特高壓電網安全監控功能和技術需求分析
楊海濤1，吉平1，任遠2，劉晉雄2，王皚2，湯偉3，張琳娜2，
李昊炅2，鄭斐2，王京景3，胡曉飛3
(1.中國電力科學研究院，北京市 海淀區 100192;2.國網山西省電力公司，山西省 太原市 030001;
3.囯網安徽省電力公司，安徽省 合肥市 230022)
Analysis on Functional and Technical Requirements of
UHV Power Grid Security Supervision and Control
YANG Haitao1, JI Ping1, REN Yuan2, LIU Jinxiong2, WANG Ai2, TANG Wei3, ZHANG Linna2, LI Haojiong2, ZHENG Fei2, WANG Jingjing3, HU Xiaofei3
(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;
2. State Grid Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China;
3. State Grid Anhui Electric Power Company, Hefei 230022, Anhui Province, China)
ABSTRACT: Purpose of this study is to further consummate security theory and technology for UHV power grid supervision & control. Based on analysis of actual power system blackouts, this paper discussed formation of cascading failure conditions and blackout complexity in large-scale power systems and explained occurrence and development mechanism of typical large-scale blackout event. Some defects of power system security defense system were important reasons causing blackouts. Based on above and according to key characteristics of UHV power grid security, new function requirements of UHV power grid security defense system were discussed. Finally, a security supervision & control scheme of distributed multi-agent system is proposed to strengthen real-time monitoring for generators and key transmission lines and improve emergency adjustment ability in real-time for overall power system, so that massive power system voltage collapse risk could be fully reduced.
KEY WORDS: UHV power grid; security; supervision & control; blackout; voltage collapse
摘要：為進一步完善特高壓電網安全理論和安全監控技術，基于實際電力系統大停電事件分析，討論了形成連鎖故障的條件和大電網停電事件的復雜性，解釋了典型大規模停電事件發生和發展的機理，指出電力系統安全防御體系的缺陷是造成大規模停電的重要原因。在上述基礎上，針對特高壓大電網安全的關鍵問題，討論了對特高壓大電網安全防御體系的新的功能需求。最后建議建立分布式的多智能體安全監控系統，加強對發電機和關鍵輸電線路的實時監測和提高電力系統危急狀態實時調整能力，這樣可以充分降低電力系統發生大規模電壓崩潰的風險。
