电力战略防御系统

电力战略防御系统theStrategicPowerInfrastructureDefense(SPID)System电力系统研究所周双喜2002.4.15电力战略防御系统的几个问题（1）电力系统脆弱性及其来源（2）电力系统灾难性事故的一般历程（3）继电保护的隐藏故障（4）系统的脆弱性估计（5）SPID系统的功能要求（6）SPID电力战略防御系统的关键技术（7）SPID御系统技术上的挑战（8）工作设想一、电力系统的脆弱性及其来来源自然灾害故意的人为作用信息决策市场通信网络内部外部电力系统的脆弱性（vulnerability）原因☞自然灾害和气候条件☞大的力系统元件故障☞控制和保护系统故障☞信息和通信系统故障☞电力系统不稳定问题☞人为的错误☞不合适/错误的系统模拟和估计☞竞争的电力市场环境中的脆弱性☞不能获得、综合和利用可靠的信息二、电力系统灾难性事故的发展历程和控制措施安全状态边缘状态不安全不稳定设备退出故障过多跳闸解列停电安全措施长期规划广范围测量保护和控制自适应自愈多代理构架恢复策略三、保护系统隐藏的故障（HiddenFailure）方向比较闭锁（DCB）故障ABDRB2DRB1DRA1DRA2四、系统脆弱性估计（1）电力系统框架信息和通信系统I，C电力系统S电力市场M，G，D威胁或扰动控制和保护系统P，K人的代理H脆弱性估计（2）•电力系统脆弱性定义：电力系统因人为因素、信息、计算（软、硬件）、通信、电力系统元件、以及保护或控制设备的事故而导致大范围停电的灾难性事故障有关，包括。这里人为的因素包括故意破坏、投切操作和运行中的差错、电力市场中的博弈等侵入到计算机、保护/控制网络。•采用包括风险概念的概率方法。要建立各个子系统的数学和逻辑模型以及子系统间相互作用的经验模型。系统脆弱性估计（3）•风险计算的基本关系•Im:随机事件产生的效用，Xt:时段t预想事故运行条件。•E:表示求数学期望，Fi：随机事件。•系统在时段t可靠性风险指标其数值上等于在当前时段运行条件已知的情况下，下一个时段系统在所有可能出现的预想事故条件下的可靠性用货币来衡量时的期望平均值。1111),(),())(()(1ttittiXErttmtmdXXFRiskXXFPXXIEXIRiskti系统脆弱性估计（4）风险评估体系4个主要部分：☞事件识别☞风险计算☞快速网络分析☞决策分析五、电力战略防御系统功能要求SPID期望功能：☞能获取和说明广泛的来自不同源的实时信息；☞能快速评估与灾难性事件有关的系统的脆弱性；☞能使保护设备性能建立在系统全局估计的基础上；☞能自动重构电力网络使系统的脆弱性最小；☞能自动建立系统恢复计划使停电影响最小SPID体系结构满足下列控制系统要求•多目标：各个代理可同时按各自目标、约束机制和来自更高层的仲裁计划采取措施。•多传感器：不是所有的传感器都要送到中央代理。然而，同一传感器的值可以由不同层使用。不同层可以处理某些形式的信息并利用其结果达到其自身的目标。•鲁棒性：多代理增加系统的鲁棒性。在增加较高层的时候，体系结构的较低层继续运行。•可扩展性：当系统需要增加新的层次时，每一个新增的层次可以独立运行而不受原有系统的约束。六、SPID关键技术√建立在GPS/PMU基础上的电力系统广域相量测量技术√防范隐藏故障-自适应保护控制√自适应自愈策略√控制和分析的混合多代理框架√分层多代理软件结构√快速、可靠的通信系统六（1）电力系统广域测量系统√故障分析脆弱性评估信息与传感自愈策略调度决策与调度GPS卫星LEO卫星因网特企业内部网电力系统广域测量系统（2）•同步相量测量装置测量网络节点（母线）正序电压（电流）幅值和相角差的测量，每个工频周期测量一次（工频50Hz,即0.02秒一次）•量测量送到控制中心集中后就可获得网络状态的连续图谱•应用：扰动记录、故障录波、电力系统的状态估计、静态稳定的监视、暂态稳定的预测及控制、自适应失步保护等电力系统广域测量系统（3）━基于广域测量的自治电力系统稳定器三层结构基于模糊逻辑的参数SPSS阻尼环系统模式识别执行机构/分配器信号预处理器动态电力系统与其他系统通信管理层运行层执行层振荡模式和回路健康诊断选择和采样信号阻尼信号要选择的控制点噪声负荷允许和参数整定六（2）自适应保护控制•保护系统的可靠性定义包括两个方面：可靠度和安全度•可靠度是保护系统能在设计的所有条件下都能动作。