电力系统暂态稳定紧急控制现状与展望_吕志来

电力系统暂态稳定紧急控制现状与展望

Present State and Prospect of Power System Transient Stability Emergency Control

西安交通大学电气工程学院 吕志来　张保会　哈恒旭　(陕西西安710049)

【摘要】　对近年来电力系统暂态稳定紧急控制作简要综述,指出所存在的问题,并结合当前技术和发展要求,展望电力系统暂态稳定紧急控制的发展方向,以及若干技术问题的改进方案。【关键词】　电力系统　暂态稳定　紧急控制

Abstract This paper presents an overview of power sys 2tem transient stability emergency control study in recent years ,points out some shortcomings in recent research ,and discusses some development trends combined with technologies newly developed and important issues need to be further studied for the emergency control.

K ey w ords power system transient stability emer 2gency control

0　引言

随着电力工业的发展,电力系统的规模不断扩大,电网结构日益复杂,单机容量进一步提高。与此同时,由于受到环境和经济等因素的制约,区域间联网和远距离大容量输电系统的不断出现,系统运行更加接近极限状态,这使得电力系统暂态稳定问题日趋严重,电力系统一旦失去稳定,往往造成大范围、较长时间停电,在最严重的情况下,则可能使电力系统崩溃和瓦解。另外,由于电力市场的起动和实施,系统的运行方式和运行工况将出现一些新的变化,使电力系统暂态稳定问题变得更为复杂化。

在这些情况下,研究和实施相应的暂态稳定紧急控制措施,不但可以提高系统运行的可靠性,而且可以因传输能力的提高而产生直接经济效益。另外,从经济和实用的角度来说,预防控制并不总是灵活和有效的,对于小概率的严重事故,采取紧急控制措施也许比预防控制更为合理。在某些情况下,如远方大容量机组失步,紧急控制甚至是防止系统失稳的唯一实用办法[1]。为此,本文综述电力系统暂态稳定紧急控制的现状,并展望其发展方向和需解决的技术问题。

1　暂态稳定紧急控制现状及存在的问题

电力系统同步稳定性破坏可以分为2大类,一类是某个发电厂与电力系统中的其它发电厂之间的同步稳定性丧失即简单不稳定模式;另一类是电力系统中多组发电机之间的同步稳定性丧失即复杂不稳定模式。针对电力系统的这种特点,若配备合适的暂态稳定紧急控制,并及时进行有效地投入,往往能以较小的代价取得系统的暂态稳定,避免局部故障造成大面积停电的事故。

暂态稳定紧急控制措施包括很多方面,如切机、快速汽门控制、切负荷、制动电阻控制以及串联电容的强行补偿等,这些控制措施的制定和决策目前唯一实用的方法是:离线预决策,实时匹配。这种方案是将系统的网络结构和参数、系统运行方式以及预想事故按照某种方式进行组合,离线计算出各种组合方式下维持暂态稳定所需的控制规律,从而形成1个控制策略表存放在稳定控制装置内,当检测到系统扰动而装置起动时,从其中选取与实际系统运行方式和扰动情况最接近的控制方案执行实施。如日本东北电力公司的BSPC 系统,华北神头地区的区域性安全稳定控制

系统,南京自动化研究所与东北电管局联合开发的辽西电网稳定控制系统,南京自动化研究所与福建省中心调度所联合研制的WL K Ο1型微机联切控制系统。这些控制策略表中的每1条控制规律都是通过大量离线仿真计算得到的。但是,暂态稳定问题具有较强的非线性,而这样得出的控制策略表不可能非常详细,因而难以适应多种运行方式及不同的故障类型和位置,并且需要较多的经验来综合控制表。

文献[2]为了减少计算量,提出用暂态能量函数法计算切机控制规律的方法,每1条控制规律都是通过比较不同切机方式下的能量裕度而得出的,这实质上也是试凑法的一种。

文献[3,4]针对东北电力系统铁岭电厂的实际情况研制了一套WAW Ο1型安全稳定紧急控制装置,该装置集静态稳定判断、暂态稳定预测和实时控制为一体,对可等值为单机无穷大母线的发电厂的局部稳定性控制能起到良好的作用。该装

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4—　1999年第12期中　国　电　力第32卷

置采用E q恒定的发电机模型,能自动判别发电厂机组及电厂的运行方式及状态,自适应地对电厂与系统间静态稳定储备不足进行监测和报警,能实时预测扰动后系统的暂态不稳定性,并实时计算为维持暂态稳定需要的切机控制量。另外,对于中长期摇摆而造成的动态不稳定性,还采取了经过X′d补偿后的视在电阻检测的失步解列控制措施。但该装置若推广应用,还须继续改进原理和算法。

