1、 电力系统广域安全防御体系电力系统广域安全防御体系 基础理论及关键技术研究基础理论及关键技术研究 清华大学电机系 孙元章2004年年9月月 世界最发达国家的世界最发达国家的 最发达地区、世界最发达地区、世界最密集的电网，发生了历最密集的电网，发生了历史上最大规模的停电。史上最大规模的停电。20032003年，电力系统两大事件：年，电力系统两大事件：大停电大停电与与大范围缺电大范围缺电 世界最大的发展中世界最大的发展中 国家，在经济高速国家，在经济高速发展中，发生了大范围电力发展中，发生了大范围电力短缺，有短缺，有22个省市缺电。个省市缺电。胡锦涛胡锦涛8月月16日批示：日批示：“有备才能无患，
2、应吸取美加停电有备才能无患，应吸取美加停电事件的教训，事件的教训，认真研究电力系统安认真研究电力系统安全问题，全问题，完善应急处理机制，确保完善应急处理机制，确保电力生产和输配的安全电力生产和输配的安全”。一、国家能源发展与安全战略的迫切需求一、国家能源发展与安全战略的迫切需求严重缺电导致系统运行在临界稳定严重缺电导致系统运行在临界稳定边界，使系统安全面临更严峻考验边界，使系统安全面临更严峻考验时间事故名称 损失情况 2003.8.14 美国东北部大停电 整个系统损失61,800 MW负荷，停电范围超过二万四千平方公里，受影响区域的人口达 5000万。单纽约地区停电29小时，直接损失300亿美
3、元。1977.7.13 纽约大停电事故 停电时间达25h，停电引起贫民区纵火与抢劫，华尔街计算机停电，损失价值超过百万人小时。1965.11.9 美国东北部大停电 最长停电时间达13h，影响居民3000万人，直接经济损失达1亿美元。纽约三次大停电事故重复性国家 发生时间 事故名称 事故描述 美国 1996年8月10日美国西部网大停电系统解列成四个孤岛，事故影响9个州750万用户美国 1996年7月2日美国西部网大停电系统解列成五个孤岛，事故影响14个州200万用户美国 1994年12月14日美国西部网大停电系统解列成东西南北四个大岛，事故影响到14个州200万人的用电意大利 2003年9月28
4、日意大利大停电事故6,400MW的功率缺额，最后导致频率崩溃。意大利 1994年8月24日意大利大停电事故解列后由于低电压使低频减载不能全部动作。马来西亚 2003年9月1日马来西亚大停电事故马来西亚北方5个州（Perlis,Perak,Kelantan,Kedah，Penang），发生大停电事故，停电持续约4个小时。马来西亚 1996年8月3日马来西亚大停电事故北部为受电系统，由于机组纷纷解列，有功缺额高达2143MW，而低频减载容量仅为1580MW，16秒后系统崩溃。国外近期发生的其他停电事故频发性国家电力工业的发展的紧迫性国家电力工业的发展的紧迫性n2121世纪国家能源工业建设的基本战略
5、方针：世纪国家能源工业建设的基本战略方针：大力开发西部水、火电资源，实施西电东送，2020年西电东送容量将达到1.2亿千瓦n电力工业未来发展的总目标：电力工业未来发展的总目标：西电东送、南北互供、全国联网、电力市场n电网安全性运行的总目标：电网安全性运行的总目标：在完成电力工业发展总目标的前提下，确保 电力供应的安全性，防止8.14美加大停电事 故在中国重演。05010015020025030040601503004506007509001050中国区域电网现状中国区域电网现状西北西北华北华北东北东北山东山东川渝川渝华中华中华东华东南方南方福建福建海海南南西藏西藏ACBack to back
