连锁故障

针对制氢站系统复杂，易受到外部攻击，进而引发连锁故障及严重安全事故的问题，采用基于事件树的连锁故障推演方法，明确了制氢站设备连锁故障的后果和发生概率。在此基础上建立了考虑安全性、经济性和环保性的连锁故障风险评价指标体系。考虑到造成严重后果和影响的不精确性和不确定性，采用模糊隶属度函数进行评价指标的模糊化。最后建立了基于证据推理的风险评价模型，并应用到制氢站设备的风险评估中，实现了制氢站设备的风险评价和排序。实例分析表明，该方法可行有效，为下一步制定制氢站设备安全防范措施提供了依据。

为解决电力系统中可能发生的协同攻击事件,文章提出包含单点防御、级联防御和全局防御的三级联合防御模型,配合攻防推演模块和策略规约模块,能够实现针对电力系统协同攻击的有效防御。三级防御分析器分别基于攻击防御树、连锁故障和深度强化学习实现,其核心为基于多智能体行动者-注意力-评论家框架(multi-agent actor attention critic,MAAC)的全局防御分析模型,MAAC能够考虑攻击者与防御者之间的竞争协作关系进而给出防御策略,使其更加适合电力信息物理系统(cyber physical systems,CPS)复杂的攻防场景分析。实验采用IEEE总线系统为基础构造电力CPS,环境中的数据从实际电力系统引入,使MAAC的训练学习面向真实环境。实验结果表明,该模型在收敛速度和防御性能上均优于其他模型,证明所提出的联合防御模型能够有效提升电力CPS面对复杂协同攻击场景的防御能力。

本项目历时9年，从电网仿真建模、源网友好互动、连锁故障紧急防御及垮网风险快速阻断等方面开展技术攻关和工程应用，取得了一批创新性成果，获得授权发明专利8项，发表论文18篇。主要成果如下：1、提出了计及外部环境扰动的大型新能源场站动态等值技术，建立了计及详细控制系统的柔性设备仿真模型，应用于西北电网生产实际，提升了对复杂电网运行控制的精度。2、揭示了新能源与直流交互耦合及连锁脱网演化机理，计及新能源量化接纳能力和柔性装备优化配置的源网协同预防控制技术，提升了高占比新能源送端电网抗扰能力和交直流输电通道送电水平，降低了新能源大规模连锁脱网风险。3、提出了计及新能源暂态演化信息的连锁故障紧急阻断技术，研发了应对多类型连锁故障的全局资源协调紧急控制系统，填补了高占比新能源电网连锁故障紧急防控技术空白，提升了电网应对连锁故障风险的能力。4、提出计及新能源的高频切机控制技术，研发了西北电网高频切机监视与预警系统，构建了监视、控制及预警于一体的涵盖新能源的高频切机体系，提升电网抵御严重故障能力。 项目成果已应用于祁韶特高压直流工程、青海海西串补工程、甘肃河西加强工程等重大工程项目，显著提升了电网应对连锁故障的防控能力。截止2020年底，累计提高新能源消纳电量114.2亿千瓦，减少电煤消耗近365.44万吨，减少二氧化硫排放约65094吨，降低烟尘排放约18272吨，累计新增销售额98.44亿元，新增利润9.07亿元。成果为推动我国电力能源转型升级和全球能源互联网安全领域科技创新提供了技术、装备支撑。

随着可再生能源的发展、自然环境的恶化以及互动性负荷占比扩大，传统的可控电源平衡可预测负荷的模式必将会打破，需要积极研究面向不确定性电源和互动性负荷的调度运行技术，以保证电网的稳定可靠运行。本文分别分析各种不确定性因素对电网的影响机理，归纳了不确定性问题的研究情况，并讨论了调度运行中的新应用关键技术。

新能源的大量接入给城市电网的安全运行和重要用户可靠供电带来很大挑战，其功率的随机波动易引发电网出现连锁故障风险。提出了一种考虑新能源出力随机波动和城市电网110 kV网架T接线开关投切的连锁故障风险评估方法。该方法在连锁故障发生概率和后果严重度的计算中都计及了系统状态的概率分布特性的影响，并采用基于半不变量法的概率潮流计算反映系统状态与新能源功率二者的概率分布特性之间的关系。另外，建立包含110 kV网架T接线开关投切的最小切负荷的混合整数非线性规划模型，并以最小切负荷量来表征系统在连锁故障的严重度。此优化模型通过决策故障下的各组T接线开关的投切状态，减少连锁故障下的切负荷量，进而有效降低连锁故障的风险。同时，通过机会约束描述重要用户负荷节点电压的安全运行范围，以确保重要用户负荷不停电的概率满足给定的置信水平，从而保证重要用户的安全可靠供电。最后，通过某个实际城市片区电网算例验证了所提出的连锁故障风险评估方法的正确有效性。

