特高壓電網(wǎng)安全監(jiān)控功能和技術(shù)需求分析
楊海濤1，吉平1，任遠(yuǎn)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(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 海淀區(qū) 100192;2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西省 太原市 030001;
3.囯網(wǎng)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(jìn)一步完善特高壓電網(wǎng)安全理論和安全監(jiān)控技術(shù)，基于實(shí)際電力系統(tǒng)大停電事件分析，討論了形成連鎖故障的條件和大電網(wǎng)停電事件的復(fù)雜性，解釋了典型大規(guī)模停電事件發(fā)生和發(fā)展的機(jī)理，指出電力系統(tǒng)安全防御體系的缺陷是造成大規(guī)模停電的重要原因。在上述基礎(chǔ)上，針對(duì)特高壓大電網(wǎng)安全的關(guān)鍵問(wèn)題，討論了對(duì)特高壓大電網(wǎng)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(jiān)控系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)和關(guān)鍵輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和提高電力系統(tǒng)危急狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整能力，這樣可以充分降低電力系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模電壓崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵詞：特高壓電網(wǎng);安全性;監(jiān)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(tǒng)安全的因素除系統(tǒng)穩(wěn)定性外，還有系統(tǒng)狀態(tài)演變過(guò)程綜合特性[1]。其中，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心問(wèn)題是受擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)以及電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與其機(jī)械轉(zhuǎn)矩能否重新平衡;而系統(tǒng)狀態(tài)演變過(guò)程綜合特性包括電力系統(tǒng)電壓、電流和頻率持續(xù)狀態(tài)的安全性和連鎖反應(yīng)過(guò)程、突發(fā)事件的發(fā)生率、事件過(guò)程特性、事件后果特性及應(yīng)對(duì)處理，其中因電壓或頻率過(guò)高、過(guò)低引起的連鎖反應(yīng)分別屬于電力系統(tǒng)電壓安全性和頻率安全性問(wèn)題。
在特高壓電網(wǎng)規(guī)劃階段，主要根據(jù)故障分析選擇電網(wǎng)規(guī)劃方案和配置安全穩(wěn)定措施來(lái)滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。文獻(xiàn)[2,3]基于故障集仿真計(jì)算分析，對(duì)特高壓電網(wǎng)的網(wǎng)架方案進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性校核，分別對(duì)中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)2020年超高壓交流目標(biāo)網(wǎng)架方案以及特高壓“三華”同步、異步目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃方案的系統(tǒng)安全穩(wěn)定性做了比較分析。此外，采用故障集對(duì)“三華”特高壓同步電網(wǎng)方案進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定校核計(jì)算分析的還有文獻(xiàn)[4-10]等。然而，在特高壓電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)規(guī)模很大，涉及的影響因素較為復(fù)雜，可能出現(xiàn)的場(chǎng)景很多，實(shí)際系統(tǒng)狀態(tài)和可能發(fā)生的故障組合千變?nèi)f化，因此，事先難以對(duì)各種情況一一估計(jì)到。鑒于上述情況，對(duì)于特高壓特大規(guī)模電網(wǎng)而言，雖然電網(wǎng)規(guī)劃方案已經(jīng)通過(guò)系統(tǒng)穩(wěn)定性校核，安排的運(yùn)行方式也
經(jīng)過(guò)安全性評(píng)估，但仍需要研究如何進(jìn)一步加強(qiáng)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控，將發(fā)生大規(guī)模停電的可能性降到極小，以確保電網(wǎng)的安全。
