绘就坚强电网的“作战地图”——大电网安全稳定控制技术的诞生与发展

原标题:绘就坚强电网的“作战地图”——大电网安全稳定控制技术的诞生与发展

广域监测分析保护控制系统——“作战地图”破解大停电难题

2003年8月14日下午,美国俄亥俄州北部三条超高压输电线路发生故障。转瞬之间,加拿大的多伦多、渥太华停电,美国的纽约、克利夫兰、底特律停电,北美发生历史上最为严重的大停电事件。停电持续时间29小时,近5000万人陷入黑暗之中,直接经济损失达70亿美元。

1991年上海500千伏南桥变电站。当时WARMAP还没诞生。

与此同时,在地球的另一边,一幅确保大电网安全稳定的“作战地图”正在铺开:2003年,中国首次提出广域监测分析保护控制系统(WARMAP),用于对偶然故障演化为电力灾难的综合防御。正如军事指挥官在对敌作战时需要沙盘或电子地图来推演,电力调度人员在与大停电作战的时候,同样需要作战地图来支持决策。“广域监测分析保护控制系统”的英文缩写恰好为WARMAP(作战地图),形象地概括了这项技术对电网的支撑作用。

2009年南京龙王山变电站。WARMAP已在华东电网广泛应用。

业内已有共识:相对薄弱的中国电网之所以没有出现美加大停电那样的灾难,电网的统一调度起了决定作用。我国大规模西电东送、特高压输电和电力市场的发展,在更大范围内优化了资源配置,同时也使得确保大电网安全稳定的难度不断加大。

20世纪80年代,我国形成了被称之为“三道防线”的电网综合防御体系和理念,旨在通过不同的控制手段尽量降低损失。但以往各道防线的研究应用相对孤立,WARMAP系统则将孤立的防线提升为协调的防御体系,包括安全稳定实时预警、在线智能辅助决策和综合协调防御三个部分,大幅提高了电网应对复杂故障、防止发生灾难性事故的预警能力和协调控制能力。可以说,应对电网故障,WARMAP实现了战略和战术的完美结合。

一旦电网发生故障,WARMAP系统就能成功捕捉,从而作出正确判断,并进行预警和处理,避免因这些严重故障可能导致大面积停电事故的发生。最能体现这套系统“含金量”的,是它对电网的事故分析,实现了从定性到定量的跃升:定性分析只能告诉调度员系统稳定与否,而快速定量分析技术则不仅能告诉调度员“狼来了”,还可让他们知道“狼的位置、来向和速度”,从而大大提高决策水平,真正实现了计算机系统对电网的智能化控制,电网安全控制的准确性和及时性都得到了质的飞跃。

WARMAP的诞生,绝非朝夕之功。它的背后,闪耀着一位中国工程院院士对未知领域执著探索的精神光芒;它的背后,凝聚了一支杰出团队在科学道路上艰辛跋涉,默默付出。

薛禹胜院士——EEAC算法和理论的原创者  

提到WARMAP,不能不提到扩展等面积准则(EEAC)。EEAC算法的开创者,正是中国工程院院士、国网电力科学研究院名誉院长薛禹胜。

1978年,在一次出差途中,薛禹胜惊喜地听说首届研究生招生的年龄放宽至38岁。一个月后,他以第一名的成绩考入国网电力科学研究院的前身——南京自动化研究所。这一年,他37岁。

1985年,薛禹胜通过统一考试获得公派留学的机会。他放弃了权威性和语言条件都有吸引力的美国学府,选择了世界上成立最早的电气学院——比利时列日大学蒙特菲尔电气学院。 

薛禹胜选择了电网暂态安全的快速定量分析作为研究方向,不仅因为它是一道世界性难题和电力学术界最热门的研究课题,还因为对于幅员辽阔、网架结构薄弱、能源分布与负荷需求极度不平衡的中国电网来说,它是多么重要。

到比利时半年后的一个晚上,他用自己的算法与其他算法相比,得到了出乎意料的成功。那一刻,薛禹胜在公用终端室里情不自禁大喊了一声。

一个世界性难题被一位名不见经传的中国人破解了!

