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1、电网应急指挥技术支持系统设计与关键技术吴文传1,张伯明1,曹福成2,陈佩琳2,赵泰峰2,钱苏晋3(1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京市100084;2.山西省电力公司,山西省太原市030001;3.北京恒泰实达科技发展有限公司,北京市100083)摘要:电网安全是社会公共安全的核心内容之一,电网应急平台是国家应急平台体系的重要专业平台。分析了电网应急平台的内涵:一方面通过与多个信息系统的联动,对电网进行全方位监测监控,实现电网预警和预防控制;另一方面对电网灾难性突发事件进行科学预测和危险性评估,动态生成优化的事故处置方案和资源调度方案,是实施应急预案的交互式平台。设计了应急平台的信
2、息系统结构,包括应急数据交换与联动、预测预警、应急决策与指挥、善后恢复、信息发布和模拟演练等功能。最后对应急平台建设所涉及的关键技术进行了分析。关键词:电网应急管理;安全预警;决策中图分类号:TM73收稿日期:2008205215;修回日期:2008206206。国家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划(973计 划)资 助 项 目(2004CB217904);国家自然科学基金资助项目(50323002);北京市高成长企业自主创新科技专项(2007)资助。0 引言近年来中国政府对涉及公共安全的应急工作非常重视,作出了一系列的战略部署。2006年1月6日国务院发布实施 国家突发公共事件总体应
3、急预案,2006年6月5日国务院印发 关于全面加强应急管理工作的意见,旨在加强指导中国的应急管理工作,提高预防和处置突发公共事件的能力,并把“推进国家应急平台体系建设”列为“加强应对突发公共事件的能力建设”的首要工作。同时,科技部把“国家应急平台体系关键技术研究与应用示范”列为“十一五”科技支撑计划重大专项1。电网安全是社会公共安全的核心内容之一,因为现代社会对电力的依赖性不言而喻,一旦失去电力供应,整个社会的生产、教育、交通、通信、生活等就会陷入瘫痪。而近年来,世界范围内的多次大停电事故又说明现代电网的运行有其固有的脆弱性,发生停电事故难以完全避免2。2008年1月中旬至2月上旬,大范围、高
4、强度、长时间的低温、雨雪和冰冻天气造成中国南方电网大面积瘫痪,因灾停运电力线路共36 740条,停运变电站共2 018座,倒塔共8 381基。照明、通信、供水、取暖等居民基本生活条件 均受到严重 影响,直 接经 济 损 失 超 过1 500亿元。这次灾难性事故突显出应急响应及其支持技术的重要性。中国在公共安全事件应急管理系统方面,特别是电网应急指挥技术支持系统的研究和开发方面还处于起步阶段。文献3定义了电网大面积停电的处置原则和必要的技术支持。文献425 规定了国家电网公司系统内制定大面积停电应急预案的基本原则,要求建立自上而下的分级负责的大面积停电应急救援与处理体系。相对而言,国外在电网应急
5、管理规章制度和管理机制上的建设比较完善,许多发达国家都在法律和法规方面对应急管理给出详细要求,并成立了专门的应急管理协调部门。在北美电网发生“814”大停电事故后,国内外在电网的安全预警、紧急控制和恢复控制方面开展了大量研究和技术开发629。而实际上,这些研究都是围绕着调度自动化系统展开的。在电网出现影响社会各个方面的大规模停电事故时,调度自动化系统并不能完全满足公共安全应急处理的需要:1)电力部门与政府部门、公共信息部门以及重要用户之间的沟通缺乏必要的支持手段。调度自动化系统专门用于管理和控制电网运行,因此,在大面积停电的情况下,它无法充当信息沟通的平台。2)在电力系统内部,应急指挥人员向抢
6、修人员通报事故情况、发布操作处理命令缺乏快速的信息传递和发布手段。3)缺乏有效的过程监控、多手段通信和应急指挥措施以保障重要用户供电安全。4)信息来源单一,只有电网运行状态信息,没有如人员配置、设备台账、物资储备、重要用户资源、地理信息等应急处置需要的信息,也不具备应急流程1第32卷 第15期2008年8月10日Vol.32No.15Aug.10,2008管理功能。5)对于自然灾害对电力系统的影响,缺乏科学合理的量化评估方法。电网应急指挥技术支持系统(以下简称应急指挥系统)的建立正是为了解决上述问题。应急指挥系统从电网应对危机能力的角度出发,为电力企业提供应对各种供电危机能力的手段和方法,同时
