大电网安全分析_预警及控制系统的研发.pdf

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1、第 36 卷 第 7 期 电 网 技 术 Vol.36 No.7 2012 年 7 月 Power System Technology Jul.2012 文章编号：1000-3673（2012）07-0001-11 中图分类号：TM 74 文献标志码：A 学科代码：4704054 大电网安全分析、预警及控制系统的研发 汤涌，王英涛，田芳，徐得超，于之虹，张文朝，宋新立，郎燕生，付辉，裘微江（中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192）Research and Development of Stability Analysis,Early-Warning and Control Syste

2、m for Huge Power Grids TANG Yong,WANG Yingtao,TIAN Fang,XU Dechao,YU Zhihong,ZHANG Wenchao,SONG Xinli,LANG Yansheng,FU Hui,QIU Weijiang(China Electric Power Research Institute,Haidian District,Beijing 100192,China)ABSTRACT:On the basis of systemic sorting out and synthetical research on security and

3、 stability of interconnected power grid,a synthetical method to analyze security and stability,early warning and control of huge power grid is proposed,and the research and development of advanced technologies,including full process dynamic security assessment system,operation mode gaming system,wid

4、e area analysis and control system and expert system,is completed.The system integration of the developed system is accomplished on dispatching automation platform and the developed system is tested by digital power system in simulation centre of China State Grid Corporation.KEY WORDS:huge power gri

5、d;stability analysis;early warning;wide area analysis and control;operation mode gaming system;expert system;full process dynamic security assessment 摘要：在对互联电网安全稳定问题进行了系统梳理和综合研究的基础上，提出了综合性的大电网安全稳定分析、预警及控制方法，完成了包括全过程安全评估、沙盘推演、广域分析及控制、专家系统等前沿技术的研发。所开发系统在调度自动化系统平台上完成了系统集成，并在国家电网仿真中心的数字电力系统上完成了测试。关键词：大电

6、网；稳定分析；预警；广域分析及控制；沙盘推演系统；专家系统；全过程安全评估 0 引言 大电网安全稳定运行控制是一个非常复杂的过程，正如军队将领在军事作战时借助沙盘来分析、推演战场形势一样，电网运行人员同样需要通过综合性分析、控制决策工具来跟踪分析、预警及控制电网的安全稳定运行。大电网安全分析、预警及控制系统1构筑了一幅覆盖我国电网的全景多维电网沙盘，这将成为调度运行人员驾驭大电网的高级参谋。目前，电力系统主要通过能量管理系统(energy management system，EMS)、广域测量系统(wide area measurement system，WAMS)、动 态安全分析(dynam

7、ic security assessment，DSA)、自动发电控制、自动电压和无功控制、安全自动装置等系统监测、控制电力系统的运行状态和稳定性，该类系统在大电网状态监测及故障处理等方面有了较大发展，但在电网稳定性分析、控制功能及各模块间的协调性等方面存在不足，尤其在稳态调控和紧急控制方面发展较慢，在电网无故障状态(包括部分元件检修停运状态)、故障状态、故障后等状态下缺乏统一的应对方法，主要问题2如下：在线状态分类、识别和控制功能分工不明确；系统状态监测、调控和紧急控制等缺乏协同；电网安全防御第 1、2 道防线缺乏系统后备措施；紧急状态下的决策及决策支持缺乏智能工具。为了解决上述问题，中国电力

8、科学研究院成立了一支包括电网稳定分析及控制、仿真计算、WAMS、EMS 等多专业的联合攻关团队，以新建成的国家电网仿真中心为依托，于 2011 年首先完成大电网安全分析、预警及控制系统的研发。该系统融合了调度自动化、安全分析、系统仿真、稳定控制等多种前沿技术，能够对电网发生的各种故障进行综合分析、预警、控制，对电网事故进行事先预演及事后反演。本文将对大电网安全稳定问题进行2 汤涌等：大电网安全分析、预警及控制系统的研发 Vol.36 No.7 归纳，分析该系统的关键技术、结构及功能，以为我国大电网安全稳定的运行控制研究提供参考。1 系统设计 1.1 大电网安全稳定问题梳理及对策 大电网安全稳定

