□ 吳 彪
國網(wǎng)河南電科院項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)深入討論電網(wǎng)連鎖故障機(jī)理問題
“電,陰陽激耀也,從雨從申”,《說文解字》中曾用這樣的語言來描述電。從閃電開始,人類逐漸觀察到更多與電相關(guān)的自然現(xiàn)象,并不斷地深入思考、研究,直至了解并掌握了產(chǎn)生電的機(jī)理,逐步開啟了電氣時(shí)代。以電的發(fā)明和應(yīng)用為主要標(biāo)志的第二次科技革命極大地促進(jìn)了社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程,而電也日益成為現(xiàn)代社會(huì)中不可或缺的重要能源之一。如何確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,就成為影響國家發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。
隨著特/超高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)步建設(shè),我國目前已建成世界上電壓等級(jí)和直流輸電比例最高、同步機(jī)群規(guī)模最大和結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的交直流電力系統(tǒng)。然而,此類系統(tǒng)的連鎖故障存在著誘因多、特性雜、耦合強(qiáng)的特點(diǎn),一旦發(fā)生,極易引發(fā)大規(guī)模停電事故,繼而會(huì)導(dǎo)致社會(huì)經(jīng)濟(jì)蒙受巨大損失,迄今為止,約70%的大停電事故均由連鎖故障引發(fā)。
為了破解這一難題,國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱“國網(wǎng)河南電科院”)電網(wǎng)技術(shù)中心,在近10年的時(shí)間里,夜以繼日地緊密圍繞交直流電力系統(tǒng)連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)防范的重大工程需求,通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān),針對(duì)連鎖故障特點(diǎn),突破了連鎖故障整體動(dòng)力學(xué)建模、連鎖故障危險(xiǎn)路徑辨識(shí)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),最終形成了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交直流電力系統(tǒng)連鎖故障主動(dòng)防御技術(shù)體系。為我國供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行筑起了一道強(qiáng)有力的防線,實(shí)現(xiàn)了“電從遠(yuǎn)方來”的我國能源資源優(yōu)化配置。
隨著我國大型特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)的一體化特征愈加明顯,電網(wǎng)運(yùn)行的局部問題更易通過連鎖反應(yīng)傳播蔓延至整個(gè)聯(lián)合電網(wǎng)。此前發(fā)生的一次大規(guī)模停電事故就為人們敲響了警鐘。2006年7月1日,華中電網(wǎng)兩條并列運(yùn)行的500千伏線路誤動(dòng)跳閘,負(fù)荷全部轉(zhuǎn)到220千伏線路上,造成多臺(tái)發(fā)電機(jī)組跳閘,導(dǎo)致河南省5市停電,湖北、湖南、江西等鄰近省份也受到影響,華中全網(wǎng)失穩(wěn)振蕩,共計(jì)損失負(fù)荷380萬千瓦。顯而易見,連鎖故障已經(jīng)成為威脅電力系統(tǒng)安全的重要因素之一。
交直流電力系統(tǒng)主要由同步機(jī)群、交直流混聯(lián)電網(wǎng)和負(fù)荷組成,這就決定了其連鎖故障通常伴隨著初始故障、故障擴(kuò)散和振蕩崩潰3個(gè)階段。國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院副院長(zhǎng)余曉鵬,國網(wǎng)河南電科院電網(wǎng)技術(shù)中心張振安、饒宇飛及其團(tuán)隊(duì)成員在此領(lǐng)域深耕多年,屢次創(chuàng)新,最終在交直流電力系統(tǒng)連鎖故障整體建模、主動(dòng)預(yù)防及主動(dòng)阻斷方面取得多項(xiàng)創(chuàng)新成果與關(guān)鍵技術(shù)突破。他們創(chuàng)建了“微觀宏觀”協(xié)同的交直流電力系統(tǒng)連鎖故障整體動(dòng)力學(xué)建模及分析技術(shù),揭示了連鎖故障的自組織臨界發(fā)生機(jī)理,利用這一成果可實(shí)現(xiàn)暫態(tài)失穩(wěn)及直流閉鎖等主要連鎖故障傳播方式準(zhǔn)確高效的模擬。