關鍵詞：特高壓電網;安全性;監控;大停電;電壓崩潰
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.12.015
0 引言
影響電力系統安全的因素除系統穩定性外，還有系統狀態演變過程綜合特性[1]。其中，電力系統穩定性的核心問題是受擾動后發電機以及電動機的電磁轉矩與其機械轉矩能否重新平衡;而系統狀態演變過程綜合特性包括電力系統電壓、電流和頻率持續狀態的安全性和連鎖反應過程、突發事件的發生率、事件過程特性、事件后果特性及應對處理，其中因電壓或頻率過高、過低引起的連鎖反應分別屬于電力系統電壓安全性和頻率安全性問題。
在特高壓電網規劃階段，主要根據故障分析選擇電網規劃方案和配置安全穩定措施來滿足系統穩定性的要求。文獻[2,3]基于故障集仿真計算分析，對特高壓電網的網架方案進行系統穩定性校核，分別對中國國家電網2020年超高壓交流目標網架方案以及特高壓“三華”同步、異步目標網架規劃方案的系統安全穩定性做了比較分析。此外，采用故障集對“三華”特高壓同步電網方案進行系統穩定校核計算分析的還有文獻[4-10]等。然而，在特高壓電網實際運行時，由于電網規模很大，涉及的影響因素較為復雜，可能出現的場景很多，實際系統狀態和可能發生的故障組合千變萬化，因此，事先難以對各種情況一一估計到。鑒于上述情況，對于特高壓特大規模電網而言，雖然電網規劃方案已經通過系統穩定性校核，安排的運行方式也
經過安全性評估，但仍需要研究如何進一步加強電網的實時安全監控，將發生大規模停電的可能性降到極小，以確保電網的安全。
本文基于對實際電力系統大停電事件的分析，討論形成連鎖故障的條件和大停電發生過程的復雜性，解釋典型大規模停電事件發生和發展的機理。在上述基礎上，針對特高壓大電網安全的關鍵問題，討論對特高壓大電網安全防御體系的新的功能需求和解決方案。
1 電力系統典型大停電過程分析
1.1 發生頻率較高的大規模停電類型
在電網形成的早期，電網結構比較薄弱，這一時期較大的停電事件通常是由功角失穩導致的。局部電壓失穩問題則主要出現在放射型結構的饋電線路末端。后來隨著電網結構和電網安全穩定計算分析能力的增強，以及合理地安排了運行方式并相應地配置了穩定措施，由短路故障直接導致大電網功角穩定破環的大停電事件已較為罕見。后來發生的許多大規模停電事件不是先由功角失穩或個別負荷節點電壓失穩引發的，它們通常會經歷一個長過程，該過程含有系統狀態逐步惡化并形成連鎖反應的階段。涉及的系統安全性問題并不局限于系統暫態穩定性、動態穩定性以及負荷節點電壓穩定性所涵蓋的內容。
由電力系統狀態逐步惡化導致大規模停電的案例很多，例如：1965年11月9日北美電網[11-12]、1967年6月5日美國PJM電網[12]、1977年7月13日紐約電網[13]、1978年12月19日法國電網[14]、1983年12月27日瑞典電網[15]、1987年1月12日法國西部電網[16-17]、1987年7年23日日本東京電網[18-19]、1996年7月2日美國西部電網[11]、1996年8月10日美國WSCC西北部電網[11,14]、2003年8月14日美國和加拿大電網[20-21]、2003年9月28日意大利電網[14]、2005年5月25日上午莫斯科電網[22]、2005年8月18日印度尼西亞電網[23]、2006年11月4日歐洲西部電網[11]以及2012年7月30和31日印度電網等發生的大規模停電事件[24]。更多的大停電案例參見文獻[45]。
1.2 典型的大規模停電過程和關鍵影響因素
由狀態逐步惡化導致的大規模停電事件可分為下述2個階段。第1階段通常由系統負荷增大、無功功率不足、電源及電網部分元件停運等原因引起系統電壓逐漸降低、電流逐漸增大，隨后部分發電機組過勵限制動作甚至發電機保護動作跳閘，從而形成惡性循環。第2階段是系統快速崩潰瓦解的階段，主要由電源和電網的連鎖故障導致系統電壓崩潰，有時伴隨著功角失穩和頻率異常。在上述兩個階段中，部分元件電流過大始終是關鍵因素。其中，電網電壓低落和電流過大，可引起距離3段保護動作跳開線路，這種情況在美國、加拿大、西歐、印度、瑞典、巴西等電網大停電事件中多次發生過。
