韓禎祥，曹一家
（浙江大學電氣工程學院，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：作者介紹了電力系統安全性問題及其研究動態，從分析影響電力系統安全性的各種因素出發，結合目前的技術手段，就如何加強電力系統的安全性，防治大停電事故提出了一些措施，并對今后在該領域研究中應采用的方法和研究方向提出了一些看法。
關鍵詞：電力系統；安全性；廣域；多智能體
1 引言
隨著社會經濟的發展，科學技術的進步及人民生活水平的不斷提高，人們對電力的需求和依賴性越來越大，對安全穩定供電的要求越來越強。 然而, 由于受到電力系統自身原因和外部干擾的影響，電網事故時有發生, 這不但使電力經營企業的經濟效益受到損失, 而且對電力用戶和整個社會都將造成嚴重的影響。自20世紀60年代以來，世界各國均發生過因電力系統穩定破壞而導致的大面積停電事故。1996年7~8月美國西部接連2次大停電事故，美國總統認為停電事故已“危及國家安全”。2003年下半年在北美和加拿大、英國倫敦、瑞典-丹麥、意大利都先后發生過大面積停電事故，震驚世界。特別是，2003年8月14日美加大停電波及5000萬人口的供電范圍，造成重大經濟損失，是美國歷史上最嚴重的停電事故。
在我國，近20年來，各大電網發生的大停電事故有100余起。在西電東送，南北互聯的條件下，我國將形成全國聯網的巨型電力系統，如果出現電力系統重大事故，其規模和造成的損失有可能大幅度增加。因此，保證大規模互聯電力系統的安全、穩定和經濟運行是一個重大而迫切的問題，必須作為一個重大戰略問題來解決。
2 電力系統的安全性問題
2.1 現代電力系統的安全性問題
電力系統的安全性是指系統在發生故障情況下, 系統能保持穩定運行和正常供電的風險程度[1]。傳統的電力系統安全性主要是在發生故障情況下，研究電力系統本身的動態特性，包括系統的功角穩定性、電壓穩定性、頻率穩定性、系統解列、熱過載等。 這類研究一般是針對單一故障的，而大面積停電事故則通常是連鎖事件的復雜序列。
隨著現代通訊技術和信息技術的發展，為了保障大電網的安全和經濟運行，各種信息系統， 如調度自動化（SCADA/EMS）、配電網自動化系統（DA）和變電站綜合自動化系統（SA），電力市場技術支持系統等在電力系統領域里得到了廣泛應用。圖1給出了現代電力系統的整體構架，電力系統與信息系統、通信系統已經融合成為高度集成的混雜系統，電力系統的監測和控制越來越依賴于信息系統和通信系統的可靠運行。信息系統中的計算機系統是核心，計算機系統的維護不當是8.14美加大停電的基本原因之一。一個關鍵通信系統發生故障會使整個系統陷于癱瘓，進而失去可控性和可觀測性。因此，必須把電力系統安全性的概念加以拓展。
最近一些研究人員提出了電力系統脆弱性（Vulnerability）的概念，作為電力系統動態安全評估的一種新的框架。脆弱性一詞經常出現在環境、生態、計算機網絡等領域的有關文獻中, 用來描述相關系統及其組成要素易于受到影響和破壞, 并缺乏抗拒干擾、恢復初始狀態（自身結構和功能）的能力。它們在不同的學科中有不同的含義。對于電力系統脆弱性，可定義為：電力系統因人為干預、信息、計算機（軟、硬件）、通信、電力系統元件和保護控制系統等因素，而潛伏著大面積停電的災難性事故的危險狀態[2]。系統脆弱性與系統安全性的水平和在系統參數變化時系統安全性水平的變化趨勢這兩類信息密切相關[3]。在這個概念中, 人們對它們設定一個可被接受的基準值, 當系統安全現狀被評估后，系統安全性水平和它的變化趨勢也就被確定下來。系統是否脆弱取決于它們是否高于或低于設定的基準值。
2.2 電力系統安全性問題的影響因素
影響電力系統安全性的因素很多，對于組成現代電力系統的基礎設施而言, 可分為內部因素和外部因素。
（1）內部因素：
1）電力系統主要元件故障：發電機、變壓器、輸電線故障；
2）控制和保護系統故障：保護繼電器的隱性故障[4,5]、斷路器誤動作、控制故障或誤操作等；
3) 計算機軟、硬件系統故障；
4）信息、通信系統故障：與EMS系統失去通信、不能進行自動控制和保護、信息系統的故障（造成信息的缺損或者得到的信息不可靠）或擁塞、外部侵入信息/通信系統（如黑客的入侵）；
