實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)是一場廣泛而深刻的變革。習(xí)近平總書記在中共中央政治局第三十六次集體學(xué)習(xí)時指出，要加大力度規(guī)劃建設(shè)以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系。
新能源大規(guī)模開發(fā)并網(wǎng)使電力系統(tǒng)“雙高”“雙峰”特征日益凸顯，復(fù)雜的能源供需優(yōu)化平衡需要最大限度獲取電力系統(tǒng)各節(jié)點的信息。新形勢下，應(yīng)圍繞基礎(chǔ)測量理論、先進(jìn)采集技術(shù)、量傳溯源體系、安全密鑰防護(hù)及計量技術(shù)監(jiān)督等方面發(fā)展智能量測技術(shù)，逐步實現(xiàn)電力系統(tǒng)可觀、可測與靈活互動，服務(wù)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建。
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對量測技術(shù)提出新需求
新能源隨機(jī)功率注入，考驗測量響應(yīng)水平。光伏發(fā)電、風(fēng)電等新能源的隨機(jī)波動性強(qiáng)，非線性用電設(shè)備不斷增加，向電網(wǎng)注入大量諧波，波形可能呈現(xiàn)震蕩等非穩(wěn)定形態(tài)，或伴有瞬時沖擊、諧波超限等極端量。
源網(wǎng)荷儲維持動態(tài)平衡，產(chǎn)生全景感知需求。新型電力系統(tǒng)中，源、網(wǎng)、荷、儲等要素間快速聯(lián)動，導(dǎo)致電網(wǎng)變化過程更加頻繁。為實現(xiàn)電網(wǎng)全景感知，需要通過冗余方式或虛擬量測的方式實現(xiàn)量測無縫布點，以實現(xiàn)所有觀測點全面覆蓋。
分布式電源優(yōu)化控制，亟須提升反饋能力。新能源特別是分布式電源逐漸成為發(fā)電主力，在有序用電、電網(wǎng)穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)高滲透接入新能源最優(yōu)控制，需要不斷提升量測快速反饋能力。
建設(shè)準(zhǔn)確穩(wěn)定、廣泛感知的智能量測基礎(chǔ)設(shè)施
面對構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對智能量測技術(shù)提出的新需求，應(yīng)建設(shè)與新型電力系統(tǒng)相適應(yīng)的智能量測基礎(chǔ)設(shè)施，夯實精密測量基礎(chǔ)理論，建設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，加快新一代用電信息采集體系與電學(xué)量傳溯源體系建設(shè)，以準(zhǔn)確穩(wěn)定、高速互聯(lián)、廣泛感知的智能量測基礎(chǔ)設(shè)施驅(qū)動新型電力系統(tǒng)運行。
●夯實精密測量基礎(chǔ)理論，實現(xiàn)全景信息靈敏感知
新能源發(fā)電因具有隨機(jī)波動性與電力電子裝置響應(yīng)特性，在電力系統(tǒng)中引入了極端量和復(fù)雜信號，使得現(xiàn)有量測方法、精密材料、核心器件無法有效適配。
精密測量方法研究方面，提升現(xiàn)有測量/計量裝置的技術(shù)水平、強(qiáng)化各類傳感器測量能力，將對新型電力系統(tǒng)二次側(cè)感知能力改進(jìn)有明顯的影響。應(yīng)著重突破誤差控制、測量屏蔽等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，研究高動態(tài)、寬范圍暫態(tài)信號的無損、低噪采集。
基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵材料方面，我國的精密材料制造在屬性和長期穩(wěn)定性方面與國外存在差距。未來應(yīng)進(jìn)一步探索更小、更實用的材料，同時注重系統(tǒng)沖擊等因素給測量材料帶來的物理、化學(xué)等本質(zhì)影響，尤其需要強(qiáng)化鐵磁基材、精密電阻等方面的生產(chǎn)工藝研究。
新型傳感器件與核心裝備制造方面，應(yīng)發(fā)揮智能傳感對新型電力系統(tǒng)監(jiān)測能力提升的放大作用。面向光伏設(shè)備、風(fēng)機(jī)等場景，推廣直流電能表、抗直流偏磁電流互感器；聚焦模數(shù)轉(zhuǎn)換、高穩(wěn)定電源、精密放大器等“卡脖子”器件，推動熱、壓、磁、光、場、氣等傳感器件的小型化、智能化。
●加快用電信息采集體系升級，提升源網(wǎng)荷儲互動能力
國家電網(wǎng)有限公司在“十三五”期間建成的用電信息采集系統(tǒng)覆蓋終端超過5.1億用戶。近日，新一代用電信息采集系統(tǒng)在6個單位試點上線，進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。
采集對象向多元化發(fā)展，使電力系統(tǒng)的潮流從單向流動向多向流動轉(zhuǎn)變，從而使規(guī)?；膹V義負(fù)荷出現(xiàn)，也就是負(fù)荷中含有電源但仍然以電力負(fù)荷為主。因此，采集對象必須由單一的電力用戶轉(zhuǎn)向源-網(wǎng)-荷-儲全面覆蓋。采集系統(tǒng)除需兼容電、水、氣、冷、暖、油等能源終端外，還需支持碳計量終端、綜合環(huán)境量傳感裝置的兼容接入。
采集內(nèi)容向多樣化延伸，采集內(nèi)容將由單一的電能量采集向全狀態(tài)量感知轉(zhuǎn)變，由直接測量向間接測量轉(zhuǎn)變。目前，公司已試點開展居民、工商業(yè)負(fù)荷辨識，獲取更加詳細(xì)的用電數(shù)據(jù)，支撐服務(wù)政府監(jiān)管、用電安全、節(jié)能減排等業(yè)務(wù)。
采集架構(gòu)向敏捷化演進(jìn)，未來新型電力系統(tǒng)數(shù)十億計采集設(shè)備高頻率曲線采樣，將產(chǎn)生高達(dá)千億級的數(shù)據(jù)和上千萬峰值計算載荷，需要提升系統(tǒng)容器化+微服務(wù)+中臺架構(gòu)數(shù)據(jù)承載能力。接入網(wǎng)將向低功耗、快響應(yīng)、高可靠和易實施的多模無線通信方式升級，通過即插即用、多協(xié)議適配無縫接入用戶內(nèi)部電器和工業(yè)自動化系統(tǒng)，服務(wù)生產(chǎn)生活。