文獻[20,21]介紹了北美8×14大停電事件的過程，在系統崩潰發生前，經歷了狀態逐步惡化的階段：因空調負荷增多導致電網負載過重，在Eastlake電廠5號機跳閘后，導致周圍地區無功電力不足和電壓低落。其后部分線路因電壓過低和電流持續過大而相繼發生故障，繼而導致發電機組因電壓過低、電流過大以及功角失穩等原因連鎖跳閘。文
獻[1]指出該停電事件分為事件弱相關連鎖過程、事件強相關連鎖過程和事件強相關崩潰3個階段，如圖1所示。其中弱相關連鎖過程中發生的故障通常歸類為相繼故障類型。
圖1 北美8×14大停電發展過程
Fig. 1 Developing process of blackout on August 14, 2003 in North America
在部分大停電事件中，電力系統無功功率不足、系統危急狀態識別不及時和監控不到位、設備自身的保護及狀態調整與系統安全控制措施的不協調等是導致電力系統由狀態惡化發展成大規模停電的重要因素。例如在1987年7月23日，日本東京電網由于空調負荷持續增大以及無功功率不足，導致電網電壓逐步下降。當部分變電站電壓降至0.74~0.78 pu時，繼電保護動作跳開線路，甩掉大量的負荷，進而導致川崎火電站的6號機以及鹿島火電站的4號和6號機因轉速升高而跳閘[18-19]，進一步擴大了停電的規模。
綜上所述，現代大規模電力系統的安全防御除了需要通過穩定仿真計算分析安排運行方式和配置穩定措施外，還需配置能夠及時防止電網因狀態逐步惡化而發生連鎖故障的實時安全監控系統。
2 電力系統大規模電壓崩潰機理分析
2.1 實際電網中負荷節點電壓驟降和逆轉現象
長期以來，電壓穩定性理論主要關注負荷節點的電壓穩定性。功角穩定性被認為基本上是發電機的穩定性問題，而電壓穩定性被認為基本上是負荷的穩定性問題，或者說電壓穩定性關注的是負荷區域及其負荷的特性[25-26]。人們曾認為電力系統大規模電壓崩潰通常是由某個負荷節點的電壓失穩引發的，因此大多數電壓穩定計算緊密關注各個負荷節點的電壓穩定裕度。然而，下述的現場實驗和實際發生的事件記錄表明負荷節點電壓崩潰可能是不完整的，其電壓下降過程會被中止和逆轉。
文獻[27]介紹了土耳其電網人工故障降壓試驗結果。該實驗的目的是觀察下接有工業(造紙廠)、居民及商業用電負荷的IZMIT變電站受擾動后的電壓變化情況。如圖2所示，在以節點IZMIT的電壓下降至0.5 pu為目標值的電網人工故障(在電網的某一位置設置人工短路)啟動后，IZMIT的電壓在約20 ms內由1.0 pu下降到0.6 pu。在此后的200 ms
時間內，由于負荷自動減小其阻抗以維持其功率消耗，導致電壓由0.6 pu降到0.4 pu。然而此后隨著部分電動機負荷自動跳開，電壓開始逐漸上升，但由于人工故障尚未消除，IZMIT的電壓只能上升到0.5 pu。這一過程持續了約450 ms后，將人工故障消除，隨后IZMIT的電壓在約100 ms內回升到1.0 pu。
該試驗結果說明，負荷節點電壓崩潰可能是不完整的，其電壓下降過程會被中止和逆轉，具有自愈特性。上述特性在圖3和圖4所示的1987年1月12日法國西部電網電壓記錄曲線[16-17,25]和1999年
3月11日巴西電網電壓記錄曲線[28]也可以觀察到。此外，文獻[26-32]還專門介紹了在實驗室或實際電力系統現場試驗中，不同類型的用電器在電壓低落到不同程度時自動跳閘的記錄。由于負荷節點電壓的上述變化過程沒有進一步推動電力系統的電壓崩潰，相反還暫時緩解了系統的危機，于是就有如下的問題：電力系統大規模電壓崩潰的過程究竟是如何發展的呢?在電力系統大規模電壓崩潰過程中是否有比負荷節點電壓失穩更為重要的關鍵影響因素?下面的分析和機理解釋可以回答上述問題。
圖2 現場人工故障擾動后負荷節點電壓變化曲線
Fig. 2 The voltage variation curve during and after the perturbance of an artificial fault
圖3 1987年1月12日法國西部電網電壓記錄曲線
