电气工程

大型火电机组动态频率响应特性

王一振，马世英，王青，等

电气工程

大型火电机组动态频率响应特性

王一振，马世英，王青，等

目的：当电网发生解列故障时大型火电机组的动态频率响应特性对于维持电力系统的频率安全和稳定具有至关重要的作用。本文建立了解列后大型火电机组频率调节动态模型，从定量的角度分析各个参数对频率动态响应特性的影响，对解列后的电网频率安全稳定措施的制定具有重要的意义。方法：该文首先以频率最大偏移量及其出现时刻为研究关注点，建立了解列后大型火电机组的频率调节动态模型，提出一种通过求解四阶线性定常非齐次状态方程组确定频率最大偏移量及其出现时刻的方法。以此为基础，采用一台600 MW火电机组的实测参数，深入分析了机组一次调频限幅、调差系数、前馈系数3个重要参数对解列后电网频率动态过程的影响，最后分析了电力系统在不同工况下的频率动态响应特性。结果：文中根据实测参数可以通过求解所建立的四阶线性定常非齐次状态方程组确定频率最大偏移量及其出现时刻，通过研究对比，得到如下结果：一次调频限幅越大，频率动态响应越快，最大频率偏差越小，在确保机组安全的前提下应尽量放开一次调频限幅；前馈系数越大，频率动态响应越快，最大频率偏差越小，但前馈系数过大时，频率出现衰减振荡，反而影响机组调速；调差系数越小，机组调频能力越强，最大频率偏差越小，稳态频率偏差越小，但机组出力受频率变化的影响也越大。对于确定的机组和调速器参数，其频率动态响应速率相同，达到最大频率偏差的时刻相同，不因负荷变化量的多少而改变。结论：大型火电机组的动态频率响应特性对于维持电力系统频率安全和稳定具有至关重要的作用，一旦系统发生解列故障，可以通过调节一次调频限幅，前馈系数，调差系数等参数以影响机组的动态频率响应特性，对电网频率安全稳定措施的制定可以提供参考。

来源出版物：电网技术, 2013, 37(1): 106-111

入选年份：2014

先进电力电子技术在智能电网中的应用

张文亮，汤广福，查鲲鹏，等

摘要：目的：随着经济的发展、社会的进步、科技和信息化水平的提高以及全球资源和环境问题的日益突出，电网发展面临着新课题和新挑战。依靠现代信息、通信和控制技术，积极发展智能电网，适应未来可持续发展的要求，已成为国际电力发展的现实选择。本文介绍了先进电力电子技术的基本内涵及其在智能电网中的应用，着重介绍了灵活交流输电（flexible AC transmission system，FACTS）技术和直流输电（high voltage DC，HVDC）技术在智能电网中的应用，并指出其未来的发展重点。方法：本文从不同角度分析了中国智能电网对先进电力电子技术的需求，展望了中国先进电力电子技术的研究方向和发展预期。智能电网对先进电力电子技术的需求主要包括强化优化电网及保障大电网安全、促进可再生能源有效利用、改善电网电能质量与电力市场、保障电网电力电子装置可靠性和节能减排等。先进电力电子技术是建设智能电网的关键，也是今后世界各国电力系统电力电子技术发展的方向。结果：FACTS技术以其快速的控制调节能力及其与现有系统良好的兼容能力，为其在我国的研究和应用提供了广阔的空间，未来5年我国FACTS发展主要集中在750 kV/1000 kV可控串补技术和可控高抗技术、静止同步串联补偿器关键技术研究、统一潮流控制器关键技术研究和基于广域测量系统的多 FACTS协调控制技术研究。直流输电技术在智能电网中应用的重点包括：±1000 kV直流工程关键技术研究、智能化直流输电系统研究、三极直流输电技术研究、多端直流输电系统研究、高压大容量柔性直流输电技术研究、大规模分布式电源系统采用柔性直流接入系统技术研究和电容换相换流器关键技术研究。电能质量技术在智能电网中应用的主要技术包括电气化铁道平衡供电技术、自适应静止无功补偿技术、连续调谐滤波器关键技术、直流有源滤波器相关技术、统一电能质量控制器、优质电力园区等。能量转换技术在智能电网中应用的技术发展趋势是风能、太阳能等可再生能源的利用以及大规模间歇性电源与微网等并网运行，具体包括大规模间歇式电源的能量转换技术、聚群功率调节器关键技术研究、规模化大电流充电技术、中压大功率风机变流器技术、抽水蓄能启动变频技术、轨道交通的能馈系统、电动汽车与电网能量双向转换技术等。结论：先进电力电子技术可以强化、优化电网，保障大电网安全稳定，促进可再生能源的有效利用，改善电网电能质量，保障电力系统电力电子装置的可靠性和深化节能减排技术的研究，是建设我国智能电网的重要基础和手段，是保障我国电网长远发展的重要战略任务。

来源出版物：中国电机工程学报, 2010, 30(4): 42742

入选年份：2014

风电场功率预测物理方法研究

冯双磊，王伟胜，刘纯，等

摘要：目的：风电场输出功率具有随机性和波动性的特点，因此大量风电场集中并网会影响电网的安全稳定运行。对风电场输出功率进行预测是增加风电接入容量、提高电力系统运行安全性与经济性的有效手段，风电场功率预测的物理方法不受历史数据的限制，可用于新建风电场的功率预测，有效解决风电功率预测统计方法中存在的问题，提高了预测方法的适用性。方法：基于物理原理的风电场功率预测包括粗糙度变化模型、地形变化模型与尾流模型，其中粗糙度变化模型与地形变化模型反映风电场的局地效应。风电场局地效应对流场的影响属于非均匀下垫面大气边界层的研究范畴，气象学上的研究方法计算过程复杂，且受到网格分辨率的限制，过高的网格分辨率不仅需要花费大量的计算时间，还会超出模式的假设条件。为了降低模型复杂度，突出主要研究对象，增强方法的工程实用性，本文分别采用基于实验观测的粗糙度变化模型与基于势流理论的地形变化模型模拟风电场局地效应。在此基础上，通过分析风电场局地效应与风电机组尾流影响，实现基于物理方法的风电功率预测。结果：本文对风电功率预测的物理方法进行研究，提出了适用于电网调度的风电功率预测方法，并根据某风电场实测功率验证了该方法对风电场各种出力方式的预测能力，同时还给出了预测结果的误差组成。具体包括：1）对变化的粗糙度与地形对流场的影响进行了分析。建立了表征粗糙度变化影响的粗糙度变化模型；在线性化运动方程的基础上，应用势流理论建立了反映地形变化影响的地形变化模型，并给出了求解方法，实现了对风电场局地效应的解析求解。2）根据粗糙度变化模型与地形变化模型，提出了研究位置给定高度的风速、风向预测方法；并根据测风塔实测数据对风速、风向预测方法的有效性进行了验证。3）研究了尾流模型与粗糙度变化模型、地形变化模型的组合原则，最终建立了基于物理方法的风电功率预测系统，并根据某风电场实测功率验证了预测系统的有效性。4）根据物理预测方法的基本原则，分析了预测结果的误差组成。结论：本文提出了适用于工程应用的风电功率物理预测方法，并将该方法应用于某实际风电场。所得结论如下：1）该方法可以满足风电场各种出力方式下的功率预测要求，且整体预测与逐点预测准的准确性均较高；2）由于未考虑风电场厂用电影响，预测结果略大于实测功率；3）受数值天气预报（Numerical Weather Prediction，NWP）计算网格分辨率与模式的影响，预测方法对风电场输出功率快速变化的预测能力相对较差，提高NWP数据的准确性是改善预测结果的重要措施；4）本文提出的方法不需要历史数据的支持，可用于新建风电场的功率预测。

