系統(tǒng)視角下的電網(wǎng)安全

颶風(fēng)“桑迪”襲擊美國時，造成兩座核電站停止工作，約310萬用戶停電。11月4日北京延慶的雪災(zāi)中，有15條高壓供電線路出現(xiàn)故障。

全球每年都會發(fā)生因颶風(fēng)、地震、暴雪等嚴(yán)重自然災(zāi)害造成的電網(wǎng)安全事件。此外，設(shè)備故障率、遠(yuǎn)距離輸電、風(fēng)電接入及互聯(lián)電網(wǎng)的振蕩等因素都會影響電網(wǎng)安全。如何采取科學(xué)、有效的措施減輕災(zāi)害對電力系統(tǒng)的影響已成為國家重大戰(zhàn)略需求。

電網(wǎng)安全急需新技術(shù)

“自然災(zāi)害影響電網(wǎng)安全運行的重大事件每年都會發(fā)生，比如發(fā)生在我國汶川的地震，去年日本的地震和海嘯，這次襲擊美國的颶風(fēng)‘桑迪’等，都帶來嚴(yán)重電網(wǎng)安全事故?！蔽錆h大學(xué)電氣工程學(xué)院院長、清華大學(xué)教授孫元章說。

2003年8月14日，美國和加拿大東部地區(qū)出現(xiàn)北美歷史上范圍最大的停電，美國8個州以及加拿大安大略省的電力中斷后，美國關(guān)閉了9座核電站。與此同時，我國在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中，也發(fā)生了大范圍電力短缺，有22個省市嚴(yán)重缺電。

2003年8月16日，國家主席胡錦濤作出批示：“有備才能無患，應(yīng)吸取美、加停電事件的教訓(xùn)，認(rèn)真研究電力系統(tǒng)安全問題，完善應(yīng)急處理機制，確保電力生產(chǎn)和輸配安全?！?/p>

但我國電網(wǎng)的互聯(lián)使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、分布地域更廣、元件更多。對這種具有動、靜態(tài)不確定性的非線性超大規(guī)模電力系統(tǒng)的分析和安全預(yù)警難度更大。我國長期沿用的基于局部信息的電力系統(tǒng)控制和靜態(tài)安全防御系統(tǒng)難以滿足安全要求。

為提高電力系統(tǒng)安全性的預(yù)防控制功能，急需研究大型電力系統(tǒng)動態(tài)安全評估的新理論與新方法。

“廣域安全防御系統(tǒng)為電網(wǎng)安全提供了可能的技術(shù)平臺，其特點是借助計算機、網(wǎng)絡(luò)、通訊、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等技術(shù)，在數(shù)據(jù)獲取、傳輸、處理方面的優(yōu)勢來發(fā)展電力系統(tǒng)新的在線實時監(jiān)測與分析方法。其中，關(guān)鍵信息的獲取以及基于這些關(guān)鍵信息的在線動態(tài)安全分析對決策至關(guān)重要?！睂O元章說。

美、加大停電事故源于調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)工作異常，致使呈現(xiàn)“數(shù)據(jù)很多，信息不夠”，繼而發(fā)生連鎖故障，最終釀成大停電。

孫元章認(rèn)為，要達(dá)到電力系統(tǒng)廣域安全防御的目的，不僅要構(gòu)筑高度信息化和自動化的信息支持系統(tǒng)，更重要的是利用廣域測量技術(shù)實現(xiàn)超大規(guī)模電力系統(tǒng)在線動態(tài)安全性分析和控制。而且，這也成為各國電力系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。

瞄準(zhǔn)重大戰(zhàn)略需求

為解決國家電力發(fā)展中的重大戰(zhàn)略需求問題，在孫元章完成青年科學(xué)基金、杰出青年基金和科學(xué)基金面上項目的基礎(chǔ)上，基金委資助了孫元章團(tuán)隊提出的“電力系統(tǒng)廣域安全防御體系基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究”項目申請。

“要完全避免重大災(zāi)害的影響極其困難，但從電網(wǎng)安全的角度看，建設(shè)好的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電源結(jié)構(gòu)，加強預(yù)防預(yù)案的措施，可以把這類特種自然災(zāi)害對電網(wǎng)安全運行的影響降至最低程度?！睂O元章說。

在科學(xué)基金資助下，孫元章團(tuán)隊建立了完整的電力系統(tǒng)非線性控制理論體系。該理論在電力系統(tǒng)小干擾和大干擾穩(wěn)定控制的統(tǒng)一性， 控制電網(wǎng)靈敏度等4 個長期懸而未決的問題上取得突破，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字式非線性最優(yōu)勵磁控制器。