7、也是电力企业对外的信息发布和沟通平台。在国内,城市电网应急体系和规章制度的建设刚刚起步。其中,北京已建立了电网应急指挥中心,主要解决电网事故报接警及现场视频采集、应急指挥机制等方面的问题,建立了初步的应急指挥系统,实现了现场视频采集、多层次的数据整合和联动、现场指挥、视频会议会商等内容,为应急指挥系统的建设和发展提供了许多有益经验。文献10提出拓展大电网安全稳定综合协调防御系统,通过引入非电气量信息,实现针对极端外部灾害的停电防御,可以为应急指挥系统提供更全面、科学的电网评估和决策信息模型。1 应急指挥系统的定位1.1 应急指挥系统的概念应急指挥系统(也称为电网应急平台)是实施应急快速响应及处
8、置的工具,是采用先进信息技术,实现包括调度自动化系统、管理信息系统(MIS)、地理信息系统(GIS)、远程视频系统、视频会议系统等与应急信息资源的多源整合、软硬件结合的应急保障技术系统。在常态时侧重于电网成灾因素的捕捉和预警;在应急处置过程中,围绕应急预案的实施,对各个应急处置环节提供技术支撑和决策支持;在处置完成后,通过对处置过程的总结分析,滚动完成应急系统的知识积累和持续改进。电网应急平台一方面是电网突发事故信息的汇集和联动,快速有效地整合、分析、提取事件现场的信息和相关资源信息;另一方面作为应对电网突发事故的决策支持平台,根据电网事故类型和影响面,分析判断预警级别并快速发布预警,进而结合
9、电网模型库、灾变模型库、预案库和决策技术,逐步落实应急预案,调整决策和救援措施等,实现科学决策和高效处置。1.2 应急指挥系统的内涵应急指挥系统一方面需要对电网潜在的灾害性事故的发展趋势和后果进行预测,实现电网的预警,同时提出预防控制措施,对电网进行全方位监测监控,因而它不仅仅是信息平台;另一方面对电网灾难性突发事件进行科学预测和危险性评估,动态生成优化的事故处置方案和资源调度方案,成为实施应急预案的交互式平台,为应急指挥提供辅助决策支持手段。因此,从电力系统运行的角度来看,应急指挥系统的核心内容是电网安全的预测预警和应急处理与决策功能。图1给出了电网安全预测预警与应急决策处理逻辑图。从图1可
10、以看出,为了实现对电网的安全预测与预警,除了利用数据采集与监视控制(SCADA)系统获得实时的电网状态和电网模型之外,还必须针对自然灾害、电力短缺信息、设备缺陷甚至战争、恐怖事件等突发事件建立相应模型,特别是对电网的图1 电网安全预测预警与应急决策处理逻辑Fig.1A general logical view of power grid early warning and emergency management system22008,32(15)危害模型(成灾因子分析)。这些信息一方面可以用于动态生成电网在线安全预警11的事故集,突破传统安全分析中采用人为制定的固定事故集的做法,提高在线安
11、全分析结果的科学性;另一方面,这些信息可以用于修正或建立设备的停运模型,将其应用于运行风险评估12213,对电网运行的安全水平进行更全面的评估。基于在线安全预警和运行风险评估2种手段,可以辨识出电网的安全薄弱点,并给出确定性和不确定性的量化指标。对于电网薄弱区域,可以结合其他系统信息,判断当地是否配备足够的人力和物力资源,以备不时之需。电网的安全预测与预警还提供了应急预案生成和校核的辅助工具。应急指挥系统的应急处理与决策是实现故障识别与信息分布、预案处理与应急实施的指挥平台。通过与各信息系统(如SCADA系统、能量管理系统(EMS)和故障信息系统)的联动判断电网是否发生故障以及事故的等级,从而
12、决定是否进入应急状态,同时通过信息平台发布相应事故信息。一旦进入应急状态,动态显示失电区域和受影响的重要用户列表,通过检索应急预案库或动态生成应急策略进行应急预案实施。利用信息平台进行应急预案实施需要的人员调度、车辆调度、应急物资调度和流程管理。事故处理后,要进行综合评估和存档处理,这些信息可以用来模拟仿真计算的案例和制作预案的参考。因此,电网应急平台对内是应急指挥中心和调度员决策的信息技术支持平台,对外是电力部门与政府、媒体、公众沟通的桥梁。电网应急平台是保证城市电网特别是重要城市电网的安全稳定运行,防止大面积停电事故发生以及事故发生后的抢修协调指挥的重要平台。电网应急平台应是预防与应急相结
13、合的综合信息和决策技术平台。2 应急指挥系统的信息系统设计应急平台可以抽象划分成3个功能组成部分,分别是信息获取系统、应急智能系统和决策指挥系统14。具体落实到电网应急技术支持平台,则是以EMS作为电网故障分析与事故预案生成的平台与数据基础,同时充分整合现有的广域测量系统(WAMS)、保护信息系统、雷电定位系统、厂站视频监控系统、运行管理系统(OMS)、生产MIS、GIS、营销系统、脱硫监测与节能调度系统,并建立与气象预报系统、上下级电网应急指挥系统、政府应急指挥系统、疾病防控系统、交通应急系统等社会外部的政府与相关部门的应急指挥及信息系统的信息互联接口。不仅获取电网信息,而且获取电网所处自然
