“碳达峰、碳中和”目标下电力系统安全防御体系构建

针对“双碳”（碳达峰、碳中和）、“双高”（高比例可再生能源、高比例电力电子装备）电力系统新形势下系统特性认知水平和电网故障防御能力明显不足的问题，国网山东电科院以省地一体化仿真数据管理为抓手，以规范新能源场站实测建模为重点，以提升全电磁暂态仿真能力为支撑，以省地远程协同计算为依托，以拓展在线监测与预警功能为基础，探索系统仿真手段升级，提升大电网特性认知能力，在国网系统内实现了6个第一，即率先实现地市公司对国网仿真中心超算资源的远程调用、率先完成省级电网110千伏及以下建模、率先完成新能源场站“一场一特性”精细化建模、率先开展二三道防线数模仿真测试、率先建成电力系统恢复在线决策系统、省级电网范围内率先实现全电磁仿真。

一、“碳达峰、碳中和”目标下电力系统安全防御体系构建的内涵和主要做法

（一）布局多方联动，明确系统安全防御体系构建的总体思路

国网山东电科院坚持统一指挥、分工协作，打造纵向到底、横向到边，贯穿各层级、各专业、各地区的指挥领导体系，协同联动的集团化运作体系，系统完备的管理制度体系，明确电力系统安全防御体系构建的总体思路。

1.加强顶层设计，明确组织流程制度化

国网山东电科院成立由院领导挂帅，系统、保护、调频、调压、调峰等专业涉及部门负责人共同参与的领导小组，负责电力系统安全防御体系的构建工作，统筹相关部门及专业内人员的协调，确保各系统按计划推进。

2.强化技术交流，确保路线水平引领化

依托中国电科院、南瑞集团的技术支持，克服疫情影响，建设具有国内领先水平的电力系统安全防御体系;积极协调国电投山东分公司、华能新能源山东分公司、山东龙源风力发电公司，开展三座典型新能源场站实测建模工作;加强与北京四方、山东大学的合作，召开“三道防线”管控、大电网风险在线评估等技术协调会8次，明确责任分工和关键技术路线，为项目顺利开展奠定了坚实的基础。

3.统筹项目建设，推进现场施工规范化

项目建设推进实行周例会制度，各负责人进行进度汇报。各负责人按照计划完成模块功能和展示研发，工作组专工负责汇总，抄送山东电力调控中心和国网山东电科院领导。现场施工实行日报制度，由现场监理完成日报编制，每晚20：00前发微信群，内容包含施工内容，计划完成，需协调事宜，疫情防控（两次测温），现场人员等内容。

4.编制管理制度，协调合作单位模式化

发布《山东电网省地联合仿真计算数据管理规范》《省地联合仿真计算数据录入指导书》等，规范山东电网运行方式联合仿真计算数据管理工作，确保仿真计算数据的正确性;印发《山东电网备自投装置配置原则及动作逻辑技术规范》等，全面排查现有备自投装置闭锁逻辑、充放电信号上送等是否满足要求;编制《新能源场站实测建模工作总体方案》、《新能源场站人工短路试验方案及措施》，明确组织措施、试验计划、测试大纲、危险点分析、事故预案等内容，确保新能源实测建模现场试验工作有序开展。

（二）推进省地一体，提升仿真计算数据管理平台的覆盖范围

目前，国网公司系统内的220千伏及以上电网仿真数据统一存储在国家电网仿真计算数据管理平台上。按照国调中心的工作分工，中国电科院负责发电机、直流系统等模型的参数维护，各省公司负责属地220千伏及以上交流电网、新能源场站等模型的参数维护。然而，该平台只覆盖到了省公司一级，省公司系统内的所有地市公司均不具备维护110千伏及以下电网仿真数据的能力，因此无法实现低电压等级的新能源场站仿真、合环调电以及短路电流仿真计算等工作。

1.规范仿真模型管理，延伸数据管理平台

国网山东电科院构建了山东省地一体化仿真数据管理平台，将原国家电网仿真计算数据管理平台向地市公司一级延伸，率先实现了省调、地调、县调的协同数据管理。相比于其他省公司，山东各地市公司能够从本地客户端通过浏览器登录平台，实现多人、异地、并行维护数据，率先实现省地县三级级数据的全周期、长时间尺度管理，提高对低压电网数据维护质量的专业管理水平，数据维护工作模式也从串行转变为并行，数据维护效率提高20倍。