Fig. 3 Recording curves of voltage of Western France power system on January 12, 1987
圖4 1999年3月11日巴西電網電壓記錄曲線
Fig. 4 Recording curves of voltage of Brazilian power system on March 11, 1999
2.2 大規模電壓崩潰的關鍵影響因素及作用機理
電力系統功角或電壓失穩的核心問題是受擾動后發電機或電動機的電磁轉矩與其機械轉矩不能重新平衡。而電力系統電壓崩潰長過程雖然有時也可能摻雜著電動機或發電機的電磁轉矩與其機械轉矩不能重新平衡的問題，但從許多大停電事件的過程看，其關鍵問題是由于系統狀態惡化后部分發電機和輸電線路因電流持續過大跳閘而導致系統形成大規模電壓崩潰。
當電力系統由于負載過重和無功功率不足而導致電壓降低，則發電機需要加大勵磁電流來維持機端電壓。如果這種情況持續下去，由于勵磁繞組過熱，發電機只好選擇限制勵磁電流，放棄對其機端電壓的維持。此時如果系統負荷進一步增大，電壓就會急劇降低，損耗也會急劇增大。于是無功電力更加不足，從而使發電機電樞和部分輸電線路的電流失控。此后發電機為了避免自身元件的損壞需要進一步減小勵磁電流甚至跳閘，于是出現連鎖故障。通過圖5所示的發電機U-I外特性曲線、運行點與系統電壓的相互影響，可以解釋電壓下降的
過程。
在圖5中，IQ表示發電機電樞電流無功分量，UH和Us分別表示發電機側和系統側電壓水平，其中UH隨著IQ以及發電機的外特性曲線變化，而Us則隨著發電機群機端電壓、電網的結構及其負載情
圖5 取決于發電機外特性和系統電壓水平的運行點軌跡
Fig. 5 Operating point track determined by generator external characteristics and system voltage levels
況變化。當某臺發電機的運行點停留在點1的位置，為了避免電樞和勵磁繞組過熱，通常通過調整AVR的參考電壓來減小發電機的電流，于是外特性曲線由A下調至B，從而運行點由1移至2。然而，如果系統中許多發電機組的勵磁電流都被減小了，那么系統電壓水平將由Usa下降至Usb，從而使圖5中的運行點由2移至3，結果發電機的電樞電流反而增大了。這種情況繼續發展下去，運行點還會經由4移至5。系統電壓就這樣逐步下降，電網的功率損耗逐步增加，并聯電容器提供的無功電力以及線路的充電功率也隨著電壓的下降逐步減少，系統無功電力不足的程度越來越嚴重，發電機電樞和輸電
線路的電流越來越大，從而導致部分發電機和線路跳閘。上述系統狀態惡化會形成惡性循環不斷發
展[33]，從而導致系統發生大規模電壓崩潰。
從負荷向電網看，其電網條件及其變化可用戴維南等值電勢US和等值阻抗ZS表示。電網受到擾動后，US和ZS可能會有大幅度的改變，相應地，V-Z、P-V曲線也會跟著變化。在實際的大停電事件中，節點的電壓下降通常是由發電機和輸電線路跳閘導致的。這種類型的節點電壓崩潰有可能以運行點仍處于P-V曲線上半支的形式崩潰。如圖6所示：a點表示正常運行點位置;b點表示因發電機、線路或變壓器的故障導致電網戴維南等值電勢降低和等值阻抗增大后運行點瞬時跌落的位置;c點表示部分負荷自動減小自身的阻抗以求維持原用電水平時運行點到達的位置;d點表示因感應電動機低壓脫網使得負荷阻抗增大后的運行點到達的位置;e點和f點表示由于發電機電流持續過大引起連鎖故障導致電網戴維南等值電勢進一步降低后運行點到達的位置。上述情況通常伴隨著電力系統大范圍電壓崩潰過程。
對系統主體安全而言，處于邊緣位置的負荷節點的電壓下降隨著部分負荷自動跳閘而具有自愈特性，而且只是零星的局部問題，就像人體的手指、腳趾上的傷口。而發電機和輸電線路電流持續過大問題卻會導致電力系統整體的電壓崩潰，正如人大腦、心臟和動脈的疾病會導致全身血壓喪失那樣。
圖6 VZ-VP曲線上的運行點軌跡
Fig. 6 Operating point track on the VZ-VP corresponding curves
3 特高壓大電網安全關鍵問題分析
由特高壓交、直流搭配形成的大電網兼顧輸電經濟性和系統運行調度靈活性，可大范圍、大規模