14、环境和社会环境信息,通过对电网内部故障及外部影响因素进行计算和风险分析,不仅研究事故的预防控制措施,而且研究事故发生后的紧急控制措施和恢复控制措施,以及三者的协调控制措施。如图2所示,电网应急平台的信息系统主要包括应急数据交换与联动平台、预测预警子系统、应急决策与指挥子系统、模拟演练子系统和信息发布子系统5个部分。图2 电网应急平台的信息系统结构Fig.2Framework of power grid emergencymanagement system2.1 应急数据交换与联动平台应急数据交换与联动平台充当信息获取系统,包括内部接口和外部接口,实现与其他应急系统的互联。电网公司内部现有系统都
15、是独立建设的,需要采用数据仓库技术形成统一的数据支撑平台。应急数据交换与联动平台作为应急平台的信息整合工具,需要重点解决如下问题:1)各个系统数据格式、标准都不一致,例如同一设备在保护信息系统中的编号和名称与EMS中的设备编号和名称就可能不一致,如何实现这类设备的统一并保证后续新增设备的一致性将是本研究的一个难点。2)信息联动关联关系建立。设备不同类型的信息散布在各个独立的信息系统中,彼此之间没有关联。当一个事件发生时,往往需要主动推出与该事件相关的信息,如SCADA系统收到一个遥信变位信息后,需要判断遥信变位是否是由保护动作引起的,将导致停电的设备和区域等。这就需要从保护信息系统中提取出会导
16、致该遥信变位的保护是否动作的信息,以及该保护的保护范围是什么,应该同时导致其他哪些遥信变位。另外,还需要从EMS获知该事故导致了哪些设备和区域停电等。3 运行可靠性与广域安全防御 吴文传,等 电网应急指挥技术支持系统设计与关键技术3)由于应急平台所涉及的信息系统很多,所涉及的数据十分庞大,不可能把所有信息系统中的数据都在应急平台中复制一份,因此需要确定:哪些信息需要从对应系统抽取,哪些信息需要周期更新,哪些数据需要在应急平台中保存,保存的周期和时间等,这都需要从实际的需求特点和应急平台的硬件环境出发,给出统一的规划。2.2 预测预警子系统预测预警子系统一方面通过对实时系统的监控,随时跟踪电网的
17、运行状态,快速消除电网隐患,一旦遇到紧急事件或安全隐患立即报警,以便调度人员把事故处理在萌芽之中,避免后续连锁故障的发生,还可以更加有效地控制电网事故的发生、发展,缩短电网恢复正常运行的时间,减少电网事故带来的损失;另一方面,通过事故预想和仿真计算,生成未来运行模式下的事故处理预案,为应急指挥系统提供防患于未然的决策依据和手段,提高电网抵御事故灾难的能力。影响电力系统运行的相关因素繁多,包括自然条件、社会公共事件、水情和电煤供给情况、电力系统一次设备和拓扑结构、电力系统二次设备(保护、自动装置)等,相互关系复杂,电网运行方式经常变化。一方面,要评估系统在考虑以上因素影响下的发电能力,出现电力短
18、缺的可能性和程度,并给出包括错峰用电在内的预案;另一方面,要评估系统在上述因素影响下电网运行的安全水平和电力传输能力,并提出预警。这方面的评估包括确定性评估,包括静态安全、电压稳定、动态稳定等各个侧面的评估和综合评估,以及考虑事件发生的不确定性的运行风险评估。这些评估模型都需要考虑自然灾害、社会公共事件、水情和电煤供给情况对电力系统的影响,而不是像传统安全分析那样仅仅考虑电力系统本身一次设备的故障问题。评估的目的是预测一旦发生自然灾害和社会公共事件时电网可能出现的受损程度和风险,给出量化指标和预防控制措施,并作为制定应急预案的参考。2.3 应急决策与指挥子系统应急决策与指挥子系统既是应急决策的
19、辅助工具,又是应急指挥的平台。其中,应急决策的关键功能是:一方面,根据SCADA系统、WAMS和保护信息系统的报警信息和电网运行工况,识别出电网发生故障的类型、地点和引起的停电规模,结合电网所在地区的自然灾害和公共事件(如电煤短缺、恐怖事件和其他影响电网安全的社会事件)等信息,确定是否启动应急以及应急的状态划分;另一方面,由于电网运行方式和外部条件千变万化,事先编制好的预案在实际事故发生时不能直接应用,应急决策需要根据电网的实时运行状态、受灾规模和外部条件,动态生成多个应急方案供调度员选择和修改。因此,应急决策是应急支持平台的核心和大脑,对应急指挥的实时性有重要影响。应急决策的核心是如何动态生
20、成恢复控制和资源调度策略。因此,需要与电网生产运行、管理系统,主要包括EMS、WAMS、负荷预测、继电保护信息系统、电能量采集系统、雷电定位监测信息系统、电厂重大缺陷及煤情上报系统、地区电网供用电管理系统、变电站视频监视系统、OMS、生产MIS等系统实现联动。在应急指挥时,一方面应急指挥人员需要了解故障线路、变电站及受影响的重要用户的实时情况,通过与各个信息系统的联动,基于电网运行三维可视化和三维GIS可视化平台展现电网的实时状态、应急指挥的策略和过程;另一方面通过有线网络和无线网络、车辆全球定位系统(GPS),实现与作业人员的互动和人员定位跟踪与监测;另外,利用视频会议系统与其他应急中心和相