9、问题梳理及对策3归纳如下：1）电力系统处于正常状态。电网状态估计结果可用，主要进行电网潜在故障的安全稳定分析及控制策略研究。一方面，基于预定故障集的 DSA 使用机电暂态仿真程序，计算当前时刻电网的稳定极限，对安控装置控制策略进行分析校核，校正电力系统运行性能，使电网承受故障的能力更高。另一方面，需要将电力系统机电暂态、中期和长期动态过程结合一起在线评估潜在故障对大电网的影响，分析电力系统发生严重故障后全过程(从机电暂态过程到中长期动态过程)的安全稳定性，并进行预防控制。电力系统典型故障及对策可参考示意图 1。数十分钟的缓慢相继开断 数分钟的快速相继开断 分钟级的电网扰动 秒级的系统崩溃 小时

10、级的停电过程t首发事件 N1事件N2事件N3事件在线评估、沙盘 推演、控制决策 N4事件广域感知、快速调节及控制 恢复控制 图 1 电力系统典型故障及对策示意图 Fig.1 Diagram of typical faults and their clearing strategy for power system 2）电力系统处于警戒状态。目前主要依赖于调度运行人员的知识、经验及反应速度来进行调控，具有很大的风险。迫切需要实现电网警戒状态下潜在故障的快速自动分析、发现和调控，避免线路开断事故导致的连锁反应。系统分析专家的“启发式”思维方式结合超实时仿真系统，可实现对电网安全稳定的快速“定性”及

11、“定量”分析。基于专家知识发现并快速定位电网薄弱环节，并确定控制策略集，然后结合超实时仿真计算，快速确定合适的控制策略。为此，需要开发基于知识发现的专家系统以及具有良好交互方法的电网运行方式推演系统。3）电力系统处于紧急状态。电网在紧急状态下，往往表现为低频振荡、低电压、功率波动，静态数据很难满足稳定分析及控制的数据要求。在WAMS 上的分析及控制技术是解决该问题的关键。通过快速告警、辅助决策、调控措施，抑制低频振荡，改善电压无功分布，调节断面潮流，避免系统偶发故障扩大，减小事故影响和损失。4）电力系统处于失稳边界或失稳状态。电网在紧急状态下没有得到有效的调控，就会发生连锁反应或导致局部电网的

12、全停。除了常规安全控制装置外，还需要在 WAMS基础上，开发全局控制策略和分布式控制系统(广域控制系统)。系统失稳前，实施基于稳定预测的减载、切机、主动解列等快速紧急控制；系统失稳后，实施协调的减载、切机、解列等手段，避免电网无序崩溃，保障重要负荷供电，减小停电范围，并为电网后续的恢复控制、黑启动提供条件和执行策略。电力系统处于紧急、失稳(含临界)状态时，广域控制应该与已有安全自动控制装置协调配合起来。5）电力系统处于恢复状态。此时，电网结构不完整，应充分利用 WAMS 和数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统的信

13、息，基于不完整的信息对电网进行快速恢复控制。电网动态过程往往表现为复杂性：多种稳定问题表现在电网的不同部分、不同时段，这需要各种稳定分析及控制工具能够在时空维度上高度协调统一。以上论述了电网各种不同过程中的稳定问题及对策，主要是通过构建完整的电网安全稳定可观性信息平台，整合各种安全稳定分析软件及专家资源，构建高度协调、良好互动性的分析手段，加强稳定控制的协调性等方面，提高电网快速分析、控制故障的能力，保证电网从各种不安全的状态转移到安全状态。1.2 控制原理 在大电网安全稳定问题及解决方案基础上，系统设计围绕框架体系、数据平台、应用功能、工作流程等 4 方面展开。大电网安全稳定分析、预警及控制

14、系统是一套高度集成的基于网络实时交互的系统，主要由调度数据层、应用层、专家层和控制层共同组成，可以实现分布式稳定分析与控制。电力系统安全分析、预警及控制系统原理见 第 36 卷 第 7 期 电 网 技 术 3 图 2，其中，PMU(phasor measurement unit)为厂站相量测量单元。WAMS/PMUEMS/SCADA广域安全分析及控制系统静态过程安全分析机电暂态过程安全分析决策支持控制终端系统分析专家系统调度运行工程师运行方式工程师电力系统中长期过程安全分析沙盘推演动态安全评估调度系统自动分析工具专家层超实时仿真开环闭环调度在线数据 图 2 安全分析、预警及控制系统原理 Fig

15、.2 Principle of stability analysis,early-warning and control system 1.3 关键技术 1.3.1 大电网安全稳定信息融合技术 目前涉及电网安全稳定的量测数据4-6主要有：1）暂态数据，指使用 A/D 转换器原始采样点数据，用来分析电力系统短路故障、次同步谐振等电磁暂态及电磁暂态过程，频率一般在 400 Hz 以上。2）动态数据，指使用同步相量测量装置监测的相量数据，用来分析电力系统机电暂态现象，频率一般在 25100 Hz。3）静态数据，指由 SCADA 等系统提供的数据，采样频率大于 4 s。静态数据不能够完整观测机电暂态及