本文基于對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)大停電事件的分析，討論形成連鎖故障的條件和大停電發(fā)生過(guò)程的復(fù)雜性，解釋典型大規(guī)模停電事件發(fā)生和發(fā)展的機(jī)理。在上述基礎(chǔ)上，針對(duì)特高壓大電網(wǎng)安全的關(guān)鍵問(wèn)題，討論對(duì)特高壓大電網(wǎng)安全防御體系的新的功能需求和解決方案。
1 電力系統(tǒng)典型大停電過(guò)程分析
1.1 發(fā)生頻率較高的大規(guī)模停電類型
在電網(wǎng)形成的早期，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較薄弱，這一時(shí)期較大的停電事件通常是由功角失穩(wěn)導(dǎo)致的。局部電壓失穩(wěn)問(wèn)題則主要出現(xiàn)在放射型結(jié)構(gòu)的饋電線路末端。后來(lái)隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算分析能力的增強(qiáng)，以及合理地安排了運(yùn)行方式并相應(yīng)地配置了穩(wěn)定措施，由短路故障直接導(dǎo)致大電網(wǎng)功角穩(wěn)定破環(huán)的大停電事件已較為罕見(jiàn)。后來(lái)發(fā)生的許多大規(guī)模停電事件不是先由功角失穩(wěn)或個(gè)別負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓失穩(wěn)引發(fā)的，它們通常會(huì)經(jīng)歷一個(gè)長(zhǎng)過(guò)程，該過(guò)程含有系統(tǒng)狀態(tài)逐步惡化并形成連鎖反應(yīng)的階段。涉及的系統(tǒng)安全性問(wèn)題并不局限于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性以及負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性所涵蓋的內(nèi)容。
由電力系統(tǒng)狀態(tài)逐步惡化導(dǎo)致大規(guī)模停電的案例很多，例如：1965年11月9日北美電網(wǎng)[11-12]、1967年6月5日美國(guó)PJM電網(wǎng)[12]、1977年7月13日紐約電網(wǎng)[13]、1978年12月19日法國(guó)電網(wǎng)[14]、1983年12月27日瑞典電網(wǎng)[15]、1987年1月12日法國(guó)西部電網(wǎng)[16-17]、1987年7年23日日本東京電網(wǎng)[18-19]、1996年7月2日美國(guó)西部電網(wǎng)[11]、1996年8月10日美國(guó)WSCC西北部電網(wǎng)[11,14]、2003年8月14日美國(guó)和加拿大電網(wǎng)[20-21]、2003年9月28日意大利電網(wǎng)[14]、2005年5月25日上午莫斯科電網(wǎng)[22]、2005年8月18日印度尼西亞電網(wǎng)[23]、2006年11月4日歐洲西部電網(wǎng)[11]以及2012年7月30和31日印度電網(wǎng)等發(fā)生的大規(guī)模停電事件[24]。更多的大停電案例參見(jiàn)文獻(xiàn)[45]。
1.2 典型的大規(guī)模停電過(guò)程和關(guān)鍵影響因素
由狀態(tài)逐步惡化導(dǎo)致的大規(guī)模停電事件可分為下述2個(gè)階段。第1階段通常由系統(tǒng)負(fù)荷增大、無(wú)功功率不足、電源及電網(wǎng)部分元件停運(yùn)等原因引起系統(tǒng)電壓逐漸降低、電流逐漸增大，隨后部分發(fā)電機(jī)組過(guò)勵(lì)限制動(dòng)作甚至發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作跳閘，從而形成惡性循環(huán)。第2階段是系統(tǒng)快速崩潰瓦解的階段，主要由電源和電網(wǎng)的連鎖故障導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰，有時(shí)伴隨著功角失穩(wěn)和頻率異常。在上述兩個(gè)階段中，部分元件電流過(guò)大始終是關(guān)鍵因素。其中，電網(wǎng)電壓低落和電流過(guò)大，可引起距離3段保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)線路，這種情況在美國(guó)、加拿大、西歐、印度、瑞典、巴西等電網(wǎng)大停電事件中多次發(fā)生過(guò)。
文獻(xiàn)[20,21]介紹了北美8×14大停電事件的過(guò)程，在系統(tǒng)崩潰發(fā)生前，經(jīng)歷了狀態(tài)逐步惡化的階段：因空調(diào)負(fù)荷增多導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)載過(guò)重，在Eastlake電廠5號(hào)機(jī)跳閘后，導(dǎo)致周圍地區(qū)無(wú)功電力不足和電壓低落。其后部分線路因電壓過(guò)低和電流持續(xù)過(guò)大而相繼發(fā)生故障，繼而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組因電壓過(guò)低、電流過(guò)大以及功角失穩(wěn)等原因連鎖跳閘。文