文献[5,6]等提出了用前向神经网络决定多机系统暂态稳定切机、切负荷等控制规律的方法,这种方法的基本思想是用神经网络的映射关系去逼近系统网络结构、运行方式和故障情况与控制规律间的函数关系。由于训练神经网络不需要太多的经验,且神经网络能够适应系统在多种运行方式及不同故障类型和位置的情况,因而在一定程度上克服了查阅策略表的缺点,但要使神经网络有较好的适应性和准确性,训练神经网络的样本集就必须全面细致地反映系统中可能发生的各种情况,因此需要有足够数量的样本。对于大规模的电力系统要想获取全面的样本是件很困难的工作。

另外,薛禹胜院士提出的暂态稳定紧急控制新框架即在线准实时[1],是基于EEAC法和专家系统,将预想事故作为使用决策表的唯一入口,每5 min刷新一次决策表,以跟踪实时状态下的故障前的运行工况,这种新框架的关键是需要一种快速的鲁棒性强的在线暂态稳定分析算法。

世界上第1套用于多机系统的基于详细数学模型进行在线暂态稳定计算的稳定控制系统,已在日本CHUBU电力公司投入运行[7]。该系统首先用简化模型和减速功率指标按预想事故集对系统进行在线动态安全分析,筛选出不稳定的预想事故,然后用详细模型进行暂态稳定切机控制计算。其方法是对每一种可能使系统失稳的预想事故不断进行暂态稳定计算,每计算1次暂态稳定,切除1台失稳时刻加速能量最大的机组,直至计算到系统稳定为止,便可得出该预想事故下的切机控制策略。这种方法是一种思路,但存在2个问题:(1)不稳定的预想事故可能漏选;(2)当不稳定的预想事故较多时,且需要切除较多的发电机组才能保证稳定时,计算量将急剧增加,也许就难以满足在线计算的要求。2　暂态稳定紧急控制发展趋势

暂态稳定紧急控制作为电力系统暂态稳定的重要屏障[8],它的响应必须在检测到事故后200ms内完成,目前还没有具有较强的鲁棒性的实时算法,可以同时考虑实时条件下的运行工况和实时识别故障。但随着现代GPS技术、通信技术、DSP技术、智能技术以及计算机网络技术的发展,至少可以从以下几方面对其进行改进:(1)从理论上解决如何将大系统分解成局部系统,以便通过控制局部系统保证全系统的稳定性。(2)研究利用实时状态量构成稳定性的实用判据[9]。(3)发展快速的预想事故筛选工具即根据一些敏感的状态量,提出一种综合模糊评判性能指标作为衡量事故的严重程度。(4)将数值积分与某种直接法相结合。

在此基础上,发展在线准实时的区域暂态稳定控制系统是一个较好的方向。

3　暂态稳定紧急控制的技术改进

311　暂态稳定紧急控制的预测与启动

电力系统暂态稳定的快速预测对启动安全稳定紧急控制具有重要意义。目前的预测方案有:

(1)反映有功功率及其变化量的失步预测。这类装置的优点是动作速度快,扰动发生后可迅速启动控制,但一般为逻辑判据,且用局部信号作出的稳定预测准确性低,容易造成过多的局部利益损失。

(2)反映功角及其函数的失步预测。可以在简单系统中使用,但是判据难于适应运行条件、故障条件的变化,适应性差,反映速度也慢。

(3)反映频率及其变化率。一般用于电网的频率控制,当电网解列成孤岛或频率异常后启动减负荷,不能直接用于避免同步不稳定控制。

(4)用直接法预测暂态稳定性。使用它预测暂态稳定性,原理上可以在故障的极限切除时刻发出暂态不稳定信号,但对于在静稳破坏和在调节器作用下经多次摇摆而失步的事故仍无能为力,且多数用于离线计算,实时控制速度难于满足要求。

以上分析可以看出,多机电力系统复杂不稳定模式下暂态不稳定的紧急预测还不成熟,根据目前的技术和通信条件,利用系统正常运行下的信息,附加利用基于GPS的相量测量单元(PMU),实时测出电力系统的一些与稳定有关的敏感状态变量,形成矢量空间相量族,结合电力系统的具体特点,通过

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　第32卷电力系统暂态稳定紧急控制现状与展望1999年第12期

