（电力系统及其自动化专业论文）在线暂态稳定分析与综合稳定控制系统的研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 i 中决策的速度和可靠性问题。对综合暂态稳定控制与决策中最关键的策略表 问题进行了研究和改进，提出了一种新的策略表类型、内容、策略表改进措 施和智能管理方法，井在葛洲坝综合稳定控制装置中付诸实施，这些方法和 改进措施所应用的理论和方法对其它稳定控制装置的研究亦具有重要的实际 参考埝谴了 4 。作为实施区域性或全网性分层决策的综合暂态稳定控制这个总体目标 的第一步，研制了基于就地量为主的综合稳定控制装置。对装置的硬件、软 件和技术关键问题进行了研究，并提出了紧凑型模块化的设计思想和方法。 一f 对直流制动的控制效果受无功和电压影响的问题进行了仿真研究，并得出了 有意义的结论。装置的动模实验和工业试运行实践表明，本装置的控制原理、 方法、硬件和软件都是正确的。本装置的研究成功，不仅在理论上而且在实 践上，对综合稳定控制作了贡献。丫 关键词：电力系统磐态稳定控制，g p s 实时暂态稳定控制，在线暂态稳定分 析，喵s 速事故筛选，超前中止仿真，混合分析法，在线分层决策 i i 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gi n t e r c o n n e c t i o n so fl a r g e - s c a l ed e c t r i cp o w e rs y s t e m si n r e c e n ty e a r s ，t r a n s i e n ts t a b i l i t yp r o b l e m so f d y n a m i cp o w e rs y s t e m sh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yc h a l l e n g i n g t h i sp a p e rs t u d i e sn o to n l yt h et h e o r ya n dt e c h n i q u eo f t r a n s i e n ts e c u r i t yc e n t r e ls y s t e m ( t s c ) ，b u ta l s ot h e i r a p p l i c a t i o n st o t h et w o e n g i n e e r i n gp r o j e c t s o n ei st h ec o m p u t e r i z e ds y n t h e t i ct r a n s i e n ts e c u r i t yc e n t r e l s y s t e m ( s t s c ) ，t h e o t h e ri san e w g e n e r a t i o n s t s c s y s t e m w h i c hc a n a u t o m a t i c a l l ya n di n t e l l i g e n t l ym a k ed e c i s i o nb a s e do no n 1 i n ed a t af r o me m s ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m s ) t h e m a i nw o r k si nt h i sp a p e ra r ea sf o t l o w s ： 1 u s i n gg e n e r a t o ra n g l e sa n da n g u l a rv e l o c i t i e s an o v e lm e t h o db a s e do n s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nj sp r o p o s e di nt h i sp a p e rf o ro n - l i n er e a l t i m ep r e d i c t i o no f p o w e rs y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t y w h e nc o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s t l l ep r o p o s e d m e t h o dh a sh i g l l e rp e r f o r m a n c ei nr e l i a b i l i t y , c o m p u t a t i o n a ls i m p l i e i t y , f l e x i b i l i t y , a n dc a p a b i l i t yi nd e t e r m i n i n gt h et r a n s i e n ts t a b i l i t ym a r g i n ( s m ) o fm u l t i ，m a c h