21、关部门进行交流和会商。2.4 善后恢复子系统善后恢复子系统根据不同权限进行应急事件技术分析、应急总结文档、有关数据的网络查询,提供整个应急处置过程中的人员投入分析和物资消耗分析。更进一步,它应能系统、形象地演示和记录电网事故应急指挥过程,能通过网络展示应急指挥全过程,实现信息的分类与分级,并能在通过实时审查、监控的情况下实现有关图像、数据等信息的对内对外发布,滚动形成应急处置的案例库,形成对于应急预案的补充。2.5 模拟演练子系统模拟演练子系统针对特定的应急场景,对某个或多个突发性的灾害事件引发的电网停电状态,利用预先编制好的应急预案进行电网恢复和调度仿真、应急物资调度、应急人员与车辆调度的模
22、拟。模拟演练一方面可验证应急预案的可实施性并进行修正,另一方面可训练相关人员的应急能力。显然,模拟演练子系统是以调度员培训仿真(DTS)系统为基础,考虑了相关应急物资和人员调度问题的综合演练系统。2.6 信息发布子系统应急平台作为电力企业与政府、媒体、公众等沟通的桥梁,信息发布是其重要的一个子系统。通过网络、短信及时进行有关停电区域和线路、涉及的重42008,32(15)要用户、停电时间预告、恢复供电用户的次序以及不同颜色告警级别等信息的发布,同时配合媒体进行正面的新闻宣传和报道。该子系统面临的难题是如何建立面向政府、应急机构、新闻媒体的信息发布数据标准,信息分类分级,实现与这些部门的信息系统
23、的互通。图3给出了电网应急平台的功能流程示意,基本可以归纳为平时的日常维护与监测预防和应急时的应急响应与恢复处置等环节。该功能流程图说明应急平台并不是单纯在电网处于应急状态时才使用的技术支持系统,而是平时预测预警和应急时应急决策与恢复处置的综合系统,所以,一个成功的应急平台应该将预防与应急相结合,这就是“平战结合”的理念。图3 电网应急平台的功能流程Fig.3Flowchart of power grid emergency management system3 应急指挥系统的关键技术3.1 混杂海量信息集成技术电网应急平台采集及交换的数据包括电网运行的实时数据、历史数据和预测数据,设备的属性
24、数据,地理信息的空间数据,音视频数据,人力资源数据和非结构化文档数据等。这些数据具有如下特点:1)数据更新的时间尺度差异很大,包括连续的实时数据(如相量测量装置(PMU)采集的数据、故障录波数据)、离散的实时数据(如远方终端单元(RTU)采集的数据)、非实时数据(如设备台账数据)。2)数据的多样性,包括空间信息、音视频信息和属性信息。3)数据出现的突发性和海量,一旦出现应急情况,各个信息系统会有大量数据涌入应急平台。因此,应急管理平台需要对数据存储结构、通信处理方法、信息融合和展示方式进行特别研究。3.2 突发事件的成灾模型与运行风险评估突发事件的成灾模型是指自然灾害和社会突发事件对电力系统的
25、破坏形式和程度的数学模型,通过统计分析历史数据和科学调查建立模型数据库,一方面可以用于电网的规划与设计,另一方面可以应用于电网运行的安全预警和风险评估。由于突发事件在正常条件下都是小概率事件,在安全分析的故障集中不予考虑。因此,需要研究考虑天气、地理位置和运行工况影响的时变的设备停运模型,并应用于在线运行风险评估中,对电网在不同运行条件下进行风险预测。3.3 故障诊断与灾害评估利用各个报警信息和电网实时采集的状态信息,通过辨识出错误的冗余信息,判别出电网的1个或多个事故发生地点和类型,以及受影响的区域、发电、负荷丢失情况。这些分析结果是应急平台决定是否启动应急预案的基本依据。其中的关键是智能故
26、障诊断技术15,依据开关动作信号、保护动作信号、设备检修计划、潮流方向和数值的变化信息,结合电网模型、保护、自动装置的配置和动作逻辑,建立智能决策模型,从大量涌入的报警信息中辨识出扰动信号的原因,即是事故扰动信号、人工操作还是错误信息,然后给出真实的故障或故障组合。在信息不完整的情况下,则给出各种可能发生的故障组合以及每种故障组合发生的概率。3.4 应急预案的动态生成由于引起停电的相关因素错综复杂,电网运行方式经常变化,事先编制的预案往往难以适应现状变化后的要求,在实际事故处理中参考的价值不大。因此,需要根据电网当时的运行状态和相关资源条件,动态生成应急预案。这是应急平台的核心功能之一。根据事
27、故的发生规模和受灾严重程度,应急预案可能涉及电源黑启动预案、网架恢复预案、负荷恢复次序预案以及与社会其他职能部门的协调预案等。3.5 应急指挥的可视化应急指挥的可视化主要包括电网运行状态的三维可视化16、地理信息的三维可视化17和视频的可5 运行可靠性与广域安全防御 吴文传,等 电网应急指挥技术支持系统设计与关键技术视化。前者用于对电网运行状态的总体把握,后者则用于突发事件地理定位和周边地理环境的查看。3.6 无线通信技术的应用借助于公共无线移动网,利用无线通信技术、计算机网络、数据库、地理信息、图像处理、GPS和个人数字助理(PDA)等技术构建无线移动电网应急指挥系统,实现如下功能:人员定位