16、电磁暂态过程，主要用来分析电网的静态过程。安 全 稳 定 在 线 分 析 及 控 制 主 要 使 用EMS/SCADA 系统的静态数据及 WAMS/PMU 的动态数据。静态数据应用于基于预案的动态安全评估，分析电网静态过程的潜在故障。工作周期一般为 15 min。EMS 采集的静态数据中存在某些低电压等级或无采集量的厂站数据不全的问题，影响到稳定分析的准确性。离线运行方式分析计算数据包含电气设备详细模型参数，数据完整，通过静态数据和离线方式数据的整合，可形成一套结构完整、能反映当前电网工况并能计算暂态稳定的计算数据。数据整合包括以下内容：1）上下级调度中心之间的数据整合，由于电网分层分区运行管

17、理的特点，各调度中心之间数据耦合较少，通过确定管辖范围以及辖区间联络线/联络变电站的信息即可。2）区域电网内部的在线/离线数据的整合，由于此时在线数据和离线数据耦合比较紧密，界面模糊，采用智能分析算法自动适应在线/离线数据的差别，形成可用的整合数据。动态数据主要应用于电网扰动过程的稳定分析及控制，分析及控制周期一般不大于 40 ms。动态数据的形成主要包括以下内容：1）网络结构处理。由 PMU 传送的厂站线路等的开关状态，形成系统主网架的拓扑信息。2）合理性检验。对于某些突发性因素造成测量数据异常，对其进行判别和拟合的处理。3）状态量误差修正。PMU 的状态量存在着各种误差，主站通过状态估计等

18、手段，对 PMU 测量的误差进行修正。4）时间同步误差修正。PMU 在失去卫星信号后，测量信号的时标与标准时间信号会失去同步。在这种情况下，主站必须有必要的措施，检验并修正时间同步误差。1.3.2 电网沙盘可视化互动技术 可视化技术7是加强电网安全稳定快速分析及调控的基础手段。电力系统安全稳定有关信息的数量和种类海量，在多维可视化技术基础上，将电网状态的广域宏观建模与物理设备微观建模有机结合构造电网沙盘，能够充分观察甚至辅助调控电力系统复杂多变的动态过程。主要内容如下：1）通过 3 维技术对电力系统的重要物理设备进行模块化设计，将电网设备、属性信息与地理空间数据有机结合起来，进行空间数据与属性

19、数据的统一管理及交互操作，采用数据驱动方式，快速生成变电站、发电厂、电力线路等的 3 维模型，对各种数据进行分层显示。同时，允许用户在 3 维场景中交互式地完成场景浏览、漫游、定位、分析等功能，以全方位、直观、形象的方式再现电网原貌，辅助运行人员正确决策，作业更方便、快捷。2）通过广域测量技术将电力系统广域监测量与 3 维模型有机结合起来，形成多维的全网信息可视化工具。分析人员借助强大的电网沙盘功能，在3 维图形上进行电力系统的各种操作，观察各种操作对电力系统的影响，快速形成决策序列并做出控制决策。电网沙盘的虚拟空间是动态的、可操纵的，可借助外部设备操纵电网环境的设备，而电网沙盘则快速对人工操

20、纵效果做出响应。4 汤涌等：大电网安全分析、预警及控制系统的研发 Vol.36 No.7 电力系统沙盘可视化系统见图 3。图 3 电力系统沙盘可视化系统 Fig.3 Operation mode gaming visualization system of power system 1.3.3 电网潜在故障的在线全过程安全评估技术 对于大电网的不同时间尺度的动态过程，需要各种尺度的仿真分析程序进行分析，包括静态安全 分析程序、机电暂态仿真程序、小扰动分析程序、中长期仿真等程序对电网静态稳定、功角稳定、暂态稳定、电压稳定、频率稳定、中长期动态仿真等程序进行多时间尺度全过程分析。全过程安全评估8-

