電力是國家能源發展戰略布局的重要組成部分。電網是能源產業鏈的重要環節，具備優化能源資源配置方式、提高能源資源配置效率的基本功能。電網越堅強、覆蓋范圍越廣，越有利于提高能源優化配置的規模和效率[1]。但是，隨著新能源發電、直流輸電、電力電子裝置等大量使用，電力系統的規模和復雜性日益增加，給電力系統安全穩定運行帶來更大的挑戰。近些年，國內外不斷發生大規模的停電事故，如：1996 年 7 月 2 日和 8 月 10 日美國西部電網的 2 次大停電[2-3]，2003 年 8 月 14 日美國–加拿大東部電網大停電[4]，2003 年 9 月 23 日瑞典–丹麥電網大停電[5]，2003年9 月28 日意大利電網大停電[6]，2006 年 11 月 4 日歐洲電網大停電[7]，2009 年 11 月 10 日和 2011 年 2 月 4 日的巴西電網大停電[8-9]，2012 年 7 月 30 日和 7 月 31 日印度電網 2 次大停電[10]，以及 2005 年 9 月 26 日海南電網大停電[11]，2006 年 7 月 1 日華中(河南)電網停電事故[12]等。這些停電事故都造成巨大的經濟損失和社會影響，也說明現代電力系統的安全穩定控制體系還不夠完備，電力系統安全穩定控制問題還沒有得到徹底解決。本文依據電力系統廣域測量、實時通信、穩定分析等技術當前和未來可能的發展，探討構建防止電力系統發生穩定破壞和大面積停電的電力系統安全穩定超級防線——基于響應的電力系統廣域安全穩定控制系統。

　　1 電力系統安全穩定三道防線措施

　　1.1 電力系統安全穩定三道防線電力系統安全穩定三道防線[13]是指電力系統受擾動后盡可能地保持電力系統穩定運行、不發生大面積停電事故的安全穩定控制體系，主要是指保證電力系統受到擾動后的安全性和穩定性的措施。第 1 道防線是快速切除故障元件，防止故障擴大。主要由性能良好的繼電保護裝置構成，要求能夠快速、精確、可靠地切除故障元件，將故障的影響限制在最小范圍內，有效防止故障擴大。第 2 道防線是采取必要的切機、切負荷、解列、直流調制等安全穩定控制措施，防止系統失去穩定。主要由電力系統安全穩定控制裝置構成，要求能夠準確、可靠的動作，保證電力系統能維持穩定運行。第 3 道防線是在系統失去穩定后，為防止發生大面積停電，盡可能地縮小事故的影響范圍，而采取的一切緊急措施。主要由失步解列、高頻切機、低頻切負荷、低壓切負荷等自動裝置和調度運行人員采取的緊急措施構成，要求能夠有效防止大面積停電。

　　1.2 三道防線的基本措施分析第 1 道防線措施，主要由各類繼電保護裝置構成。目前繼電保護技術已經比較成熟，基本上能夠精確、可靠地切除故障元件。但是，由于繼電保護裝置的動作時間存在分散性，目前我國電力系統安全穩定計算分析中，采用的故障切除時間還比較長(如 500 kV 以上電壓等級線路的故障切除時間為：近端 0.09 s，遠端 0.1 s)。所以，如果繼電保護裝置在故障切除速度上有所提高，將能更有效地提高電網的功率輸送水平。另外，繼電保護裝置的隱性故障，往往是電力系統停電事故的起因，如：2006 年 7 月 1 日華中(河南)電網停電事故的起因[14]，就是由于繼電保護存在隱性故障 (裝置內部邏輯設置與下達的定值要求不符合)而誤動作，導致河南電網 500kV 系統 N−4 故障。因而，繼電保護裝置的隱性故障將是今后需要重點解決的問題。第 2 道防線措施，目前一般采用基于事件的安全穩定控制技術，主要有 2 種類型：一是“離線決策，在線匹配”，即利用電力系統仿真計算軟件，針對不同的運行方式和給定的故障集合，通過大量的離線仿真計算，找出對應故障集合所需要采用的安全穩定措施，形成安全穩定控制策略表，當系統發生故障時，則按照策略表給定的控制措施進行控制;二是“在線決策、在線匹配”，即利用電力系統在線仿真計算軟件，針對當前的運行方式和給定故障集合，通過在線仿真計算，形成安全穩定控制策略表，當系統發生故障時，則按照策略給定的控制措施進行控制，這樣就可以避免“離線決策”中運行方式不適應的問題。第 3 道防線措施，目前一般采用預先設定的薄弱斷面或區域電網安裝的基于就地信息的自動控制裝置，包括失步解列裝置、低壓自動減負荷裝置、低頻主動減負荷裝置、高頻切機裝置等。

