（电力系统及其自动化专业论文）电力系统实时紧急控制的研究.pdf

墨苎塑至 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tm e a s u r et op r e v e n tw i d e a r e ap o w e r s y s t e mb l a c k o u tw h e na s e r i o u sf a u l to c c u r s ，t r a n s i e n t s t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m ( t c s ) h a sb e e nu s e dw i d e l yi n r e c e n ty e a r s ，h o w e v e r , a l o n gw i t ht h ei n t e r - c o n n e c t i o na n dm a r k e tf o r m a t i o no f t h e s t a t ep o w e r s y s t e m ，t h et c s f e a t u r e dw i t ht h eo f f - l i n ed e c i s i o n m a k i n gm o d e i sl e s s a d a p t e dt ot h i sn e wt r e n d s a i m i n ga tt h eg o a lo fr e a l t i m ee m e r g e n c yc o n t r o l ，t h i s d i s s e r t a t i o n p r e s e n t s s o m en e wp o i n t s ，w h i c ha r e a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y m a d v a l i d a t e df r o mt h e d i g i t a l s i m u l a t i o n s t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o n i s c o n s t i t u t e do ( 1 ) t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sa n da n a l y z e sp 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 e m e r g e n c yc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h ed e c i s i o n m a k i n gm o d e l ，a n dr e v i e w st h e o n l i n et 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 sb a s e do nt h e p h a s o r m e a s u r e m e n tu n i t s ( p m u ) t h ep o w e rs y s t e me q u i v a l e n c em e t h o d si n c l u d i n gs t a t i ca n dd y n a m i c e q u i v a l e n c e a r ea l s or e t r o s p e c t e d ( 2 ) an o v e lo n l i n ee q u i v a l e n c em e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c h ，c o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fh e a v i l ys t r e s s e d l o n g d i s t a n c e t r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n ds o m e n e t w o r k sw i t h s p e c i a li n s t a b i l i t ym o d e ，o b t a i n ss i m p l i f i e ds y s t e mt h r o u g ht h e i n f o r m a t i o na c q u i r e db yp m u si n s t a l l e do ns o n l ei m p o r t a n tn o d e sa n dt r a n s m i t t e d b yh i g h s p e e d o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nw h e nf a u l t so c c u r t h es i m u l a t i o n s d e m o n s t r a t et h a t ，p r e d i c t i n gt h ef u t u r eb e h a v i o ra n d w o r k i n g o u tt h ed e c i s i o no nt h e e q u i v a l e n ts y s t e mh a v et h ev i r t u eo fp r e d i c t i n ga c c u r a t e l ya n dc o n t r o l l i n gr e l i a b l y b yt h ew a y ，t h ep r e s e n t e dp r o j e c tn e e d sl e