高占比新能源电网运行风险防御的思考与实践

1231232目录1.1国家战略背景●国家“十五五”规划纲要首次将“能源强国”建设纳入五年规划；新一轮国家自主贡献明确了2035年新一轮国家自主贡献明确了2035年能源转型量化指标：●非化石能源消费占比超过30%,风电和太阳能总装机容量力争达到36亿千瓦。国家发改委、能源局于2026年年初发文提国家发改委、能源局于2026年年初发文提出：●2030年“西电东送”规模超过4.2亿千瓦；支撑新能源发电量占比达到30%左右。331.2“十五五”新型电力系统发展形势形势一：新能源出力高占比将成为电网运行新常态●发展现状：截至2025年底，全国风光装机18.4亿千瓦，风光装机占比达47.3%,发电量占比超22%;西北电网2025年新能源最大出力占比突破70%。●未来趋势：到2030年，新能源加快从装机主体转变为电量主体，东北电网新能源理论出力占比大于50%的时长为5551小时，西北电网占比大于70%的时长达3414小时1。●核心挑战：系统特性不再以传统电源为主导，叠加极端天气频发、各类安全隐患交织，电网安63.1%出力占比大于50%时段出力占比大于70%时段-新能源利用率2030年电力电子电源理论出力占比时长及新能源利用率2东北电网“十四五”火电与新能源发电量占比出力占比=(新能源出力+受端直流)/(负荷+送端直流)形势二：系统稳定特性由同步机主导向电力电子装备主导演化●“十五五”期间，新能源装机、跨区特高压直流规模将翻倍增长，电力电子装备成为塑造系统运行特性的核心要素。●电力电子装备低抗扰性、弱支撑性等固有特性，从根本上削弱了系统频率调节、电压支撑和故障抵御等能力，动摇了传统稳定根基。●系统呈现低惯量、快动态、多尺度耦合、新振荡模态等特征，稳定机理由转子运动方程主导转向控制策略-电磁暂态-机电暂态多域耦合交互主向控制策略-电磁暂态-机电暂态多域耦合交互主导。原动机同步发电机组同步电网(分钟级)(秒级)2025年跨区电网互联结构电网稳定机理复杂、安全风险高51.2“十五五”新型电力系统发展形势形势三：系统运行正进入传统经验难以指引的“无人区”●新能源的波动性1导致系统净负荷、惯量、电压及潮流等关键指标，随气象实时剧烈波动；运行方式组合呈爆炸式增长，传统基于离线计算与预案式的分析控制模式已难以适配。●新能源出力大幅波动，引发系统运行方式在分钟至小时级内持续演变，致使系统在无故障状态下突破稳定边界，成为新能源高占比电网的新型稳定问题。 负荷发电1.以西北电网为例，2025年，新能源日最大波动规模9960万千瓦，15分钟最大波动1164万千瓦，接近全年最高负荷13984万千瓦(不包括外送)。1.3西葡大停电对新能源高占比系统的运行启示背景及事故前系统运行情况占比(>70%)时段占全年时长比例达到17%。2025年4月28日12:30事故发生前，新能源出力占占全年时长比例核电20.0%核电20.0%水电13.3%煤电1.2%1.7%光伏17.0%联合循环13.6%光热1.6%生物质等1.7%风电23.2%来源：西班牙国家电网(REE),2024年电力系统报告来源：西班牙国家电网(REE),2024年可再生能源概况报告西班牙格拉纳达(Granada)发电损失(355MW,光伏、风电、光热)西班牙巴达霍斯(Badajoz)发电损失(725MW,光热、光伏)总计2Gw发电损失-两个400kV汇集变电站保护跳闸西班牙塞戈维亚(Segovia)等地930MW风电、光伏脱网此后，电压骤升、频率下降，引发新能源及常规机组连锁脱网通过交流联络线从法国进口电力达4,609MW,导致伊比利亚半岛系统开始与欧洲系统失去同步，自动减载程序随即启动。