與此同時(shí),他們還創(chuàng)建了交直流電力系統(tǒng)危險(xiǎn)故障路徑快速辨識(shí)和連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)主動(dòng)預(yù)防技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)了“風(fēng)險(xiǎn)源定位→危險(xiǎn)傳播路徑辨識(shí)→系統(tǒng)總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估→風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控”的連鎖故障主動(dòng)預(yù)防。此外,他們直面交直流電力系統(tǒng)連鎖故障阻斷由被動(dòng)型向主動(dòng)型轉(zhuǎn)變的技術(shù)瓶頸,通過多方合作協(xié)同創(chuàng)新,最終建立了交直流電力系統(tǒng)連鎖故障在線主動(dòng)阻斷技術(shù),研發(fā)了“全局協(xié)防→化整為零→分體存活”的主動(dòng)阻斷技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。
“豐碩的成果來源于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)多年來在保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面的技術(shù)積累?!闭劶绊?xiàng)目能夠順利推進(jìn)并取得一系列重大突破時(shí),余曉鵬介紹說。多年來,該團(tuán)隊(duì)一直為河南電網(wǎng)特高壓建設(shè)落地建言獻(xiàn)策,不僅提出了安全域理論,還建立了天中直流投運(yùn)后短路電流控制等策略。同時(shí)依托“電力系統(tǒng)運(yùn)行與安全防御實(shí)驗(yàn)室”有關(guān)特高壓交直流耦合特性的研究成果,相關(guān)人員多次參加國調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)聯(lián)合計(jì)算分析工作,深度把握了特高壓交直流耦合特性。除此之外,團(tuán)隊(duì)持續(xù)開展河南電網(wǎng)滾動(dòng)校核、安全事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、檢修方式風(fēng)險(xiǎn)校核、年度運(yùn)行方式計(jì)算等工作,筑牢全方位電網(wǎng)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)防控。這都為科研成果的取得奠定了基礎(chǔ)。
截至日前,項(xiàng)目研發(fā)的交直流電力系統(tǒng)連鎖故障仿真平臺(tái)、電網(wǎng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全預(yù)警系統(tǒng)以及連鎖故障在線主動(dòng)阻斷系統(tǒng),已廣泛應(yīng)用于河南、上海、四川、廣東、新疆5個(gè)省(直轄市、自治區(qū))的特/超高壓交直流電力系統(tǒng)、20多家省市電力公司及100多個(gè)電力工程項(xiàng)目,并取得了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益?;趪W(wǎng)河南電科院電網(wǎng)技術(shù)中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)的科研成果在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn),其研發(fā)項(xiàng)目“交直流電力系統(tǒng)連鎖故障主動(dòng)防御關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”榮獲了2018年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
項(xiàng)目科研成果榮獲2018年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)
“能用眾力,則無敵于天下矣;能用眾智,則無畏于圣人矣?!笨蒲谐晒强蒲泄ぷ髡邆兗w智慧的結(jié)晶,更是團(tuán)隊(duì)精誠合作所結(jié)的碩果。“交直流電力系統(tǒng)連鎖故障主動(dòng)防御關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目的順利完成,離不開團(tuán)隊(duì)成員的努力,也離不開合作單位的有力支持。
優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)是取得科研成果的有效保證,團(tuán)隊(duì)的集體智慧和奉獻(xiàn)精神共同鋪就了取得成果的科研之路。國網(wǎng)河南電科院電網(wǎng)技術(shù)中心的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正是一支富有朝氣且人才層次高的年輕團(tuán)隊(duì)。“我們團(tuán)隊(duì)有16名固定人員,平均年齡為35歲,其中高級(jí)工程師及以上占比50%,博士、碩士高學(xué)歷人才比例90%以上。”余曉鵬介紹說。與此同時(shí),為了進(jìn)一步提升團(tuán)隊(duì)的科研實(shí)力,國網(wǎng)河南電科院電網(wǎng)技術(shù)中心在2013年時(shí)與中國電力科學(xué)研究院簽訂了戰(zhàn)略合作框架協(xié)議。