一个可靠的保护系统保证它所规定的故障都能被清除（该动的都能动）•保护系统的安全度意味着对于没有规定保护动作的系统事件它决不会动作。（不该动的都不会动）。一个安全的保护系统排除了误跳闸的可能性自适应保护控制（续1）•SPID自适应保护策略的主要思想：当系统的运行状态发生变化时，对所收集的数据进行筛选和合理的组织，实时在线地快速重新计算保护设备的整定值以维持保护系统正常运行，或者根据当时系统对可靠性和安全性要求的不同改变系统当前的运行方式。•和常规保护的区别就在于其整定值是通过量测系统状态来确定的，而常规保护的整定是假定电力系统存在于某种状态下确定的。六（3）自适应自愈控制策略•自适应自愈研究的内容：利用脆弱性估计技术，对给定事故（事故不局限于电力系统，也可能是信息网或通信网络的故障引起的）进行严重性估计，确定电力系统扰动的严重程度•电力系统自愈的想法就是当系统发生故障时，自动快速地定位故障并且采取相应的策略隔离故障，把受扰系统解列成几个小的孤岛使其暂时运行在稍微退化的水平，而整个系统的运行状况在事件的影响得以消除后可以得到恢复。•解析工具：常规的时域分析，基于人工智能（AI）的方法，如动态决策树（DDET）等。自适应自愈控制策略（续1）•自愈控制策略主要有以下两种模式：•（1）预防自愈模式：分析各种控制方案之间的相互作用和优先级别为已告警的电力系统提供一种控制解决方案，它在扰动未发生时就通过改变运行条件将系统运行点引入安全状态，如果故障真发生，则力图消除故障或使其局部化，或使发生级联停电的可能性减到最小。•（2）校正/恢复自愈模式：由于保护动作或者预防自愈模式已采取措施，系统的一些部分将运行在次最优水平下，这种模式的主要任务是提供一种策略使电力系统恢复到最优的工况，提高系统运行的效率。六（4）混杂多代理（hybridMultiagent）模式•SPID采用分级、分层的混杂多代理系统，分散和耦合的智能硬件和软件代理网络，每一个代理是智能的，但各个代理的能力不可能达到复杂大系统的全局目标，分布式、自治的和自适应的智能代理组（多代理系统）可以通过自治的和代理的交互作用实现广范围控制方案，协同实现全局目标。混杂多代理（hybridMultiagent）模式/协商层隐藏故障监视代理脆弱性估计代理事件/报警重构代理通信代理事件/报警过滤代理计划/控制动作/禁止信号协调层反应层禁止信号发电机代理保护代理输入/事件混杂多代理模式（续）√反应层在每一个局部子系统中都有，其任务是执行预先计划好的动作方案，具备快速响应的功能；√协调层，它利用智能推理技术辨识从反应层传上来的跳闸事件中哪些是紧急的、重要的、或者是要付出更大控制代价的，如果某个跳闸事件超过了其门槛值，协调层将把这个跳闸事件交由更上面的协商层来处理，√协商层根据协调层提供的信息，利用本身建立的模型不断地进行计划。脆弱性分析和自愈策略的制定这样一些比较高级的功能都由协商层来解决。混杂多代理模式（续）√协商层并不是随时跟踪当前的运行情况，它已有的模型可能会过期，因此，从协商层传来的指令必须和当前的实际模型进行合法性校验。协调层在反应层和协商层之间不断地比较模型，随时更新协商层已有模型。并且校验协商层下达指令的合法性，如果协商层下达的指令和实际情况不相符，那么协调层就会敦促协商层修改指令。