与法国的交流线路因失步保护动作跳闸，导致伊比利亚半岛与欧洲大陆解列。西班牙大停电事故演化过程关键时间线欧洲大陆频率伊比利亚半岛频率8事故过程电压、频率变化曲线89事故根源分析：一是传统静态安全评估对新型动态风险存在盲区，无法识别由连续小扰动(如电压波动、功率振荡)叠加形成的系统性风险。二是欧洲输电运营商联盟(ENTSO-E)认锁故障模式。新能源机组脱网后，系统因无功过剩和线路轻载导致电压异常升高，这种电压升高三是虽然系统防御计划(低频减载)被激活，但由于事故本质是“过电压”而非传统的“低频率”,这些措施无法阻断新能源连锁脱网>无功增加动作发电跳闸->电压汇集变电站因为过电压发生首次跳闸电压频率电压频率电压频率西班牙大停电事故连锁脱网正反馈过程示意图面看，这是系统振荡、过电压、新能源连锁脱网等多因素叠加的偶然事件；本质上，是传统运行控制体系无法适配高占比新能源系统的动态特性，使系统持续逼近稳定边界而引发的必然结果。disconnectionsoff123123目录“十五五”期间，新能源高占比将成为常态，传统依靠预案、被动防御的运行控制体系面临严峻挑战。西葡大停电事故及仿真表明：当新能源出力占比超过70%,系统不确定性剧增、安全运行边界模糊、抗扰能力大幅下降，大停电风险陡增。西葡大停电事故深刻暴露了传统运行防控体系存在的盲区(挑战5:如何重塑挑战6:如何提升挑战5:如何重塑挑战6:如何提升挑战2:如何准挑战3:如何快速挑战4:如何实挑战1:如何准安全稳定边界2.2总体思路突破上述挑战，需遵循薛禹胜院士整体还原思维，聚焦破解CPSS-EEE框架下的高维不确定性1,融合人工智能与因果推理，构建自适应主动风险防控体系，筑牢电网全过程、全场景安全防线。前瞻运行风险防控：构建短周期安全边界、实现超短周期风险超前控制与源网荷储实时协同调控。重塑新能源外特性：依托构网型技术与集群协同控制，推动新能源从被动跟随转向规模化主动支撑。创新继电保护原理：发展不依赖电源特性的保护新原理，研发油浸设备多参量融合主动保护。实现精准紧急控制：攻克强时变工况下自适应紧急控制技术，确保复杂故障下策略精准可靠执行。自适应广域风险准则调度计划紧急控制局域协调及就地主动支撑控制大型油浸设备“主动保护”不依赖电源特性的继电保护低惯量系统频率控制/AVC分钟级安全准则超前控制低周就地紧急控制/极端场景崩溃防御级局域级单元级设备级系统级故障发生空间维度空间维度时间维度广域1:引自2025.4.11珠海，薛禹胜院士《新型能源体系的多目标协调规划》讲座高比例新能源、高比例电力电子设备给新型电力系统的计算、分析与决策带来了强不确定性、高维特征、非凸非线性等复杂特征，给电力电量平衡、安全稳人工智能应用典型案例人工智能应用典型案例科学智能应用范式时序科学计算问题多维因素序列回归与预测偏微分方程组巨量迭代求解复杂组合方式最优化问题时变非线性多变量优化问题科学智能在中期气象高精度预测、分子势能加速计算、蛋白质结构预测等领域已成为颠覆性技术术，提高极端天气等预测精度和可靠性。李生电网超实时状态推演。时间尺度、多层级、多主体的协同控制，强不确定性高维非线性与数Al4S科学智能应用范式范式，旨在融合Al的高效筛选能力与因果分析的精确可解释性。2023年提出SPT4U方法论计学习能力(处理不确定性)与传统工程科学的因果分析能力(处理确定性机制)相结合，将不确定性场景转化为有序的风险序列，再应用确定性因果量化求解，从而在保障决策可靠性的同时大幅提升计算效率。