来源出版物：中国电机工程学报, 2010, 30(2): 42741

入选年份：2014

微网系统的动态经济调度

刘小平，丁明，张颖媛，等

摘要：目的：微网系统的运行特性、所包含发电单元类型、电能质量约束等，与传统电力系统存在着较大区别，需要研究其动态经济调度问题。可再生能源本身所固有的随机性和间歇性，给这一问题的解决带来了挑战。本文针对微网运行中各种不确定性因素的影响，提出基于机会约束规划的微网系统动态经济调度模型，并采用结合蒙特卡罗模拟的遗传算法求解。方法：微网动态经济调度问题是一个含有多随机变量的复杂约束优化问题，采用传统的确定性规划方法难以处理随机变量。综合考虑微网系统中风机和光伏电池的输出功率波动、负荷预测误差以及机组故障停运等不确定性因素，建立动态经济调度的机会约束规划模型。在模型中，添加了关于微网系统可靠性的概率约束条件，表现为旋转备用以一定的置信水平b满足系统要求；目标函数是微网计划运行成本最小，或是在不低于某一置信水平a下达到微网的实际运行成本最小。对不确定性因素进行模拟，采用威布尔分布描述风电功率波动、马尔可夫链描述光伏发电功率波动、正态分布描述负荷波动、0-1分布描述机组故障停运，设计结合蒙特卡罗模拟的遗传算法来求解模型。算法采用实数编码方式、锦标赛选择、多点交叉和高斯变异，使用罚函数法来处理约束条件，同时引入蒙特卡罗模拟来检验机会约束条件是否满足。结果：通过对实际微网系统的仿真分析，可以看出，置信水平a和 b的选取、各种不确定性因素的参数改变均会对结果产生影响。1）微网运行成本随着b的提高而逐渐增加，在b接近1时有大幅度的增长，表明微网系统可靠性水平的提高是以运行成本的增加为代价的，需要选取适当的置信水平 b，以在可靠性和经济性之间进行折中；2）微网实际运行成本均随着a的增加而变大，且呈加速增长；3）随着负荷波动的加剧，微网的计划运行成本、实际运行成本以及功率调整费用都在增加；4）考虑机组的强迫停运率后，微网的运行成本有所增加；5）若可再生能源功率波动加剧，为了维持系统的可靠性水平不变，微网从外界获取的容量以及实际使用的旋转备用容量增加，微网运行成本增加。结论：将随机规划理论引入微网系统，考虑可再生能源的输出功率波动、负荷预测误差以及机组故障停运等不确定性因素，建立基于机会约束规划的微网系统动态经济调度模型，并设计结合蒙特卡罗模拟的遗传算法，可以解决含不确定性因素的微网动态调度问题。进一步地，可加入微型燃气轮机、燃料电池、蓄电池等多种分布式电源，使得该微网经济调度方法具有更普遍的适用性。

来源出版物：中国电机工程学报, 2011, 31(31): 77-84

入选年份：2014

电气介数及其在电力系统关键线路识别中的应用

徐林，王秀丽，王锡凡

摘要：目的：统计表明，电力系统大停电事故一般由个别元件故障开始并导致全系统崩溃，其中少数输电线路起到关键作用，称为“关键线路”。关键线路一般采用“介数”指标识别，但该指标假设功率只沿两点间最短路径流动，与电力系统实际不符。为此，本文基于基尔霍夫电路方程，提出输电线路的“电气介数”指标，考虑了“发电-负荷”节点对间所有可行路径，并能反映节点对功率对线路的占用情况。其次，提出电网功率“最大传输能力”指标，和已有的“网络连通性”指标结合能更全面反映关键线路故障对电网的影响。最后，采用三种不同攻击策略验证了高电气介数线路在电力系统中确实具有关键地位，以及本文所提“最大传输能力”指标的必要性。方法：1）基于基尔霍夫电路方程，定义线路（m，n）的电气介数（electric betweenness）Be（m，n）如下：1）式中：Iij（m，n）为在“发电-负荷”节点对（i，j）间加上单位注入电流元后，在线路（m，n）上引起的电流；Wi为发电节点i的权重，取发电机额定容量或实际出力；Wj为负荷节点j的权重，取实际或峰值负荷；G和L为所有发电和负荷节点的集合。该指标能有效克服已有模型假设功率只沿两点间最短路径流动不足，真实反映“发电-负荷”节点对之间功率传输对各条输电线路的占用情况，并考虑了不同节点发电容量和负荷水平的影响，物理背景更符合电力系统实际。2）将电网等效为一个“单源单汇”网络，用网络最大流近似计算该电网的最大传输能力（maximal transition capability）E=Фmax（A，C），式中：Фmax为网络最大流算法；A为电网拓扑矩阵；C为支路容量矩阵：对线路取自身容量，对虚拟发电和负荷支路取发电容量和实际负荷水平。在实际应用中，可使用故障后电网的最大传输能力相对原始电网最大传输能力的百分比表示故障的影响程度。3）采用 3种不同的策略对电网拓扑进行模拟攻击，验证高电气介数线路在电力系统中的关键地位。具体方法为：（1）计算原始电网拓扑的连通性和最大传输能力指标；（2）按一定策略对输电线路逐条进行攻击；（3）计算该线路失效后电网的连通性和最大传输能力下降水平；（4）直到电网完全崩溃为止。其中，攻击策略包括：（1）静态攻击－按线路电气介数从大到小攻击；（2）动态攻击－同静态攻击，但每次重新计算剩余线路的电气介数；（3）随机攻击－每次随机选择一条线路攻击。结果：对IEEE-39节点算例分析表明：1）动态攻击下系统连通性下降最快、静态攻击次之、随机攻击最慢，说明高电气介数线路在遭受连续攻击时系统最为脆弱，确实是关键线路。这一结果和已有模型一致，说明“电气介数”指标的有效性；2）在动态攻击过程中，开始阶段（前6条高电气介数线路故障）系统连通性迅速下降到30%，但最大传输能力保持在95%左右，说明连锁故障初期的关键线路主要是联络线，系统以解列为主，各子区域电力仍能基本平衡；后续阶段，系统连通性保持在30%不变，最大传输能力迅速降到0，说明连锁故障后期的关键线路主要是电厂送出线，当发电机全部跳开后，系统连通性已无意义。这一结果和电网实际相符，说明本文所提方法的有效性，同时也说明仅用连通性指标并不能全面反映系统的故障程度，本文所提最大传输能力指标是必要的。对西北电网的计算结果也和工程实际相符，再次说明本文模型的有效性。结论：1）本文所提“电气介数”指标基于电路基本定律，物理背景更符合电力系统实际，并可考虑不同发电容量和负荷水平的影响。分析表明，高电气介数线路在系统中具有关键地位，遭到故意攻击时电力系统容易发生连锁故障。2）本文所提“最大传输能力”指标能反映线路故障对电网供电能力的影响，和已有的网络连通性指标相结合能更全面反映连锁故障对电力系统的影响，且仿真结果与工程实际也更相符。

来源出版物：中国电机工程学报, 2010, 30(1): 33-39

入选年份：2014

智慧城市标准化工作进展

舒印彪，范建斌

摘要：目的：全球各主要国家的政府部门认识到，发展智慧城市在促进城市基础设施更加智能，公共服务更加便捷，社会管理更加精细，生态环境更加宜居，产业体系更加优化等方面具有重要意义，已从政府制定政策规划等方面给予了高度的重视和支持。智慧城市建设涉及到的领域众多，系统性和复杂性突出，标准化工作对其发展具有重要指导意义。国际主要标准化组织和主要国家标准化组织高度重视标准化对智慧城市建设的引领作用，陆续开展了相关工作，本文对智慧城市标准化领域的主要组织、开展的重点工作、取得的成就进行了梳理，重点围绕《IEC智慧城市白皮书》对智慧城市的定义、发展支柱、发展路线、主要标准和其作用进行了介绍和分析，对国际和我国智慧城市建设和标准化工作进行了展望。方法：首先梳理了开展智慧城市标准化工作的国际标准化组织、以及英国、德国、中国等智慧城市建设较为领先的国家内部的标准化组织。在此基础上，重点分析介绍了 IEC SMB开展的智慧城市白皮书编制工作，在全球快速城镇化的背景下，综合考虑发达国家和发展中国家面临的不同城市化发展需求，对智慧城市的定义、支撑城市发展的四大支柱、智慧城市评价指标、智慧城市发展路线、相关标准及其作用、主要利益相关方及对方协调的重要性进行了探讨。在对智慧城市基本概念进行讨论后，从国际和国家两个层面，对全球智慧城市建设及其标准化工作进展进行了梳理和总结，对各方工作的进展、重点、成果进行了对比分析，并由此提炼出智慧城市发展的十项重要建议。结果：智慧城市的发展目标在于提高各类设施的利用效率、提高能源利用效率，减少温室气体排放，快速发展的ICT技术和正在不断提高的数据收集、处理能力，以及新型的材料技术和能源技术，为实现智慧城市的发展目标奠定了基础。智慧城市是一个“由多个子系统集成的系统”，需要协调各个部门，实现各个部门的横向和纵向贯通，才能实现智慧城市的总体目标。智慧城市建设需要各利益相关方的共同参与，包括各种技术的提供商、城市管理人员、市民等。建设智慧城市不单是一个技术提供商提供技术和产品、城市管理者采用的过程，市民能否参与至关重要。市民不再是技术和解决方案的简单使用者，市民需要积极参与，采取“智慧”的生活方式，参与智慧城市中的协作和互动，才能保证智慧城市建设和运营的成功。标准对智慧城市的发展有着重要的推进作用，表现在：标准可保证智慧城市的发展达到应有的性能水平，可保证设备和技术的协调性；可促进技术的竞争，带动技术创新，惠及城市和市民；可使得技术和解决方案具有可复制性和可比较性。当前，针对智慧城市的标准仍属空白，智慧城市的标准化工作刚刚起步，主要工作尚停留在概念模型和体系架构研究、利益相关方识别、用例收集、标准缺失识别、标准体系研究和路线图编制、评价指标的提出、术语定义等基础研究方面。结论：电力供应在智慧城市中占据非常重要的地位。可再生能源、电动汽车的发展，楼宇和家居的智能化，都与电力供应密切相关，城市的安全也离不开电力的可靠供应。电力部门需积极参与到智慧城市建设及标准化工作中，并发挥重要的作用。在智慧城市标准化方面，我国取得了很好的战略地位，我国专家在IEC、ISO、JTC1和ITU-T的智慧城市标准化工作中正在发挥着重要的作用，国内推进组和智慧城市产业联盟为我国专家参与智慧城市国际标准制定奠定了坚实的基础。国家电网公司也积极参与IEC智慧城市标准化工作，今后将更广泛深入地参与智慧城市国际标准研制工作。智慧城市作为现代城市发展的重点方向，近年来在全球范围受到了广泛重视。标准化工作对智慧城市的发展起着重要的作用，智能电网是智慧城市的重要组成部分，为此国家电网公司也正在积极参与国际、国内智慧城市标准化工作。文中介绍了智慧城市的基本概念，包括定义、架构、评价指标、利益相关方组成等；总结了IEC、ISO、ITU-T、ISO/IEC JTC1等国际标准化组织，中国、德国、英国、美国等国家标准化机构在智慧城市标准化工作中取得的进展和研究成果。文章旨在为有志参与智慧城市技术研究和标准化工作的电力工程技术人员提供参考。

