電力是國家能源發(fā)展戰(zhàn)略布局的重要組成部分。電網(wǎng)是能源產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，具備優(yōu)化能源資源配置方式、提高能源資源配置效率的基本功能。電網(wǎng)越堅強(qiáng)、覆蓋范圍越廣，越有利于提高能源優(yōu)化配置的規(guī)模和效率[1]。但是，隨著新能源發(fā)電、直流輸電、電力電子裝置等大量使用，電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性日益增加，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來更大的挑戰(zhàn)。近些年，國內(nèi)外不斷發(fā)生大規(guī)模的停電事故，如：1996 年 7 月 2 日和 8 月 10 日美國西部電網(wǎng)的 2 次大停電[2-3]，2003 年 8 月 14 日美國–加拿大東部電網(wǎng)大停電[4]，2003 年 9 月 23 日瑞典–丹麥電網(wǎng)大停電[5]，2003年9 月28 日意大利電網(wǎng)大停電[6]，2006 年 11 月 4 日歐洲電網(wǎng)大停電[7]，2009 年 11 月 10 日和 2011 年 2 月 4 日的巴西電網(wǎng)大停電[8-9]，2012 年 7 月 30 日和 7 月 31 日印度電網(wǎng) 2 次大停電[10]，以及 2005 年 9 月 26 日海南電網(wǎng)大停電[11]，2006 年 7 月 1 日華中(河南)電網(wǎng)停電事故[12]等。這些停電事故都造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響，也說明現(xiàn)代電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制體系還不夠完備，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制問題還沒有得到徹底解決。本文依據(jù)電力系統(tǒng)廣域測量、實時通信、穩(wěn)定分析等技術(shù)當(dāng)前和未來可能的發(fā)展，探討構(gòu)建防止電力系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定破壞和大面積停電的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定超級防線——基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)廣域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

　　1 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定三道防線措施

　　1.1 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定三道防線電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定三道防線[13]是指電力系統(tǒng)受擾動后盡可能地保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行、不發(fā)生大面積停電事故的安全穩(wěn)定控制體系，主要是指保證電力系統(tǒng)受到擾動后的安全性和穩(wěn)定性的措施。第 1 道防線是快速切除故障元件，防止故障擴(kuò)大。主要由性能良好的繼電保護(hù)裝置構(gòu)成，要求能夠快速、精確、可靠地切除故障元件，將故障的影響限制在最小范圍內(nèi)，有效防止故障擴(kuò)大。第 2 道防線是采取必要的切機(jī)、切負(fù)荷、解列、直流調(diào)制等安全穩(wěn)定控制措施，防止系統(tǒng)失去穩(wěn)定。主要由電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制裝置構(gòu)成，要求能夠準(zhǔn)確、可靠的動作，保證電力系統(tǒng)能維持穩(wěn)定運行。第 3 道防線是在系統(tǒng)失去穩(wěn)定后，為防止發(fā)生大面積停電，盡可能地縮小事故的影響范圍，而采取的一切緊急措施。主要由失步解列、高頻切機(jī)、低頻切負(fù)荷、低壓切負(fù)荷等自動裝置和調(diào)度運行人員采取的緊急措施構(gòu)成，要求能夠有效防止大面積停電。

　　1.2 三道防線的基本措施分析第 1 道防線措施，主要由各類繼電保護(hù)裝置構(gòu)成。目前繼電保護(hù)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，基本上能夠精確、可靠地切除故障元件。但是，由于繼電保護(hù)裝置的動作時間存在分散性，目前我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算分析中，采用的故障切除時間還比較長(如 500 kV 以上電壓等級線路的故障切除時間為：近端 0.09 s，遠(yuǎn)端 0.1 s)。所以，如果繼電保護(hù)裝置在故障切除速度上有所提高，將能更有效地提高電網(wǎng)的功率輸送水平。另外，繼電保護(hù)裝置的隱性故障，往往是電力系統(tǒng)停電事故的起因，如：2006 年 7 月 1 日華中(河南)電網(wǎng)停電事故的起因[14]，就是由于繼電保護(hù)存在隱性故障 (裝置內(nèi)部邏輯設(shè)置與下達(dá)的定值要求不符合)而誤動作，導(dǎo)致河南電網(wǎng) 500kV 系統(tǒng) N−4 故障。因而，繼電保護(hù)裝置的隱性故障將是今后需要重點解決的問題。第 2 道防線措施，目前一般采用基于事件的安全穩(wěn)定控制技術(shù)，主要有 2 種類型：一是“離線決策，在線匹配”，即利用電力系統(tǒng)仿真計算軟件，針對不同的運行方式和給定的故障集合，通過大量的離線仿真計算，找出對應(yīng)故障集合所需要采用的安全穩(wěn)定措施，形成安全穩(wěn)定控制策略表，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，則按照策略表給定的控制措施進(jìn)行控制;二是“在線決策、在線匹配”，即利用電力系統(tǒng)在線仿真計算軟件，針對當(dāng)前的運行方式和給定故障集合，通過在線仿真計算，形成安全穩(wěn)定控制策略表，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，則按照策略給定的控制措施進(jìn)行控制，這樣就可以避免“離線決策”中運行方式不適應(yīng)的問題。第 3 道防線措施，目前一般采用預(yù)先設(shè)定的薄弱斷面或區(qū)域電網(wǎng)安裝的基于就地信息的自動控制裝置，包括失步解列裝置、低壓自動減負(fù)荷裝置、低頻主動減負(fù)荷裝置、高頻切機(jī)裝置等。

