韩祯祥，曹一家

（浙江大学电气工程学院，浙江省 杭州市 310027）


POWER SYSTEM SECURITY AND ITS PREVENTION

HAN Zhen-xiang，CAO Yi-jia

（College of Electrical Engineering，Zhejiang University，
Hangzhou 310027，Zhejiang Province，China）

    ABSTRACT: Power system security and its recent development is introduced. Based on the analysis of various factors influencing power system security and current technological developments, some strategies are proposed to enhance power system security and to prevent the blackouts. Some views on the future research methodology and directions are also presented. 
　　KEYWORDS：Power system；Security；Wide area；Multi-agent system

　　摘　要：作者介绍了电力系统安全性问题及其研究动态，从分析影响电力系统安全性的各种因素出发，结合目前的技术手段，就如何加强电力系统的安全性，防治大停电事故提出了一些措施，并对今后在该领域研究中应采用的方法和研究方向提出了一些看法。
　　关键词：电力系统；安全性；广域；多智能体

1 引言
　　随着社会经济的发展，科学技术的进步及人民生活水平的不断提高，人们对电力的需求和依赖性越来越大，对安全稳定供电的要求越来越强。 然而, 由于受到电力系统自身原因和外部干扰的影响，电网事故时有发生, 这不但使电力经营企业的经济效益受到损失, 而且对电力用户和整个社会都将造成严重的影响。自20世纪60年代以来，世界各国均发生过因电力系统稳定破坏而导致的大面积停电事故。1996年7~8月美国西部接连2次大停电事故，美国总统认为停电事故已“危及国家安全”。2003年下半年在北美和加拿大、英国伦敦、瑞典-丹麦、意大利都先后发生过大面积停电事故，震惊世界。特别是，2003年8月14日美加大停电波及5000万人口的供电范围，造成重大经济损失，是美国历史上最严重的停电事故。
　　在我国，近20年来，各大电网发生的大停电事故有100余起。在西电东送，南北互联的条件下，我国将形成全国联网的巨型电力系统，如果出现电力系统重大事故，其规模和造成的损失有可能大幅度增加。因此，保证大规模互联电力系统的安全、稳定和经济运行是一个重大而迫切的问题，必须作为一个重大战略问题来解决。

2 电力系统的安全性问题
2.1 现代电力系统的安全性问题
　　电力系统的安全性是指系统在发生故障情况下, 系统能保持稳定运行和正常供电的风险程度^[1]。传统的电力系统安全性主要是在发生故障情况下，研究电力系统本身的动态特性，包括系统的功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性、系统解列、热过载等。 这类研究一般是针对单一故障的，而大面积停电事故则通常是连锁事件的复杂序列。
　　随着现代通讯技术和信息技术的发展，为了保障大电网的安全和经济运行，各种信息系统， 如调度自动化（SCADA/EMS）、配电网自动化系统（DA）和变电站综合自动化系统（SA），电力市场技术支持系统等在电力系统领域里得到了广泛应用。图1给出了现代电力系统的整体构架，电力系统与信息系统、通信系统已经融合成为高度集成的混杂系统，电力系统的监测和控制越来越依赖于信息系统和通信系统的可靠运行。信息系统中的计算机系统是核心，计算机系统的维护不当是8.14美加大停电的基本原因之一。一个关键通信系统发生故障会使整个系统陷于瘫痪，进而失去可控性和可观测性。因此，必须把电力系统安全性的概念加以拓展。

