电力战略防御系统
the Strategic Power
Infrastructure Defense
(SPID)System
电力系统研究所
周双喜
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
（Hidden Failure）
方向比较闭锁（DCB）
故障
A B
DRB2DRB
1
DRA1DRA
2
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。
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
G
PS
卫
星
L
E
O
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（hybrid
Multiagent）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（hybrid Multiagent）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
• 1
SPID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）
GPS
SPID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(symbol level
program-to program)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
强学习的优点是代理可以不依赖经典的监
控模式或复杂的环境模型。
SPID系统所面临的技术挑战（续）
复杂的交互作用系统的详细模型和算法
• 电力系统物理特性、市场功能、通信和信
息系统需要复杂和交互作用式模型，电力
系统和电力市场模型基本建立，已有了电
力系统静态和动态分析算法。但脆弱性估
计用的通信和信息系统模型需要开发和综
合。通过多代理环境的脆弱性估计和综合
增加了算法的复杂性。
• SPID系统需要确定最有效决策过程的智能
控制算法。
SPID系统所面临的技术挑战（续）
SPID系统的实时响应
SPID系统需要有合适的响应时间来配合其功
能的完成，这里的响应时间包括计算、通
信和控制等。
• 级联事件可能在短的时间周期内发生（例
如继电器动作为零点几秒）。
八、工作设想
（1）电力系统广域相量测量的研究和实现；
（2）相量测量技术在电力系统中各种应用，
研究基于电力系统相量测量基础上的电力
系统动态和静态分析方法；
（3）智能多代理技术在电力系统中应用，如
何实现各个代理之间的协同运作；
八、工作设想
（4）如何充分利用现有的通信网络来实现
SPID系统中各个代理之间的通信和信息交
换；
（5）各个软件模块应采用什么模型、算法来
保证系统运作的稳健性
SPID系统的研究内容很多，对它的完善和实
施必将大大推动电力系统学科以及电工技
术的发展。
关注SPID系统研究
谢谢各位！
