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目前,以韩祯祥为学术带头人的浙江大学电力系统及其自动化学科正致力于运用现代数学理论、控制理论、计算机技术和通信技术等先进技术和理论,综合解决电力系统的计算分析方法和安全稳定问题。
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国内最早开展对直流输电的研究
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1987年12月,我国第一项自行设计、建设并研制设备的浙江舟山与大陆联网的高压直流输电工程正式投入运行,这是我国自力更生运用电力工业新技术所取得的一项重要成果,吹响了中国向直流输电大国进军的号角,同时也是浙江大学电力系统及其自动化学科直流输电课题组多年来的研究成果第一次在国家重大工程应用领域找到了用武之地。
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浙江大学作为国内高校中唯一的参与单位承担了该工程一部分主要攻关任务,获得了机电部科技进步特等奖、国家科技进步三等奖和国家自然科学三等奖等多项奖励。结合该工程项目,浙江大学直流输电课题组还建成了我国第一套交直流电力系统物理模拟装置,为本科生和研究生开设了相关课程,从而使浙江大学成为当时直流输电实验基地和直流输电的人才培养基地。
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当时,直流输电还是一门新技术,是戴熙杰教授最早提出对直流输电开展研究的建议。后来,赵智大、吴国炎、赵礼生老师也相继加入。这也是当时国内直流输电领域最早建立并一直居于领先地位的一支学术梯队,他们都有一个坚定的信念,即直流输电在中国一定会有很大的发展。
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“中国有个特点,能源基地在西部,用电中心在东部,西部开发出来的大部分电力都要输往东部(西电东送),两者之间的距离往往是上千千米,最远从云南到上海差不多有1500到2000千米。”我国直流高电压技术学科开拓者之一的赵智大教授分析说:“远距离大功率的输送,一定要用很高的电压。在这种情况下,直流输电无论在技术上还是经济上都有很大的优势。当时国内其他高校都还没有开始搞,我们的研究正好弥补了这一空白。”
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开始时,课题组的教授们从收集和参阅一些国外的资料和最新的国际动态入手,逐步开展一些理论上的研究。多年以后,舟山高压直流输电工程的启动,让他们有了“用武之地”,他们将全部的精力都投入到从理论到实践的转化中。舟山工程不仅是国内第一项直流输电工程,而且所用的设备全部国产,这在当时不是一件易事。参与如此重大的一项工程,碰到的问题不计其数。课题组几位教授所编制的直流输电动态数字仿真成套程序为实际工程的设计计算提供了重要的依据和方法。同时,为使舟山与华东电网的直流输电联网工程付诸实施,课题组的教授们还在十分困难的情况下与兄弟单位通力合作,研制出了我国第一套能适用于弱交流系统的数控装置,填补了国内空白。
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课题组的教授们说:“当时连走路、吃饭都想着问题,很多时候会有‘山重水复疑无路,柳暗花明又一村’的感觉,科研的乐趣也在于此。”当时,他们的很多研究生也参与了这方面的研究,在导师的带领下,很多研究生都是整年泡在实验室,进行测试和试运行的工作。徐政当时是戴熙杰教授的研究生,他参加了舟山工程的项目验收会。他说,现在来看,当时选择这个项目的意义重大,不仅填补了国内空白,也培养了一大批直流输电方面的专业人才。
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80年代的浙江大学直流输电研究室科研实力非常强,被认为是高校中研究直流输电的中心,只要提起直流输电,人们都会很自然地想到浙江大学。赵智大教授回忆说:“直流输电在当时是一门新技术,为了更好地应用和推广这些成果,我们经常在全国各地跑,一期又一期地办培训班。”几年下来,浙江大学直流输电课题组的教授们为中国电机工程学会和各大区电力管理部门的领导干部和技术骨干开办培训班20余次,受训人数达500多人,足迹踏遍了上海、北京、湖北、广州、杭州等地。直到今天,已经70多岁的赵智大教授还经常应邀到广州等地授课。他说:“我们四个人各有所长,讲课时往往都是一起去,每个人负责最拿手的部分。作为一个学术团队,我们的知识结构比较完善,加上团结协作好,所以我们的团队实力在当时是非常强的,可以说是黄金搭档。”此后,课题组还积极参与了我国第一条500kV“葛洲坝—上海”直流输电线路的科研工作,为它的设计、建设和投运也做出了贡献。