　　最近一些研究人员提出了电力系统脆弱性（Vulnerability）的概念，作为电力系统动态安全评估的一种新的框架。脆弱性一词经常出现在环境、生态、计算机网络等领域的有关文献中, 用来描述相关系统及其组成要素易于受到影响和破坏, 并缺乏抗拒干扰、恢复初始状态（自身结构和功能）的能力。它们在不同的学科中有不同的含义。对于电力系统脆弱性，可定义为：电力系统因人为干预、信息、计算机（软、硬件）、通信、电力系统元件和保护控制系统等因素，而潜伏着大面积停电的灾难性事故的危险状态^[2]。系统脆弱性与系统安全性的水平和在系统参数变化时系统安全性水平的变化趋势这两类信息密切相关^[3]。在这个概念中, 人们对它们设定一个可被接受的基准值, 当系统安全现状被评估后，系统安全性水平和它的变化趋势也就被确定下来。系统是否脆弱取决于它们是否高于或低于设定的基准值。
2.2 电力系统安全性问题的影响因素
　　影响电力系统安全性的因素很多，对于组成现代电力系统的基础设施而言, 可分为内部因素和外部因素。
　　（1）内部因素：
　　1）电力系统主要元件故障：发电机、变压器、输电线故障；
　　2）控制和保护系统故障：保护继电器的隐性故障^[4,5]、断路器误动作、控制故障或误操作等；
　　3) 计算机软、硬件系统故障；
　　4）信息、通信系统故障：与EMS系统失去通信、不能进行自动控制和保护、信息系统的故障（造成信息的缺损或者得到的信息不可靠）或拥塞、外部侵入信息/通信系统（如黑客的入侵）；
　　5）电力市场竞争环境的因素：电力市场中各参与者间的竞争与不协调、在更换旧的控制和保护系统或发电装置上缺少主动性；
　　6）电力系统不稳定：静态/暂态/电压/振荡/频率不稳定等。
　　（2）外部因素：
　　1）自然灾害和气候因素：地震、冰雹、雷雨、风暴、洪水、热浪、森林火灾等；
　　2）人为因素：操作人员误操作，控制和保护系统设置错误、蓄意破坏（包括战争或恐怖活动）等。