某种算法如决策树法和空间矢量法相结合来研究预测与启动的判据。

312　预想事故的筛选和算法

多机电力系统的紧急控制措施目前多数为断续控制且不可反复使用,其控制量的大小取决于以下2点:用于事故筛选的快速算法;严重故障暂态稳定分析的详细算法。

无论是在线准实时还是离线预决策都将涉及到预想事故的选择,预想事故太多也是影响暂态稳定计算速度的一个重要原因。如能自动选择事故,减少进行暂态稳定分析的预想事故数目,这样也可提高整个暂态稳定性分析的计算速度。

传统的事故选择方法是人工凭经验进行的,即根据潮流计算结果选择传送功率较大的线路,作为事故线路。这种方法的缺点是没有考虑到事故后电网结构的强弱,容易造成某些严重事故漏选。而且,在实际计算中由于系统运行方式很多,潮流计算结果复杂,对每一种运行方式都由人工进行事故选择是很困难甚至是不可能的。有文献提出根据故障切除时刻动能进行事故选择的方法,这在一定程度上减少了计算量,但还是存在严重缺陷,即只考虑了故障切除时刻系统状态,而未考虑到故障后系统结构的强弱,同样会造成严重事故的漏选。

一般说来,事故的严重程度可由故障切除时刻系统状态和故障切除后系统结构来决定,如果某一事故发生后,故障切除时刻系统状态与故障切除后系统稳定平衡点之间的距离较大,或者故障切除后系统结构与故障前系统结构相比有较大的变化,则这一事故为严重事故。如何有效反映这一严重事故?可以通过发电机的转子变量如加速度、动能和角度等,因为在不同事故状态下,这些变量的不同分布将导致不同的稳定模式。依据人工智能和模糊数学的知识,将这些反映电力系统发生故障后严重程度的敏感变量的变化,用一种面向对象的模糊综合评判指标表示出来,然后按照此指标的大小进行事故选择,找出那些不稳的预想事故,减少进行预想事故数量的分析计算量,这是提高暂态稳定性分析计算速度的另一新途径。寻求这一方法的基本思路是不直接求解微分方程组,仅通过定义的性能指标的大小来进行事故选择。

算法的选择最好是将直接法(PEBS方法)和预估Ο校正法相结合,充分发挥各自的长处,即直接法提供快速、稳定裕度和灵敏度信息,预估Ο校正法提供可靠性和准确性。313　区域稳定控制

31311　暂态稳定紧急控制系统的分层与协调考虑到电力系统分布地域广,暂态过程发展较快,因此,要在较短时间内收集整个系统的状态信息,实现全网的集中控制,不仅技术上难以实现,而且扩展性和安全性也比较差,经济上也不可取。比较合理的方案是发展分层区域控制系统,即根据系统的结构和特点,将整个系统分成可能的若干区域子系统,各子系统按各自的结构特点,组成综合考虑稳定运行要求的区域暂态稳定控制装置,然后用中央控制装置收集和处理涉及全系统的综合性信息,以便对各区域控制装置的工作进行协调与优化。31312　传输和通信

为保证中央控制和区域稳定控制的协调配合以及区域间控制的协调,就必须实现数据传输和命令传送。为了提高数据和命令传输可靠性和快速性,采用PCM技术,通过编码、压缩以及差错冗余处理是较好的方式。

314　其它改进措施

除了以上所提到的各种改进措施以外,原本为抑制低频振荡而提出的电力系统稳定器(PSS),近年来被赋予新的使命,使之同时用于改善和提高系统的暂态稳定性,并开始应用人工智能技术设计其控制器(如ANN、模糊控制等)。

近年来,随着电力电子器件的发展,柔性交流输电系统控制器(FACTS)正在研究与开发中,实际应用并已商业供货的有静止无功补偿器(SVC)、可控串联补偿(TCSC)等,正在研制开发的有晶闸管控制的移相变压器(TCPST)、相间功率控制器(IPC)等,它为快速控制系统间的潮流提供了可能,也为系统暂态稳定控制或改善系统阻尼提供了新的手段。

4　参考文献

1　薛禹胜.电力系统暂态稳定安全分析的新算法.关于EEAC算法的论文集,南京:电力自动化研究院,1994

2　Found A A.Calcuation of G eneration-Shedding Requirements of the B.C.Hydro System Using Transient Energy Functions.IEEE Transcations on power systems,1986,1(2):17～23

