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电力系统安全控制与保护

1) 电力系统安全控制方向

本研究方向包括电力系统稳定控制、经济运行及复杂性系统的科学研究工作,在该方向上“十五”期间主持完成了国家杰出青年基金项目“电力系统安全与经济综合控制理论与应用研究”、海外青年学者合作基金项目“灵活交流输电系统的先进控制理论研究”、973子课题“电力系统实时分析与决策系统研究”,同时还组织申报并主持国家自然科学基金重大项目“电力系统广域安全防御基础理论及关键技术研究”、二期973子课题“电力受端系统的动态特性及安全性评价的基础研究”、国家自然科学基金面上项目“含多馈入直流系统的互联电网的稳定分析性和控制”。

电力系统稳定控制及经济运行一直是电力系统最重要的研究方向之一。本研究方向针对目前在电力系统稳定性分析与控制中存在的问题,结合电力系统的能量描述和Hamiltonian系统理论,提出了基于能量的电力动态系统建模、快速稳定性分析、鲁棒控制设计以及电力系统安全性与经济性综合控制设计框架。建立了能考虑复杂动态与控制对电力系统暂态稳定性影响的快速稳定性分析的Lyapunov函数,提出了能考虑发电机控制与网络控制的、在严格意义下的鲁棒控制设计理论与方法,将电力系统稳定性分析与控制研究建立在统一的带耗散的受控Hamiltonian系统框架下。在此基础上,提出了含FACTS装置的最优潮流控制方法理论研究、FACTS装置提高电力网络可用传输容量的理论研究、含FACTS的电力系统中最佳金融性输电权的理论研究以及复杂电力系统中含FACTS装置的端口受控哈密尔顿(Port- Controlled Hamiltonian -简称PCH)系统建模和FACTS装置的控制设计理论与方法等。同时在该系统的框架下,基于最大相容集,提出了一类动态安全调度的新算法,解决了动态安全约束过强导致优化问题不可行及预防控制的经济性代价过高等困难。为电力系统安全性与经济性综合控制研究确定了基本框架。为了将理论研究成果应用于实际电力系统中,在完成电力系统动态模拟实验室的数字化改造的基础上,完成了电力系统广域相量量测系统(WAMS)的研究与开发,这也是国内第一个拥有WAMS的动态模拟实验系统。

2) 电力系统继电保护方向

继电保护研究方向的研究重点集中在以故障暂态行波的分析与应用、小波变换应用、输配电线路无通道保护等方面。围绕这些研究,先后承担多项国家自然科学基金项目和973子课题,发表论文70余篇,获授权国家发明专利7项,获北京市科学技术奖二等奖一项。具体内容有:

提出了基于电流行波和小波变换的输电线故障测距原理和单端电气量组合故障测距算法,研制出测距装置XC11和故障录波与测距装置HPR7000并已投入实际应用。鉴定结论为:主要技术性能达到国际先进水平,其中单端电气量组合故障测距算法居国际领先水平。

发现并证实了中性点不接地系统发生单相接地后所出现的暂态行波几乎不受中性点运行方式的影响,据此提出行波选线原理并研制出装置SL01,已实用。鉴定结论为:主要技术性能达到国际先进水平,其中在采用行波选线原理和两相电流实现接地选线方面居国际领先地位。

研制成功了暂态行波保护测试仪TPTP01,为行波类故障检测与保护装置研制奠定了基础。200512月通过教育部鉴定,鉴定结论为:填补了国内外行波测试手段的空白,属国际领先水平。

研究了二次扰动信息(线路故障后由于开关开断所产生的开关动作信息)并提出了基于开关动作信息的输配电线路无通道保护思想、原理和算法,研制出系列无通道保护装置。其中T接无通道保护的鉴定结论为:无通道保护属世界首创,其主要技术性能达到了国际领先水平。

针对特高压输电线路的线路阻抗和故障距离的非线性特性,提出了具有抗分布电容能力的接地距离保护新原理。

深入开展故障行波的小波分析,提出以波阻抗方向继电器为代表的现代行波保护原理。已经研制出原理样机,有望在光互感器应用、小波变换应用和暂态行波故障信息的挖掘与应用方面实现突破,进而实现行波保护的实用化。

本方向的研究成果已受到国际上大型电力设备制造公司的认可和关注,在“十五”期间本研究方向先后与英国阿尔斯通公司签订了4项技术开发合同,合同到款金额25万英镑(约合人民币375万元),2005年与法国AREVA公司以联合研究中心的形式签订了持续8年、总金额55万英镑以上的长期合作协议。

本研究方向“十五”期间代表性研究成果有:

1. Cheng DaizhanSun YuanzhangShen TielongAdvanced Robust and Adaptive Control Theory and ApplicationsTsinghua Press2005.5

2. Sun, Y.Z., Li, X., Zhao, M.,et al. New Lyapunov function for transient stability analysis and control of power systems with excitation control. Electric Power Systems Research, 2001, 57(2): 123-131. EI 01226526253  SCI: 430WY

3. Sun, YZ, Cao, M, Shen, TL, et al. Passivation controller design for turbo-generators based on generalised Hamiltonian system theory. IEE P-GENER TRANSM D, 2002, 149 (3): 305-309. EI: 02256980201  SCI: 562ZX

4. Y.Z. Sun, Q.J. Liu, Y.H. Song,et al. Hamiltonian modeling and nonlinear disturbance attenuation control of TCSC for improving power system stability. IEE P-GENER TRANSM D, 2002, 149(4): 278-284. EI: 02427150814 SCI: 600KR

5. Q.J.Liu, Y.Z.Sun, T.L. Shen and Y.H. Song. Adaptive nonlinear co-ordinated excition and STATCOM controller based on Hamiltonian structure for multimachine-power-system stability enhancement. IEE Proc.-Control Theory Appl., 2003, 150(3): 285-294. EI: 03287536958  SCI: 693CZ

6. Maohai Wang, Yuanzhang Sun. A practical, precise method for frequency tracking and phsor estimation. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19(4): 1547-1552. EI: 04468458027  SCI: 859OU

7. Peng, Jiangnan; Sun, Yuanzhang; Wang, H.F. Co-ordinated emergency control of generator-tripping and SMES based on Hamiltonian system theory. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2005, 27(5-6): 352-360. EI: 05219111706 SCI: 932AB

8. Xiaohong Jiao, Yuanzhang Sun, Tielong, Shen, TL. Adaptive Controller Design for a Synchronous Generator with Unknown Perturbation in Mechanical Power. International Journal of Control, Automation and Systems, 2005, 3(2): 308-314. EI: 05279189455  SCI: 930UM

9. Dong xin zhou, Surge impedance relay, IEEE Transaction on Power Delivery, 2005.4, SCI 912RCI

10. 董新洲, 配电线路暂态行波的分析和接地选线研究, 中国电机工程学报, 2005.2, EI 01386652683

11. 董新洲, 特高压输电线路继电保护特殊问题的研究, 电力系统自动化, 2004.11, EI 05048803515

12. 董新洲(1),基于小波变换的输电线路暂态行波分析和故障测距理论研究,2004年,北京市科学技术奖二等奖

13. 董新洲,输电线路数字式行波保护方法及其继电器与保护系统,2004.3.10,中国发明专利ZL 01143449.X

14. 董新洲,配电网继电保护与故障定位系统, 2004.9.15,中国发明专利ZL 01130657.2