電力系統自適應穩定控制裝置及其在線實時控制

 

電力系統自適應穩定控制裝置及其在線實時控制

朱　琪1，汪　明2，楊　繽1，張寧麗1

（1．國家電力公司電力自動化研究院，江蘇省南京市210003；

2．江蘇省計算技術研究所，江蘇省南京市210042）

    摘要：基于現代電力系統的復雜性，現有的穩定控制裝置按離線策略表方式只能考慮單純的動態模型，按故障區段、故障類型發出控制命令，不能實時在線考慮事件約束，往往導致控制失準，不能防止電力系統發生災變事故時造成大面積停電。作者研制的電力系統自適應穩定控制裝置采用分散協調解耦控制可同時滿足按運行工況及具體故障嚴重程度在線實時控制的要求，達到有效地防止系統失穩，杜絕大面積停電。
    關鍵詞：電力系統穩定；自適應穩定控制裝置；分散解耦控制；在線實時控制

1　設計思想

1．1　電力系統穩定控制裝置目前應用中的不足
　　電力系統擾動形式復雜，擾動量時變，擾動地點隨機。而電力系統穩定控制裝置目前能達到的狀況是“在線預決策”的策略表方式：實時測量系統工況，快速搜索 佳控制策略，在線刷新控制策略表（5min之內），對系統工況和電網發展變化具有較強的適應性。它作為正常運行時預防穩定事故的發生是有效的工具，但對故障情況只能做到利用保護裝置判別故障類型和故障發生區段。存在的根本問題是：
    （1）準確性差
　　根據在線運行方式，假定各種故障擾動，裝置周期性（5min）地進行計算并周期性地更新計算結果。當故障發生時，調用故障前 后一次的計算結果。其優點為運行工況為實際情況，能滿足200～300 ms內按策略表要求處理完畢，而缺點為準確性差。
　　電力系統中的故障是不可預知的，離線計算無法考慮故障點的過渡電阻及電力系統自動裝置實際發揮的作用，無法考慮實際單相故障可能比三相故障更嚴重等，因而可能出現當系統發生故障而穩定控制裝置拒動時，系統仍能穩定運行的情況。同時存在離線計算的根本問題，無法保證控制量的準確性，無法保證電力系統不發生大面積停電事故，即無法阻止發生失步振蕩、電壓崩潰、頻率崩潰及非故障線　　路因過負荷連續跳閘。
    （2）不能滿足快速性
　　衡量系統是否會失步，關鍵量是功角變化的大小。功角測量時滯太大，當實測到臨界功角時，來不及進行控制，系統就已經解列了。眾所周知，電力系統運行從整體上看是一個能量的產生與傳輸的問題，功角之所以變化是由于系統發生故障時發電機組的機械功率與送出的電功率不平衡產生的暫態能量引起的，且在保護裝置切除故障的同時，注入系統的暫態能量就已經知道了。問題在于采用什么方法計算。目前采用的離線（即使5分鐘更新一次）的策略表方式是采用全系統能量函數的計算方法，考慮暫態過程中系統所有發電機的能量變化，括非失穩機組之間作相互搖擺的能量和失穩機組從其余部分分離出去的能量。在暫穩過程中，只有失穩機組的能量才對系統的穩定起決定作用。把非失穩機組間作相互搖擺的能量也計入的全局能量函數的計算結果就不夠準確，且計算工作量太大。現有計算機的規模及速度無法滿足實時在線控制的要求。
1．2　構成緊急穩定控制裝置的出發點
（1）采用專用裝置
　　現有計算機在規模與速度上只能滿足能量管理系統對預防靜態穩定事故和經濟運行要求的調節及恢復供電的功能，而無法滿足緊急在線穩定控制裝置的要求。
　　電力系統是典型的非線性系統。當系統運行點改變時，如負荷大幅度波動或發生嚴重故障時，系統的動態特性會顯著改變，必須采取切機、切負荷等措施才能保證系統的穩定性，即必須進行非線性控制。
　　電力系統穩定控制裝置與保護裝置一樣，屬于斷續性的緊急控制裝置。要想根本解決電力系統的安全穩定問題，必須使穩定裝置與保護裝置一樣滿足快速、準確的要求。當電力系統出現發電與用電不平衡時，要求在200～300 ms內快速、準確地完成緊急控制，才能確保系統穩定。而且裝置不宜太龐大，因為元件越多，故障率越高，不符合保護裝置對可靠性的要求。應該使緊急穩定控制裝置與潮流管理等徹底分開，成為專用裝置。
    （2）控制量應該快速、準確
　　穩定控制裝置的動作速度是裝置的靈魂。有資料證明：故障切除時間延遲20 ms，就要求從切1臺機加到切3臺機才能保持系統穩定。不言而喻，快而不準，只能增加干擾源，是絕不允許的。
    （3）在線計算與策略表相互配合
　　對單一故障，由策略表中的人工智能部分進行處理；對復雜多重故障，通過實時在線計算暫態能量進行控制。其中策略表部分是指模式識別，按照可能的運行方式，通過大量的離線計算構成樣本集，從中抽取能表征系統穩定性的特征量（如電壓、輸出功率等），列出特征量判別式，用于快速在線判別。而當保護或開關拒動時，則由故障開始時即在線計算暫態能量進行控制，當功角達到臨界值時發出控制命令；如果在保護動作時將開關固定跳閘時間（60 ms左右）引入的暫態能量預算功角，則尚可提前60ms，即電力系統無論發生單一故障或多重復雜故障，均可在故障由保護切除的同時給出控制量，使電力系統發生任何故障時均可實時送出 佳控制量，使策略表與在線計算相互配合。
1．3　穩定控制裝置實現在線控制的可能性
    建立在下述三個實際情況上：
    （1）系統失穩決定于單機能量
　　由文獻［1］可知，“電力系統這個多變量非線性的時變大系統的穩定域的確定變得異常復雜”，“全系統的暫態能量只有部分能量真正對穩定性起作用”。文獻［2］指出：“用單機能量函數分析電力系統暫態穩定較全局能量函數法可以更好地反映暫態穩定的本質。因為系統失穩解列并不依賴全系統的能量，而主要取決于傾向從系統的其余部分分離開的單個電機或局部電機群的能量。”
　　系統暫態穩定性主要取決于影響失步的這部分能量能否被系統網絡（輸電線和負荷）所吸收。如果能夠完全吸收，則系統是穩定的，否則系統失去穩定。
　　在發電機運動的實際軌跡上計算上述積分才能代表每個發電站的暫態能量，以故障開始時刻為計算起點，向時間增加的方向進行積分，依賴于發電機在暫態過程中運動的實際軌跡描述的才是在暫態過程系統動能真實的變化。同調機組中每個電廠暫態能量變化各不相同，與各廠所在系統位置、運行參數、故障位置等多種因素有關。有的電廠暫態能量可以被網絡吸收，不造成危害，它們

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