6、or DCBack to backACACDC3DCACDCACBack to backDCBack to back sea cable超大型同步电网中国大区电网互联基本框架中国大区电网互联基本框架新疆新疆变电站变电站变电站变电站大容量西电东送所面临的重大问题大容量西电东送所面临的重大问题 n2020年西电东送容量1.2亿瓩：n按交流500千伏送电,需120回交流输电线路n按 500千伏直流送电,需40回直流输电线路n西电东送将形成世界上最大的交直流混合输电系统n西电东送所面临的重大问题：n采用何种方式完成大容量西电东送n落点电网的安全性大城市供电中心的电压稳定性n全国互联交直流混合输电系统的
7、安全性和稳定性 超大型同步电网超大型同步电网地跨地跨1414个省、个省、市、自治区，市、自治区，装机容量超过装机容量超过1.41.4亿千瓦，南亿千瓦，南北距离超过北距离超过46004600公里公里华北华北东北东北川渝川渝华中华中ACACAC四大区电网互联所产生的安全性问题四大区电网互联所产生的安全性问题2、联络线大功率振荡问题1 1、0.13HZ0.13HZ超低频振荡问题华北华北东北东北川渝川渝华中华中ACACAC四大区电网互联所产生的安全性问题四大区电网互联所产生的安全性问题4、暂态不平衡功率跨区域传播3、多数500千伏线路稳定极限下降二滩电厂机组摇摆动态系统动态系统(,)ttXf X SP
8、U慢动态元件：锅炉、汽轮机慢动态元件：锅炉、汽轮机快动态元件：发电机、电动机群快动态元件：发电机、电动机群特快动态元件：大功率电力电子装置特快动态元件：大功率电力电子装置 具有多时间尺度的参数不确定性的高维非具有多时间尺度的参数不确定性的高维非线性微分方程组线性微分方程组静态系统静态系统0(,)tX S PU大区电力网络功率潮流分布大区电力网络功率潮流分布具有结构不确定性的大规模非线性代数方具有结构不确定性的大规模非线性代数方程组程组具有结构、参数和动态不确定性的非线性动态系统具有结构、参数和动态不确定性的非线性动态系统n电网的传输容量逐步逼近极限容量n电网堵塞现象日趋严重n负荷和网络潮流的不
9、可预知性增加n大区电网运行相对保密，相关电网信息和数据不足n厂网分开后的调度权受到限制，以安全性为唯一目标的调度方法转向以安全性和经济性为综合目标的调度方法n市场机制不合理可能降低系统的安全性 电力市场化给电力系统安全性带来的问题电力市场化给电力系统安全性带来的问题n西电东送、全国联网、电力市场化对电力系统西电东送、全国联网、电力市场化对电力系统的安全稳定运行和基础研究提出了新的挑战的安全稳定运行和基础研究提出了新的挑战n世界上大电力系统相继发生的大面积停电事故世界上大电力系统相继发生的大面积停电事故已暴露出电力系统安全防御问题的严重隐患已暴露出电力系统安全防御问题的严重隐患n大电网的大面积停
10、电不仅造成巨大经济损失，大电网的大面积停电不仅造成巨大经济损失，同时造成严重的社会混乱同时造成严重的社会混乱n电力系统的安全性已纳入国家的安全防御体系电力系统的安全性已纳入国家的安全防御体系二、电力安全防御系统的基本框架二、电力安全防御系统的基本框架预测未来预测未来实测状态实测状态电力系统电力系统设计对策设计对策实施控制实施控制相角测量装置相角测量装置广域信息系统广域信息系统基于准确基于准确数学模型数学模型模型的多模型的多时间尺度时间尺度仿真理论仿真理论和算法和算法结构、参数结构、参数和动态不确和动态不确定性非线性定性非线性系统的保护系统的保护与控制与控制解决广域解决广域保护、控保护、控制和高
11、速制和高速信息系统信息系统的关键技的关键技术术电力系统广域安全防御系统的基本框架电力系统广域安全防御系统的基本框架理想模型理想模型和参数和参数广域功角广域功角测量系统测量系统能量管理能量管理系统系统精确模型和参数精确模型和参数静态安全评估静态安全评估系统系统 SSASSA动态安全评估动态安全评估系统系统 DSADSA暂态安全评估暂态安全评估系统系统 TSATSA紧急安全评估紧急安全评估系统系统 ESAESA调度自动化与调度自动化与校正控制校正控制动态稳定性动态稳定性控制控制保护与暂态稳保护与暂态稳定控制定控制系统解裂与恢系统解裂与恢复控制复控制电电 力力 市市 场场 化化 运运 行行 机机 制