21、10模型更为全面，微分代数方程的阶数高、刚性大，覆盖电力系统暂态稳定、中期和长期过程的动态元件模型以及更多的自动装置模型，如锅炉及其控制系统、水力系统、自动发电控制、变压器分节头的自动调整等元件的动态模型。全过程安全评估能够完整分析电力系统机电暂态过程、电力系统发生严重故障后全过程(从机电暂态过程到中长期动态过程)、电力系统正常运行状态的调整以及事故后恢复等各种过程。电力系统全过程在线稳定评估示意图见图 4。稳定裕度评估计算调度运行辅助决策暂态稳定分析动态稳定分析电压稳定分析在线整合潮流遥测遥信相量量测二次信息设备参数电网模型故障集电网实时监控与智能告警网络分析实时方式数据整合研究方式预警信息

22、静态稳定分析电网实时监控与智能告警运行分析与评价预警信息在线安全稳定分析算例管理模型管理限额管理故障集管理中长期安全分析 图 4 全过程在线稳定评估示意图 Fig.4 Diagram of on-line full-dynamic assessment 1.3.4 运行方式专家系统 面对大电网比较严重的运行方式，完全靠自动分析工具来调节是非常困难的。将方式人员的知识和超实时仿真结合起来，会有效解决该问题。运行方式专家系统是根据方式专家提供的知识和经验进行推理和判断，模拟专家的决策过程的智能工具。专家系统将专家建议和专业技术人员的经验综合运用到电网安全分析分析中，制定实用、灵活的控制方案，能满足

23、实时运行的要求，可适用于大规模网络的分析。运行方式专家系统主要包括：生成式规则、推理机、工作存储区、待激活规则栈等部分。基于规则系统一般由产生式规则库、推理引擎和记录当前推理状态的工作存储区构成，运行方式专家系统结构见图 5。规则库中的每条规则，都使用“if-then”语句。推理方式有 2 种：前向推理和后向推理。前 工作存储区推理机生产式规则待激活规则栈 事实加载规则加载、编译模式匹配冲突解决规则激活 图 5 运行方式专家系统结构 Fig.5 Structure of expert system for power system operation 向推理是数据驱动推理方式，后向推理是目标驱

24、动推理方式。对于故障征兆有限而故障原因很多的问题，可以采用前向推理技术，否则后向推理技术更为合适。在求解某些复杂问题时，可以综合使用前向推理和向后推理技术。基于在线安全分析和预警系统大量计算结果，采用基于知识的方法将运行专家的知识与数据算法有机结合起来，形成了反映电网运行状态的直观第 36 卷 第 7 期 电 网 技 术 5 评价指标、电网薄弱断面确定和关键故障筛选等方法，供在线快速判断电网薄弱环节及确定控制措施。在电网电压与无功功率控制、电网静态与动态安全分析、故障诊断与报警处理、停电恢复指导方面发挥重要作用。1.3.5 电力系统沙盘推演 沙盘推演系统是一套智能化的稳定分析工具，在电网处于检

25、修方式、警戒等状态下，辅助调度人员可利用其快速制定运行方式及控制策略。沙盘推演系统基于机电暂态并行超实时仿真技术11-12，使用专家系统自动形成(或方式专家制定)的电网薄弱环节的故障集及控制决策集进行超实时仿真计算，人机工作的 2 个过程可以迭代进行，直至找出可行的运行方式。电网运行方式沙盘推演原理见图 6。调度自动化系统提供电网实时潮流(每15 min进行1次)计算结果：断面1断面2断面nDSA、中长期安全评估人工定性分析电网薄弱环节，在专家系统的辅助下，提出可行的运行方式集合调整运行运行方式1调整运行方式2调整运行方式nDSA、中长期计算分析DSA、中长期计算分析DSA、中长期计算分析方式

26、是否合理？结束方式推演否是 图 6 电网运行方式沙盘推演原理 Fig.6 Principle for power system operation mode gaming system 图 7 是沙盘推演系统工作流程。t0时刻，在线数据到来，更新沙盘的数据模型并显示；t1时刻，运行人员根据电网稳定性的定性判断结果，在专家系统的辅助下，确定薄弱断面和初步控制决策集合(包括操作对象及切机、切负荷控制操作量等)，将这些信息发送到沙盘推演系统中；t2时刻，启动沙盘推演超实时稳定性评估；t3时刻，得到操作后的运行方式集合及相应的评估结果，然后对其启动全面的安全稳定评估；如果计算的运行方式不满足要求，则重