　　2 基于響應(yīng)的廣域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)框架

　　由于基于事件的“離線決策，在線匹配”和“在線決策，實時匹配”構(gòu)成的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定第 2 道防線措施和基于就地信息的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定第 3 道防線措施存在失效的風(fēng)險，已經(jīng)難以滿足大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求。因此，需要研究電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制“實時決策、實時控制”的基礎(chǔ)理論、控制原理，充分利用廣域測量技術(shù)和高速通信技術(shù)，構(gòu)建基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)廣域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，實現(xiàn)“實時決策，實時控制”。基于相量測量裝置(phasor measurement unit， PMU) 的廣域測量系統(tǒng) (wide-area measurement system，WAMS)已經(jīng)日趨完善。借助高速通信網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)測量數(shù)據(jù)空間上的廣域和時間上的實時同步。為基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)廣域安全穩(wěn)定控制奠定了基礎(chǔ)。

　　3 基于響應(yīng)的廣域安全穩(wěn)定控制的關(guān)鍵技術(shù)

　　1)廣域動態(tài)特征信息提取。廣域測量信息具有全局性、實時性和連續(xù)性的特點，其信息量十分巨大。基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)廣域安全穩(wěn)定控制要從海量的測量數(shù)據(jù)中選取能夠系統(tǒng)安全穩(wěn)定特性的信息，進(jìn)行快速安全穩(wěn)定判斷。所以，需要根據(jù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定特點和快速安全穩(wěn)定判斷的要求，提取必要的廣域動態(tài)特征信息，如功角穩(wěn)定判斷時的功率–功角特性曲線，發(fā)電機(jī)動能–功角曲線，角速度–功角相軌跡等，電壓穩(wěn)定判斷時的母線電壓，功率–電流曲線等，頻率穩(wěn)定判斷時的頻率軌跡曲線等。 2)受擾軌跡預(yù)測。系統(tǒng)受擾動后的擾軌跡預(yù)測，能夠預(yù)知系統(tǒng)受擾軌跡的變化趨勢，從而可以盡可能早地判斷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定情況，為緊急控制系統(tǒng)提供足夠的決策時間。基于廣域測量信息的安全穩(wěn)定受擾軌跡預(yù)測，一般可分為無系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的預(yù)測方法和有系統(tǒng)模型的預(yù)測方法 2 大類。 3)系統(tǒng)穩(wěn)定性判別。基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)廣域安全穩(wěn)定控制技術(shù)的關(guān)鍵是快速、可靠、不依賴于全系統(tǒng)仿真計算的安全穩(wěn)定判別方法。要求能夠基于廣域?qū)崟r測量信息，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定、動態(tài)功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、以及振動中心等電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定特征進(jìn)行實時判別，并能夠給出主導(dǎo)失穩(wěn)模式。因此，需要根據(jù)不同的安全穩(wěn)定分析方法，形成有效的安全穩(wěn)定判據(jù)，直接使用廣域?qū)崟r測量數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性識別，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制的 “實時決策，實時控制”奠定基礎(chǔ)。

　　4 基于響應(yīng)的廣域安全穩(wěn)定控制技術(shù)研究新進(jìn)展

　　長期以來關(guān)于基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)廣域安全穩(wěn)定控制技術(shù)的研究，已取得一定成果，但仍比較分散沒有形成體系[17-71]。近年來，在國家電網(wǎng)公司科技項目的支持下，中國電力科學(xué)研究院牽頭對筆者提出的基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)廣域安全穩(wěn)定控制相關(guān)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，并取得重要的進(jìn)展[72-92]。 1)提出一種預(yù)測模型參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)，可以跟蹤受擾軌跡的非線性變化，利用最新的測量值，及時調(diào)整觀測次數(shù)、模型階數(shù)和預(yù)測步長的取值，從而實現(xiàn)總體最優(yōu)預(yù)測性能。模型參數(shù)自適應(yīng)技術(shù)主要分為內(nèi)外 2 部分循環(huán)計算，內(nèi)循環(huán)計算根據(jù)預(yù)測模型得到預(yù)測結(jié)果，外循環(huán)計算基于最新測量值，根據(jù)模型參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整原則，及時修正模型參數(shù)，提高模型的適應(yīng)能力。 2)提出一種基于功率–相角–頻率的快速判據(jù)，該判據(jù)只需要有限的、關(guān)鍵的特征信息，具有快速性和實用性。在進(jìn)行失穩(wěn)識別時，首先判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域，然后判斷系統(tǒng)是否有趨于失穩(wěn)的傾向，最后判斷系統(tǒng)是否會越過不穩(wěn)定平衡點，準(zhǔn)確地判別暫態(tài)功角失穩(wěn)。 3)提出一種基于轉(zhuǎn)速差–功角差變化趨勢的判別方法。該方法根據(jù)電力系統(tǒng)功角失穩(wěn)過程一般首先表現(xiàn)為兩群失穩(wěn)模式的特點，以其在相平面運動軌跡的變化特征為基礎(chǔ)，判斷暫態(tài)過程中電網(wǎng)機(jī)群間是否能夠保持同步運行。該方法依賴于發(fā)電機(jī)功角和轉(zhuǎn)速的響應(yīng)信息，計算方便快捷，可以作為暫態(tài)功角穩(wěn)定緊急控制的啟動判據(jù)。

　　5 結(jié)論

　　基于相量測量裝置的廣域測量系統(tǒng)日趨完善，借助高速通信網(wǎng)絡(luò)，就能實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)空間上的廣域和時間上的同步，為基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)廣域控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。全面深入地研究基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)廣域控制技術(shù)，構(gòu)建電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定超級防線，對于確保我國大規(guī)模交直流互聯(lián)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、防止電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故具有重要意義。

　　參考文獻(xiàn)

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　　《基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)廣域安全穩(wěn)定控制》來源;《中國電機(jī)工程學(xué)報》，作者：湯涌