薛禹胜发明的扩展等面积准则,在国际电力学术界引起了轰动,薛禹胜的导师在写给我国原能源部领导的信中说:“这个由中国人创造的方法,无疑将成为世界性的标准。” EEAC通过在线运行显示了它巨大的价值,多年来,基于EEAC的稳定性量化软件包,成功应用于国内电力系统,并在美国、加拿大、法国、韩国、芬兰等多个国家的电力系统得到应用。 

在博士论文答辩后的第10天,薛禹胜毅然踏上回家的路。他坚信,自己的事业在中国。薛禹胜回到南京自动化研究所,率领一个全部由年轻硕士组成的研究小组继续攻关。一间有10多人的办公室,灯光天天亮到次日凌晨。

由中国人创造的方法,首先在中国开花结果:

1993年,以EEAC暂态稳定量化分析方法为核心的安全稳定在线评估系统,正式投入东北电网运行,被国际大电网组织确认为世界上首例成功的在线暂态稳定分析和预防控制工程。自该系统在东北电网实时在线运行以来,东北电网没有发生一次稳定破坏事故,每年避免的经济损失达3031万元。1996年,EEAC获国家科技进步一等奖。

1998年,研究小组将EEAC和我国具有完全自主知识产权的积分软件集成,开发出电力系统安全稳定量化分析与优化决策软件(FASTEST)。

1999年,国际上首个电网安全稳定紧急控制在线量化预决策系统(OPS-1紧急控制在线预决策系统),由研究小组开发成功,先后应用于陕西省调、四川省调、山东省调和广东省调,并荣获2003年中国电力科技进步奖一等奖和2004年国家技术发明二等奖。

2003年,研究小组提出了广域监测分析保护控制系统(WARMAP),用于综合防御由偶然电网故障演化为电力灾难。

2006年,研究小组承担国家电网公司重大科技攻关项目,以时空协调的大停电防御理念构建了WARMAP系统的框架。WARMAP开始了理论研究的不断深化和应用体系的不断拓展。 

从破冰到暖春—WARMAP的推广应用

WARMAP的推广应用,远没有想象中一帆风顺。从2002年开始构思“作战地图”的框架,到2005年年底签约华东电网广域监视分析保护控制系统,2006年签约江苏电网安全稳定实时预警及协调防御系统,WARMAP曾遭受了各方质疑。

20世纪80年代,暂态稳定分析法确立不久,南京自动化研究所的技术人员对此方法进行验证。

忆及往事,薛禹胜院士的寥寥数语道破个中曲折:“我们一直声称这一算法是国际上唯一量化的方法,但如何证明呢?所以,从2002年开始,我们花了五年的时间,让大家相信我们是可以成功的。经过长期验证,我们最终证实了算法的可靠性。”

其实,各方对WARMAP的疑虑不无道理。当时世界上没有哪一个地区的电网应用过这个系统,万一采用这一方法后系统出现误动,将会导致重大损失。但江苏省电力公司的主要负责人认为:“过于依赖人的经验也是有风险的,我每天都在担心,如果有经验的调度员今天不值班,或者去了趟洗手间,偏巧发生了复杂事故怎么办?”  

