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打造“不停电”的电网安全防御体系 国家科技进步奖一等奖获得者汤涌

北极星输配电网  来源:科学网  作者:陆琦  2018/12/27 8:28:24  我要投稿  

北极星输配电网讯:汤涌 工学博士,1959年9月生,福建周宁人。1982年毕业于福州大学,1984、2002年分别在中国电力科学研究院获工学硕士、博士学位。现任中国电力科学研究院电网安全与节能国家重点实验室主任,教授级高级工程师,博士生导师,中国电机工程学会会士,IEEE高级会员,CIGRE会员。

长期从事电气工程的科学研究,主攻电力系统及其自动化学科方向,在电网仿真分析和安全防御领域做出了重要创新成果。发表EI/SCI论文160余篇、专著6部,授权发明专利52项,编写国标/行标7项。

以第一完成人获国家科学技术进步奖一等奖1项、省部级科学技术奖一等奖5项、中国专利优秀奖2项。

1995年获国务院政府特殊津贴,2004年入选首批新世纪“百千万人才工程”国家级人选,2011 年入选首批国家电网公司十大“科技领军人才”,2013年入选中国科学技术协会首批全国电力系统及其自动化学科首席科学传播专家,2016年获中国电力科学技术杰出贡献奖。

现任全国短路电流计算标准化委员会主任委员,全国电网运行与控制标准化技术委员会委员;《中国电机工程学报》主编,CSEE Journal of Power and Energy Systems等期刊编委;清华大学、华中科技大学、天津大学、山东大学、北京交通大学、合肥工业大学兼职博士生导师。

据统计,21世纪以来,世界范围内发生13次负荷损失超过300万千瓦的大停电事故,涉及美国、欧洲等9个国家和地区,影响人口超过10亿,经济损失超过1000亿美元。

值得庆幸的是,输电规模、输电距离、电压等级均居世界第一的中国,却在过去近20年里,没有发生大停电。

“我们靠技术支撑维持中国超大规模互联电网的安全运行。”中国电力科学研究院(以下简称中国电科院)电网安全与节能国家重点实验室主任汤涌说这话是有底气的。

从电网仿真算法、软件和建模技术到互联电网联络线功率振荡和波动机理,一个问题接着一个问题攻关,30余年间,他的研究成果发展并指导了我国电力系统仿真分析和稳定控制的理论和实践,为我国电网安全稳定运行、防止发生大面积停电提供了坚强的技术支撑。

仿真验证保障电网安全高效运行

事实上,我国互联电网面临的安全压力巨大。

全国互联电网设备众多, 除了装备本身的故障以外,还面临复杂的自然环境,如雷击、山火、台风、冰雪、地震等外力对电网的冲击,进一步增加了电网的安全压力。

电能以光速传输,发电、输电、用电实时动态平衡。“电网的运行是不能中断的,不可能在实际电网中进行破坏性试验验证;互联电网规模巨大,不能实现物理模拟。”汤涌告诉《中国科学报》,只有通过数字仿真或数模仿真,才能掌握互联电网特性,验证理论分析和安全防御策略的准确性,为电网提供定量决策支持。

1984年,研究生一毕业,汤涌就进入了中国电科院电力系统仿真软件课题组。

“互联电网是一个大规模非线性动态系统,含有不同时间尺度的动态过程。直流输电和新能源发电等电力电子装备的响应是毫秒级,发电机、负荷等元件的响应是秒级,整个互联电网的动态响应是分钟级。不同时间尺度动态过程相互交织,因此需要研发多个时间尺度统一的全过程动态仿真方法和软件。”汤涌说。

1998年,汤涌和其他科技人员共同申报承担了国家电力公司科技项目“电力系统分析软件的开发”,拉开了互联电网动态全过程建模与仿真技术方面的研究序幕。

不过,这并不是一件容易的事。首先,描述电网动态特性的微分—代数方程组(DAE)刚性比大(1:105),对求解的数值稳定性、收敛性要求很高。其次,微分—代数方程组阶数高,在10万阶以上,对计算速度要求高。同时,设备种类多,全过程动态仿真对设备模型参数的精度要求高,建模难度大。

经过10多年的攻坚克难,汤涌带领团队解决了时间常数相差5个数量级的电网全过程动态仿真数值计算的稳定性、收敛性和计算效率的难题。他们提出了新的负荷建模理论、模型构建和参数实测方法,提出了发电机物理分环节和等值消元分环节建模方法,发明了安全自动装置通用建模方法,建立了六大区域电网的发电机组和负荷的精细化模型,建立了直流输电系统、新能源发电机组模型,构建了国家电网仿真计算数据中心,确保了我国电网仿真的高精度。

他们研发的世界首套“毫秒级—秒级—分钟级”3个时间尺度统一仿真的全过程动态仿真软件,首次实现了大规模互联电网(5万节点)故障后的全过程动态仿真。该软件与美欧等国际先进仿真软件相比,在仿真时间尺度、算法收敛性、求解效率等方面全面超越。

目前,他们研发的仿真软件和模型参数库已成为国家电网规划和调度运行仿真分析的基础,仿真软件已成为我国电力规划设计单位、调度运行部门、科研院校的基础仿真工具,已在我国400多家单位应用,覆盖全国34个省级及以上电网,用户占有率超过80%,为我国电网安全高效运行发挥了重要作用。