12、制VVV控制中心控制中心同步卫星GPSGPSGPS微波微波5-10s5-10s光纤光纤50-100ms50-100ms技术发展趋势：技术发展趋势：n电力系统的精确建模和超大规模电力系统电力系统的精确建模和超大规模电力系统的仿真理论的仿真理论n超大规模电力系统动态行为分析与特征研超大规模电力系统动态行为分析与特征研究究n大电网广域安全防御系统的保护与控制方大电网广域安全防御系统的保护与控制方法研究法研究n电力系统广域安全防御的信息支持系统电力系统广域安全防御的信息支持系统 n保证电力系统安全性的电力市场机制研究保证电力系统安全性的电力市场机制研究三、广域安全防御系统涉及的重大科学问题三、广域安全
13、防御系统涉及的重大科学问题涉及的重大科学问题涉及的重大科学问题1精确建模和参数精确建模和参数断面名称断面名称模型一模型一模型二模型二模型三模型三模型四模型四黑龙江东部送出断面黑龙江东部送出断面（MW）615120012051210黑吉断面（伊敏开两台机黑吉断面（伊敏开两台机出力出力900MW900MW）（MW）843123614761387吉辽断面吉辽断面（MW）1500196819851750模型一：模型一：50%50%恒定阻抗恒定阻抗+50%+50%电动机电动机 模型四：模型四：IEEE-6IEEE-6型马达参数型马达参数模型二：模型二：40%40%恒定阻抗恒定阻抗+60%+60%恒定功率
14、静态负荷模型恒定功率静态负荷模型模型三：模型三：电动机参数中定子电抗由电动机参数中定子电抗由0.2950.295改为改为0.120.121 1、不同的模型和参数对东北和华北电网互联的影响、不同的模型和参数对东北和华北电网互联的影响涉及的重大科学问题涉及的重大科学问题1精确建模和参数精确建模和参数2 2、理想模型和参数对美国西部电网分析的影响、理想模型和参数对美国西部电网分析的影响依据现有的参数和模型的仿真结果与实际电依据现有的参数和模型的仿真结果与实际电力系统的物理过程相差甚远，严重影响了电力系统的物理过程相差甚远，严重影响了电力系统安全性分析的准确性和可靠性力系统安全性分析的准确性和可靠性涉
15、及的重大科学问题涉及的重大科学问题1协同仿真理论与方法协同仿真理论与方法1、电力市场化运行后，大区电网运行数据相对保密，当全国多个大区电网互联后，同步获得所有参与互联的系统仿真相关数据并加以集中仿真将存在巨大的困难，因此，在追求计算速度的同时更重要的还在于追求各大区电网间大区电网间数据交换量的最小化研究，实现大规模电网安全性分析的协同仿真分析与计算。涉及的重大科学问题涉及的重大科学问题1协同仿真理论与方法协同仿真理论与方法研究的重点问题：研究的重点问题：大区电网间最小化数据交换量大区联网潮流计算和收敛性大区联网静稳定计算方法大区联网动态稳定计算方法大区联网暂态稳定计算方法大区联网振荡中心求解及
16、解裂涉及的重大科学问题涉及的重大科学问题2动态行为和特征动态行为和特征1 1、超低频振荡问题：、超低频振荡问题：四大区电网互联后，互联系统产生了0.13Hz的超低频振荡，这种超低频振荡严重危机电力系统安全性。全国电网互联后，是否会产生更低频率的振荡 如何拟制电力系统中的超低频振荡，已成为电力系统中迫切需要解决的问题。2 2、联络线功率振荡问题、联络线功率振荡问题 四大区电网互联后，华北与华中电网之间的联络线产生了100MW的功率振荡，严重威胁着互联系统的稳定性涉及的重大科学问题涉及的重大科学问题2动态行为和特征动态行为和特征3 3、暂态不平衡功率跨区域传播：、暂态不平衡功率跨区域传播：联网后导