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课题组的教授们不仅在科研、教学上通力合作,还及时总结了电力工业的新技术成果,合作编著出版了国内在这一领域的第一本70万字的学术专著——《直流输电》,这也是目前世界上较全面地阐述直流输电理论和技术的书籍之一,是各个高校、科研机构和企事业单位在培训直流输电方面科技人员的首选教材和必备参考书,一时间,国内搞直流输电的人几乎是人手一册。现在已是浙江大学直流输电领域学术带头人的徐政教授说:“搞直流输电的人,都将该书视为经典之作。我们读研究生的时候,都要逐字逐句地读上好几遍,这本书在直流输电的基础原理方面讲解得非常透彻,直到今天都没有过时,我还经常翻阅。如今还是不断地有人来索书。”
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时至今日,我国已有5条±500kV超高压直流线路正在运行,2007年内,还将有2条新的±500kV直流线路建成投运。实践证明,高压直流输电技术已在远距离大容量输电、全国联网和海岛供电三个方面对我国电力工业发挥十分重要的作用,国家发改委在肯定直流输电在我国所起作用时说过:“西电东送是我国国民经济四大工程(其余有南水北调、西气东输等)中第一个收到实效的工程,其中高压直流输电又是西电东送的第一功臣。”为了适应迅猛发展的电力需求,我国还正在积极筹建世界上空前的±800kV特高压直流输电线路,我国已被公认为世界直流输电大国和直流输电技术强国,高压直流输电在我国的应用前景将极为广阔。为了适应新的形势和要求,赵智大教授在他主编的新版教科书《高电压技术》中,首次将特高压交流输电和直流输电所提出来的一系列新问题、新技术,包括许多科研成果和见解,纳入教材内容,这在国内外已出版的同类教材中尚无先例。
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在继承前辈工作的基础上,徐政等年轻一代的教授们参与了多项全国性和大区性电网发展规划的论证研究工作,在直流输电控制和交直流电力系统分析计算等领域继续保持优势,熟练使用PSS/E、PSCAD/EMTDC、NETOMAC、EMTP等程序进行大规模交直流电力系统仿真计算,已在西电东送和全国联网等多个研究项目中取得了很好的结果,为国内电力界同行所一致公认。同时,作为唯一的高校参与单位,近3年来参加了国家西电东送和全国联网重大技术问题论证研究8项,其中2项是关于2015年和2030年我国西电东送和全国联网重大决策研究,取得了多项创造性的研究成果。与此同时,年轻的教授们还跟踪直流输电技术的最新发展,进行柔性交流输电技术的研究,为实现该项技术的国产化和拓展直流输电的应用而努力。
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产品开发与人才培养相结合
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电力系统中的硬件部分由两大块组成:以能量的直接输送为特征的一次系统和以控制与保护为主的二次系统。其中,又以二次系统与新技术的结合最为紧密。继电保护就属于二次系统,它也是电力系统及其自动化学科中的一个重要研究方向。
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继电保护是维持电力系统稳定运行最简单、最有效的方法,而判断继电保护装置好坏的一个最重要的指标就是动作速度。发生故障后,保护装置只有快速反应,才能保持系统的稳定运行。浙江大学对于继电保护的研究开始较早,上个世纪70年代末已经开始从理论上进行探讨和算法的验证,随后开始在实验室研制一些继电保护的装置,不断提高继电保护装置的快速反应水平,并逐渐与国内的主要制造厂家建立了经常的科研协作关系。
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学科中的老师开玩笑说,电力系统在没有引入计算机技术时,我们也打仗,只是用刀枪;有了计算机技术这个现代化的武器,我们的仗就能打得更好。二次系统中的继电保护就是受计算机技术影响最直接也是最明显的,新技术的应用,使得继电保护无论在工具上还是技术上都有了一个新的突破。目前,学科内微型计算机继电保护研究已处于国际先进水平。
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1988年,浙江大学的教授们开始与制造厂家共同开发产品,与上海继电器厂、南京自动化设备厂等国内主要的继电保护装置厂家都有过合作。其中,与南京自动化设备厂的合作最为持久,一直保持到现在,合作开发了十余个产品。其中由李菊教授主持研发的国内首台数字式变压器保护装置,获得了1998年教育部科学技术进步二等奖,该保护装置还在国内大部分地区获得了推广和应用。由何奔腾教授主持研发的500kV高压输电线路成套保护装置,经该厂生产推广,亦成为国内继电保护装置中的主流产品,目前占全国市场份额的前茅。目前双方已经研发出1000kV输电系统的继电保护装置。何奔腾在这些继电保护装置的研究中提出基于能量原理的方向保护和基于噪声估计的自适应快速距离保护,解决了继电保护滤波算法的速度和滤波能力间的固有矛盾,通过实时检测故障信号的噪声水平来估计滤波算法的误差,并根据误差大小自动调整距离保护的动作门槛,以此获得最佳的动作速度,进一步提高了传统继电保护动作速度。该装置能在电路发生故障后数毫秒内实现快速诊断,经过上万次试验的输电线路检测后,各项动作指标均为优秀,在继电保护原理、方法和动作指标上,均为世界先进。
