北京交通大学电气工程学院电力工程系

  电力工程系主要承担电力系统相关的教学和科研任务。现有教授5人,副教授6人,讲师5人。在电气工程学科招收博士研究生和硕士研究生。
  电力工程系近5年主持国家自然科学基金重点项目2项,面上项目1项,国家973项目1项,国家863项目2项,国家科技支撑重点项目2项,铁道部重点项目4项。获得国家发明专利10项。获省部级科技进步奖20余项。
主要科研方向和成果:
I. 国际合作
1. 北京交通大学--ALSTOM 研究中心;和北京交通大学-- ALSTOM研究生培养基地
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图1. 研究中心庆典

合作领域:智能电网中的保护与控制
           轨道交通供电系统保护与控制
合作方式:项目资助
           学生赴ALSTOM 英国联合培养及科研实践

2. 和GE全球研发中心在智能电网领域的合作

图2. 电气学院吴俊勇、夏明超,外事处邓新华陪同宁滨校长会见GE全球研发中心智能电网总监Kennan一行

II. 主要科研方向和研究成果

  1. 智能电网相关研究

(1)变电站多设备的集成保护与控制研究
智能电网下的网络结构日益复杂,运行方式更加多变,传统保护与控制设备的独立特性和信息沟通缺乏不能满足系统对保护的要求,造成连锁跳闸的可能性进一步升高。因次,利用冗余信息加强对电网的实时监测、评估和控制能力,提高正常状态下的可观测性,提升保护的正确动作率十分必要。
此项目为国家自然科学基金项目。基于数字化变电站和计算机及通信技术,研究变电站多设备集成保护,通过信息冗余和信息共享、不同设备间保护功能的协调与配合,优化相关控制策略,提升变电站设备保护的综合性能和集成性能。
基于实际变电站网络结构和保护配置,在实时数字仿真系统(RTDS)中搭建准确的仿真模型。构建由互感器、合并单元、GOOSE报文交换机、保护装置和智能单元等组成的集成保护硬件平台。互感器采集相关模拟信号,依据IEC61850-9-2通信规约,将数据通过光纤以太网发送给合并单元与交换机实现共享,并传输给保护装置,测试保护算法的准确性与灵敏性。集成保护为变电站多重设备的冗余信息提供了通信、共享的平台,利用大量的采样数据,新型算法得以研究验证,通过不同设备间保护的配合和协调,优化相关控制策略,提升变电站设备保护的综合性能和集成性能。

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图3. 数字化变电站及数字化保护研究平台         

 

 

         

 

 

 

 

 

 

 

图4. 基于数字化变电站集成网络保护示意图

(2)特高压直流输电(±800kV)保护系统电磁暂态(PSCAD/EMTDC)模型
本项目针对我国特高压电网建设,以PSCAD/EMTDC为基础,搭建±800kV特高压直流输电保护研究使用的PSCAD/EMTDC等效仿真模型,对现有的直流保护系统进行等效仿真及特性研究。在PSCAD/EMTDC中搭建±800kV特高压直流输电一次系统等效模型,利用PSCAD/EMTDC平台实现一次系统的信号采集和控制信号传递;建立PSCAD/EMTDC与工程用直流系统保护功能的接口,采用外部函数库的方式复用工程用直流系统保护功能代码从而实现保护功能的等效仿真;建立PSCAD/EMTDC离线仿真系统与工程用直流保护系统之间的时间等效机制,实现对实时系统的等效仿真;进行典型故障实验,对±800kV特高压直流输电保护功能进行实时等效仿真,研究保护特性及动作情况,检验和确定工程中的保护配置和校核定值参数,提出改进和优化方案,为实际的工程调试和运行提供技术支持。

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(3)电能质量在线监测与管理系统
电能质量在线监测与管理系统主要由电力监控中心、以太网及各变电站的监测单元三部分构成,形成一个分层分布式系统。监测单元获取各变电站监测点的基波电量参数和各项电能质量指标,通过以太网将数据汇总至电力监控中心。电力监控中心统计分析处理多个监测点的数据,生成报表及曲线,以快速掌握系统电能质量状态,为改善电能质量提供依据。