2.筑牢全电压等级建模，实现电网精细仿真

新能源大多是通过110千伏及以下低电压等级并网，而目前各省的仿真数据仅建模至220千伏，无法有效考虑低电压等级并网的新能源的动态特性。对此，国网山东电科院在开展了110千伏及以下电网的仿真数据建模工作，在国网公司范围内率先建成10千伏-1000千伏全电压等级的电网仿真模型，涵盖各电压等级并网的新能源场站，为精细化仿真“双碳”背景下以新能源为主体的电网特性奠定了坚实的数据基础。

3.开发自动建模功能，提高模型维护效率

低压配电网中含有大量T接的开关站，总量达到2000余个，通过人工建模的方法将耗费大量的时间，建模效率低下。对此，国网山东电科院主动对接中国电科院，提出功能需求，与中国电科院合作开发了自动建立T接站和T接线路的功能模块，并在山东省地一体化仿真数据管理平台中部署应用，有效提高仿真数据建模效率。

（三）提升建模精度，规范新能源场站精细化建模的业务流程

山东已成为光伏装机全国第一、风电装机全国第四的新能源大省，其中新能源发电设备厂商众多，机型超过上百个。不同厂商不同型号的设备结构和特性差异显著，现有的通用数据模型已不能满足“双碳”目标下对以新能源为主体的新型电力系统仿真分析的需要，亟需在电力系统仿真分析中采用基于实测数据的新能源模型参数，详细反映新能源场站高电压/低电压穿越、有功/无功功率控制过程等动态特性。

1.夯实新能源参数辨识建模，精确模拟控制器特性

针对存量新能源场站和新建新能源场站，提出两种不同的建模技术路线，并行推进新能源实测建模工作。省内现有存量的新能源场站，不再进行试验测试，而是充分利用已有型式试验报告，通过参数辨识的方法实现存量新能源场站的实测建模。针对新建的新能源场站，则开展实验室测试，通过控制器硬件在环仿真的方法，实现新建新能源场站的实测建模。同时为提升新能源厂家建模积极性，联合省调控中心出台相关管理文件，将新能源实测建模报告作为新能源厂站并网验收的前提条件，从而保障了新能源场站实测建模工作的有序推进。

2.实施新能源厂站现场试验，验证场站模型精度

为了验证这两种新能源实测建模方法的有效性，国网山东电科院联合省调控中心、中国电科院等多家单位，对双馈型风电场、直驱型风电场和光伏电站各选取一座典型场站开展现场试验，成为国网公司内首家通过新能源场站现场实测完成新能源场站级建模的单位。新能源场站现场试验完成后，对比实际录波数据与实验室实测建模得到的仿真数据，二者高度吻合（如图6所示），充分验证了所提实测建模方法是准确有效的。

3.推进实测模型数据应用，把控电网运行特性

全面应用新能源实测模型数据开展仿真分析工作，并与过去采用的新能源通用模型数据进行对比分析，重新评估新能源场站对山东电网电压稳定性以及特高压长南线稳定性的影响。应用新能源实测模型数据开展山东电网交直流受电能力专题计算分析工作，制定新能源正常及大发方式下山东电网交直流受电限额，指导“双碳”目标下山东电网的安全可靠运行。

（四）升级仿真手段，增强高比例新能源电网仿真的技术能力

“双碳”目标下，新能源的快速发展导致电力系统电力电子化比例的不断提高，传统的机电仿真方法的精度已不再满足“双碳”目标下大电网仿真需要，亟需开展仿真精度更高的全电磁仿真。目前在国网公司系统内，只有中国电科院具备全电磁数字仿真的能力，各省公司尚不具备这种能力，无法准确模拟特高压直流、新能源等电力电子设备快速控制特性对山东电网的影响。此外，国网仿真中心的协同计算平台仅覆盖到网省公司一级，各省的地市公司人员均无法远程调用国网仿真中心超算资源进行大批量作业的扫描，仅能采用单机版的仿真程序线下串行进行计算，存在计算速度慢、效率低的问题。

1.统筹计算资源，部署全电磁数字仿真功能

国网山东电科院完成了全电磁数字仿真功能部署，能够综合利用本地计算资源与国家电网仿真中心超算资源，开展山东电网全电磁仿真分析工作，在省级电网中率先具备全电磁数字仿真能力。提出本地计算资源和云端超算资源的协调机制，对于单个全电磁仿真作业的调试，由于需要频繁调整仿真参数和迭代计算，利用本地计算资源进行全电磁仿真，将单个全电磁仿真作业提交到本地的后台服务器;对于大批量全电磁仿真作业的扫描，优先采用远程调用国家电网仿真中心超算资源的形式，当遇到超算资源紧张的时候（度夏、度冬及年度方式集中计算期间），则利用本地计算资源进行全电磁仿真作业扫描。

