面向智能电网的安全防护体系

宋璇坤，肖智宏

(国网北京经济技术研究院，北京市， 100052)

0 引言

电力系统的安全稳定与国家建设与稳定休戚相关，特高压电网建设和智能电网发展在为我国经济建设与发展提供强有力支持的同时，也对电力系统安全、稳定与控制运行带来了新的挑战。

为了更大范围的资源优化配置，满足大量新能源的接入，电网规模将越来越大。但由于电能无法有效地大量存储，发电、输电和用电之间平衡的大范围破坏在短时间就可能引发社会性灾难。“9·28”意大利大停电［1］、“8·14”美加大停电［2］、“11·10”巴西大停电［3］等事故对电力工业造成了巨大影响。近期，全球极端外部灾害事件明显增多。2008年初，我国南方的冰冻雨雪灾害先后造成超过36 000条10 kV及以上电力线路、2 000多座35 kV及以上变电站停运［4］。大范围、长时间的停电事故更深刻反映了电力系统的安全运行对国民经济和社会稳定的重要性，同时也进一步突出加强电网安全防护体系建设的紧迫性。

“三道防线”是我国电网安全防护体系的基础，意在不同安全稳定标准要求下，通过不同控制手段尽量降低故障造成的损失。在一般故障发生时，由第一道防线保证不中断供电;在严重故障发生时，由第二道防线保证不失去系统的完整性;在特别严重的故障发生而被迫解列后，由第三道防线尽量减少停电规模和停电时间。“三道防线”概念清晰，易于实施，一直以来为保证电网的安全发挥了重要作用。信息技术和控制技术的发展加快了智能电网的发展与建设，电网的信息测量、数据传输、控制处理、智能分析与决策能力显著提高，各种智能技术和防护措施增加了“三道防线”的内涵与外延，丰富了安全防护体系的内容。文献［5］根据大停电演化规律，提出了时空协调的大停电防御框架;文献［6］基于交直流混合电网特点，提出了综合协调防御框架;文献［7］针对极端外部灾害环境，探讨了停电防御系统框架构思;文献［8］以电网自愈控制为基础提出了“2－3－6”电网自愈控制框架;文献［9］从控制时间角度分析了各道防线内部的优化和不同防线之间的协调控制;文献［10］从空间、时间、控制目标等3维协调能量管理和基于相量测量单元的动态稳定控制管理等方面探讨了智能电网控制中心的未来发展;文献［11］依据信息支撑技术设计了智能电网自适应保护与控制系统。

本文对“三道防线”的安全防护体系进行论述，通过对智能发电、变电、输电、调度、通信及广域测量等智能电网支撑技术的分析，提出了面向智能电网的安全防护体系，对智能电网新技术条件下的“三道防线”进行了扩展研究。

1 “三道防线”及其控制规律

根据对停电实例演化规律的分析，大面积停电事故多与一系列开断相关联，由于故障处理不及时、控制措施不正确，从而引发连锁反应，最终造成电力系统崩溃。

1.1 “三道防线”

《安全稳定导则》规定了电网安全稳定的三级标准［12］。第一级:系统出现概率较高的单一故障，系统应保持稳定运行和电网的正常供电;第二级标准:系统出现概率较低的单一严重故障，系统应保持稳定运行，但允许损失部分负荷;第三级标准:系统出现概率很低的多重严重故障，当系统不能保持稳定运行时，必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。

针对上述三级标准，设置“三道防线”来确保电力系统在遇到各种事故时的安全稳定运行。第一道防线:合理的电网运行方式和快速可靠的继电保护正确动作、有效的预防性控制措施;第二道防线:采用稳定控制装置及切机、切负荷等紧急控制措施;第三道防线:设置失步解列、频率及电压紧急控制装置，当电网遇到概率很低的多重严重事故而稳定破坏时，防止事故扩大，防止大面积停电。

