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系统视角下的电网安全

编辑:北京正盛三维科技有限公司  字号:
摘要:系统视角下的电网安全
飓风“桑迪”袭击美国时,造成两座核电站停止工作,约310万用户停电。11月4日北京延庆的雪灾中,有15条高压供电线路出现故障。

全球每年都会发生因飓风、地震、暴雪等严重自然灾害造成的电网安全事件。此外,设备故障率、远距离输电、风电接入及互联电网的振荡等因素都会影响电网安全。如何采取科学、有效的措施减轻灾害对电力系统的影响已成为国家重大战略需求。

电网安全急需新技术

“自然灾害影响电网安全运行的重大事件每年都会发生,比如发生在我国汶川的地震,去年日本的地震和海啸,这次袭击美国的飓风‘桑迪’等,都带来严重电网安全事故。”武汉大学电气工程学院院长、清华大学教授孙元章对《中国科学报》记者说。

2003年8月14日,美国和加拿大东部地区出现北美历史上范围最大的停电,美国8个州以及加拿大安大略省的电力中断后,美国关闭了9座核电站。与此同时,我国在经济高速发展中,也发生了大范围电力短缺,有22个省市严重缺电。

2003年8月16日,国家主席胡锦涛作出批示:“有备才能无患,应吸取美、加停电事件的教训,认真研究电力系统安全问题,完善应急处理机制,确保电力生产和输配安全。”

但我国电网的互联使网络结构更复杂、分布地域更广、元件更多。对这种具有动、静态不确定性的非线性超大规模电力系统的分析和安全预警难度更大。我国长期沿用的基于局部信息的电力系统控制和静态安全防御系统难以满足安全要求。

为提高电力系统安全性的预防控制功能,急需研究大型电力系统动态安全评估的新理论与新方法。

“广域安全防御系统为电网安全提供了可能的技术平台,其特点是借助计算机、网络、通讯、全球卫星定位系统等技术,在数据获取、传输、处理方面的优势来发展电力系统新的在线实时监测与分析方法。其中,关键信息的获取以及基于这些关键信息的在线动态安全分析对决策至关重要。”孙元章说。

美、加大停电事故源于调度中心的能量管理系统工作异常,致使呈现“数据很多,信息不够”,继而发生连锁故障,最终酿成大停电。

孙元章认为,要达到电力系统广域安全防御的目的,不仅要构筑高度信息化和自动化的信息支持系统,更重要的是利用广域测量技术实现超大规模电力系统在线动态安全性分析和控制。而且,这也成为各国电力系统发展的主要方向。

瞄准重大战略需求

为解决国家电力发展中的重大战略需求问题,在孙元章完成青年科学基金、杰出青年基金和科学基金面上项目的基础上,基金委资助了孙元章团队提出的“电力系统广域安全防御体系基础理论及关键技术研究”项目申请。

“要完全避免重大灾害的影响极其困难,但从电网安全的角度看,建设好的电网结构和电源结构,加强预防预案的措施,可以把这类特种自然灾害对电网安全运行的影响降至最低程度。”孙元章说。

在科学基金资助下,孙元章团队建立了完整的电力系统非线性控制理论体系。该理论在电力系统小干扰和大干扰稳定控制的统一性,控制电网灵敏度等4个长期悬而未决的问题上取得突破,开发出具有自主知识产权的全数字式非线性最优 励磁控制器。

孙元章团队在实验室里建成了一个微电网系统,该系统可对电量和非电量作出测量,并将数据直接连上互联网。他们将模型结构、参数辨识和数字仿真、动态相量测量技术相结合,探索出超大规模电力系统动态安全分析的系统化建模和多时标尺度的综合仿真理论方法,创建了电力系统安全性和稳定性的在线动态预警理论,提出了基于广域信息的预警、保护和控制理论与方法,为我国超大规模电力系统在线动态安全防御体系提供了基础理论与关键技术。

在中电联和水力发电学会自动化专委会的帮助下,该团队与水科院自动化所、华中电力集团公司、东北电力集团公司、内蒙电力公司、广东电力集团公司、葛洲坝能达公司等单位合作,经过十多年努力,研制出GEC-Ⅰ型全数字式非线性最优励磁调节装置。该装置投入丰满水电厂、海勃湾电厂、沙角电厂、焦作电厂、沙岭子电厂、广东连州、韶关、大同一电厂以及浙江镇海电厂等百余台机组使用,提高了电网安全稳定性,产生了重大经济和社会效益。

该团队首次在实际互联电网内进行了基于广域信息的闭环连续控制,分别从云南、贵州、广东6个子站实时测量振荡信号,传送到位于广州的控制主站,产生的控制命令再下发给位于贵州高肇、兴安的直流整流站,通过对直流功率的快速调整实现区间振荡的有效抑制。通过天广直流单极700MW闭锁扰动试验、电网调度部门计算等结果表明,该系统相当于新增一条1000km的500kV线路,为国家节省上亿元投资。

孙元章等提出空间、时间、目标三维协调的新一代电网能量管理系统新概念和系统集成方法,实现了电网在线全局、实时闭环、综合预警和优化控制,其关键技术在国内18个省级以上电网推广,部分关键技术被美国最大的PJM电网采用。

将危害降至最低

影响电网安全的因素有多种,为提高设备的运行安全性,目前孙元章团队正在开展电网状态检修的研究工作,该研究有望降低设备的故障率。

“从我个人的研究中,主要研究电网的合理结构,如建立500kV及以上电压等级的坚强输电网、建立110kV至220kV具有合理结构的配电网,建立具有各种小型安全高效电源的微电网,能有效抵御特种自然灾害的攻击。”孙元章说。

在对大规模水电远距离外送方面,该团队正加强接纳水电的首端电网建设和运行研究;对于风电接入电网后的安全运行,研究人员已着手开展高精度风电功率预测、备用容量优化、储能、安全性分析理论和方法以及全网协调控制的研究工作,以应对风电功率波动对电网安全运行的影响。

“依托基金提供的资助,一大批专家学者投入到电力系统广域安全防御体系基础理论及关键技术的研究中,稳定了一支在国内从事基础研究的人才队伍,培养了一批该方向的博士、硕士。”孙元章说,“科学基金对我本人和我所在团队的研究起到了奠基作用,我们团队每年都有博士生到发达国家参与研究,或参加国际会议交流科研成果。”
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