磁暴对电网安全影响的监测与评估系统及其应用——华北电力大学刘连光教授成果简介

2012-04-24

一、研发背景与过程

长距离输电和电网规模增大可能遇到一些新问题，灾害空间天气（俗称太阳风暴）对电网的影响是其中之一。太阳活动引起的地磁场剧烈变化称磁暴，磁暴对电网安全的影响决定磁暴在电网产生地磁感应电流（简称GIC），GIC流入电力变压器后在磁路中产生偏置磁通，使变压器铁芯产生半波饱和，可能对电气设备和电网安全造成严重影响。在高纬度地区，引发过加拿大魁北克、瑞典马尔默等大停电以及数百起输电线路、变压器和无功补偿等设备的跳闸事故，造成过巨大的经济损失和严重的社会影响。随着我国电网规模的增大，江苏、浙江、广东等经济发达地区的大电网首先发现了大量的磁暴侵害电网的事件。

华北电力大学自国家制定西电东送、全国联网战略起，提出并开始研究灾害磁暴对我国电网的影响。2004年，“地磁感应电流对我国电网影响问题的研究”项目，首次获得国家自然科学基金项目的资助，该项技术探明和认证了我国现状电网的大量侵害事件。在2006、2007年期间，“特高压电网地磁感应电流评估模型和算法研究”和“磁暴对大型电网及变压器影响的分析控制技术”再次获得国家自然科学基金以及863计划项目的资助，项目提出以西北750kV超高压大电网为科学实验电网，研究中低纬（我国）电网地磁感应电流（简称GIC）的评估方法，开发电网GIC及次生灾害监测系统。在西北电网有限公司、吉林省电力有限公司和山西省电力有限公司等电力企业支持下，项目成果已在4个网省电网和7座变电站应用。

二、技术系统功能与特性

1、电网磁暴灾害治理方法

对建成投入运行电网的GIC可实际测量，然后根据测量结果制定防范措施，可采用技术的治理手段包括：在电网中安装GIC隔离、削弱或补偿等装置。但安装这些治理装置需要设计有安装位置等，电网建成后再治理的投资很大，并且实施更困难。因此，在电网规划、设计阶段，通过理论计算掌握电网GIC水平，提出或制定防治策略是有计划防治的好方法。

电网GIC水平决定磁暴的地面感应电场、电网结构和电网参数，地面感应电场的强弱与磁暴的强度、地理纬度、大地电性构造、输电线路走向等很多因素有关。因此，探明地面感应电场与近地空间以及地面各种影响因素的关系，建立计算磁暴地面感应电场的模型以及算法，是获得规划电网GIC数据的关键，研究评估技术具有重要意义。

2、监测装置与系统的功能

通过测量掌握电网GIC水平以及GIC可能产生的影响是863计划项目的重要任务。开发电网GIC及次生灾害监测装置与系统成果是863计划项目的标志性成果。监测装置可通过变压器监测GIC和变压器饱和所产生的振动、噪声、谐波和无功变化等次生灾害，并向监测管理系统（监控中心）和运行人员发送信息报警。监测管理系统可对大量的监测装置实现管理，对采集的大量信息进行存储、统计，分析磁暴对电网安全的可能影响，向上一级（应急中心）发送信息、数据。

超特高压直流输电单级大地方式运行时，通过换流站接地极进入大地的直流电流也可能造成变压器直流偏磁饱和，也可以采用本项目监测系统测量。

3、电网GIC分析计算系统

计算电网GIC需要考虑磁暴强度、变化，深至地下200km的大地电导率，输电线路走向以及电网结构、参数等很多因素；计算评估GIC影响需要考虑变压器铁芯结构、类型和组成等情况。计算电网GIC和评估GIC影响非常复杂。在国家自然科学基金和863计划等项目资助下，通过理论研究和科学实验，建立了包括大地感应电场、大地电阻率、电网GIC和变压器磁路、电路在内的一系列模型与算法，开发了磁暴感应地电场、电网GIC等评估软件，提出了利用地磁观测数据、大地电磁测深数据和输电线路、变压器数据，计算磁暴对电网和变压器影响的实用方法，完成了陕西、甘肃青海、宁夏750kV电网和吉林、福建等500kV电网GIC及影响的计算。

三、项目主要技术创新点

1、系统地研究了中低纬电网GIC机理、影响因素和作用途径，对中低纬GIC及影响的本质有了清楚的认识，得到了电网结构、大地构造是决定中低纬（我国）磁暴灾害响应及影响的重要因素，以及对经济发达地区影响大等重要结论；

2、提出了适用于中低纬（我国）地区基于平面波理论的地面感应电势（ESP）和电网GIC水平的计算方法，开发了应用软件，首此实现了中低纬（我国）电网GIC的计算，算法精度超过了北欧、北美国家的水平；

3、提出了电网GIC模型和深层大地电阻率模型的建立方法及算法，给出了2004年11月磁暴西北750kV电网和吉林省枢纽电网GIC水平，以及次生灾害对电网变压器保护影响的评估结果，提出了规划设计和变压器选型防治建议；

4、研究了频率为0.001～0.1Hz的GIC检测方法和提取技术，开发了变压器GIC及其振动、噪声等次生灾害影响的监测装置与系统，监测方法及装置获国家发明专利授权（专利号：ZL200510002486.3），开发的监测系统已经在5座220kV、500kV和750kV变电站使用；

5、系统研究了大规模电网GIC防治方法和实现技术，针对技术手段防治投资大、存在影响电网安全隐患等难题，首次提出了电网GIC治理装置安装位置优化和基于负荷调控的防治思想和方法，以及基于变压器内部补偿绕组的GIC防治控制策略；

6、建立了中低纬电网磁暴及次生灾害监测、评估和防治的理论、方法。

四、安全研究的推动作用

电网安全关系经济和社会的持续发展。我国超特高压和大电网建设的成就世人瞩目，但电网的安全问题也成为关注焦点。该课题研究取得的成果产生了很大的影响：在国外，推动了与加拿大Boteler和芬兰R.Pirjola等国际著名科学家合作国际合作计划项目，与加拿大和美国联合培养博士生等，在国内，课题问题和研究成果引起了国网公司的高度关注，防御研究被列入国网公司科技发展计划，推动了电网安全研究发展与学科建设。

专家简介

刘连光，华北电力大学教授，博士生导师，中国电机工程学会高级会员，北京市高等学校教学名师、河北省省管优秀专家，享受政府特殊津贴；研究方向为电网安全防御与灾变控制。2000年和2001年分别获北京市教学成果一等奖和国家教学成果二等奖。主持2项国家自然科学基金项目、1项国家863计划、1项国际合作计划，主持国家电网公司“±800kV级直流系统接地极技术规范编制”、“灾害磁暴对大电网安全运行的影响及防御技术研究”等项目；曾获2011年国家安全监管安全生产科技成果一等奖，2009年中国电力科学技术二等奖，2010年吉林省科技进步三等奖。