5）電力市場競爭環境的因素：電力市場中各參與者間的競爭與不協調、在更換舊的控制和保護系統或發電裝置上缺少主動性；
6）電力系統不穩定：靜態/暫態/電壓/振蕩/頻率不穩定等。
（2）外部因素：
1）自然災害和氣候因素：地震、冰雹、雷雨、風暴、洪水、熱浪、森林火災等；
2）人為因素：操作人員誤操作，控制和保護系統設置錯誤、蓄意破壞（包括戰爭或恐怖活動）等。
3 電力系統安全性的防治措施
3.1 加強電網建設，降低事故概率
電力工業是需要長期和超前投資的工業，大的發電廠的建設要5~10年，壽命約為30年。所以，要求廠（發電廠）網（電網）協調、統一規劃、超前建設、合理結構，以保證電力系統的安全運行。特別要加強電網建設（加強遠距離輸電網、受端電網和二次系統）以提高電網安全可靠性，降低事故概率，減少停電損失。
在2003年8月14日發生的美加大停電事故中美國官方提出電力供應網的“古老和陳舊”，也就是設備的老化問題，是電力系統發生故障的嚴重隱患。據統計，在發達國家中，發電設備的壽命在30年以上的自1990年的12%增加到2000年的31%，預計到2010年將達到50%。同樣地，在輸電和配電領域，很大一部分的基礎設施的壽命已接近70年。另一方面，很多幾十年前設計的設備已不適應先進的數字化技術。所以，電力設備老化問題是發達國家普遍存在的問題。更換老化了的設備需要新的大規模投資。但是，電力工業市場化后，市場參與者關心的是今天和明天的利益，而不是20年以至30年的利益。在過去的十年中，由于競爭的壓力、市場的不完備和管制的不確定性，在一些進行電力工業改革的國家中的投資已保持在一個較低的水平，以美國和瑞典為例，發電的高峰備用已由1990年的20%降到2000年的10%。所以，對于電力系統的建設要有全面規劃，要建立一定的監管制度和投資激勵機制，使電力工業的發展能滿足電力系統運行安全性的要求。
3.2 加強電力系統監控和管理
電力系統的互聯使得在廣闊的地域內進行資源的優化配置，互通有無，相互支援成為可能。但是，在緊密相連的互聯電力系統中，一個局部故障能迅速向全系統傳播，會導致大面積停電。所以，在事故處理上，要求反應迅速，高效統一。以美國為例，從1996年美國西部兩次大停電和2003年8月14日大停電事故的情況來看，美國的電力系統監控和管理方面有很多值得改進的地方。在美國有3000多家電力公司在廣袤的北美大地上各自經營著總容量約900 GW的電力工業，雖然3000多家電力公司的電網是互聯的，形成北美龐大的電力系統，但它們的調度和管理則是各自為政的，也沒有一個監控全國或一個大區域互聯電力系統的組織和機構來統一負責和協調全系統的安全運行和事故后的故障處理。在一個互聯電力系統的某一部分出現故障后，互聯的電力系統的其他部分在故障波及以前往往還不知道事故的發生。所以，在一個互聯的電力系統中，統一電網管理，統一電網調度，建立完善的安全運行制度是保證電力系統安全可靠運行的重要條件。要通過定期的培訓來不斷提高調度和運行人員的素質，特別是應對突發事件的能力。美國Grid2030研究計劃的研發項目中，建議2010年建成國家電網控制中心，強調輸配電電網和通信信息網的結合。
為了改善電網的運行環境，減少外力和自然界對電力系統設備的破壞，要做好日常的維護工作，例如，及時修剪輸電走廊的樹枝，以免發生美國幾次大停電事故中因導線與樹枝間發生閃絡而誘發的大面積停電事故。
3.3 加強與電力系統安全緊密相關的基礎研究
由不同容量發電機、不同電壓等級和長度的輸配電線路以及不同容量和特性負荷組成的電力系統是一個典型的復雜大系統，呈現高維、非線性、時變、信息的不完全性、廣域（大范圍跨越時空）互聯性和微分代數的復雜特性。這個大系統的時空運行歷來就是一個非常困難的學術和工程問題[6-16]。目前急需建立新的理論和方法體系（建模、分析、模擬、仿真、預測、和控制方法），有效地解決復雜電力系統所面臨的關鍵問題，比如跨區域電力系統長期動態行為分析與仿真，系統連鎖故障防御與控制等等課題，以保證電力系統的安全、可靠的管理和運行。
要及早研究和開發廣域的、智能的、自適應的電力系統的保護和控制系統，它集成了電力系統、廣域保護和控制以及通信基礎設施（包括GPS技術），能提供實時的關鍵和廣泛信息，預見可能出現的問題，迅速地評價系統的薄弱環節，及時完成基于系統分析的自愈合和自適應重構動作等的防御措施，將形成全國復雜聯合電力系統的強大反事故能力，以避免發生災難性的事故，保障電力系統的安全穩定運行。