匯集、輸送和分配電能，可將遠方電源基地的大量電力輸送到大規模受電的受端電網。然而，由于特高壓大受端網接受外來電力的規模很大，在部分送端季節性或間歇性電源出力不足和另有部分大容量輸電通道停運問題疊加的情況下，受端電網電力的嚴重不足會增大發生大規模停電的風險。例如，枯水期通過直流輸電系統輸送到受端電網的水電電力可能會大大降低，如果某些用于輸送火電、風電的特高壓交、直流輸電線路再發生故障，可能使受端電網處于持續的危急狀態繼而引發連鎖故障。
電力系統發生大規模停電的原因有兩大類：功角失穩和因系統狀態逐步惡化而發展成電壓或頻率崩潰。在確保特高壓規劃電網的穩定方面，有關部門在電網規劃階段已在電網結構設計和安全穩定措施配置等方面做了大量的工作，在此不做進一步的討論。而在電力系統運行安全防御方面，也已經建立了預防系統失穩的在線動態安全評估、預警和運行方式決策系統。上述安全防御的主要功能包括電網關鍵斷面潮流監控，在線電壓穩定分析，暫態穩定分析與評估，低頻振蕩監視，輸電穩定極限計算，安全緊急控制、事故記錄和分析等[34-39]。然而，由于上述安全防御需要基于狀態估計和建模仿真對電網進行計算分析，每一周期總計用時需
10 min左右，因此得出的安全分析結論在時間上有較大的滯后，尤其在系統狀態急劇變化時，不能準確地反映系統當前狀態的危急程度。針對上述情況，美國、加拿大、日本、俄羅斯等國家開展了廣域控制系統(wide area control system，WACS)的研發和應用。WACS主要利用PMU的快速性和精確性在故障發生后的一瞬間做出判斷、決策并發出控制命令，以防止電網事故擴大[40]。
然而，現有的電網在線防御系統主要解決系統的穩定問題。而對系統狀態逐步惡化問題未給予足夠的關注。而本文上一節關于電力系統大規模電壓崩潰的機理分析指出：在輸電系統重載以及受端電網無功功率嚴重不足的特殊場景下，發電機勵磁電流和電樞電流持續過大等問題是導致電力系統狀態逐步惡化進而發展成大規模電壓崩潰的關鍵因素。因此，如果不建立更有效的安全監控系統，當某些危急狀態實際出現時，將難以及時做出必要的應對。
繼電保護拒動也是造成電力系統大停電的原因之一，例如1999年7月20日我國山西220 kV新店變電站內發生短路故障，但因供保護裝置用的直流電源遭受破壞致使保護拒動，事故發展過程中新店站內110 kV、220 kV開關均未掉閘[41]，導致短路故障不能及時隔離，進而引發了電網的連鎖反應，包括多臺發電機組連鎖故障停機;2005年9月26日我國海南220 kV玉州變電站因臺風暴雨的破壞導致保護裝置用的直流電源異常，進而引起保護拒動并引發了波及整個海南電網的連鎖故障大停電[42,45]。而1999年3月11日巴西圣保羅的一個變電站440 kV母線短路后，則因當時該母線未配置母差保護而延長了故障隔離時間，隨后引發了連鎖故障造成大停電[43]。鑒于上述情況，為了確保特高壓大電網的安全，高電壓等級的輸電線路和母線等重要設備須設置相互獨立的冗余保護，包括設置相互隔離的向保護裝置供電的兩套直流電源，以充分降低保護拒動的概率。
此外，在動態穩定方面，要切實做好提高特高壓大同步電網的動態安全穩定水平的工作。例如在電網結構方面，個別邊遠地區電網與主網可采用直流輸電系統連接方案，避免形成長鏈型弱聯系的交流電網網架結構。同時加強電力系統動態穩定器的配置與整定工作，從各方面提高大同步電網的動態穩定性能。
4 大電網安全監控新需求和關鍵技術分析
4.1 大電網安全監控新需求
由于影響電力系統安全的因素較為復雜，雖然基于電力系統仿真分析的在線安全評估和預警可以考慮很多可能出現的場景，但仍有一定的局限性。此外，在電網危急狀態下，由于部分測量數據存在采集時間不完全同步、測量誤差、數據通訊時延、數據集中處理過程的時延等方面的缺陷，其仿真結果不一定能準確反映系統當前的實際情況，因此不宜根據在線仿真計算分析結果直接采取切負荷之類的應急控制。
作為上述基于仿真分析的在線安全評估和預警的補充，需基于系統大停電的機理，配置必要的電網實時安全監控系統，進一步降低電網大停電的風險。當電力系統處于持續的危急狀態時，一些設備出于自我保護的需要所做的狀態調整或退出運行，會導致系統狀態逐步惡化進而出現崩潰。因此需實時鑒定上述情況的嚴重程度，必要時及時采取應急補救措施。
