电力系统安全防御

1日
电事故
Penang），发生大停电事故，停电持续约4个小时。
1996年8月 马 来 西 亚 大 停 北部为受电系统，由于机组纷纷解列，有功缺额高达2143MW，
3日
电事故
而低频减载容量仅为1580MW，16秒后系统崩溃。
2020/7/13
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
2020/7/13
涉及的重大科学问题1—协同仿真理论与方法
东北仿 真系统
数据 交换
华北仿 真系统
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
2020/7/13
术
电力系统 实施控制
2020/7/13
设计对策
结构、参数 和动态不确 定性非线性 系统的保护
与控制
电力系统广域安全防御系统的基本框架
理想模型 和参数
能量管理 系统
广域功角 测量系统
精确模型和参数
静态安全评估
系统 SSA
电力
调度自动化与 校正控制
动态安全评估
系统 DSA
市场 化
动态稳定性 控制
暂态安全评估
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 —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
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
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大规模电网动态安全防御的基本思想
相角测量装置 广域信息系统
实测状态
预测未来
基于准确 数学模型 模型的多 时间尺度 仿真理论
和算法
解决广域 保护、控 制和高速 信息系统 的关键技
4600公里
川渝 ChuanYu
华中 Centre
2020/7/13
东北
Northeast
四大区电网互联所产生的安全性问题
东北
1、0.13HZ超低频振荡问题
AC 华北
7.8秒
AC
AC
川渝
华中
2、联络线大功率振荡问题 100MW
2020/7/13
四大区电网互联所产生的安全性问题
东北
AC 华北
3、多数500千伏线路稳定极限下降 1200MW 600MW
GPS
V
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
超大规模电力系统动态行为分析与特征研 究
大电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
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涉及的重大科学问题1—精确建模和参数
世wenku.baidu.com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。
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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
纽约三次大停电事故—重复性
时间 2003.8.14
1977.7.13
事故名称 美国东北 部大停电
纽约大停 电事故
损失情况
整个系统损失61,800 MW负荷，停电范围超过 二万四千平方公里，受影响区域的人口达 5000 万。单纽约地区停电29小时，直接损失300亿 美元。
中国区域电网现状
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
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中国大区电网互联基本框架
新疆
西北
Back to back or DC
DC
AC 华北
东北
Back to back AC
AC
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
一、国家能源发展与安全战略的迫切需求
2003年，电力系统两大事件：大停电与大范围缺电
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。
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”。
月14日
停电
电
2003年9月 意 大 利 大 停 电 6,400MW的功率缺额，最后导致频率崩溃。
28日
事故
意大利
马来西 亚 马来西 亚
1994年8月 意 大 利 大 停 电 解列后由于低电压使低频减载不能全部动作。
24日
事故
2003年9月 马 来 西 亚 大 停 马 来 西 亚 北 方 5 个 州 （ Perlis, Perak, Kelantan, Kedah ，
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
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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 厂网分开后的调度权受到限制，以安全性
2020年西电东送方案
传输功率 1.2亿千瓦
京津唐
500kv 330kv 220kv
火电厂 水电厂 核电厂 变电站
2020/7/13
长江三 角洲
珠江三 角洲
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
停电时间达25h，停电引起贫民区纵火与抢劫， 华尔街计算机停电，损失价值超过百万人小时。
1965.11.9 美国东北 最长停电时间达13h，影响居民3000万人，直 部大停电 接经济损失达1亿美元。
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国外近期发生的其他停电事故—频发性
国家 美国 美国 美国 意大利
发生时间 事故名称
感应电机的典型转矩-滑差非 线性特性
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
动态系统
Xt f (Xt,S, P,U)
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
0 (Xt , S, P,U )
大区电力网络功率潮流分布
0 美
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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
中
俄
日
加
德
GW
1050 900
2020年中国装机容量将达到9.5亿千 瓦
750
600
450
300
150
0 2003
2020/7/13
2005
2008
2012 2015
2020
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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
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
2020/7/13
涉及的重大科学问题1—协同仿真理论与方法
东北仿 真系统
数据 交换
华北仿 真系统
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 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。
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
2020/7/13
涉及的重大科学问题1—精确建模和参数
2、理想模型和参数对美国西部电网分析的影响
美国西部电网1996年8月10日大停电，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
AC
AC
川渝
华中
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4、暂态不平衡功率跨区域传播
二滩电厂机组摇摆
电力系统的复杂非线性结构
区域1
功率交换区域
区域2
X(pu 1率0)0输％出功5率00输％出功
30％功 率输出
R(pu)
发电机失磁非线性特性
线路传输功率非线性特性
P
UiU X ij
j
sin(i
j)
直流输电换流器电压非
线性变换公式
Ud
3 2U
cos
P
ab
Pm
M
a b 90°
180°
发电机输出功率非线性曲线
发电机转子功角非线性特性
1 (Tm D( 1) Te) M
变压器铁心 磁饱和非线
性曲线
0
B i
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Te 电动机
发电机
1.0
0.5
0
0
0.5ns ns
滑差s (pu)
-0.5
1.5ns 转速
ns:同步速
系统 TSA
运行
保护与暂态稳 定控制
紧急安全评估
系统 ESA
机制
系统解裂与恢 复控制
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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,Q
GPS
V
同步卫星
微波 5-10s
V,I,P,Q
2020/7/13
控制中心
GPS
V
光纤 50-100ms
V,I,P,Q
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。
2020/7/13
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，使电力设 备的安全性水平降低
1、不同的模型和参数对东北和华北电网互联的影响
断面名称
模型一
模型二
模型三 模型四
黑龙江东部送出断面
（MW）
黑吉断面（伊敏开两台机 出力900MW）
（MW）
吉辽断面
（MW）
615 843 1500
1200 1236 1968
1205
1210
1476
1387
1985
1750
模型一：50%恒定阻抗+50%电动机 模型四：IEEE-6型马达参数
山东
Back to back
川渝
AC
DC
西藏
南方
2020/7/13
华中 3DC
DC Back to back 福建
sea cable
海 南
华东
AC
超大型 同步电网
2005年西电东送方案
传输功率 15000MW
京津唐
500kv 330kv 220kv
火电厂 水电厂 核电厂 变电站
2020/7/13
珠江三 角洲
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8.14美加大停电事
故在中国重演。
2020/7/13
GW
406 300 250 200 150 100 50
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
2020/7/13
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
事故描述
1996年8月 美 国 西 部 网 大 系统解列成四个孤岛，事故影响9个州750万用户
10日
停电
1996年7月 美 国 西 部 网 大 系统解列成五个孤岛，事故影响14个州200万用户
2日
停电
1994 年 12 美 国 西 部 网 大 系统解列成东西南北四个大岛，事故影响到14个州200万人的用
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
2020/7/13
2003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，
华北 North
装机容量超过
1.4亿千瓦，南
北距离超过
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
2020/7/13
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，