大電網穩定控制系統研究論文

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摘要：首先綜述了當前大電網穩定控制系統的特征和要求，隨后討論了穩定控制裝置的起動元件的選取、基于當前技術水平下區域子站和控制中心的構成模式等幾個新問題，并就穩定策略的優化前提、提高控制裝置和控制策略的開放性、適當增加穩定控制裝置的預防能力等方面提出了自己的觀點。摘要：大電網穩定控制起動元件優化開放1引言隨著三峽工程和全國聯網、電力市場和電能交易、電力環保等新形勢的出現，對電網平安穩定運行和控制的要求越發顯得重要。在我國，許多傳統的就地控制模式，如簡單的線路故障聯鎖切機、切負荷由于其技術性能落后、經濟性差等缺點已越來越不適應現代大電網的平安性和經濟性的要求。近年來許多區域穩定控制裝置的研制和投入使用在一定程度上緩解了大電網穩定運行控制的壓力，但也只能兼顧電網的一部分，無法從全局上對電網進行協調控制。隨著快速穩定分析方法的發展及計算機、通信技術的不斷提高，使基于大系統理論和分級遞階和分散控制理論的大電網穩定控制系統的研制開發成為可能。本文結合作者參和探究開發的穩定性實時觀測和控制系統的實際，針對大電網穩定控制裝置開發中的幾個新問題談了自己的看法。2大電網穩控裝置的特征和要求2.1整體特征大電網穩定控制需要大量的網絡結構和運行參數，高速可靠的硬件平臺和通信通道，快速準確的穩定分析軟件以及合適的控制策略。目前，大電網穩定控制裝置的開發和實現具有以下特征摘要：1)控制對象仍以功角穩定新問題為主，但帶有電壓越限等輔助功能；一般都采用集中管理、分區控制的模式，如圖1所示，這樣既有利于實現協調控制，又可保持各區域子站的相對獨立性。根據電力系統穩定控制，尤其是大電網穩定控制中控制速度快、信息量大、跨地域范圍廣的特征，一般都采用開環猜測控制，且多為離散控制(如切機、切負荷、電氣制動、快關等)，如圖2所示。圖中控制量u=p(m,x0)(1)式中m為擾動信息；x0為基準狀態信息；p為控制算子，其內涵反應了猜測及按補償原理實現控制功能的三種方式，即離線預決策實時匹配；在線預決策實時匹配；在線實時分析決策［1］；3)出于可靠性和經濟性的考慮，一般考慮將穩定控制裝置和EMS、MIS等接口的可能性，充分利用豐富的數據資源和已建成的通信通道；合理利用已有的常規穩定裝置及區域穩定控制裝置，避免資源和設備的浪費；4)技術上借鑒微機保護和SCADA中成熟的數據采集、故障辨識和數字濾波等技術；借鑒靜態平安分析中較為成熟的狀態估計、預想事故、靈敏度分析等技術；預想事故分析部分采用快速穩定分析方法，如改進后的SBS法、各種直接法、人工智能、基于GPS外部觀測的猜測方法等，以試圖從根本上解決穩定控制快速性要求的前提下，滿足準確性和穩定裕量的要求。2.2對區域子站的要求在大電網穩定控制系統中，區域子站起著承上啟下的關鍵功能。在未能很好地解決控制中心和區域子站的實時通信新問題之前，先著重考慮區域子站以使其“保一方平安”是很重要的。從當前技術條件及運行調度人員的要求角度出發，一個自動化程度較高、開放式、功能較齊全的區域穩定控制裝置應具備以下功能摘要：1)基于GPS的高精度、快速的數據采集系統和準確無誤的穩定辦法執行機構摘要：這是實現穩定觀測和控制的基礎。數據的可靠性是其首要新問題；而在具體的穩定辦法執行點，還應該根據當地工況進行適當的校核。2)可擴展性、可維護性好、開放靈活的策略表管理系統，具體體現在以下方面摘要：當本區域內出現線路擴建時，穩定監控系統從硬件到軟件應能較輕易地隨之擴展；當需要修改策略表時，在修改權限的限制下，可從本地/遠方靈活地修改，以使當前的穩定策略最大程度上地符合實際情況；采用可移植性好、代碼效率高的編程語言；采用模塊化設計或(分布式)組件技術；運行模塊和維護模塊應既相對分離又相互關聯。