s sa m o u n to fi n f o r m a t i o na n di se a s yt o a c t u a l i z ea n d i n d e p e n d e n to f t h es y s t e mo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( 3 ) t h em a t h e m a t i cm o d e l so fe q u i v a l e n tp r o b l e m sa r ee s t a b l i s h e d o nt h e p o w e rs y s t e mc l a s s i c a lm o d e l h o w t oc a l c u l a t et h eg r a d so ft h eo b j e c t i v ef u n c t i o n c o n s t r a i n e db yt h ed i f f e r e n t i a l a l g e b r a i ce q u a t i o n si ss o l v e db yo p t i m a lp a r a m e t e r s e l e c t i o na l g o r i t h m i n t e r i o rp o i n ta l g o r i t h m ，ap o w e r a l g o r i t h mt os o l v en o n l i n e a r p r o g r a m m i n gp r o b l e m ，i s u s e dt ow o r ko u tt h e e q u i v a l e n tp r o b l e m s i nt h i s i l - 英文摘要 d i s s e r t a t i o n ( 4 ) t h e t 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 db a s e do nt h eo n l i n ee q u i v a l e n c ei s p r o p o s e d ，t h a ti s ，t o1 3 j nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no n t h ee q u i v a l e n t s y s t e m ，t h e n ，p r e d i c t t h ef u t u r eb e h a v i o ro ft h eo r i g i n a l s y s t e m t h ep r o p o s e dm e t h o di s v a l i d a t e do n i e e e 一3 9s y s t e ma n d c o m p a r e d w i t ht h et y p i c a la u t o r e g r e s s i v e p r e d i c t i o na l g o r i t h m ， a n dt h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a t ，t h i sp r e d i c t i o nm e t h o di so fg r e a tr e a l t i m ea n d r e l i a b i l i t y ( 5 ) t h et r a n s i e n ts t a b i l i t ye m e r g e n c yc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h eo n l i n e e q u i v a l e n c ei s a l s op r o p o s e d ，w h i c hi n c l u d e s s e a r c h i n gd e c i s i o na n du s i n ge a c l a w st oc a l c u l a t et h ea m o u n to fg e n e r a t i o n s h e d d i n g t h ep r o p o s e dm e t h o di s v a l i d a t e do ni e e e 一3 9s y s t e m ，a n dt h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h i s p r e d i c t i o n m e t h o di so f g r e a tr e a l - t i m e ，v e r a c i t ya n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s t a t i ce q u i v a l e n c e ，d y n a m i ce q u i v a l e n c e ，s t a b i l i t y p r e d i c t i o n ，e m e r g e n c yc o n t r o l ，o p t i m a lp a r a m e t e rs e l e c t i o na l g o r i t h m ，i n t e r i o r p o i n ta l g o r i t h m i i i - 第一章绪论 1 ，1 引言 第一章绪论 随着电力工业的发展，我国电力系统已逐步形成以大机组、大电网、超高 压、长距离、大区联网和交直流混合输电为特征的复杂大系统。电网五联带来 显著经济效益的同时，也对电力系统的可靠性及运行管理水平提出了更高的要 求，电力系统安全稳定性问题日益突出。同时，由于我国电力市场的启动和实 施将给系统的运行方式带来新的变化，使电力系统动态行为变得越来越复杂。 