電網安全穩定控制系統標準體系研究評述

丁衛東， 張麗全， 許劍冰， 薛峰， 白杰， 張維寧

(南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著特高壓交直流電網快速發展，我國電網特性正在經歷前所未有的變化，當前電網運行控制復雜程度前所未有。電網運行高度依賴穩控系統，穩控系統已成為特高壓交直流電網安全穩定運行的標準配置。近年來，我國各大區域電網已逐步構建了特高壓交直流電網系統保護(簡稱系統保護)[1]，進一步拓展傳統區域型穩控系統的架構和思路。

穩控系統為匹配電網運行特性，大多采用定制式設計研發，系統架構設計復雜，裝置投退操作繁瑣且檢修計劃協調困難，給系統管理和現場運維造成困難。我國高度重視并持續推進穩控系統標準化工作，制定了一系列標準，文獻[2—11]、文獻[12—15]、文獻[16—19]和文獻[20—26]分別從設計研發、入網管理、檢修檢驗和運行管理4個方面對穩控系統進行規范。穩控系統調度主管部門在推動穩控系統標準化方面也做了大量工作，文獻[27—28]提出穩控系統規劃配置、設計原則、技術要求、控制策略、軟硬件功能、出廠驗收、現場調試以及管理制度的標準化；文獻[29]提出穩控執行站配置規模、功能配置及控制邏輯的標準化；文獻[30]提出特高壓直流配套穩控系統架構設計、穩控裝置與直流控保接口設計、直流故障判據及控制策略設計的標準化。然而，在實際運行管理中，穩控系統“非標”問題依然嚴重。2018年國家電網有限公司開展“三道防線”專項核查工作，核查發現與繼電保護裝置相比，穩控裝置設備標準化程度低，平均每百臺設備的問題顯著增多。因此，有必要梳理現有穩控系統標準體系架構，研究穩控系統標準的適應性和新需求，進而有效指導穩控系統的設計、研發和運行，保障電網安全穩定運行。

文中立足現行穩控系統標準，從設計研發、入網管理、檢修檢驗和運行管理4個方面入手，每個方面選取幾個典型標準進行介紹，分析各個環節標準的覆蓋面，指出現行標準存在的盲區，提出穩控系統標準體系完善建議。

1 穩控系統標準體系架構

于1981年頒發，2001年、2019年修訂的《電力系統安全穩定導則》[31](簡稱《穩定導則》)是電力行業普適性標準，把電力系統承受大擾動能力的安全穩定標準分為三級，對三級安全穩定標準的擾動形態都有明確的規定。為了應對擾動，《電力系統安全穩定控制技術導則》[2，32]定義并規范了三道防線及其對應的控制措施。三道防線是電網安全穩定運行的基本保障，我國電網建設嚴格貫徹《穩定導則》，不斷加強三道防線建設，配置和完善各種繼電保護和穩控裝置，防止事故連鎖反應，從而有效避免大停電事故。穩控系統經過多年發展，已經建立涵蓋國家標準(GB)、行業標準(DL)、企業標準(Q/GDW、Q/CSG)的三級穩控系統標準體系，包括設計研發、入網管理、檢修檢驗和運行管理四大類，如圖1所示，規范了穩控系統的運行管理，推動了穩定控制技術的進步。

圖1 穩控系統標準體系架構Fig.1 Stability control system standard architecture

2 穩控系統標準現狀分析

2.1 設計研發類標準

穩控系統設計研發包括穩控系統策略制定、控制架構、配置原則、運行模式以及穩控裝置軟硬件設計。相關標準主要有GB/T 14285—2006、GB/T 26399—2011、GB/T 50703—2011、GB/T 34122—2017、DL/T 1092—2008、DL/T 478—2013、Q/GDW 421—2010、Q/GDW 11356—2015、Q/GDW 11764—2017和Q/CSG 110001—2012，共10項，其中：

(1) GB/T 14285—2006規范了穩控系統的策略制定、配置原則、主要技術性能要求和控制措施；

(2) GB/T 26399—2011對穩控系統策略制定、控制架構、配置原則、判據、可靠性和通信通道提出具體要求；

(3) Q/GDW 421—2010、Q/GDW 11356—2015規定了穩控系統通用性能要求、主要性能要求、策略制定、控制架構、配置原則、運行模式、功能要求、二次回路及相關設備的要求；

