重要小受端智能电网安全防御系统关键技术

2009特高压输电技术国际会议论文集1重要小受端智能电网安全防御系统关键技术李威，徐泰山，薛禹胜（国网电力科学研究院，江苏省南京市210003）摘要：智能安全防御系统是智能电网的基础保障和重要特征。不同调度层面电网安全防御系统的构建，协调整合，是构筑适应国家电网特高压互联大电网安全稳定要求的智能协调防御体系的恰当途径。本文针对诸如重点城市等负荷中心电网特点，讨论了此类重要小受端智能电网安全防御系统的开发。最后介绍近期开发的一个试点实例，该地区安全防御系统已初步形成了地区和上一级省调安全防御系统的协调接口，实现了地区级安全防御系统框架和初步的安全预警功能。关键词：智能电网；受端电网；智能防御系统；在线动态安全分析1前言生产发展需求和知识水平决定了科学技术的产生和发展，历经农业社会、工业社会到全面迈向信息社会的今天，人类各个生产活动领域无一不体现鲜明的时代特征。以控制领域为例，随着人们对控制性能要求的提高和被控对象复杂性的增加，控制技术从研究单输入单输出被控对象的经典控制理论，发展到研究多输入多输出被控对象的现代控制理论，直至到综合应用人工智能、控制论、运筹学、和信息论等学科成果的智能控制理论体系。作为人类社会构建的典型的工业系统之一，电力系统集成应用了几乎全部工业技术领域的理论和技术成果，同样也面临着信息社会的挑战。2002年美国电科院(EPRI)开展能源和通讯系统框架整合项目研究(IntegratedEnergyandCommunicationsSystemsArchitecture,IECSA)，18个月后，项目正式命名为智能电网框架(IntelliGridArchitecture)。这是世界上第一个智能电网框架研究，从而使得EPRI在智能电网领域展开应用研发。EPRI智能电网框架研究初衷是将先进的自动化系统和信息系统技术与现有的工业系统进行整合，以开展了一些具体应用研究：为高级量测，配电自动化，需求侧响应和广域量测系统应用提供方案，工具以及标准和技术的建议等；提供一个独立，公正的产品和技术测试平台；提供为世界范围内顶尖研究机构的研究交流提供平台；通过项目成果应用提供直接技术支持；提供和支持相关通讯框架研发。EPRI智能电网框架目前确立了三个关键研究领域：广域量测和控制(WideAreaMeasurementandControl,WAMAC)；高级配电自动化(AdvancedDistributionAutomation,ADA)；用户能源服务应用(ConsumerEnergyServiceApplications)。这些领域都有各自的研究框架，领域间的研究也可相互交叉融合，比如输电系统的应用可以融合到配电和用户能源服务。该框架研究成果已为一些领域提供了技术报告，方法，应用规范和工具：为未来电网信息框架提供建设规范；为自愈电网提供快速仿真和建模工具；为实现需求侧响应和构建现代用户量测体系提供接口；建设了一个仿真实验室以进行设备、系统和相关技术的测试；已在一些电力部门投入应用，包括：SouthernCaliforniaEdison–智能电网框架在高级量测系统中的应用；TXU–智能电网框架在自动量测读表中的应用；SaltRiverProject–智能电网框架在变电站数据整合的应用；AlliantEnergy–配电监测系统；LongIslandPowerAuthority–供电部门和用户设备基于电力线和无线通讯的宽带SCADA。其中快速仿真和建模工具、现代用户量测接口两项被作为重点项目展开研究。快速仿真和建模被认为是一个自愈系统的必备条件，该项研究开发一个开放式软件平台，为未来输、配电系统运行，规划，和管理提供一整套仿真和建模工具。用户侧接口研究被认为是实现电网需求侧管理的必备条件：开发双向通讯连接以实现电网公司和用户的交互式信息交换。EPRI积极倡导智能电网研究理念，主动与电力公司、设备制造商合作研发，已得到众多电力公司、公共部门、知名生产厂商的参与和支持。