28、跟踪与监测;紧急呼救与报警;多媒体数据传输,结合GPS可以迅速了解现场的周边情况,了解突发事件的背景和地理位置;应急指挥平台系统向移动终端发送工作任务单和指挥指令;通过通用分组无线电业务(GPRS)通信从移动终端获得现场填报的描述信息,支持在移动终端上基于地理图查询厂站、设备和故障的位置;短信的收发功能,通过短信下发信息指令和上传现场信息。4 结语电网应急平台应具备预测预警、应急决策与指挥、善后恢复、模拟演练和信息发布五大功能,基本涵盖电力系统应对突发事件的基本要求。通过应急信息的数据采集、评估和发布,系统可以为电网应急指挥中心在紧急状态下提供所需的信息支持;同时,通过对自然灾害和电力短缺信息
29、的输入,系统可以自动调出应急预案或自动给出相应的应急指挥措施,起到技术支持平台的辅助决策作用。另外,应急平台建立与外部的信息联络,可以及时向相关部门和社会发布电力应急信息,降低电力事故给社会造成的损失。通过善后技术总结和评估滚动完成整个应急体系的积累、完善和发展。电网应急平台是国家应急体系的重要组成部分,本文分析了电网应急平台的内涵、定位、信息系统结构和关键技术,希望能引起广大学者和技术工作者的关注。参 考 文 献1范维澄.国家突发公共事件应急管理中科学问题的思考和建议.中国科学基金,2007(2):71276.FANWeicheng.Advisementandsuggestiontoscie
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39、电力系统稳定分析。E2mail:yjlscuttju 严 正(1964),男,教授,博士生导师,主要研究方向:电力市场、电力系统稳定分析。E2mail:yanz An Equilibrium Model for Electricity Market Considering Effects of Pump Storage UnitsYA N G J ianlin,YA N Zheng(Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)Abstract:Pump storage units have both the function of ge
40、neration and that of storage.A new equilibrium model for theelectricity market considering these specific characteristics of the pump storage units is proposed.The model divides a day intothree periods,i.e.the storage period,the generation period and the idle period.The pump storage units are treate
41、d as loadsand generators in the storage period and generation period,respectively.Test results show that the pump storage units can notonly clip peak2loads and fill valley2loads,but also reduce the price during the peak load period.In addition,the efficiencyimprovement of a pump storage unit can inc
42、rease its own profit,the demand revenue as well as the total social revenue.Themarket operation efficiency will be significantly improved if there are more pump storage units distributed in the grid.Key words:pump storage units;peak2clipping and valley2filling;the Cournot model;market equilibrium(上接