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上个世纪90年代末,随着自主创新的意识逐渐唤起,企业开始探索一种新的合作方式,不仅在技术上寻求与高校的合作,更希望借助高校的力量合作培养一批专业技术人才。当时,南京自动化设备厂的领导找到了何奔腾教授,鉴于早期良好的合作关系,双方的交流非常顺畅。他对前来洽谈合作事宜的该厂领导说:“开发第一代产品的时候,我们就是通过合作培养了企业所需的技术人才,现在也是如此。我们也希望你们能尽快成长起来。”通过新项目的合作,帮助厂家迅速建立了具有自主技术创新能力的研发团队,不但增强了厂家的新产品开发能力,同时也使学校老师能够从具体产品设计中解放出来,将主要精力投入到新原理的研究工作上。
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在厂校联合培养人才方面,电力系统及其自动化学科有过一段辉煌的历史。在1987年浙江大学的综合教育改革中,该学科一马当先,率先在全校试行了厂校联合培养毕业生的预分配制,挑选了5名优秀的大三学生预分配至对口的工矿企业参加为期一年的工程实践训练,由厂校合作培养,毕业后,学生仍回原单位工作。其中,该专业的83级学生章晓敏和84级学生洪良山就被分配到南京自动化设备厂,承担了厂校联合开发的新产品“35kV单片机线路保护和变压器保护装置”课题,这也是最早开发的第一代输电线路保护装置。1988年,这一教学改革措施还被推广到了全校十个系近一百人。
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最后,该厂选择了与浙江大学合作,这种友好的合作关系一直保持到现在。10多年中,以何奔腾教授为首的科研人员围绕提高继电保护装置的快速诊断和正确诊断水平,不断将最新研究成果运用到产品设计中。双方合作开发了系列数字式继电保护装置,推动该厂采用计算机技术来生产继电保护的装置,经过不断升级换代,产品始终保持市场优势。
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学科交叉 开辟研究新方向
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1996年12月的一天上午,当年还是副教授的浙江大学电气学院电力系统及其自动化学科江道灼教授到同学院应用电子技术学科吴兆麟教授的办公室,请教有关电力电子在电力系统中的应用技术问题,吴教授放在桌上的一份关于“直流电压源短路保护电路”的发明专利引起了他的注意。
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“我是研究直流输电的,所以一直关注着电力电子在电力系统中应用技术的发展。”江道灼说,我国电力工业正处在一个高速发展阶段,随着电力建设的不断发展,其系统规模和短路容量将越来越大,要不了几年,短路电流就可能会大到现有断路器遮断容量难以满足要求的水平,到那时,如果没有可靠的短路保护措施,则一旦系统中发生短路故障,断路器将无法切断故障电流,这将严重威胁到电力系统的安全、稳定运行,甚至造成系统崩溃、大面积停电的严重事故。虽然可以在电力系统中的适当位置安装电抗器等以限制过大的短路电流,但这些常规限流器在系统正常运行时存在一定的损耗以及切除故障回路时可能会引起操作过电压与暂态振荡等不利影响的问题。
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吴教授的这一发明专利也许是解决电力系统短路限流问题的好技术!江道灼的脑海中闪出一道灵光,并马上将自己的想法与吴教授进行了简单交流。“有道理,我们合作一起干!”吴教授听后赞同道。
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此后,研发方案探讨、联系合作单位、仿真研究、模型样机研制……在不断的实践过程中,想法日益成熟,研究也逐步深入。目前,他们分别与上海电器科学研究所及三变科技股份有限公司合作,成功研制出了400V/500A/2.5kA(上海电科所)和国内首台10kV/500A/2.5kA(三变科技)的变压器耦合三相桥式固态短路限流器,并通过了正式短路限流试验和省部级鉴定,获得了“技术达到国际先进水平”的高度评价。此外,在研发过程中,他们还取得了包括6项国家专利(其中3项发明专利)、1项省部级科技进步二等奖、近百篇学术论文在内的许多有价值的科研成果。
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