i n e p o w e rs y s t e m s r e s u i t sf r o mi e e e3 9b u st e s ts y s t e mi l l u s t r a t et h ec a p a b i l i t ya n d p e r f o r m a n c eo f t h en e w m e t h o d 2 n e v e la p p r o a c h e sa n dt e c h n i q u e sa r ed e v e l o p e df o ro n 1 i n eq u a s i r e a l t i m e t r a n s i e n ts e e u r i t ya n a l y s i s ( t s a ) ，i n c l u d i n go n en o v e lf a s tc e n t i n g e n c y s c r e e n i n g m e t h o d ，o n en e ws i m u l a t i o nt e r m i n a t i o na p p r o a c h ，o n ei m p r o v e dh y b r i dm e t h o d ， a n do n es y n t h e t i ca p p r o a c h u n l i k et h ec o n v e n t i o n a l a p p r o a c h e s ，t h ep r o p o s e d m e t h o d sh a v ec o m b i n e dt h eb e n e f i t sd e r i v i n gf r o mt i m ed o m a i ns i m u l a t i o na n dt h e p r o p o s e dt r a n s i e n ts t a b i l i t yp r e d i c t i o nm e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l i ss h o wt l l a tt h e p r o p o s e d m e t h o d sh a v eh i g h o rp e r f o r m a n c ei ns p e e d 。a c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y 3 t l l er e a l - t i m et r a n s i e n ts e c u r i t yc o n t r o lb a s e do no l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 崛p s ) s a t e l l i t e t i m et r a n s m i s s i o n si s i n v e s t i g a t e d t h e o n 1 i n e q u a s i r e a l t i m e d e c i s i o n - m a k i n gt r a n s i e n ts e c u r i t y c o n t r o l s y s t e mb a s e do no n - l i n ed a t af r o m e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ( e m s ) i sd i s c u s s e d ao n ，l i n eh i e r a r c h i c a ld e c i s i o n m a k i n gc o n t r o lp a t t e r nf o rs y n t h e t i cs e c u r i t yc o n t r o io fl a r g e - s c a l ee l e c t r i cp o w e r s y s t e m si sp r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，s o m ei m p r o v e m e n t si n c o n t r o l s t r a t e g y a n d i n t e l l i g e n td e c i s i o nu r ea l s op r e s e n t e d a nt h o s op r o p o s e dm e t h o d sa r ev e r yu s e f u l a n di m p o r t a n tf o rc o n t r e ls y s t e m st ob ep u ti n t 0p r a c t i c e 4 t h i sp a d e rd e v e l o p san o wc o m p u t e r i z e d s y n t h e t i c t r a n s i e n t s e c u r i t y c o n t r