来源出版物：电网技术, 2014, 38(10): 2617-2623

入选年份：2014

电力二次系统安全风险评估研究综述

郭创新，陆海波，俞斌，等

摘要：目的：目前二次系统安全风险评估相关方面的研究侧重点各有不同，已有的分析手段基本是从设备和信息分别入手，而对两者风险融合分析和人为因素的考虑，及二次系统风险对一次系统的作用形式研究尚少。但是，如果要全面评估二次系统安全风险，以上因素缺一不可。文章从影响二次系统安全风险的因素入手，分析了目前二次系统安全风险评估相关的模型与方法，通过总结并评述电力二次系统安全风险评估国内外研究现状，指出未来的研究方向，以期为降低电力二次系统安全风险整体水平提供基础。方法：首先指出二次系统由软件、设备和其中的交互信息共同组成，并且和控制人员直接交互。其次，分别从二次设备、信息系统以及人为风险3个方面入手，具体分析了二次系统风险的来源。然后，归纳了已有的二次设备领域、信息安全领域、人为风险领域的可靠性研究模型和风险评估方法。最后，通过表格形式从评估对象、模型方法、基础数据来源、输出风险指标等多个方面对现有研究进行了较为全面的比较。结果：二次设备、信息安全和人为风险领域作为二次系统安全风险的3个领域已有不少研究文献，但涉及的各项工作尚未形成统一标准，在模型选择、数据来源和风险指标方面的差别都比较大。并且该领域还面临以下挑战和困难：1）二次系统复杂性，包括组成复杂性、状态的多样性、网络的交错性；2）风险因素来源多样性，包括来自设备、信息、人因等多个方面的风险因素；3）基础数据的不确定性，包括系统本身固有的随机不确定性和技术手段不足引入的不确定性。结论：未来电力二次系统风险评估的主要研究重点应在以下几个方面：1）风险因素。二次设备、信息和人为因素这3种风险来源需综合评价，特别是分析这些风险因素在事故发生及扩大过程中产生的影响和作用形式，充分考虑各种因素的交互，全面评估二次系统整体风险。2）数据获取。需对二次系统监控与事故记录进行统一管理，累积事故样本，并整理历史数据和公式化专家经验，同时研究在风险基础数据缺失或不足时的风险评估方法。3）评估模型。应从二次系统的功能价值及功能失效对一次系统的影响出发，建立统一的面向功能的二次系统风险评估模型和风险指标体系。4）风险应用。风险评估结果应为发现系统脆弱点并评估脆弱点可能给系统带来后果的严重程度，进而提供相应的应对措施与改进方法来降低风险。

来源出版物：电网技术, 2013, 37(1): 112-118

入选年份：2014

基于可拓云理论的电能质量综合评估模型

李如琦，苏浩益

摘要：目的：随着非线性负荷的增多，电能质量问题已表现得日益突出，各国都根据实际情况制定了相关的电能质量标准，所制定的标准能够评判电能质量各单项指标是否合格，但却存在着一定的缺陷。电能质量是一个多指标的综合体，单纯的判断某项指标是否合格，并不能反映整体的电能质量情况。电能质量综合评估过程中，存在模糊性、随机性等因素，为了解决电能质量综合评估中存在不确定性因素影响评估结果的问题，提出了基于可拓云理论的电能质量综合评估模型。方法：充分考虑电能质量各指标的不确定性，全面考虑电能质量分类等级边界信息的随机性和模糊性，利用云模型的不确定推理特性和可拓学中的物元理论兼具定性、定量分析的优点，实现电能质量的有效评定。通过层次分析法得到各指标的主观权重，通过熵权法和均方差法得到各指标的客观权重，运用加法集成原理得到综合权重值。根据已颁布的国家标准和相关文献资料来确定各项评价指标的分类等级边界值，将界限值作为一个双约束空间处理，全面考虑约束空间边界值的随机性和模糊性并对其进行适度扩展，再通过区间数与正态云模型的转换关系式计算出电能质量等级界限云模型的期望值、熵、超熵，得到电能质量综合评估标准云物元模型。计算待评物元与标准云物元模型之间的云关联度，引入信息熵理论确定电能质量等级。结合熵理论和云关联系数，定义了云熵值，当待评样本的云熵值最大时，表明待评样本对应电能质量等级的标准隶属云的影响最均衡，最能体现待评样本的性质。在此基础上定义了可信度因子，使得所提出的方法在给出电能质量综合评估结果的同时能够提供评估结果的可信度信息。结果：以某地5个观测点的电能质量实测数据为基础，运用本文的方法进行分析得到评估结果和可信度信息。分别与模糊综合评估法、密切值法、遗传投影寻踪插值法进行对比分析表明，本文所得结果与传统方法的评估结果基本一致，进一步验证了该模型的有效性。结论：基于可拓云理论的电能质量综合评估模型在提高评估准确性、简化评估流程、增强实用价值等方面具有重要意义，使得电能质量各项指标权重的确定既体现了决策者的主观意志又避免了随意性，为实现电能质量综合评估提供了有力保障。全面考虑电能质量分级界限值的随机性和模糊性，将云模型融入到物元分析理论中，改进物元结构。构建标准可拓云模型时，直接利用原始数据，省去了数据的归一化处理过程，避免了可能出现的信息丢失。该模型可以在电力市场中电能定价机制创新、完善电能质量综合评估体系、电能交易平台建设等方面为管理者提供决策支持。