27、新进行控制决策调整，再次进行运行方式计算，直至满足要求后由运行人员进行调控；t4时刻，又一个新的在线潮流断面到来，启动新一轮沙盘推演。新断面到来沙盘推演超实时稳定性评估tt0t1t4新断面，开始新的一轮推演专家调整策略故障集以及控制决策t2t3迭代动态安全评估系统 图 7 沙盘推演系统工作流程 Fig.7 Flow chart for power system operation mode gaming system 1.3.6 与传统稳定控制协同的广域安全分析及控制技术 传统稳定控制装置13包括：安全自动装置、低频减载、低压减载、振荡解列、失步解列、低压解列、低频解列、高频切机、过载联切等，

28、定值/控制策略均为离线生成的，扰动或故障发生时，通过离线生成的控制策略、定值进行控制。离线控制策略虽然详细，但难免百密一疏，一旦某些特殊故障没有匹配到控制策略/定值，没有相应对策，可能会造成严重后果。不同于基于仿真分析策略的控制装置，广域安全分析及控制系统14-17是一种自适应的跟踪控制，通过跟踪系统响应，实时分析电网稳定性，滚动刷新控制决策，调整控制策略，自适应控制直至系统恢复到稳定为止。广域安全稳定分析及控制系统将智能控制与电力系统理论结合起来，使用复杂多维电力系统的控制策略、控制模型、规则等，建立电网各种失稳过程的快速分析模型，使用广域测量信息，进行电力系统稳定性实时分析和紧急控制。广域

29、安全稳定分析及控制系统包括对各种稳定性问题的处理，包括功角稳定、电压稳定、频率6 汤涌等：大电网安全分析、预警及控制系统的研发 Vol.36 No.7 稳定、动态稳定及潮流的调控等。根据任务环境、时间跨度及空间范围等特点，系统工作流程可以分为 4 个层次：1）任务和子任务。任务是控制系统接收的来自调度人员的宏观命令，其内容包括保证电力系统的稳定性；子任务是对任务的分解，通常包括保证电力系统的热稳定、暂态稳定、动态稳定、电压稳定、频率稳定等。2）行为。行为是广域保护/控制系统为了应付不断变化的电网状态而采取的一种控制序列，每个控制序列都需要完成一定的工作目标。常见的行为如提高某区域电网的频率、电

30、压等。3）轨迹。轨迹是电力系统在广域保护控制后的运动轨迹。规划轨迹是期望电力系统在受扰动后一段时间内所经过的轨迹。规划轨迹的时间长度一般为几百 ms 到几 s。4）控制。控制是由广域保护系统产生的，由各个控制执行机构执行的最底层控制指令，如解列联络线、控制机组出力等。以大电网失步分析和控制为例，基于全网多个PMU，准确监测、预测出系统的失步振荡现象，找到解列断面进行相应控制，方法包括：使用智能方法辨识、预测失步现象；从空间上划分相互振荡失步的机群；辨识出振荡中心的断面；确定解列断面。2 系统结构及功能 2.1 平台及应用系统 大电网安全分析、预警及控制系统具有分布式协调框架结构，基于大电网调度

31、平台、仿真计算平台，使用多种电力系统稳定分析算法、专家等资源对电力系统各种运行状态进行实时分析、推演、决策控制，寻找系统的薄弱环节，对电网进行预警控制，避免发生灾难性的事故。系统主要包括 4 大应用系统，具体如下：1）广域分析及控制系统。基于广域量测系统的电网态势感知，跟踪检测、分析电网的各类扰动过程，分析电力系统的稳定性，在连锁反应的早期进行快速预警，提供系统稳定的分析报告，供调度人员进行分析决策。2）沙盘推演系统。沙盘推演系统具有多维可视化手段，与人工、专家系统等配合，基于超实时仿真计算平台，结合动态安全分析，超实时对电网运行方式进行评估、自动调控。3）运行方式专家系统。基于丰富电力系统分

32、析知识及数据挖掘原理，抓住电网的关键特征量，提出定性的决策控制措施，提交仿真分析软件定量确定稳定控制量。4）全过程安全评估系统。扩展在线动态安全分析的仿真时间尺度范围，使现有的以机电暂态仿真为主的分析功能涵盖电网的中长期动态过程。在线安全稳定分析系统综合利用稳态、动态数据，通过稳态、动态、暂态多角度在线安全分析功能评估电力系统运行全过程的稳定裕度。系统支撑平台包括：1）调度自动化支撑平台。基础平台为应用系统提供各类数据的存储与管理功能，数据存储满足应用数据存储周期短、连续性强、数据量大和高可靠的需求。公共服务包括数据服务、图形服务、事件/告警服务、文件服务、权限服务、消息邮件服务和工作流服务等

