从美加东北部电网大面积停电事故中吸取教训

~~从美加东北部电网大面积停电事故中吸取教训$中国电力科学研究院!总工程师中国科学院院士@周孝信 $中国电力科学研究院!名誉院长中国工程院院士@郑健超 $国电自动化研究院!副院长中国工程院院士@沈国荣 $国电自动化研究院!总工程师中国工程院院士@薛禹胜~~  

综合防御由偶然故障演化为电力灾难——北美“8·14”大停电的警示

电业界在技术层面上思考过1996年的北美西部大停电,又在经济层面上反思过2000年的加州电力危机,却没有充分认识到在电力市场环境下电力系统发生更大停电灾难的可能性,也未能在2003年北美东部“8·14”大停电的演化长过程中予以制止。其中,在思维方式上的教训为:应该在统一的框架下,有机地结合电力体制、市场运营、监管规则、规划设计、仿真分析、信息工程、调度运行、控制技术、科技投入和人才培训等因素进行反思。用仿真重现相继停电的全过程固然必要,但更重要的问题是:①人们分别有22 min,9 min,5 min,29 min的时间来阻止第2,3,4,5个相继开断,为什么却无作为地听任其发展为系统振荡?②为什么大范围的停电竟然长达29 h?这些案例是我国电力工业界的极好教材。“8·14”大停电,既暴露了电力市场对电力系统稳定性的负面影响,又反映了互联电网相继开断的严重后果。技术方面的教训包括必须完善并协调各级信息系统,提高在线安全稳定的量化分析及控制决策能力,研究针对各种灾变的防御控制计划,协调预防控制和紧急控制,采用自适应的系统保护装置以及电力系统和电力市场的动态仿真器等。  

时空协调的大停电防御框架:（一）从孤立防线到综合防御

由3篇论文组成的系列文章为现代电力系统设计了自适应时空优化的停电防御框架.论证了防御由相继事件演化为大停电灾难而应该具备的核心功能,包括广域测量与数据挖掘、在线稳定量化分析和控制、多道防线的优化和协调.作为第1篇,剖析了大停电的演化规律,探讨现代互联电网稳定性的特点及面临的挑战;评述了稳定分析、三道防线及恢复控制技术的现状和发展方向;提出将监控和数据采集(SCADA)系统扩展为动态SCADA(DSCADA)系统,将能量管理系统(EMS)扩展为动态EMS(DEMS).  

电力系统状态估计问题的研究现状和展望

状态估计是现代ＥＭＳ的重要组成部分，文中从状态估计的准则，加权最小二乘估计器，坏数据的处理，外部网络和可观测性分析及其它问题等方面综合论述状态估计问题的研究现状，对值得研究的问题进行展望。  

暂态稳定预防控制和紧急控制的协调

研究了预防控制与紧急控制的互补性，强调在线预决策对暂态稳定控制的重要性；指出量化分析是决策优化的一个关键。指出预防控制和紧急控制的协调对电力市场下互联电网安全经济运行非常重要，并提出协调控制的数学模型，框架和逻辑－差分－微分－代数方程的稳定性分析和控制优化方法。  

电力市场稳定性及其风险管理

介绍了风险管理的基本理论，比较了确定性分析、概率分析及风险分析方法，综述了电力系统与电力市场中风险管理的研究和应用情况；从传统体制到市场环境之间义利重构的角度，探讨了电力市场稳定性和风险管理的问题；最后提出了计及风险的电力市场稳定量化分析方法。  

电力市场稳定性与电力系统稳定性的相互影响

讨论了电力市场经济稳定性问题的特点，模型，及其与电力系统物理稳定性的关系，电力生产和消费必须每时每刻平衡，其流通环节在物理和技术上都具有自然垄断性，但其生产规模的扩大却需要很长的时滞。一方面，为了充分利用稳定极限输电能力，并正确地对发电和输电投资进行引导，在输电费用必须考虑物理系统失稳的风险，从而影响到电力市场经济稳定性，另一方面，电力市场通过发电竞争以及对发电和输投资到电力系统物理稳定性，经济领域现有的动态模型和稳定性研究方法都适用于电力市场，必须重新定义状态变量，建立合理的数学模型，正确地反映利润积累，投资行为，可用发电容量和可用输电容量的动态行为，正确地反映电力市场经济动态与电力系统物理动态之间的相互影响，市场的各参与者可以在仿真系统提供的平台上，选用代数方程，微分方程，差分方程，以及知识表达式来自己定义交易结算规则或各自的博弈策略，如同虚拟作战指挥仿真系统，这些主观决策是仿真系统的输入信息，而并非由仿真算法固定，在用数值仿真得到电力市场对扰动的时间响应曲线后，就可利用轨迹保稳降维（TSPDR）理论，根据实际的高纸轨迹来提取有界稳定性信息及结构稳定性信息，例如，计算电力系统动态阻塞的风险，求取电力市场的稳定裕度，市场崩溃的临界条件，支持控制决策，研究物理－经济稳定性的交互影响，并分析电力市场的结构稳定性。  

时空协调的大停电防御框架:（二）广域信息、在线量化分析和自适应优化控制

在静态和动态信息的集成平台上，将安全分析功能从静态提升为动态，实现时空协调防御框架。为此，讨论信息的可靠性和动态数据采集点的优化布置；将实时信息和数值仿真结合，实现动态数据的深层挖掘。其核心功能是动态安全的定量评估技术，包括电流、功角、电压、频率的稳定裕度和低频振荡阻尼的评估，以及相应的灵敏度分析和稳定域估计。在此基础上，就可以按风险的概念实现在线预警、自适应优化的预防控制、继电保护、紧急控制、校正控制和恢复控制等各道防线的决策。  

基于系统同调性的PMU最优布点

从电力系统的同调性出发，优化相量测量单元(PMU)的布点，以最少数量的PMU反映系统在各种扰动下的主要动态行为。该方法利用扩展等面积准则(EEAC)稳定性理论中的主导模式概念，识别所有可能出现的暂态功角失稳模式，并据此将所有的发电机节点划分为不同的同调群。在每个群中选择一台发电机安装PMU，以捕捉关键的功角动态信息。同时，利用暂态电压稳定和暂态电压跌落可接受性的概念，识别所有可能出现暂态电压问题的相邻母线的子集。在每个子集中选择一条母线安装PMU，以捕捉关键的电压动态信息。根据该最小PMU集提供的动态信息，不但可以正确地定性判断系统的同步稳定性和电压稳定性，并可通过数据挖掘方法评估其稳定裕度。结合华东电网验证了该方法的有效性。  

时空协调的大停电防御框架(三)各道防线内部的优化和不同防线之间的协调

讨论规划建设、预防控制、继电保护、紧急控制、校正控制和恢复控制等各道防线内部的优化，以及不同防线之间在物理约束空间、控制对象空间、控制实施时间上的协调。建立一体化的非线性时变混合规划模型，即在满足各种安全稳定约束下的最小风险问题。由于同一个控制措施可能对不同的失稳模式产生相反的效果，前向摆动与反向摆动对稳定控制也有冲突的要求，不同的扰动对预防控制可能有冲突的要求，因而需要各道防线之间的协调来解决稳定控制的可行性问题。又由于不同控制防线的经济特性不同，它们之间的协调对于稳定控制的经济性也非常重要。有关的理论及工程应用研究是电力系统分析和控制领域中永恒的课题。