o ls y s t e m ( s t s c ) f o rt h et r u n kp o w e r s y s t e mo f m i d d l e c h i n ae l e c t r i cp o w e r c o t h j ss t s cs y s t e mi sat o t a ld i s t r i b u t e dc o n n o ls y s t e ma n dm a i n l yb a s e do n l o c a lm e a s u r e m e n t t h eh a r d w a r e s o f t w a r ea n dh v d c p o w e r m o d u l a t i o no ft h e s t s cs v s t e ma r ed e v e l o p e d 1 1 1 ed y n a m i cs i m u l a t i o n si nl a b o r a t o r ya n di n d u s t r y t e s i ss h o wt h a tt h i ss t s c s y s t e mi sv e r ys u c c e s s f u l k e y w o r d s ：t r a n s i e n ts e c u r i t yc o n t r o ls y s t e m ，g p s ，r e a l t i m et r a n s i e n ts t a b i l i t y p r e d i c t i o n ，o n l i n e t r a n s i e n t s e e u r i t ya n a l y s i s ，f a s tc o n t i n g e n c ys c r e e n i n g ， s i m u l a t i o nt e r m i n a t i o n ，h y b r i dm e t h o d ，o n - l i n eh i e r a r c h i c a ld e c i s i o n - m a k i n g 1 1 1 华中理工大学博士学位论文 1 1 课题的来源 第一章绪论 随着电力系统的发展，互联的电力网络变得越来越大，以及远方大容量电 站和抽水蓄能电站的不断出现，暂态稳定问题仍然很突出。国内外稳定破坏事 故时有发生，对国内外一系列重大停电事故进行分析可以发现，由于系统失去 稳定而造成的事故占很大比例【3 l 【20 1 ，并且电力系统一旦失去稳定，往住造成大 范围、较长时间停电，给国民经济和人民生活造成巨大损失和严重危害因此 防止系统暂态稳定破坏的控制仍然是当前电力系统中极为迫切的任务。 传统的发、输、配电统一管理和运行的机制，正逐步向发、输、配电分别 作为独立实体参与竞争的电力市场运行机制转化。这样一个开放和鼓励竞争的 运行环境增加了运行规划的不确定性，使电力系统运行复杂化，运行方式快速 多变，因此要求有更加快速有效的稳定控制手段。 三峡工程标志着全国性的跨大区域联网的逐步实现，大容量远距离送电成 为重要的手段，联络线的作用从紧急支援延伸到经济换电而接近稳定极限，因 此大区域电网互联的安全、稳定、经济运行问题已经迫在眉睫。 在这种形势下，根据电力部有关精神和华中电管局的要求，针对华中电网 的稳定情况和具体特点，在对全网稳定控制进行整体规划和综合研究的基础 上，研究一个区域性的综合稳定控制系统，该稳定控制系统要求能够克服目前 国内同类装置中较多存在的适应性较差、应用和管理不够方便、控制分散单 一、不能统一协调和综合优化等缺陷，研究一个适应性较好、使用和管理较方 便、并实现区域性联网的综合稳定控制系统。使华中电网的稳定控制水平上一 个新台阶，达到国内领先和赶上国际先进水平。 1 2 问题的提出 稳定控制与电力系统其它控制的最大区别是，继电保护等其它控制其控制 华中理工大学博士学位论文 对象一般为电力系统中的某个元件或几个元件组成的单元，控制上的失误通常 只造成个别元件或单元跳闸的损失，而稳定控制则要求控制全网的稳定，其控 制上的失误往往会危及全网，造成整个系统大面积的停电，因此稳定控制的责 任很大，要求的可靠性较高。另一方面，稳定控制的快速性是保证稳定控制有 效性的关键之一，然而，系统的稳定破坏与否却与整个系统的网络结构、运行 状态、扰动冲击、继电保护及自动装置的动作等诸多因素的影响有关。由于电 力系统是个非常复杂的系统，不仅结构复杂，运行情况也十分复杂，而这个复 杂的系统又分布在广阔的地区，实现快速稳定分析和快速控制非常困难。因 此，目前稳定控制装置主要仅局限于应用简化的判据，或采用查询离线计算策 略表方法构成的局部稳定控制。而区域型的综合稳定控制则很少，这类装置无 论从理论上还是从实践上都有相当大的难度，主要有如下难点： 1 信息的收集和处理问题。为了进行正确而有效的控制，首先必须收集系 统运行状态的各种信息。由于系统的结构和运行情况十分复杂，电源和负荷又 分布在广大地区，这给信息的采集带来很大困难。对于暂态稳定控制来说，不 仅信息量大，而且速度要求也很高，通讯也是一个重要问题。 2 故障的检测和识别问题。由于电网分布在广阔地区，而故障又是随机 发生的，在任何时间任何地点都可能发生各种不同性质和不同严重程度的故 障。