33、。实时数据包括状态估计数据、调度运行方式数据、广域测量数据等。此外提供的调度计划数据包括从年度、月度、日前到日内、实时的持续动态优化调度计划数据。2）实时仿真计算支撑平台。全数字仿真系统作为数字电力系统，模拟系统运行状态，包括潮流断面数据、变电站/电厂等开关/刀闸状态数据、继电保护动作信息、发电机动态特性描述数据等，为电网事故分析、稳定特性研究、监控系统的测试服务。2.2 系统集成及接口 调度平台与应用系统通过数据总线和应用总线完成。数字总线传送调度平台采集的电网静态数据及动态数据，即 EMS/SCADA 系统状态估计数据及 WAMS 系统采集的同步数据。应用总线指EMS/SCADA生成的可供

34、高级应用系统使用的各种信息，包括调度计划、负荷曲线等。调度平台与应用系统之间采用实时数据交换协议(DL 476-92、GB 104 协议等)18-20交换数据，与广域分析及控制系统之间采用 IEEE C37.118 协议交换数据。全过程安全评估系统与专家系统中，全过程安全评估系统除了完成已经配置的电网全方位安全评估功能外，还需要发挥并行计算系统的作用，为专家系统提供电网重点故障集安全评估服务。具体流程为：专家系统接受全过程安全评估系统生成的实时断面潮流，使用专家规则快速生成重点故障集，并发送到全过程安全评估系统的计算平台，由其完成快速计算评估，并将结果发送到专家系统。第 36 卷 第 7 期

35、电 网 技 术 7 沙盘推演与专家系统中，沙盘推演系统基于超实时仿真系统，该系统接收电网实时断面潮流数据，以各种可视化工具生动显示电网的状态，专家根据对电网状态的分析和把握，提交控制决策集，由沙盘推演的快速计算模块完成计算校核，并将计算结果发送到专家系统，供其参考或者迭代推演。广域分析及控制系统与专家系统中，广域分析系统完成对电网的调控，其中开环控制主要指稳态下的各种调节控制，调控措施可在专家监控下进行。以上应用系统之间的互联采取标准通信协议。大电网安全分析、预警及控制系统结构见图 8。2.3 综合功能 根据国内外近年来发生的几次大停电事故，建立典型的电网扰动过程模型，基于该模型，阐述大电网安

36、全稳定分析、预警及控制系统的功能及工作流程。工作流程见图 9。具体如下：1）电网平稳运行过程。电网满足电力系统安全稳定导则的要求，没有明显的稳定性问题，各种应用系统基于调度实时数据，执行正常的分析过程，并给出安全评估结果。2）负荷快速变化过程。电网在负荷爬坡过程中，可能会出现个别断面电压问题、小扰动问题，主要由全过程安全评估系统根据负荷预报等信息，提前生成运行方式数据进行快速仿真分析，得到薄弱断面及控制决策，并执行相应的调节控制。3）潮流异常方式。系统可能会出现若干断面潮流越限、个别电网电压问题，由广域分析及控制系统快速判断薄弱环节，启动专家系统定性分析，确定计算运行方式集合及调控措施集合，进

37、行快速的沙盘推演，完成电网运行方式的计算，并给出控制决策措施。4）重负荷检修方式。需要快速确定运行方式安排，主要通过沙盘推演系统完成。由专家提出可行的运行方式集合，由方式推演系统对各种方式下的预设故障集进行校核，确定方式是否合理，并确定合理的调节控制措施。5）系统发生小扰动等问题。系统出现小扰动(较多出现在电网重负荷方式下)问题，主要由广域分析及控制系统执行快速的扰动分析功能，分析出扰动相关机组，由专家系统校核后快速调节控制，并由广域分析及控制系统实时监视控制效果，扰动平息后，由沙盘推演优化运行方式。6）重负荷 N1 故障情况下，一般不会发生不稳定问题。但现场处理问题时，由于环境复杂，调度人员

38、需要能够快速定位故障，并预防更多问题的发生，需要进行辅助分析决策。其主要由动态安全分析系统进一步诊断电网隐性问题，由广域分析及控制系统分析安全稳定问题，如果出现问题，由运行 数据通信接口广域分析决策广域控制指令广域数据处理数据通信接口机电暂态安全全面扫描计算中长期过程安全分析潜在问题重点分析全面稳定评估结果重点稳定评估结果准紧急状态运行方式决策集数据通信接口未来运行方式快速评估方式评估结果运行方式评估结果专家系统数据接口/人机界面专家综合分析(电网稳态)运行方式校核故障集(电网准紧急状态)运行方式决策集开环控制指令WAMS/SCADA数据调度基础应用数据基于动态数据的广域分析及控制基于静态数据

