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1、电力系统广域安全防御体系基础理论及关键技术研究 清华大学电机系孙元章2004年9月,电力系统广域安全防御体系,世界最发达国家的 最发达地区、世界最密集的电网，发生了历史上最大规模的停电。,2003年，电力系统两大事件：大停电与大范围缺电,世界最大的发展中 国家，在经济高速发展中，发生了大范围电力短缺，有22个省市缺电。,胡锦涛8月16日批示：“有备才能无患，应吸取美加停电事件的教训，认真研究电力系统安全问题，完善应急处理机制，确保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,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,世界最发达国家的2003年，电力系统两大
2、事件：大停电,纽约三次大停电事故重复性,时间事故名称 损失情况 2003.8.14 美国东北部大停电,国外近期发生的其他停电事故频发性,国家 发生时间 事故名称 事故描述 美国 1996年8月10,诱发大面积停电的原因,电网规模的不断扩大，大区电网的不断互联，使电网结构的复杂程度增加大功率电力电子设备的引入，大容量输电方式的出现，使电力系统的动态行为更加复杂电力系统分布范围广，运行元件多，电网发生故障后波及面大电力系统动态过程快，电力信息的传输速度相对较慢，使电力系统的保护和控制只能依赖于局部信息，很难做到全局协调。,诱发大面积停电的原因电网规模的不断扩大，大区电网的不断互联，,大范围缺电引发
3、的问题,电网的设备长时间处于极限运行状态，使电力设备的安全性水平降低电网经常运行在临界状态，使电网的稳定裕度降低，很难承受系统中发生的扰动，致使故障后可能发生连锁故障，引发大面积停电事故解决大范围缺电的有效途径 西电东送、全国联网,大范围缺电引发的问题电网的设备长时间处于极限运行状态，使电力,国家电力工业的发展的紧迫性,21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
4、.14美加大停电事 故在中国重演。,国家电力工业的发展的紧迫性21世纪国家能源工业建设的基本战,0,50,100,150,200,250,300,美,俄,日,中,加,德,2004年中国装机容量居世界第二位,建国初期：发电量第25位 装机容量第21位2004年 均已跃居第 2位,GW,406,050100150200250300美俄日中加德2004年中,0,150,300,450,600,750,900,2003,2008,2012,2005,2015,2020,2020年中国装机容量将达到9.5亿千瓦,GW,1050,015030045060075090020032008201,中国区域电网现
5、状,到2002年底35kV总长度：80万公里500kV线路：34939公里330kV线路： 9723公里220kV线路： 141889公里,中国区域电网现状到2002年底,西北,华北,东北,山东,川渝,华中,华东,南方,福建,海南,西藏,AC,Back to back or DC,Back to back,AC,AC,DC,3DC,AC,DC,AC,Back to back,DC,Back to back,sea cable,超大型同步电网,中国大区电网互联基本框架,新疆,西北华北东北山东川渝华中华东南方福建海南西藏ACBack t,2005年西电东送方案,珠江三角洲,传输功率15000MW,
6、京津唐,500kv220kv330kv火电厂水电厂核电厂变电站200,2020年西电东送方案,京津唐,长江三角洲,珠江三角洲,传输功率1.2亿千瓦,500kv220kv330kv火电厂水电厂核电厂变电站202,大容量西电东送所面临的重大问题,2020年西电东送容量1.2亿瓩：按交流500千伏送电,需120回交流输电线路按 500千伏直流送电,需40回直流输电线路西电东送将形成世界上最大的交直流混合输电系统西电东送所面临的重大问题：采用何种方式完成大容量西电东送落点电网的安全性大城市供电中心的电压稳定性全国互联交直流混合输电系统的安全性和稳定性,大容量西电东送所面临的重大问题 2020年西电,2
7、003年9月实现四大区域电网互联 超大型同步电网,地跨14个省、市、自治区，装机容量超过1.4亿千瓦，南北距离超过4600公里,2003年9月实现四大区域电网互联华北东北川渝华中地跨14个,华北,东北,川渝,华中,AC,AC,AC,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、0.13HZ超低频振荡问题,7.8秒,100MW,华北东北川渝华中ACACAC四大区电网互联所产生的安全性问题,华北,东北,川渝,华中,AC,AC,AC,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,1200MW,600MW,二滩电厂机组摇摆,华北东
8、北川渝华中ACACAC四大区电网互联所产生的安全性问题,电力系统的复杂非线性结构,电力系统的复杂非线性结构,大规模电力系统动态问题的数学描述,动态系统,慢动态元件：锅炉、汽轮机快动态元件：发电机、电动机群特快动态元件：大功率电力电子装置 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,静态系统,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程组,具有结构、参数和动态不确定性的非线性动态系统,大规模电力系统动态问题的数学描述慢动态元件：锅炉、汽轮机具有,电网的传输容量逐步逼近极限容量电网堵塞现象日趋严重负荷和网络潮流的不可预知性增加大区电网运行相对保密，相关电网信息和数据不足厂
9、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,电网的传输容量逐步逼近极限容量电力市场化给电力系统安全性带来,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,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,大规模电网动态安
10、全防御的基本思想,相角测量装置广域信息系统,基于准确数学模型模型的多时间尺度仿真理论和算法,结构、参数和动态不确定性非线性系统的保护与控制,解决广域保护、控制和高速信息系统的关键技术,大规模电网动态安全防御的基本思想预测未来实测状态电力系统设计,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和参数广域功角测量,微波5-10s,光纤50-100ms,技术发展趋势：广域实时测量技术为电力系统广域动态安全防御创造了机遇,V,I,P,QV,I,P,QV,I,P,Q控制中心同步卫星G,电力系统的精确建模和超大规模电力系统的仿真理论超大规模电力系统动态行为分析与特征研究大电
11、网广域安全防御系统的保护与控制方法研究电力系统广域安全防御的信息支持系统 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,电力系统的精确建模和超大规模电力系统的仿真理论三、广域安全防,涉及的重大科学问题1精确建模和参数,模型一：50%恒定阻抗+50%电动机 模型四：IEEE-6型马达参数模型二：40%恒定阻抗+60%恒定功率静态负荷模型模型三： 电动机参数中定子电抗由0.295改为0.12,1、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1精确建模和参数断面名称模型一模型二模型,涉及的重大科学问题1精确建模和参数,美国西部电网1996年8月10日