来源出版物：电力系统自动化, 2012, 36(1): 66-70

入选年份：2014

储能技术在解决大规模风电并网问题中的应用前景分析

袁小明，程时杰，文劲宇

摘要：目的：风力发电不同于常规发电的静态出力特性和动态出力特性给电力系统供电的充裕性及运行的安全稳定性带来新的重大挑战。本文在讨论大规模风电并网存在的基本问题基础上，阐述了利用储能装置解决大规模风电并网问题的基本思路，并就目前储能技术大规模应用所面临的问题及前景进行了展望。方法：以常规火电为例，通过对风电与常规火电在静态出力特性及动态出力特性两个方面的比较，得出风电不同于常规电源的两个完全不同的特点，即静态出力的波动性和不确定性，以及动态出力的弱致稳性和弱抗扰性。在此基础上，进一步探究含大规模风电电力系统在供电充裕性问题上，风电静态出力特性对各类型常规电源的影响；以及在运行稳定问题上，风电动态出力特性对相位/频率以及电压水平的影响。针对以上两个核心问题，基于储能对功率和能量的迁移能力以及其不同时间尺度的灵活响应特性，探究利用储能技术解决大规模风电并网问题的新思路。结果：储能的应用可使原本刚性连接的电力系统变得柔性起来，为大规模风电并网带来的供电充裕性和运行稳定性问题的解决提供一条新的思路。储能作为一种可调度资源是解决风电波动性和不确定性问题对系统影响的途径之一。大规模风电并网增加了系统对调频及负荷跟踪备用的需求，要求储能的充放电周期在分钟至小时级，适用的储能技术包括铅酸电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池等储能形式。同时，大规模风电并网也增加了系统中基荷机组组合的挑战，将要求储能的充放电周期在小时至日级，适用的储能技术包括钠硫电池、液流电池、抽水蓄能、压缩空气蓄能、热能储能等储能形式。储能作为一种辅助致稳资源也是解决风电弱致稳性和弱抗扰性对系统影响的途径之一。大规模风电并网使系统包括风电本身的运行稳定性面临着新的挑战，要求储能的充放电周期在数十毫秒级至分钟级，适用的储能技术包括超级电容器、飞轮储能、超导储能等储能形式。并且风电机组“穿越”大扰动，同样为储能应用提供良好的机遇。采用储能解决风电弱致稳性和弱抗扰性对系统的影响时，原则上应在风电场或风电场群等较小范围内规划。但对于由风电的影响而导致的系统频率稳定问题及同步发电机稳定问题，可考虑在更大范围内规划。文中给出在风电场处安装储能改善电网及风电的扰动响应特性以提高风电的抗扰性和致稳性的示例。结论：总体而言，大规模风电并网为储能在电力系统中的规模化应用提供了新的机遇。包括储能在内的各种技术手段可用于解决风电并网引发的各种问题。目前还不明确是否存在储能在解决某些问题上的不可替代性。长远来看，风电在电网中的渗透率能够达到什么水平最终取决于风电出力与负荷的相关性及降低电网中常规发电机组出力的能力。在储能的规模化应用之前，必存在常规发电机组装机容量过大及过度限制风电出力的问题。在风电渗透率达到什么水平时储能才会成为最为经济的解决措施目前尚不存在简单的答案。储能的规模化应用将最终取决于2个关键因素：储能的各种功能对于电网的经济价值的量化；储能技术本身可靠性的提高及成本的降低。

来源出版物：电力系统自动化, 2013, 37(1): 14-18

入选年份：2014

从智能电网到能源互联网：基本概念与研究框架

董朝阳，赵俊华，文福拴，等

摘要：目的：以化石能源集中式利用为特征的传统经济和社会发展模式正在逐步发生变革，而以新能源技术和互联网技术为代表的第三次工业革命正在兴起。作为第三次工业革命的核心技术，能源互联网力图结合可再生能源技术与互联网技术，推动分布式可再生能源的大规模利用与分享，促进电力、交通、天然气等多种复杂网络系统的相互融合，最终实现改变能源利用模式，推动经济与社会可持续发展的目的。本文的主要目的是对能源互联网的概念、理论与实现进行初步的探讨，并针对能源互联网的研究提出了作者的一些建议。方法：本文主要围绕着“能源互联网的基本概念、架构及组成”“广域内分布式设备的协调与控制”“电力系统与天然气网络的融合”“电力系统与电气化交通系统的融合”“能源互联网的信息物理建模及安全性”等几个核心问题进行讨论。对每一个问题，本文首先简单介绍若干相关文献的内容，并在此基础上针对该问题进一步详细讨论，最后提出作者针对该问题的一些研究思路。结果：本文首先基于里夫金提出的能源互联网愿景，给出了能源互联网的初步定义：能源互联网是以电力系统为核心，以互联网及其他前沿信息技术为基础，以分布式可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统。随后，分析了能源互联网的主要组成部分及其相互关系。最后，简单总结了能源互联网和智能电网的联系与区别。为了平抑可再生能源的间歇性，储能与可控负荷等分布式设备的接入将是能源互联网的重要研究内容。本文对分布式设备接入电力系统的研究现状进行了简单总结，指出能源互联网研究更应着眼于广域内海量分布式设备间的信息交互与协调。考虑到能源互联网中分布式设备的协调在数学上是一个高维度的非线性优化问题，探讨了分层优化与分布式优化两种可能的求解策略。而对于负荷侧控制，重点探讨了如何实现非中断性的负荷控制，以最小化对用户舒适度和便利度的影响。最后，从物理与信息两个层面，探讨了分布式设备的“即插即用”问题。未来的能源互联网中，天然气网络与电力系统可能高度耦合。首先简单介绍了电力与天然气网络的协同规划研究，并指出了该领域中值得重点关注的3个问题。随后，介绍了以能源中心（energy hub）和耦合矩阵（coupling matrix）为理论基础的电力与天然气网络的协调运行问题。最后，简单探讨了将电力与天然气网络协调运行问题进一步扩展为多能源网络的协调运行问题的研究思路。以电动汽车为纽带，电力系统与交通系统的耦合程度在未来将不断加深。首先对电动汽车接入电力系统的研究现状进行了总结，列举了电动汽车接入对电力系统的影响分析、计及电动汽车的电力系统调度与控制方法、以及电动汽车充电设施规划等三个问题的重要参考文献。随后，从运行与规划两个层面，对于电力系统与电动交通系统的协调研究进行了展望。前沿信息技术在能源互联网内将发挥不可替代的作用。首先，从完整性、准确性和及时性3个方面，简单探讨了如何评估信息系统所提供的信息的质量。随后，分3个方面对于能源互联网内信息与物理系统的交互研究给出了作者的一些观点。随着信息系统与一次系统融合的加深，能源互联网的信息安全问题将逐渐凸显。本文首先对信息物理安全问题进行了简单介绍。随后给出了若干重要的参考文献，对智能电网的信息物理安全问题的研究现状进行了总结。最后，指出了该领域值得重点研究的五个问题。结论能源互联网是以电力系统为核心，以互联网技术和新能源发电技术为基础，并结合了交通、天然气等系统构成的复杂多网流系统。建立能源互联网的主要目标是利用互联网技术推动由集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的转变。能源互联网发展的核心目的是利用互联网及其他前沿信息技术，促进以电力系统为核心的大能源网络内部设备的信息交互，实现能源生产与消耗的实时平衡。为了实现大规模可再生能源的稳定利用，海量分布式设备的广域协调和即插即用将是能源互联网的关键技术。电动汽车作为电气化交通系统的核心，可以同时充当储能设备以平抑可再生能源波动，将在能源互联网中发挥重要作用。随着页岩气开采技术的进步和电转气技术的出现，电力网络与天然气网络之间的能量流动将由单向变为双向；通过电力与天然气网络的融合，有望真正实现可再生能源的大规模存储。

来源出版物：电力系统自动化, 2014, 38(15): 42746

入选年份：2014

实时平抑风电场功率波动的电池储能系统优化控制方法

洪海生，江全元，严玉婷

摘要：目的：风能作为一种清洁的可再生能源，在世界范围内得到快速的发展。然而由于风速的随机波动性，输出电能具有波动性和不确定性，会对电网产生冲击，严重时将引发大规模恶性事故，这在一定程度上制约了风电的快速发展。储能作为一种平抑风电功率波动的有效手段，受到越来越多的重视。本文提出了一种基于模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）的实时平抑风电场功率波动的电池储能系统（Battery Energy Storage System，BESS）优化控制方法。方法：该方法以未来一个控制时段使用的储能出力最小为目标，利用滚动时域控制策略实现实时控制，增强应对各种扰动和不确定性的能力。考虑两个时间尺度（1 min与30 min）的功率波动约束、储能最大功率约束以及储能容量约束。当合成输出功率不满足功率波动约束时，采用约束软化调整技术，兼顾期望目标，以获得满意的优化结果；然后实现了基于区间削减技术的主动式储能容量反馈控制，避免了BESS的过充或过放；同时考虑减小合成输出功率的粗糙度，自适应地调整粗糙度惩罚因子，进一步平滑了输出。结果：本文通过算例分析对本控制方法与传统的一阶滤波控制，以及加入变化率限制环节的一阶滤波控制方法在最大储能功率和储能使用量等方面进行了比较。最后，在 MATLAB中进行了仿真，验证了本方法的效果。1）对于相同的波动平抑指标，与一阶低通滤波以及加斜率限制器的低通滤波相比，本方法所需要的储能最大功率和容量都较小。2）对于两个尺度的波动剧烈的原始风电功率；经过平抑后，合成输出功率两个时间尺度的波动均满足本文设定的两个时间尺度的功率波动平抑指标。3）考虑荷电状态（SOC）对BESS进行额外地充放电，将有效减少由于储能容量过低导致平抑波动控制失效的情况，保证有足够的储能应对突发状况。当SOC大于70%或小于30%时，能量反馈发生作用，提高了合成输出水平，从而可对 BESS少充电或者多放电通过主动式能量反馈，可以尽量将SOC保持在充放安全区间[20%，80%]之内。4）当风电功率急剧上升，不含自适应粗糙度惩罚的平抑波动控制算法为减小储能容量，大部分时间以允许的最大值输出，从而落入了能量反馈的死区。考虑自适应粗糙度惩罚以后，除了降低合成输出的粗糙度从而进一步平滑合成输出外，对死区也有一定的改善作用，SOC处于[20%，80%]的百分比也有一定的提高。结论：本文提出了一种基于模型预测控制的应用于平抑风电功率波动的电池储能系统优化控制方法。算例分析表明该算法能够有效地平抑风电功率波动，有利于与风电场相连电网的稳定运行，为风电大规模并网创造更好的环境。通过约束软化技术实现系统的闭环控制，同时实现了主动式储能容量反馈控制，避免了电池储能系统的过充或过放。另外对粗糙度惩罚因子的自适应调整，进一步平滑了输出，从而在满足波动平抑指标的同时，提高系统运行经济性。该预测控制算法简单，在线计算量小，具有较好的应用前景。