1.2 安全防护控制

“第一道防线”是在不损失电源和负荷的前提下，通过采取预防性控制措施、继电保护动作及电网规划建设，保证电力系统在故障不严重情况下的稳定性。规划建设是远期的预防控制。2008年因冰灾导致电网发生故障的事故表明，应采取电网差异化规划与建设标准，提升电网应对极端自然灾害的能力，将一次系统的规划与建设纳入电网安全防护体系。预防控制是在故障发生前，改变初始状态，通过调整开机方式、有功与无功出力、网络拓扑、直流功率和限制负荷等运行方式，有效降低故障发生对电网正常运行造成的影响。预防控制属于开环控制方式，通过对电网安全校核后确定控制策略［13］。

“第二道防线”减小系统在严重故障下失去稳定的风险。如果根据预防控制选定的系统运行方式的经济性较差，或者系统发生较严重故障时，应通过采取切除部分电源和负荷为代价的紧急控制，实施电网解列、切机、切负荷、强励、快关汽门等控制措施保持电力系统的安全稳定运行。紧急控制属于闭环控制，通常采用面向特定故障的“离线预算、实时匹配”的执行方式。

“第三道防线”采用恢复控制措施，避免系统在极其严重故障下发生大停电。恢复控制根据故障后电网动态行为，失步后实施震荡解列，过长时间低频、低压后实施分轮切负荷等操作，属于动态优化控制。“三道防线”及其控制规律如图1所示。

图1 三道防线与控制规律Fig.1Three defense-line and control laws

2 智能电网的支撑技术

近年来的大停电事故表明，提高电力系统的全局可视化程度，提升电网在线智能分析、预警和决策能力，充分利用智能发电、输电、变电、调度、通信及广域测量技术，优化各级防线，实现电网精益化闭环控制是增强电网可靠性、提高电网抵御突发性事件和严重故障的有效手段。

2.1 智能发电技术

智能发电技术主要包括厂网协调控制技术、清洁能源发电运行控制技术、大容量储能应用技术等。

通过对常规机组的快速调节，提高自动发电控制和自动电压控制的调节速率、调节范围和控制精度，提升发电机组运行灵活性和经济性。采用间歇性电源发电功率预测与协调控制系统，加强清洁能源发电装置的故障穿越能力。根据电网的实时运行情况给出风电场辅助控制决策指令，使风电场具有调压、调峰、调频、潮流调整等功能，有效解决风电厂的有功出力波动、无功电压支撑、多种电源协调控制的能力，提高风电场与电网之间的协调性。通过大规模储能设备的应用，加强电网削峰填谷、接纳间歇性能源接入能力;提高蓄能机组的负荷调节速度、无功调压性能，有效抑制电网低频振荡，提升电网故障后的恢复控制能力。

2.2 智能输电技术

智能输电技术通过实施静止无功补偿器(static var compensator，SVC)、静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)、可控高抗(controllable shunt reactor，CSR)，灵活调节输出的无功容量，实现降低网损、提升线路输送能力、抑制工频过电压和潜供电流能力;通过应用统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)、可控串补(thyristor controlled series compensation，TCSC)等柔性交流输电技术，提高电网电压、潮流优化控制能力，有助于充分利用现有电网资源，改善输电网运行条件。同时，通过实施输电线路状态监测，实现输电线路的状态评估、故障诊断、状态检修和风险预警，实现对线路运行状态的可控、能控和在控，提高输电网安全稳定运行水平。

2.3 智能变电技术

智能变电技术通过开展智能变电站建设和电器设备状态监测，提高变电站运行监控能力和设备健康诊断能力。智能变电站可以较好地实现全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化，实现电网运行数据的全面采集和实时共享，更好地支撑变电站的远程监控、电网运行的状态监视、网络故障后的自动重构，是实施电网实时控制、智能调节和各类预警决策高级应用的基础。变电站智能告警、顺序控制、站域控制等高级应用功能，也丰富了厂站端的自动调节控制的手段。

通过变电站状态监测系统实现了变压器油中溶解气体、组合电器局部放电与SF6气体密度、避雷器全电流等主要设备、重要参数的在线监测，实现了站内运行设备健康水平的自我诊断功能，促进了变电设备信息、运行维护策略与电力调度的全面互动。

2.4 智能调度技术

智能调度是传统EMS/SCADA系统的全面提升。通过智能电网调度技术支持系统的建立，实现了数据传输网络化、运行监视全景化、安全评估动态化、调度决策精细化、运行控制自动化、网厂协调最优化，有效提高了驾驭大电网的能力、纵深风险防御能力，从而极大地提升了电网安全、经济运行水平。