EPRI针对智能电网研究牵头组织了一个智能电网联合会(IntelliGridConsortium),此前被称为适应数字化社会的电力框架联合会(ConsortiumforElectricInfrastructuretoSupportaDigitalSociety)，包括二十多家美国电力公司和法国、波兰等电网公司，美国2重要小受端智能电网安全防御系统关键技术能源部、加州能源委员会等政府公共部门，ABB、CISCOSystems、UTCPower、HitachiElectricity、IBM等制造商。并组织了由多个美国国家和国际能源、电气等领域专业协会代表参与的公共咨询小组。EPRI对智能电网特点的表述：交互性，电网、用户、市场的方便灵活的交互；自愈和自适应，电网具有自适应纠正和自愈能力；优化，优化运行以最有效地应用各种资源和设备；预测，主动预防而不是被动地应对紧急情况；包容，灵活适应发电方式；集成，全部关键信息的集成整合；更安全。美国能源部参与发起了电网智能(GridWise)项目，对未来电力系统进行了展望：通过体系结构、操作流程、设备、信息和市场结构的整合，未来发、输、配、用电将更为有效和经济；电网更为灵活、安全和可靠。2005年美国能源部的电力传输、能源可靠办公室和国家能源技术实验室成立了现代电网项目(ModernGridInitiative，MGI)以促进美国输配电网络的现代化，其中对未来电网特征进行了总结：主动智能防御；用户主动参与的需求侧响应；自恢复的抗攻击和自然灾害能力；不同价格水平的供电质量；适应分布式发电、储能的“即插即用”系统接入，方便可再生能源的接入；更充分的安全可靠电力市场运行；更广泛地电网运行量测，和通过与资产管理更紧密联系的电网技术实现更有效的资产和费用管理；有条件的维护。2006年4月欧洲未来电网技术论坛咨询委员会对未来智能电网进行了展望：数字时代用户特定的质量、可靠性、安全性的电力供应；灵活、优化、有计划的电网规划，维护和运行；灵活的需求侧管理和用户侧的增值服务；分布式发电、可再生能源与大容量发电的协调；小容量分布式发电对负荷的直接供电；有效的跨网电能和电网服务；预计2020年以后欧洲电网将实现：灵活性，应对未来变化和挑战，满足用户需求；准入性，允许全部用户接入，特别是可再生能源发电和高效的无或低碳排放的地区发电；可靠性，适应数字社会要求的供电安全和供电质量；经济性，通过革新、有效的能量管理、管制和竞争提供最优价值。欧美智能电网定义大同小异，但均将电网具有更高的可靠性和安全性作为智能电网的基础保障和主要特征。实际上从广域同步量测系统WAMS,广域同步控制系统WACS，在线动态安全稳定评估控制系统，战略电力防御系统(SPID)，到自愈控制(Self-healing)、主动智能防御概念的提出，电网安全稳定控制一直是欧美发达国家应用最新科技理念和成果的热点。我国在加强一次系统建设的同时始终重视二次系统建设，研究电网保护控制方法，构筑高质量的电网安全防御体系。从电网三道防线建设，在线安全稳定评估、控制发展到时空防御协调系统。从预案型、静态安全分析、被动防御为主要特征的安全防御体系提升为包含动态安全评估、预警、辅助决策功能的对策型、主动型的电网安全防御体系。我国互联大电网安全稳定控制在理论研究、技术开发和工程试点运行上一直居于国际前列。针对我国打造特高压为骨干网架，各级电网协调发展的坚强智能电网.综合应用先进可靠的通讯、信息、计算、控制等技术，和电力系统安全稳定理论、优化方法等研究成果，构建适应特高压互联电网运行规模，满足各类发电电源接入、不同控制装置、系统应用和需求侧响应操作要求，保障电网安全、经济、优质运行的智能控制系统成了我们当前工作目标。整套系统通过广域、迅捷、同步、精确的量测感知，自适应智能决策，基于决策指令和应对动态响应相协调的控制执行，形成具备自我感知、自我诊断、自我预防、自我愈合的大电网智能安全控制能力。