来源出版物：电力系统自动化, 2013, 37(1): 103-109

入选年份：2014

电磁兼容与电磁防护相关研究进展

刘尚合，刘卫东

摘要：目的：日益复杂的电磁环境对电磁兼容与电磁防护研究工作提出了更高要求。从内涵和外延上看，电磁兼容与电磁防护是一个有机的整体，其研究重点都是电磁环境对设备或系统的作用机理、能量耦合途径等，目的都是为了保障设备或系统在预定电磁环境中的生存能力和运行能力。为更好把握电磁兼容与电磁防护研究的总体发展趋势和研究热点，本文对国内外开展的相关研究工作进行了归纳概述。方法：围绕形成电磁干扰或电磁危害的3个基本要素：电磁干扰源、电磁能量耦合途径和敏感对象，结合国内外近期开展的、具有代表性的相关研究工作，重点从仿真建模、实验测试、防护对策等角度进行分析和归纳总结。在此基础上，对电磁兼容与电磁防护相关研究领域的未来发展趋势进行展望，指出该领域需关注的研究热点。结果：1）随着电子系统的集成度和复杂度越来越高，电磁敏感度有所提高；同时，电磁干扰的覆盖频段越来越宽，电磁辐射源的功率越来越大。因此，在电磁干扰发射和电磁敏感度建模预测，以及电磁能量耦合规律研究等方面，亟待从器件级、设备级向更大规模的系统级拓展，并在提高模型准确性、降低模型复杂度以及扩展模型适用频率范围等方面加强研究。2）电磁干扰源不仅会引发电磁敏感对象的电磁兼容问题，往往还存在其他危害形式，比如静电放电等电磁危害源对电子器件或集成电路所产生的潜在性失效，对电爆装置等易燃易爆危险品所引发的燃爆事故等。因此，借助多物理场联合分析和建模技术将电磁效应、热力学效应等多种电磁环境效应进行综合考虑值得关注。3）基于电磁干扰测试和信号处理技术，研究快速、准确、智能化的电磁干扰排查技术，有利于在大型复杂系统中对多个不同类型的电磁干扰源进行分离、分类和定位，实现电磁兼容问题的快速诊断。4）在电磁防护方面，研究系统级电磁能量主要耦合途径的分析和确定方法，有针对性的采取防护加固措施，并推进电磁防护新技术、新材料、新器件的开发和工程化应用等已成为该领域的研究热点。而在对电磁防护材料和防护器件的防护性能进行实验评估时，其在电磁脉冲作用下的测试和评估方法还有待加强研究和完善。结论：日益复杂的电磁环境、高度集成的电子设备及系统对电磁兼容与电磁防护研究提出了更高要求，其总体发展趋势和关注热点主要体现在以下几个方面：1）大力开展电磁环境效应研究，提升设备、系统和系统间的电磁兼容水平及其在强电磁场环境下的电磁防护能力；2）积极开发大型复杂系统电磁仿真软件，加强重视设备级、系统级电磁兼容与电磁防护基础数据积累和数据库的研究开发；3）在器件级、设备级和系统级 3个层次上对电磁兼容与电磁防护领域的关键技术、前沿技术开展研究工作；4）加强学科交叉基础研究，通过学科之间交叉融合形成新理论、新原理、新方法，并在新原理新技术研究的基础上形成电路、系统、空间三位一体的电磁兼容与电磁防护体系。

来源出版物：高电压技术, 2014, 40(6): 1605-1613

入选年份：2014

独立微网系统的多目标优化规划设计方法

郭力，刘文建，焦冰琦，等

摘要：目的：随着分布式发电和微网技术的发展，独立微网系统日趋成为解决偏远、海岛地区供电的有效手段。为了指导独立微网系统的建设，需要对其优化规划设计方法开展研究。本文针对风光柴蓄独立微网系统，提出了考虑多台柴油发电机的组合开机方式、储能电池与柴油发电机之间的协调控制策略、系统备用容量问题在内的多目标优化规划模型，可开展不同目标组合和控制策略下的分布式发电单元、储能电池的类型和装机容量的配置计算。方法：本文围绕包含柴油发电机、风力发电、光伏发电和铅酸蓄电池的独立微网系统的容量配置问题，提出了包含微网全寿命周期内的总成本现值、负荷容量缺失率和污染物排放的多目标优化规划设计模型。该模型采用硬充电和平滑功率两种典型的运行策略，并考虑了多台柴油发电机的组合开机方式，以及储能电池与柴油发电机之间协调控制问题。为了提高系统的稳定裕度，分别利用负荷、风机及光伏的备用容量系数计算系统的运行备用容量，并对考虑备用容量后的净负荷进行全寿命周期准稳态仿真。在优化变量上，同时选取设备类型和装机容量开展优化计算。在求解算法上，采用基于NSGA-II的多目标遗传算法进行计算，该算法能够利用Pareto分层排序操作来比较种群中个体的优劣，并通过迭代计算得到Pareto最优边界。结果：首先，以全寿命周期经济现值和排放水平作为双优化目标时，从优化结果可以看出：1）由于将负荷容量缺失率作为约束条件，所有优化配置的负荷容量缺失率均不高于设定值0.01。2）减少污染物排放需要减少柴油发电机的开机时间，为此需要安装更多的可再生能源发电和储能电池，将造成整个系统成本和浪费能量的上升。3）在硬充电策略下，由于允许蓄电池作为主电源运行，提高可再生能源发电比例可大幅度减少柴油发电机的运行时间，从而显著减少污染排放物。4）在平滑功率策略下，由于柴油发电机始终是主电源，即使配置较多可再生能源发电单元，也不能大幅度减少柴油发电机的运行时间。其次，以全寿命周期经济现值和负荷容量缺电率作为双优化目标时，从优化结果可以看出：1）为了追求更小的成本现值，部分结果的负荷容量缺电率大于 0.01。2）减小负荷容量缺失率意味着配置更多的可再生能源发电或延长柴油发电机的开机时间，均会导致系统经济性变差。3）相比硬充电策略，平滑功率策路下，柴油发电机始终是主电源，燃油消耗量较大，因此系统的经济现值相对较高。最后，从硬充电策略下，选择全寿命周期经济现值和排放水平双优化目标，以及不同蓄电池充电上限值时的计算结果可以看出：减少蓄电池充电上限值，可以减少柴油发电机的燃油消耗量和弃能量，从而减少系统成本。结论：应用本文提出的独立微网优化规划设计方法，开展了不同目标组合和控制策略下的分布式发电单元、储能电池的类型和装机容量配置研究。研究结果表明：1）经济现值与污染物排放是两个相矛盾的目标，经济现值与负荷容量缺失率也是两个相矛盾的目标，最优配置方案的选择必须权衡经济性、环境性与可靠性三者之间的关系。2）独立微网系统内分布式发电单元和储能电池的配置方案、控制策略和控制参数的选取，取决于当地的可再生能源资源条件、负荷等因素的影响，需要根据实际目标需求进行优化配置。