世界各國非常重視電力系統安全性方面的研究。在美國，由美國國防部陸軍研究辦公室（Army Research Office）和EPRI聯合資助的復雜交互網絡/系統創新項目（Complex Interactive Networks/ Systems Initiative，CIN/SI），是政府和工業聯合資助為期5年的3000萬美元大型研究項目，共有28個大學和2個電力單位參加這個項目，這個項目從1999年春天開始，研究的目的旨在探索新的技術環境下電力系統安全運行的新理論與新方法。
在這方面，歐洲正在進行兩個大項目OMASES（Open Market Access and Security Assessment System）和EXaMINE（Power Security in the New Market Environment）。其中OMASES是由歐盟部分支持的工業研究項目，從2001年開始進行，參加人員包括工業界、研究單位、大學和系統運行人員。這項目的內容有：暫態穩定評估，EMS運行人員的培訓仿真器，市場仿真器。準備接入現有的EMS系統或在新的EMS中應用。目前正在意大利和希臘進行現場測試和驗證。
2003年7月，美國能源部主持召開了“美國電力傳輸技術展望”專題研討會。會議提出了美國電網發展的Grid2030研究計劃，會議主要提出將建立國家電網作為Grid2030的目標。研發項目中還建議2010年建成國家電網控制中心，達成了實現全國聯網的一致觀點。
在我國，由國家重大基礎研究計劃（973計劃）所資助的首批10個重大項目中，就有電力系統災變防治與經濟運行重大科學問題的研究項目[9,10]，并組織國內諸多單位進行了研究，取得了許多成果，已于2003年通過驗收。目前，有關部門正在進一步組織電力系統安全性的重大研究項目。
與電力系統安全性緊密相關的基礎研究，需要長期的，持續的，高額的投入。建立（類似資助基礎研究的）國家的或電力企業的研究基金，是一種有效的辦法。基礎研究將為平時和特殊條件（如戰爭）下的電力系統安全運行提供理論和實踐的成果；要列入國家中、長期科研發展規劃；要開展國際間的合作，從已發生的事故中吸取有益的教訓。
3.4 研究自然災害和人為破壞（包括戰爭和恐怖活動）對電力系統安全運行的影響
在現代化社會中，由于社會活動和人民生活與電力供應密切相關，電力工業與災害防御系統、通信系統、軍事命令和控制系統、公共衛生系統等一樣，應列入有嚴重后果的國家基礎設施，這些系統的安全和可靠的運行是國家經濟、安全和生活質量的根本。所以，作為國家的主要（或關鍵）基礎設施之一，要研究自然災害和人為破壞（包括戰爭）對電力系統安全運行的影響，科學地區分各種預警和緊急狀態，建立相應的反應靈敏、高效統一的應對策略和應急措施。
4 若干與電力系統安全性緊密相關的基礎研究方向
4.1 開展廣域電力系統的建模和綜合能源及通信系統體系結構（IECSA）的研究
多年來，大規模電力系統動態行為分析一直受到廣泛關注。但隨著電網的互聯、多饋入交直流混合輸電方式的出現、大功率電力電子設備的應用，電力系統中出現的諸如超低頻振蕩等各種動態行為和特征嚴重影響大電網的安全運行，迫切需要進一步搞清機理，提出控制方法和措施。電力負荷模型的建立是這一研究領域中的關鍵問題，包括電力負荷模型的復雜性和不確定性的辨識理論和方法，電力負荷模型的宏觀結構識別等。
隨著信息技術的發展，電力系統與信息系統、通信系統已經融合成集成的混雜系統。傳統的對電力系統的研究方法已經難以處理這樣的復雜系統，需要在建模、分析、仿真、預測和控制等方面建立新的理論和方法體系，有效地解決復雜電力系統所面臨的關鍵問題，以保證電力系統的安全運行。必須同時考慮和研究電力系統、信息系統、計算機系統、通信系統的交互和綜合，在建模上要考慮多個網絡的平行，多個物理過程的平行，以及多類元件的平行。要充分應用實時的量測信息，發展分布式的實時計算。美國電網發展的Grid2030研究計劃提出建設“綜合能源及通信系統體系結構”（Integrated Energy and Communication System Architecture，IECSA），并作為重大項目已經組織研究。