(4) Q/CSG 110001—2012規定了穩控系統的硬件設計、主要功能、判據、通信和可靠性等方面的基本技術要求。

設計研發類標準涵蓋國家標準、行業標準和企業標準，對穩控系統策略制定、控制架構、配置原則、運行模式以及穩控裝置軟硬件設計都有相應規定，但部分穩定控制新成果未能在現有標準中體現，在設計研發中存在以下問題。

(1) 控制架構方面。要求按照分層分區原則，合理控制穩控系統層級數量，而目前分區系統保護工程和省級精準切負荷控制系統的控制架構已達五級甚至更多。另外，按單一工程、單一目標配置的穩控系統一般解決電網局部穩定問題，單一穩控系統動作，可能成為其他穩控系統動作的觸發條件，多個穩控系統間缺乏整體性考慮，存在無序動作風險[33—34]。

(2) 配置原則方面。重要發電廠和樞紐變電站的穩控裝置按雙重化配置，但對雙重化配置的穩控裝置生產廠家沒有要求，造成實際電網中雙重化配置的穩控裝置大部分選用同一個生產廠家，裝置誤動或拒動概率增大，給電網安全帶來很大風險。

(3) 運行模式方面。主輔運行模式下，現行標準中主運裝置動作出口并立即閉鎖輔運裝置，但在運部分穩控裝置采用的主輔命令跟隨模式中主運裝置動作出口不閉鎖輔運裝置，而是同時發命令給輔運裝置，輔運裝置按照主運裝置選擇結果執行措施，這種做法缺少標準依據。

(4) 硬件設計方面。在穩控裝置屏柜、二次回路、端子排布置、接口設計、壓板布局等方面都有相關規定，各個穩控廠家基本按照標準進行設計，但對穩控裝置機箱、插件命名、人機界面內容沒有規范，使得各個穩控廠家裝置機箱大小不一、插件命名種類繁多、操作界面多元化，運行維護困難。另外，現行標準缺少穩控裝置信息安全防護設計要求。

(5) 軟件設計方面。在穩控裝置主要技術性能、控制措施、故障判據、定值/策略表格式、異常告警信號、動作報文格式等方面都有相關規定，但實際應用中因受地域條件以及電網運行習慣的影響，各級電網和發電廠用戶在運行方面存在差異，穩控廠家為了滿足用戶提出的多樣化需求，在穩控裝置的軟件設計上均有較大改動。另外，不同站間穩控裝置缺少統一的通信規約，目前采用的都是穩控廠家自定義規約。

2.2 入網管理類標準

穩控系統入網管理主要指穩控裝置新產品(包括新原理、新判據)準入市場前的型式試驗、穩控裝置投運前的出廠驗收、仿真驗證和現場調試(包括單體調試和現場聯調)，各環節均符合要求后，穩控系統才能正式投運。對已投運穩控裝置軟、硬件改動較大的，原則上視為新設備，需重新進行出廠驗收、仿真驗證和現場調試。對于更改內容影響較小、范圍明確的，可適當簡化。相關標準主要有GB/T 22384—2008、GB/T 31237—2014、GB/T 7261—2016、 DL/T 1092—2008、DL/T 478—2013、DL/T 995—2016、Q/GDW 1914—2013、Q/GDW 11486—2015、Q/GDW 11488—2015和Q/CSG 114001—2012，共10項，其中：

(1) GB/T 22384—2008、Q/GDW 11488—2015規定了穩控系統出廠驗收、現場單體和聯合調試的內容及要求，其中Q/GDW 11488—2015還要求穩控系統在現場聯調前，裝置軟件需通過實時仿真試驗驗證。

(2) GB/T 31237—2014、GB/T 7261—2016、DL/T 1092—2008、DL/T 478—2013規定了穩控裝置進行型式試驗時應遵循的基本方法。

(3) DL/T 1237—2013、DL/T 995—2016規定了穩控裝置現場單體和聯合調試的內容及要求。

(4) Q/CSG 114001—2012規定了穩控裝置單體和現場聯調的內容和要求，對于穩控裝置新產品的開發、新原理、新判據的應用，必須經過動模試驗或實時數字仿真(real time digital simulation,RTDS)試驗驗證，并且對于直流配套穩控系統，與直流的接口回路必須一一驗證，進行實際的直流閉鎖試驗。另外，對于復雜系統的穩控策略研究和邏輯功能測試，采用傳統驗證方法無法正確驗證穩控裝置的動作行為，宜采用電力系統動態整組仿真試驗。

入網管理類標準涵蓋國家標準、行業標準和企業標準，對穩控裝置開展型式試驗、出廠驗收、現場調試的要求和內容都有明確規定，多年來在穩控系統入網管理中發揮了重要作用，現階段及未來都將是基本的入網管理要求。然而，面對特高壓交直流電網和新能源快速發展帶來的電網特性新變化，當前的入網管理要求已經難以完全適應，在執行中面臨新的問題。