工作做到家的结果是不停电

避免大停电是一道世界性难题。事故调查研究表明,故障后的动态过程中,联络线连锁断开、受端电网电压崩溃是造成大停电的两大直接原因。

电网联络线是指两个电网间功率交互传输的输电线路,由于距离长、功率波动大,容易引起连锁断开,是互联电网安全防御的关键环节。

然而,随着电网的发展,大型互联电网的联络线功率波动分析缺乏理论支撑,主要依靠故障计算结合工程经验进行分析控制,效率低,误差大。同时,功率波动表现形式多样,影响因素众多,机理复杂,建立理论体系难度大。

针对这一难题,汤涌带领团队展开攻关,从理论上揭示了互联电网联络线功率振荡和波动机理,建立了强迫功率振荡理论,阐明了强迫功率振荡与负阻尼低频振荡在物理本质上的区别,发明了快速辨识两种振荡和扰动源定位的有效方法;提出冲击型功率波动峰值计算公式和随机波动峰值概率估计方法,突破了由于机理不明必须穷举计算的难题,实现了联络线功率波动峰值和稳定裕度的精确计算,大幅降低了互联电网崩溃的风险。

在这些理论研究成果的基础上,他们研制出联络线功率波动联合控制系统,在华中—华北互联电网应用后,成功防御已发生的全部百余次大扰动冲击,避免了可能发生的大停电事故。

联络线功率振荡和波动分析技术已成为我国电网各级调度部门日常分析手段,在波动峰值预测、振荡性质辨识、扰动源定位方面处于世界领先。

除了联络线连锁断开,受端电网电压失稳是引发大停电的另一大直接原因。

受端电网是指互联电网中大量接受外部电力的局部电网。例如,环渤海、长三角、珠三角等地区电网,就是典型的受端电网。

电网的电压主要靠电源来支撑,在缺少电源支撑,特别是大量直流接入的受端电网,电压失稳导致发生大停电事故的风险越来越突出。

“电网有电压、功角、频率等电气量,存在与其相关的电压稳定、功角稳定、频率稳定形式,不同形式的失稳过程可能相互耦合,只从现象难以辨别,要揭示物理本质,掌握机理,并用数学方法描述电压失稳过程和判据,难度很大。”汤涌说。

为解决这个难题,汤涌带领团队从电压稳定机理入手,发展了电压稳定理论,进一步揭示了电压稳定的物理本质;提出主导失稳模式判别等系列方法,制定了我国首个电压稳定评价标准《电力系统电压稳定评价导则》,解决了采用工程经验判据导致误判的难题。

对于多回直流接入的受端电网,提出了基于电压稳定临界点的多馈入直流短路比的定义和评价指标,应用于指导国家电网目前所有22条直流(包含9条特高压直流)的落点选择及交直流系统运行方式安排。

在理论研究成果的基础上,他们还研发了电压稳定防控系统,2014年起先后在我国的辽宁电网和华东电网实施,实现了电压稳定的事前预防、实时决策、快速控制,使国家电网的主要受端电网的电压失稳风险得到了有效防控。

让科技成果造福百姓

在同事和学生眼中,汤涌始终坚持在科研的第一线,爱琢磨,对科研有着执着的热爱。“从生产实践中发现问题,通过科研解决问题,最后服务于生产运行的成就感,就是科研的乐趣所在。”汤涌说。

在完成众多科研任务的同时,汤涌还注重科研与人才培养的紧密结合。作为中国电科院博士生导师,以及清华大学、华中科技大学、天津大学、山东大学兼职博士生导师,他指导博士生21名、博士后13名。

在他看来,学生的能力和兴趣都不一样,作为导师,最关键的就是带领学生找好课题、找好研究方向。在学生眼中,这位导师理论、实践经验丰富,亲切和蔼,令人如沐春风。

30多年来,他带领团队构建了集理论、模型、仿真软件、评估技术、控制系统、技术标准于一体的互联电网动态过程安全防御体系,对保障电力行业安全生产和社会经济健康发展发挥了关键作用。

2018年,在国家科技部组织的全国99个企业国家重点实验室评估中,汤涌领导的“电网安全与节能国家重点实验室”在能源领域参与评估的14个实验室中脱颖而出,获评该领域唯一的优秀实验室。

展望未来,汤涌认为,随着电网设备制造技术迅速发展,以高电压、大功率电力电子器件为代表的新型电力设备将不断出现并投入实际电网运行,给互联电网动态特性带来新的变化。

对于未来新一代电力系统的运行稳定性分析与控制技术,汤涌牵头负责国家重点研发计划基础研究类项目,带领团队研究大型交直流混联电网运行控制和保护,构建大型交直流混联电网安全运行的理论支撑体系。此外,汤涌还在国家自然科学基金委员会的支持下,牵头负责国家自然科学基金集成(重大)项目,开展大电网仿真分析与决策的人工智能研究,保障未来电力系统的安全稳定运行。

“让科技成果走出‘深闺’,造福一方百姓,才是我做研究的初衷。”汤涌坚定地说。


原标题:打造“不停电”的电网安全防御体系

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