电力系统紧急控制与系统恢复读书报告

电力系统紧急控制与系统恢复读书报告

一、电力系统运行状态和稳定性

电力系统可由1组微分方程及2组代数方程来描述。根据约束条件是否满足，系统运行分为正常状态、警戒状态、紧急状态、极端紧急状态和恢复状态。

当扰动概率增加，使系统安全水平逐步降低而进入警戒状态时，虽然所有约束条件仍然满足，但是备用储备减少，某些干扰可能导致不等式约束破坏(如设备过载)，使系统安全受到威胁。在这种状态下，应采取预防控制使系统恢复到正常状态。

在采取预防控制之前，如果发生足够严重的干扰，系统就进入紧急状态。此时，不等式约束被破坏，系统安全水平为零。但是，系统仍然完整，应启动紧急控制使系统至少恢复到警戒状态。如果紧急控制措施未及时实施或失效，系统将解列并进入极端紧急状态。在极端紧急状态中，等式和不等式约束都被破坏，系统不再完整，系统大部分负荷丧失。紧急控制作用应尽可能多地挽救解列后的子系统，以避免整个系统完全崩溃。一旦崩溃停止，如果仍有设备运行在额定容量之内，或某些设备紧跟崩溃而重新启动，则系统可能进入恢复状态。采取恢复控制措施，重新带上所有失去的负荷和连接系统，系统可能过渡到警戒状态或正常状态则视情况而定。

通常按扰动性质将系统稳定性分为：静态稳定或小干扰稳定性；暂态稳定性。

紧急控制虽然与暂态稳定密切相关，但不仅仅考虑暂态稳定问题，而应该从整个系统的要求出发。对于系统紧急状态来说，个别电机的不稳定性既不是必要条件，也不是充分条件。系统演变到紧急状态，可能不会直接威胁个别电机的连续同步运行，危及个别电机连续稳定运行的扰动可能(但不需要)出现在系统紧急状态出现之前或演变过程中。防止某台发电机失步或防止某个元件损坏的当地控制作用甚至可能恶化整个系统的性能。例如，1996年7月2日和8月10日美国西部大停电事故中，系统进入紧急状态都没有经历暂态稳定过程。换言之，这种当地紧急控制作用的后果是，使主要联络线或干线以故障前最小静态稳定裕度运行，大多数情况下会进一步加载，从而超过故障后功角特性的最大幅值。按照CIGRE和IEEE提出的术语，这种情况称为“条件稳定性”。

此外，电力系统紧急状态的出现不仅表现在发电和输电设备极限的破坏上，而且表现在基本变量频率和电压极限的破坏上。在电源开断或负荷突然增大时，由于电源和负荷间功率的严重不平衡，会引起系统频率突然大幅度下降。如果系统备用容量不足和不及时采取措施，将使频率进一步下降，渐增加到一定程度时，有可能使电压大幅度下降，而产生频率崩溃，导致全系统的瓦解。由于无功电源不足或无功电源突然切除时，当负荷（特别是无功负荷）逐以致发生电压崩溃现象。

因此，紧急控制的定义是，当系统遭受一个事件的扰动后，部分或整个系统现有容量暂时不再能充分满足负荷需求时，使系统能够维持和恢复到可行的运行状态，而且不会出现不可忍受的过载或不正常的频率（或电压）所采取的措施和过程。

二、紧急控制系统的基本框架

互联电网紧急控制的主要目的是将紧急状态局部化和避免故障扩展到相邻

区域。这就需要综合和协调各种控制措施，形成一个集中和分层协调的紧急控制系统。在这方面，俄罗斯取得了丰富的经验。CEPAC系统选择控制作用是基于它们对电力系统的综合效果，其目的是利用当前系统中所有紧急预防控制手段来保证整个电力系统的稳定运行。在CEPAC系统中，紧急预防控制的基础是：在线计算静态和暂态稳定；保证可靠运行所需要的控制作用；如果机组或线路的切除导致线路过载（超过静态稳定、暂态稳定或热极限），控制系统就启动所设计的控制动作来防止系统崩溃。

三、紧急控制的数学模型

电力系统的数学模型各式各样，取决于所要研究的现象和解决的问题。一般来说，对最关心的现象和元件进行详细描述，而对其余元件做某种程度的近似。这样有利于减少计算的复杂性和计算的负担，更好地理解所关心的问题和设计出简单的、容易实现的控制器。紧急控制主要包含大规模动力学系统的降阶模型、观测解耦状态空间模型和基于辨识方法的低阶模型。

①大规模动力学系统的降阶模型：大规模动力学系统的分层或分散控制结构建立在将复杂的动力学模型分解为一组低阶模型的基础上，与此同时，在一定程度上将局部现象和非局部现象分离。主要包含3种降阶方法，分别是集结法、将强耦合系统解耦的奇异扰动法和将弱耦合系统解耦的非奇异扰动法。