43、第6页 continued from page 6)16陈佳,孙宏斌,汤磊,等.电力系统控制中心三维可视化技术及其实时应用.电力系统自动化,2008,32(6):20224.CHEN Jia,SUNHongbin,TANG Lei,etal.Three2dimensional visualization techniques for power system controlcenters and its realtime applications.Automation of ElectricPower Systems,2008,32(6):20224.17陈锐祥,何兆成,黄敏,等.Google
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45、:调度中心自动化系统。E2mail:wuwench 张伯明(1948),男,教授,博士生导师,CSEE和IEEE高级会员,主要研究方向:电力系统分析、控制中心计算机应用。曹福成(1963),男,博士,高级工程师,主要研究方向:电力系统运行和管理。Electric Power Networks Emergency Management Support System and Its Key TechnologiesWU Wenchuan1,Z HA N G Boming1,CAO Fucheng2,CH EN Peilin2,Z HAO Taif eng2,QIA N S ujin3(1.Stat
46、e Key Lab of Power Systems,Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Dispatching Center of Shanxi Power Grid,Taiyuan 030001,China;3.Beijing Techstar Technology Development Corporation,Beijing 100083,China)Abstract:The electric networks safety and security is one
47、 of vital aspects of public safety and security in our society.It is samefor the network emergency management system to the state emergency management system.The conception of electricnetworks emergency management system is analyzed.On the one hand,the system is used to monitor the networks globally
48、based on the coordination of multi information platforms,and carry out preventive controls.On the other hand,it is used topredicate and evaluate risks,dynamically optimize accident dealing schemes and resource dispatches.It is an interactiveplatform to implement emergency preventive scheme.Further m
49、ore,a framework of the emergency management system isproposed,which includes data acquisition and commutation,risk assessment and early alarming,decision2making andemergency commanding,post2emergency restoration,emergency information publication and emergency state simulation andtraining.In the last
50、,the key technologies to the emergency management system are discussed.This work is supported by Special Fund of the National Basic Research Program of China(No.2004CB217904)andNational Natural Science Foundation of China(No.50323002).Key words:power grid emergency management system;early warning;de