0引言

當(dāng)前電網(wǎng)格局與電源結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變，電網(wǎng)發(fā)展過渡期安全穩(wěn)定特性不斷惡化：①故障對(duì)系統(tǒng)的沖擊全局化。特高壓交直流電網(wǎng)中，系統(tǒng)擾動(dòng)甚至正常設(shè)備的操作，都可能會(huì)引發(fā)多回大容量直流輸電線路換相失敗乃至發(fā)生直流閉鎖；②電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重下降。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效規(guī)模不斷減小，頻率調(diào)節(jié)能力呈下降趨勢(shì)，在大功率缺額的情況下，極易引發(fā)頻率越限甚至系統(tǒng)穩(wěn)定破壞；③電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用使得系統(tǒng)特性復(fù)雜化。電力電子設(shè)備及其控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出非慣性、高速、離散、剛性等特征，與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)相互交織，控制規(guī)律及運(yùn)行特性相互作用，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜。

當(dāng)前電網(wǎng)的安全防御體系特別是工程實(shí)踐，總體來講主要還是針對(duì)傳統(tǒng)交流電網(wǎng)（或者含小規(guī)模、小容量直流輸電）設(shè)計(jì)，隨著特高壓交直流電網(wǎng)和新能源快速發(fā)展帶來的電網(wǎng)特性新變化，現(xiàn)有防御技術(shù)和措施出現(xiàn)若干不適應(yīng)性，亟需從“大系統(tǒng)”安全角度出發(fā)，在進(jìn)一步鞏固、完善、拓展三道防線內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行控制舉措重新審視和提升。

1 構(gòu)建系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵問題

(1) 大規(guī)模復(fù)雜電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的準(zhǔn)確評(píng)估問題

當(dāng)前電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷側(cè)結(jié)構(gòu)的重大變化、電力電子設(shè)備及其控制系統(tǒng)的大量接入，物理系統(tǒng)的模型和控制規(guī)律更加多樣、更加復(fù)雜。系統(tǒng)中出現(xiàn)了新的擾動(dòng)形式（例如多回直流換相失敗、再啟動(dòng)等）和穩(wěn)定形態(tài)（例如次同步振蕩、超低頻振蕩等），故障的連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)加大。當(dāng)前電力系統(tǒng)建模仿真和安全穩(wěn)定評(píng)價(jià)體系仍然滯后于電網(wǎng)的發(fā)展。系統(tǒng)保護(hù)對(duì)于嚴(yán)重故障形態(tài)進(jìn)行設(shè)防，需要明確設(shè)防的對(duì)象，設(shè)防場(chǎng)景下存在的問題及其嚴(yán)重程度。因此，對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)復(fù)雜故障下穩(wěn)定性機(jī)理的揭示及安全穩(wěn)定性的準(zhǔn)確評(píng)估尤為重要和迫切，這是構(gòu)建系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵問題。

(2) 廣域多措施時(shí)序協(xié)調(diào)的控制策略制定問題

新形態(tài)下電網(wǎng)安全防御，需要在數(shù)百毫秒內(nèi)快速抑制數(shù)百萬乃至上千萬千瓦有功能量對(duì)系統(tǒng)的沖擊。因此，首先需要挖掘現(xiàn)有控制資源潛力、研究新型控制資源，拓展可控空間；然后綜合考慮多種約束條件，銜接多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)過程，研究協(xié)調(diào)有序、優(yōu)化精準(zhǔn)的控制策略。由于不同類型措施的響應(yīng)速度、作用范圍、控制量不同，局部范圍的控制還可能導(dǎo)致跨區(qū)域影響，因此，廣域多措施時(shí)序協(xié)調(diào)的控制策略制定是構(gòu)建系統(tǒng)保護(hù)的另一關(guān)鍵問題。

2 系統(tǒng)保護(hù)的體系設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

對(duì)于一般性、局部性故障，仍然秉持原有的設(shè)防理念和設(shè)防措施。在電網(wǎng)一體化特征下，傳統(tǒng)基于就地或局部模式的控制理念難以適應(yīng)，需要在更大范圍內(nèi)統(tǒng)籌考慮。為此，針對(duì)沖擊能量大、波及范圍廣的全局性故障，通過構(gòu)建系統(tǒng)保護(hù)進(jìn)行設(shè)防。總體思路如下：以分區(qū)電網(wǎng)為對(duì)象，進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。在分區(qū)范圍內(nèi)，通過在目標(biāo)、時(shí)間和空間三個(gè)維度上進(jìn)行拓展，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)集中與分散的控制模式、區(qū)域與局部的控制范圍、多重與單一的控制對(duì)象，通過降低故障發(fā)生概率、全方位感知系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)立體協(xié)調(diào)控制，阻斷系統(tǒng)故障連鎖反應(yīng)，防止系統(tǒng)崩潰，支撐復(fù)雜嚴(yán)重故障下大系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)保護(hù)立體協(xié)調(diào)控制的內(nèi)涵如圖1所示。