对于简单系统( 如单机一无穷大系统) 故障的检测和识别比较容易解决， 而对于复杂系统，要准确而无误地把故障检测出来，就不是一件轻而易举的 事情。对故障的检测，目前采用的办法主要是通过保护动作和开关跳闸给出 信号。这种办法虽然比较简单，但它只能给出是否发生了故障的信息，要区 分故障的严重程度还有一定困难。同时，当保护误动或拒动时，还会收集到 错误的信息。 3 控制系统的结构问题。如此庞大复杂的系统，要求在很短的时间内实 施控制，确实不是一件简单的事情，接个控制系统采用什么样的控制结构， 是采用集中控制方案还是分散控制方案，尚未找到理论依据。 4 稳定控制的预测和决策问题。把故障检测出来，仅仅是解决问题的第 一步，更重要的是快速预测系统的稳定性并定量求出稳定控制措施，如切机 台数和切负荷的容量等。这个问题是实现控制的关键，也是难度最大的一个 问题。其实质上是要求在系统发生故障后，根据系统的运行情况和故障的严 重程度进行一轮暂态稳定计算，咀确定为使系统保持稳定的合适的控制量。 2 华中理工大学博士学位论文 5 速度问题。暂态过程的发展极为迅速，通常要求几乎在继电保护跳闸 或故障切除的同时就要采取稳定控制措施。这种时间上的困难，即使采用目 前最大型的计算机也无法克服，因此必须另找解决的途径。为了解决稳定分 析与控制的速度问题人们不断进行理论探索以寻求新的解决办法，例如李 雅普诺夫直接法、图象识别、非线性控制理论、灾变理论等。这些研究虽已 取得了一些进展，但实际应用还有待于迸一步研究和发展。 1 3 课题的意义 当前电力系统计算机通信网络已经初具规模，全国各太电网能置管理系统 ( e m s ) 已经相继建成，通讯网络正在不断完善。因此从e m s 获取电力系统在线 数据成为可能，鉴于这一当前形势下，本文提出了利用e m s 获得的电网在线实 时数据，进行在线自动计算、在线智能决策的稳定控制方法，并将现代控制理 论和技术应用到稳定控制中，提出了全网稳定控制系统采用分层控制并分层决 策的控制系统结构和方法。该控制系统可以实现自动计算、智能决策、全网优 化、统协调的目的。开展该全网稳定控制系统的研制，对华中电网的安全稳 定运行具有很大的安全、经济和社会效益，将使华中电网的安全稳定控制水平 迈上一个新台阶，而且为三峡系统的稳定控制提供一个可靠的途径，不仅在理 论上而且在实践上均有重要的意义。 1 4电力系统暂态稳定分析方法的研究现状 电力系统暂态稳定的分析方法目前主要有时域仿真法、直接分析法和混合 分析法三种。从模型化简的角度上看，主要有等值化简方法和基于外部观察的 预测方法。随着计算机技术的发展，出现了并行算法等。 1 4 1 时域仿真法 时域仿真法( t i m ed o m a i nm e t h o d ) 也称为数值积分法，该方法是在列出 描述系统暂态过程的微分方程和代数方程组后，通过交替求解或联立求解，根 据发电机转子问相对角度的变化情况来判断稳定性。 其优点主要是：l 、系统模型足够精确，在规模上可包含几千条母线、几 华中理工大学博士学位论文 千条线路、几百台发电机组以及各种控制和保护装置的详尽模型，可得到相当 准确的结果；2 、能提供系统各种变量的时间响应。目前国内外都有很成熟的 软件。其缺点是计算量大，需要较长机时。为了提高计算速度，目前暂态稳定 的并行计算方法还在不断深入研究和发展中，是一个十分活跃的研究课题。其 研究方向之一是将通常的串行算法移植到并行环境中；另一个研究方向则是基 于开发稳定问题内在的并行性。 1 4 2 直接分析法删”删 暂态能量函数方法是李雅普诺夫直接法的一个重要分支，它作为一种电力 系统在线暂态稳定评定与控制的方法已成为当今国内外电力系统中的一个重 要研究领域。暂态能量函数( t r a n s i e n te n e r g yf u n e t i o n - - t e f ) 描述了系统在 故障阶段及故障后阶段不同时刻系统的暂态能量。这种暂态能量由故障所激 发，并在故障阶段形成。暂态能量包含动能和位能两个分量。暂态动能是由故 障造成系统分离的能量；暂态位能包括发电机转子位景能量、系统各元件的磁 场储能和网络耗散能量。 当故障发生，系统的暂态动能和位能显著增长。在故障清除时刻，动能开 始降低，位能继续增长。在故障清除之后，全部能量是守恒的( 计入阻尼则将 逐渐衰减) 。故障后的系统经历了由动能转换为位能的过程。若系统能吸收剩 余动能，则系统稳定：若系统不能吸收剩余动能，则系统不稳定。因此，在临 界清除时间下，事故后系统所能达到的顶值位能是系统能够吸收的最大能量， 并称之为i 临界能量比。 暂态能量函数方法就是通过在故障阶段的末了( 故障清除时刻) 的系统暂 态能量与临界能量吃相比较，直接评定系统的暂态稳定性。两者之差称为 “能量裕度”，即“稳定裕度”，通常表示为 a v = 吃一 ( 1 1 ) 直接法主要有以下几种： 1 p e b s 方法是以持续故障轨线在角度空间的投影达到事故后系统的 p e b s 的出口点，以出口点处的恒值能量曲面近似局部稳定边界，即 吃= 联以，o ) 这里口，是p e b s 上的出口点。 这种方法用持续故障轨线代替临界故障轨线，寻求位能最大值点，取为临 五 华中理工大学博士学位论文 界能量。 