17、致互联双方电网内部稳定水平下降，电网中任何一点故障将波及整个系统的潮流、频率和电压的变化。极易诱发多重“相继”故障，导致大面积停电事故。4 4、重负荷受端系统（如、重负荷受端系统（如京沪穗京沪穗 ）的电压）的电压稳定：稳定：受电比重大、直流多落点、负荷密度大、无功电源的断续性调节，重负荷受端系统在故障扰动下，暂态电压稳定问题突出，发生电压崩溃的风险大。涉及的重大科学问题涉及的重大科学问题3连锁故障的动态行为连锁故障的动态行为电电力力系系统统连连锁锁故故障障的的演演变变过过程程nssss,.,210电网结构发生的变化。nxxxx,.,210系统状态发生的变化。nffff,.,210系统结构发生的
18、变化。涉及的重大科学问题涉及的重大科学问题3连锁故障的保护与控制连锁故障的保护与控制现有的保护与控制都是按正常运行条件设计的，随着连锁故障的发展与演变，电网结构、系统状态和系统结构都发生变化，按正常条件设计的保护与控制不能满足连锁故障情况下保护与控制的要求?连连锁锁故故障障的的演演化化过过程程涉及的重大科学问题涉及的重大科学问题4广域动态信息支持系统广域动态信息支持系统 为达到电力系统广域安全防御的要求，需要建立电力系统广域功角动态测量系统（WAMS），将电力系统的在线安全性监视上升为电力系统的实时安全性分析与控制。发电机动态同步相量测量（DPMU）的理论、方法和实现 电网实时运行信息的异地同
19、步精确采集和快速可靠传输 海量电力信息的数据仓库和数据挖掘 与已有能量管理系统的数据融合涉及的重大科学问题涉及的重大科学问题5 电力市场化机制对电力系统安全性的影响电力市场化机制对电力系统安全性的影响 从世界各国的电力市场化进展和相继出现的大停电事故，必须研究电力市场化运行机制与电力系统安全性防御的相互影响机理 哪种电力市场机制有利于电网安全性水平的提高 考虑电网安全性水平的电力市场交易机制的宏观经济模式、效益和风险分析模型 电力市场环境下电网安全风险分析理论国内外研究背景国内外研究背景精确建模和参数精确建模和参数电电力力系系统统建建模模与与参参数数各动态元件的动态特性与理论模型各动态元件的动
20、态特性与理论模型发电机、励磁、调速系统参数辨识发电机、励磁、调速系统参数辨识各种负荷的动态特性和参数辨识各种负荷的动态特性和参数辨识各种元件在极端运行环境下的动态各种元件在极端运行环境下的动态特性和参数辨识特性和参数辨识国内外研究背景国内外研究背景电力系统仿真电力系统仿真电电力力系系统统仿仿真真电力系统电磁暂态仿真（电力系统电磁暂态仿真（EMTPEMTP、EMTDCEMTDC）电力系统机电暂态仿真（电力系统机电暂态仿真（BPABPA、PSASPPSASP）电力系统电压稳定性仿真（电力系统电压稳定性仿真（VSATVSAT）电力系统中、长期动态仿真（电力系统中、长期动态仿真（EUROSTAGEUR
21、OSTAG）超大规模电力系统并行计算超大规模电力系统并行计算电力系统动态全过程仿真电力系统动态全过程仿真多大区电力系统协同仿真多大区电力系统协同仿真国内外研究背景国内外研究背景动态行为分析与控制动态行为分析与控制电电力力系系统统动动态态行行为为分分析析与与控控制制低频振荡分析与拟制低频振荡分析与拟制超低频振荡分析与拟超低频振荡分析与拟制制联络线的功率振荡分析与拟制联络线的功率振荡分析与拟制连锁故障的机理分析与预防控制连锁故障的机理分析与预防控制适应于电力系统连锁故障发生适应于电力系统连锁故障发生与演化的自适应保护与控制与演化的自适应保护与控制国内外研究背景国内外研究背景广域动态功角测量系统广域
22、动态功角测量系统广广域域动动态态功功角角测测量量系系统统1988：Virginia Tech 首个PMU原型装置美国所有的电网都安装了数量不等的PMU法国电力公司防止系统失步的WAMS系统中国江苏电网和三峡电厂WAMS系统世界各国都将WAMS系统纳入电网安全防御国内外研究背景国内外研究背景基于基于WAMS的应用研究的应用研究W WA AM MS S的的应应用用研研究究基于PMU的故障纪录、分析和重演基于PMU的状态估计和在线潮流计算基于PMU的安全稳定控制设计方法实现对电力系统模型和参数的辨识安全防御的系统性理论和方法主要研究方向主要研究方向1 1、电力系统安全分析的精确建模、仿真理论和方法、
