1 引言
“8.14”大停电引发了世界范围内对于防止大电网大面积停电的研究热潮[1-5]。我国电力系统本属于弱联系系统，但却面临着大区域互联和电力市场改革的严峻挑战，互联后的系统也将同目前的西方电网一样潜伏着大停电的危险，因此研究大电网的安全防御已成为当务之急。
我国电网虽有很多不足之处，但却从未发生过世界级别的大停电事故，这个结果并非偶然，主要归功于以下几条经验：
（1）有集中的调度体制[6]。
我国实行的集中调度体制是安全运行的重要保证。在美国只有省调，其上层没有网调，出现问题时平级协调，称作协议调度。因此，发生故障时，各自保护自身的利益，难以统一行动。
（2）将“安全第一”作为调度的首要任务。
电力系统是典型的非线性复杂系统，其状态间的变化关系复杂，影响安全运行的偶然因素多，难以预测，因而在决策过程中就有可能做出保守和乐观的两种选择。将安全作为首要任务是保守的，但另一方面也消除了发生大面积停电的隐患。今后的电力发展中，市场的比重将不断加大，不可能象从前那样能消除所有的重大危险于萌芽之中，因此必须面对可能时刻发生的潜在危险。从这个意义上讲，我们不能放松对大停电的警惕。
（3）调度员处理事故时敢于舍弃（切机、切负荷、解列），保全整体。
决策选择是乐观还是保守，不仅表现在平时的预防性控制中，更表现在紧急事故处理中。由于受各种外界因素的制约，国外调度员在处理事故时不敢轻易做出放弃，容易错过放弃局部、保全整体的最佳时机，因而产生了扩大危险的可能。多年的运行经验也说明，在处理紧急事故时敢于舍弃并不是权宜之计，而恰恰是防止发生大停电的有效手段。
（4）稳定控制效果显著。
在电网安全稳定控制研究方面，我国取得了很多在国际上领先的研究成果。这些最先进技术的应用，加之调度员对安全稳定控制工作的重视，保证了我国电网安全稳定控制的高水平。据统计，1996年以来，我国未出现过大范围的电力系统稳定事故。
（5）互联电网多为弱联系系统。
我国虽地域广阔，但电网却为弱联系系统，大区电网间的交换功率小，并且在联络线上都装有解列装置，因此在故障发生后，大区域电网能尽早解列，有效地隔离事故，防止事故波及到相邻的大区电网，有效防止了大事故发展为恶性事故。
防止大停电的经验是宝贵的，但它又不是简单的总结能彻底说明的。如果能将大停电后的定量分析报告与结论性的经验总结相结合，整理出一些具有普遍性的结论汇编成专著，必将为调度员提供非常有价值的参考资料。
在新的环境下，我们将面临更加复杂和严峻的形势，因此有必要进行深入而专门的大电网安全防御体系的研究。
2 大电网安全防御体系概述
大电网安全防御体系就是为了实现大电网的安全运行而采取的各种措施的总称。大电网的安全性涉及动态安全性和静态安全性，由于它们的时间响应周期不一样，因此其数据监测、判断机制和控制机制也不一样。要保证大电网的安全运行，首先要建立足够可信的数据监测系统采集实时数据，然后利用快速算法，在允许的时间范围内分析数据中的动态安全特征值，及时进行安全性分析及控制。这些环节的有效性是实施建立大电网安全防御体系的首要任务。
研究大电网安全防御体系问题的复杂性在于：大电网的局部问题处理不当，可能波及整个大电网的安全性。分析历史上国内外大停电事故的记录即能充分佐证这一点。可见，大电网安全防御体系的重要任务是：“星星之火，不使燎原”，如果燎原，则由于系统已经建立了“三道防线”，因此能有效地将故障隔离。在浩瀚的信息面前，仅*人工来主动分析复杂大电网系统的安全性是很被动的，可行的措施是：在关键环节中增设智能分析及控制功能，代替人进行自动分析及控制，起到安全卫士的作用，这在大电网安全防御体系中是必不可少的。本文从大电网安全的角度出发，提出应该进行基础研究的关键环节。
3 开展智能决策系统研究
安全防御体系的一个重要体现是决策智能化。衡量智能化的一个重要标准是，所做出的决策是否能随着环境变化而变化，并将未来可能发生的事件也作为决策的一部分加以考虑。智能决策系统必须具有处理不确定事件的能力，能识别环境中随时发生的各种事件及可能发生的事件，通过搜索找到最优安全控制方案。