2 故障模式( m o d ) 法是在8 0 年代初期由f o u a d 等开发的一种计算c u e p 的方法。首先需要判定正确的c u e p 方向，然后获得解c u e p 的初值以及最后 计算精确的c , i i e p所谓判定正确的c u e p 方向是指运用一些故障冲击的量 度，如各机在故障清除时刻的暂态动能和加速度等，用以选择侯选模式。并形 成几种临界机组序列，然后进行模式试验，即根据一定的物理判据来选定最终 的故障模式，因而是一种启发方法。 3 稳定域边界( b c u ) 方法是一种新近开发的分析方法，该方法是建立在 原始系统与收缩系统关于稳定域边界关系的理论基础上的。用这种方法求取主 导不稳定平衡点，不需要预先决定故障模式，其基本步骤是：( 1 ) 计算持续故 障轨线在角空间的投影，直至与事故后收缩系统的稳定边界( p e b s ) 相交，该交 点称为出口点( e p ) ；( 2 ) 以出口点为初值，积分事故后收缩系统方程，直至一 最小梯度点( m g p ) ；( 3 ) 以此最小梯度点为初值，解平衡点方程，得到收缩 系统的主导不稳定平衡点。仅需补充一零速度向量，即可得到原始系统的主导 不稳定平衡点，由此得到临界能量的一种估计。这种方法的收敛性优于m o d 方法，其计算速度与仿真方法相比是适当的。 4 扩展等面积法( e x t e n d e de q u a la r e ac r i t e d o n - - e e a c ) 的基本概念是在一 故障扰动下认为电力系统的机组分为临界机组及非临界机组两群，然后对这两 群机组分别用等值机进行两机动态等效，进而等值为单机无穷大母线系统，从 而系统的暂态稳定可用等面积定则进行评定。该方法有赖于正确识别临界机组 群，它响应于故障下系统的失步行为。这需要考虑一些候选情况，并从这些候 选的临界故障清除时间中选择最小的一个作为系统的临界稳定条件。 扩展等面积法( e e a c ) ，由于其极快的计算速度，而成为目前最具在线应 用潜力的直接暂态稳定分析方法之一。早期的e e a c 只适用于两群摇摆模式 以及群内理想同调的假定下可用代数方法求解。 动态e e a c 利用轨迹凝聚技术考虑了每个群的内部非同调性，可观地改 进了精度和鲁棒性，在故障期间和故障后对o m i b 的参数分另进行两次刷新， l f 岛界机群识别方法也得到了改进，集成e e a c 法则将e e a c 和数值积分有机 地统一起来，可以有效处理多摆稳定问题。由于o m i b 参数是按各机初始角 度差聚合，并在新事件发生前不再修正，在多群动态特征很强的情况下会引 入大误差。 。5 。 华中理工大学博士学位论文 5 近十年来，许多学者进一步结合电力系统物理特征，提出了一系列各具 特色的赢接法分支。基于外部辩识的预测方法是其中之一，该方法用实澳4 和简 单的预测分析相结合来取代传统方法中的解析推理，并将预测分析的结果作为 紧急超前控制的依据。其基本思想是：通过实测少置电磁功率，经过简单变换， 通过样本功角用多项式8 ( t ) 逼近真实功角变化，并根据多项式值是否存在极值 ( 或多项式导数是否变号) 判断该机组的稳定性；在此基础上，进一步提出了紧 急超前控制的原理和算法。由于该方法是基于外部观测，其参数是根据实时采 样数据计算的，所以与系统模型无关，更能准确地反映网络结构、负荷变化等 真实情况，计算速度快，适用于实时预测和控制。但是预测的精度有待于进一 步提高。本文将重点研究。 综上所述，暂态能量函数方法，因其能够定量度量稳定程度、适合于对系 统关键参数的灵敏度分析、计算快速，从而受到较多的关心，成为仿真方法的 一种重要补充，而不是代替仿真方法。但是日前的研究结果大都是在简化条件 下得到的，而且还受到系统规模的限制，当系统太大时，所用方法在可靠性、 计算所需的时阈和精度上均受到影响。为了使暂态能量函数法克服上述的跟 制，还需从下面几个方面展开进一步的研究。使李雅普诺夫直接法在电力系统 中的应用进一步趋于完善。 1 模型的完善化，采用精确的发电机模型，计及调节器，特别是励磁调节 器的作用，保留网络结构，计及非线性负荷特性，直流输电模型等。 2 大规模互联电力系统中暂态能量函数法的应用。 3 引进微分几何理论研究新的稳定域计算方法，进一步改善保守性， 4 在暂态能量函数法中应用人工智能等理论和并行算法。 5 改进算法，提高计算速度，使之达到实用。 1 ，4 3 混合分析法“1 ”1 “” 混合方法( h y b r i dm e t h o d - - h y b p d d ) 是时域仿真方法与t e f 方法的联合。 在混合方法中实施逐步数值仿真至故障清除时间以外，在每一时间步长，求取 系统的动能和位能。在稳定情况下，沿事故后的稳定平衡点与轨线上局部位能 最大值点的连线外推至p e b s ，得到一交点，该交点与局部位能最大值点间的 位能差，形成一近似的能量裕度：在不稳定情况下，由持续故障轨线到达p e b s 时的局部动能最小值所检测出。该方法的计算时闯如同时域仿真，其优点是能 够提供稳定裕度，可靠性较高，能够识别非临界机群的机问振荡以及有能力涉 6 华中理工大学博士学位论文 及首摆以外的情况。