獻(xiàn)[1]指出該停電事件分為事件弱相關(guān)連鎖過(guò)程、事件強(qiáng)相關(guān)連鎖過(guò)程和事件強(qiáng)相關(guān)崩潰3個(gè)階段，如圖1所示。其中弱相關(guān)連鎖過(guò)程中發(fā)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(fā)展過(guò)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(tǒng)無(wú)功功率不足、系統(tǒng)危急狀態(tài)識(shí)別不及時(shí)和監(jiān)控不到位、設(shè)備自身的保護(hù)及狀態(tài)調(diào)整與系統(tǒng)安全控制措施的不協(xié)調(diào)等是導(dǎo)致電力系統(tǒng)由狀態(tài)惡化發(fā)展成大規(guī)模停電的重要因素。例如在1987年7月23日，日本東京電網(wǎng)由于空調(diào)負(fù)荷持續(xù)增大以及無(wú)功功率不足，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓逐步下降。當(dāng)部分變電站電壓降至0.74~0.78 pu時(shí)，繼電保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)線路，甩掉大量的負(fù)荷，進(jìn)而導(dǎo)致川崎火電站的6號(hào)機(jī)以及鹿島火電站的4號(hào)和6號(hào)機(jī)因轉(zhuǎn)速升高而跳閘[18-19]，進(jìn)一步擴(kuò)大了停電的規(guī)模。
綜上所述，現(xiàn)代大規(guī)模電力系統(tǒng)的安全防御除了需要通過(guò)穩(wěn)定仿真計(jì)算分析安排運(yùn)行方式和配置穩(wěn)定措施外，還需配置能夠及時(shí)防止電網(wǎng)因狀態(tài)逐步惡化而發(fā)生連鎖故障的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)。
2 電力系統(tǒng)大規(guī)模電壓崩潰機(jī)理分析
2.1 實(shí)際電網(wǎng)中負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓驟降和逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象
長(zhǎng)期以來(lái)，電壓穩(wěn)定性理論主要關(guān)注負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定性。功角穩(wěn)定性被認(rèn)為基本上是發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性問(wèn)題，而電壓穩(wěn)定性被認(rèn)為基本上是負(fù)荷的穩(wěn)定性問(wèn)題，或者說(shuō)電壓穩(wěn)定性關(guān)注的是負(fù)荷區(qū)域及其負(fù)荷的特性[25-26]。人們?cè)J(rèn)為電力系統(tǒng)大規(guī)模電壓崩潰通常是由某個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓失穩(wěn)引發(fā)的，因此大多數(shù)電壓穩(wěn)定計(jì)算緊密關(guān)注各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定裕度。然而，下述的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際發(fā)生的事件記錄表明負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓崩潰可能是不完整的，其電壓下降過(guò)程會(huì)被中止和逆轉(zhuǎn)。
文獻(xiàn)[27]介紹了土耳其電網(wǎng)人工故障降壓試驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)的目的是觀察下接有工業(yè)(造紙廠)、居民及商業(yè)用電負(fù)荷的IZMIT變電站受擾動(dòng)后的電壓變化情況。如圖2所示，在以節(jié)點(diǎn)IZMIT的電壓下降至0.5 pu為目標(biāo)值的電網(wǎng)人工故障(在電網(wǎng)的某一位置設(shè)置人工短路)啟動(dòng)后，IZMIT的電壓在約20 ms內(nèi)由1.0 pu下降到0.6 pu。在此后的200 ms
時(shí)間內(nèi)，由于負(fù)荷自動(dòng)減小其阻抗以維持其功率消耗，導(dǎo)致電壓由0.6 pu降到0.4 pu。然而此后隨著部分電動(dòng)機(jī)負(fù)荷自動(dòng)跳開(kāi)，電壓開(kāi)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(guò)程持續(xù)了約450 ms后，將人工故障消除，隨后IZMIT的電壓在約100 ms內(nèi)回升到1.0 pu。
該試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓崩潰可能是不完整的，其電壓下降過(guò)程會(huì)被中止和逆轉(zhuǎn)，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(guó)西部電網(wǎng)電壓記錄曲線[16-17,25]和1999年