同時(shí)依照“開放、聯(lián)合、創(chuàng)新、競(jìng)爭(zhēng)”的運(yùn)行機(jī)制,針對(duì)電力系統(tǒng)連鎖故障領(lǐng)域前沿性的重大科學(xué)問題,與清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院等多家高等院校、科研單位建立了良好的科研合作關(guān)系。而聯(lián)合培養(yǎng)機(jī)制的確立也進(jìn)一步保障了科研人才的實(shí)力。譬如國網(wǎng)河南省電力公司博士后工作站掛靠國網(wǎng)河南電科院,同時(shí)國網(wǎng)河南電科院也與華北電力大學(xué)、重慶大學(xué)等建立了碩士研究生聯(lián)合培養(yǎng)機(jī)制。此外,除固定人員外,公司還通過走訪、來訪、會(huì)議等多種形式與國網(wǎng)江蘇電科院、國網(wǎng)湖南電科院等20余家同行開展技術(shù)交流。可以說正是這些有效舉措,為團(tuán)隊(duì)人才的培養(yǎng)提供了一個(gè)共享開放的技術(shù)交流平臺(tái),為科研工作提供了源源不斷的智力支持。
一分耕耘一分收獲,每一項(xiàng)科研成果的取得都凝結(jié)著科研人員的心血和付出。多年以來,國網(wǎng)河南電科院電網(wǎng)技術(shù)中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)始終將科研工作放在首位,時(shí)時(shí)刻刻踐行著“舍小家為大家”的敬業(yè)精神。在國網(wǎng)河南電科院主任張振安做完手術(shù)不久,還未完全康復(fù)的他就迫不及待地趕往工作一線,和大家共同攻堅(jiān)克難;在項(xiàng)目研發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期,國網(wǎng)河南電科院電網(wǎng)技術(shù)中心副主任饒宇飛生怕耽誤項(xiàng)目的進(jìn)度,在愛人生病時(shí)依舊選擇堅(jiān)守崗位……可以說團(tuán)隊(duì)每一位成員的拼搏與堅(jiān)守,都在為項(xiàng)目的順利進(jìn)行保駕護(hù)航。
尺有所短,寸有所長(zhǎng)。想要有效地破解科研難題,除了依靠自身過硬的本領(lǐng),還需要與相關(guān)單位的緊密配合。譬如在連鎖故障發(fā)生時(shí),需要從排列組合達(dá)10萬多種可能性的線路組合中確定故障發(fā)生的路徑,這對(duì)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)豐富但理論研究相對(duì)薄弱的國網(wǎng)河南電科院來說是一道解起來既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力的難題。為了能在最短的時(shí)間內(nèi)破解該難題,他們積極與該領(lǐng)域內(nèi)處于國際頂尖水平的研究團(tuán)隊(duì)——清華大學(xué)教授梅生偉所率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)通力合作,最終以最優(yōu)方式確定了最危險(xiǎn)的路徑,成功實(shí)現(xiàn)了連鎖故障發(fā)生的提前阻斷。
長(zhǎng)期以來,在張振安等科研領(lǐng)頭人的帶領(lǐng)下,團(tuán)隊(duì)一直致力于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及大停電事故防控方面的研究,緊扣特高壓聯(lián)網(wǎng)背景,立足河南電網(wǎng)實(shí)際,面向運(yùn)行和規(guī)劃,以“保障河南電網(wǎng)乃至特高壓聯(lián)網(wǎng)的安全”為目標(biāo),以“解決影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)際問題”為出發(fā)點(diǎn),堅(jiān)持科技創(chuàng)新引領(lǐng),強(qiáng)化成果轉(zhuǎn)化支撐,為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)保障。
憑借團(tuán)隊(duì)出色的科研能力,國網(wǎng)河南省電力公司此次作為“交直流電力系統(tǒng)連鎖故障主動(dòng)防御關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目負(fù)責(zé)單位,全面組織、管理和監(jiān)督了項(xiàng)目實(shí)施,并在其領(lǐng)銜下與合作單位一同在確保項(xiàng)目研究與應(yīng)用順利完成的同時(shí),形成了一批發(fā)明專利、軟件著作權(quán)和科技論文等科技創(chuàng)新成果。譬如,他們結(jié)合調(diào)度員實(shí)際操作和直流輸電系統(tǒng)故障特性,提出和完善了交直流系統(tǒng)連鎖故障模型,共同研發(fā)了交直流系統(tǒng)連鎖故障仿真平臺(tái);提出了交直流系統(tǒng)連鎖故障的關(guān)鍵路徑辨識(shí)方法,共同研發(fā)了電網(wǎng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全預(yù)警系統(tǒng);參與構(gòu)建了交直流系統(tǒng)的連鎖故障阻斷策略,主持研發(fā)了交直流系統(tǒng)連鎖故障在線主動(dòng)阻斷系統(tǒng)??萍际堑谝簧a(chǎn)力,目前該項(xiàng)目的相關(guān)科研成果已成功應(yīng)用于河南、廣東等電網(wǎng),并取得顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)“大電網(wǎng)安全穩(wěn)定自動(dòng)診斷系統(tǒng)”平臺(tái)