通过采用IEC 61970、IEC 61850和IEC 61870等标准的建模标准、通信标准，提高基础数据与模型的完整性、准确性与一致性，实现数据的“源端维护、全网共享”和各调度中心的“纵向贯通”。

智能调度监控与预警功能实现了电网全景信息的实时监测，在线评估，动态预警，辅助决策和功率闭环调节，提升电网基于预测运行风险的在线预防控制能力;智能电网安全校核功能将各种计划方案和预测信息综合在一起，进行发电计划、检修计划的静态及动态安全校核，实现短期发电计划的闭环调整。通过实时和超实时的并行仿真计算，对电网进行安全稳定分析与智能决策控制，实现从离线到在线、从机电暂态到电磁暂态的全状态、全时间尺度的分析需求，提升大电网连锁事件条件下的在线智能分析水平，提高了大电网实时运行的分析调整、风险预控和应急处置能力。

智能调度的发展目标是建立一个基于同步信息的广域保护与紧急控制一体化理论与技术，协调电力系统测控和保护、区域稳定控制系统、紧急控制系统、解列控制系统和恢复控制系统等具有多道安全防线的综合防御体系［14］。

2.5 智能通信技术

智能通信技术是支撑智能电网建设的重要手段。通过建立通信信息平台，满足智能电网整体建设和发电、输电、变电和调度对信息传输的需求。

通过采用光传送网(optical transport network，OTN)、密集型光波复用(dense wavelength division multiplexing，DWDM)技术，构建以光纤化、网络化、智能化为特征网状光纤网，提高传输网的信息传输能力和支撑网的业务交换能力;通过双平面调度数据网的建设，使骨干网节点覆盖地级及以上调度机构，使220 kV及以上电压等级厂站接入两层接入网，全面提高调度数据网可靠性，满足智能电网的广域数据共享。

2.6 智能电网广域测量技术

智能电网广域测量技术主要包括广域测量系统、广域控制保护系统。

通过电网同步相量测量(precision measurement unit，PMU)合理布点，实现以GPS为基础的电力系统精准量测，全面揭示系统的动态特性。开展基于电网动态同步信息对电网实时频率特征与扰动识别，进行电网暂态功角稳定、小信号稳定、频率稳定、电压稳定、低频振荡、次同步震荡分析，实现大电网连锁事件条件下的智能预警分析与控制技术。通过在线并行计算技术与同步相量测量深化应用技术，逐步建立在线自适应的电网安全稳定的三道防线控制系统，在线优化协调解列装置、低周/低压减负荷装置的动作策略，增强电网协调控制和应急处置能力。

3 智能电网安全防护体系

发电、输电、变电、调度与通信等环节的智能技术的应用，提升了电网信息化、自动化和互动化水平，同时也赋予了电网安全防护体系新的内容。

3.1 体系框架

以智能调度系统为基础，充分利用智能发电、输电、变电、通信及广域测量技术，构建智能电网安全防护技术架构，通过全景数据采集和在线智能预决策分析，实现电网精益化闭环控制，提高电网抵御突发性事件和严重故障的能力，提升电网安全稳定运行能力。智能电网安全防护技术框架如图2所示。

智能预防控制则以监控预警与在线评估系统为基础，采用“风险预警、预测校核”方式，在线优化电网运行方案，通过智能发电、输电、变电技术完成电网预防控制，将防御体系进行有效的“关口前移”。智能紧急控制以安全校核和紧急控制系统为基础，采用“在线计算，实时控制”方式，优化全局闭环控制策略，通过智能发电、输电、变电、广域测量技术完成电网紧急控制，增强电网维持稳定运行能力。智能恢复控制以解裂控制与恢复控制系统为基础，采用“预设方案、滚动优化”方式，加速电网恢复过程，通过智能发电与变电技术完成电网恢复控制，有效减少停电时间和经济损失。