39、的安全分析运行方式沙盘推演专家系统决策支持界面WAMS状态估计调度计划调度计划状态估计状态估计调度员 图 8 大电网安全分析、预警及控制系统结构 Fig.8 Structure of stability analysis,early-warning and control system for huge power grids 8 汤涌等：大电网安全分析、预警及控制系统的研发 Vol.36 No.7 系统平稳状态(满足稳定导则)重负荷方式(若干断面不满足导则)系统出现小扰动系统N1故障重负荷检修方式系统N2故障系统N3(直流闭锁等)严重故障，系统稳定破坏DSA判断：稳定专家系统判断：稳定中长期

40、判断：稳定广域动态分析：稳定调度潮流监视：正确DSA及中长期在线分析，寻找薄弱断面广域动态分析:稳定负荷快速变化(当前满足导则，未来不满足)调度系统根据负荷预测形成未来方式数据DSA判断：稳定专家系统给出可行运行方式集合广域动态分析：稳定专家系统判断，形成控制决策(调出力等)广域动态分析:小扰动，给出分析决策专家系统给出可行运行方式集合沙盘推演：DSA重点事故分析，给出事故处理预案；中长期安全分析。广域动态分析：预测系统失稳，给出协调控制措施电网状态的变化(典型连锁反应过程)方式推演(中长期安全、DSA)系统解列后恢复过程(非平稳)广域动态分析：各种稳定问题对于孤岛问题，专家系统给出可行方式集

41、系统平稳)重负荷方式，按上面处理)专家系统监控安稳等的控制过程，并时刻准备后加速调控中长期在线分析，寻找潜在薄弱环节方式合理？系统正常推演结束，进行调度员调节控制至正常状态专家系统给出可行运行方式集合方式推演(中长期安全/DSA)方式合理？推演结束，进行调度员调节控制至系统正常小扰动消除？系统正常广域动态分析：稳定DSA及中长期在线分析，寻找薄弱断面，给出控制决策专家系统给出可行运行方式集合方式推演(中长期安全/DSA)方式合理？推演结束，进行调度员调节控制至系统正常广域动态分析：稳定DSA及中长期在线分析，寻找薄弱断面，给出控制决策专家系统给出可行运行方式集合方式推演(中长期安全/DSA)方

42、式合理？推演结束，进行调度员调节控制至系统正常推演结束，进行调度员调节控制至系统正常专家系统给出可行运行方式集合方式推演(中长期安全/DSA)方式合理？推演结束，进行调度员调节控制方式合理？推演结束，进行调度员调节控制至系统正常当前方式合理？是否否是否是是否否是否是否是是否 图 9 大电网安全分析、预警及控制工作流程 Fig.9 Flow chart of stability analysis,early-warning and control system方式推演系统提出调节措施并进行相应调节控制。7）重负荷检修方式。需要快速确定运行方式安排，主要通过沙盘推演系统完成。由专家提出可行的运行方

43、式集合，由方式推演系统对各种方式下的预设故障集进行校核，确定方式是否合理，并确定合理的调节控制措施。8）重负荷 N2 故障情况下，由广域分析及控制系统分析薄弱环节，由专家系统快速定位故障，由方式推演系统提出调节措施，由动态安全分析系统全面诊断电网潜在问题，并进行相应调节控制。9）重负荷严重故障情况下，系统面临失稳的危险。如果系统将要失去稳定，由广域分析及控制系统快速分析出系统稳定性强弱，并确定控制策略；如果系统即将失步，预测出失稳现象，并确定解列断面，与安全装置配合，解列失步断面，保证同步电网的稳定。10）系统失稳解列后，由广域分析及控制系统分析出当前系统的孤岛运行状态，分析电网运行指标是否越

44、限，专家系统结合广域分析及控制系统的分析结果，结合方式推演系统，进行快速恢复控制，对系统运行方式等进行优化调控。11）系统恢复平稳过程，与过程 1）构成闭环。3 系统测试 系统的原理研究及测试使用了基于实时仿真装置的数字电力系统，其根据电网运行方式数据及调度数据，生成与真实电力系统一致的潮流断面及电网参数，模拟电力系统在复杂扰动情况下的运行、动作、自动调控和演变过程。数字电力系统的在线软硬件系统配置与物理电力系统完全一致，能够达到与真实电力系统一致的速度，实时仿真电网运行状况，将各类数据送至调度自动化系统，然后转发至各类应用功能，同时接收分析控制系统发来的控制命令进行闭环仿真。数字电力系统结构