3)較為合理、完善的穩定啟動判據，準確快速地判定故障線路、故障相別、故障類型，有條件的廠站還可根據采集的開關量實現基于關聯矩陣的電網拓撲辨識，為基于快速積分法的在線準實時穩定計算提供實時網絡拓撲；4)實時的圖形化監視界面，帶有事件順序記錄、實時/定時打印、實時波形、語音報警等功能，甚至有故障錄波系統，以便于事故后分析；5)完備、冗余式的通訊摘要：通過對載波、微波、電話線、Internet、SPDnet等多種通訊方式的支持和實時切換，確保區域子站和控制中心的通訊通道通暢無阻。6)適當條件下可將電壓穩定監控、頻率穩定監控功能集成進來，并可通過電力企業綜合總線(UIB)和EMS中的SCADA/DTS、電力市場系統中的動態平安評估聯系等相聯系，形成一個更加完整的系統。可見，新的環境和條件下的區域穩定控制系統是一個典型的以數據處理為中心的多任務、多功能，開放靈活的監控系統。不管是采集數據的判定辨識、策略表的管理和實時查找，還是實時生成報表、打印、事件順序記錄，都要求系統具有較強的數據處理、存儲等功能。當然，這是在把在線計算的任務交給控制中心的前提下的。3穩定控制裝置起動元件的選擇對于大電網而言，當可靠性得以保證的前提下快速性就成為關鍵因素，這集中體現在對穩定控制裝置啟動元件的選取上。從原理上啟動元件的選取既可以采用各相(序)電流、電壓或功率突變量元件等模擬量來實現，也可以根據保護的動作信號及斷路器出口信號等開關量來實現。前者廣泛應用于微機保護中，技術較成熟可靠，速度快，但數據量較大，且有其自身的保護算法、濾波、PT、CT斷線等新問題。后者數據量小的多，而且“N－1”準則下的各種情況(如發電機、線路、電纜、變壓器的退運)可直接反應為開關量的變位，因此和事故預想分析(支路開斷、發電機開斷)接口簡單；缺點是拒動、誤動新問題，且當考慮“N－2”準則時需要考慮多種運行方式，非凡是對于500kV變電站(常采用3/2接線方式)，各種運行方式組合較多，需要采用關聯矩陣的方法。由以上的分析可看出摘要：在穩定控制這種對可靠性和快速性要求甚高的場合下，將模擬量啟動元件和開關量啟動元件相互結合，以一方為主，相互校驗和補充也許更可取。比如若以模擬量啟動元件為主，可以用適量的開關量信息(如保護出口信號)辨別故障區間等；而以開關量啟動元件為主，則可以利用適量的模擬量(如零序分量)區分兩相短路和兩相短路接地。另外，一種基于PEF理論，以不平衡功率積分作為穩定控制啟動判據［11］也值得注重。4穩定控制裝置的實現模式4.1區域子站的實現中的幾個新問題當前的區域子站的實現有幾種方式摘要：嵌入式系統、工業PC系統以及工業局域網系統，三者間的比較見表1。但無論選擇哪種方式，協調好系統各部分之間的工作和數據交換，提高整體性能是最重要的。4.2控制中心的實現模式控制中心要完成預想事故的快速篩選以及快速暫態穩定分析，而且還要協調管理各區域子站，任務繁重。因此，其構成模式是否合理直接關系到整個穩定控制系統的效率。控制中心的實現以往多采用“小型機UNIX平臺”模式，目前則多采用“工作站局域網網絡操作系統”的模式。后者可將多項任務按組態軟件的形式加以組合并在不同的工作站間實現分工，開放式的結構便于擴展和利用新技術。當控制中心和EMS接口后，其數據的獲取可完全由EMS提供，而控制中心和各區域子站的通信只限于發收穩定策略及協調控制信息，通訊量大大減小。另外，為減少局域網上信息交換量，文獻［6］提出可采用分層局域網和共享內存技術，不把所有信息集中在一個局域網上交換。5對當前穩定控制裝置的一些建議5.1穩定控制辦法的優化前提目前在我國，穩定控制辦法以切機、快關、切負荷、電氣制動等為主。