（1）对弈式的安全预演仿真
在仿真系统上，智能决策可以实现为攻守双方的竞争，攻方设置故障，守方通过分析给出安全控制策略。经过几轮攻守，如果守方能以损失可接受限度的子系统为代价，而保证系统的大部分仍处于安全状态，则说明决策系统所做出的控制策略是有效的。
对弈式的智能决策研究包括两个方面：一是系统的脆弱性分析，二是系统的智能控制策略。进攻方所设置的故障必须都是针对系统的薄弱环节，这样才有可能在有限的回合内彻底破坏系统；防守方所采取的控制策略则必须要在隔离本故障的同时考虑后面可能会出现的故障。从这里也可以看出，仿真的有效性是智能决策系统的基础环节。利用安全预演仿真的智能决策系统，可以大大提高调度员处理故障的水平和能力，增强我们对于系统动态变化的认识。
（2）建立柔性SCADA系统
智能决策系统要实现在线，必须以更加丰富的数据为基础，因此，首要的工作就是对现有数据采集系统进行升级和扩充，实现更灵活、更全面的数据采集与传输。
现有的SCADA系统是通过延伸到各站的RTU采集电网的静态测量值，只能用于电网正常运行的分析计算。美国发生“8.14”大停电事故，虽然有电网结构、保护及安全装置误动、运行管理等多方面的原因，但最重要的原因是缺乏系统范围的有力监测和控制手段，调度员不知道发生了什么事。对此，本文提出建立柔性SCADA系统，它具有数据管理和按需交互信息的智能终端，可采集电网的正常静态信息、动态信息和故障信息。柔性SCADA系统与现有的SCADA系统相比有以下特点：
1）可采集动态信息和故障信息 动态信息包括电气量和相角量的动态变化信息，用于动态和暂态稳定分析[7]。故障信息包括事故发生后的保护装置、故障录波装置的信息，用于事故后的故障诊断。关于电网的故障诊断和恢复处理问题，已有大量的研究成果，但一直不能实用化，其根本问题在于分散在各站端的故障信息不能有效地传输到调度端。光纤通讯的发展、基于GPS的广域测量装置的出现，为采集和管理动态信息和故障信息提供了解决方案。动态信息的采集使得在动态过程中监测和控制系统成为可能，这对于防止事故的蔓延和扩大非常重要。
2）站端系统具有数据管理功能 现有RTU不具有存储功能，而且只能周期性地发送静态数据。与电网静态信息相比，电网在动态过程中产生的动态信息和故障信息是在短时间内产生的，且数据量大，不可能全部实时传输给调度，必须先在当地保存和处理，然后再按各方需求提供数据，因此站端系统应具有对这些信息的采集、分类和管理功能。
3）各站点间可按需求进行信息交互 现有的远动系统只能在调度和站间通讯，传输不具备交互功能。在柔性SCADA系统中，各站端系统具有独立的数据管理和智能功能，不必将所有处理功能集中在控制中心，可以按需求进行数据交换。
4）站端系统具有智能性 站端系统收集当地的各种故障信息，可就地诊断和处理，得出中间结果，随时为调度或其它站端提供所需的数据和中间结果。站端智能化是实现电力系统分散控制的基础。
（3）防止事故扩大的智能决策研究
电力系统的偶然事故不可避免，应采取措施防止事故扩大，这是以往研究中容易被忽略的内容，但正是小事故的扩大最后导致了大面积停电。防止事故扩大的研究主要包括以下两方面的内容：
1）系统动态过程的防御研究 事故发生时，系统受扰严重，进入动态变化过程，若稳定性被破坏，将引起系统振荡，为此，首先要采取措施提高系统的暂态稳定性。目前，电力系统已建立了“三道防线”进行稳定控制，发电厂和变电站也装有这些安全稳定控制装置和解列装置，但它们所采用的预测系统失稳的检测方法多数都是基于就地信息的，没有很好地反映全局信息，因而不能动态自适应地跟踪系统运行方式的变化，有可能出现错误动作。广域测量装置的大量应用使我们对于系统动态行为的掌握更为直接和深入，广域测量信息在系统动态监视和控制中的应用也逐渐为人们所重视。目前，急需一种能够快速量化系统动态安全性的算法来辅助调度员掌握系统的全局动态特性。同时，如果能基于广域测量装置所提供的全局信息协调系统中运行的各种安全自动装置，实现广域保护和控制，则系统的控制水平将有一个很大的飞跃。