正如大海航行靠舵手,一支優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)的持久發(fā)展和快速成長(zhǎng)同樣離不開團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的正確引導(dǎo)。作為團(tuán)隊(duì)的引路人,國網(wǎng)河南省電力公司副總經(jīng)理安軍和余曉鵬等人就是團(tuán)隊(duì)其他成員的榜樣,他們不僅能夠準(zhǔn)確把握科研方向,緊跟前沿科技,并且?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)在科研之路上穩(wěn)步向前,不斷攀登一個(gè)又一個(gè)的科研高峰。
畢業(yè)于福州大學(xué)電力系統(tǒng)自動(dòng)化專業(yè)的余曉鵬,作為國家電網(wǎng)公司優(yōu)秀專家人才和科技信息領(lǐng)軍人才,項(xiàng)目研究期間擔(dān)任著國家電網(wǎng)公司“電力諧波特性分析評(píng)估技術(shù)”實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。他曾主持完成“特高壓聯(lián)網(wǎng)背景下大電網(wǎng)安全穩(wěn)定自動(dòng)診斷系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用”“特高壓交流輸電線路工頻參數(shù)測(cè)量技術(shù)研究”“河南電網(wǎng)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與應(yīng)用研究”“特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)安全防御體系研究與示范”等國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目10余項(xiàng),獲得省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)8項(xiàng),發(fā)明專利14項(xiàng),在電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電網(wǎng)技術(shù)等雜志發(fā)表論文20余篇。
正是在余曉鵬等人的帶領(lǐng)下,國網(wǎng)河南電科院科研團(tuán)隊(duì)在科研上不斷攻堅(jiān)克難,取得了一次又一次的突破創(chuàng)新,取得了多項(xiàng)具有代表性的成果。譬如,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期在連鎖故障防控領(lǐng)域開展深入研究,建設(shè)成了河南電力公司“電力系統(tǒng)運(yùn)行與安全防御實(shí)驗(yàn)室”。實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人張振安介紹說:“該實(shí)驗(yàn)室是國家電網(wǎng)河南省電力公司的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,裝備有一套全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)(ADPSS)和‘電力系統(tǒng)仿真云計(jì)算平臺(tái)’,并結(jié)合河南電網(wǎng)實(shí)際需求定制開發(fā)了‘大電網(wǎng)安全穩(wěn)定自動(dòng)診斷系統(tǒng)’‘大電網(wǎng)綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)’‘機(jī)電—電磁混合仿真系統(tǒng)’等。同時(shí)在大電網(wǎng)連鎖故障機(jī)理、特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)特性、并行計(jì)算等方面也取得了重大突破。”
依托該實(shí)驗(yàn)室,團(tuán)隊(duì)成員開展了一系列電網(wǎng)安全分析與仿真技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)課題研究,取得了豐碩成果:其中牽頭國網(wǎng)科技項(xiàng)目3項(xiàng),國網(wǎng)配合項(xiàng)目6項(xiàng),省公司立項(xiàng)12項(xiàng);共獲得中國電力科技進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng),國家電網(wǎng)科技進(jìn)步獎(jiǎng)4項(xiàng),河南省科技進(jìn)步獎(jiǎng)5項(xiàng);申請(qǐng)發(fā)明專利30余項(xiàng),發(fā)表論文50余篇,出版專著10余部。特別是在特高壓交直流運(yùn)行機(jī)理方面的相關(guān)成果,已在長(zhǎng)南荊示范工程和天中直流輸電工程中得到采納。而團(tuán)隊(duì)率先提出的基于電網(wǎng)三級(jí)安全穩(wěn)定導(dǎo)則的大電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)診斷技術(shù)也已推廣應(yīng)用到20多家省級(jí)電科院。