还有一种新近出现的混合法叫做第二次故障冲击法f s e c o n d k i c k ) ，该方法与传统的混合分析法的不同之处是在稳定情况下，不是使用外推 至p e b s 的方法，而是使用第二次故障冲击法来求得全局位能达到最大时的位 能值，从而求得能量裕度。 1 5 电力系统稳定控制的目标和基本要求 电力系统暂态稳定控制( t s c ) 关系到整个系统的安全稳定性。它在确保电 网安全稳定、经济可靠地运行中，处于重要的地位，安全稳定控制系统、调度 自动化系统和电力专用通信系统已经成为现代电网不可缺少的三大支柱。因此 对稳定控制的性能有比较高的要求，归纳起来主要有以下五项基本要求呻1 ： 1 可靠性。由于t s c 装置是保证系统安全的重要措施，因此必须具有高度 的可靠性。装置要能长期连续工作，有很强的抗干扰能力，不能误动，更不能 拒动。 2 有效性。系统安全稳定控制的目的，是防止系统特大事故的发生，装置 动作后，一旦控制量不足，系统仍将失去稳定，损失惨重。因而传统上为了强 调控制的有效性要求，宁过控，勿不足，也就是所谓的“就大不就小”方法。 另一方面，电力系统机电暂态过程发展十分迅速，这就要求暂态稳定控制装置 在故障发生后必须迅速启动，因此，必须采取有效措施，提高其动作速度。 3 选择性。稳定控制装置保护对象的界面虽然不象继电保护那样明确，但 也有一定范围，因此，稳定控制装置要求能区别不同性质的故障和故障的严重 程度以及对系统稳定的影响。并采取不同的措施，具有较高的选择性。 4 适应性。适应性是指能适应不同电力系统及其发展，和不同运行方式两 个方面，由于系统运行情况经常变化，不同运行方式要求不同的整定参数和控 制措簏，这就要求暂态稳定控制装置能自动地加以适应和跟踪，尽量减少运行 人员的操作和干预。另一方面，随着系统的发展和变化，装置也应易于扩充和 改进，这就要求在硬件和软件设计中采取相应的措施加以保证。 5 经济性。安全稳定控制系统的经济性应从电力系统的规划设计阶段、正 常运行阶段和防止重大事故的发生三个方面所产生的效益与建设安全稳定控 制系统的投资进行综合比较，得出经济性指标。电力系统正常运行过程中所获 得的效益是体现安全稳定控制系统经济性的主要组成部分。一般来说，安全稳 7 华中理工大学博士学位论文 定控制装置( 系统) 本身的造价同它可能获得的效益相比，是非常之小，甚至可 以忽略的。 1 6 电力系统稳定控制的研究现状 1 6 1 离线决策在线匹配稳定控制 这是目前最常用的方法f 5 4 】【5 5 】。该方法是基于“离线计算、在线匹配”的思 想，控制系统根据离线计算形成的控制策略表，由计算机在线查询实时控制， 即控制簧略表是在预想的各种运行工况和故障条件下，在大量离线稳定分析计 算基础上，经过归纳整理，将电力系统运行方式、故障方式等及其对应的暂态 稳定控制规律综合成控制策略表，应用时，“对号入座”确定规律。这种决策 方式不需要在线形成控制策略，因此，对计算时间没有特殊要求，对稳定分析 算法的要求相对放松了，且运行人员较熟悉并容易掌握，但是需要计算的方式 很多，特别是复杂系统的稳定控制装置，离线计算工作量和相应建立的控制对 策表的规模非常大。而且离线计算时预计算的接线方式和运行参数与实际运行 的情况很难完全相符，特别是系统发展变化较大时，这种方式的适应性较差。 随着系统的发展和扩大，这种分散控制方式已逐渐不能完全满足系统的要求而 逐步走向相对集中，构成一种区域性的控制装置。 1 6 2 在线实时决策稳定控制 这种控制方式中确定控制对策的计算是事故后在控制装置中实时进行 的。送入控制装置的信息可分为慢速( 事故前信息可循环传送) 和快速( 事故 扰动信息) 两种。装置检测到事故扰动信息后，实时计算得出与当时实际状态 对应的控制策略并付诸实施。这样得到的控制策略完全针对实际情况，除了算 法和在线数据本身的误差之外，没有其它附加的误差。另一方面也不需要进行 无用的计算。但是要求算法具有超实时的速度和足够的精度及鲁棒性，这远远 超过了现有算法水平。 目前真正应用的在线实时决策稳定控制主要包括如下三类： 1 逻辑连锁控制。早期使用的稳定控制装置是较简单的就地控制装置，如 保护动作或断路器跳阐联锁切机、切负荷、电气制动和快关汽门等，有的装置 增设了功率起动阈值，即输送功率超过某一定值时，稳定控制才起作用。由于 8 华中理工大学博士学位论文 单靠就地信息进行稳定判别出现困难，有些系统利用远方信号设备( 如专用电 力线载波机或复用载波机) 传送保护信号和断路器跳闸等信号，构成一个控制 系统。上述的控制系统简单可靠，运行人员容易掌握，在保证电力系统安全稳 定运行方面曾发挥了重要作用，但随着电力系统规模的不断扩大和运行方式的 日趋复杂、多变，上述控制方式在技术上已不能满足紧急状态下迅速、准确的 控制要求。 2 实时参数判别式法。这种方法是通过离线计算和分析，它引入一个描述 被控系统稳定边界的关系式或数学模型，形成一个稳定判别式如下： f ( x l ，x 2 ，矗) = 0 式中工，屯，x n 为故障前或故障时的状态量或其变化值，如r ，p ，t i p ，u ， d u d t 等。故障时将实时所测参数x 代入上述判别式，由此关系式在控制装置 中在线确定控制量。这种方法目前仅用于简单系统，对于较复杂系统，则需要 用模式识别等方法求判别函数，计算较复杂，使用不够方便。 3 基于g p s 同步相量测量的稳定控制。