2）深入研究故障处理以扩充EMS功能 目前，EMS已得到了广泛的应用，使调度运行由原来的经验型上升为分析型，但其内容只针对电网正常运行时的安全和经济分析。柔性SCADA系统在故障时提供充足且冗余的故障信息，调度员不可能在很短的时间内对这些信息进行分析处理，确定事故类型、地点并制定恢复方案，因此，EMS需要扩展事故分析和决策功能，以协助调度员对电网运行进行实时调整和控制。基于柔性SCADA系统的智能EMS包括以下新的内容：
① 故障诊断的研究 电网的故障诊断用于诊断电网中发生故障的元件和故障性质，确定停电的元件中哪些可恢复供电，哪些需要进一步检查（如试送、巡线或试验等），并在此基础上识别误动和拒动的开关和保护，确定开关是否能正常操作，保护是否继续投入运行。
② 故障恢复决策的研究 根据电网故障诊断的结果，电网的恢复处理应能完成以下主要任务：对未停电系统提出消除过载、保证系统安全运行的方案；对停电系统提出恢复方案，搜索合理的供电路径。在得到调度员的确认后，这些措施和方案自动生成故障恢复处理状态下可执行的具体操作指导步骤。
③ 故障事件可视化的研究 故障事件可视化的目的是让调度员在最短的时间内了解系统的现状，主要研究如何将故障诊断和恢复处理的结论图形化，分层次地表达在地理信息系统（GIS）中；如何将系统中的薄弱环节以简明直接的形式呈现给调度员，帮助调度员掌握系统在当前运行方式下的潜在危险和发展动向。
4 事件分析和事件识别的研究
为了借鉴历史上大停电的经验和教训，有必要将事件特征和处理决策模型化，形成规范化的事件分析和事件识别机制。事件模型一方面可用于今后类似事件的诊断和处理决策，一方面可用于仿真，验证新的控制决策的效果。
这里所说的事件专指会对系统的安全运行造成影响的事件。事件分析和识别可以看成是对故障诊断的扩展，但故障诊断仅针对故障后的网络，不涉及系统动态特性，不处理连锁故障的因果关系及潜在危险；而事件识别则是模仿调度员处理调度任务的过程，将引发电力系统运行状态发生改变、危及系统安全运行的全部过程和特征逐一分析，并找到能使系统脱离危险进入安全状态的控制策略，使系统进入安全状态。
（1）建立事件模型
事件是引发系统安全状态发生改变的标志，事件模型描述系统在发生变化前后所有与安全相关的特征量。一个完整的事件模型不仅包括引发系统运行状态变化的扰动，还应包括扰动前后系统的运行状态、扰动后系统中的安全隐患以及针对此特定扰动所应采取的控制对策。国内外大停电事故为我们提供了非常宝贵的分析数据，如果能对每一次大停电事故的特征、过程以及正确的处理对策都加以研究和总结，并将其抽象为有代表性的事件模型，那么就可以在具有重复性的电力系统运行环境中做到对事件模型的重用，通过事件匹配快速找到处理系统紧急事故的对策。这样，就可以通过对事件的分析避免类似的大停电事故。随着事件集的不断扩充，对于大停电的认识将更加深入，避免大停电的手段将更加丰富、有效。
（2）建立事件识别方法
事件机制是一种新的分析方法，如何通过量测数据的特征提取确切的事件是一个复杂的问题。从数据源角度来讲，识别事件依赖于四遥信息、广域测量信息、二次系统的动作信息，甚至录波信息。事件识别方法基于上述海量信息，在在线分析的条件下，快速找到反映系统安全裕度变化的特征量，通过分析和匹配确定系统状态和事件类别。
（3）把N–1、N–2安全分析提升到事件安全分析
在线的安全分析是找到系统薄弱环节的有效手段，而传统的N–1、N–2安全分析都无法满足在线运行的要求。由于事件模型很好地描述了系统的薄弱环节和安全特性，故基于事件的安全分析具有传统的N–1、N–2安全分析所无法比拟的优点。基于事件模型的安全分析不再将注意力放在系统的整体层面，而是重点针对系统的薄弱环节，深入反映系统在薄弱环节上的深层安全隐患，对于防止大面积停电是非常有效的。
