術經濟和環境評估而言這些數據是必需的。

本書還給出了一份附錄，解釋了輸電技術家族一繫列具體的技術術語。每一節都簡短介紹相關技術的關鍵功能、應用和改進方法。該附錄可提供有用的參考。

包含的技術如下：

高溫超導（High Temperature Superconducting，HTS）電纜

氣體絕緣線路（GasInsulated Line，GIL）

高溫（HighTemperature，HT）導體

移相變壓器（PhaseShifting Transformer，PST）

基於RTTR的電纜/線路

WAMS/相量（Phasor Measurement Unit，PMU）

HVDC

FACTS

抽水蓄能與風力發電結合的特征

壓縮空氣儲能（Compressed Air Energy Storage，CAES；ACAES）

飛輪儲能（Flywheel Energy Storage，FES）

超導磁儲能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）

鈉硫（NaS）電池

液流電池（電力/能量存儲）

超級電容（儲能）

鋰離子電池

限流器

新型輸電塔

為了方便閱讀，每一章都是獨立構成的。這將為那些有特定興趣的讀者提供便利。

總之，我和本書的其他作者都希望，本書能對電力繫統新技術進行繫統性的闡述以彌補一個重大的信息空白，並幫助讀者獲取關於這些技術在輸電繫統中重要的應用的信息。

一方面，學術界將會發現若沒有那些電力繫統中有日常管理經驗的人的支持，數據和“實用”的信息很難得到。順便說一下，很多歐洲輸電繫統運營商和電力繫統主要的制造商，已經在“REALISEGRID”項目中提供了它們的專家知識，而且這些經驗在本書已經被充分地利用。

另一方面，電氣領域的利益相關方尤其是繫統規劃方，可以發現本書很多寶貴的數據和專家知識，在日常的工作中也是很有價值的。