这一切必将使电力系统的安全稳定问题面临新的挑战【1 】- 【3 】。 电力系统在追求经济效益的同时，其运行的安全稳定性一直是首要问题。 大规模电力系统发生稳定性破坏事故时，可能造成连锁反应引起大面积、长时 问停电的严重后果。近年来，国内外发生了多起大停电事故。如美国西部电阚 ( w s c c ) 在1 9 9 6 年发生的两次大停电 4 1 - f 5 ；台湾省1 9 9 8 年的大停电事故， 其损失电量甚至超过了w s c c 的大停电事故【6 】；2 0 0 3 年8 月份，美国和加拿大、 英国伦敦、丹麦和瑞典、意大利等电网又相继发生大面积停电事故【7 】。值得注 意的是，这几次大停电事故均发生在发达国家或地区，它们电网的网架结构相 当强壮。上述事例表明，要使电网在受到大的扰动冲击下，不致于发生一系列 的连锁故障而崩溃，仅依靠一次系统的网络结构建设是不够的，还必须重视二 次系统的紧急控制措施，如切机、切负荷、快关汽门、电气制动、解列、低周 减载、低压减载等。这些控制措施的研制及运行费用相对于系统的网架建设是 很低的，对于保障系统的暂态稳定性却具有非常显著的作用。 2 0 0 1 年我国电力部门在已有的安全稳定导则的基础上，颁布了新的电力 系统安全稳定导则【8 】和电力系统安全稳定控制技术导则p j ，其中要求_ 次系统应配备性能完善的继电保护和适当的安全稳定控制措施，促成一个完备 的事故防御系统，其通常分为三道防线，它们是：为保障电力系统承受单一故 障扰动的第道防线，由继电保护及预防性控制措施，如发电机的功率预防控 制，发电机励磁附加控制，串并联电容补偿、h v d c 功率调制等组成；为保障 电力系统承受单一严重故障的要求，由紧急控制措施构成第二道防线，通常包 括切机、快关汽门、发电机强行励磁、电气制动、串并联电容强行补偿，h v d c 第一章绪论 功牢紧急调制和集中切负荷等措施：为保障电力系统承受多重严重故障的冲击， 应配备防止系统崩溃的紧急措施，如系统解列、频率和电压紧急控制、再同步 等构成安全稳定的第三道防线。 作为第二道防线的紧急控制是指电力系统由于扰动进入紧急状态或极端紧 急状态，为防止系统稳定遭破坏、运行参数严重超出规定范围，以及事故进一 步扩大引起大范围停电而进行的控制8 】- 。在我国一般将紧急控制的装置称为 安全自动装置或者稳定控制系统，它与正常稳定运行状态下的安全控制( 如自 动调节电压、自动调节频率和功率等) 、事故时的继电保护及事故后的恢复控制 ( 如线路重合闸、备用电源自动投入、备用设备自动起动等) 协调工作，保证 电力系统安全稳定运行【3 。 紧急控制不仅能够以较小的控制代价维持系统在严重故障后的安全稳定 性，而且还能够提高某些输电能力受到暂态稳定极限限制的输电线路的传输功 率，甚至可使输电线路的传输功率接近静态稳定极限。可见，采用紧急控制系 统要比建设新线路经济得多。因此，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。 随着我国电力市场的启动实施以及全国联网的逐步形成，系统的运行方式 将出现新的变化，安全稳定问题也将变得更加复杂，以往依赖于离线生成的决 策表方式已越来越不能适应于当前形式的发展。近几年国内外电网发生的由于 连锁故障而引起的大面积停电事故，给处于高速发展期的我国电力系统敲响了 警钟。可以预言，为了保证电力系统经济安全运行，防止发生大的灾变事故， 今后系统中必将装设越来越多的安全稳定控制系统。因此，研究新的基于在线 决策算法的紧急控制方案，在理论和实践中都具有重要的意义。 1 _ 2 暂态稳定紧急控制系统综述 目前的紧急控制系统，按装置的组成和分布范围，可将安稳装置分为就地 型和区域型【3 ，。按照紧急控制策略表的存放位置，安全自动装置又分为就地 决策方式、分散决策方式、集中决策方式。目前比较合理的方案是发展分散决 策的区域控制系统，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 了系统，再按子系统各自的结构特点，组成综合考虑稳定运行要求的区域暂态 第章绪论 稳定控制装置，由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。同时，安全稳定控制系统应遵循简单、 实用、可靠、就地和分散的原则。 紧急控制系统利用调度自动化和通讯系统，采集受控区域系统运行的信息， 确定系统运行方式，然后根据系统潮流方式、网络接线方式以及故障信息确定 控制决策。但由于电力系统是一个非常复杂的大规模非线性系统，地理分布很 广，要在短时间内从广大的地域内采集信息，计算出准确的控制决策，再将控 制信息送出并执行，是十分困难的。另一方面，紧急控制又要求控制速度非常 快，一般要求动作时间不大于o 3 o 4 秒，否则将无法维持系统稳定或需要花 费较大的控制代价。为了使紧急控制系统同时满足控制精度和控制速度的要求， 在实际工程中通常采用控制策略表来确定控制决策。 按策略表的形成方式，紧急控制系统可以分为“离线预决策，实时匹配”、 “在线预决策，实时匹配”和“实时决策，实时控制”三种方式d l 。 f 1 ) 离线预决策，实时匹配 “离线预决策，实时匹配”是目前国内外广泛采用的方案【“j ，【”l ，它将系统 刚络结构和参数的集合、系统潮流方式的集合以及预想事故的集合按照某种方 式进行组合，离线计算出各种组合方式下维持系统安全稳定的控制策略，分析 归纳出控制策略表，存放在稳定控制装置内。当事故发生时，装置按事故前的 运行方式、故障类型查找策略表内存放的控制策略，并执行这些策略。 在我国目前的调度自动化水平下，离线决策方式仍是不可缺少的控制方式。 具体的工程如，闩本东北电力公司的b s p c 系统，华北神头地区的区域性安全 稳定控制系统，东北辽西稳定控制系统，福建的w l k - 1 型微机联切控制系统 等。 这种离线形成的策略表存在着明显的缺点：策略表维数高，数据量大， 计算和修改工作量大，当系统稍为复杂时，系统的接线方式、潮流方式和可能 的故障方式的组合将达到一个很大的数值；对系统运行工况适应性差，一旦 系统条件( 如网络结构参数) 改变，就必须重新计算形成；电力系统是一个 复杂的非线性系统，在形成策略表时又不可能过于详细，实际上往往将工况分 档，只考虑典型工况。