来源出版物：中国电机工程学报, 2014, 34(4): 524-536

入选年份：2014

智能电网运行充裕性的研究框架：要素与模型

薛禹胜，谢东亮，薛峰，等

摘要：目的：电力系统的充裕性与安全稳定性联系紧密，但研究却相互隔离。未来电网的充裕性因大规模接纳具有强间歇及随机出力特性的可再生能源而受到挑战。本文旨在以广义阻塞和广义可靠性视角重新认识电力系统充裕性，厘清其内涵，及其与安全稳定性的关系，扩充其概念体系，建立适用于描述智能电网充裕性分析与控制问题的框架及优化模型，为在更全面的分析平台上求取更佳的解决方案铺平道路。方法：电力系统运行充裕性的研究与安全性研究都属于广义阻塞研究的范畴，两者在功率平衡本质、不确定性、分析目标、模型、手段等方面的相似性应予重视和充分利用，充分吸收后者在包括风险价值化、预防与紧急控制解耦与协调等方面的研究成果，共同扩展系统的可观性和可控性，推进对一次能源、发-输-用电、市场竞争和环境交互关系的研究。但必须明确充裕性研究所面临的新问题，利用分级库、合约市场等概念实现发、需侧一体化充裕控制，在多时间尺度上逐级降低风险。结果：1）充裕性与安全性：电力系统的可靠性分为在本质上关联的充裕性与安全性两个方面。两者的数学模型包含着同样的变量与参数；安全性分析的故障集与充裕性分析的事件集互相重叠；改善其中一方的控制措施会影响另一方面，甚至有相反的效果。因此，必须在掌握两者机理与优化的基础上，考虑其协调问题。2）装机充裕性与运行充裕性：发电充裕性包括装机容量充裕性和运行充裕性两方面。大时间尺度的装机不足，会传导到较小尺度的日常运行，最终在充裕性事件中触发功率失衡。3）充裕性问题的突显：1）电力需求将在未来较长一段时间内保持较快的增长，电力的充足供应仍面临压力。2）风能、太阳能等间歇性可再生能源（RES）发电的大规模接入，给电力系统运行充裕性控制引入更大的不确定性。3）越发丰富的需求侧措施增加了充裕性控制可用的资源，但也增加了优化的复杂性。4）市场改革、RES入网和用电模式变化的趋势使电力系统的运行越来越接近其极限，传统的充裕性分析方法已经不可能满足智能电网发展的要求。充裕性问题的框架模型：1）提出了电力市场条件下发用电相对充裕性的分析与控制框架。2）分析了发、用、储各环节的控制措施的特性，强调作为传统措施的发电侧备用容量（RCGS）需要重视其动态约束，非传统措施的需求侧备用容量（RCDS）需要合约市场的支撑，日益成熟的储能系统则是极有前途的旋转/瞬时备用。3）按照所处物理状态与立刻可增出力状态之间的差距，将备用容量分为在建（年级）、阻塞/检修（月级）、就绪（日级）、冷备用（小时级）、热备用（分级）、旋转/瞬间备用（秒级）等时间尺度的备用，用于应对不同类型的充裕性事件。4）将运行充裕性控制决策优化划分为在市场上获取备用容量控制权的合约决策优化、以及对已经签约的备用容量实施控制的执行决策优化。5）按控制时机，将充裕性控制区分为预防控制、紧急控制、校正控制，将多道防线概念从安全性拓展到可靠性范畴。充裕性控制决策优化的数学模型：1）分别为合约决策与执行决策构建了优化模型，讨论两者在目标函数、决策变量、优化空间、约束条件等方面的差异与联系。2）强调应通过风险概念来协调充裕性与经济性。结论：可再生能源发电因其间隙性强、预测精度低、可控性弱等特点，必然导致严重的电力运行充裕性问题，当前的决策方法难以应对。应首先扩大系统的可观性至一次能源的概率预报和事件预警，提高系统的可控性以覆盖需求侧容量、储能及其它多时间尺度的各类备用容量；从技术角度建立采用风险型可行性判据、包括各时间尺度备用容量在运行全过程中的优化；从经济角度建立备用合约市场以购入需求侧容量，并实现其与现有市场机制以及调度执行期优化的协调。为此，充分借鉴电力安全稳定性的研究成果，针对控制手段多时间尺度的特点，建立了充裕性问题的框架模型和优化的数学模型。该模型有助于充裕性分析与决策水平实现从确定型向风险型、从孤立到协调、从离线到在线的提升。系列文章的后两篇还将从问题的难点、思路以及求解方法等方面，对新充裕性问题进行深入阐述。

来源出版物：电力系统自动化, 2014, 38(10): 42744

入选年份：2014

关于分布式发电保护与微网保护的思考

赵上林，吴在军，胡敏强，等

摘要：目的：分布式电源（Distributed Generation，DG）与微网（Microgrid，MG）接入配电网后，传统配电网辐射供电、单向潮流特性不复存在，遵循时序配合的段式电流保护不再有效。本文从研究对象与研究方法两个角度，宏观分析分布式发电保护和微网保护的策略。方法：根据配电自动化实现方式，将中低压配电网保护分成3种典型模式：1）没有实现配电自动化的配电网，保护方案通常为段式电流保护，依靠熔断器、断路器等保护设备实现故障隔离。2）采用重合器模式实现配电自动化的配电网，依靠重合器、分段器、重合分段器等自动开关设备相互配合实现故障定位与隔离。3）采用馈线终端单元模式实现配电自动化的配电网，以通信为基础，依靠断路器、馈线终端单元与主站系统实现故障定位与隔离。针对上述配电网保护3种典型模式，根据选择性原则，分析DG与MG接入对传统配电网保护的影响，可知3个或多个保护设备间的配合关系均可以从两个保护设备间的配合关系推出，即仅需考虑B下游段故障、AB段故障与A上游段故障3种情形下的保护配合关系。以此抽象的模型，分析DG和MG的保护策略。结果：分布式发电保护策略可以从两个角度设计：一是尽可能减小DG接入对配电网保护的影响，原有配电网保护方案不做调整；二是发展新的配电网保护方案以应对DG接入。具体而言，DG保护策略可以分为：1）配电网故障时，DG立即退出，传统配电网的保护不受任何影响；2）限制DG的容量与接入位置，配电网不做任何调整；3）引入故障限流器等故障电流限制手段，使故障时DG的影响降低，配电网不做任何调整；4）网络化数字保护，保护依赖于通信，配电网需做调整。从工程角度看，故障发生时，DG迅速离网，技术实现简单方便、可靠性高。但即便如此，仍需视具体要求考虑原有保护设备如何整定，尽量缩小被隔离故障区域。微网保护策略设计需考虑并网与离网两种运行方式下短路电流的差异。根据是否依赖通信，交流微网的保护策略可分依赖通信与不依赖通信两类。借鉴变电站3/2断路器接线结构，设计如图2所示的交流微网拓扑，断路器集中在一处构成开关站，带DG与负荷的线路作为元件接入某串。微网配置差动保护，某个元件发生故障时，差动保护可迅速切除故障元件。由于开关站的保护设备集中在一起，差动保护可不依赖于通信实现。以数字通信为基础的网络化微网保护，是典型的依赖于通信的交流微网保护策略，其利用多点的电流电压信息进行综合分析判断，实现微网故障判断与切除。网络化微网保护的技术挑战在于：有效的保护算法、快速可靠的通信网络、多点电流电压信息的同步。在合适区域构建小规模低压直流微网具有经济性与高效率优势。典型低压直流微网的结构如图3所示。由于规模较小，不会出现如交流微网中DG临近负荷的情形，即图3中出现DG在P4～P6下游的情况。因此，直流微网保护将大大简化，其关键技术问题在于：1）P4～P6下游故障时，P4～P6的准确动作及与P1～P3的保护配合；2）直流干线故障时，P1～P3的准确动作；3）储能单元线路故障时，P2的准确动作及与P1）P3的配合；4）接地故障时，不同接地系统时的故障鉴别。DG和MG对大电网的接入方式影响DG保护和MG保护的配置。图4为建议的一种DG与MG入方式。对于接入高压配电网的大容量DG，将其视为传统高压配电网中的电源，保护也与传统相同；对于零散地接入中低压配电网中的小容量 DG，优先采用故障时DG退出运行的保护策略，在不影响配电网保护可靠性的前提下，可采用限制DG容量、接入位置和短路电流大小的方式来实现故障时DG可不立即退出的保护策略；对于只接入中低压配电网的MG，配电网或MG内发生故障时，MG先行脱网，MG内部的保护在满足性能要求的情况下自由配置，待故障排除后，微网再并网。结论：DG和MG保护策略设计可从两个角度考虑：一是限制DG和MG接入对配电网的影响，从而不改变配电网原有保护的配置；二是发展新的保护方案，以应对DG和MG接入对配电网的影响。构造微网开关站，易于实现不依赖于通信的交流微网差动保护，是一种可行的交流微网工程方案。小规模低压直流微网具有技术经济优势，是未来发展方向之一。