5 建立大电网实时仿真系统
在电网互联、电力市场广泛开展的环境中，调度员需要更加清楚地掌握系统运行状态和发展动向，因而电力系统仿真技术面临着更严峻的考验。一方面，调度决策需要有更加快速的实时仿真系统提供系统运行状态，另一方面，仿真精度和结果的可信度将直接影响决策的正确性。
在处理大停电的安全防御系统中，电网仿真将占有更加重要的地位。实时的仿真为调度员提供如下技术支持：
（1）对慢过程实施实时决策，实时控制。大停电往往与电压崩溃有关，电压崩溃是发展较慢的过程，历次大停电也都是慢过程，因此有足够的时间可用仿真技术进行实时决策，并实施实时控制。
（2）对快过程实施在线决策，实时控制。功角失控是发展较快的过程，基于实时仿真，稳定控制装置将由离线决策发展为在线决策。在在线决策中，接线方式和负荷等实际情况是已知的，因此大大节省了计算量，也比原来的离线决策更真实准确。
大电网实时仿真技术在以下方面需进行扩展研究：
（1）事故仿真再现。利用大停电后的事故记录数据，可以进行事故后仿真，事故后的仿真在于：评价模型、参数的合理性；评价诊断、事故处理的有效性；评估控制策略；通过对仿真的反复修改找到最优控制策略。
（2）在仿真系统中进行事故扩大研究。在已有事故的基础上，增加事故序列，检验系统在继发故障时的安全性。
6 建立安全防御管理系统
电网管理水平的高低同电网的分析技术一样，在很大程度上影响着系统的安全水平。在柔性SCADA系统所提供的广域数据的支持下，建立安全防御管理系统的目的是消灭危机于萌芽状态之中。建立安全防御管理系统是一个综合性的工作，具体包括以下工作：
（1）在运行和管理上要重视小事故。国外多次大停电事故的起因多为小事故，因此在运行和管理上应充分重视处理小事故，尽量杜绝或少发生小事故。
（2）研究电力系统脆弱性，加强动态和静态的安全量化分析，使电网在正常运行时更安全。历次大停电事故表明，电网存在脆弱性，但调度员不知道这些薄弱环节，也不知道系统离安全稳定极限有多远。在正常运行时，如果能找到系统的薄弱环节，准确把握系统的稳定性，使调度部门心中有数，并采取措施积极防御，那么将能有效防止事故的发生。
（3）建立大电网广域保护和控制系统。
（4）采用计算机辅助调度员编制事故预案。电网发生故障时，调度部门需要根据这段时间的电网运行方式编制事故处理预案。当电网运行方式变化时，事故预案需重新编制，这是一项较为繁重的工作，目前基本上是根据经验由人完成，不做潮流校验。如果将故障恢复处理和负荷预测相结合，辅助调度部门制定事故预案，不仅会减轻调度员的负担，而且会提高事故预案的质量。
（5）事故发生后，要有在线的故障诊断和恢复控制系统，防止事故扩大。
（6）每次故障后，都要进行仿真，用以检验模型、参数、诊断和控制的有效性。
（7）对每次故障都进行一次事故扩大化的仿真，通过仿真使小事故发展为大事故，并在仿真中寻找控制对策，以提高应对复杂事故的能力。
7 结语
我国电网正面临着一次重大的发展与变革，新环境带来了新的研究问题。“8.14”大停电再次给我们敲响了警钟，对于电网安全防御体系的研究已经迫在眉睫。基于目前已有的基础技术，加上对历次大停电的总结，我们可以得到一些建立电网安全防御体系的基础研究策略：
（1）通过技术创新与管理创新相结合，建立安全防御管理系统，将危机消灭于萌芽状态；
（2）智能EMS和保证安全的“三道防线”是防止事故扩大的有效手段；
（3）建立电力系统事件与脆弱性的概念，通过脆弱性分析与事件识别，做好预测潜在危机，做到有备无患；
（4）使进攻和防守在大电网事故仿真系统上对弈，找出最优安全防御操作序列，使系统的状态维持在可控状态，为快速恢复正常运行创造条件。
电网安全防御体系的建立是一个系统工程，要综合考虑电网分析与控制技术、电网管理以及政策法规等多方面的因素，只有经过长期的努力探索和实践，才能最终建立起来。
(编辑：韦唯敏) |
