电力是国家能源发展战略布局的重要组成部分。电网是能源产业链的重要环节，具备优化能源资源配置方式、提高能源资源配置效率的基本功能。电网越坚强、覆盖范围越广，越有利于提高能源优化配置的规模和效率[1]。但是，随着新能源发电、直流输电、电力电子装置等大量使用，电力系统的规模和复杂性日益增加，给电力系统安全稳定运行带来更大的挑战。近些年，国内外不断发生大规模的停电事故，如：1996 年 7 月 2 日和 8 月 10 日美国西部电网的 2 次大停电[2-3]，2003 年 8 月 14 日美国–加拿大东部电网大停电[4]，2003 年 9 月 23 日瑞典–丹麦电网大停电[5]，2003年9 月28 日意大利电网大停电[6]，2006 年 11 月 4 日欧洲电网大停电[7]，2009 年 11 月 10 日和 2011 年 2 月 4 日的巴西电网大停电[8-9]，2012 年 7 月 30 日和 7 月 31 日印度电网 2 次大停电[10]，以及 2005 年 9 月 26 日海南电网大停电[11]，2006 年 7 月 1 日华中(河南)电网停电事故[12]等。这些停电事故都造成巨大的经济损失和社会影响，也说明现代电力系统的安全稳定控制体系还不够完备，电力系统安全稳定控制问题还没有得到彻底解决。本文依据电力系统广域测量、实时通信、稳定分析等技术当前和未来可能的发展，探讨构建防止电力系统发生稳定破坏和大面积停电的电力系统安全稳定超级防线——基于响应的电力系统广域安全稳定控制系统。
1 电力系统安全稳定三道防线措施
1.1 电力系统安全稳定三道防线电力系统安全稳定三道防线[13]是指电力系统受扰动后尽可能地保持电力系统稳定运行、不发生大面积停电事故的安全稳定控制体系，主要是指保证电力系统受到扰动后的安全性和稳定性的措施。第 1 道防线是快速切除故障元件，防止故障扩大。主要由性能良好的继电保护装置构成，要求能够快速、精确、可靠地切除故障元件，将故障的影响限制在最小范围内，有效防止故障扩大。第 2 道防线是采取必要的切机、切负荷、解列、直流调制等安全稳定控制措施，防止系统失去稳定。主要由电力系统安全稳定控制装置构成，要求能够准确、可靠的动作，保证电力系统能维持稳定运行。第 3 道防线是在系统失去稳定后，为防止发生大面积停电，尽可能地缩小事故的影响范围，而采取的一切紧急措施。主要由失步解列、高频切机、低频切负荷、低压切负荷等自动装置和调度运行人员采取的紧急措施构成，要求能够有效防止大面积停电。
1.2 三道防线的基本措施分析第 1 道防线措施，主要由各类继电保护装置构成。目前继电保护技术已经比较成熟，基本上能够精确、可靠地切除故障元件。但是，由于继电保护装置的动作时间存在分散性，目前我国电力系统安全稳定计算分析中，采用的故障切除时间还比较长(如 500 kV 以上电压等级线路的故障切除时间为：近端 0.09 s，远端 0.1 s)。所以，如果继电保护装置在故障切除速度上有所提高，将能更有效地提高电网的功率输送水平。另外，继电保护装置的隐性故障，往往是电力系统停电事故的起因，如：2006 年 7 月 1 日华中(河南)电网停电事故的起因[14]，就是由于继电保护存在隐性故障 (装置内部逻辑设置与下达的定值要求不符合)而误动作，导致河南电网 500kV 系统 N−4 故障。因而，继电保护装置的隐性故障将是今后需要重点解决的问题。第 2 道防线措施，目前一般采用基于事件的安全稳定控制技术，主要有 2 种类型：一是“离线决策，在线匹配”，即利用电力系统仿真计算软件，针对不同的运行方式和给定的故障集合，通过大量的离线仿真计算，找出对应故障集合所需要采用的安全稳定措施，形成安全稳定控制策略表，当系统发生故障时，则按照策略表给定的控制措施进行控制;二是“在线决策、在线匹配”，即利用电力系统在线仿真计算软件，针对当前的运行方式和给定故障集合，通过在线仿真计算，形成安全稳定控制策略表，当系统发生故障时，则按照策略给定的控制措施进行控制，这样就可以避免“离线决策”中运行方式不适应的问题。第 3 道防线措施，目前一般采用预先设定的薄弱断面或区域电网安装的基于就地信息的自动控制装置，包括失步解列装置、低压自动减负荷装置、低频主动减负荷装置、高频切机装置等。
2 基于响应的广域安全稳定控制系统框架