12、大停电，系统出现振荡、解列，并失去30000MW负荷，但是美国BPA电力局使用电网动态数据库对事故进行重现研究时仿真结果却是系统稳定,2、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,涉及的重大科学问题1精确建模和参数美国西部电网1996年8,涉及的重大科学问题1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数据交换量的
13、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。,数据交换,涉及的重大科学问题1协同仿真理论与方法1、电力市场化运行后,涉及的重大科学问题1协同仿真理论与方法,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解裂,数据交换,涉及的重大科学问题1协同仿真理论与方法研究的重点问题：东北,涉及的重大科学问题2动态行为和特征,1、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
14、 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、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2动态行为和特征1、超低频振荡问题：,涉及的重大科学问题2动态行为和特征,3、暂态不平衡功率跨区域传播： 联网后导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、重负荷受端系统（如京沪穗 ）的电压稳定： 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
15、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2动态行为和特征3、暂态不平衡功率跨区域,涉及的重大科学问题3连锁故障的动态行为,电力系统连锁故障的演变过程,电网结构发生的变化。,系统状态发生的变化。,系统结构发生的变化。,涉及的重大科学问题3连锁故障的动态行为电力系统连锁故障的,涉及的重大科学问题3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?,连锁故障的演化过程,涉及的重大科学问题3连锁故障的保护与控制现有的保护与控制都,涉及的重
16、大科学问题4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4广域动态信息支持系统,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,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
17、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,涉及的重大科学问题5 电力市场化机制对电力系,国内外研究背景精确建模和参数,国内外研究背景精确建模和参数电力系统建模与参数各动态元件的,国内外研究背景电力系统仿真,电力系统仿真,电力系统电磁暂态仿真（EMTP、EMTDC）,电力系统机电暂态仿真（BPA、PSASP）,电力系统电压稳定性仿真（VSAT）,电力系统中、长期动态仿真（EUROSTAG）,超大规模电力系统并行计算,电力系统动态全过程仿真,多大区电力系统协同仿真,国内外研究背景电力系统仿真电电力系统电磁暂态仿真（EMTP
18、,国内外研究背景动态行为分析与控制,电力系统动态行为分析与控制,低频振荡分析与拟制,超低频振荡分析与拟制,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,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,国内外研究背景动态行为分析与控制电力系统动态行为分析与控制,国内外研究背景广域动态功角测量系统,广域动态功角测量系统,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,国内外研究背景广域动态功角测量系统广域动态功角测量
19、系统19,国内外研究背景基于WAMS的应用研究,WAMS的应用研究,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,国内外研究背景基于WAMS的应用研究WAMS的应用研究基于,主要研究方向,1、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
20、同仿真理论与方法,主要研究方向1、电力系统安全分析的精确建模、仿真理论和方法,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响研究,2、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,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,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
21、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,主要研究方向（1）基于WAMS的自适应网络保护原理与设计3、,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,主要研究方向（1）信息理论在广域电力系统中的应用研究4、电力,主要研究方向,（1）电力市场化对电力系统安全性影
22、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,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5,预期的目标,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的仿真结果与实际全国互联电力系统的物理过程相一致。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
23、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。,预期的目标建立一套完整的电力系统模型和参数的在线测试理论、方,预期的目标,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。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。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
24、，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。,预期的目标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,近期（5-10年）取得突破性进展的可能性,电力系统元件的在线精确建模理论和方法超大规模电网动态全过程协同仿真的理论、算法和实现超大规模电力系统特殊动态行为的机理分析和防治措施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初步建立超大规模电力系统的安全防御体系,近期（5-10年）取得突破性进展的可能性 电力系统元件的在线,谢谢！,谢,