√从反应层上传给协商层的信息太多，而从协商层下达给反应层的指令又太笼统，协调层还有一个任务就是分析指令，将其解码变为实际的控制信号，六（5）SPID系统中的软件代理模块1重构代理隐藏故障监控代理恢复代理指令解释代理脆弱性识别代理事件识别代理事件/报警滤波代理故障隔离代理保护代理电力系统控制发电机代理频率稳定代理规划代理禁止信号可靠性、鲁棒性、自愈策略自治、快速控制一致性模型更新代理SPID系统中的软件模块结构（续）•SPID的软件结构建立在多代理概念基础之上。以广域全局脆弱性估计和确定自适应自愈策略为其设计宗旨的、具有自适应协调能力的混合多代理系统。•每一个代理是与其它代理独立的，都要力图达到自己的目标。•代理之间有信息交换和资源共享的联系，各个代理一起协同运作达到全局目标提供了可能。SPID系统中的软件模块结构•SPID系统两种类型软件代理:•认知代理━智能代理，它知道如何利用知识库和系统相关信息去推理它应该完成什么任务，同时还具备和其他代理通信的能力，这些代理大多数都处于最高层（协商层）中•执行代理（反作用代理）━是通过整体协调方案进行相互协调完成其任务的，单个执行代理本身并不具备智能推理，它主要是接收智能代理下达的指令去执行相应的动作，执行代理一般处于最底层（执行层）中。他们工作在“剌激-响应”方式下，具有快的时间响应代理所属的层次划分•属于协商层的包括：网络重构代理、脆弱性评估代理、隐藏故障监视代理，事件辨识代理、规划代理、恢复代理；•属于协调层的有：事件过滤与报警代理、模型升级代理、命令解释代理；•属于反应层的是：故障隔离代理、频率稳定代理、保护代理和发电代理；六（6）SPID通信系统结构•1SPID主系统同步时钟（GPS）因特网或带网关的高速企业网专门通信信道（光纤/微波）GPSSPID通信系统结构（续）•快速、可靠的通信系统是SPID系统识别电力系统全局脆弱性运行状态和确定合适的实时补救措施的基础条件•不同层之间要进行通信，同一层中的代理之间也需要交换它们的资源、信息和决策•通信不是程序间符号级(symbollevelprogram-toprogram)通信，而是类似于人类交互作用的认知级（knowledge-level）通信•最高层为命令/控制中心层，往下是各电厂/变电站层，最底层为装置及电力设备层SPID通信系统结构（续）•SPID通信系统型功能包括：•从不同的发电、输电或配电站采集数据进行脆弱性分析；•各个变电站之间的数据交换；•不同变电站设备之间的数据交换和控制信号（例如闭锁信号）；•在一个变电站中设备之间的数据交换和控制信号；•设备和控制中心的信息交换；•现场人员和调度人员之间通信；SPID通信系统结构（续）•从独立系统运行人员上获取数据；•从电力市场和天气服务处获取数据；•通信信道的可用性；•脆弱性分析和补救措施用的数据库；•从设备监控装置处获取数据（如变压器）等。SPID通信系统结构（续）由控制和补救措施要求增加的通信要求：•继电保护整定值调节；•隐藏故障的监控和分析；•根据系统脆弱性分析甩负荷；•线路的投切；•发电机控制；•灵活交流输电系统（FACTS）设备的控制等。七、SPID系统所面临的技术挑战系统的学习和适应在一个动态环境下，要预报多代理系统在设计（计划）时刻和在它应用之前的特性是很困难的。换句话说，系统设计者也许必须预先知道未来环境的要求。然而大概不可能预报全部组成部分的特性和与动态环境相互作用的多代理系统的具体行为。SPID系统所面临的技术挑战（续）两类学习：单个代理（或孤立的）的学习。单个代理（或孤立的）的学习适用于多代理系统，其中各代理的结构是相同的。因此在一个代理中嵌入学习能力可获得整个系统的学习能力。然而，SPID系统中的代理在不同的多代理系统中，各个代理的学习受交换的信息、共享的知识、及调节代理行为和相互作用的规则的影响，是多代理（或交互作用）的学习。SPID系统所面临的技术挑战（续）•代理的环境是动态的和不可预测的即使广泛的仿真也不能保证代理组的鲁棒性。在SPID系统中的代理需要智能和系统的学习方法以便通过与动态环境的直接交互作用学会和更新它的决策能力。加强学习是一种具有强环境适应能力、能够自动进行目标定向学习和决策的计算方法。加强