既然数据间的藩篱要打破，科学研究范式间的藩篱就更不应存在针对因果关系针对因果关系针对统计关系未知规律大数据研究范式应该向下兼容，而非互斥协同挖掘大数据中隐藏的因果关系并研究复杂的社会-技术-行为交互系统不确定性不确定性不确定性更多因果关系数据数据上层的语言模型将高维随机影响转换为多个确定性场景按风险大小排列强化学习的潜在故障序列强化学习底层的因果量化分析严格保证底层的因果量化分析严格保证决策支撑的精准及透明性WRT:因果驱动的整体还原知识提取决策支持智慧提升物理机理实验室初步构建“感知-分析-决策”电网科学智能技术体系，重点针对Al“幻觉”及因果推演能力不足的局限性，采用“Al+求解器”协同路线，以Al实现实时感知、预测及多维情景生成，以求解器兜底物理守恒与精度，打造“数据驱动快响应、机理模型精校核”的互补架构，目标实现电网安全运行的双重保障。物理机理多源异构数据融合与状态编码口源荷预测口状态估计口参数辨识超实时潮流与暂态演化模拟口稳定评估最优调度与控制策略生成口最优潮流口机组组合口预防控制科学智算科学智算Al可解释(模型)AI鲁棒(抗扰动)预测方法在精度、鲁棒性与适应性上均面临显著挑战，难以完全满足电网精细化风险预警、主动防御、紧急控制的需求。具体而言，存在三大短板：转折天气条件下预测能力显著不足；源荷不确定性缺乏风险概率量化表征；负荷侧源荷强互动、时空强耦合，单一时序外推难以解析其非线性机理。必须要快速、精准地刻画不同气象条件下的源荷运行特征，支撑电网运行全链条风险防京京津津唐风电功率(万千瓦)t2月17日2月18日2月19日2月20日我国极端天气事件频发新能源出力日间波动大研究思路：针对源荷预测面临的挑战，采用气象大模型、时序大模型和风险量化机制，全面提高源荷预测精度、鲁棒性与风险适配能力，并结合极端工况小样本增强、源荷耦合联合预测、不确定性量化等手段，支撑电网运行风险从被动处置向超前感知、精准预测、主捕捉局部气象动态变化，捕捉强波动、长依实现方法：高频高精度气象大模型技术研究构建“全球-区域”协同的精细化气制和小样本增强技术，提高模型对复杂地形与转折天气过程的特征提取与空间泛化能力，并引入物理一致性约束保障预报结果的合理性，实现关键天气过程的公里级、逐小时更新气象要素预报。源荷时空演化预测技术研究深度挖掘风光资源和负荷的时空关联与互补特性，运用时序分解与深度聚类方法，实现源荷运行场景的应感知机制，构建源荷多模态时序预测大模型，实现源荷时序演化特概率预测与风险量化技术研究概率预测与风险量化技术研究构建自适应特征选择与组合优化的与置信度机制，建立风险概率量化表征，精准刻画源荷运行特性。负荷预测产品在江苏、山西等全国30多个地区规模化部署，在浙江省调试运行期间国庆假日平均预测准确率达98%功率预测产品在山西、甘谢等国网14个省调以及52个地 问题描述：“十五五”期间，新能源主导地位日益凸显，导致电网运行方式复杂性和不确定性剧增。传统以年度/半年度为周期的边界计算模式，已无法覆盖全年多时间尺度复杂工况。将年度稳定限额和日前临时限额作为日前调度计划的约束可能过于保守或者冒进，亟需研究短周期安全稳定边界精准构建技术，支撑日前调度优化与日内实时控制。短周期安全稳定边界精准构建日前临时限额调度计划安全校核年度稳定限额自动计算实时控制调度计划研究思路：融合物理机理与数据驱动，精准构建短周期安全边界安全稳定边界计算需要通过电压、频率和功角等安全稳定分析确定临界运行方式，并根据海量仿真分析结果制定稳定限额，计算量巨大。