实现电网正常运行状态下的优化调度，经济运行，并通过提高输电容量，降低电网运行成本，实现电网运行、维护、建设的节能增效；实现电网警戒状态下对故障隐患及时发现、诊断和消除，避免事故发生，降低电网运行风险；实现电网故障状态下，通过及时告警、提供辅助决策方案，避免系统偶发故障扩大，减小事故影响和损失。进一步能通过故障隔离、清除，实施优化控制，平息事故，避免大停电事故的发生。极端灾害情况下，通过全局优化整定的控制策略和分布式控制装置，实施有序的主动减载、切机、解列等手段，避免电网无序崩溃，保障重要负荷供电，减小停电范围，并为电网后续的恢复控制、黑启动提供条件和执行策略。根据特高压电网发展规划，国家电网一方面通过建设坚强的送端电网，汇集电源基地电力，保证外送容量，一方面通过建设坚强的受端电网，提高电力承载能力，实现“网对网”送电。从而形成典型的大送端、大受端电网特征。相对大送端电网，大2009特高压输电技术国际会议论文集3受端电网通常依照分层分区，由众多重要小受端电网组成，直接与负荷中心相连，模型、运行方式更复杂，控制也更为困难。而通过构建不同层次电网安全防御系统，进而逐步规范、整合，形成一体化整体防御是构筑适应国家电网特高压互联大电网安全稳定要求的智能防御体系的恰当途径。我国目前在理论上已经构建了大电网安全稳定综合协调防御系统的基本框架，关键技术取得突破性进展。国内大电网安全稳定综合防御系统已经进入工业应用试点阶段，华东、江苏和四川等网、省级电网安全稳定实时监测预警及协调防御系统在电网安全稳定运行中已经发挥了重要作用，积累了宝贵的技术开发和工程应用经验，为技术规范和进一步的推广提供了基础。建设诸如重点城市等负荷中心电网安全防御系统将成为构建一体化大电网智能安全防御的重点，本文针对受端电网特点，讨论了此类电网安全防御系统的关键技术，最后介绍了一个具备与上一级调度接口的实际地区电网防御系统开发。2重要小受端电网智能安全防御系统关键技术美国能源部现代电网项目MGI总结了构建智能电网所需的基础技术：一体化通信，高速，充分集成，双向通信技术以实现现代电网交互式电力和信息交流；高级智能设备，实现更高用电可靠性、电能质量和环保收益、实时诊断；高级控制方法，新的电网监测、故障诊断、控制算法；采集和量测技术，电网稳态、动态、关键设备监测采集；决策支持和接口，满足现代电网更精确、及时决策的要求。这些共性技术体现了欧美国家对建设智能电网共性需求的认识，也反映了欧美智能电网支撑技术开发中侧重在配电网、电力市场、用户侧响应和接入等方面。而我国智能电网建设立足于特高压互联大电网，这将是我国智能电网的重要特征。特高压互联大电网以大范围资源优化灵活配置为目标，大容量功率传输成为电网运行方式常态，使得电网呈现典型的大送端、大受端、大输电网。而大受端电网中重要负荷中心诸如重点城市电网，在更多依赖外来电力送入，同时也要适应未来分布式、清洁能源发电接入，和灵活供需互动要求。这也对电网的安全可靠、优质供电提出了更高的要求，必须结合此类电网特点开展相关的关键技术研究，构建安全防御系统，并通过与不同调度层面电网安全防御整合，共同组成一体化特高压电网智能安全防御系统。2.1在线综合数据整合技术为了有效保证电网安全稳定性和经济性，小受端电网更有优势充分利用各种数据采集手段，获取和综合处理电网的状态信息，包括静态、动态数据采集。在线数据的来源可包括：侧重系统稳态监测的远方终端设备（RTU）和SCADA系统；设备监测、继电保护系统；记录扰动前后局部量动态的故障录波器；基于GPS的相量测量单元（PMU）和高速通信组成的电网动态监测系统。汇总采集的电网各类稳态、动态数据，并接收上级电网或其他电网EMS状态估计数据等，形成综合的状态估计和数据整合技术。另外，通过动态同步量测对电网元件、负荷、控制装置及其控制策略进行更精确建模和参数在线辨识，可以有效提高动态仿真可信度和准确度。这项基础性技术为电网安全稳定高级应用提供了条件，比如：电网安全稳定在线分析、预警和控制；在线电网事故分析、故障点定位及故障相