長期以來，電力系統安全性評估的研究主要集中于電力系統本身建模和故障的計算，沒有考慮與之密切相關的信息系統和通信系統模型。這是因為信息系統和通信系統的模型尚未建立，對信息系統與電力系統之間的交互影響更是缺乏系統深入的研究，這迫切需要應用復雜交互系統與分布式人工智能的相關理論來應對電力系統的不斷擴展所帶來的復雜性，發展新的電力系統安全性評估理論。
多智能體系統（multi-agent systems）可望能為以上問題的解決提供新的途徑[17,18]。對于電力系統，它主要是將網絡中各個成員視為一個能獨立完成某些任務的分布自治的智能體，然后通過多個智能體的交互與協作，達成各成員作用的相互協調，實現系統的整體控制目標。最典型的電力系統分級辦法就是將系統分為：發電、輸電、配電和用電等系統。在電力市場環境下的多智能體結構，可以是獨立發電者、輸電服務提供者、輔助服務提供者等。表面上看起來這種分級方法是傳統分級控制技術的引申和擴展，但其間有明顯的差別，如控制策略的優先權限和最終目標的界定。對于通信系統與信息系統， 也有專門的建模方法和工具。 如通信系統對應于communication agent, 信息系統對應于Information agent。這種分級方法為多智能體分層結構中準確模擬各個層次間相互作用奠定了基礎。 多智能體系統所具有的資源共享、易于擴張、可靠性強、靈活性強、實時性好的特點非常適用于解決大規模電力系統這類復雜系統的建模、控制和分析評估任務，有望為實現廣域電力系統實時分析、全局協調控制提供新的途徑。
4.2 開展廣域電力系統的信息理論與應用研究
廣域電力系統的信息分布廣、數量多，要有一個先進和可靠的分層、分區的信息系統，使及時和正確地傳送廣域信息能得到保證，并對信息進行有效的處理，以實現對全系統的實時監控。為此，要有一個實時平行的故障診斷系統，在海量的實時信息（包括測量信息，設備“健康”狀態等）中及時診斷和預測未來可能出現的或潛在的故障。
隨著國家電力數據網（SPDnet）的建設，調度自動化（SCADA/EMS）（(SA)的發展和普及，各種信息管理系統（如生產管理系統、營銷管理系統）、地理信息系統（GIS）、電力市場技術支持系統以及電網運行的其它信息系統等在電力系統領域的應用，都表明信息技術已越來越融入到電力系統中。然而，目前電力系統在信息處理技術上還比較落后，主要表現在信息的加工還處于低層的數字信號處理階段，信息的采集重復性較大，未能實現信息的優化，造成硬件建設的復雜與控制回路的復雜； 信息的應用過于簡單。作為復雜大系統的信息處理技術，應該具有多信息量、多層次、多綜合等優點和特點，能適應與應用到運行方式變化大、系統結構復雜的電力系統中來[19]。改變目前電力系統信息處理模式將是電力系統領域研究的新課題。
電力信息系統是一個問題域十分復雜、龐大或不可預測的系統，唯一的解決方法是開發大量有特殊功能的模塊化成分（智能體），專門用于解決問題的某個特定方面。在出現相互關聯的問題時，系統中的各智能體相互協調，可以正確處理這種相關性。應用智能體對信息融合算法的改進，增加系統的反饋算法，改變了原有的簡單的單向從低層到高層的環境信息和知識傳輸，使高層同樣可以向低層傳輸規劃和管理信息。這個信息融合系統就具有完整的觀測、融合、決策和協調功能。因此，基于多智能體系統的分布式信息處理技術是這一領域頗有應用前景的研究方向。
同時, 信息技術的負面影響也波及電力系統。黑客的入侵使電力系統的安全增加了新的內涵，其影響亦需進一步的研究。
4.3 開展廣域電力系統安全防治系統的研究
為了防治廣域復雜電力系統中可能出現的大面積停電事故，要開發廣域的、智能的、自適應的并與電力系統的分層和全局協調的保護和控制系統。它集成了由電力系統、廣域保護和控制以及通信基礎設施，能提供實時的關鍵和廣泛信息，預見可能出現的問題，迅速地評價系統的薄弱環節，及時完成基于系統分析的自愈和自適應重構動作等的防治措施，以避免發生災難性的事故。它與傳統所用的方法和技術的不同之處是，后者只基于局部量測信號的局部控制動作，只關心個別設備的狀態；而前者則基于廣域信息的安全性評估，在故障發生后將故障局部化，使故障不致發展為大面積停電的重要技術措施。繼電保護應從傳統的元件保護擴展到系統保護，同時要研究繼電保護裝置隱性失效對連鎖故障的影響。緊急控制系統應實現在線決策，提高控制的速度和有效性。