2.应用电磁仿真，开展高精度计算分析工作

全面应用全电磁数字仿真，仿真精度由过去的毫秒级进入微秒级，精度提升200倍。利用全电磁仿真技术，开展高渗透率新能源接入对“外电入鲁”能力的影响分析，定量分析影响电网稳定性的关键因素，提出提高电网稳定水平的优化控制措施，显著提高了对“双碳”背景下的大电网运行机理的认知水平。

3.优化功能部署，提升平台智能化应用水平

仿真分析中，工作耗时主要集中在仿真故障卡的建立和电网方式的调整两个环节。对此，山东电科院主动对接中国电科院，提出技术需求，合作开发智能化模块，提升工作效率。一是将公用故障卡独立于工程之外存储，实现跨工程调用;二是增加公用故障卡读写权限限制，降低误操作风险;三是增加批处理作业的导出功能，实现计算任务的本地备份;四是增加仿真结果的筛选功能，提升仿真结果的输出速度;五是优化扫描结果的展示界面，提升结果查询的易用性;六是开发电网方式自动调整模块，提高仿真计算的智能化水平。

4.整合计算平台，实现跨地市联合仿真计算

国网山东电科院联合中国电科院，将国分省协同计算平台向山东地市公司一级进行延伸，实现单机版仿真程序与超算平台的交互，增加可由本地单机版仿真程序直接调用超算的功能，在省级电网中率先实现国网仿真中心超算资源的大规模远程调用。基于该功能，国网山东电科院多次成功组织地市公司通过远程调用国网仿真中心超算资源完成山东电网次年年度方式和2-3年省地联合仿真计算工作，成为国网公司首家利用国网超算资源完成多地市异地联合仿真计算的单位，计算速度取得了质的飞跃，这对于提高电网方式计算工作效率、管理水平具有重要意义。以完成1500个潮流作业计算任务为例，过去单机版仿真程序需耗时15小时，而现在通过调用超算仅耗时8分钟，仿真速度提高105倍，有效提高了方式计算和事故分析的工作效率。

（五）完善监测预警，助力电力系统安全防御战线的整体前移

为了保障电力系统的安全稳定运行，电网共设置了三道安全防线。由于这三道防线涉及到大量的自动化控制装置，这些装置本身的健康状况、通信状态、压板状态、定值状态等等对于保障大电网的安全运行起到至关重要的作用。同时，随着特高压交直流交互影响的加剧、新型电力电子设备的增多，电网故障形态由过去的单一型故障向现在的连锁型故障演变，亟需加强对这些自动化控制装置的在线监测，将安全防线前移，实现安全隐患提前预警，防止故障蔓延引发大面积停电事故。

1.构建继电保护装置在线监视与智能诊断系统，实现“一道防线”管控在线化

打通、整合了继电保护信息、故障录波联网、整定计算、定值在线校核等现有系统，依托调控云平台，融合多源信息，建成继电保护装置在线监视与智能诊断系统。通过装置运行状态自动巡视、定值在线校核及预警、动作行为监视与分析三大功能建设，实现了装置采样、压板投退等运行状态巡视由离线转为在线，实现了差流异常、PT多点接地等隐性缺陷“排雷”由事后转为事前，实现了继电保护动作行为分析和评价由人工转为自动，实现了定值的在线比对和智能防误，提升了装置的运行可靠性。目前系统已接入500千伏变电站11座、保护装置618套、运行信息36641条。创造性地将区块链技术应用到继电保护定值执行工作中，构建了“区块链+电网第一道防线”的主动防误体系，实现保护定值等关键数据防伪造、可追溯，对定值执行过程进行在线化管控，确保了装置现场运行定值与调度下发定值的完全一致，全面巩固电网的第一道防线。

2.开展安全自动装置数模仿真测试，实现“二三道防线”管控过程化

在省级电网内率先开展二三道防线数模仿真测试，发现并解决100余项装置逻辑错误、功能不全等问题。完成11428台开关传动试验和835套装置检验，装置开关传动完成率、超期未检完成率均实现100%。部署山东电网稳控装置监视及预警系统，全面接入精准切负荷子站、常规切负荷子站、稳控装置的运行信息，实现了对山东直流受端安全稳定控制系统及常规安自装置等运行状态的实时监测。同时，对电网第二、三道防线所涉及到的常规切负荷可切量和精准切负荷可切量等控制资源常态化开展日评估工作，有效提升对第二道防线的专业管理水平。