孫元章團(tuán)隊在實驗室里建成了一個微電網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對電量和非電量作出測量，并將數(shù)據(jù)直接連上互聯(lián)網(wǎng)。他們將模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)辨識和數(shù)字仿真、動態(tài)相量測量技術(shù)相結(jié)合，探索出超大規(guī)模電力系統(tǒng)動態(tài)安全分析的系統(tǒng)化建模和多時標(biāo)尺度的綜合仿真理論方法，創(chuàng)建了電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的在線動態(tài)預(yù)警理論，提出了基于廣域信息的預(yù)警、保護(hù)和控制理論與方法，為我國超大規(guī)模電力系統(tǒng)在線動態(tài)安全防御體系提供了基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)。

在中電聯(lián)和水力發(fā)電學(xué)會自動化專委會的幫助下，該團(tuán)隊與水科院自動化所、華中電力集團(tuán)公司、東北電力集團(tuán)公司、內(nèi)蒙電力公司、廣東電力集團(tuán)公司、葛洲壩能達(dá)公司等單位合作，經(jīng)過十多年努力，研制出GEC-Ⅰ型全數(shù)字式非線性最優(yōu)勵磁調(diào)節(jié)裝置。該裝置投入豐滿水電廠、海勃灣電廠、沙角電廠、焦作電廠、沙嶺子電廠、廣東連州、韶關(guān)、大同一電廠以及浙江鎮(zhèn)海電廠等百余臺機組使用，提高了電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，產(chǎn)生了重大經(jīng)濟(jì)和社會效益。

該團(tuán)隊首次在實際互聯(lián)電網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行了基于廣域信息的閉環(huán)連續(xù)控制，分別從云南、貴州、廣東6個子站實時測量振蕩信號，傳送到位于廣州的控制主站，產(chǎn)生的控制命令再下發(fā)給位于貴州高肇、興安的直流整流站，通過對直流功率的快速調(diào)整實現(xiàn)區(qū)間振蕩的有效抑制。通過天廣直流單極700MW閉鎖擾動試驗、電網(wǎng)調(diào)度部門計算等結(jié)果表明，該系統(tǒng)相當(dāng)于新增一條1000km的500kV線路，為國家節(jié)省上億元投資。

孫元章等提出空間、時間、目標(biāo)三維協(xié)調(diào)的新一代電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)新概念和系統(tǒng)集成方法，實現(xiàn)了電網(wǎng)在線全局、實時閉環(huán)、綜合預(yù)警和優(yōu)化控制，其關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)18個省級以上電網(wǎng)推廣，部分關(guān)鍵技術(shù)被美國最大的PJM電網(wǎng)采用。

將危害降至最低

影響電網(wǎng)安全的因素有多種，為提高設(shè)備的運行安全性，目前孫元章團(tuán)隊正在開展電網(wǎng)狀態(tài)檢修的研究工作，該研究有望降低設(shè)備的故障率。

“從我個人的研究中，主要研究電網(wǎng)的合理結(jié)構(gòu)，如建立500kV及以上電壓等級的堅強輸電網(wǎng)、建立110kV至220kV具有合理結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)，建立具有各種小型安全高效電源的微電網(wǎng)，能有效抵御特種自然災(zāi)害的攻擊?！睂O元章說。

在對大規(guī)模水電遠(yuǎn)距離外送方面，該團(tuán)隊正加強接納水電的首端電網(wǎng)建設(shè)和運行研究；對于風(fēng)電接入電網(wǎng)后的安全運行，研究人員已著手開展高精度風(fēng)電功率預(yù)測、備用容量優(yōu)化、儲能、安全性分析理論和方法以及全網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的研究工作，以應(yīng)對風(fēng)電功率波動對電網(wǎng)安全運行的影響。

“依托基金提供的資助，一大批專家學(xué)者投入到電力系統(tǒng)廣域安全防御體系基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)的研究中，穩(wěn)定了一支在國內(nèi)從事基礎(chǔ)研究的人才隊伍，培養(yǎng)了一批該方向的博士、碩士?！睂O元章說，“科學(xué)基金對我本人和我所在團(tuán)隊的研究起到了奠基作用，我們團(tuán)隊每年都有博士生到發(fā)達(dá)國家參與研究，或參加國際會議交流科研成果?！?/p>

來源：中國科學(xué)報 作者：張雙虎 　

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