實現廣域電力系統安全防治系統，必須基于廣域測量系統（WAMS）， 實現對電網的實時監視、實時仿真和實時控制。廣域電力系統安全防治系統的主要目標是：
（1）事故的超前發現或預測系統事故。根據系統的狀態，過負荷或輸電線路弧垂等情況，采用先進的算法進行預測。對電力設備“健康”狀態進行實時監控和根據電力設備的狀態進行檢修管理，以避免因設備老化或故障（失效）而引起的系統事故。要在線監視輸電線路的熱極限。若干大停電事故的起因都是靜態潮流問題，動態問題隨后加劇了系統崩潰。
（2）對系統故障的快速反應。如故障的早期隔離、過負荷元件的超前解除過負荷狀態，以及其它避免事故擴大的措施。
（3）盡快使系統得以恢復，也就是盡可能快的使失去供電的負荷恢復供電，并使系統回到正常運行狀態。重視事故恢復計劃的準備，盡可能在電網和電源建設階段就考慮事故恢復問題，如完備的“黑啟動”方案。恰當的事故恢復計劃可以減少事故停電損失。發展分散電源也為事故后的快速恢復創造條件。
（4）在系統正常運行時，校正系統的運行性能，使其保持安全性，即承受故障的能力更高。
最近研究人員提出了系統保護終端（System Protection Terminal，SPT）的思想[6]，如圖2所示，終端接于變電所的控制系統。為了應用時標，需要有GPS功能。SPT具有高速通信界面，在終端數據庫間進行電力系統數據交換，數據庫中有該變電所所有實時刷新的量測值和信號，以及為該變電所控制所需的其它SPT數據。
進一步發展綜合的多層結構，將相位測量、保護和EMS組合在一起，形成廣域保護和監控網絡。如圖3所示，由幾個SPT組成地區保護中心（Local Protection Center，LPC），而系統保護中心（System Protection Center，SPC）則是LPC的協調機構。這種三層結構的設計可分階段實施，第一階段的目標是開發監控能力（如廣域測量系統WAMS），主要目的是改進事故后的分析運行員的信息和狀態估計，下一部再由WAMS發展為保護和控制系統。也可有另一種“平結構” ，SPT用環形結構與其他SPT直接通信。這樣的結構很容易用多智能體系統的結構來實現。
5 結束語
保證大規模互聯電力系統的安全、穩定和經濟運行是一個重大而迫切的問題。本文介紹了電力系統安全性問題及其研究動態，從分析影響電力系統安全性的各種因素出發，結合目前的技術手段，就如何加強電力系統的安全性，防治大停電事故提出了一些措施，并對今后在該領域研究中應采用的方法和研究方向提出了一些看法。
參考文獻
[1] Definition and Classification of Power System Stability [S]．IEEE/CIGRE Joint Task Force，2003，June．
[2] Liu C C，Vittal V et al．The strategic power infrastructure defense system[J]．IEEE Control Systems Magazine，2000，13(8)：40-52．
[3] Fouad A A，Zhou Q，Vittal V．System vulnerability as a concept to assess power system dynamic security[J]．IEEE Trans. Power Systems，1994，9(2)：1009-1015．
[4] Elizondo D C，de La Ree J，Phadke A G et al．Hidden failures in protection systems and their impact on wide-area disturbances[A]．IEEE Proc. Power Engineering Society Winter Meeting[C]，2001．
[5] Phadke G，Thorp J S．Expose hidden failures to prevent cascading outages[J]．IEEE Computer Application in Power，1996，9(3)：20-23．