3.构建电网恢复决策支持平台，实现电力系统恢复决策在线化

大电网停电后能否采取及时正确的恢复策略，将直接关系到停电范围、停电时间是否扩大。针对山东公司缺少电力系统恢复在线决策手段，且提前编制的黑启动预案存在无法考虑故障发生时刻电网实际拓扑结构等问题，国网山东电科院构建了国网公司首套电力系统恢复在线决策系统，针对山东电网全停、局部电网停电的预想场景，在线自动生成包括黑启动、网架重构和负荷恢复的电力系统全过程恢复方案，并以图形化的形式动态展示恢复路径和恢复过程，为调控人员提供电力系统恢复的模拟演练环境，帮助调控人员对恢复预案进行分析和训练，全面提升山东公司应对大面积停电事故的调控应急处理能力，国调中心领导对该系统给予了高度评价。

4.构建安全稳定在线评估与风险预警平台，实现大电网安全分析多源融合化

提升网源监督服务技术平台应用水平，目前已接入180余台直调机组，占直调机组的90%以上，全面实现了机组调频、调压、调峰能力在线监测评估。部署山东电网稳控装置监视及预警系统，实现全部稳控装置压板状态、告警信息等实时监视。以此为基础，结合电源侧实时评估结果和电网实时运行数据，并充分融合继电保护、稳控装置等二次设备的在线监视结果，建成山东电网安全稳定在线评估与风险预警平台，完善电网运行风险管控手段，在基于多元信息融合的大电网风险预警方面走在国网前列。

部署频率安全风险预警与辅助决策功能，全面监视山东电网动态频率，实现频率时空分布可视化展示;基于预想故障集合进行暂态频率偏移安全风险快速评估，对特高压直流闭锁、新能源出力波动等引起的大功率缺额事故进行前瞻预警;开展大电网惯量在线评估与预警，实时监视电网转动惯量水平，分析维持电网频率稳定所需的最小安全惯量;深入挖掘多种功率控制措施的调频能力，形成含抽水蓄能、旋转备用和负荷控制等的综合一体化频率控制辅助决策方案，有助于保证特高压直流群安全稳定运行，提高可再生能源发电消纳能力。

开发基于人工智能的交直流混联电网电压安全风险快速评估技术，部署电压安全风险快速评估功能，实现对电网稳态电压风险和动态电压安全的快速评估，把握特高压交直流混联电网的电压安全特性，制定优化的控制决策方案，降低山东电网电压安全风险。

二、“碳达峰、碳中和”目标下电力系统安全防御体系构建的实施效果

（一）管理运维水平持续改善

率先完成省级电网10-1000千伏全电压等级的电网建模，能够真实反映接入低压电网新能源的拓扑特性，解决了过去采用等值建模无法准确反映新能源场站动态特性的问题，新能源场站精细化建模能力跻身国网公司前列;在省级电网范围内率先实现了地市公司对国网仿真中心超算资源的远程调用，仿真计算效率提高了100多倍，方式计算的整体工作时间由15天缩减至3天;建成了国网公司首套电力系统恢复在线决策系统，显著提高了山东公司对大面积停电事故的应急处理能力，国调中心对该系统给予了高度评价;完善电网运行风险管控手段，在基于多元信息融合的大电网风险预警方面走在了国网公司的前列。

（二）经济运行效果持续向好

通过升级电网仿真分析手段、提升“双碳”目标下大电网认知能力，提升了山东电网的受电能力，提高了电网企业的经济收益;通过对服务器硬件进行统一管理与资源调配，避免应用“烟囱式”建设，实现了各类用户、各类应用之间对资源的共享和复用，有效节省对软、硬件的资金投入;通过开展省地远程协同计算，山东省调、电科院与各地调的仿真人员可在本地开展运行方式的联合计算和分析，有效节约了参加集中计算的会议费、住宿费、路费等开支。

（三）社会生态效益持续优化

通过构建电力系统安全防御体系，全面掌握电网运行数据，对电网可能发生的事故进行分析和预警，有效防止局部电网事故持续恶化蔓延引发大面积停电事故，避免造成恶劣社会影响;提高电网供电可靠性，减少停电给用户带来的损失，减少其它行业因停电而产生的安全事故，提高用户对电力企业的信赖度;显著提升对新能源发电的消纳能力，在节能减排和环境保护方面发挥积极作用，积极促进“碳达峰、碳中和”目标的实现。

创造人员：李山 蒋哲 周宁 赵康 郝旭东 田浩 张志轩