如何给电网血压装上“双保险”

电网就像一个巨大的、日夜不停运转的人体循环系统。如果把电流比作血液，那么电压就是电网的“血压”。 当大风刮断电线或者雷电击中变压器时，电力系统就会遭遇突发的“低血压”-也就是瞬时电压跌落。这时候，工业区里成千上万台正在高速运转的电动机（比如工厂的传送带、大型空调的主机）就会因为“供血不足”而突然减速、发热甚至罢工。如果处理不当，局部的小毛病会迅速引发恶性循环，导致整个城市的电网瞬间陷入大面积瘫痪。

面对这种 “电网血压危机”，这篇论文不仅揭示了电压崩溃背后的隐秘规律，还为电网量身定制了一套精准预测危机的“全景心电图”评估系统。

（1）警报一：暂态电压稳定（TVS）

关注的是电动机能不能“站得稳”。当电压因故障暴跌后，电动机开始剧烈挣扎、减速。如果电压恢复得及时，电动机就能重新恢复挺拔，这就叫“稳定”；如果电压恢复太慢，电动机就会彻底“瘫痪”（锁死），并把整个电网拖垮。

（2）警报二：暂态电压跌落可接受性（TVDA）

关注的是用户设备“受不受得住”。有时候，虽然电动机挺过来了（系统是稳定的），但如果电压在极低的水平上持续时间太长，许多敏感的高科技制造设备、精密仪器会因为 “长期的低血压”而自动跳闸损坏。

在对实际电力系统进行海量仿真测试时，研究团队发现了一个 “科学悖论”——稳健的系统可能并不安全，而看起来危险的系统可能刚好。 论文中展示了两组非常经典的对比曲线。不妨把它们看作是两部关于“电网血压挣扎记”的微电影：

电网在 0 秒时发生了短路故障，并在 0.2 秒时成功把故障切除。从转矩-转差率曲线（Fig. 1）和转差率随时间变化的曲线（Fig. 2）可以看到，电动机虽然经历了一番剧烈抖动，但最终它的状态往回走了，说明它成功“站稳”了，没有瘫痪。当我们看向电压曲线（Fig. 3）时发现，电压跌落到临界线（例如 0.8 pu）以下的时间竟然长达 0.38 秒！已经远远超出了很多设备所能忍受的 0.3 秒极限。意味着虽然系统保住了，但大批敏感的用户设备已经线下“阵亡”了。

这一次，短路故障在 0.22 秒时才被切除，比Fig. 1慢了一点点。神奇的是，从电压跌落的时间来看，电压低于临界线的时间只有 0.21 秒，完全符合小于 0.3 秒的安全标准。只看跌落时间，这完全是一份“优秀答卷”。由于故障切除得稍微迟了些，从 Fig. 4 和 Fig. 5 可以看到，电动机的转差率（Slip）在短暂挣扎后开始彻底失控、一路上扬。意味着电动机在 3 秒内已经彻底失速、走向了解体和崩溃（TVI）。

针对这个痛点，研究团队提出了一套解决方案——全局暂态安全极限评估。 他们不再像过去那样，让计算机分别去计算发电机稳定、电动机稳定和电压跌落。而是独创性地让这三个核心指标在同一条动态轨迹上进行“同台竞技”。这就好比医生在做压力测试时，让患者一边跑步，一边同时监测他的心率（发电机功角）、血压（电压稳定TVS）和血氧饱和度（电压跌落可接受性TVDA）。

在这一条并行的运行轨迹中，哪一个指标最先支撑不住、暴露出短板，它对应的数值就是整个系统的全局暂态安全极限。 为了让计算机能够快速找出这个极限，团队还发明了“自启动技术”和“提早终止仿真判据”。好比给复杂的数学搜索过程安装了一个自动导航仪，一旦计算机发现某条路径注定失败或肯定安全，就会立即“切题”，不再浪费宝贵的算力。

大数据统计显示，通过这套创新的“导航搜索策略”，电网安全计算的效率得到了惊人的提升：

（1）评估电压稳定极限时，计算时间直接缩短了约 20%；

（2）评估电压跌落可接受性时，计算时间更是大幅砍掉了 35% 到 50%。

在论文发表时，这套先进的评估软件就已经正式在山东电力集团公司（山东电网）投入实战运行，已经成为了电网规划和日常调度不可或缺的“神兵利器”。

作者简介：薛禹胜，中国工程院院士，稳定性理论及电力系统自动化专家，长期从事电力系统稳定性量化理论、大电网停电防御系统及能源领域信息—物理—社会系统研究，提出电力系统暂态稳定 EEAC 理论与算法，主持研发 WARMAP 大电网停电防御体系。

ORCID：0000-0002-5765-078X

DOI：10.1109/59.871736