 

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图7.  北京节能与电力技术基金会电能质量项目

图8. 电能质量在线监测装置及现场运行数据

(4)多分支复杂配电网在线故障定位研究
该项目是与通用电气GE(中国)研发中心合作开展的智能电网国际交流系列项目之一。该项目针对复杂配电网多分支、三相不平衡、架空线路和地下电缆混存、负荷波动性大等特点,提出了一种递推式分段潮流计算方法,它只需配电网馈线首段故障前和故障期间的信息,就可以在线快速准确地搜索到故障地点。该方法具有精度高和鲁棒性强等特点,特别适用于多分支复杂配电网的在线故障定位,为智能配电网的自愈控制坚定了坚实的理论基础。

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(5)链式STATCOM的拓扑结构及其控制策略研究
链式STATCOM以其独特的模块化结构、快速无功响应、分相平衡控制能力和谐波消除能力等特点,在风电成接入电网、电气化铁路谐波治理、交直流混联系统的无功和电压控制等领域获得广泛应用,是进入21世纪以来FACTS领域最为活跃的热点之一。该项目从STATCOM的主电路结构、调制策略、系统级控制策略、软锁相环技术和启动方式等多个方面,开展了深入研究,在PSCAD环境下搭建了详细的STATCOM模型,提出了直接电流解耦控制和非线性控制策略、SHE特定谐波消除调制策略、改进的软锁相环技术、三级直流电容电压平衡控制策略、和自励及附加充电电路启动方式等,并通过仿真进行了验证。与企业合作,开发了12MVar STATCOM工业级产品。

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2. 电动汽车与电网互动技术研究(V2G)
智能电网强调安全可靠 、经济高效、清洁环保、友好互动。电动汽车可以成为电网中的分布式移动储能单元。电动汽车与电网互动(V2G)技术指电动汽车与电网之间实现双向通信,并受其控制,实现电动汽车与电网之间的能量转换。 研究大规模电动汽车与电网互动对电网的影响。            

图11. V2G系统构成与控制示意图

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图12. V2G对电网的影响研究

 

3. 电力设备状态监测相关研究
(1)断路器在线监测系统
断路器在线监测系统实现对10kV交流断路器及750V直流断路器录波数据的采集、存储、处理及显示和统计。系统由通信处理程序、数据处理程序、用户界面程序组成。可监测断路器开关过程的机械振动信号、分合闸线圈电流、分合闸时主回路电流、控制电源电压、储能电机电源电压、储能电机电源电流及断路器辅助接点状态,从而判别出断路器剩余电寿命、分合闸线圈电流持续时间、分合闸线圈电流、分合闸时间、断路器机械部分运动、储能电机动作情况等断路器关键状态。

图13. 软件层次结构

(2)基于音频信息的电力变压器状态检修系统
本项目监测电力变压器运行时的声音,采用音频特征量来辨别电力变压器的运行状况,通过研究音频特征量同电力变压器不同状态之间的对应关系,寻找出不同电力变压器状态对应的共性和个性的音频特征量,并且利用这些特征量对电力变压器的整体状态进行定性或定量的评估,形成状态检修的决策或建议。其辨别结果既可作为单独的电力变压器运行状态指标,也可作为电力变压器状态检修多种方法中的一部分与其他方法的结果综合实现状态检修。

图14.