3月11日巴西電網(wǎng)電壓記錄曲線[28]也可以觀察到。此外，文獻(xiàn)[26-32]還專門(mén)介紹了在實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶋H電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，不同類型的用電器在電壓低落到不同程度時(shí)自動(dòng)跳閘的記錄。由于負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓的上述變化過(guò)程沒(méi)有進(jìn)一步推動(dòng)電力系統(tǒng)的電壓崩潰，相反還暫時(shí)緩解了系統(tǒng)的危機(jī)，于是就有如下的問(wèn)題：電力系統(tǒng)大規(guī)模電壓崩潰的過(guò)程究竟是如何發(fā)展的呢?在電力系統(tǒng)大規(guī)模電壓崩潰過(guò)程中是否有比負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓失穩(wěn)更為重要的關(guān)鍵影響因素?下面的分析和機(jī)理解釋可以回答上述問(wèn)題。
圖2 現(xiàn)場(chǎng)人工故障擾動(dòng)后負(fù)荷節(jié)點(diǎn)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(guó)西部電網(wǎng)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(wǎng)電壓記錄曲線
Fig. 4 Recording curves of voltage of Brazilian power system on March 11, 1999
2.2 大規(guī)模電壓崩潰的關(guān)鍵影響因素及作用機(jī)理
電力系統(tǒng)功角或電壓失穩(wěn)的核心問(wèn)題是受擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與其機(jī)械轉(zhuǎn)矩不能重新平衡。而電力系統(tǒng)電壓崩潰長(zhǎng)過(guò)程雖然有時(shí)也可能摻雜著電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與其機(jī)械轉(zhuǎn)矩不能重新平衡的問(wèn)題，但從許多大停電事件的過(guò)程看，其關(guān)鍵問(wèn)題是由于系統(tǒng)狀態(tài)惡化后部分發(fā)電機(jī)和輸電線路因電流持續(xù)過(guò)大跳閘而導(dǎo)致系統(tǒng)形成大規(guī)模電壓崩潰。
當(dāng)電力系統(tǒng)由于負(fù)載過(guò)重和無(wú)功功率不足而導(dǎo)致電壓降低，則發(fā)電機(jī)需要加大勵(lì)磁電流來(lái)維持機(jī)端電壓。如果這種情況持續(xù)下去，由于勵(lì)磁繞組過(guò)熱，發(fā)電機(jī)只好選擇限制勵(lì)磁電流，放棄對(duì)其機(jī)端電壓的維持。此時(shí)如果系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)一步增大，電壓就會(huì)急劇降低，損耗也會(huì)急劇增大。于是無(wú)功電力更加不足，從而使發(fā)電機(jī)電樞和部分輸電線路的電流失控。此后發(fā)電機(jī)為了避免自身元件的損壞需要進(jìn)一步減小勵(lì)磁電流甚至跳閘，于是出現(xiàn)連鎖故障。通過(guò)圖5所示的發(fā)電機(jī)U-I外特性曲線、運(yùn)行點(diǎn)與系統(tǒng)電壓的相互影響，可以解釋電壓下降的
過(guò)程。
在圖5中，IQ表示發(fā)電機(jī)電樞電流無(wú)功分量，UH和Us分別表示發(fā)電機(jī)側(cè)和系統(tǒng)側(cè)電壓水平，其中UH隨著IQ以及發(fā)電機(jī)的外特性曲線變化，而Us則隨著發(fā)電機(jī)群機(jī)端電壓、電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及其負(fù)載情
圖5 取決于發(fā)電機(jī)外特性和系統(tǒng)電壓水平的運(yùn)行點(diǎn)軌跡
Fig. 5 Operating point track determined by generator external characteristics and system voltage levels
況變化。當(dāng)某臺(tái)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)停留在點(diǎn)1的位置，為了避免電樞和勵(lì)磁繞組過(guò)熱，通常通過(guò)調(diào)整AVR的參考電壓來(lái)減小發(fā)電機(jī)的電流，于是外特性曲線由A下調(diào)至B，從而運(yùn)行點(diǎn)由1移至2。然而，如果系統(tǒng)中許多發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁電流都被減小了，那么系統(tǒng)電壓水平將由Usa下降至Usb，從而使圖5中的運(yùn)行點(diǎn)由2移至3，結(jié)果發(fā)電機(jī)的電樞電流反而增大了。這種情況繼續(xù)發(fā)展下去，運(yùn)行點(diǎn)還會(huì)經(jīng)由4移至5。系統(tǒng)電壓就這樣逐步下降，電網(wǎng)的功率損耗逐步增加，并聯(lián)電容器提供的無(wú)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(tǒng)無(wú)功電力不足的程度越來(lái)越嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)電樞和輸電