[6] Novosel D，Begovic M M，Madani V．Shedding lights on blackouts[J]．IEEE Power & Energy Magazine，2004，2(1)：32-43．
[7] Hauer J，Trudnowski D，Rogers G et al．Keeping an eye on power system dynamics[J]．IEEE Computer Applications in Power，1997，13(4)：50-54．
[8] Balu N，Bertram T，Bose A et al．On-line power system security analysis[J]．Proc. of IEEE，1992，80(2)：262-279．
[9] 盧強．‘我國電力系統災變防治與經濟運行的重大科學問題的研究’項目介紹[J]．電力系統自動化，2000，24(1)：1．
[10] 盧強，梅生偉．面向21世紀的電力系統重大基礎研究，自然科學進展[J] ．2000，10(10)：870-876．
[11] 楊衛東，徐政，韓禎祥（Yang Weodong，Xu Zheng，Han Zhenxiang），電力系統災變防治的現狀與目標（Review and objective of research on power system collapse prevention），電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems）， 2000，24(1)：7-12．
[12] 楊衛東，徐政，韓禎祥（Yang Weodong，Xu Zheng，Han Zhenxiang）．電力系統災變防治研究中的一些問題（Some problems in the research of power system collapse prevention）[J]．電力系統自動化，2000，24(6)：7-12．
[13] 薛禹勝（Xue Yusheng）．EEAC和FASTEST（EEAC and FASTEST）[J] ．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），1998，22(9)：25-30．
[14] 何大愚（He Dayu）．柔性交流輸電技術的定義、機遇及局限性（The definition opportunities and limitations of FACTS）[J]．電網技術（Power System Technology），1996，20(6)：18-24．
[15] 袁季修．電力系統安全穩定控制[M]．北京：中國電力出版社, 1996．
[16] Wide Area Protection and Emergency Control, Working Group C-6， System Protection Subcommittee[S]．IEEE PES System Relaying Committee，2003．
[17] Talukdar S，Ramesh V C，Quadrel R，et al．Multi-agent organizations for real-time operations[J]．Proc. of the IEEE，1992，80 (5)：765-778．
[18] Cao Y J，Ireson N et al．Evolving multi-agent systems and its applications[A]．Proc. of World Congress on Intelligent Systems and Automation[C]，University of Wollongong，Australia，December 2000．
[19] Buse D P，Sun P，Wu Q H et al．Agent-based substation automation [J]．IEEE Power & Energy Magazine，2003，1(2)：50-55．