全网同步采样的实现，将使电力 系统计算机监测、控制和保护提高到一个新的水平。尤其重要的是，同步相量 测量使我们实时地了解系统状态。在电力系统发生振荡时，同步相量测量可以 直接反映系统的摇摆过程，从而可以实时预测系统振荡的性质。可以预言，同 步相量测量为电力系统稳定控制提供了新思路，必将给电力系统的分析和控制 及电网的安全经济运行带来深刻的变化。本文将做试探性研究。 t 6 3 在线准实时决策稳定控制 上述“离线计算、在线匹配”的决策方式中，为了使策略表能覆盖住各种 情况，并满足对控制精度的要求，因此离线计算方面策略表需要考虑各种运行 工况，包括各种负荷水平，各种发电机出力。各种网络结构的所有可能组合 造成策略表及离线计算量很大，并且对在线信息的变化不能适应，一旦系统条 件改变，就容易造成匹配误差大甚至发生失配现象。 如果在制作决策表时所根据的工况是当时的实际工况，就不必考虑其它几 千种假想的工况，而故障信息则仍取预想故障的全集。这就是要求在线环境 下，每当系统状态发生较大变化时，重新针对预想故障全集中的每个预想故障 及时计算适当的控制量。在制作决策表时，可以尽量利用所有能采集到的反映 系统工况的实时数据，以消除运行工况不完全匹配而引起的误差，而又不会增 大决策表的规模。这种“在线准实时决策、实时匹配”方案的要求介于在线实 0 华中理工大学博士学位论文 时决策和离线决策方案之间。 该方法主要是基于这样的一个前提条件：即在电力系统正常运行期间，可 以认为，在几分钟内，系统潮流不会有大幅度的变化。在这个假设前提下，可 以认为，几分钟以前由在线稳定计算所决定的稳定策略表，对于几分钟以后发 生故障干扰的电力系统仍然是适用的。 这种在线准实时决策稳定控制装置，其最大的缺点是需要获取大量的与全 网有关的信息，包括网络结构和运行状态等，在过去需建立专用的数据采集系 统来取得远方信息，能得到的信息量有限并且投资很大。而在计算机技术飞速 发展的今天电力系统计算机通信网络已初具规模，全国四大电网中e m s 系 统已经建成，e m s 高级应用软件已投入运行，通信网络正在不断地完善，直 接从e m s 系统中获取在线信息成为可能，通信速度也能满足在线准实时计算 的需要。例如每5 m i n 更新一次而每次传输4 0 0 个模拟量，则用一般的通信 介质也只需要5 s 。因此，在线准实时决策、实时匹配的稳定控制方案就可以充 分发挥其灵活性和决策的精确性。 目前日本已有类似的暂态稳定控制系统【1 3 8 1 。我国吉林省浑江电网稳定控 制装置尽管控制系统规模较小，也属于类似的在线准实时决策稳定控制模式 f l a 6 。 i 6 4 基于人工智能的方法及其它 近年来，人工智能技术被用于在线决策和稳定控制。其中文献 3 2 】采用“在 线预想计算、实时匹配”方案，结合e e a c 和专家系统技术用于在线刷新紧急 策略表，对网络结构和运行工况的适应性大大提高。还有利用模式识别技术识 别发电机是否失步的方法。文献【2 1 l 则基于连续函数关系分析，合理选择前向神 经网络的输入和输出，并对如何应用于实际的大规模电力系统局部暂态稳定控 制进行了探索性研究，由于人工神经网络具有很强的信息存储及处理能力，因 此它至少可以相当于一个更复杂、具有更高维数的查阅表。如果再利用神经网 络的分类和函数逼近能力，则它完全可以容易地计及故障后发电机间各种不同 的摇摆模式。 模式识别法由于在线计算速度极快。因而在电力系统动态安全评价中的应 用有着很大的吸引力，使用这种方法的困难是样本集的合理选择和分类器的适 当选取( 如何保证足够的训练精度) 还没有广泛适用的简便方法，而且离线计 算工作量很大，为了抽取特征量和建立识别函数，需要迸行大量计算工作，并 1 0 - 华中理工大学博士学位论文 且在系统结构变化较大时，可能要重新修正特征量和识别函数。因此，模式识 别在复杂电力系统中应用遇到一定困难。但是在电力系统可以等值为较简单系 统时。使用识别函数来确定稳定域是一种可行的办法，而且还可以根据电力系 统的特点选择特征空间和建立识别函数，以方便使用和减少计算工作量。俄罗 斯电力系统已开发了多种使用识别函数分析和确定稳定域的方法。人工神经网 络a n n 用于暂态稳定分析时是作为分类器或作为产生稳定指标的函数模拟器。 a n n 的b p 模型可以模拟任意复杂的非线性关系，可以较好的解决分类器问题， 即训练精度问题，而且可以通过自己的学习功能来实现。a n n 一旦训练就绪， 就可实时分类和预测稳定裕度及极限切除时间，但对于全系统的动态安全分 析，由于a n n 输入量很大可能导致学习困难。 另外，还有将决策树、灾变理论以及条件概率等技术引入到电力系统稳定 分析领域中来的，主要是在简单的电力系统中作一些试探，在对于复杂电力系 统的工程应用，还有一定的距离。 总之，人工智能方法是基于对系统在训练条件下的行为的先验知识进行归 纳。模式识别法由于在训练样本的选取、特征的抽取和分类器的设计上的一系 列困难，还未能在极为复杂的电力系统稳定分析中得到实际应用。人工神经网 络解决了分类器设计的困难，决策树方法还部分缓解了选择特征量的困难。但 是它们都没能解决训练集的有效选取问题和本质上难以完全消除的误分类问 题。因此只能用人为偏保守的方法来避免误分类的恶果，当然系统运行经济性 上的代价也是昂贵的。 