線路的電流越來(lái)越大，從而導(dǎo)致部分發(fā)電機(jī)和線路跳閘。上述系統(tǒng)狀態(tài)惡化會(huì)形成惡性循環(huán)不斷發(fā)
展[33]，從而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模電壓崩潰。
從負(fù)荷向電網(wǎng)看，其電網(wǎng)條件及其變化可用戴維南等值電勢(shì)US和等值阻抗ZS表示。電網(wǎng)受到擾動(dòng)后，US和ZS可能會(huì)有大幅度的改變，相應(yīng)地，V-Z、P-V曲線也會(huì)跟著變化。在實(shí)際的大停電事件中，節(jié)點(diǎn)的電壓下降通常是由發(fā)電機(jī)和輸電線路跳閘導(dǎo)致的。這種類型的節(jié)點(diǎn)電壓崩潰有可能以運(yùn)行點(diǎn)仍處于P-V曲線上半支的形式崩潰。如圖6所示：a點(diǎn)表示正常運(yùn)行點(diǎn)位置;b點(diǎn)表示因發(fā)電機(jī)、線路或變壓器的故障導(dǎo)致電網(wǎng)戴維南等值電勢(shì)降低和等值阻抗增大后運(yùn)行點(diǎn)瞬時(shí)跌落的位置;c點(diǎn)表示部分負(fù)荷自動(dòng)減小自身的阻抗以求維持原用電水平時(shí)運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)的位置;d點(diǎn)表示因感應(yīng)電動(dòng)機(jī)低壓脫網(wǎng)使得負(fù)荷阻抗增大后的運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)的位置;e點(diǎn)和f點(diǎn)表示由于發(fā)電機(jī)電流持續(xù)過(guò)大引起連鎖故障導(dǎo)致電網(wǎng)戴維南等值電勢(shì)進(jìn)一步降低后運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)的位置。上述情況通常伴隨著電力系統(tǒng)大范圍電壓崩潰過(guò)程。
對(duì)系統(tǒng)主體安全而言，處于邊緣位置的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓下降隨著部分負(fù)荷自動(dòng)跳閘而具有自愈特性，而且只是零星的局部問(wèn)題，就像人體的手指、腳趾上的傷口。而發(fā)電機(jī)和輸電線路電流持續(xù)過(guò)大問(wèn)題卻會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)整體的電壓崩潰，正如人大腦、心臟和動(dòng)脈的疾病會(huì)導(dǎo)致全身血壓?jiǎn)适菢印?/p>
圖6 VZ-VP曲線上的運(yùn)行點(diǎn)軌跡
Fig. 6 Operating point track on the VZ-VP corresponding curves
3 特高壓大電網(wǎng)安全關(guān)鍵問(wèn)題分析
由特高壓交、直流搭配形成的大電網(wǎng)兼顧輸電經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度靈活性，可大范圍、大規(guī)模
匯集、輸送和分配電能，可將遠(yuǎn)方電源基地的大量電力輸送到大規(guī)模受電的受端電網(wǎng)。然而，由于特高壓大受端網(wǎng)接受外來(lái)電力的規(guī)模很大，在部分送端季節(jié)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(yùn)問(wèn)題疊加的情況下，受端電網(wǎng)電力的嚴(yán)重不足會(huì)增大發(fā)生大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)。例如，枯水期通過(guò)直流輸電系統(tǒng)輸送到受端電網(wǎng)的水電電力可能會(huì)大大降低，如果某些用于輸送火電、風(fēng)電的特高壓交、直流輸電線路再發(fā)生故障，可能使受端電網(wǎng)處于持續(xù)的危急狀態(tài)繼而引發(fā)連鎖故障。
