大电网安全防御体系的基础研究

杨以涵，张东英，马　骞，刘文颖

（华北电力大学电力工程系，北京102206）


STUDYONTHEARCHITECTUREOFSECURITYANDDEFENSESYSTEMOF
LARGE-SCALEPOWERGRID

YANGYi-han,ZHANGDong-ying,MAQian,LIUWen-ying

（DepartmentofElectricalEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,
Beijing102206,China）
　　摘　要：“8.14”大停电引发了全世界对于防止大电网大面积停电的研究热潮。文章在总结历次大停电事故所得经验的基础上，结合新环境中的新问题，提出了建立大电网安全防御体系的一些基础性研究内容。
　　关键词：大电网；大停电；安全防御体系；智能决策；事件模型；仿真；调度
1引言
　　“8.14”大停电引发了世界范围内对于防止大电网大面积停电的研究热潮[1-5]。我国电力系统本属于弱联系系统，但却面临着大区域互联和电力市场改革的严峻挑战，互联后的系统也将同目前的西方电网一样潜伏着大停电的危险，因此研究大电网的安全防御已成为当务之急。
　　我国电网虽有很多不足之处，但却从未发生过世界级别的大停电事故，这个结果并非偶然，主要归功于以下几条经验：
　　（1）有集中的调度体制[6]。
　　我国实行的集中调度体制是安全运行的重要保证。在美国只有省调，其上层没有网调，出现问题时平级协调，称作协议调度。因此，发生故障时，各自保护自身的利益，难以统一行动。
　　（2）将“安全第一”作为调度的首要任务。
　　电力系统是典型的非线性复杂系统，其状态间的变化关系复杂，影响安全运行的偶然因素多，难以预测，因而在决策过程中就有可能做出保守和乐观的两种选择。将安全作为首要任务是保守的，但另一方面也消除了发生大面积停电的隐患。今后的电力发展中，市场的比重将不断加大，不可能象从前那样能消除所有的重大危险于萌芽之中，因此必须面对可能时刻发生的潜在危险。从这个意义上讲，我们不能放松对大停电的警惕。
　　（3）调度员处理事故时敢于舍弃（切机、切负荷、解列），保全整体。
　　决策选择是乐观还是保守，不仅表现在平时的预防性控制中，更表现在紧急事故处理中。由于受各种外界因素的制约，国外调度员在处理事故时不敢轻易做出放弃，容易错过放弃局部、保全整体的最佳时机，因而产生了扩大危险的可能。多年的运行经验也说明，在处理紧急事故时敢于舍弃并不是权宜之计，而恰恰是防止发生大停电的有效手段。
　　（4）稳定控制效果显著。
　　在电网安全稳定控制研究方面，我国取得了很多在国际上领先的研究成果。这些最先进技术的应用，加之调度员对安全稳定控制工作的重视，保证了我国电网安全稳定控制的高水平。据统计，1996年以来，我国未出现过大范围的电力系统稳定事故。
　　（5）互联电网多为弱联系系统。
　　我国虽地域广阔，但电网却为弱联系系统，大区电网间的交换功率小，并且在联络线上都装有解列装置，因此在故障发生后，大区域电网能尽早解列，有效地隔离事故，防止事故波及到相邻的大区电网，有效防止了大事故发展为恶性事故。
　　防止大停电的经验是宝贵的，但它又不是简单的总结能彻底说明的。如果能将大停电后的定量分析报告与结论性的经验总结相结合，整理出一些具有普遍性的结论汇编成专著，必将为调度员提供非常有价值的参考资料。
　　在新的环境下，我们将面临更加复杂和严峻的形势，因此有必要进行深入而专门的大电网安全防御体系的研究。

2大电网安全防御体系概述
　　大电网安全防御体系就是为了实现大电网的安全运行而采取的各种措施的总称。大电网的安全性涉及动态安全性和静态安全性，由于它们的时间响应周期不一样，因此其数据监测、判断机制和控制机制也不一样。要保证大电网的安全运行，首先要建立足够可信的数据监测系统采集实时数据，然后利用快速算法，在允许的时间范围内分析数据中的动态安全特征值，及时进行安全性分析及控制。这些环节的有效性是实施建立大电网安全防御体系的首要任务。
　　研究大电网安全防御体系问题的复杂性在于：大电网的局部问题处理不当，可能波及整个大电网的安全性。分析历史上国内外大停电事故的记录即能充分佐证这一点。可见，大电网安全防御体系的重要任务是：“星星之火，不使燎原”，如果燎原，则由于系统已经建立了“三道防线”，因此能有效地将故障隔离。在浩瀚的信息面前，仅靠人工来主动分析复杂大电网系统的安全性是很被动的，可行的措施是：在关键环节中增设智能分析及控制功能，代替人进行自动分析及控制，起到安全卫士的作用，这在大电网安全防御体系中是必不可少的。本文从大电网安全的角度出发，提出应该进行基础研究的关键环节。