3 电力系统安全性的防治措施
3.1 加强电网建设，降低事故概率
　　电力工业是需要长期和超前投资的工业，大的发电厂的建设要5~10年，寿命约为30年。所以，要求厂（发电厂）网（电网）协调、统一规划、超前建设、合理结构，以保证电力系统的安全运行。特别要加强电网建设（加强远距离输电网、受端电网和二次系统）以提高电网安全可靠性，降低事故概率，减少停电损失。
　　在2003年8月14日发生的美加大停电事故中美国官方提出电力供应网的“古老和陈旧”，也就是设备的老化问题，是电力系统发生故障的严重隐患。据统计，在发达国家中，发电设备的寿命在30年以上的自1990年的12%增加到2000年的31%，预计到2010年将达到50%。同样地，在输电和配电领域，很大一部分的基础设施的寿命已接近70年。另一方面，很多几十年前设计的设备已不适应先进的数字化技术。所以，电力设备老化问题是发达国家普遍存在的问题。更换老化了的设备需要新的大规模投资。但是，电力工业市场化后，市场参与者关心的是今天和明天的利益，而不是20年以至30年的利益。在过去的十年中，由于竞争的压力、市场的不完备和管制的不确定性，在一些进行电力工业改革的国家中的投资已保持在一个较低的水平，以美国和瑞典为例，发电的高峰备用已由1990年的20%降到2000年的10%。所以，对于电力系统的建设要有全面规划，要建立一定的监管制度和投资激励机制，使电力工业的发展能满足电力系统运行安全性的要求。
3.2 加强电力系统监控和管理
　　电力系统的互联使得在广阔的地域内进行资源的优化配置，互通有无，相互支援成为可能。但是，在紧密相连的互联电力系统中，一个局部故障能迅速向全系统传播，会导致大面积停电。所以，在事故处理上，要求反应迅速，高效统一。以美国为例，从1996年美国西部两次大停电和2003年8月14日大停电事故的情况来看，美国的电力系统监控和管理方面有很多值得改进的地方。在美国有3000多家电力公司在广袤的北美大地上各自经营着总容量约900 GW的电力工业，虽然3000多家电力公司的电网是互联的，形成北美庞大的电力系统，但它们的调度和管理则是各自为政的，也没有一个监控全国或一个大区域互联电力系统的组织和机构来统一负责和协调全系统的安全运行和事故后的故障处理。在一个互联电力系统的某一部分出现故障后，互联的电力系统的其他部分在故障波及以前往往还不知道事故的发生。所以，在一个互联的电力系统中，统一电网管理，统一电网调度，建立完善的安全运行制度是保证电力系统安全可靠运行的重要条件。要通过定期的培训来不断提高调度和运行人员的素质，特别是应对突发事件的能力。美国Grid2030研究计划的研发项目中，建议2010年建成国家电网控制中心，强调输配电电网和通信信息网的结合。
　　为了改善电网的运行环境，减少外力和自然界对电力系统设备的破坏，要做好日常的维护工作，例如，及时修剪输电走廊的树枝，以免发生美国几次大停电事故中因导线与树枝间发生闪络而诱发的大面积停电事故。
3.3 加强与电力系统安全紧密相关的基础研究
　　由不同容量发电机、不同电压等级和长度的输配电线路以及不同容量和特性负荷组成的电力系统是一个典型的复杂大系统，呈现高维、非线性、时变、信息的不完全性、广域（大范围跨越时空）互联性和微分代数的复杂特性。这个大系统的时空运行历来就是一个非常困难的学术和工程问题[6-16]。目前急需建立新的理论和方法体系（建模、分析、模拟、仿真、预测、和控制方法），有效地解决复杂电力系统所面临的关键问题，比如跨区域电力系统长期动态行为分析与仿真，系统连锁故障防御与控制等等课题，以保证电力系统的安全、可靠的管理和运行。
　　要及早研究和开发广域的、智能的、自适应的电力系统的保护和控制系统，它集成了电力系统、广域保护和控制以及通信基础设施（包括GPS技术），能提供实时的关键和广泛信息，预见可能出现的问题，迅速地评价系统的薄弱环节，及时完成基于系统分析的自愈合和自适应重构动作等的防御措施，将形成全国复杂联合电力系统的强大反事故能力，以避免发生灾难性的事故，保障电力系统的安全稳定运行。 
　　世界各国非常重视电力系统安全性方面的研究。在美国，由美国国防部陆军研究办公室（Army Research Office）和EPRI联合资助的复杂交互网络/系统创新项目（Complex Interactive Networks/ Systems Initiative，CIN/SI），是政府和工业联合资助为期5年的3000万美元大型研究项目，共有28个大学和2个电力单位参加这个项目，这个项目从1999年春天开始，研究的目的旨在探索新的技术环境下电力系统安全运行的新理论与新方法。
　　在这方面，欧洲正在进行两个大项目OMASES（Open Market Access and Security Assessment System）和EXaMINE（Power Security in the New Market Environment）。其中OMASES是由欧盟部分支持的工业研究项目，从2001年开始进行，参加人员包括工业界、研究单位、大学和系统运行人员。这项目的内容有：暂态稳定评估，EMS运行人员的培训仿真器，市场仿真器。准备接入现有的EMS系统或在新的EMS中应用。目前正在意大利和希腊进行现场测试和验证。
　　2003年7月，美国能源部主持召开了“美国电力传输技术展望”专题研讨会。会议提出了美国电网发展的Grid2030研究计划，会议主要提出将建立国家电网作为Grid2030的目标。研发项目中还建议2010年建成国家电网控制中心，达成了实现全国联网的一致观点。
　　在我国，由国家重大基础研究计划（973计划）所资助的首批10个重大项目中，就有电力系统灾变防治与经济运行重大科学问题的研究项目[9,10]，并组织国内诸多单位进行了研究，取得了许多成果，已于2003年通过验收。目前，有关部门正在进一步组织电力系统安全性的重大研究项目。
　　与电力系统安全性紧密相关的基础研究，需要长期的，持续的，高额的投入。建立（类似资助基础研究的）国家的或电力企业的研究基金，是一种有效的办法。基础研究将为平时和特殊条件（如战争）下的电力系统安全运行提供理论和实践的成果；要列入国家中、长期科研发展规划；要开展国际间的合作，从已发生的事故中吸取有益的教训。
3.4 研究自然灾害和人为破坏（包括战争和恐怖活动）对电力系统安全运行的影响
　　在现代化社会中，由于社会活动和人民生活与电力供应密切相关，电力工业与灾害防御系统、通信系统、军事命令和控制系统、公共卫生系统等一样，应列入有严重后果的国家基础设施，这些系统的安全和可靠的运行是国家经济、安全和生活质量的根本。所以，作为国家的主要（或关键）基础设施之一，要研究自然灾害和人为破坏（包括战争）对电力系统安全运行的影响，科学地区分各种预警和紧急状态，建立相应的反应灵敏、高效统一的应对策略和应急措施。

