《电子技术应用》

坚持创新驱动发展战略 科技让电网更安全

2017/11/14 12:59:39

  核心提示“要瞄准世界科技前沿,强化基础研究,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。加强应用基础研究,拓展实施国家重大科技,突出关键共性、前沿引领技术、现代工程技术、颠覆性技术创新。”党的十九大为科技创新指明了方向。国家电网公司坚持创新驱动发展战略,中国电科院从电力系统安全、调度安全再到设备安全,不断破解发展难题,以扎实、领先的技术提升电网预防和抵御事故风险的能力。

  新一代调度控制系统:

  保障复杂大电网

  安全稳定优质运行

  电网运行的一体化特征愈加显现,全局监视、全网防控、集中决策的需求日益突出,国家电网公司提出研发建设新一代调度控制系统,进一步提升电网调控技术支撑能力。国调中心组织中国电科院和南瑞集团开展新一代调度控制系统的全面研发工作。

  针对大电网全局监视、全局分析、全局防控、全局决策和市场化调度要求,新一代调度控制系统将实现模型统一管理、数据集中应用、全局分析决策和就地实时监控。在新一代调度控制系统设计过程中,中国电科院始终坚持电网主动调度和自动巡航的设计理念:通过源—网—荷精细化调控,全局电力电量平衡超前部署,电网事故预想、预判、预控,主动防范电网故障,实现电网主动调度。基于外部环境信息及未来趋势分析,通过全景监视和评估实施控制策略智能调整,完成电网运行自校正,实现电网自动巡航调度,大幅减轻调控人员工作强度。

  在新的架构下,新一代调度控制系统可以做到“更全局、更快速、更准确”。

  “全”——模型全、数据全、功能全。实现全网一次/二次设备模型的时间、空间多维度管理;实现全网实时数据、运行数据、外部环境数据等各类数据的按需共享;在模型全、数据全的基础上,构建监视控制、分析预警、计划决策、综合评估及仿真模拟等全方位应用功能,全面支撑各类电网调控业务;从全局视野的角度设计开发应用功能,做到全局监视电网实时信息,全局分析电网运行态势,全局防控电网运行风险,全局决策新能源消纳和备用支援。

  “快”——获取快、计算快、响应快。以广域数据传输技术为支撑,最大限度减少数据转发环节,提升数据共享效率;利用分布式并行计算以及智能化处理技术,确保大电网统一分析计算速度满足在线应用要求;将电网及外部环境变化和预兆第一时间推送给调控人员,电网发生故障后,快速给出分析结果和处置措施。

  “准”——信息准、决策准、控制准。通过对传统电网运行稳态数据增加时标,提高电网实时数据断面的时间一致性,采用大数据等技术提高新能源及负荷预测准确性;基于分析决策中心,考虑及二次设备实时状态和外部环境变化等信息,进行全网统一分析决策,保证决策结果的准确性;分区电网实时响应全网分析决策指令,实现设备的就地控制,保证本地控制功能的准确性。

  目前,新一代调度控制系统的研发工作正在有序地开展中。2020年底,中国电科院和其他相关单位将完成示范工程建设。

  电力系统仿真计算:

  更精确、更快速

  电网的规划设计、调度运行离不开准确科学的计算,所有的运行方式安排必须经过严格的定量分析与仿真验证。目前应用于国家电力调度控制中心和全国所有网、省、地各级电力调度部门的标准仿真分析程序,长期以来一直由中国电科院研发和维护。过去数十年间,仿真程序用大量计算和分析工作,为我国电网各项里程碑式的工程和日常安全稳定运行提供了可靠的依据。目前我国电网正处在快速发展中,新元件、新设备、新技术不断涌现,电网新设备、新系统的准确模拟是仿真计算的核心和重点,正确建模、准确仿真,方能保障电网安全稳定运行。

