立足實際屢次創新 助力智能電網發展

吳應清

劉亞東及其團隊利用故障定位系統進行實驗測試

隨著社會的快速發展和科技的不斷進步，電力資源在社會發展進程中扮演的角色愈發重要。如何確保電力資源穩定、高效的輸送成為影響國家發展的重要環節。在信息時代的大背景下，被稱作“電網2.0”的智能電網應運而生。它建立于傳統電力系統的基礎之上，通過先進的傳感和測量技術、設備技術、控制方法及決策支持系統技術等的應用，以實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環保和使用安全的目標。

2015年，國家發展改革委、國家能源局頒布了《關于促進智能電網發展的指導意見》（發改運行〔2015〕1518號），這是我國首次從國家層面明確了智能電網的概念內涵、發展定位及重點領域等戰略問題。而《電力發展“十三五”規劃》中也明確提出：“十三五”期間，我國將加快推進“互聯網+”智能電網建設。國家需要就是科研工作的出發點。多年以來，上海交通大學（以下簡稱“上海交大”）電子信息與電氣工程學院副研究員劉亞東一直致力于輸變電設備狀態監測與智能化、配網設備早期故障檢測與診斷領域的研究，立足實際需要，敢于突破常規，屢次大膽創新，最終研制出架空輸電線路智能化的關鍵技術及裝置，為中國智能電網的快速發展提供了有力支撐。

偶然結識 立志科研

興趣是最好的老師，有了它的指引，無論是學習還是工作，人們都會樂在其中，即使投入再多的時間與精力、面對再多的挑戰與挫折也都樂此不疲。“80后”的劉亞東正是如此。原本學習電子信息工程專業的他，在一次偶然的機會下結識了高電壓技術，便被其深深吸引，從此改變了專業方向，甚至可以說是改寫了人生軌跡。

本科時就讀于中國地質大學（武漢）的劉亞東，有一次前往上海交大拜訪在那里攻讀博士學位的師兄，經其介紹，他初次了解到了高電壓技術專業。“當時就覺得這個專業挺好玩的，他做的東西我還比較感興趣，之后通過考研就過來了。”劉亞東回憶道。可以說是興趣為劉亞東打開了科研探索的大門，并引領他走上了科研之路。

2007年10月，華東電網正式啟動了智能電網可行性研究項目，該項目的啟動標志著中國開始進入智能電網領域。此時的劉亞東也已在上海交大開始了高電壓技術領域的深入研究，敏而好學的他在這里完成了碩士、博士階段的學習，并順利開展了博士后的研究工作。機會總是留給有準備的人。博士后期間，成績優異的劉亞東得到上海交大海外師資儲備項目的支持，前往美國繼續從事該領域的研究。“那里的科研環境相對單純，我能用整塊的時間來系統地思考研究方向，包括我現在做的一些研究方向，其雛形基本上都是在那時形成的。”這次海外工作的經歷不僅開拓了劉亞東的視野，也為他日后的科研奠定了基礎。

立足實際 突破瓶頸

2011年，我國智能電網進入全面建設階段，但諸如輸電線路的故障智能診斷、輸送容量的動態評估及運行狀態的準確評估等問題，制約了其快速發展。無限風光在險峰，如果能夠突破技術瓶頸，解決實際需要，將大力推動中國智能電網的發展。

在國家原“863”計劃、國家自然科學基金和上海市科委等項目的資助下，上海交通大學、國網上海市電力公司等單位共同啟動了“架空輸電線路智能化關鍵技術及裝置”項目。“輸電線路智能化有兩個最主要核心點，同時也是兩大難點：一是輸電線路發生故障后如何做到快速定位；二是如何實現動態增容以滿足用電高峰需求。這個項目就是要解決這兩大瓶頸。”劉亞東詳細介紹說。

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。“對科研人員來說，尤其是我們這種偏工程的專業，都需要以工程的實際問題為出發點。”劉亞東深有感觸地說。在輸電線路故障定位的一次研究中，劉亞東開始認為，故障定位存在一兩公里的誤差也沒關系，通過巡線就能解決。但當和工程人員一起實地巡線后，他才發現野外山區的巡線困難重重。“那次巡線對我觸動很大，讓我對問題的認識也更加深刻。”此后，他更加明白了故障精準定位的重要性，開始向這一難題發起挑戰。

為此，劉亞東他們首創了分布式故障定位方法，將故障檢測裝置從變電站移至輸電線路上，就近提取故障電流行波，并通過多個檢測點協同分析，大幅降低了定位誤差。現場應用結果表明，分布式故障定位方法定位誤差小于300m的比例占94.7%，而傳統行波法定位誤差大于1km的比例占64.3%。并且根據故障行波的時頻特征對故障類型進行判斷，將雷擊類型辨識的準確率提高到96%。

隨著社會的發展，人們對于電能的需求也迅速增加，原有輸電通道容量有時無法滿足需要。如何才能有效利用已建成線路的輸送能力呢？輸電線路動態增容技術就是解決之道。作為智能輸電線路技術支撐系統的重要部分，它不僅能夠提高輸電設備的利用效率，還能幫助運行人員更好地掌握當前線路的運行狀態，從而提高電網運行的安全性和可靠性。

“但當輸電線路的輸送容量增加后，輸電線路就會往下垂，這就好像用繩子晾衣服一樣，衣服重量增加了，晾衣繩就會下彎。”劉亞東形象地解釋說。在桿塔高度一定的情況下，如果弧垂過大，就會產生安全隱患甚至造成對地放電等事故。

為此，劉亞東他們針對單點—溫度測量值無法代表整條線路溫度的難題，從輸電線路的熱力學模型入手，發明了基于張力和溫度穩態參量的輸電線路熱穩定容量評估模型，突破了熱穩定容量評估方法粗放化的瓶頸；提出了基于Elman神經網絡的多時間尺度熱穩定容量預測方法和基于馬爾科夫—蒙特卡洛的增容運行風險評估方法，建立了增容運行、N-1故障等不同工況下的運行準則。根據現場試驗表明，該方法可將輸電線路的輸送容量提高35%。

漫漫科研路，歷經多年的政產學研聯合攻關，劉亞東他們通過理論分析、關鍵技術研究、仿真試驗測試、系統開發和現場應用，最終研制出了輸電線路分布式故障定位裝置、輸電線路動態增容裝置、輸電線路綜合監測裝置、故障錄波裝置和輸電線路狀態評估與故障分析系統5類智能化產品。劉亞東作為負責人、第一完成人的“架空輸電線路智能化關鍵技術及裝置”項目也因其原始創新性和實用性而榮獲2017年度上海市技術發明獎一等獎。基于劉亞東他們在相關領域取得的先進成果，美國USi公司也主動尋求合作。目前雙方已共同設立中美智能輸電聯合研發中心，并獲得中國科技部和美國能源部兩國政府項目支持，他們將共同引領輸電線路智能化技術的發展。

值得一提的是，分布式故障定位技術已入選中國電機工程學會遴選的2016年電力新技術目錄；動態增容技術獲得以瑞典科學院、瑞典工程院、瑞士工程院和美國工程院四院院士Goran Andersson為代表的國際同行的認可。“分布式故障定位與動態增容技術，現已擁有標準的物資編碼，在我國已經大面積推廣應用。其中分布式故障定位裝置每年招標的規模大概在10億元左右。”劉亞東欣慰地說道。

科技興國。未來，劉亞東這位年輕學者還將在配電網故障檢測領域深入研究，繼續履行新時期下科研工作者的神圣使命，為中國智能電網的建設獻出一份力。