電力系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模停電的原因有兩大類：功角失穩(wěn)和因系統(tǒng)狀態(tài)逐步惡化而發(fā)展成電壓或頻率崩潰。在確保特高壓規(guī)劃電網(wǎng)的穩(wěn)定方面，有關(guān)部門(mén)在電網(wǎng)規(guī)劃階段已在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全穩(wěn)定措施配置等方面做了大量的工作，在此不做進(jìn)一步的討論。而在電力系統(tǒng)運(yùn)行安全防御方面，也已經(jīng)建立了預(yù)防系統(tǒng)失穩(wěn)的在線動(dòng)態(tài)安全評(píng)估、預(yù)警和運(yùn)行方式?jīng)Q策系統(tǒng)。上述安全防御的主要功能包括電網(wǎng)關(guān)鍵斷面潮流監(jiān)控，在線電壓穩(wěn)定分析，暫態(tài)穩(wěn)定分析與評(píng)估，低頻振蕩監(jiān)視，輸電穩(wěn)定極限計(jì)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(tài)估計(jì)和建模仿真對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，每一周期總計(jì)用時(shí)需
10 min左右，因此得出的安全分析結(jié)論在時(shí)間上有較大的滯后，尤其在系統(tǒng)狀態(tài)急劇變化時(shí)，不能準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的危急程度。針對(duì)上述情況，美國(guó)、加拿大、日本、俄羅斯等國(guó)家開(kāi)展了廣域控制系統(tǒng)(wide area control system，WACS)的研發(fā)和應(yīng)用。WACS主要利用PMU的快速性和精確性在故障發(fā)生后的一瞬間做出判斷、決策并發(fā)出控制命令，以防止電網(wǎng)事故擴(kuò)大[40]。
然而，現(xiàn)有的電網(wǎng)在線防御系統(tǒng)主要解決系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題。而對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)逐步惡化問(wèn)題未給予足夠的關(guān)注。而本文上一節(jié)關(guān)于電力系統(tǒng)大規(guī)模電壓崩潰的機(jī)理分析指出：在輸電系統(tǒng)重載以及受端電網(wǎng)無(wú)功功率嚴(yán)重不足的特殊場(chǎng)景下，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流和電樞電流持續(xù)過(guò)大等問(wèn)題是導(dǎo)致電力系統(tǒng)狀態(tài)逐步惡化進(jìn)而發(fā)展成大規(guī)模電壓崩潰的關(guān)鍵因素。因此，如果不建立更有效的安全監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)某些危急狀態(tài)實(shí)際出現(xiàn)時(shí)，將難以及時(shí)做出必要的應(yīng)對(duì)。
繼電保護(hù)拒動(dòng)也是造成電力系統(tǒng)大停電的原因之一，例如1999年7月20日我國(guó)山西220 kV新店變電站內(nèi)發(fā)生短路故障，但因供保護(hù)裝置用的直流電源遭受破壞致使保護(hù)拒動(dòng)，事故發(fā)展過(guò)程中新店站內(nèi)110 kV、220 kV開(kāi)關(guān)均未掉閘[41]，導(dǎo)致短路故障不能及時(shí)隔離，進(jìn)而引發(fā)了電網(wǎng)的連鎖反應(yīng)，包括多臺(tái)發(fā)電機(jī)組連鎖故障停機(jī);2005年9月26日我國(guó)海南220 kV玉州變電站因臺(tái)風(fēng)暴雨的破壞導(dǎo)致保護(hù)裝置用的直流電源異常，進(jìn)而引起保護(hù)拒動(dòng)并引發(fā)了波及整個(gè)海南電網(wǎng)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(gè)變電站440 kV母線短路后，則因當(dāng)時(shí)該母線未配置母差保護(hù)而延長(zhǎng)了故障隔離時(shí)間，隨后引發(fā)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(wǎng)的安全，高電壓等級(jí)的輸電線路和母線等重要設(shè)備須設(shè)置相互獨(dú)立的冗余保護(hù)，包括設(shè)置相互隔離的向保護(hù)裝置供電的兩套直流電源，以充分降低保護(hù)拒動(dòng)的概率。
此外，在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定方面，要切實(shí)做好提高特高壓大同步電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)安全穩(wěn)定水平的工作。例如在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面，個(gè)別邊遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)可采用直流輸電系統(tǒng)連接方案，避免形成長(zhǎng)鏈型弱聯(lián)系的交流電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。同時(shí)加強(qiáng)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定器的配置與整定工作，從各方面提高大同步電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能。
4 大電網(wǎng)安全監(jiān)控新需求和關(guān)鍵技術(shù)分析