来源出版物：电力系统自动化, 2010, 34(1): 73-77

入选年份：2015

具备应对过负荷能力的距离保护原理

柳焕章，周泽昕，王德林，等

摘要：目的：距离保护作为超/特高压输电线路最重要的后备保护在国内外线路保护中得到了广泛应用，国外发生的多次大面积停电事故中，线路过负荷造成距离保护误动作对事故扩大起到了推波助澜的作用。目前采取增加负荷限制线的方法无法有效防止过负荷情况下的保护误动。针对此问题，通过在电压平面寻找过负荷与故障的特征差异，提出故障与过负荷识别判据，过负荷情况下闭锁距离保护，故障时开放距离保护，旨在有效解决距离保护在过负荷情况下的误动问题，同时提高距离保护的耐过渡电阻能力。方法：首先比较了过负荷与故障在阻抗平面和电压平面的特征，在阻抗平面上过负荷与故障存在混叠区，不易区分。提出了两种基于电压平面的过负荷与故障识别原理：（1）基于相补偿电压相位与正序电压补偿相位关系的过负荷与故障识别原理，过负荷时，二者相位相同，故障时，相补偿电压相位滞后于正序电压补偿相位，实现了过负荷与故障的准确区分。（2）根据过负荷与故障时保护安装处电压余弦分量Ucosφ的显著特征差异，过负荷时，Ucosφ大于0.707 pu，相间故障时，Ucosφ小于0.05 pu，提出了基于Ucosφ的故障与过负荷识别判据Ucosφ＞0.5 pu，实现了相间故障与过负荷的准确区分。在此基础上，提出了距离保护应对过负荷策略与原有距离保护之间的关系，即过负荷情况下闭锁距离保护，故障时开放距离保护。结果：过负荷情况下，相补偿电压相位与正序电压补偿相位关系相同，根据原理（1），判断为负荷，闭锁距离保护，不对称故障时，相补偿电压滞后正序补偿电压，根据原理（1），判断为故障，开放距离保护。过负荷情况下，Ucosφ大于0.707 pu，根据原理（2）判断为负荷，闭锁距离保护，对称故障时，Ucosφ小于0.05 pu，根据原理（2），判断为故障，开放距离保护。提出的基于电压平面过负荷与故障识别原理可以有效识别过负荷与故障，防止过负荷情况下距离保护误动作。结论：大停电事故中距离保护因过负荷误切非故障线路扩大事故范围，传统基于阻抗平面的限制过负荷措施无法有效解决过负荷情况下距离保护误动问题。在电压平面上过负荷与故障特征差异显著，利用其建立的识别原理可以有效区分过负荷与故障，过负荷时闭锁距离保护，有效防止距离保护过负荷误动问题，同时在线路故障时，开放距离保护，且大幅提高了距离保护的耐过渡电阻能力，对于防止连锁故障及大面积停电事故具有重要意义。

来源出版物：电网技术, 2014, 38(11): 2943-2947

入选年份：2014

输电线路覆冰与导线温度和微气象参数关联分析

阳林，郝艳捧，黎卫国，等

摘要：目的：影响输电线路覆冰的因素有很多，如气象因素、海拔高度、导线直径、电场强度和微地形等。目前微气象参数等与覆冰的相关性分析不全面、不系统，无法确定主要影响因素，且之前研究均基于数理统计中的回归分析等方法，其要求有大量数据等，并可能出现量化结果与定性分析结果不相符的现象。本文拟用灰色关联分析方法计算因素相关性，并确定主要影响因素。方法：统计了贵州电网输电线路覆冰在线监测系统于2008年冬末至2009年春末监测到的线路覆冰状况。由于在线监测的覆冰数据有限，且传感器本身精度问题等不确定性原因，数据灰度较大，灰色关联方法较适宜处理。邓氏关联度描述事物间在发展过程中，因素间相对变化的大小、方向和速度等，如果两因素在发展过程中相对变化较小，则认为两者关联度大，反之亦反。灰色斜率关联系数反映了两曲线在某一点变化率的一致程度，其灰色关联度则是整个区间上灰色斜率关联系数的平均值，两序列发展趋势或曲线形状越相似，变化率越接近，关联度越大。提出了一种邓氏灰色关联度和灰色斜率关联度相结合的灰色综合关联分析方法，求解覆冰和各个因素之间的关联度。综合关联度综合了邓氏关联度和斜率关联度的优点，是较为全面表征序列之间联系紧密程度的数量指标。结果：从贵州电网输电线路覆冰在线监测系统统计结果中可以看出：1）在500 kV、220 kV和110 kV电压等级下，海拔高度对线路覆冰的形成均有一定的影响。2）在假定微气象环境比较接近的前提下，海拔、电场和导线直径对覆冰的影响强弱大致可认为如下：海拔高度＞导线直径＞电场强度。3）无论海拔高低，只要存在符合结冰的微气象、微地形，都可能发生线路覆冰；海拔高度对覆冰严重程度和持续时间均有一定的影响。4）覆冰的形成或维持条件为：导线温度2℃以下，环境温度2℃以下，相对湿度大于88%，风速 0～7.5 m/s，风向范围为与导线方向垂直偏大约±50°左右。5）雨凇、混合淞和雾凇三种不同覆冰类型的导线温度下限分别为–3℃、–3℃和–7℃，环境温度下限分别为–6℃、–7℃和–13℃。分析微气象、导线温度等与覆冰的相关性能为覆冰形成提供充分证据，为覆冰状态评估和处置决策等提供直接依据。传统线性相关系数计算结果表明，导线温度和环境温度相关系数值接近但小于 0.5，风速相关系数值较温度小得多，相对湿度相关系数值则几乎接近 0。从统计学角度可以说明导线温度和环境温度与覆冰存在弱相关关系，风速相关关系更弱，相对湿度则与覆冰几乎没有相关性。而物理机制上，这四个因素与覆冰厚度均可能存在某种程度相关或关联，线性相关分析结果与定性分析结果不符。按照灰色综合关联度分析方法对大量监测终端数据进行计算，结果均表明：1）导线温度、相对湿度、环境温度和风速四个参数与覆冰厚度的关联度值均比较大，表明该四个参数均与覆冰存在较强相关性。2）在各个影响因素中，环境温度和导线温度与覆冰的关联度仍然比其他两个因素明显较大，也就是说环境温度和导线温度与覆冰的相关性明显强于相对湿度和风速，温度是影响覆冰厚度的最主要因素。3）大致对各因素与覆冰的相关程度进行排序，得到影响覆冰的重要程度依次为：环境温度≈导线温度＞相对湿度＞风速。4）在进一步研究线路覆冰状态评估和处置决策等应用方面时应着重考虑温度的影响，适当考虑相对湿度。结论：覆冰监测系统本身是一个灰色系统，传统线性回归分析方法可能得到与物理机制不符的结果，而本文提出的灰色综合关联分析方法适用。导线温度、相对湿度、环境温度和风速四个因素均与覆冰存在较强相关性。环境温度和导线温度与覆冰的相关性明显强于相对湿度和风速，即温度是影响覆冰的主要因素。影响覆冰的重要程度依次为温度、湿度和风速。

