电网络理论「电力电子技术与智能电网」

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电网是一个规模非常大、高度非线性的动力系统，其稳定可靠的运行对科学家和工程师提出了很大的挑战。由于复杂的动态网络具有灾难性故障的趋势，因此需要复杂的分析和控制。在接受NSR采访时，中国工程院院士、国家电网电力科学研究院名誉院长薛禹胜教授谈到了中国电网的经济影响、技术挑战和未来发展。

NSR：为什么电网是一个重要而困难的问题？

薛：众所周知，电力供应对我们的日常生活至关重要。因此，一个稳定和智能的电网，避免灾难性的电力故障，对我们的社会至关重要。

电网是一个典型的复杂系统，其运行中涉及许多因素，包括静态和动态约束。此外，这些因素紧密交织在一起，使事情变得更加复杂。

NSR：我国电网发展现状如何？

薛：截至2013年底，中国发电装机容量为12.47亿千瓦，其中网络化风力发电量为7548万，居世界领先地位。中国太阳能发电量的增长也是世界上最快的。中国电网负责能源资源的广域协调和清洁能源的远距离输送，承受着大规模不确定间歇性发电带来的负载均衡和稳定性问题的巨大压力。

今天，中国已成为世界上唯一拥有超高压（UHV）电网综合技术的国家，具有国际标准。8年内，从2013年开始，国家电网公司计划建设27特高压直流（特高压指±800千伏以上）特高压同步电网“五经线”。同时，它将构建能够接受和融合可再生能源的智能配电网络，并支持电动汽车的充电网络。

中国现在拥有先进的电力系统保护和控制技术，拥有多条停电防线，保持着良好的可靠性记录。大约4/5的国家电网采用了基于我国开发的系统稳定性理论和量化分析建立的停电、事故、灾害保护综合框架。

中国电网电力科学研究院名誉院长薛禹胜（薛禹胜提供）

NSR：大数据和复杂网络在电网中扮演什么角色？

薛：电网必须实时保持发电和用电之间的平衡，以降低电力拥堵的风险，并保持所有发电机之间的同步性。

从理论上讲，任何干扰都会以光速扩散到全国整个电网。相应地，迫切需要定性和定量分析，同时优化前馈和反馈控制以实现稳定性。

电网系统可以通过包含大量三角函数和磁饱和函数的动力学方程来描述。保护继电器和系统保护需要逻辑方程来描述。此外，在动力学过程中，网格拓扑和不同类型方程的尺寸可以改变。因此，要分析和控制一个大规模的电网，必须综合考虑许多复杂的因素，复杂的网络理论和技术显然是非常重要和有用的。

中国制造的商用软件可用于分析超过10 000个节点（具有1000多台发电机）和30 000多个边缘的复杂电力网络。此外，应该注意的是，这里的每个生成器节点都需要两到七个动力学方程和两个代数方程来描述;每个负载节点都需要一个动态方程和两个代数方程才能做到这一点。此外，如果还考虑低于35KV以下的配电网络，则网络尺寸将增加一个阶次。这样一个具有实时监控功能的电力网络所面临的大数据是难以想象的，尤其是干扰可能引发大量动态响应的情况下。更关键的是，所有的数据挖掘和决策都必须在线进行和完成，包括早期风险预警、实时优化操作等。

NSR：您能谈谈电网对攻击和灾难的可靠性、稳定性和稳健性吗？

薛：在电网中，存在各种时间尺度的复杂动态：毫秒级的电磁瞬变，不到一秒的同步不稳定性，几十秒内的低频振荡，几分钟的热不稳定，以及几十分钟的静态电压和频率不稳定。它们构成了电网稳定性约束的多样性。目前可用的在线分析技术还不够强大，无法处理电网上的多米诺骨牌效应，更不用说处理网络同步稳定性的定量分析和最优控制了。此外，可再生能源和电动汽车将大规模的间歇性和不确定性引入电网，不容忽视。

中国电力部门在防止局部故障造成的停电方面取得了重大进展，包括稳定性量化理论以及稳定性控制技术，自适应稳定控制和优化方法，建立和改进综合防御系统安全与稳定的时空协调等。这种防御系统定期评估故障对电力系统稳定性的潜在影响，进行风险预警，提出防控措施建议，并根据实际运行情况搜索和更新应急控制的最佳决策。