2006年3月1日,江苏电网安全稳定实时预警及协调防御系统科技项目合同签字仪式现场。 

2007年6月20日,世界上第一个大电网“集中协调,分层控制”自适应紧急控制系统投入试运行。江苏电网告别了沿袭已久的以人工调度为主的电网安全控制模式,调度决策的参考数据从原来的十几条猛增到上万条,调度中心完成一个紧急状况处置的时间也从3~5分钟缩短为0.1秒。

国外一些电网专家评论道:“国际上还在探索防御大停电二次系统构造理念的时候,中国已经在电网中实施了,让人惊叹。”

在实际运行中,WARMAP不负众望:2006年成功捕捉台风“桑美”;2008年在冰雪灾害和汶川地震后,对灾区电力恢复发挥重要作用;奥运会期间,应对突发天气带来的故障,WARMAP的正确动作保证了北京奥运会供电。

系统不断丰富和充实——为统一坚强智能电网护航 

建设统一坚强智能电网,是我国电网未来的发展方向,对电网安全稳定分析与控制技术提出了更高的要求。不断发展的WARMAP系统,对满足未来特高压互联大电网安全稳定运行的需要、提高电网输电容量的利用率、综合防御大停电都具有重要意义。 2007年,国家电网公司“电力系统安全稳定分析与控制”重点实验室落户国网电科院。2008年,国网电科院参与国调中心主持编制的在线安全稳定预警系统技术原则及相关技术规范,为WARMAP系统的标准化推广应用和各级电网安全防御系统一体化建设提供了依据。同年,国网电科院提出极端外部灾害情况下电网停电防御系统构想,进一步丰富和充实了WARMAP系统。

目前,国网电科院正在为华东电网和江西电网构建可应对极端灾害自适应电网外部环境的安全稳定综合预警和智能防御系统。上述系统通过提高电网在极端外部灾害下的安全防御水平,体现统一坚强智能电网的安全稳定特征。

在国网电科院稳定技术研究所,薛禹胜院士领衔的创新研究群体,已成为国内外稳定分析与控制领域最活跃的科研团队之一,并涌现出方勇杰博士、徐泰山博士等一批中青年专家和学术带头人。国网电科院在大电网控制关键技术的全方位突破,带动了该领域装备国产化率达到近100%,确立了我国电力自动化技术的国际领先地位,实现了中国创造,有力支撑了我国电网的发展,保障了电网安全和经济运行。

旧闻重读

江苏电网创全国安全调度新纪录

连续16年安全运行

新华社南京2月24日电(记者张超文)  春节刚过,江苏电网传出喜讯:全网安全调度6000天,创造了我国电网安全调度运行的新纪录。

改革开放以来,江苏经济发展迅速,电力一直供不应求。江苏省电力局在加速电力建设的同时,认真在管理上下工夫,使电网调度在16年时间里连续安全运行,让有限的电力发挥出最大的作用,有力地支持了全省经济的良性发展。

与此同时,江苏在电力建设方面不断迈出新步伐。据江苏省电力局长顾智鹏介绍,该省在过去一年里共建成投产发电装机容量200万千瓦。

(原文刊载于1994年2月26日《人民日报》)

时代背景

20世纪70年代,我国220千伏电网正处于发展初期,长距离重载输电线路不断出现,省级220千伏电网正在形成。当时我国还没有制定相应的电网可靠性及结构合理性准则来指导电网规划和运行,对电网稳定问题认识不足,稳定破坏事故较多,多次发生省网大面积停电事故。

原水利电力部于1981年召开了全国电网稳定工作会议,总结经验教训,制定了《稳定导则》,随后不久又制定了《技术导则》。两个导则很好地指导了电网的健康发展,电网稳定破坏事故明显下降,由1970~1980年的年均20.18次,下降为1981~1988年的年均6.5次和1989~1995年的年均4.14次。

1996年,美国西部电网相继发生了两次大面积停电事故。7月2日发生的大面积停电事故,使约200万个用户受到影响,电网解列为5片,损失负荷1057.6万千瓦。8月10日发生的大面积停电,影响大约750万个用户,电网解列为4片,损失负荷3039.2万千瓦。美国总统克林顿针对7月2日发生的停电事故,在给能源部长的信中,强调“稳定供电是地区和国民经济的重要因素,对全美的安全至关重要”,把电网安全提到相当高度。而我国对电网安全的认识也进一步提高。

责任编辑 | 韩旭

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