3.2 智能预防控制

事实上，多数事故都存在事故前的电网运行方式不合理，只不过不是直接原因，往往不被人们重视。智能预防性控制基于实时监测和快速决策，对运行信息全景化监视，自动显示与告警处于危险的参数指标，并根据监测结果进行电网运行风险和安全校核分析，提前发布风险预警，提示电网运行薄弱环节和优化调整方案。调度人员可迅速采取调整开机、有功与无功出力、限制负荷等运行方式，提前做好预控措施。智能预防控制通过在线优化电网运行方式，将安全稳定防线进行有效的“关口前移”。

图2 智能电网安全防护技术框架Fig.2Technical framework of security protection for smart grid

在常规EMS/SCADA电网数据信息基础上，应用发电、变电和输电智能化技术，对电网稳态数据、动态数据、气象数据、电网设备综合数据进行采集与传输。智能调度系统通过对电网运行数据、设备状态监测数据的分析，及时查找事故隐患和风险预警判断，并主动对运行方式进行调整，降低发生系统大面积故障的几率。如线路或变压器检修时，综合考虑在运设备健康水平重新优化电网运行方式;依据雷电定位系统监测结果，实时优化调整雷区覆盖线路的潮流，规避系统故障引起的大范围功率转移和停电事故。

在电网发生故障时，除保护有选择性地快速切除故障外，将保护动作信息、故障录波信息、电网动态信息传送至智能调度系统。系统对新的网络拓扑下进行电网安全稳定分析，在线优化电网运行方式，并根据智能决策结果调整发电机出力，调整输电断面潮流及供电负荷，使系统快速达到新的平衡状态，从而有效降低故障发生对电网正常运行造成的影响。

3.3 智能紧急控制

现有的安全稳定紧急控制系统以事故前预想计算为基础，事故后确认发生的事件，执行预定的控制策略。“离线预算、实时匹配”方式难以适应大规模电力系统故障场景的组合集巨大，特别是对于小概率、大灾难事件的发生。

智能调度技术、广域测量技术和通信技术为智能紧急控制奠定了物质基础，智能发电、输电技术也为紧急控制提供了新的执行手段。根据电网动态信息和故障信息，通过在线和离线并行计算技术及多种稳定性判别算法，对电网故障下暂态稳定、小干扰稳定和电压稳定进行计算，从时间维、监视元件维和预想故障维等多种角度提出电网稳定分析结果。针对失稳隐患的特征，根据系统对应的危险量和调整量信息，形成满足系统稳定性要求、调节量和调整代价综合最优的调节方案。通过“在线计算，实时控制”的方式向功能执行子站系统提供的决策依据，实施电网解列、切机、切负荷等控制措施，通过全局闭环控制策略保持电力系统的稳定运行。

3.4 智能恢复控制

在发生概率很低的多重严重故障而稳定破坏时，通过合理设定的电网解列点，将电网解列成若干孤立的“岛屿”，每个孤岛能独立运行。在恢复控制过程中，尽管可能存在电压波动或小范围的电力中断，但是却能避免故障向外扩散的多米诺骨牌效应，防止大面积停电事故的发生，实现对整个电网的保护。

智能调度系统根据“分层分区、统一协调”的原则，预先制定恢复预案。在进行恢复控制时，根据各独立电网系统运行状况及水、煤、储能系统等外部相关设施的实际情况，在线选择典型场景，在预案基础上优化恢复策略，形成恢复控制预案。在操作过程中实时监控恢复进程，根据实际发生的不确定事件调整预设方案或在线滚动优化预案。通过实施自适应恢复控制［15］，在恢复过程中实施运行状态在线识别、恢复操作监控、电磁暂态校核，加速恢复的过程，减少停电时间，减少事故带来的经济损失。

4 结语

根据对国外大停电事故的演化分析，可以发现，故障处理不及时、控制措施不正确，从而引发连锁反应，是电网崩溃的主要原因。

智能预防控制通过“风险预警、预测校核”方式在线优化电网运行方案，将防御体系进行有效的“关口前移”;智能紧急控制通过“在线计算，实时控制”方式实施全局闭环控制策略，电网维持稳定运行能力得到增强;智能恢复控制通过“预设方案、滚动优化”方式加速电网恢复过程，有效减少停电时间和经济损失。“三道防线”可作为电网安全防护体系的基础，从而在一定程度上避免电网大停电事故的发生。

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(编辑:沈雷)