3.牵引供电系统相关研究

   (1) 新型直流轨道交通供电系统保护及故障定位
  

图15. 直流轨道交通故障定位示意图

(2)高速电气化铁路对河南电网稳定特性的影响研究
该项目以河南电网和郑西高速客运专线的相互影响为研究对象,采用牵引变电所现场实测、建模和仿真、暂态稳定计算和继电保护校验等方法,从静态和暂态两个方面对高速电气化铁路对河南电网稳定特性的影响进行了全面系统的研究。根据实测数据,计算了电气化铁路所带来的谐波和负序在电网中分布,校验了继电保护整定值,大大降低了继电保护误动作的可靠性,提高了电力系统的稳定运行水平。专家鉴定认为,“该项目整体上处于国际先进水平,其中在牵引变电站咱太稳定建模方面处于国际领先水平”。该项目发表EI论文4篇,申请专利1项,软件著作权1项,出版学术专著1部,企业标准1项,取得了丰硕的研究成果。2011年被评为国家电网公司科技进步二等奖。

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(3)高速铁路牵引供电系统RAMS评估理论及其应用
该项目为国家自然科学基金项目。该项目以高速铁路27.5kV牵引供电系统和10kV电力供电系统的可靠性、可用性、可维修性和安全性评估为研究对象,从外部电力系统对高铁供电的可靠性评估、牵引变电站接入电力系统的电压等级、牵引变电站的可靠性评估、接触网的可靠性评估、接触网周期预防性维修策略的多目标优化、考虑大风覆冰和雷击等极端恶劣天气下牵引供电系统的安全性评估等多个方面开展研究,建立了高速铁路供电系统RAMS评估的理论体系,并将研究成果应用到我国第一条客运专线京津城际的实际。该项目共发表学术论文18篇,其中EI检索8篇,在科学出版社出版学术专著1部,并获得国家科学技术学术著作出版基金的资助。

 
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(4) 高速铁路接触网故障行波测距装置
本项目结合电气化铁道接触网故障的特点,采用以A型测距法为主,B型测距法和C型测距法为辅的测距方法。在算法上,选取三阶B-样条小波作为基本小波,利用小波变换及奇异性检测理论,定位出奇异点,提出了接触网行波故障测距的具体步骤。装置硬件核心部分主要采用DSP控制板和ARM控制板,利用高速采样、GPS同步时钟等实现行波精确定位。本项目成果应用于高速铁路(特别是客运专线)接触网故障测距,大大提高了故障测距的精度,缩短了测距时间,对接触网故障的排除至关重要,该成果就有较大的社会效益和推广价值。

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图19
(5)接触网安全状态实时检测技术研究
接触网安全状态实时监测系统采用坠砣高度、接触线张力、棘轮位置滑轮偏转角等监测量监测接触线断线为核心的隐患;通过铂电阻传感测温技术对接触网温度进行检测;同时挖掘特征信息提取、分类和辨识的方法,最终实现接触网安全状态在线监测智能评估和预警系统。系统采用高精度的传感器实现特征的实时采集,通过各自的数据采集与处理模块,对数据进行统计分析,形成数据文件,同时通过GPRS模块,上传给上位机。通过监控中心对多台终端的管理,对采集到的数据进行分析与处理,确定某一锚段范围内的接触线安全状态。       


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获奖情况:
电气学科大类模块化、系列化、系统化实践教学体系的研究与实践(主持);2004年,北京市教育教学成果二等奖;
电气学科大类人才培养模式的研究与实践(主持)2004年北京交通大学教学成果一等奖;
模块化、系列化、系统化实践教学体系的研究与实践(主持)2004年北京交通大学教学成果一等奖;
融合思想及学术教育,多方位提升研究生综合竞争力(主持)2008年北京交通大学教学成果一等奖;
《电气工程概论》国家级精品教材
《电气工程导论》国家级精品课程
“JD-1型绝缘综合测试仪”,获2002年铁道部科技进步三等奖
"10kV电力线路故障自动处理成套装置",获2004年贵州省科技进步二等奖
"牵引变电所在线监测与管理自动化系统",获2008年铁道部科技进步三等奖
"铁路变配电所异常过电压综合治理装置",获2011年铁道部科技进步三等奖

"电力机车过关节式分相过电压机理与防护措施",获2011年铁道部科技进步三等奖