(1) 出廠驗收方面?，F行標準中側重于裝置硬件、基本判據、站間通信、邏輯策略的驗收，缺少穩控系統網絡安全滲透項目的測試。

(2) 仿真驗證方面。采用傳統驗證方法已無法正確驗證系統保護工程、直流配套穩控系統等復雜系統的邏輯功能，實驗驗證模式亟需創新發展，基于RTDS實時數字仿真設備構建一二次系統閉環實驗環境，開展控制系統級實驗驗證成為入網管理新要求，需對仿真驗證的內容及要求進行規范。

2.3 檢修檢驗類標準

穩控系統檢修檢驗類標準主要規范穩控裝置投運后的定期檢驗。穩控裝置的定期檢驗分為全部檢驗和部分檢驗，各級穩控管理及運維檢修單位根據當地電網具體情況并結合一次設備的檢修計劃合理安排穩控裝置年度檢修計劃。全部檢驗內容包括裝置檢驗、策略檢查和傳動試驗，部分檢驗內容包括裝置檢驗和傳動試驗。相關標準主要有GB/T 22384—2008、DL/T 995—2016、Q/GDW 11488—2015和Q/CSG 114001—2012，共4項，其中：

(1) GB/T 22384—2008規定了穩控系統定期檢驗的種類、周期、內容及要求；

(2) Q/GDW 11488—2015、Q/CSG 114001—2012規定了穩控裝置定期檢驗的種類、周期、檢驗項目及檢驗要求。

檢修檢驗類標準涵蓋國家標準、行業標準和企業標準，對穩控裝置定期檢驗的種類、周期、內容及要求都有明確規定，但部分內容有待優化，實際開展檢修檢驗時面臨以下問題。

(1) 檢驗周期方面。不同標準對部分檢驗周期要求不一樣，GB/T 22384—2008規定部分檢驗周期為2 a，Q/CSG 114001—2012規定部分檢驗周期為3 a，DL/T 995—2016和Q/GDW 11488—2015規定部分檢驗周期為2～4 a。

(2) 策略檢查方面。由于穩控系統檢修職責界面不清晰、檢修計劃協調困難等原因導致檢修聯調工作難以開展。

(3) 傳動試驗方面。由于一次和二次設備停電不同步導致穩控系統未帶開關傳動問題突出。另外，特高壓直流穩控系統在直流大修后已常態化開展帶電傳動試驗，現行標準缺少相應規范，導致試驗項目選取無據可依、無章可查，帶電傳動試驗缺乏技術支撐和標準依據。

2.4 運行管理類標準

穩控系統運行管理主要指穩控裝置投運前的調度運行規程和現場運行規程的制定、穩控裝置定值的整定以及投運后穩控裝置的運行維護(包括定值管理、運行監控、缺陷管理、事故分析、運行評價)，實行統一調度、分級管理制度。相關標準主要有DL/T 623—2010、DL/T 1239—2013、DL/T 587—2016、Q/GDW 395—2009、Q/GDW 11024—2013、Q/GDW 11055—2013和Q/GDW 10680.41—2017，共7項，其中：

(1) DL/T 623—2010、Q/GDW 395—2009規定了常規變電站穩控裝置的運行評價方法，按照綜合評價、責任部門評價和運行分析評價3個評價體系實施；

(2) DL/T 1239—2013就電力系統交流1 000 kV電壓等級穩控裝置在動作統計與評價管理、缺陷管理、定值管理等方面做了規定要求；

(3) DL/T 587—2016規定了穩控裝置及其相關設備運行管理方面的要求；

(4) Q/GDW 11024—2013規定了智能變電站穩控裝置及相關設備運行管理的基本原則；

(5) Q/GDW 11055—2013規定了智能變電站穩控裝置的運行評價方法，按照綜合評價、責任部門評價和運行分析評價3個評價體系實施；

(6) Q/GDW 10680.41—2017規定了智能電網調度控制系統(D5000)中穩控裝置在線監測與管理的功能、性能等技術要求。

運行管理類標準涵蓋行業標準和企業標準，經過多年發展，目前已經較為成熟，在保障我國電網安全穩定運行方面發揮了重要作用。穩控系統運行管理在穩控系統全生命周期管理中占較大比重，運行管理水平直接影響著電網安全穩定運行?，F行運行管理類標準大都要求穩控系統運行管理參照繼電保護裝置執行，在實際運行管理中面臨以下問題。

