电力系统自适应稳定控制装置及其在线实时控制

 

电力系统自适应稳定控制装置及其在线实时控制

朱　琪1，汪　明2，杨　缤1，张宁丽1

（1．国家电力公司电力自动化研究院，江苏省南京市210003；

2．江苏省计算技术研究所，江苏省南京市210042）

    摘要：基于现代电力系统的复杂性，现有的稳定控制装置按离线策略表方式只能考虑单纯的动态模型，按故障区段、故障类型发出控制命令，不能实时在线考虑事件约束，往往导致控制失准，不能防止电力系统发生灾变事故时造成大面积停电。作者研制的电力系统自适应稳定控制装置采用分散协调解耦控制可同时满足按运行工况及具体故障严重程度在线实时控制的要求，达到有效地防止系统失稳，杜绝大面积停电。
    关键词：电力系统稳定；自适应稳定控制装置；分散解耦控制；在线实时控制

1　设计思想

1．1　电力系统稳定控制装置目前应用中的不足
　　电力系统扰动形式复杂，扰动量时变，扰动地点随机。而电力系统稳定控制装置目前能达到的状况是“在线预决策”的策略表方式：实时测量系统工况，快速搜索 佳控制策略，在线刷新控制策略表（5min之内），对系统工况和电网发展变化具有较强的适应性。它作为正常运行时预防稳定事故的发生是有效的工具，但对故障情况只能做到利用保护装置判别故障类型和故障发生区段。存在的根本问题是：
    （1）准确性差
　　根据在线运行方式，假定各种故障扰动，装置周期性（5min）地进行计算并周期性地更新计算结果。当故障发生时，调用故障前 后一次的计算结果。其优点为运行工况为实际情况，能满足200～300 ms内按策略表要求处理完毕，而缺点为准确性差。
　　电力系统中的故障是不可预知的，离线计算无法考虑故障点的过渡电阻及电力系统自动装置实际发挥的作用，无法考虑实际单相故障可能比三相故障更严重等，因而可能出现当系统发生故障而稳定控制装置拒动时，系统仍能稳定运行的情况。同时存在离线计算的根本问题，无法保证控制量的准确性，无法保证电力系统不发生大面积停电事故，即无法阻止发生失步振荡、电压崩溃、频率崩溃及非故障线　　路因过负荷连续跳闸。
    （2）不能满足快速性
　　衡量系统是否会失步，关键量是功角变化的大小。功角测量时滞太大，当实测到临界功角时，来不及进行控制，系统就已经解列了。众所周知，电力系统运行从整体上看是一个能量的产生与传输的问题，功角之所以变化是由于系统发生故障时发电机组的机械功率与送出的电功率不平衡产生的暂态能量引起的，且在保护装置切除故障的同时，注入系统的暂态能量就已经知道了。问题在于采用什么方法计算。目前采用的离线（即使5分钟更新一次）的策略表方式是采用全系统能量函数的计算方法，考虑暂态过程中系统所有发电机的能量变化，括非失稳机组之间作相互摇摆的能量和失稳机组从其余部分分离出去的能量。在暂稳过程中，只有失稳机组的能量才对系统的稳定起决定作用。把非失稳机组间作相互摇摆的能量也计入的全局能量函数的计算结果就不够准确，且计算工作量太大。现有计算机的规模及速度无法满足实时在线控制的要求。
1．2　构成紧急稳定控制装置的出发点
（1）采用专用装置
　　现有计算机在规模与速度上只能满足能量管理系统对预防静态稳定事故和经济运行要求的调节及恢复供电的功能，而无法满足紧急在线稳定控制装置的要求。
　　电力系统是典型的非线性系统。当系统运行点改变时，如负荷大幅度波动或发生严重故障时，系统的动态特性会显著改变，必须采取切机、切负荷等措施才能保证系统的稳定性，即必须进行非线性控制。
　　电力系统稳定控制装置与保护装置一样，属于断续性的紧急控制装置。要想根本解决电力系统的安全稳定问题，必须使稳定装置与保护装置一样满足快速、准确的要求。当电力系统出现发电与用电不平衡时，要求在200～300 ms内快速、准确地完成紧急控制，才能确保系统稳定。而且装置不宜太庞大，因为元件越多，故障率越高，不符合保护装置对可靠性的要求。应该使紧急稳定控制装置与潮流管理等彻底分开，成为专用装置。
    （2）控制量应该快速、准确
　　稳定控制装置的动作速度是装置的灵魂。有资料证明：故障切除时间延迟20 ms，就要求从切1台机加到切3台机才能保持系统稳定。不言而喻，快而不准，只能增加干扰源，是绝不允许的。
    （3）在线计算与策略表相互配合
　　对单一故障，由策略表中的人工智能部分进行处理；对复杂多重故障，通过实时在线计算暂态能量进行控制。其中策略表部分是指模式识别，按照可能的运行方式，通过大量的离线计算构成样本集，从中抽取能表征系统稳定性的特征量（如电压、输出功率等），列出特征量判别式，用于快速在线判别。而当保护或开关拒动时，则由故障开始时即在线计算暂态能量进行控制，当功角达到临界值时发出控制命令；如果在保护动作时将开关固定跳闸时间（60 ms左右）引入的暂态能量预算功角，则尚可提前60ms，即电力系统无论发生单一故障或多重复杂故障，均可在故障由保护切除的同时给出控制量，使电力系统发生任何故障时均可实时送出 佳控制量，使策略表与在线计算相互配合。
1．3　稳定控制装置实现在线控制的可能性
    建立在下述三个实际情况上：
    （1）系统失稳决定于单机能量
　　由文献［1］可知，“电力系统这个多变量非线性的时变大系统的稳定域的确定变得异常复杂”，“全系统的暂态能量只有部分能量真正对稳定性起作用”。文献［2］指出：“用单机能量函数分析电力系统暂态稳定较全局能量函数法可以更好地反映暂态稳定的本质。因为系统失稳解列并不依赖全系统的能量，而主要取决于倾向从系统的其余部分分离开的单个电机或局部电机群的能量。”
　　系统暂态稳定性主要取决于影响失步的这部分能量能否被系统网络（输电线和负荷）所吸收。如果能够完全吸收，则系统是稳定的，否则系统失去稳定。
　　在发电机运动的实际轨迹上计算上述积分才能代表每个发电站的暂态能量，以故障开始时刻为计算起点，向时间增加的方向进行积分，依赖于发电机在暂态过程中运动的实际轨迹描述的才是在暂态过程系统动能真实的变化。同调机组中每个电厂暂态能量变化各不相同，与各厂所在系统位置、运行参数、故障位置等多种因素有关。有的电厂暂态能量可以被网络吸收，不造成危害，它们

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