柔性交直流混合配电网保护与自愈控制关键技术攻关和成果落地应用

　　3月16日，国网天津市电力公司电力科学研究院科研团队在国家电网有限公司电能替代技术联合实验室，开展柔性交直流混合配电网故障特性分析和装置测试。

　　为推动柔性交直流混合配电网技术落地应用，天津电科院科研团队历时多年，开展“柔性交直流混合配电网保护与自愈控制关键技术及应用”项目攻关。项目成果日前获得2021年度天津市技术发明特等奖。这也是国网天津电力首次作为第一完成单位获得省部级技术发明特等奖。

前瞻研究 组建产学研攻关团队

　　随着新型电力系统构建，电源、电网和负荷格局发生变化，给传统交流配电网安全稳定运行带来挑战。柔性交直流混合配电网在高比例新能源、新型负荷接入等方面优势突出，具有良好的发展前景。

　　柔性交直流混合配电网的运行和故障特性与传统交流配电网迥异，其保护控制技术承担着第一时间处置故障的任务，是国内外在这一领域研究的重点。国网天津电力将柔性交直流混合配电网项目作为天津智慧能源小镇创新示范工程的重点项目，率先开展相关研究。

天津电科院科研人员开展柔性交直流混合配电网故障特性分析和装置测试。张扬 摄

　　“发现故障、隔离故障、故障后稳定控制是切除故障的重要环节，而故障发生初期精准辨识难、故障发生中期快速隔离难、故障发生后期平稳自愈难是研发初期我们面临的三大技术难题。在国际上无先例可循的前提下，想从基础理论、关键技术、设备研制再到工程应用取得突破，创造出可复制、可推广的创新成果并不容易。”天津电科院科研团队主创人员袁中琛在回顾科研攻关历程时说。

　　在863计划、国家自然科学基金等相关课题的支持下，2011年，国网天津电力牵头，与天津大学、南瑞继保、天津三源智能制造等单位在天津电科院组建科研、产业、应用协同的联合攻关团队，从故障辨识、可靠限流、快速自愈三方面入手，全面推进项目研究和成果落地应用。

　　项目深度融合电网生产应用需求和各单位技术专长，下设3个子课题技术组。各课题技术组按照任务分工与协作单位对接，从研发、应用和成果目标等维度细化节点计划，常态化沟通交流，实行定期技术联络、关键节点督导和阶段成果评审机制，并及时做好攻关过程中的总结评估和再部署、再推动，保证课题的研究进度和质量。

　　科研团队开始学习前沿技术，参考多项国内外柔性直流配电系统典型供电模式和行业技术标准。按照节点计划，团队开始了艰辛的理论探索和技术攻关。

　攻坚克难 突破关键技术难题

　　直流快速保护原理和装置在当时属于国际首创，国内外研究机构都没有成熟可靠的暂态量算法的研发经验。“柔性交直流混合配电网保护与自愈控制技术采用数学算法，通过辨识故障电流电压与正常运行时的差别来判断故障。而在2015年，国内外既没有成熟的软件系统和算法，也没有成熟的硬件平台作为载体。”袁中琛说。

　　科研团队在研究出直流暂态量保护原理后，自主开展软硬件系列研发工作。有一次，团队成员在进行某算法编程开发时，发现实验过程中总是出现暂态量提取结果削顶的现象，与理论分析不符。对此，团队集思广益，开展专题研讨和理论分析。经过上百次仿真计算和模拟测试，他们确定该现象是由高频段的二次抽取导致的信号丢失造成的，并提出了新型改进算法，解决了传统算法的信号丢失问题。

　　传统的直流故障限流方法一般是加装限流电抗器，但这既会影响系统的暂态响应速度和运行稳定性，又会阻碍断路器快速熄弧。如何实现故障电流的有效抑制与快速开断是柔性交直流混合配电网故障隔离的核心技术难点。

　　科研团队经过数百次的拓扑探索与理论验证，确定了技术方案。然而工程应用不同于理论研究，在整个方案几近完成时，实验验证环节却难以得到和仿真模型同样完美的波形。这也就无法满足实际工程对电能质量的严格要求。

　　为此，团队反复开展仿真计算和模拟测试，在验证近百种设想后，创新提出了“预动作”的控制策略，首创了自适应限流的直流故障开断方案。“采用‘预动作’的方法，增加了负荷支路，也就是平时工作电流走负荷支路，主支路开路备用，在有故障时，先将主支路闭合、负荷支路断开，让缓冲电路电容放电，当接收到跳闸指令时，断开主支路。若无跳闸指令，则闭合负荷支路断开主支路，回到正常工作状态。”袁中琛介绍。“预动作”的控制策略实现限流电抗器在系统运行正常态与故障态的自适应快速投切，解决了工程实际问题。

　　经过千百个日夜的奋战，团队完成了柔性交直流混合配电网基础理论和关键技术研究、设备研制和工程应用，攻克了柔性交直流混合配电网保护与自愈控制世界级难题，实现了交直流配电网故障“准辨识-速隔离-稳自愈”重大突破，为示范工程应用奠定了基础。

　　落地应用 打造智慧示范工程

　　“柔性交直流混合配电网保护与自愈控制关键技术及应用”项目成果包括直流配电线路保护和新型直流故障限流装置、交直流混合配电网故障自愈控制系统等在内的核心装备与平台。成果已于2020年整体应用于天津北辰大张庄智慧能源小镇交直流混合配电网，并先后推广至江苏、浙江等地的柔性交直流混合配电网示范工程和北京大兴国际机场轨道交通系统，大幅缩短了故障隔离和恢复时间，提升了应用区域的供电可靠性。

　　在天津北辰大张庄智慧能源小镇，交直流混合配电网正为这里的直流智能楼宇及电梯、空调、显示大屏等22种直流用电设备提供着源源不断、稳定可靠的绿色电源。集成在开关柜中的保护装置及整套自愈控制系统默默守护着整个供电网络的运行安全。

　　“直流系统如果发生故障通常发展很快，达到电流峰值不到10毫秒，容易烧毁一次设备。我们的技术成果应用后，从发现故障到切除故障只需7毫秒，故障电流也被抑制在极低水平。”天津电科院电网中心副主任姚程介绍，“打个比方，我们这项技术就像柔性交直流混合配电网的‘贴身保镖’，能准确识别并快速切除直流线路上的故障，保障供电网络可靠运行。应用该技术后，用户几乎感受不到电力系统的故障扰动，供电质量大幅提升。”

　　天津北辰大张庄智慧能源小镇的一汽富维本特勒汽车零部件(天津)有限公司主要生产结构强度和碰撞强度较高的汽车精密部件，对电能质量要求很高，电压的细微变化可能影响设备正常运行和零部件质量。该公司的一级负荷为78台电焊机器人，属于极敏感负荷，一旦电压低于98%就有可能生产出次品。

　　“现在我们生产时的电压质量大幅提升。柔性交直流混合配电网技术仅投运8个月，就节省了我们因治理电能质量引发的成本近106万元。”一汽富维本特勒公司设备部部长袁义波说。

　　交直流混合配电网技术成果在天津等地投运以来，保护动作正确率达100%，保障了新能源零脱网、设备零损坏、电压零闪动，为区域内智能制造、精密仪器等企业发展提供了可靠的供电保障。（张扬）