②观测解耦状态空间模型：根据观测解耦状态空间模型，Zaborszky等进一步提出了用局部控制器来稳定整个系统的控制策略，如“范数减小控制”，即单调地减小观测解耦状态的每个分量的范数；或者通过计算故障期间的过剩动能来确定制动电阻等的控制量。

③基于辨识方法的低阶模型：研究小干扰稳定或低频振荡问题，通常采用线性化分析技术。首先需要建立线性化状态空间模型，然后进行特征值分析和控制

器的设计。然而典型的电力系统的状态方程的维数很高，需要专门的仿真工具计算和不断地更新模型。因此近年来应用辨识方法导出线性化模型的研究受到重视，并取得一系列的成果。这种方法是利用非线性时域仿真或现场测量数据直接导出简单的、精确的低阶线性化模型。所采用的辨识方法有：Steiglitz-Mc Bride算法、特征系统实现算法(ERA)和Prony算法。

四、在线动态安全评估

随着偶然事故的发生，电力系统能否经受住随后发生的暂态和过渡到一种新的稳态条件，以及在这种新的稳态条件下所有电力系统元件是否运行在规定的极限参数内，是电力系统安全评价的主要内容。用暂态分析方法去评价系统能否经受住这种过渡过程属于动态安全评价(DSA)的范畴。对于检验新的稳态条件是否可以接受属于静态安全评价(SSA)的范畴，当评价表明某些偶然事故的出现导致电力系统进入紧急状态，则必须采取紧急预防和控制措施。静态安全评价是对稳态网络基于快速潮流计算的结果，而动态安全评价的主要内容是进行暂态稳定性分析。紧急控制对实时性要求很高，因此以下着重介绍在线动态安全评价所取得的进展。

在线动态安全评价方法主要分为三大类：人工智能法、暂态能量函数法和扩展等面积法。

4.1人工智能法

基于人工智能的在线动态安全评价方法包括模式识别、专家系统、诱导推理、人工神经网络或模糊神经网络等。基于人工智能的方法首先对预想事故进行大量的离线仿真计算，从中获得系统动态行为中重要的稳定性特征，然后构造一个分类器用来在线地对新的、不可预见的偶然事故进行正确分类。

4.2暂态能量函数法

有关暂态能量函数法的研究已有多年历史，并有大量成果面世。暂态能量函数是通过在故障切除时刻的系统暂态能量与临界能量相比较，直接评价系统的暂态稳定性。两者之差称为能量裕度或稳定裕度。这种方法的优点是：①能够提供系统稳定程度的定量信息；②能够提供系统稳定裕度对系统关键参数或运行条件变化的灵敏度分析；③对极限参数计算速度快，可快速扫描系统暂态过程；④利用稳定裕度可以确定紧急控制作用。为了确定系统的临界能量或稳定域，有最接近不稳定平衡点(UEP)法、相关不稳定平衡点(UEP)法、势能界面(PEBS)法和基于相关UEP的电力系统暂态稳定分析(BCU)法。

4.3扩展等面积法

扩展等面积法建立在对可能失步分离为2群的多机电力系统的辨识上，先将2群电机等值，再进一步等值为单机无穷大母线(OMIB)系统，然后应用适当的等面积法则(EAC)判定暂态稳定性和稳定裕度。OMIB可以看成将多维多机动态方程组映射为一个动态方程的一种变换。OMIB有不同的形式，取决于所采用的电力系统模型和对每群电机行为的假设。可以将OMIB分为3类：时不变、时变和一般化。

五、电力系统恢复

在事故发生后，如何尽快恢复供电以减少事故损失，也成为电力系统研究的热点。应当指出，大规模互联电力系统事故后可能具有停电时间长，影响范围大的新特点，为事故后系统的快速恢复提出了严峻的挑战。电力系统恢复控制是指电力系统发生故障，系统部分负荷停电甚至处于解列状态乃至全网停电后，在尽量少的时间内，最大限度地恢复系统至新的正常运行状态的控制过程。恢复控制在数学上可以被描述为一个多目标、多阶段、非线性、并带多个约束条件的组合优化问题。该过程难以建立准确的数学模型，目前尚没有通用解法，只有结合所研究领域的专门知识，将智能方法和数值优化算法结合起来，才有可能找到切实可行的解决办法。由于事故本身的复杂性和多样性，导致故障后电网的结构和运行工况存在极大的偶然性和随机性，恢复控制所面临的问题也各不相同。但从宏观角度而言，对于任何一个需要恢复的系统，制订合理的恢复计划，确定恢复策略是快速恢复的先决条件，也是恢复控制研究面临的一个首要问题。由北美电力可靠性委员会(NERC)的统计显示，在过去10年发生的117起电力系统事故中，接近50%存在恢复方案制订不完善的问题；约10%存在有功不平衡问题；