4.1 大電網(wǎng)安全監(jiān)控新需求
由于影響電力系統(tǒng)安全的因素較為復(fù)雜，雖然基于電力系統(tǒng)仿真分析的在線安全評(píng)估和預(yù)警可以考慮很多可能出現(xiàn)的場(chǎng)景，但仍有一定的局限性。此外，在電網(wǎng)危急狀態(tài)下，由于部分測(cè)量數(shù)據(jù)存在采集時(shí)間不完全同步、測(cè)量誤差、數(shù)據(jù)通訊時(shí)延、數(shù)據(jù)集中處理過(guò)程的時(shí)延等方面的缺陷，其仿真結(jié)果不一定能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)當(dāng)前的實(shí)際情況，因此不宜根據(jù)在線仿真計(jì)算分析結(jié)果直接采取切負(fù)荷之類的應(yīng)急控制。
作為上述基于仿真分析的在線安全評(píng)估和預(yù)警的補(bǔ)充，需基于系統(tǒng)大停電的機(jī)理，配置必要的電網(wǎng)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步降低電網(wǎng)大停電的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)電力系統(tǒng)處于持續(xù)的危急狀態(tài)時(shí)，一些設(shè)備出于自我保護(hù)的需要所做的狀態(tài)調(diào)整或退出運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)逐步惡化進(jìn)而出現(xiàn)崩潰。因此需實(shí)時(shí)鑒定上述情況的嚴(yán)重程度，必要時(shí)及時(shí)采取應(yīng)急補(bǔ)救措施。
為了防止因電網(wǎng)持續(xù)的危急狀態(tài)引發(fā)大停電，文獻(xiàn)[44]提議對(duì)電網(wǎng)在線保護(hù)和監(jiān)控三道防線的功能設(shè)置增加應(yīng)對(duì)系統(tǒng)持續(xù)危急狀態(tài)的監(jiān)控配套措施要求。
4.2 大電網(wǎng)安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)
許多大停電事件表明，受端電網(wǎng)無(wú)功功率不足容易導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰。以往的安全分析特別關(guān)注電網(wǎng)無(wú)功功率不足引起負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓降低問(wèn)題，但實(shí)際上電源側(cè)的信息才能及時(shí)地準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)狀態(tài)的危急程度。所謂電網(wǎng)的無(wú)功功率不足狀態(tài)，正是指部分發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了電樞電流無(wú)功分量過(guò)大的情況。當(dāng)電網(wǎng)無(wú)功功率不足趨于嚴(yán)重時(shí)，最大的問(wèn)題是引起部分電源的電流和電壓失控，相應(yīng)地部分元件處于過(guò)度發(fā)熱狀態(tài)，如果不從系統(tǒng)整體及時(shí)采取調(diào)控措施，隨后便會(huì)引發(fā)電源和輸電線路的連鎖故障。針對(duì)上述情況，需要配置用于監(jiān)測(cè)、分析、判斷和處理主要電源和輸電線路狀態(tài)的多智能體監(jiān)控系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)，及時(shí)識(shí)別和調(diào)控電網(wǎng)的狀態(tài)，并通過(guò)“機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)”之類的技術(shù)改進(jìn)，處理好電力設(shè)備自身保護(hù)與系統(tǒng)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(shù)語(yǔ)起源于1987年Gasser等人研制的分布式人工智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)各個(gè)人工智能單元稱為“Agent”，可獨(dú)立進(jìn)行分析判斷，并通過(guò)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(wèn)題和向中心系統(tǒng)決策提供部分依據(jù)的能力。1990年以后，多智能體系統(tǒng)成為分布式人工智能研究的熱點(diǎn)。MAS中的各個(gè)智能體具有獨(dú)立自主的特性但又具有相互之間的協(xié)調(diào)性。