  随着使用传统化石能源发电带来的环境污染问题日益突显,风力发电和光伏发电技术成为当今世界各国发展和研究的热点。基于我国实际情况,中国电科院建立了通用化的固定转速、双馈、直驱风电模型和与光伏发电实际特性一致的通用机电暂态模型,为新能源基地电力送出提供了有力保障。大容量高电压等级交/直流输电工程集中投入运行,新型多端柔性直流输电系统开始陆续建设和运行,也给电网安全稳定运行和仿真技术带来了挑战。中国电科院开发的仿真程序常规直流模型能够准确模拟直流输电系统的响应特性以及直流换相失败特性;对于近年来新出现的分层接入直流系统,也及时开发了相应的仿真模块。为向电网运行提供更准确的依据,中国电科院的专家制定了直流输电模型参数校核的相关流程。目前所有特高压直流输电系统均有经过规范校核验证的模型与参数。为了满足未来将要出现的柔性直流输电系统,中国电科院与国网直流部、国调中心和控制保护厂商密切合作,研发了具备换流阀闭锁、直流线路短路及断路等直流侧故障机电暂态仿真能力的电压源型直流系统仿真模型。

  目前,仿真程序里风机、光伏电站、特高压直流输电系统、多端/柔性直流输电系统等一系列新模型已成为电网安全稳定运行必须的分析工具。

  借助新的高效数值算法、建模方法以及软件的分析能力和计算性能的提高,中国电科院经过十多年的研发,包含电力系统多个时间尺度动态过程(电磁—机电—中长期过程有机结合)的全过程动态仿真技术应运而生。该技术可用于解决大电网连锁性故障、新能源大规模接入、多直流馈入的受端电网稳定、电压稳定、FACTS技术的应用、电网规划方案比较、安全稳定控制策略、二次系统规划设计等问题,仿真时间跨度从毫秒级到分钟级。该成果为青藏直流联网工程、三峡输变电工程、西电东送、特高压交直流输电等重大输电工程系统提供了重要的技术支撑。该程序及相关成果“互联电网动态过程安全防御关键技术及应用”荣获2016年度国家科学技术进步一等奖。

  2016年12月,世界上首个电力系统专用的超算中心于中国电科院建成并投入试运行。在交直流大电网复杂运行特性对仿真计算效率带来严峻考验的背景下,超算中心的海量电网仿真计算能力,使之成为电网安全稳定运行强有力的支撑工具,全面支持各级调度开展运行方式计算和规划滚动校核。

  超算中心使用的作业调度平台、仿真计算程序都是由中国电科院自主研发的国产软件系统。超算中心的使用刷新了方式计算人员对计算速度“快”和计算效率“高”的认识。“在超算中心建成之前,我们也使用后台服务器进行批量作业的计算,但是由于CPU个数有限,我们不得不把同一批1000多个计算任务手工分成几批,分批次提交后台计算,再拼接结果,手工拆分作业计算的方式还容易出错,我们方式计算人员花费了大量的精力。但现在不一样了,超算中心机房配有810台服务器,近24000个计算核心,理论峰值计算能力高达918万亿次每秒,在电力系统计算领域真是首屈一指。原来我们10个计算人员一周的计算任务,现在通过超算中心配套开发的批处理计算调度平台软件提交后台计算,不到一个小时就完成了,速度提高了3000倍。”一名国调中心方式计算工作人员在利用超算中心资源进行2017年的夏季滚动方式计算后,对平台的强大能力称赞不已。

  电网关键设备:

  攻克世界难题站在世界前列

  电网线路和变电站长期暴露在空气中,大气污染使电网遇到潮湿天气或者雾霾天气极易发生污闪,造成大范围停电。这些问题在欧美、日本、前苏联的工业区都曾发生,在印度、南非等发展中国家,至今仍威胁着电网的安全运行。在我国,自上世纪80年代到本世纪初,电网大面积污闪几乎每年发生。1990年2月,该问题跨越京津晋冀鲁豫辽5省2市,1996年末至1997年初波及长江中下游6省1市,2001年初再次覆盖京津冀鲁豫辽4省2市。