為了防止因電網持續的危急狀態引發大停電，文獻[44]提議對電網在線保護和監控三道防線的功能設置增加應對系統持續危急狀態的監控配套措施要求。
4.2 大電網安全監控關鍵技術
許多大停電事件表明，受端電網無功功率不足容易導致系統電壓崩潰。以往的安全分析特別關注電網無功功率不足引起負荷節點電壓降低問題，但實際上電源側的信息才能及時地準確地反映系統狀態的危急程度。所謂電網的無功功率不足狀態，正是指部分發電機出現了電樞電流無功分量過大的情況。當電網無功功率不足趨于嚴重時，最大的問題是引起部分電源的電流和電壓失控，相應地部分元件處于過度發熱狀態，如果不從系統整體及時采取調控措施，隨后便會引發電源和輸電線路的連鎖故障。針對上述情況，需要配置用于監測、分析、判斷和處理主要電源和輸電線路狀態的多智能體監控系統(multi-agent system，MAS)，及時識別和調控電網的狀態，并通過“機網協調”之類的技術改進，處理好電力設備自身保護與系統整體安全之間的矛盾。
上述的智能體是指具有人工智能分析處理功能的單元模塊或子站，該術語起源于1987年Gasser等人研制的分布式人工智能系統。該系統各個人工智能單元稱為“Agent”，可獨立進行分析判斷，并通過通訊與控制中心交換信息，具有代理控制中心分析處理局部問題和向中心系統決策提供部分依據的能力。1990年以后，多智能體系統成為分布式人工智能研究的熱點。MAS中的各個智能體具有獨立自主的特性但又具有相互之間的協調性。
上述監控系統可在已有的EMS、AGC、AVC、WAMS、WACS等系統的基礎上通過增補新的功能予以實現。具體的方案是在各個關鍵部件配置狀態監控單元智能體，各單元智能體發出的信息可作為監控中心對系統狀態進行綜合判斷和確定調整控制決策的依據。基于各個監控單元智能體的狀態報告和控制請求，系統監控中心對系統整體狀態進行分析并形成決策后將控制指令發送到各個智能體，智能體則在滿足監控對象自身安全約束的條件下執行上級的調控指令。以AVC系統為例，需要在原有監控裝置上增加可綜合監測分析發電機勵磁繞組和發電機電樞的電流、溫度狀態和可持續時間，在情況危急時能向電網監控中心發出系統級調控請求的智能模塊。
鑒于電源元件和輸電線路的狀態是決定電力系統電壓崩潰發生和發展的關鍵因素，安全監控系統應根據電力系統無功備用容量、各發電機組定子電流和勵磁電流的大小及可持續時間，主要輸電線路的電壓、電流及可持續時間等關鍵狀態變量的數值隨時判斷系統是否處于危急或極端危急狀態。可根據是否滿足規定時間持續運行要求以及是否滿足“N-1”要求判斷系統狀態的類型。例如，能夠滿足電力設備“N-1”故障下系統正常運行要求的狀態可定性為“安全狀態”;能長時間持續運行，但不能滿足“N-1”要求的狀態為“警戒狀態”;不能滿足能長時間持續運行的狀態為“危急狀態”;不能滿足規定的短時間持續運行的狀態為“極端危急狀態”等。
在危急狀態和極端危急狀態下，鑒于基于仿真計算分析的結果不能及時地準確地反映關鍵電源元件和線路電流過大和發熱問題的嚴重程度，監控主站應直接根據各個監控子站智能體上報的情況對電網進行調控。
電網控制系統中還包含快速的暫態和動態控制系統(WACS)以及交直流和多直流輸電協調控制子系統等[35]。
5 結論
1)在枯水季節以及部分輸電通道不可用從而導致其余輸電通道重載以及受端電網無功功率嚴重不足的特殊場景下，發電機勵磁電流和電樞電流持續過大等問題是可能導致大受端電網狀態逐步惡化進而發展成大規模電壓崩潰的關鍵因素。
2)導致世界上大規模停電事件發生較為頻繁的主要原因是針對系統狀態逐步惡化的安全防御體系存在缺陷。為了充分降低大規模停電的風險，電力系統安全三道防線均需加強。
3)由于特高壓電網輸電規模大，在輸電通道出故障的條件下，部分輸電線路和受端電網部分發電機組容易出現電壓過低和電流過大問題，這種情況一旦引發大規模電壓崩潰，其后果非常嚴重。因此，除了通過電網結構設計和配置穩定措施提高特高壓大電網的穩定水平外，還應建立基于電源和關鍵輸電線路狀態實時監測的分布式多智能體應急調控系統，防止因系統狀態逐步惡化而形成大規模電壓崩潰。
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