圖1系統(tǒng)保護(hù)的三個(gè)維度

2.2 系統(tǒng)保護(hù)總體構(gòu)成

系統(tǒng)保護(hù)仍以傳統(tǒng)交流電網(wǎng)三道防線為基礎(chǔ)，通過鞏固第一道防線、加強(qiáng)第二道防線和拓展第三道防線，擴(kuò)展有三道防線的內(nèi)涵和措施，形成特高壓交直流電網(wǎng)新的綜合防御體系。系統(tǒng)保護(hù)與傳統(tǒng)三道防線的關(guān)系如圖2所示。

圖2系統(tǒng)保護(hù)總體構(gòu)成

(1)鞏固第一道防線。其目的是降低故障的嚴(yán)重程度，從故障發(fā)生的源頭抑制故障給電網(wǎng)帶來的擾動(dòng)沖擊。例如：①應(yīng)用交直流保護(hù)新技術(shù)，提升保護(hù)性能，快速可靠隔離故障；②應(yīng)用虛擬化同步技術(shù)模擬交流電網(wǎng)自愈特性，抑制擾動(dòng)沖擊；③轉(zhuǎn)變對(duì)于涉網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)、保護(hù)和檢測(cè)僅從設(shè)備自身出發(fā)的理念，加強(qiáng)從提升所接入系統(tǒng)安全運(yùn)行程度出發(fā)，提高涉網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行可靠性和涉網(wǎng)性能，降低設(shè)備故障發(fā)生的概率。

(2)加強(qiáng)第二道防線。當(dāng)發(fā)生對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行影響較大的嚴(yán)重故障時(shí)，則協(xié)同大范圍、多電壓等級(jí)源網(wǎng)荷各類控制資源和新型控制手段，實(shí)現(xiàn)基于事件觸發(fā)或結(jié)合響應(yīng)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)緊急控制，阻斷系統(tǒng)連鎖反應(yīng)，防止系統(tǒng)失穩(wěn)。具體而言，面向特高壓交直流一次骨干電網(wǎng)，在智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)（D5000）穩(wěn)態(tài)監(jiān)測(cè)與調(diào)控體系之外，平行構(gòu)建控制功能相對(duì)獨(dú)立的實(shí)時(shí)、緊急、閉環(huán)控制體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)所有重要元件的全景狀態(tài)感知、各種可控資源的多維協(xié)同控制，如圖3所示。

圖3系統(tǒng)保護(hù)在第二道防線的體現(xiàn)

(3)拓展第三道防線。其內(nèi)涵包括：①拓展控制資源類型（例如抽水蓄能機(jī)組、直流輸電系統(tǒng)等），將更多的控制設(shè)備納入到基于電氣量越限檢測(cè)的就地分散控制；②結(jié)合故障事件和響應(yīng)信息，實(shí)施基于事件觸發(fā)的緊急控制模式下控制量不足時(shí)基于響應(yīng)信息的追加控制等。

3 系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)

按照系統(tǒng)保護(hù)體系設(shè)計(jì)，系統(tǒng)保護(hù)涵蓋了三道防線全過程。關(guān)鍵技術(shù)眾多�；�礎(chǔ)類支撐技術(shù)包括全景狀態(tài)感知技術(shù)、實(shí)時(shí)智能決策及多資源廣域協(xié)同控制技術(shù)、安全可靠的系統(tǒng)保護(hù)專網(wǎng)技術(shù)等；面向?qū)嶋H工程的適用技術(shù)包括：精準(zhǔn)負(fù)荷控制技術(shù)、新能源廠站饋線或單機(jī)精益化控制技術(shù)、自適應(yīng)重合閘及站域保護(hù)技術(shù)、在線預(yù)決策閉環(huán)控制技術(shù)等；前瞻性技術(shù)包含大功率儲(chǔ)能支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的并網(wǎng)控制等多項(xiàng)技術(shù)。以下簡(jiǎn)單介紹其中三項(xiàng)技術(shù)的需求及內(nèi)容。