因此，需要突破暂态稳定影响度量化评估、安全稳定智能评估模型构建和安全稳定边界识别与科学表征等关键技术，以期攻克短周期运行方式计算的项目支撑：新型电力系统调度计划决策基础理论与方法，国家自然科学基金集成项目21相关论文：宋嘉启，鲍颜红，张金龙等。面向新型电力系统的暂态稳定边界表征与计算：研究现状、难点与展望[J]。电力系统自动化，网络首发(关键断面、关联断面层面)的快源网荷储稳定影响机理源网荷储稳定影响机理元件功率和能量响应模型安全稳定影响度评估暂态能量变化设备响应动态过程影响影响度评价指标系统动力学模型评分原则：评分原则：080.60.5离绝对平均值最大距离F2:误判点距离极差最小距离■30个计算节点■每个节点14个场景并行仿真A-CPMA-CPM算法性能暂态稳定裕度智能评估：安全稳定智能评估模型构建方法安全稳定智能评估模型构建方法针对稳定性分类和稳定裕度预测任务，提出了基于图神经网络(GNN)与混合专家模型(MoE)的双通道智能评估模型，实现对“稳定与否”与“稳定裕度”的双重高效评估，为突破仿真计算时效瓶颈提供了关键技术支撑。双通道神经网络裕度预测模型智能评估效果智能评估效果基于200万均衡样本集，训练样本与测试样本比例为7:3,稳定性分类准确率达97.2%,稳定性评估指标平均绝对误差小于0.5。稳定评估指标稳定样本裕度预测结果问题描述：新能源出力会在短时间内出现大幅波动且难以精确预测，现有的调度计划和实时控制以事先制定的安全稳定边界作为约束条件，无法覆盖实际运行中所有可能场景，目前没有手段在运行的15分钟时段内快速精准发现超限的高风险场景。因此，有必要对电网超短期运行状况进行安全稳定风险评估，并实施超前控制，以降低未来时段电网运行风险。针对类似西葡事故的过电压连锁脱网故障，需通过超前控制提前阻断其演化路径。实时控制实时控制当前时刻控制时刻场景控制时刻场景控制发现实现方法：增设15分钟超前控制环节，按“精准找-快速算-协同控”实施超前控制利用超短期内更高的源荷预测精度，估其发生概率，提前发现高风险场通通过多类安全稳定问题快速求解，实时控制形成有机协同。嵌入源荷影响程度指标嵌入模型训练与参数调优项目支撑：高维不确定性电力系统安全防御前沿基础理论与方法，江苏省前沿引领技术基础研究重大项目挑战4:如何实现多层级多资源协同控制问题描述：新能源波动大幅增加，电网频率稳定控制面临严峻挑战，一次调频动作次数逐年增加，高低周问题趋频趋重。常规资源调节能力不足，迫切需要将储能等新型资源纳入调控对象。当前存在挑战：一是系统调节能力、调节需求受不确定性、运行工况、时间尺度等影响，精准优电网电网区域电网12023年区域电网32023年2022年2022年2021年2021年2020年2020年区域电网22023年区域电网42023年2022年2022年2021年2021年2020年2020年挑战4:如何实现多层级多资源协同控制研究思路：构建多层级、多目标的异构资源协同调度体系验，设计应对大范围爬坡事件所需的多类型长时间尺度备用产品。二是构建区域级-省级多级协同控制框架，聚合海量异构资源参与调节。三是设计以频率为核心的区域控制性能评价新标准，新增短期频率安全指标，精准定位短期频率越限的责任主体。四是利用新能源与常规机组响应特性式准策略制多层级、多目标的异构资源协同调度体系相关专利：叶闻杰，戴则梅，涂孟夫，等，计及新能源不确定性的运行备用容量需求评估方法及系统(ZL202510983293.8);27叶闻杰，戴则梅，涂孟夫，等，一种计及灵活资源状态的爬坡能力量化评估方法及系统(2025110215953)。