●完善電學(xué)量傳溯源體系，保障系統(tǒng)量值準(zhǔn)確可靠
2021年，公司計量專業(yè)加快量子標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)突破，國網(wǎng)計量中心協(xié)同各省級電力公司研制量子電流調(diào)控試驗平臺、基于量子精密磁測量的互感器樣機(jī)，完成量子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方案設(shè)計。
應(yīng)建設(shè)高精度時頻量值體系，搭建公司系統(tǒng)時間頻率溯源比對平臺，提升故障測距、相量測量、雷電定位、合并單元等裝置的授時能力，推進(jìn)基于北斗、5G的高精度網(wǎng)絡(luò)授時在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，并在終端側(cè)研究時延狀態(tài)估計與測量修正方法，在系統(tǒng)側(cè)實現(xiàn)分級節(jié)點比對。
新型電力系統(tǒng)對測量的準(zhǔn)確性和實時性提出了更高的要求，目前基于電磁原理提升標(biāo)準(zhǔn)器準(zhǔn)確性存在較大技術(shù)難度。近年來，國際單位制基本物理量全面量子化，量子技術(shù)逐漸成為重塑計量體系的中堅力量。應(yīng)構(gòu)建全系列量子電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)交直流電能、電壓、電流方面應(yīng)用。
具有測量功能的傳感器將逐步在新型電力系統(tǒng)中普及，形成規(guī)模龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)有實物、逐級、長鏈條的量值溯源方式不能滿足多樣化、大規(guī)模傳感器量值傳遞需求，應(yīng)建設(shè)扁平化傳感量傳溯源網(wǎng)絡(luò)。
強(qiáng)化智能量測支撐保障
除了相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)外，未來還需要強(qiáng)化智能量測支撐保障，重點聚焦新型電力系統(tǒng)信息安全防護(hù)，提升電力系統(tǒng)物聯(lián)設(shè)備、信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的安全水平。同時需通過提高計量技術(shù)監(jiān)督能力，保障電力系統(tǒng)計量器具裝備質(zhì)量。
●筑牢安全密鑰防護(hù)屏障，保障終端/平臺運行安全
具有通信功能傳感器的廣泛接入，網(wǎng)上辦電、新能源汽車、綜合能源服務(wù)、智能家居、分布式光伏發(fā)電等新興業(yè)務(wù)的興起，5G、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)大規(guī)模引入，給電力系統(tǒng)信息安全防護(hù)也提出了更高要求。
高彈性是電網(wǎng)提高接入和配置能力的必然趨勢，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邊界難以適應(yīng)電網(wǎng)彈性靈活的接入要求，無法進(jìn)行動態(tài)控制。因此，需加強(qiáng)新能源發(fā)電、虛擬電廠、綜合能源系統(tǒng)等局域型電力系統(tǒng)的接入認(rèn)證和準(zhǔn)入控制，構(gòu)建可動態(tài)調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)安全邊界。
應(yīng)研發(fā)適配物聯(lián)終端的輕量級密碼模塊，滿足傳感器等弱計算能力終端的安全防護(hù)需求，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)全場景、全業(yè)務(wù)覆蓋，提升新型電力系統(tǒng)設(shè)備安全防護(hù)能力。
應(yīng)打造電力密碼服務(wù)生態(tài)體系，提高電力密碼服務(wù)供給質(zhì)量，降低業(yè)務(wù)密碼應(yīng)用的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)成本，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，保障電力供應(yīng)安全。
●建設(shè)計量技術(shù)監(jiān)督體系，保障計量器具裝備質(zhì)量
相較于一次設(shè)備，智能量測設(shè)備存在使用壽命和故障率方面的不足。公司已具備覆蓋電能表、互感器等計量設(shè)備的全性能檢測能力，未來需要進(jìn)一步適應(yīng)測量裝置質(zhì)量管控的更高要求。
目前，以新型傳感器、智能控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、自動化成套生產(chǎn)線為代表的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)體系已初步形成。應(yīng)提升智能化檢測能力，實現(xiàn)智能工業(yè)系統(tǒng)與計算、分析、感應(yīng)融合，以及故障自動診斷、設(shè)備智能維修。
電能計量裝置的準(zhǔn)確可靠是保障電力現(xiàn)貨交易結(jié)算公平公正的基礎(chǔ)。隨著高比例新能源和高比例電力電子設(shè)備的接入，電網(wǎng)運行方式更加復(fù)雜，對計量準(zhǔn)確性提出了更高要求。需建設(shè)廣域在線監(jiān)測體系，開展面向關(guān)口電能表、互感器等設(shè)備的在線監(jiān)測，建立廣域節(jié)點模型，實現(xiàn)云端協(xié)同分析。
同時，應(yīng)圍繞體系質(zhì)量管控、設(shè)備互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用3個方面打造計量智慧實驗室，升級計量量傳業(yè)務(wù)系統(tǒng)，推動計量活動數(shù)字化管理，全面支撐計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型方案落地。
（作者單位：中國電力科學(xué)研究院有限公司）
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