3　张保会,阎海山,钱国明,等.发电厂安全稳定紧急控制装置的研制———原理和算法.电力系统稳定控制与分析技术研讨会论文集,南京:中国电机工程学会继电保护专委会安全稳定控制分专委会, 1999

4　张保会,钱国明,阎海山,等.发电厂安全稳定紧急控制装置的研制———装置及实验.电力系统稳定控制与分析技术研讨会论文集,南京:中国电机工程学会继电保护专委会安全稳定控制分专委会,1999

(下转第54页)

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级的暂态过电压,可取较小容量,动作电压应为(5～7)U fN。

17　出厂试验

《技术条件》指出,励磁装置必须在制造厂进行出厂试验。设备的可调部分均应在制造厂按仿真试验或计算值调好,在发电厂只作校核试验,对参数只作少量修改,以缩短现场励磁系统调试时间,并保证励磁系统性能。

18　技术文件

供方应提供说明控制、调节、限制、保护等详细资料,如是微机励磁,则应提供程序详细框图。供方应在设备出厂前提供励磁系统数学模型,包括电压控制、PSS、低励限制、过励限制、电压/频率限制等模型及参数,以便用户及时分析校核其合理性。当校核未通过时,制造厂应按用户要求进行调整。

19　名词术语

在G B/T74091和G B/T740913中已有的名词术语不重复列出。

采用无功调差率的提法是因为由无功电流带来电压调节偏差,计算中也明确了使用无功电流,而不使用含糊的“无功”。调节时间按差值小于5%计是为了便于测量。

20　试验方法

《技术条件》较为全面地提供了试验方法的原则,见附录C。考虑到励磁调节装置种类很多,试验方法难以概全,故将试验方法作为“提示的附录”。本文摘录说明如下。

第C3条　励磁调节装置。励磁调节装置参数测量一般在静态时进行,此时测定的励磁参数不但测试方便,而且可以提高测量精度。

第C315条　低励限制。低励限制一般设计成与发电机电压有关,电压高可以进相多。因此,调度给出的低励限制定值应为额定电压值,试验时根据实际电压修正无功值。

第C319条　PSS。自动电压调节器性能指标符合《技术条件》后方能进行PSS试验。PSS相幅频率特性测试均要求在较弱的阻尼条件下进行,因此,测试时要求发电机在接近额定负载及高功率因数条件下进行。

用频谱仪或动态信号分析仪进行相频特性测试,可以检查相位补偿是否符合附录B的要求。考虑到该仪器尚不普及,以及电力系统不同运行方式时,励磁控制系统的频率特性有一定差异,而频率特性的计算法与实测值比较接近,计算所得的频率特性已有足够精度,因此可以用计算值代替实测值,而后在阶跃响应试验中进行验证。

PSS开环频率特性增益余量规定为9～14dB 与临界增益的1/3～1/5相对应。

阶跃响应一般可验证本机振荡频率点PSS的整定是否正确。如果系统本来阻尼较强,阶跃响应的PSS作用就不明显,但这并不说明PSS整定有误或PSS没有必要投入。

第C3112条　励磁数学模型和参数的确认。数字式励磁调节装置制造厂必须提供各个控制环节的数学模型和采用的参数,并通过仿真和试验验证各功能的作用及其参数的正确性。经过确认的模型参数是电力系统正确分析的前提之一。

第C7/C8条　静差率和调差率。提出按定义和实用的测定方法。

第C11条　抗干扰试验。电磁干扰试验分为严酷条件确定和试验方法,内容庞大,此处仅列出有关的标准名称供需要时参考。考虑到现场检验的需要,将辐射电磁场试验方法列出。

　收稿日期:1999Ο08Ο15 (责任编辑　郭　晓)

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5　刘玉田.人工神经网络用于电力系统暂态稳定控制的研究.西安交通大学博士学位论文,1994

6　袁宇春,张保会,张　明.用ANN决定电力系统的切负荷控制.

中国电力,1997(7):3～5

7　Ota H,K itayama Y,Ita H,et al.Development of Transient Stabili2 ty Control System(TSC System)Based on OnΟLine Stability Calcula2 tion.IEEE Transcations on Power systems,1996,11(3):1463～

1472

8　袁季修.试论防止电力系统大面积停电的紧急控制Ο电力系统安全稳定运行的第三道防线.电网技术,1999,23(4):1～4

9　Centeno V.Adaptive outΟofΟstep Relaying using Phasor Measure2 ment Techniques.IEEE Computer Appliation on Power,1993(10): 12～17

　收稿日期:1999Ο08Ο20 (责任编辑　路　琳)

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