考慮到充分利用原有穩定控制執行設備(經濟性)的基礎上，如何優化穩定控制策略(包括控制方式、控制量大小、控制時間長短等)是個值得探究的新問題。這個新問題從本質上多屬于非線性整數規劃新問題，其數學描述如式(2)所示。式中Ni為各控制辦法量，Ci為控制系數，它反映了控制時間、控制權重等，η為控制辦法下的控制裕度，它等于實際控制效果減去嚴格按穩定分析軟件得到的穩定控制效果。優化的本質在保證穩定控制裝置的有效性的基礎上滿足經濟性的目標，主要是要從大量的辦法組合中快速搜索出最優策略。文獻［8］提出了一種快速搜索算法。而在具體應用優化算法時，應根據實際情況，遵守一些原則，如摘要：優先考慮電氣制動和直流調制；在切機或快關時，應結合機組的接線、運行方式和進相等非凡新問題；從機組的疲憊損耗的積累效應的角度，應用排隊論或概率方法，盡量使機組由于切機而造成的疲憊損耗最小化，尤其對于汽輪機組。在基于以上前提的基礎上，將快速穩定分析軟件得出的穩定策略(或離線穩定策略)配合以適當的快速優化算法，方可得到切實可行的最優的穩定控制辦法。5.2控制裝置和策略的開放性目前的穩定控制裝置中普遍使用的仍是“離線預決策，實時匹配”的控制方案，并且這也是最實用的一種方案；但是它的主要新問題是存在著或輕或重的失配情況。為了減少失配的缺陷，作者認為在區域子站應采用開放式的策略表，利用控制中心的在線計算，準實時/實時地生成最新運行狀況的控制策略，對各區域子站進行刷新；也可在區域子站中加入智能控制，如對運行方式和策略表之間的自學習或模糊控制能力。總之，應形成本地/遠方多種途徑的策略略表的修正，使之具有開放性。這種開放性帶來的好處不僅僅是減小了失配情況，并且增加了靈活性、可靠性，延長了穩定控制裝置可使用的壽命。一個功能較為完善的穩定監控系統應該以實時數據處理為中心，充分考慮策略表中數據間的聯系。比如采用數據庫的方式就可以保持數據庫各表之間的天然聯系，具有“對象關聯”的特征，有利于實現數據圖形一體化，如圖3所示。圖中穩定策略表具有很強的開放性，它可以通過數據庫接口被各種基于不同控制策略的、和網絡分布無關的在線實時、準實時/離線穩定計算模塊加以刷新，并可接收、存儲動態平安評估模塊的評估結果，為調度運行人員提供系統實時的平安狀況。5.3適當增強穩定控制裝置的預防能力目前的穩定控制裝置基本上都是基于1967年DyLiacco提出的確定性平安穩定分析構想中的緊急控制思想，只考慮系統發生了(預想)事故后不穩定怎么辦，而對系統未發生故障時的運行狀況不管不問，哪怕是系統已經處于不平安狀態(但未發生事故)。而在實際中的大多數時候系統都是處于無故障運行狀況下，因此在不過重的增加運算和數據通訊負擔的前提下，在區域子站中加入一些平安分析的功能(也可以考慮和當地的EMS接口)又何樂而不為呢，況且這樣可以使區域子站的運行人員對本站在大多數情況下的平安性進一步了解，并在適當時候做出一定調整使系統盡量保持在一個高穩定度運行狀況下。同時這對于今后的電力市場下的能量交易也是有益的。在目前的技術水平下，作者認為動態平安域法［12］可望勝任此任，且“域”的思想也有利于實現大電網綜合穩定性(橫向上功角、電壓、頻率、負荷穩定性和縱向上預防、緊急、恢復控制)的聯合、協調控制，有利于實現電力系統災變防治。6結語隨著電力系統規模的擴大以及平安穩定新問題的日益突出，僅靠單純的就地控制或區域穩定控制已不能滿足大電網穩定控制的要求，因此，針對大電網微機穩定控制系統的探究也越來越受到重視。作為現代電網不可缺少的三大支柱之一的穩定控制系統，不僅要探究其非線性動態大系統的穩定性理論和優化運行控制理論，而且還應在實用化的道路上解決好如何提高其可靠性，協調好“幾性”［7］的關系，如何優化其穩定策略，如何象“四統一”的保護產品一樣形成標準化、規則化、統一化的穩定裝置，如何對大電網穩定控制裝置進行試驗仿真等諸多新問題。