接近20%的存在无功不平衡问题；约13%存在继电保护和安全自动装置的配合问题。因此，对恢复控制的研究应大大加强，以减少事故损失。同时在恢复过程中，需要面对大量的正常运行时不经常出现的问题，对这些问题的有效控制和处理，将是确保恢复计划顺利进行的关键，应予以深入研究。

上述事实表明，现代电力系统恢复控制面临的主要问题包括：

①恢复计划和恢复培训；

②有功平衡与频率控制；

③无功平衡与电压控制；

④继电保护以及安全自动装置的配合；

5.1有功平衡与频率控制

关键是对电源和负荷的协同恢复，而恢复对负荷的供电是系统恢复的根本目的，也是贯穿整个恢复过程中的优化目标。而可恢复的负荷大小，是由并网机组原动机的响应特性决定的。一般认为，允许同时恢复的最大负荷量不应使系统频率较接入前下降0.5Hz，国外则普遍认为负荷量不大于发电量的5%。

系统的恢复大致可以分为3个阶段：系统的黑启动、系统的重构与互联以及负荷恢复阶段。在黑启动阶段，控制目标主要是保证电源的稳定运行。为此，需要恢复该区域内的一部分负荷用于平衡系统的有功功率，可以在运行频率允许范围内少量增加负荷，同时确保系统能够承受突然的负荷变化导致的频率波动。

在系统的重构与互联阶段，控制目标是减少各孤岛间的频率偏差。由于“系统频率”是指并网的所有机组的频率，是系统的共同因子。所以当各子系统进行互联时，需要调整机组间的频率偏差在尽可能小的范围内，从而保证系统稳定和机组安全。这个阶段的控制手段主要有：机组的优化组合、负荷的配合恢复、系统的结构调整等。

在负荷恢复阶段，控制目标是尽可能多、尽可能快地恢复负荷。约束条件主要是系统稳态频率、电压必须保持在系统允许范围内，线路潮流不越限，当大负荷投入时，系统频率的下降不会引起低频减载动作等。因此，负荷恢复问题是一个包含整数规划和线性规划的混合规划问题，并具有众多的安全稳定约束条件，直接求解十分困难。

5.2无功平衡与频率控制

在恢复过程中，无功不平衡源于空充长距离输电线路、空充电缆、变压器的投入以及并联电抗器和电容器的投入等。无功不平衡可能导致持续工频过电压、操作过电压以及谐波过电压。平衡无功功率，控制上述3种过电压在允许范围内，是恢复控制的主要任务之一。

持续工频过电压的控制手段主要是通过吸收轻载线路所产生的大量无功功率，如确保发电机有足够的低励能力、连接滞后功率因数的负荷、投入并联电抗器、调节变压器分接头的位置等。

普遍认为，操作过电压并不是恢复控制中需要着重考虑的主要约束，对于110kV以下的系统，操作过电压可以忽略；对于110kV以上的系统，如果在恢复过程中保证系统电压在正常运行电压的1.2倍以内，系统的避雷器就能比较有效地进行处理。在目前我国大力发展特高压电网的形式下，一些抑制操作过电压的新技术和新设备得以应用，例如：高压开关并联电阻、新型避雷器以及相位控制高压开关等。

谐波过电压源于开关操作和设备的非线性特性。在系统重构阶段，电网结构比较薄弱，由充电电流引起的容性的电压上升会导致变压器的过励磁并产生严重的谐波。当系统阻抗与线路电容参数构成并联谐振条件时，轻载或空载变压器投入所引起的谐波畸变将被放大，从而产生很高的谐波过电压。对谐波过电压的控制手段主要有：调节变压器分接头位置，控制变压器励磁涌流，增加系统短路容量或增加负荷，改善系统频率响应特性等。

5.3继电保护以及安全自动装置的配合

在系统黑启动和各孤岛独立运行阶段，由于此时系统的总发电容量较小，频率和电压变化较大，控制困难。继电保护和安全自动装置面临的主要问题是低频减载、低压减载装置的配合，线路零序保护的整定，重合闸方式的确定以及线路电流保护的整定。在系统互联和负荷恢复阶段，主要是同步装置的合闸相角的约束问题。系统能够承受的最大合闸相角差与系统的电压等级、运行工况以及合闸点有关。通常而言，500kV系统的保护整定值为20°，220kV系统为40°，110kV 系统为60°。但在实际运行中，为了安全起见，经常需要控制相角差在10°以内。因此，在恢复过程中如何进行相角差控制也是一个比较重要的问题。在整个恢复过程中，还必须密切注意发电机的保护，包括发电机励磁系统的保护、负序电流保护等。要维持发电机机端电压在允许的范围内，防止发电机的转子、定子过热。发电机励磁系统的保护装置一般有低励保护、失磁保护、最小励磁限制器、失步保护、过励磁保护等。应注意其与系统恢复控制的配合。