(1) 運行監控方面?，F行標準對調度側穩控在線監控要求過低，缺乏有效技術手段實現對故障的綜合智能分析，穩控系統信息展示靈活性不強，對調控運行業務支撐能力有待提高。

(2) 事故分析方面。穩控系統事故分析在現行標準中缺乏相應的規范，導致穩控系統事故后不能快速定位事故原因。

(3) 運行評價方面?，F行標準對穩控系統的運行評價指標及評價要求不完善，各單位相關職責不明確，運行反饋機制未建立，導致穩控系統評價不全面、不及時，無法實現穩控系統閉環管理。

3 穩控系統標準完善建議

現有穩控系統標準體系對穩控系統設計研發、入網管理、檢修檢驗、運行管理等各個方面的工作具有指導和規范作用，隨著我國特高壓交直流電網的建設以及高比例新能源和電力電子化的發展，亟需開展穩控系統標準的適應性和體系的完整性研究。

3.1 深化穩控系統設計研發

(1) 我國電網穩控裝置數量眾多，各個單位若不嚴格按照標準規范進行設計研發，將會給現場運維人員帶來很多困難，增加電網安全穩定運行風險。建議以“分層分區、功能明確、運維便利”為原則，參照繼電保護“六統一”設計思路，充分考慮穩控裝置特殊性，深化穩控系統設計標準，統一規范穩控系統控制架構、配置原則、運行模式、安全防護、定值清單以及動作報文等內容，解決各單位獨自開發帶來的穩控裝置標準化低等問題。

(2) 目前穩控系統邏輯策略基本上采用離線策略，隨著D5000調度系統和在線穩定分析(dynamic security analysis,DSA)的廣泛應用，在線計算定時更新控制策略逐漸成熟，建議在設計研發類標準中規范在線計算策略的應用原則和應用方法，推動在線決策控制技術進一步發展[35—37]，提升電網應對大范圍沖擊和復雜擾動的能力。

(3) 參照繼電保護配置原則，雙重化配置的穩控裝置選用不同型號或生產廠家，減小因同一個型號或生產廠家裝置家族性缺陷給電網安全帶來的風險。

(4) 跟蹤二次穩定控制技術發展，及時對穩控系統中應用的新技術進行規范，引導其健康發展。

3.2 強化穩控系統入網管理

(1) 強化穩控系統投運前的仿真驗證，規范仿真驗證范圍、要求及內容，明確要求跨區域、系統保護等重要穩控系統投運前必須在第三方檢測機構開展RTDS仿真驗證。

(2) 針對已投運穩控系統，若軟硬件有重大改動，現行入網管理類標準只要求對其有針對性地開展補充檢驗，建議嚴格遵守“逢修改必校驗”原則。

3.3 優化穩控系統檢修檢驗

(1) 明確穩控系統檢驗周期，完善定期檢驗內容。

(2) 針對穩控裝置檢修存在一次設備停電不同步、統一組織協調難度大等問題，優化現有檢驗模式，明確穩控檢驗職責，規范各階段穩控檢驗內容。

(3) 在現行檢修檢驗類標準中納入特高壓直流穩控系統帶電傳動試驗機制，規范穩控系統帶電傳動試驗范圍、周期、內容及要求。

3.4 完善穩控系統運行管理

(1) 針對調度側穩控在線監控系統運行中存在的問題，完善穩控在線監控系統規范要求，進一步提高其智能化管理水平。

(2) 參照繼電保護裝置運行管理規定，完善穩控系統運行評價指標和評價要求，及時掌握穩控系統運行情況和薄弱環節。

(3) 建立穩控系統事故分析機制，規范事故分析流程，強化穩控裝置軟件管理。

4 結語

現行大部分穩控系統標準把穩控裝置當作安全自動裝置(包括：穩控裝置、失步解列裝置、低頻低壓減負荷及解列裝置、過頻切機及過頻過壓解列裝置、備用電源自投裝置、輸電線路的自動重合閘裝置等)的一部分，和繼電保護裝置作為一個整體進行闡述，單獨針對穩控系統的標準規范很少，這與穩控系統在電網中的重要作用不匹配。文中從穩控系統設計研發、入網管理、檢修檢驗、運行管理4個方面對穩控系統標準體系中25項標準進行分析，指出現行標準執行中面臨的13個問題，提出12條完善建議，以期通過修編和制定一系列穩控系統相關標準，推動穩定控制技術進步，提升穩控專業運行管理水平，保障電力系統安全穩定運行。