  在国家电网公司的组织下,中国电科院会同相关研究机构,在电网外绝缘饱和积污特性、全工况污秽试验及外绝缘配置方法等方面取得重大技术突破与创新,从根本上解决了困扰我国近30年的电网大面积污闪难题,全国电网大面积污闪事故已得到有效遏制,输电线路污闪跳闸率从2001年的0.12次/(百千米˙年)大幅下降到近年的0.001次/(百千米˙年),极大地提高了我国电网安全运行的可靠性。

  目前,由中国电科院牵头制定的新的污区划分标准和污区图在全国电网运行管理和各大区电力设计院的输变电工程设计中得到全面使用。新建的特高压交直流输变电工程全面推广采用等价自然污秽的全工况耐受电压进行外绝缘设计,显著提高了输变电工程建设与运行的经济可靠性。

  中国电科院在外绝缘关键技术方面取得重大技术突破与创新,得到国际同行的高度认可,提升了行业国际话语权。污区分界线被国际电工委员会污秽地区绝缘子选用标准IEC60815-1所采用。“中国的污区图是这类文件中我所见过的最好的,提供了可为世界各国电力系统运行人员学习的实际解决方案和经验。”美国电力电子工程师协会(IEEE)电介质与绝缘学会副主席Gubanski如是说。

  特高压GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)是电网的关键控制和保护设备,包含多种电气设备,结构复杂,技术要求高。随着特高压工程建设推进,盆式绝缘子和VFTO(特快速瞬态过电压)的影响日益凸显。

  盆式绝缘子是GIS中大量使用的关键绝缘和支撑部件,特高压盆式绝缘子绝缘水平高、结构尺寸大,对材料、设计、工艺和质量控制均提出了很高要求。由于我国在大型环氧绝缘件浇注领域研究基础薄弱,特高压盆式绝缘子在工程建设初期主要依赖进口,增加了工程采购成本和建设周期,尽管如此,运行中依然出现了多次放电和开裂等严重质量问题,给电网安全造成了巨大隐患,研制国产化高水平盆式绝缘子迫在眉睫。

  顶着时间紧、任务重的巨大压力,中国电科院联合国内顶级开关厂、科研院校开展协同攻关。克服重重困难,国产盆式绝缘子仅用一年时间就研制成功,经检测,在电气和机械性能等方面均达到了国际领先水平,并成功应用于皖电东送工程。目前,工程应用的国产化特高压盆式绝缘子数以万计,长期运行状况良好。特高压盆式绝缘子的国产化研制成功,是我国绝缘子技术领域的一项重大突破,有力地支撑了特高压工程的规模化建设,保障了电网的长期安全稳定运行。中国工程院院士雷清泉在验收会上指出:“特高压盆式绝缘子的国产化代表我国在环氧绝缘件浇注领域已经站在了世界前列,对国内其他相关行业也是一次极大的促进与鼓舞。”

  VFTO是GIS内部特有的电磁瞬态现象,幅值高,波前时间短,严重威胁GIS内部绝缘安全。对其深入认知和有效防护成为保障特高压GIS质量和电网安全亟待解决的难题。

  中国电科院整合包括国内数所知名高校和制造厂商的优势研究资源,并获得国家973计划项目及国家电网公司三期重点项目支持。经过历时8年的持续攻关,中国电科院研究全面掌握了VFTO测量、特性、仿真、绝缘及防护方法,为VFTO防护提供了经济有效手段。研究成果通过了中国电机工程学会的技术鉴定,中国工程院院士邱爱慈认为:“项目推动了我国特高压GIS变电站VFTO防护技术的进步,成果总体达到国际领先水平”。目前,项目成果直接应用于7个1000千伏工程,全面提升了特高压GIS变电站VFTO防护水平,为保障特高压电网的运行安全发挥了巨大作用。


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