挑战4:如何实现多层级多资源协同控制实现方法：有功优化调度策略有功优化调度策略提出了基于新能源出力概率场景的仿真验证，典型日调度总成本降低确定机组组合随机优化机组组合2187场景在不同机组组合方式下平均总成本建立计及电压安全约束的协调控制态响应差异建立出力模型，计算生内的计划出力无功电压计划优化无功电压计划优化构建考虑24小时功率波动的日前无功电压计划模型，提出“松弛优化+互补优化”两阶段高效求解算法，有效抑制长周期电压波动。日前多时段运行数据日前多时段运行数据松弛整型变量和绝对值约“松弛优化+互补优化”求解算法相关专利：王彦品，谈超，戴则梅，等。一种考虑全局惯量和局部电压安全约束的新能源电力系统有功调节需求计算方法及系统(CN202510744898.1);28王彦品，谈超，戴则梅，等。一种新能源电力系统有功协调控制方法、系统、设备及存储介质(CN202511103074.2)。问题描述：新能源高比例并网正持续挤压常规机组的运行空间，导致系统惯量降低、抗扰能力减弱、电压支撑不足。构网型技术是应对这一挑战的关键，通过对新能源构网算法、参数进行优化设计，增强其内电势的鲁棒性，从而赋予其主动支撑与故障防御的能力，推动新能源对常规电源的安全稳定支撑实现替代。火电开机(万干瓦)庆科线故障时，吉林西部，蒙东通辽、兴安、赤峰，辽宁西北部等地庆科线故障时，吉林西部，蒙东通辽、兴安、赤峰，辽宁西北部等地区新能源将进入低电压缺额2500万千瓦。150025003500新能源出力(万千瓦)东北电网扎鲁特换流站近区发生交流故障时，新能源低穿引发的低频现象29研究思路：规模化新能源参与电网运行风险防御作用作用效效果力挑战5:如何重塑新能源外特性主动支撑运行控制与故障防御重塑新能源外特性实现方法：风机动态稳定性提升技术风机动态稳定性提升技术针对直驱与双馈风机提出附加阻尼控制方法，低频(0.1-2.5Hz)区域系统阻尼比均提升至0.25以上，有→基于二阶超前滞后环节的附加机械转矩控制双馈风机暂态性能优化技术双馈风机暂态性能优化技术优化低穿功率恢复策略，将风机功路比下实现镇定运行，增强了机组的暂态频率支撑与暂态稳定性。直驱风机、光伏优化双馈风机低穿后功率恢复策略新能源场站并网控制与主动支撑新能源场站并网控制与主动支撑研发了场站功率控制装置，确保毫秒级功率快速响应；研发新能源主动支撑能力评估系统，成功定位风电场有功响应问题；新能源惯量分析系统在江苏省调开展应用。江苏省调惯量监视及频率特性在线分析界面FormingandGrid-FollowingInverters”,IETGeneration大型油浸式主设备是千万千瓦级新能源基地、外送通道的关键设备，传统故障后隔离的手段已经难以满足阻断设备爆燃的急迫需求。新型继电保护原理要解决电源特性变化对继电保护的影响问题、大型油浸式主设备严重放电缺陷不可逆快速发展阶段的辨识及隔离问题，实现多类型电源、1某220KV直驱风电+光伏交流送出线CIGRE:发生内部故障后，约10%的油浸开展新型继电保护原理研究：分析故障机理及适应性构建新能源经交流送出、新能源经柔直送出等典型场景的电磁暂态仿真模型；提出典型新能源单机设备故障电流分阶段的数学解析方法；提出了基于新能源馈入短路比(系统短路容量与新能源装机容量之比)的各类保护适应性量化评估实用化方法，开发了保护适应性评估模块，与主流定值整定软件相结合，基于整定软件短路容量计算实现保护双馈风机在Crowbar保护控制下的故障电流解析永磁直驱风机、光伏、储能等全功率逆变型电源故障电流解析保护适应性量化评估(华科整定计算系统)(中恒博瑞整定计算系统)(华科整定计算系统)Pm=-R₂(09-Um)+-…I.