柔性交直流混合配電網保護與自愈控制關鍵技術攻關和成果落地應用

　　3月16日，國網天津市電力公司電力科學研究院科研團隊在國家電網有限公司電能替代技術聯合實驗室，開展柔性交直流混合配電網故障特性分析和裝置測試。

　　為推動柔性交直流混合配電網技術落地應用，天津電科院科研團隊歷時多年，開展“柔性交直流混合配電網保護與自愈控制關鍵技術及應用”項目攻關。項目成果日前獲得2021年度天津市技術發明特等獎。這也是國網天津電力首次作為第一完成單位獲得省部級技術發明特等獎。

　　前瞻研究 組建產學研攻關團隊

　　隨著新型電力系統構建，電源、電網和負荷格局發生變化，給傳統交流配電網安全穩定運行帶來挑戰。柔性交直流混合配電網在高比例新能源、新型負荷接入等方面優勢突出，具有良好的發展前景。

　　柔性交直流混合配電網的運行和故障特性與傳統交流配電網迥異，其保護控制技術承擔著第一時間處置故障的任務，是國內外在這一領域研究的重點。國網天津電力將柔性交直流混合配電網項目作為天津智慧能源小鎮創新示范工程的重點項目，率先開展相關研究。

天津電科院科研人員開展柔性交直流混合配電網故障特性分析和裝置測試。張揚 攝

　　“發現故障、隔離故障、故障后穩定控制是切除故障的重要環節，而故障發生初期精準辨識難、故障發生中期快速隔離難、故障發生后期平穩自愈難是研發初期我們面臨的三大技術難題。在國際上無先例可循的前提下，想從基礎理論、關鍵技術、設備研制再到工程應用取得突破，創造出可復制、可推廣的創新成果并不容易。”天津電科院科研團隊主創人員袁中琛在回顧科研攻關歷程時說。

　　在863計劃、國家自然科學基金等相關課題的支持下，2011年，國網天津電力牽頭，與天津大學、南瑞繼保、天津三源智能制造等單位在天津電科院組建科研、產業、應用協同的聯合攻關團隊，從故障辨識、可靠限流、快速自愈三方面入手，全面推進項目研究和成果落地應用。

　　項目深度融合電網生產應用需求和各單位技術專長，下設3個子課題技術組。各課題技術組按照任務分工與協作單位對接，從研發、應用和成果目標等維度細化節點計劃，常態化溝通交流，實行定期技術聯絡、關鍵節點督導和階段成果評審機制，并及時做好攻關過程中的總結評估和再部署、再推動，保證課題的研究進度和質量。

　　科研團隊開始學習前沿技術，參考多項國內外柔性直流配電系統典型供電模式和行業技術標準。按照節點計劃，團隊開始了艱辛的理論探索和技術攻關。

　　攻堅克難 突破關鍵技術難題

　　直流快速保護原理和裝置在當時屬于國際首創，國內外研究機構都沒有成熟可靠的暫態量算法的研發經驗。“柔性交直流混合配電網保護與自愈控制技術采用數學算法，通過辨識故障電流電壓與正常運行時的差別來判斷故障。而在2015年，國內外既沒有成熟的軟件系統和算法，也沒有成熟的硬件平臺作為載體。”袁中琛說。

　　科研團隊在研究出直流暫態量保護原理后，自主開展軟硬件系列研發工作。有一次，團隊成員在進行某算法編程開發時，發現實驗過程中總是出現暫態量提取結果削頂的現象，與理論分析不符。對此，團隊集思廣益，開展專題研討和理論分析。經過上百次仿真計算和模擬測試，他們確定該現象是由高頻段的二次抽取導致的信號丟失造成的，并提出了新型改進算法，解決了傳統算法的信號丟失問題。

　　傳統的直流故障限流方法一般是加裝限流電抗器，但這既會影響系統的暫態響應速度和運行穩定性，又會阻礙斷路器快速熄弧。如何實現故障電流的有效抑制與快速開斷是柔性交直流混合配電網故障隔離的核心技術難點。

　　科研團隊經過數百次的拓撲探索與理論驗證，確定了技術方案。然而工程應用不同于理論研究，在整個方案幾近完成時，實驗驗證環節卻難以得到和仿真模型同樣完美的波形。這也就無法滿足實際工程對電能質量的嚴格要求。

　　為此，團隊反復開展仿真計算和模擬測試，在驗證近百種設想后，創新提出了“預動作”的控制策略，首創了自適應限流的直流故障開斷方案。“采用‘預動作’的方法，增加了負荷支路，也就是平時工作電流走負荷支路，主支路開路備用，在有故障時，先將主支路閉合、負荷支路斷開，讓緩沖電路電容放電，當接收到跳閘指令時，斷開主支路。若無跳閘指令，則閉合負荷支路斷開主支路，回到正常工作狀態。”袁中琛介紹。“預動作”的控制策略實現限流電抗器在系統運行正常態與故障態的自適應快速投切，解決了工程實際問題。

　　經過千百個日夜的奮戰，團隊完成了柔性交直流混合配電網基礎理論和關鍵技術研究、設備研制和工程應用，攻克了柔性交直流混合配電網保護與自愈控制世界級難題，實現了交直流配電網故障“準辨識-速隔離-穩自愈”重大突破，為示范工程應用奠定了基礎。

　　落地應用 打造智慧示范工程

　　“柔性交直流混合配電網保護與自愈控制關鍵技術及應用”項目成果包括直流配電線路保護和新型直流故障限流裝置、交直流混合配電網故障自愈控制系統等在內的核心裝備與平臺。成果已于2020年整體應用于天津北辰大張莊智慧能源小鎮交直流混合配電網，并先后推廣至江蘇、浙江等地的柔性交直流混合配電網示范工程和北京大興國際機場軌道交通系統，大幅縮短了故障隔離和恢復時間，提升了應用區域的供電可靠性。

　　在天津北辰大張莊智慧能源小鎮，交直流混合配電網正為這里的直流智能樓宇及電梯、空調、顯示大屏等22種直流用電設備提供著源源不斷、穩定可靠的綠色電源。集成在開關柜中的保護裝置及整套自愈控制系統默默守護著整個供電網絡的運行安全。

　　“直流系統如果發生故障通常發展很快，達到電流峰值不到10毫秒，容易燒毀一次設備。我們的技術成果應用后，從發現故障到切除故障只需7毫秒，故障電流也被抑制在極低水平。”天津電科院電網中心副主任姚程介紹，“打個比方，我們這項技術就像柔性交直流混合配電網的‘貼身保鏢’，能準確識別并快速切除直流線路上的故障，保障供電網絡可靠運行。應用該技術后，用戶幾乎感受不到電力系統的故障擾動，供電質量大幅提升。”

　　天津北辰大張莊智慧能源小鎮的一汽富維本特勒汽車零部件(天津)有限公司主要生產結構強度和碰撞強度較高的汽車精密部件，對電能質量要求很高，電壓的細微變化可能影響設備正常運行和零部件質量。該公司的一級負荷為78臺電焊機器人，屬于極敏感負荷，一旦電壓低于98%就有可能生產出次品。

　　“現在我們生產時的電壓質量大幅提升。柔性交直流混合配電網技術僅投運8個月，就節省了我們因治理電能質量引發的成本近106萬元。”一汽富維本特勒公司設備部部長袁義波說。

　　交直流混合配電網技術成果在天津等地投運以來，保護動作正確率達100%，保障了新能源零脫網、設備零損壞、電壓零閃動，為區域內智能制造、精密儀器等企業發展提供了可靠的供電保障。（張揚）