由于基于事件的“离线决策，在线匹配”和“在线决策，实时匹配”构成的电力系统安全稳定第 2 道防线措施和基于就地信息的电力系统安全稳定第 3 道防线措施存在失效的风险，已经难以满足大电网安全稳定运行的要求。因此，需要研究电力系统安全稳定控制“实时决策、实时控制”的基础理论、控制原理，充分利用广域测量技术和高速通信技术，构建基于响应的电力系统广域安全稳定控制系统，实现“实时决策，实时控制”。基于相量测量装置(phasor measurement unit， PMU) 的广域测量系统 (wide-area measurement system，WAMS)已经日趋完善。借助高速通信网络，能够实现测量数据空间上的广域和时间上的实时同步。为基于响应的电力系统广域安全稳定控制奠定了基础。
3 基于响应的广域安全稳定控制的关键技术
1)广域动态特征信息提取。广域测量信息具有全局性、实时性和连续性的特点，其信息量十分巨大。基于响应的电力系统广域安全稳定控制要从海量的测量数据中选取能够系统安全稳定特性的信息，进行快速安全稳定判断。所以，需要根据系统的安全稳定特点和快速安全稳定判断的要求，提取必要的广域动态特征信息，如功角稳定判断时的功率–功角特性曲线，发电机动能–功角曲线，角速度–功角相轨迹等，电压稳定判断时的母线电压，功率–电流曲线等，频率稳定判断时的频率轨迹曲线等。 2)受扰轨迹预测。系统受扰动后的扰轨迹预测，能够预知系统受扰轨迹的变化趋势，从而可以尽可能早地判断系统的安全稳定情况，为紧急控制系统提供足够的决策时间。基于广域测量信息的安全稳定受扰轨迹预测，一般可分为无系统数学模型的预测方法和有系统模型的预测方法 2 大类。 3)系统稳定性判别。基于响应的电力系统广域安全稳定控制技术的关键是快速、可靠、不依赖于全系统仿真计算的安全稳定判别方法。要求能够基于广域实时测量信息，对电力系统的暂态功角稳定、动态功角稳定、电压稳定、频率稳定、以及振动中心等电力系统安全稳定特征进行实时判别，并能够给出主导失稳模式。因此，需要根据不同的安全稳定分析方法，形成有效的安全稳定判据，直接使用广域实时测量数据进行稳定性识别，为电力系统安全稳定控制的 “实时决策，实时控制”奠定基础。
4 基于响应的广域安全稳定控制技术研究新进展
长期以来关于基于响应的电力系统广域安全稳定控制技术的研究，已取得一定成果，但仍比较分散没有形成体系[17-71]。近年来，在国家电网公司科技项目的支持下，中国电力科学研究院牵头对笔者提出的基于响应的电力系统广域安全稳定控制相关技术进行系统研究，并取得重要的进展[72-92]。 1)提出一种预测模型参数自适应调整技术，可以跟踪受扰轨迹的非线性变化，利用最新的测量值，及时调整观测次数、模型阶数和预测步长的取值，从而实现总体最优预测性能。模型参数自适应技术主要分为内外 2 部分循环计算，内循环计算根据预测模型得到预测结果，外循环计算基于最新测量值，根据模型参数自适应调整原则，及时修正模型参数，提高模型的适应能力。 2)提出一种基于功率–相角–频率的快速判据，该判据只需要有限的、关键的特征信息，具有快速性和实用性。在进行失稳识别时，首先判断系统是否进入不稳定区域，然后判断系统是否有趋于失稳的倾向，最后判断系统是否会越过不稳定平衡点，准确地判别暂态功角失稳。 3)提出一种基于转速差–功角差变化趋势的判别方法。该方法根据电力系统功角失稳过程一般首先表现为两群失稳模式的特点，以其在相平面运动轨迹的变化特征为基础，判断暂态过程中电网机群间是否能够保持同步运行。该方法依赖于发电机功角和转速的响应信息，计算方便快捷，可以作为暂态功角稳定紧急控制的启动判据。
5 结论
基于相量测量装置的广域测量系统日趋完善，借助高速通信网络，就能实现测量数据空间上的广域和时间上的同步，为基于响应的电力系统广域控制系统的开发和应用奠定了基础。全面深入地研究基于响应的电力系统广域控制技术，构建电力系统安全稳定超级防线，对于确保我国大规模交直流互联电力系统的安全稳定运行、防止电网发生大面积停电事故具有重要意义。
参考文献
[1] 刘振亚.加快建设坚强国家电网促进中国能源可持续发展[J].中国电力，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.对于美国西部电力系统 1996 年 7 月 2 日大停电事故的初步认识[J].电网技术，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).
《基于响应的电力系统广域安全稳定控制》来源;《中国电机工程学报》，作者：汤涌