虽然国防系统覆盖了我国4/5省的电网，但仍然不足以防范覆冰、雷击等严重的外部灾害。在环境信息和地理信息系统的整合、信息系统的多防线、对大规模扰动的有效应对能力、应急处置的适应和预防能力、任务协调等许多领域都存在问题和不足。此外，目前的系统无法有效地处理当今自然灾害造成的极其复杂的停电模式。

为了更好地保护电网免受严重破坏，我们必须防止所有低概率的高风险事故。从电力系统内部收集数据的传统方法应该扩展到自然环境，以便防御战线可以移动到更宽的边界。此外，有效预警的时间范围应从几分钟延长到几小时，以便为系统做出反应提供足够的时间。

此外，应将预警目标从单一的即时风险扩展到频繁级联故障的组。此外，最优协同控制决策应从正常运行模式扩展到最坏情况，将典型的被动防御策略改为主动防御方法。这些措施落实到位后，我们将能够对整个电网进行安全可靠的协调和控制，从而避免严重灾害的出现。今天，我们正在为实现这一目标而努力工作。

NSR：目前对复杂网络的研究是否有助于预测或防止大规模停电？

薛：电网具有复杂系统的所有特点，具有大量相互广泛相互作用的基本要素，具有开放而复杂的多层动力学。

电网领域的研究人员应用复杂性理论，利用演化结构来描述整体综合行为模式和规律，研究停电的基本原则，评估电网的全球脆弱性，预测演化趋势，等等。许多研究人员已经验证了大小尺度与发生概率的幂律，但这种研究肯定有进一步改进的空间。

电网作为一个复杂的网络，具有拓扑结构规模大、动态复杂等特点。电网领域的研究人员倾向于使用小世界和无尺度模型而不是完整的随机网络来研究电网对各种攻击和级联故障的鲁棒性。

上面讨论的复杂性理论和方法从全局角度定性地研究了级联故障。它对电网的研究具有积极的影响，特别是在面对许多看似小而微妙的事件的高度不确定性时，推荐有用的策略和计划。然而，对于大规模电网的运行和控制，有必要进行定量分析，考虑故障场景以及功率流和瞬态动力学的物理定律。我相信，通过将复杂性理论与传统的电网建模和仿真方法相结合，将全局协调和还原论相结合，扩展对级联故障和大规模停电的理解，将大大有利于电力灾害预测、预防和控制的未来发展。

NSR：全球电网研发面临的主要挑战是什么？

薛：一方面，电力行业消耗了大约1/3的化石能源，并产生了全球约40%的二氧化碳排放量，因此造成了当今的主要能源和环境问题。另一方面，电力是可再生能源的有效载体，因此是可持续能源发展的驱动力。因此，电力研发的任务是最大限度地发挥电能传输的优势，更好地支持能源安全、环保（特别是减排）的战略决策，从而减少造成雾霾的空气污染。

智能电网就是这样一个使命，它包括可靠、实惠、开放、人性化的能源开发利用，既可以是远距离大规模、大规模分布的基地，也可以是小规模但分布广泛的能源，支持电动汽车、节能、市场参与等各种能源需求。这是一个多部门和多学科的系统，有助于不确定性分析，风险管理以及系统安全和经济协调研究。

还有一些新的发展可能有助于降低功耗和节省闲置容量，包括经济有效的大规模电力存储，多直流传输和大规模AC/DC混合模式电力网络，以及电力电子设备的广泛应用。有效运行和控制不同类型的基于逆变器的发电，可以改善间歇性可再生能源（如风力发电和太阳能发电），并准确估算电动汽车的电荷，也可能非常有用。

供电可靠性必须是电网、一次能源网络、金融系统、通信网络等的谐波配合。

——薛禹胜

NSR：最后，未来可能将电网与网络科学联系起来的研究方向是什么？

薛：到目前为止，电网分析的边界条件，即运行条件和扰动，是基于离线经验给出的，因此无法根据外部非电气系统的演化趋势进行实际设置。这不仅限制了预警时间的推进，也限制了对外部环境进行预先决策的适应能力。

因此，未来的网络分析需要考虑能源和环境作为一个整体，而不是作为一个独立的实体。由于排放，一次能源和电力市场的限制，物理上安全的电力系统可能不可靠地提供电源。因此，防止大规模停电需要多种因素的谐波协调，包括能源资源、金融系统、通信网络、运输和货物供应网络等。这是一个关于覆盖多向量网络的复杂动态系统的主题。