上述監(jiān)控系統(tǒng)可在已有的EMS、AGC、AVC、WAMS、WACS等系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過(guò)增補(bǔ)新的功能予以實(shí)現(xiàn)。具體的方案是在各個(gè)關(guān)鍵部件配置狀態(tài)監(jiān)控單元智能體，各單元智能體發(fā)出的信息可作為監(jiān)控中心對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷和確定調(diào)整控制決策的依據(jù)。基于各個(gè)監(jiān)控單元智能體的狀態(tài)報(bào)告和控制請(qǐng)求，系統(tǒng)監(jiān)控中心對(duì)系統(tǒng)整體狀態(tài)進(jìn)行分析并形成決策后將控制指令發(fā)送到各個(gè)智能體，智能體則在滿足監(jiān)控對(duì)象自身安全約束的條件下執(zhí)行上級(jí)的調(diào)控指令。以AVC系統(tǒng)為例，需要在原有監(jiān)控裝置上增加可綜合監(jiān)測(cè)分析發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組和發(fā)電機(jī)電樞的電流、溫度狀態(tài)和可持續(xù)時(shí)間，在情況危急時(shí)能向電網(wǎng)監(jiān)控中心發(fā)出系統(tǒng)級(jí)調(diào)控請(qǐng)求的智能模塊。
鑒于電源元件和輸電線路的狀態(tài)是決定電力系統(tǒng)電壓崩潰發(fā)生和發(fā)展的關(guān)鍵因素，安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)無(wú)功備用容量、各發(fā)電機(jī)組定子電流和勵(lì)磁電流的大小及可持續(xù)時(shí)間，主要輸電線路的電壓、電流及可持續(xù)時(shí)間等關(guān)鍵狀態(tài)變量的數(shù)值隨時(shí)判斷系統(tǒng)是否處于危急或極端危急狀態(tài)。可根據(jù)是否滿足規(guī)定時(shí)間持續(xù)運(yùn)行要求以及是否滿足“N-1”要求判斷系統(tǒng)狀態(tài)的類型。例如，能夠滿足電力設(shè)備“N-1”故障下系統(tǒng)正常運(yùn)行要求的狀態(tài)可定性為“安全狀態(tài)”;能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，但不能滿足“N-1”要求的狀態(tài)為“警戒狀態(tài)”;不能滿足能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)為“危急狀態(tài)”;不能滿足規(guī)定的短時(shí)間持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)為“極端危急狀態(tài)”等。
在危急狀態(tài)和極端危急狀態(tài)下，鑒于基于仿真計(jì)算分析的結(jié)果不能及時(shí)地準(zhǔn)確地反映關(guān)鍵電源元件和線路電流過(guò)大和發(fā)熱問(wèn)題的嚴(yán)重程度，監(jiān)控主站應(yīng)直接根據(jù)各個(gè)監(jiān)控子站智能體上報(bào)的情況對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)控。
電網(wǎng)控制系統(tǒng)中還包含快速的暫態(tài)和動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)(WACS)以及交直流和多直流輸電協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)等[35]。
5 結(jié)論
1)在枯水季節(jié)以及部分輸電通道不可用從而導(dǎo)致其余輸電通道重載以及受端電網(wǎng)無(wú)功功率嚴(yán)重不足的特殊場(chǎng)景下，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流和電樞電流持續(xù)過(guò)大等問(wèn)題是可能導(dǎo)致大受端電網(wǎng)狀態(tài)逐步惡化進(jìn)而發(fā)展成大規(guī)模電壓崩潰的關(guān)鍵因素。
2)導(dǎo)致世界上大規(guī)模停電事件發(fā)生較為頻繁的主要原因是針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)逐步惡化的安全防御體系存在缺陷。為了充分降低大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)，電力系統(tǒng)安全三道防線均需加強(qiáng)。
3)由于特高壓電網(wǎng)輸電規(guī)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(wǎng)部分發(fā)電機(jī)組容易出現(xiàn)電壓過(guò)低和電流過(guò)大問(wèn)題，這種情況一旦引發(fā)大規(guī)模電壓崩潰，其后果非常嚴(yán)重。因此，除了通過(guò)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配置穩(wěn)定措施提高特高壓大電網(wǎng)的穩(wěn)定水平外，還應(yīng)建立基于電源和關(guān)鍵輸電線路狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的分布式多智能體應(yīng)急調(diào)控系統(tǒng)，防止因系統(tǒng)狀態(tài)逐步惡化而形成大規(guī)模電壓崩潰。
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