23、电力系统安全分析的精确建模、仿真理论和方法（1）电力系统多时标尺度精确建模理论和综合仿真理论与方法研究（2）电力负荷建模新理论与新方法（3）电力系统新元件、新装置建模理论研究（4）非正常及临界状态下的建模理论（5）仿真模型参数有效性和不确定性分析理论与评估方法（6）超大规模电力系统分布式协同仿真理论与方法主要研究方向主要研究方向（1）大规模交直流混合系统超低频振荡的诱发机理和拟制措施（2）区域电网联络线功率随机波动的诱发机理和影响因素研究（3）大规模互联电网中“暂态不平衡功率跨区域传播”的机理及控制对策研究（4）大经济中心城市电网电压稳定性分析与控制对策（5）新型电力装置对电力系统动态特性的影
24、响研究2 2、超大规模电力系统及新型电力装置的动态行为分、超大规模电力系统及新型电力装置的动态行为分析和协调控制的研究析和协调控制的研究主要研究方向主要研究方向（1）基于WAMS的自适应网络保护原理与设计（2）基于WAMS的稳定性预测和安全性控制理论与方法（3）连锁故障引起的大停电的机理与预防措施（4）大停电后的电力系统快速恢复的黑启动理论与方法3、电力系统广域安全防御控制系统、电力系统广域安全防御控制系统主要研究方向主要研究方向（1）信息理论在广域电力系统中的应用研究（2）互联电力系统运行信息的分层分解协调模型和结构设计（3）电力系统广域信息的同步获取与综合利用（4）广域电力信息系统的数据仓
25、库模型和数据挖掘理论与技术（5）基于信息理论的广域电力系统健康诊断理论与技术4、电力系统广域安全防御信息系统、电力系统广域安全防御信息系统主要研究方向主要研究方向（1）电力市场化对电力系统安全性影响的机理分析（2）市场环境下的电力安全性风险评估和风险承担（3）不均衡动态电力系统电力市场性能评估和中、长期安全裕度分析研究（4）引导电网安全的价格理论研究5、电力市场环境下电网安全风险理论与防御体系、电力市场环境下电网安全风险理论与防御体系预期的目标预期的目标n建立一套完整的电力系统模型和参数的在线测试理论、方法和平台，完成超大规模电力系统的动态全过程分析的协同仿真计算理论和软件，使超大规模电力系统
26、的仿真结果与实际全国互联电力系统的物理过程相一致。n揭示超低频振荡、联络线功率振荡、暂态不平衡功率跨区域传播、以及大城市供电中心的暂态电压失稳的物理本质，提出抑制各种振荡的有效措施，以及各种措施之间的协调作用，为全国互联电网的安全防御提出整体的解决方案。预期的目标预期的目标n研制出具有智能化信息量测和信息处理能力的动态相量测量装置（PMU）和广域测量系统（WAMS），同步动态相量测量数据与EMS/SCADA系统共同完成电力系统的SSA、DSA、TSA和ESA等安全评估体系。n建立基于广域同步信息的网络保护与紧急控制一体化的新理论与新技术，协调电力系统元件保护与控制、区域稳定控制系统、紧急控制系
27、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。n分析电力市场模式、市场结构、交易模式、价格机制对电网安全性产生的影响，建立电力市场环境下科学、合理、高效的电网安全评价指标，完成电网安全标准的成本模型、市场价值评估模型和相应的计算方法，建立电网安全与经济均衡态的电价决策模型和求解方法。近期（近期（5-105-10年）取得突破性进展的可能性年）取得突破性进展的可能性 n电力系统元件的在线精确建模理论和方法n超大规模电网动态全过程协同仿真的理论、算法和实现n超大规模电力系统特殊动态行为的机理分析和防治措施n建立广域动态功角测量系统（WAMS），提出基于WAMS的动态安全和暂态安全评估理论、连锁故障情况下的保护与预防控制n初步建立超大规模电力系统的安全防御体系 谢谢！