4 若干与电力系统安全性紧密相关的基础研究方向
4.1 开展广域电力系统的建模和综合能源及通信系统体系结构（IECSA）的研究
　　多年来，大规模电力系统动态行为分析一直受到广泛关注。但随着电网的互联、多馈入交直流混合输电方式的出现、大功率电力电子设备的应用，电力系统中出现的诸如超低频振荡等各种动态行为和特征严重影响大电网的安全运行，迫切需要进一步搞清机理，提出控制方法和措施。电力负荷模型的建立是这一研究领域中的关键问题，包括电力负荷模型的复杂性和不确定性的辨识理论和方法，电力负荷模型的宏观结构识别等。
　　随着信息技术的发展，电力系统与信息系统、通信系统已经融合成集成的混杂系统。传统的对电力系统的研究方法已经难以处理这样的复杂系统，需要在建模、分析、仿真、预测和控制等方面建立新的理论和方法体系，有效地解决复杂电力系统所面临的关键问题，以保证电力系统的安全运行。必须同时考虑和研究电力系统、信息系统、计算机系统、通信系统的交互和综合，在建模上要考虑多个网络的平行，多个物理过程的平行，以及多类元件的平行。要充分应用实时的量测信息，发展分布式的实时计算。美国电网发展的Grid2030研究计划提出建设“综合能源及通信系统体系结构”（Integrated Energy and Communication System Architecture，IECSA），并作为重大项目已经组织研究。
　　长期以来，电力系统安全性评估的研究主要集中于电力系统本身建模和故障的计算，没有考虑与之密切相关的信息系统和通信系统模型。这是因为信息系统和通信系统的模型尚未建立，对信息系统与电力系统之间的交互影响更是缺乏系统深入的研究，这迫切需要应用复杂交互系统与分布式人工智能的相关理论来应对电力系统的不断扩展所带来的复杂性，发展新的电力系统安全性评估理论。
　　多智能体系统（multi-agent systems）可望能为以上问题的解决提供新的途径[17,18]。对于电力系统，它主要是将网络中各个成员视为一个能独立完成某些任务的分布自治的智能体，然后通过多个智能体的交互与协作，达成各成员作用的相互协调，实现系统的整体控制目标。最典型的电力系统分级办法就是将系统分为：发电、输电、配电和用电等系统。在电力市场环境下的多智能体结构，可以是独立发电者、输电服务提供者、辅助服务提供者等。表面上看起来这种分级方法是传统分级控制技术的引申和扩展，但其间有明显的差别，如控制策略的优先权限和最终目标的界定。对于通信系统与信息系统， 也有专门的建模方法和工具。 如通信系统对应于communication agent, 信息系统对应于Information agent。这种分级方法为多智能体分层结构中准确模拟各个层次间相互作用奠定了基础。 多智能体系统所具有的资源共享、易于扩张、可靠性强、灵活性强、实时性好的特点非常适用于解决大规模电力系统这类复杂系统的建模、控制和分析评估任务，有望为实现广域电力系统实时分析、全局协调控制提供新的途径。
4.2 开展广域电力系统的信息理论与应用研究
　　广域电力系统的信息分布广、数量多，要有一个先进和可靠的分层、分区的信息系统，使及时和正确地传送广域信息能得到保证，并对信息进行有效的处理，以实现对全系统的实时监控。为此，要有一个实时平行的故障诊断系统，在海量的实时信息（包括测量信息，设备“健康”状态等）中及时诊断和预测未来可能出现的或潜在的故障。
　　随着国家电力数据网（SPDnet）的建设，调度自动化（SCADA/EMS）（(SA)的发展和普及，各种信息管理系统（如生产管理系统、营销管理系统）、地理信息系统（GIS）、电力市场技术支持系统以及电网运行的其它信息系统等在电力系统领域的应用，都表明信息技术已越来越融入到电力系统中。然而，目前电力系统在信息处理技术上还比较落后，主要表现在信息的加工还处于低层的数字信号处理阶段，信息的采集重复性较大，未能实现信息的优化，造成硬件建设的复杂与控制回路的复杂； 信息的应用过于简单。作为复杂大系统的信息处理技术，应该具有多信息量、多层次、多综合等优点和特点，能适应与应用到运行方式变化大、系统结构复杂的电力系统中来[19]。改变目前电力系统信息处理模式将是电力系统领域研究的新课题。