基于該平臺(tái),其研發(fā)的多項(xiàng)成果也屢獲嘉獎(jiǎng):“基于預(yù)想事故集的省級(jí)電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)診斷系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用”,獲2012年度國家電網(wǎng)公司科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng);“南陽特高壓主變投運(yùn)后區(qū)域電網(wǎng)連鎖故障特性分析及故障阻斷技術(shù)研究”,獲2014年度國家電網(wǎng)公司科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng);“基于多維目標(biāo)的技術(shù)改造與技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目功效的系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究”,獲2014年度河南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng);“哈鄭特高壓直流投運(yùn)后河南電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制和公司運(yùn)營策略研究”,獲2015年度河南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng);“特高壓交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)及防控關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”,獲2016年度河南省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
隨著能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,交直流電力系統(tǒng)連鎖故障主動(dòng)預(yù)防關(guān)鍵技術(shù)還需要在信息物理系統(tǒng)和多能互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)兩方面進(jìn)一步探索與擴(kuò)展?!半S著電力電子和信息技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代交直流電力系統(tǒng)可以視為一類超大規(guī)模信息/物理耦合系統(tǒng),其連鎖故障的發(fā)生機(jī)理、發(fā)展過程及其引發(fā)的系統(tǒng)災(zāi)變模式均有顯著變化?!蹦壳绊?xiàng)目組正開展相關(guān)研究,力爭(zhēng)提出一種信息物理相互依存關(guān)系分析方法,構(gòu)建信息物理系統(tǒng)連鎖故障傳播模型,給出惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊下連鎖故障預(yù)防、阻斷及恢復(fù)策略。
在多能互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)方面,余曉鵬介紹說:“多能互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)是一類典型的綜合能源系統(tǒng),通過電—?dú)狻獰岬炔煌问侥茉次锢硐到y(tǒng)的互聯(lián)互濟(jì),實(shí)現(xiàn)能量的高效、靈活及可靠利用。較電力系統(tǒng)而言,多能互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)連鎖故障誘因更為復(fù)雜,后果更為嚴(yán)重,例如2017年臺(tái)灣因供氣中斷引起的全島大停電事故?!被诖?,項(xiàng)目組目前正致力于在多能互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)連鎖故障整體動(dòng)力學(xué)建模、機(jī)理分析及其高效阻斷技術(shù)方面有所突破。
未來,他們將根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)一步深化研究,繼續(xù)密切關(guān)注青海直流工程進(jìn)度,深化研究電網(wǎng)運(yùn)行關(guān)鍵問題;同時(shí)力爭(zhēng)構(gòu)建安全防御策略閉環(huán)驗(yàn)證環(huán)境,為事件分析、事故回放、故障推演、控制策略驗(yàn)證提供實(shí)時(shí)運(yùn)行場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)離線、在線多場(chǎng)景數(shù)據(jù)融合;并且緊跟新能源發(fā)展步伐,為大規(guī)模新能源電量有效消納提供有力支撐。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)召開大電網(wǎng)連鎖故障阻斷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)討論會(huì)
國網(wǎng)河南電科院項(xiàng)目科研團(tuán)隊(duì)全體成員合影