45、见图 10。第 36 卷 第 7 期 电 网 技 术 9 在线调度自动化系统离线调度自动化系统物理电力系统数字电力系统数据导入仿真在 线结构复制仿真实际在线应用系统离线应用系统电力系统动态安全分析、预警与决策系统电力系统安全沙盘推演系统电力系统广域保护系统电力系统动态安全分析、预警与决策系统电力系统安全沙盘推演系统电力系统广域保护系统.图 10 数字电力系统结构 Fig.10 Structure of digital power system 在调度自动化系统平台上，通过开放式通信接口，集成了 WAMS、SCADA、DSA、中长期安全评估系统、广域分析及控制系统、专家系统等，形成了一整套大电网

46、安全分析、预警及控制系统。数字电力系统以 2011 年国家电网(包括华北、华中、华东电网)为研究目标，在实时仿真装置上构建了数字电力系统，对国调部分区域电网(东北、西北、华东)进行了网络等值，保留华北、华中电网的主要厂站。仿真试验的电网结构简图见图 11。华北电网河南电网川渝电网湖北电网湖南电网江西电网华中电网西北电网东北电网华东电网 图 11 仿真试验的电网结构简图 Fig.11 Reduced map of power system for simulation 调度系统接收、处理、转发 WAMS/SCADA 系统的实时数据；对遥测点进行遥调设点操作，设定目标值并下发命令，接收命令并按目标

47、值调节出力。调度基础应用系统接收来自 SCADA 数据，校验离线模型并对其进行状态估计，将计算收敛后的断面送给应用系统使用。以研究的目标系统为例，状态估计功能实现了 CIM 模型导出功能，为应用系统提供完整的网络拓扑分析结果以及与量测元 件一一对应的映射关系，实现了华北华中川渝多个区域电网的联合状态估计，计算合格率达到 92%以上，为应用系统提供了正确的数据基础。该系统的关键技术指标请参考表 1。表 1 大电网安全分析、预警及控制系统关键技术指标 Tab.1 Key technological index for stability analysis,early-warning and con

48、trol system for huge power grids 模型母线数量 模型线路数量 模型 发电机数量 模型负荷数量 调度遥测点数量调度遥信点数量17 985 7 019 2 351 4 532 10 56112 482遥测量发送全/变化数据的周期/s遥信量发送全/变化数据的周期/sWAMS 厂站点 数量 WAMS 量测点 数量 WAMS发送周期/ms 30/3 7/1 322 12 985 40 全过程安全评估除了完成常规的静态、暂态安全评估功能外，实现了中长期过程在线安全评估，每隔 15 min 计算 1 次，内容包括负荷发电变化对系统稳定性的影响及预想故障的稳定性分析等。尤其是，

49、能够对中长期电压稳定进行在线分析，在暂态稳定得以保证后，在线分析电力系统慢动态元件(如发电机过励限制、变压器抽头自动调节、负荷的功率恢复特性等)以及电力系统慢变过程(如自动发电控制(automatic generation control，AGC)、负荷增长、运行方式调整等)对电网稳定性的影响。以川渝电网外送线路故障为例，在线系统仿真分析系统受到扰动之后更长时间尺度下(60 s)的响应过程。故障后四川电网电压过低，发电机变压器抽头动作，同时机组无功出力增大，过励保护动作。专家系统实时提供目标电网的负载水平、运行10 汤涌等：大电网安全分析、预警及控制系统的研发 Vol.36 No.7 裕度、网

50、架强度、有功备用、无功备用、运行电压、通道负载率等具有全局性特征的运行指标。在电网处于警戒及紧急状态下，对全过程安全评估系统提供的在线潮流、稳定的计算结果，进行自动处理，全面分析当前系统的运行状态以及稳定情况，并生成相应的评估报告，在线提供运行方式及控制策略集合，供沙盘推演系统推演运行方式。沙盘推演系统实现了电网运行方式及控制策略的推演功能，运行人员能够进行专家策略、运行方式设定并最终对电网状态进行控制。在定义专家方案时，可以配置包括发电机功角、母线电压相角、母线电压等重要状态量的监视信息，可以推演的稳定控制措施包括切机、切负荷、切线路等。以华中电网河南郑州变电站检修方式下 N2事故为例，部分