来源出版物：高电压技术, 2010, 36(3): 775-781

入选年份：2015

电磁轨道炮发射技术的发展与现状

李军，严萍，袁伟群

摘要：目的：电磁发射技术有效地将电能转换成动能，在电磁炮武器系统的应用成为热点，尤其是电磁炮发射技术可以实现高初速、大威力和远射程，同时还具有响应快和精确可控等优点，受到高度关注。本研究通过电磁轨道发射技术发展历程的分析，结合研究热点和研究现状，指出基于电能利用的电磁炮技术的优、缺点和应用前景，并给出发展趋势和建议。方法：电磁轨道发射关键技术主要包括发射器技术、脉冲功率源技术、电枢技术等。在电磁炮技术研究上，欧美一直处于领先地位，近年来我国也有长足进步。本研究分析美国和法德国相关研究成果，给出我国研究现状。结果：电磁炮技术走向应用面临三个主要技术瓶颈：发射器长寿命技术，高功率脉冲电源及小型化技术，制导弹药抗过载技术。前两项是电磁轨道炮技术本身的关键技术，而制导弹药抗高过载技术则是身管发射武器都面临的关联技术。发射器技术从发展来看，可以划分为试验型发射器技术及工程型发射器技术。试验型发射器是电磁轨道认知过程的重要产物，需要结构便于调整、材料易于更换、状态可以检测。代表装置为美国海军使用的试验型发射装置，设计出口动能32 MJ，电流承载能力超过5 MA。该装置运行次数超过千次，积累了大量的基础数据。中国科学院电工研究所与北京机电研究所共同研制了系列试验型发射器，炮口动能可达到2.2 MJ，电能转换效率可达30%，在炮口速度为2000～2500 m/s的条件下进行了大量实验，对发射器电流承载能力、轨道结构和材料进行了基础数据积累。研究表明，轨道发射器可以实现大动能发射，磁增强型发射器可以在相同电流驱动下得到更大的出口速度。工程型发射器指武器系统使用的发射器，要求结构紧凑、操作简单、可高稳定重复运行。美国海军委托BAE研制了32 MJ炮口动能的工程化原型样机。我国的相关团队对工程型发射器的结构与工艺也做了积极的探索，中科院电工所研制了一体化发射装置如图1所示，其电流承载能力大于600 kA，完成了2300 m/s速度的试验验证。电磁轨道发射器中的电枢是发射器功能实现的重要组成。研究表明C形固体电枢可以在发射过程可靠实现大电流的轨道跨越，成为电枢首选结构。美国已经完成功能电枢与战斗部的结合研究，从实验室进入了武器化应用研究阶段。国内公开发表的相关研究主要集中于电流分布计算、电枢结构参数设计等方面。图 1中国科学院电工研究所设计的一体化发射器身管高功率脉冲电源中，储能元件是核心，决定了脉冲功率电源装置的规模。目前电容储能技术最为成熟，4 MJ/m3的电容器已经接近市场化，实验室数据达到7 MJ/m3。法德实验室的电源在高功率密度方面的研究具代表性，50 kJ单元模块储能密度最高。我国现已具备数十MJ级发射平台，单模块不同储能方式也在探索中。我国的高能功率源技术取得重大进展，目前在稳定性、可靠性和规模等方面距电磁轨道炮应用需求还有距离，尤其是高功率爆发式高频度重复运行下的热管理问题的研究还刚刚起步。结论：我国电磁轨道发射的3项关键技术以电容储能型高功率脉冲电源技术最为成熟，基本符合应用的功能需求，长寿命发射器技术也已经完成关键技术攻关，转入工程应用研究，与战斗部结合的一体化电枢尚在探索，制导弹药抗过载能力还不能满足作战需求。高功率脉冲源的体积和重量依然是电磁发射技术应用的短板，严重限制了电磁轨道炮的应用场景和应用范围，而电容储能技术发展到了一个瓶颈，期待新型储能方式的出现或电容储能基于新材料、新概念的技术突破。

来源出版物：高电压技术, 2014, 40(4): 1052-1064

入选年份：2014

基于静止同步补偿器的风电场无功电压控制策略

王成福，梁军，张利，等

摘要：目的：双馈感应风力发电机（doublyfed induction generator，DFIG）在保证最大有功功率追踪的前提下，其无功功率是随之波动的，当有功出力短时内快速地由较低水平升至额定状态时，机组的无功调节范围将急骤缩小。同时，电网与风电场均要求风电并网点（point of common coupling，PCC）能够维持一定的电压水平，当电网无法保证该电压水平时，风电场必须具备支撑该点电压水平的能力，并维持其无功功率平衡。因此，双馈型风电场必须解决因有功的随机变化引起的无功功率波动，保证其电压支撑能力。方法：本文在详细分析DFIG机组有功、无功功率特性与P-Q容量变化极限规律的基础上，结合机组有功功率随机波动的特点，引入静止同步补偿器（staticsynchronous compensator，STATCOM），提出了抑制无功功率波动、保证风电有功输出的风电场、补偿单元与 PCC间的综合无功控制策略。本文的核心方法是同时考虑定、转子两侧影响条件下的DFIG功率特性分析。这一方法的关键在于清晰阐述DFIG机组在有功输出一定条件下，其无功具有不同的运行方式，以及在有功输出不同的条件下，其无功调节范围各不相同两方面问题。最终通过对DFIG原理的分析，解释上述现象产生的原因并找寻调控策略。结果：在分析其P-Q关系的基础上，引入静止同步补偿器，提出抑制无功功率波动、保证风电有功输出的无功控制策略，并建立了无功实时控制系统（realtime control system，RTCS）。该系统包括：1）建立包括信号采集单元、数据处理中心、程序化控制模块以及指令发送单元的 RTCS系统结构；2）根据RTCS的运行状态，提出正常状态下的功率控制与故障状态下的电压控制两种控制模式；3）给出了功率控制模式下的无功功率优化分配方式。该控制系统具有运行方式灵活、无功响应快速等特点，可扩大风电场的无功运行范围，提升调节品质，提高并网点与电网的电压水平支撑能力，有效地解决DFIG无功输出存在波动性及一定条件下吸收无功的不足。以山东某风电系统为基础建立了算例分析系统，仿真结果表明，所提控制策略是可行、有效的。结论：本文提出一种基于静止同步补偿器的风电场无功电压协调控制策略，主要结论如下：1）通过对DFIG的P-Q关系分析，阐述了其无功功率输出波动性及一定的有功功率输出范围对应吸收无功功率的原因，并给出了定量表达式；2）针对风电场与补偿单元无功调节特性的异同，提出了相对应的风电系统无功控制策略，弥补了风电场一定条件下吸收无功功率及无功调节范围随有功出力变动存在波动性的不足；3）建立了DFIG风电场及其弱联系接入系统的仿真平台，应用RTCS实现了所提控制策略，完成了仿真系统的无功功率实时控制，取得了较好的无功响应效果。

来源出版物：中国电机工程学报, 2010, 30(25): 23-28

入选年份：2015

不平衡电网电压下双馈感应发电机网侧和转子侧变换器的协同控制

胡家兵，贺益康，王宏胜，等

摘要：目的与方法：不平衡电网电压下DFIG风电机组的建模与控制研究存在以下两点局限性：1）虽在电网电压不平衡条件下，分别对网侧、转子侧变换器各自实现了指定控制目标的改进控制，但由于单个变换器的控制变量有限，不能在确保DFIG风电机组本身安全的同时，向不平衡电网提供支持，仍需进一步研究2个变换器如何协调控制以实现更为优化的控制目标；2）由于在兆瓦级容量 DFIG发电机组中，开关频率较低（约2 kHz），网侧变换器交流输入电抗器的电感值相对较大，因此，在分析不平衡电网电压情况下网侧变换器系统的功率变换关系和进行网侧变换器增强运行能力控制对策设计时，应该考虑该输入阻抗上功率波动的影响，以提高不平衡控制精度。通过建立了不平衡电网电压下DFIG风电机组网侧变换器的数学模型，讨论了交流输入电抗对瞬时有功功率的影响，在此基础上，提出四种可供选择的网侧变换器协同控制目标。为了验证网侧、转子侧变换器协同控制策略的有效性，提出两相静止坐标系中比例-谐振控制器，使网侧变换器正、负序电流无需分解调节，并构建了 DFIG网侧变换器的不平衡控制系统。结果与结论：1）通过对网侧、转子侧变换器不平衡控制目标的优化，所提出的包括网侧、转子侧变换器在内的协同控制方案，实现了同时消除整个DFIG发电机组向电网输出有功功率波动和电磁转矩脉动。2）在不平衡电网电压情况下运行产生的三相不对称电流将导致网侧变换器交流输入阻抗上所消耗的有功也存在2倍频波动。由于兆瓦级单机容量DFIG风电机组励磁变频器的开关频率较低（约2 kHz），交流输入电抗器的电感值相对较大，因此在分析不平衡电网电压下网侧变换器的功率变换关系，特别是在设计增强运行能力的网侧变换器控制策略时，必须计及输入阻抗上功率波动的影响。3）所提出的两相静止坐标系中，DFIG风电机组的比例-谐振电流控制方案，在不平衡电网电压条件下，无需实施电流正、负相序分解，可对网侧、转子侧变换器正、负序交流电流实现统一、精确、快速调节控制。既能在稳态不平衡电网下实现既定控制目标，又能在瞬态不平衡故障下具备优良的动态调节性能，从而在电网电压平衡、不平衡条件下，均能发挥有效调节、增强运行的控制能力，是一种可替代DFIG风电机组中广为应用的传统正、负序、双d-q电流调节方案的优化电流控制策略。

来源出版物：中国电机工程学报, 2010, 30(9): 97-104

入选年份：2015

编辑：张宁宁