3.1 全景狀態(tài)感知技術(shù)

基于廣域信息采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)重要元件、控制資源、控制裝置狀態(tài)和行為的全景感知，支持綜合分析評(píng)價(jià)和集中監(jiān)視告警。同時(shí)，為實(shí)時(shí)決策和協(xié)同控制提供信息支撐，為電網(wǎng)暫態(tài)特性和故障演化途徑分析提供基礎(chǔ)。需研究系統(tǒng)保護(hù)本體全時(shí)段監(jiān)視技術(shù)，研究多類信息有序存儲(chǔ)及高效共享技術(shù)，研究系統(tǒng)保護(hù)裝置錄波、PMU錄波和故障錄波構(gòu)成的三位一體全網(wǎng)同步錄波技術(shù)。系統(tǒng)保護(hù)全景狀態(tài)感知要素、結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4全景狀態(tài)感知

3.2 實(shí)時(shí)智能決策及多資源協(xié)同控制技術(shù)

基于全景狀態(tài)感知，進(jìn)行故障智能診斷和系統(tǒng)暫態(tài)特征綜合識(shí)別，對(duì)系統(tǒng)存在的問題定位和甄別，綜合考慮約束條件，結(jié)合就地與系統(tǒng)判據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制分區(qū)、控制對(duì)象及控制量多目標(biāo)實(shí)時(shí)智能決策，并實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷多類控制資源的緊急、有序、協(xié)同控制。需研究基于故障事件與響應(yīng)信息的電網(wǎng)擾動(dòng)場(chǎng)景可靠、快速判別技術(shù)，研究適應(yīng)電網(wǎng)送受端協(xié)調(diào)的多穩(wěn)定約束、多變量混合優(yōu)化技術(shù)。源網(wǎng)荷多資源綜合優(yōu)化協(xié)調(diào)控制示意如圖5所示。

圖5源網(wǎng)荷多資源協(xié)調(diào)控制

3.3 精準(zhǔn)負(fù)荷控制技術(shù)

精準(zhǔn)負(fù)荷控制技術(shù)，將控制對(duì)象細(xì)分到用戶，根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)、用戶意愿進(jìn)行精確匹配，具有點(diǎn)多面廣，選擇性強(qiáng)，對(duì)用戶用電影響小的優(yōu)勢(shì)，通過與傳統(tǒng)負(fù)荷控制系統(tǒng)協(xié)同作用，可滿足直流換相失敗和閉鎖故障對(duì)大量切負(fù)荷的客觀要求，是保障過渡期電網(wǎng)安全的最有效手段。精準(zhǔn)負(fù)荷控制技術(shù)需研究大范圍大規(guī)模的可中斷負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)籌管理技術(shù)，控制效果、時(shí)機(jī)及控制量的定量分析和優(yōu)化控制技術(shù)等。

4 結(jié)語

電網(wǎng)構(gòu)建過渡期，運(yùn)行特性和安全風(fēng)險(xiǎn)不斷發(fā)生變化�；�于傳統(tǒng)交流系統(tǒng)形成的防御技術(shù)和措施已難以滿足嚴(yán)重故障下的電網(wǎng)安全防御要求，因此提出了構(gòu)建適應(yīng)特高壓交直流電網(wǎng)的系統(tǒng)保護(hù)的需求，分析了系統(tǒng)保護(hù)的總體構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)施方案，為下一步電網(wǎng)的安全穩(wěn)定防御體系的建設(shè)提供了指導(dǎo)。

當(dāng)前，系統(tǒng)保護(hù)建設(shè)已經(jīng)納入國(guó)家電網(wǎng)有限公司重大工程實(shí)施計(jì)劃，并且正在開展通信網(wǎng)升級(jí)改造和系統(tǒng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)兩大支撐計(jì)劃，后續(xù)可根據(jù)電網(wǎng)特性的動(dòng)態(tài)變化和新興技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)施方案進(jìn)行滾動(dòng)研究和發(fā)展。

主要作者介紹

陳國(guó)平，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行與控制技術(shù)及管理。

李明節(jié)，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行與控制技術(shù)及管理。

許濤，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)調(diào)度、運(yùn)行與控制。

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