=Iey+(7zo-1ece开展新型继电保护原理研究：时域等效模型法继电保护原理磁波时域传播机理，提出基于线路贝瑞隆模型的纵联保护原理；利用电抗器等效励磁电感构造判品时城方程：B=[x,R',X<Xset保护动作差动电流：差动电流：x相关论文/专利：郑玉平，吕鹏飞，吴通华，等。一种抗过渡电阻影响的时域距离保护方法及系统(2024101980528);洪丰，吴通华，郑玉平，等。柔性直流送出系统交流线路的自适应距离保护方法[J]。电力系统自动化，2023,47(22):25-32;王寅丞戴魏朱翔，等。一种时域积分式最小二乘电感参数辨识的电抗器保护方法及系统(2024011912661)。开展新型继电保护原理研究：主设备保护研究思路保护动作速度，减少高能电弧故障持续时间；结合在线监测预警，构建大型油浸式电力变压器安全运行三级防护技术体系。√√局放监测、油色谱√通过信号统计量和变化趋势进行判断，速度慢，难以及时处置快速发展故障√匝间故障灵敏性√差动保护快速性和可靠性缺陷严重缺陷故障√构建主动保护方案，在发生贯穿性高能量电弧故障之前动作跳闸√挖掘严重缺陷演化为故障的多参量规律特征，多参量多维特征互补提高动作可靠性在故障击穿前100ms防范高能电弧故障发生基于电、磁、声等多参量变化趋势、时频信息、簇状波形等特征辨识严重放电缺陷，并凭借声信号定位、单氢或油色谱信息、多参量信号同步性和相关性排除干扰影响，通过保护启动判据和动作判据互补、互校及合理整定来平衡保护的可靠性和灵敏性，实现严重放电缺陷发展为高能故障击穿之前跳闸。时间/us油色建法理测值出璐严电用酸复严放电染单氢达厕监伽相关论文：郑玉平，郝治国，薛众鑫，等。大型电力变压器安全运行与主动保护技术探索[J]。电力系统自动化，2023,47(20):1-12.挑战6:如何提升保护对多类异构电源复杂故障的适应能力开展新型继电保护原理研究：变压器快速保护相关专利：郑玉平，潘书燕，龙锋，等。一种变压器内部故障快速识别的保护方法和装置(202310484821.6)。到小时级大幅变化，导致这类过渡过程虽不会机低电胱网。略刷新略刷新研究思路：开展在线自适应紧急控制技术研究及系统研发针对新能源出力强时变场景下传统离线决策、在线匹配的紧急控制模式难以适应的问题，攻克考虑新能源出力强时变的在线自适应紧急控制技术。一是考虑决策周期内新能源的波动特性，提升在线方式数据的准确率、完备性；二是根据时域仿真轨迹自适应族急控制系统明度中心倒功能自适应族急控制系统明度中心倒功能黏圆在线监幌和闭控制实时态在线检恢和优化决革告警和历史当询装置运行管理在铺革格下凝(按盐障)调控云下发重数脑下发自适应家集校制系旅厂站堡功隙在候革路顺收与存宿第路配和执行多即酸据整合故赔集数财库快第立间电网设幅关键技术数据挖掘策略表切换何融合?决策表如何快速生成?新能源波动后策略如何适应?控制系统风险识别示范特征提取解释论证状态评估决策支持控制时空协调的决策支持系统数据采集及预处理暂态电压/频率问题快速校核基于历史评估结果分析暂态与稳态电压/频率的相关性，通过暂态拐点预测稳态电压/频率，实现计及暂态暂态电压/频率问题快速校核基于历史评估结果分析暂态与稳态电压/频率的相关性，通过暂态