3开展智能决策系统研究
　　安全防御体系的一个重要体现是决策智能化。衡量智能化的一个重要标准是，所做出的决策是否能随着环境变化而变化，并将未来可能发生的事件也作为决策的一部分加以考虑。智能决策系统必须具有处理不确定事件的能力，能识别环境中随时发生的各种事件及可能发生的事件，通过搜索找到最优安全控制方案。
　　（1）对弈式的安全预演仿真
　　在仿真系统上，智能决策可以实现为攻守双方的竞争，攻方设置故障，守方通过分析给出安全控制策略。经过几轮攻守，如果守方能以损失可接受限度的子系统为代价，而保证系统的大部分仍处于安全状态，则说明决策系统所做出的控制策略是有效的。
　　对弈式的智能决策研究包括两个方面：一是系统的脆弱性分析，二是系统的智能控制策略。进攻方所设置的故障必须都是针对系统的薄弱环节，这样才有可能在有限的回合内彻底破坏系统；防守方所采取的控制策略则必须要在隔离本故障的同时考虑后面可能会出现的故障。从这里也可以看出，仿真的有效性是智能决策系统的基础环节。利用安全预演仿真的智能决策系统，可以大大提高调度员处理故障的水平和能力，增强我们对于系统动态变化的认识。
　　（2）建立柔性SCADA系统
　　智能决策系统要实现在线，必须以更加丰富的数据为基础，因此，首要的工作就是对现有数据采集系统进行升级和扩充，实现更灵活、更全面的数据采集与传输。
　　现有的SCADA系统是通过延伸到各站的RTU采集电网的静态测量值，只能用于电网正常运行的分析计算。美国发生“8.14”大停电事故，虽然有电网结构、保护及安全装置误动、运行管理等多方面的原因，但最重要的原因是缺乏系统范围的有力监测和控制手段，调度员不知道发生了什么事。对此，本文提出建立柔性SCADA系统，它具有数据管理和按需交互信息的智能终端，可采集电网的正常静态信息、动态信息和故障信息。柔性SCADA系统与现有的SCADA系统相比有以下特点：
　　1）可采集动态信息和故障信息动态信息包括电气量和相角量的动态变化信息，用于动态和暂态稳定分析[7]。故障信息包括事故发生后的保护装置、故障录波装置的信息，用于事故后的故障诊断。关于电网的故障诊断和恢复处理问题，已有大量的研究成果，但一直不能实用化，其根本问题在于分散在各站端的故障信息不能有效地传输到调度端。光纤通讯的发展、基于GPS的广域测量装置的出现，为采集和管理动态信息和故障信息提供了解决方案。动态信息的采集使得在动态过程中监测和控制系统成为可能，这对于防止事故的蔓延和扩大非常重要。
　　2）站端系统具有数据管理功能现有RTU不具有存储功能，而且只能周期性地发送静态数据。与电网静态信息相比，电网在动态过程中产生的动态信息和故障信息是在短时间内产生的，且数据量大，不可能全部实时传输给调度，必须先在当地保存和处理，然后再按各方需求提供数据，因此站端系统应具有对这些信息的采集、分类和管理功能。
　　3）各站点间可按需求进行信息交互现有的远动系统只能在调度和站间通讯，传输不具备交互功能。在柔性SCADA系统中，各站端系统具有独立的数据管理和智能功能，不必将所有处理功能集中在控制中心，可以按需求进行数据交换。
　　4）站端系统具有智能性站端系统收集当地的各种故障信息，可就地诊断和处理，得出中间结果，随时为调度或其它站端提供所需的数据和中间结果。站端智能化是实现电力系统分散控制的基础。
　　（3）防止事故扩大的智能决策研究
　　电力系统的偶然事故不可避免，应采取措施防止事故扩大，这是以往研究中容易被忽略的内容，但正是小事故的扩大最后导致了大面积停电。防止事故扩大的研究主要包括以下两方面的内容：
　　1）系统动态过程的防御研究事故发生时，系统受扰严重，进入动态变化过程，若稳定性被破坏，将引起系统振荡，为此，首先要采取措施提高系统的暂态稳定性。目前，电力系统已建立了“三道防线”进行稳定控制，发电厂和变电站也装有这些安全稳定控制装置和解列装置，但它们所采用的预测系统失稳的检测方法多数都是基于就地信息的，没有很好地反映全局信息，因而不能动态自适应地跟踪系统运行方式的变化，有可能出现错误动作。广域测量装置的大量应用使我们对于系统动态行为的掌握更为直接和深入，广域测量信息在系统动态监视和控制中的应用也逐渐为人们所重视。目前，急需一种能够快速量化系统动态安全性的算法来辅助调度员掌握系统的全局动态特性。同时，如果能基于广域测量装置所提供的全局信息协调系统中运行的各种安全自动装置，实现广域保护和控制，则系统的控制水平将有一个很大的飞跃。
　　2）深入研究故障处理以扩充EMS功能目前，EMS已得到了广泛的应用，使调度运行由原来的经验型上升为分析型，但其内容只针对电网正常运行时的安全和经济分析。柔性SCADA系统在故障时提供充足且冗余的故障信息，调度员不可能在很短的时间内对这些信息进行分析处理，确定事故类型、地点并制定恢复方案，因此，EMS需要扩展事故分析和决策功能，以协助调度员对电网运行进行实时调整和控制。基于柔性SCADA系统的智能EMS包括以下新的内容：
　　①故障诊断的研究电网的故障诊断用于诊断电网中发生故障的元件和故障性质，确定停电的元件中哪些可恢复供电，哪些需要进一步检查（如试送、巡线或试验等），并在此基础上识别误动和拒动的开关和保护，确定开关是否能正常操作，保护是否继续投入运行。
　　②故障恢复决策的研究根据电网故障诊断的结果，电网的恢复处理应能完成以下主要任务：对未停电系统提出消除过载、保证系统安全运行的方案；对停电系统提出恢复方案，搜索合理的供电路径。在得到调度员的确认后，这些措施和方案自动生成故障恢复处理状态下可执行的具体操作指导步骤。
　　③故障事件可视化的研究故障事件可视化的目的是让调度员在最短的时间内了解系统的现状，主要研究如何将故障诊断和恢复处理的结论图形化，分层次地表达在地理信息系统（GIS）中；如何将系统中的薄弱环[1][2]下一页