项目在国家自然科学基金、国家电网公司科技项目支持下，产学研用协同攻关，攻克了风电频率支撑、主动调压、故障穿越、建模仿真4大关键技术难题，主要创新为：①发明了风电机组虚拟惯量模糊自适应控制技术、风电场多源备用一次调频协调控制技术，虚拟惯量响应时间小于200ms，实现了风电的频率快速主动支撑；②提出了风电场多时变无功源电压协调控制方法，实现了无功环流与电压波动的主动抑制，动态无功裕度提升30%；③提出了风电机组连续高低电压故障穿越技术，耐压范围拓展为0至130%Un，实现了对电网连锁故障的自适应穿越；④突破了基于全场景复现和机端电压聚类的风电场等值建模技术，仿真与实测结果偏差小于2%，拓展了电力系统安全稳定边界，释放了风电接纳容量。项目获授权发明专利25项、发表论文45篇，主持国际标准1项，国家标准2项，行业标准10项。 项目在山西省首次实现了风电网源协调示范应用，并在全国率先完成长治虹梯关风电场并网评价，颁发了国内首张并网认证证书，牵头编制风电场并网符合性评价国际标准，获IEC颁布实施。经院士领衔的专家委员会鉴定，项目成果达到国际领先水平。

本文分析了目前电力系统连锁故障风险评估方法的不足，并根据连锁故障的特点和风险评估的要求，将区间故障树和模糊综合评估方法相结合，提出了基于区间故障树的电力系统连锁故障风险模糊综合评估方法。该方法通过区间故障树建立连锁故障的概率计算模型，采用负荷损失指标对连锁故障的后果进行评估和等级划分。然后，使用模糊性语言评估风险水平等级，采用隶属函数来确定风险等级的隶属度，并依据评估数据给出风险等级的释义和相应的预防指导方案。基于区间故障树的电力系统连锁故障风险模糊综合评估方法能够处理连锁故障中的不确定性问题，全面反映连锁故障的发展特点及其对电力系统造成的危害，而且能从定量的角度反映风险水平的高低，为连锁故障的预防和控制提供参考依据。最后，以IEEE10机39节点系统和某地区实际电网为例，验证了该方法的有效性和实用性。

该项目属于电力系统继电保护领域。 近年来，电力系统发生灾难性连锁故障的次数明显增多，继电保护设备作为电网安全运行第一道防线的实施载体，其可靠运行和及时消缺，对防止事故的发生和故障的扩大具有重要意义。本项目从调度端、调度端至变电站信息传输、变电站端三个方面开展系统性研究，满足调度员、监控员、专业人员和技术支撑人员对继电保护设备信息的应用需求。 项目成果在冀北电网变电站至调度端成熟应用，研发系统通过电力工业电力系统自动化设备质量检测中心检测，项目技术已列入2017版《国家电网公司重点推广新技术目录》。成果已转化为与国家电力调度控制中心、东北、天津等12家国、分、省三级调控中心签订的继电保护在线监视与分析项目合同，并且在菲律宾国调和棉兰老岛、维萨亚斯群岛省调成功实施。项目正在编制2项国家标准《继电保护在线监视与分析技术规范》、《智能变电站光纤回路建模及编码技术规范》，应用前景广阔。

我国已建成世界规模最大的特高压交直流混联电网，随着电网格局和电源结构重大改变、远距离跨区输电规模持续增长，故障下电网特性日益复杂，多断面输送能力耦合、故障对电网冲击全局化复杂化。基于传统交流系统运行控制形成的认知和技术，已难以适应特高压交直流电网运行实践要求。近年来，世界范围内发生的多次大停电事故，也为我国大电网安全运行提出警示，追切需要突破交直流混联电网复杂特性的稳定控制技术，提升电网抵御大停电能力。 项目针对交直流混联电网运行特性的重大变化，从电网三道防线出发，突破暂态稳定关联断面识别和极限协调计算、应对多稳定模式交互影响的紧急控制优化、连锁故障链识别及防控、振荡中心定位和失步解列优化、解列后局部孤网保稳控制等关键技术，提升防御电网大面积停电的安全稳定控制水平，为保障特高压交直流混联电网安全稳定运行提供先进适用的技术手段。

2015年10月至2016年12月对《大型城市电网连锁故障测试平台研发及应用》职工创新项目研究。目的是解决城市电网连锁故障再现难的问题；解决目前现场人员事故处理(特别是城市电网连锁故障、罕见但影响恶劣的电网事故)经验欠缺的情况，开展模拟演练，提高事故处理能力；解决目前基层供电局由于资金和人力资源短缺，购置和维护先进仿真系统困难的问题。该创新方法经过2016年进行过48起试验应用对提高电网安全稳定运行具有实质性意义。大型城市电网连锁故障测试平台包括包括总控模块单元、总交换模块单元、同步控制模块单元以及至少三个模拟量开入开出于模块单元。总控模块单元连接总交换机单元，总交换模块单元连接各个模拟量开入开出于模块单元。总控模块单元对总交换模块单元发送控制指令，并从总交换模块单元接收反馈数据；总交换模块单元接收总控模块单元输出的控制指令，将控制指令分发到各个所述模拟量开入开出分子模块单元，并按收各个模拟量开入开出单元的反馈数据，将反馈数据汇总传输至总控模块单元；各个模拟量开入开出分于模块单元分别接收总交换模块单元分发的控制指令以及同步控制模块单元的同步信号，同时根据同步信号将控制指令转换为对应的被测试故障点的模拟量，并接收对应的被测试故障的反馈模拟量，对反馈模拟量进行模数转换，输出转换后的反馈数据至总控模块单元处理，同时生成故障波形图，便于分析。