　　2 基于響應的廣域安全穩定控制系統框架

　　由于基于事件的“離線決策，在線匹配”和“在線決策，實時匹配”構成的電力系統安全穩定第 2 道防線措施和基于就地信息的電力系統安全穩定第 3 道防線措施存在失效的風險，已經難以滿足大電網安全穩定運行的要求。因此，需要研究電力系統安全穩定控制“實時決策、實時控制”的基礎理論、控制原理，充分利用廣域測量技術和高速通信技術，構建基于響應的電力系統廣域安全穩定控制系統，實現“實時決策，實時控制”。基于相量測量裝置(phasor measurement unit， PMU) 的廣域測量系統 (wide-area measurement system，WAMS)已經日趨完善。借助高速通信網絡，能夠實現測量數據空間上的廣域和時間上的實時同步。為基于響應的電力系統廣域安全穩定控制奠定了基礎。

　　3 基于響應的廣域安全穩定控制的關鍵技術

　　1)廣域動態特征信息提取。廣域測量信息具有全局性、實時性和連續性的特點，其信息量十分巨大。基于響應的電力系統廣域安全穩定控制要從海量的測量數據中選取能夠系統安全穩定特性的信息，進行快速安全穩定判斷。所以，需要根據系統的安全穩定特點和快速安全穩定判斷的要求，提取必要的廣域動態特征信息，如功角穩定判斷時的功率–功角特性曲線，發電機動能–功角曲線，角速度–功角相軌跡等，電壓穩定判斷時的母線電壓，功率–電流曲線等，頻率穩定判斷時的頻率軌跡曲線等。 2)受擾軌跡預測。系統受擾動后的擾軌跡預測，能夠預知系統受擾軌跡的變化趨勢，從而可以盡可能早地判斷系統的安全穩定情況，為緊急控制系統提供足夠的決策時間。基于廣域測量信息的安全穩定受擾軌跡預測，一般可分為無系統數學模型的預測方法和有系統模型的預測方法 2 大類。 3)系統穩定性判別。基于響應的電力系統廣域安全穩定控制技術的關鍵是快速、可靠、不依賴于全系統仿真計算的安全穩定判別方法。要求能夠基于廣域實時測量信息，對電力系統的暫態功角穩定、動態功角穩定、電壓穩定、頻率穩定、以及振動中心等電力系統安全穩定特征進行實時判別，并能夠給出主導失穩模式。因此，需要根據不同的安全穩定分析方法，形成有效的安全穩定判據，直接使用廣域實時測量數據進行穩定性識別，為電力系統安全穩定控制的 “實時決策，實時控制”奠定基礎。

　　4 基于響應的廣域安全穩定控制技術研究新進展

　　長期以來關于基于響應的電力系統廣域安全穩定控制技術的研究，已取得一定成果，但仍比較分散沒有形成體系[17-71]。近年來，在國家電網公司科技項目的支持下，中國電力科學研究院牽頭對筆者提出的基于響應的電力系統廣域安全穩定控制相關技術進行系統研究，并取得重要的進展[72-92]。 1)提出一種預測模型參數自適應調整技術，可以跟蹤受擾軌跡的非線性變化，利用最新的測量值，及時調整觀測次數、模型階數和預測步長的取值，從而實現總體最優預測性能。模型參數自適應技術主要分為內外 2 部分循環計算，內循環計算根據預測模型得到預測結果，外循環計算基于最新測量值，根據模型參數自適應調整原則，及時修正模型參數，提高模型的適應能力。 2)提出一種基于功率–相角–頻率的快速判據，該判據只需要有限的、關鍵的特征信息，具有快速性和實用性。在進行失穩識別時，首先判斷系統是否進入不穩定區域，然后判斷系統是否有趨于失穩的傾向，最后判斷系統是否會越過不穩定平衡點，準確地判別暫態功角失穩。 3)提出一種基于轉速差–功角差變化趨勢的判別方法。該方法根據電力系統功角失穩過程一般首先表現為兩群失穩模式的特點，以其在相平面運動軌跡的變化特征為基礎，判斷暫態過程中電網機群間是否能夠保持同步運行。該方法依賴于發電機功角和轉速的響應信息，計算方便快捷，可以作為暫態功角穩定緊急控制的啟動判據。

　　5 結論

　　基于相量測量裝置的廣域測量系統日趨完善，借助高速通信網絡，就能實現測量數據空間上的廣域和時間上的同步，為基于響應的電力系統廣域控制系統的開發和應用奠定了基礎。全面深入地研究基于響應的電力系統廣域控制技術，構建電力系統安全穩定超級防線，對于確保我國大規模交直流互聯電力系統的安全穩定運行、防止電網發生大面積停電事故具有重要意義。

　　參考文獻

　　[1] 劉振亞.加快建設堅強國家電網促進中國能源可持續發展[J].中國電力，2006，39(9)：1-3. Liu Zhenya.Accelerate the construction of a strong national power grid to promote the sustainable development of energy in China[J].Electric Power，2006， 39(9)：1-3(in Chinese).

　　[2] 何大愚.對于美國西部電力系統 1996 年 7 月 2 日大停電事故的初步認識[J].電網技術，1996，20(9)：36-39. He Dayu . A preliminary understanding of WSCC disturbance and separation on July 2，1996 in the United States[J].Power System Technology，1996，20(9)： 36-39(in Chinese).

　　《基于響應的電力系統廣域安全穩定控制》來源;《中國電機工程學報》，作者：湯涌