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智能电网动态防雷系统 开启雷电防护新时代

2017-08-15 国家电网杂志

不久前,世界首套地区级“智能电网动态防雷系统”在国网江苏苏州供电公司成功上线运行。作为“国际人工智能防雷科学委员会” 重点示范项目、国网江苏省电力公司“十三五” 重点科技项目,本次投运的智能电网动态防雷系统是目前世界上覆盖面积最广、控制功能最强、性能指标最高的“动态防雷系统”。

在全球雷电防护研究和实践领域,该系统首次系统地实现了适应于未来气候变化的智能动态防雷模式,使雷电防护从传统的“静态被动模式”步入“智能动态模式”,在雷电防护研究和实践领域具有划时代的意义。项目整个开发过程共历经了十二年的理论沉淀和技术研发,以“十年磨一剑”形容不为过。

气候变化,全球防雷新挑战

雷电一直是危害电网安全、造成局部或较大范围停电的重大自然因素。我国沿海地区一半以上的电网事故因雷电导致。传统的防雷模式,如避雷针、避雷线、避雷器、防浪涌设备等静态措施可以使雷害最小化,但难以将其完全消除,这也是电力领域的一个世界性难题。

近年来,全球气候变化明显,极端天气增多,雷电活动更加频繁剧烈。据美国麻省理工学院等机构发布的研究结果,在可预见的未来 10 ~ 20 年,全球雷暴活动将大幅增加。而苏州地处江苏南部,区域内水网纵横,又是每年受台风影响较频繁的地区。统计显示,随着暖湿空气势力逐渐增强,苏州每年六、七、八月间的雷电天气逐月增多,又恰与迎峰度夏重叠,在夏日用电高峰期,极易对电网造成冲击和波动,给苏州电网安全稳定运行带来极大困扰。

勇于开拓,潜心探索新模式

目前常规的防雷模式,是通过保护系统某单个设备或部分,来确保整个电网的正常运行,其主要原理是将雷电的破坏性能量导入大地,或提高防护级别(绝缘强度)。这种模式主要侧重设计安装阶段,保护目标为单个设备、部件或设施,如线路、变压器、电子设备、变电站等,采用的是相对固定的防护措施,如架空避雷线、避雷针、SPD 防浪涌设备等。

根据实际经验及统计分析,单一的雷击跳闸事故不一定会造成大范围的停电,往往是一些其它因素的综合叠加,例如某一开关的闭锁,某一继保装置的异常,或系统某部分的重载状态等造成事故范围的扩大。而由于整个电网设备数以百万计,在庞大的基数下,很难保证每个设备或原件始终处于最佳状态。

虽然雷击本身不受控,但雷电活动可以被监测和跟踪。雷击的发生在时间和空间上可以通过雷电探测系统进行预判。因此也可以据此对电网系统进行动态的调整和控制,从而提高电网的整体防雷性能。

早在 2006 年,苏州供电公司项目组就认识到电网的防雷性能不能仅取决于单个设备或部件的防雷性能,并创造性地将“电网控制”引入防雷研究领域,提出了动态防雷的思路。

智能浪潮,动态防雷初出庐

项目组顺应电网动态平衡的运行本质、利用大禹治水“疏而非堵”的控制机理,正式提出智能电网“动态防雷”的概念。

“动态防雷”是一种系统级防雷模式。基于实时高精度雷电跟踪及电网全局稳定性计算,强调在潜在雷害发生之前,对电网进行有效的动态调整及非线性协调控制,从而提高电网抵御雷电灾害的能力,并大幅改善雷电气候下电网系统稳定性。这类似于“大禹治水”的原理,传统的电网防雷模式的整体思路相当于堵,加强绝缘强度、对各个设备加装各种防雷设备。而“动态防雷”模式的思路相当于疏,将电网的负荷进行疏导和优化平衡:当雷电威胁到某电力线路或者电网的某一部分,就转移该线路或调整该部分电网的负荷,优化平衡整个电网的负荷分布。当雷电威胁解除,则从安全运行模式切换回原来的经济运行模式。

此后,项目组分别在基于动态防雷的智能电网动态拓扑调节技术、潮流优化控制技术、支撑节点抗扰动协调控制技术、基于广谱微分时域鉴别的雷电传感技术等方面取得了一系列进展。系统每一次“进阶”或看似“微调”,其实都是牵一发而动全身的系统工程,核心项目组成员童充曾经有过连续两天三夜,接线 800 次,调端口 900 次,改代码 1000 次的体验。辛勤的付出取得了丰硕回报,2016 年 10 月,在葡萄牙第 33 届国际防雷大会(ICLP)上,项目组邀请了来自全球的八位国际顶级科学家,组织召开了项目国际鉴定会。最终鉴定结论为:“达到世界领先水平”,这在同类项目中尚属首次。

2017 年 5 月 24 日 18 时 30 分,当苏州供电公司电力调度控制大厅大屏幕上显示出“智能电网动态防雷系统”正式上线运行的实时图像时,正在现场密切监控的项目组成员一片欢呼。系统显示,雷电探测范围超 10000 平方公里,有效保护范围可达 1000 平方公里,综合性能指标大幅领先于国内外现有水准。系统项目负责人、苏州供电公司高级工程师蔡云峰介绍:“动态防雷系统能够降低雷电气候条件下的电网运行风险,全面应用后将大幅度提高电网抵御雷电灾害的能力,从而提高供电可靠率,预计可减少当前 80% 由雷电而造成的停电损失。”

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