　　电力信息系统是一个问题域十分复杂、庞大或不可预测的系统，唯一的解决方法是开发大量有特殊功能的模块化成分（智能体），专门用于解决问题的某个特定方面。在出现相互关联的问题时，系统中的各智能体相互协调，可以正确处理这种相关性。应用智能体对信息融合算法的改进，增加系统的反馈算法，改变了原有的简单的单向从低层到高层的环境信息和知识传输，使高层同样可以向低层传输规划和管理信息。这个信息融合系统就具有完整的观测、融合、决策和协调功能。因此，基于多智能体系统的分布式信息处理技术是这一领域颇有应用前景的研究方向。
　　同时, 信息技术的负面影响也波及电力系统。黑客的入侵使电力系统的安全增加了新的内涵，其影响亦需进一步的研究。
4.3 开展广域电力系统安全防治系统的研究
　　为了防治广域复杂电力系统中可能出现的大面积停电事故，要开发广域的、智能的、自适应的并与电力系统的分层和全局协调的保护和控制系统。它集成了由电力系统、广域保护和控制以及通信基础设施，能提供实时的关键和广泛信息，预见可能出现的问题，迅速地评价系统的薄弱环节，及时完成基于系统分析的自愈和自适应重构动作等的防治措施，以避免发生灾难性的事故。它与传统所用的方法和技术的不同之处是，后者只基于局部量测信号的局部控制动作，只关心个别设备的状态；而前者则基于广域信息的安全性评估，在故障发生后将故障局部化，使故障不致发展为大面积停电的重要技术措施。继电保护应从传统的元件保护扩展到系统保护，同时要研究继电保护装置隐性失效对连锁故障的影响。紧急控制系统应实现在线决策，提高控制的速度和有效性。
　　实现广域电力系统安全防治系统，必须基于广域测量系统（WAMS）， 实现对电网的实时监视、实时仿真和实时控制。广域电力系统安全防治系统的主要目标是：
　　（1）事故的超前发现或预测系统事故。根据系统的状态，过负荷或输电线路弧垂等情况，采用先进的算法进行预测。对电力设备“健康”状态进行实时监控和根据电力设备的状态进行检修管理，以避免因设备老化或故障（失效）而引起的系统事故。要在线监视输电线路的热极限。若干大停电事故的起因都是静态潮流问题，动态问题随后加剧了系统崩溃。
　　（2）对系统故障的快速反应。如故障的早期隔离、过负荷元件的超前解除过负荷状态，以及其它避免事故扩大的措施。
　　（3）尽快使系统得以恢复，也就是尽可能快的使失去供电的负荷恢复供电，并使系统回到正常运行状态。重视事故恢复计划的准备，尽可能在电网和电源建设阶段就考虑事故恢复问题，如完备的“黑启动”方案。恰当的事故恢复计划可以减少事故停电损失。发展分散电源也为事故后的快速恢复创造条件。
　　（4）在系统正常运行时，校正系统的运行性能，使其保持安全性，即承受故障的能力更高。
　　最近研究人员提出了系统保护终端（System Protection Terminal，SPT）的思想[6]，如图2所示，终端接于变电所的控制系统。为了应用时标，需要有GPS功能。SPT具有高速通信界面，在终端数据库间进行电力系统数据交换，数据库中有该变电所所有实时刷新的量测值和信号，以及为该变电所控制所需的其它SPT数据。
　　进一步发展综合的多层结构，将相位测量、保护和EMS组合在一起，形成广域保护和监控网络。如图3所示，由几个SPT组成地区保护中心（Local Protection Center，LPC），而系统保护中心（System Protection Center，SPC）则是LPC的协调机构。这种三层结构的设计可分阶段实施，第一阶段的目标是开发监控能力（如广域测量系统WAMS），主要目的是改进事故后的分析运行员的信息和状态估计，下一部再由WAMS发展为保护和控制系统。也可有另一种“平结构” ，SPT用环形结构与其他SPT直接通信。这样的结构很容易用多智能体系统的结构来实现。

5 结束语
　　保证大规模互联电力系统的安全、稳定和经济运行是一个重大而迫切的问题。本文介绍了电力系统安全性问题及其研究动态，从分析影响电力系统安全性的各种因素出发，结合目前的技术手段，就如何加强电力系统的安全性，防治大停电事故提出了一些措施，并对今后在该领域研究中应采用的方法和研究方向提出了一些看法。

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