1 7各种暂态稳定分析方法和控制技术的评价 电力系统各种暂态稳定分析方法和控制技术都各有其优缺点，很难有一种 方法是十全十美的，往往不是精度上不够精确，就是速度上不够快，或者就是 工程实用上不方便等等，而不同方法的互相竞争、借鉴和互补则是非常有益 的。 比如暂态稳定数值仿真和能量函数方法的互相补充。所有直接法的开发中 都应该充分注意到与数值积分法的有机结合，最后成功的直接法一定是非常巧 妙地和数值积分法集成在一起的。只有在缺少算法和算法效率太差的情况下， 基于知识处理的方法才能正确地找到其位置。由于电力系统是一个非线性的动 华中理工大学博士学位论文 态系统，其安全问题的本质必然是动态的，专家们普遍认为，基于人类经验和 直觉的定性稳定判断是不能代替定量分析的。由于稳定分析和控制问题对求解 的高度可靠性要求，基于知识处理方法应该在提高求解的效率上，而不应该影 响结果的准确性。 随着控制理论、计算机技术和通讯技术的发展，电力系统紧急状态稳定控 制装置设计思想和实现方法均有很大的改变。其发展趋势是：由分散设置的单 一装置或局部控制系统发展为能考虑一个区域或全系统的控制系统，由功能较 为简单的主要由逻辑电路构成的控制装置发展为具有综合性功能和事故前预 测功能的、由微机和现代通讯技术实现的智能化控制系统。 1 8 本文的主要工作及章节安排 本文的研究，是结合“葛洲坝综合稳定控制系统的研制”和“利用e m s 实 时信息进行自动计算智能决策并实现控制的新型稳定控制系统的研究”，这两 个较重大科研项目的工程实际任务进行的。本文不但在电力系统暂态稳定控制 的理论上，而且在理论成果应用于工程实践上作了研究。本文的研究工作有以 下几个方面： 1 在分析了基于临界机功角时间序列外推的暂态稳定性预测方法和基于 临界机正弦功角特性的暂态稳定性预测方法优缺点的基础上，提出了基于系统 辨识的暂态稳定预测新方法。仿真研究结果表明，该方法明显优于前两种方 法。它不但具有可靠性较好、适应性较强、方法简单、计算速度快、数值计算 稳定、辩识误差较小等优点，而且可以得出暂态稳定裕度，适用于多机电力系 统的多群摇摆模式下的预测。 2 在基于系统辨识的快速暂稳预测方法的基础上，首次提出了新的快速事 故筛选法和新的超前中止仿真法。研究表明，新方法可以同时具有多方面的优 点，不但具有计算速度较快，可靠性较高和应用较方便的特点，而且可以方便 地调整和控制事故筛除率和仿真中止率，较有效地避免把不稳定事故误判为稳 定事故的发生。 提出了一种改进的混合分析法，该方法综合了时域仿真法和本文基于系统 辩识的暂态稳定预测方法两者的优点，同时将预估一校正思想的引入，减少了 仿真计算过程中选择控制措施的试探次数大大地加快了在线分析的速度。在 1 2 华中理工大学博士学位论文 此基础上，进步研究了一种综合预估法、新的快速筛选法、新的超前中止仿 真法和改进的在线混合分析法等多种方法于一体的在线准实时暂态稳定综合 分析法。仿真研究表明，综合分析法在保证精度同其它方法基本相同的情况 下，计算速度明显快于传统的在线分析方法。 3 研究了电力系统暂态稳定控制的决策模式。对应用g p s 同步时钟的实时 决策暂态稳定预测与控制方法进行了探索性研究。研究了暂态稳定控制在线准 实时决策模式，论述了利用e m s 实时数据进行在线准实时决策的可行性和理论 依据。针对区域暂态稳定控制的目标和难点，本文首次引入大系统控制理论提 出了分层决策的控制模式，较好地解决了区域性暂态稳定控制中决策的速度和 可靠性问题。对综合暂态稳定控制与决策中最关键的策略表问题进行了研究和 改进。提出了一种新的策略表类型、内容、策略表改进措施和智能管理办法。 这些方法和改进措施是针对葛洲坝综合稳定控制装置的具体工程实践提出并 研究的，但所应用的思想和方法对其它稳定控制装置的研究具有实际意义和参 考价值。 4 作为实施区域性或全网性分层决策的综合暂态稳定控制这个总体目标 的第一步，本文研究了基于就地量为主的综合稳定控制装置。对装置的硬件、 软件和技术关键问题进行了研究，并提出了紧凑型模块化设计思想和方法。对 直流制动的控制效果受无功和电压影响的问题进行了研究和具体的仿真分 析，并得出了有意义的结论。设计并进行了装置的动模实验和工业试运行。实 践证明，本装置的控制原理、方法、硬件和软件都是正确的。本装置的理论方 法和研究成果，不仅在理论上而且在实践上，对综合稳定控制作出了贡献，使 暂态稳定控制向工程实践的实用化和产品化方向迈进了一步。 论文各章节的内容安排：第一章，介绍课题的目的和意义，分别从电力系 统暂态稳定分析和控制两个方面综述了当前国内外的研究现状、水平和发展趋 势，概述了电力系统稳定控制的目标和基本要求，介绍了本文所作的工作和各 章节安排；第二章，研究了电力系统在线实时暂态稳定预测方法，在仿真研究 和分析了现有方法优缺点的基础上，提出了基于系统辨识的暂态稳定预测方 法；第三章，提出了新的快速事故筛选法、新的超前中止仿真法和改进的在线 混合分析法，研究了在线准实时暂态稳定综合分析法；第四章，研究电力系统 暂态稳定控制的决策模式，介绍应用g p s 同步时钟的实时决策暂态稳定预测 与控制方法，研究了暂态稳定控制在线准实时决策模式，引入大系统控制理 1 3 华中理工大学博士学位论文 论，提出了区域性暂态稳定控制分层决策的控制模式，对策略表问题进行了研 究和改进：第五