因此在实际使用时只能按照近似匹配的原则查询策略表， 第一章绪论 当系统运行工况与离线预想工况相差较大时，容易造成匹配误差大，甚至发乍 失配现象；抽取系统特征量需要运行人员的经验和大量的离线计算；稳 定判别和确定控制量时只能按偏严重的潮流方式进行，使结果偏于保守，且影 响系统的经济运行；对预料之外的工况无法适应。 ( 2 ) 在线预决策，实时匹配 “在线预决策，实时匹配”是按当前的运行方式及给定的预想事故集，假 定工况在几分钟之内不会变化，在线计算出当前运行方式下，每一个预想事故 的控制策路，形成控制策略表，刷新稳定控制装置内原先存放的策略表。当事 故发生时，装置按故障类型直接查找策略表内存放的控制策略，并执行这些策 略。这种方式是对“离线预决策，实时匹配”的一种改进，即只需考虑系统的 实际运行工况，而无需考虑其它几千种可能的运行工况。 近几年来，国电自动化研究院南瑞集团对在线准实时预决策系统做了比较 深入的研究，文献 1 3 首先提出“在线预决策”的紧急控制系统框架，随后完 成了基于e e a c 理论的“在线预决策皙态稳定紧急控制决策算法和系统1 4 】- 【2 。 它利用e e a c 法提供的受控系统的稳定裕度指标，对给定的故障集搜索系统稳 定裕度最大、控制代价最小的控制策略。 世界上第一套用于多机系统的基于详细数学模型进行在线暂稳计算的稳定 控制系统，已在日本c h u b u 电力公司投入运行 2 5 l ，该系统主站采用个协处 理器和多个运算处理器，运算处理器之间进行并行计算，采用四阶龙格库塔法 进j j ：逐步积分的方法进行详细暂态稳定计算。每5 r a i n 刷新一次决策表，将控 制措施送到控制装置，实现实时故障匹配和紧急控制。但是其仅适用于有简单 切机措施的特定系统，而且不稳定的预想事故可能漏选，当预想事故较多时难 以满足在线计算。 “在线预决策”方式需要以下几方面技术的配合：快速的故障扫描器对轻 微事故的筛选，详细模型的数值积分用于临界事故的校核，并行处理技术提高 计算速度。这种方式是近年来区域稳控系统的发展趋势和研究热点【2 6 1 一 ”i 。 但是山于其要求快速、准确、可靠地确定整个受控系统的网络结构和运行方式， 而反映系统运行方式的运行变量成千上万，它们的测量误差和传送丢失都有可 能造成所确定的系统运行方式与实际系统运行方式失配。因此在e m s 系统没 笫一章绪论 有根本性的改善之前，“在线预决策”也难以投入实际运行。 ( 3 ) 实时决策，实时控制 该方案是最为理想的一种决策方式，它根据检测到的故障信息，按当时接 线方式和潮流方式，超实时计算并实施控制，完全避免了运行工况和故障的失 配问题。但是相应的技术难度也最大，因为执行控制措施的有效时间很短。它 要求准确采集电网全局的实时信息，高速的通信技术进行数据传输，能够对受 扰系统做出快速正确的预测和控制的良好算法。 随着计算机技术、测量技术、通讯技术的发展，近年来国内外提出了不少 实时分析、实时决策、实时控制算法。文献 2 8 1 采用相量测量技术来跟踪事故 后系统的状态，并修改继保的定值实现自适应保护，该工程应用于佛罗里达与 佐治亚州的5 0 0 k v 联络线上，主要是由于这两个地区之间的区域问振荡特征可 以等值为两机模型。同时文献 2 9 1 基于此工程提出了在没有先验系统降阶模型 时，用外推法( 文中的c e i 法) 来预测系统的稳定趋势，并指出当在线的降阶 模型规模较大，难以实时计算时，可用离线训练的决策树( 3 0 】。f 3 ”等模式识别 3 2 j 方法得到系统的未来动态行为。它的仿真实验表明，两机等值系统更适合在线 实时计算。文献【3 3 】提出了一种基于p m u 利用e e a c 进行在线暂态稳定预测和 分析的实时控制方案，但是其做为c c 识别的复合判据的整定值难以准确整定， 且利用最小二乘法对只一j 曲线预测的可靠度不高，如采用广义预测控制理论 对控制量进行优化，就难以满足时问上的要求。 实时决策、实时控制方式要求能够自适应电网的变化，根据当时网络拓扑 及工况，识别故障、超实时计算、决定控制量，实施控制，目前还没有具有较 强鲁棒性的实时算法，可以同时考虑实时条件下的运行工况和实时识别故障。 尽管如此，随着现代g p s 技术、通信技术、d s p 技术、智能技术以及计算机网 络技术的发展，实时决策控制的紧急控制方案实现的可能性逐步加大。如能在 线实时快速等值外部系统，在有限的时间内算出控制策略并加以实施，这种方 案就可得以实现。本文的主要工作就是基于在线等值提出了种新的实时决策 算法。 第一章鳍论 1 3 在线暂态稳定控制的预测方法 1 3 1 基于g p s 的同步相量测量单元( p m u ) 全球同步卫星定位系统( g p s ) 【3 4 埽0 用分布在全球6 个轨道面的2 4 颗卫星进 行高精度定位和定时，它的民用准确度可达到0 + 5 , u s ，每秒发出一个5 0 纳秒 上升沿的数字信号p p s ，利用该高精度的信号作为同步时钟构成的测量单元既 可以对发电机转子角等机械量进行测量 ” _ 3 ”，也可以构成相量测量单元 ( p m u ) ，对母线电压等电气量进行测量 3 8 - 4 4 j 。该项技术的意义在于能将分布 在广大地域内的信息统一在同一个时钟坐标下，便于比较和分析。对于暂态稳 定而言，功角是反映电力系统稳定与否最直接的状态量，采用g p s 信号便可以 方便地测量电力系统各种状态量和电气量，对电力系统的稳定性进行监控。目 前已有多套p m u 在国外和我国的电网上运行【4 5 j _ 【4 ”。 1 3 _ 2 基于p m u 的在线暂态稳定预测 同步相量测量技术为实现在线暂态稳定分析、实施暂态稳定预测和控制提 供了新的手段，本章第二节中介绍的几种实时决策紧急控制方法就采用了p m u 来传输实时状态量和电气量，并根据观察窗的数据预测未来功角摇摆变化情况。 f 面简要分类介绍基于p m u 的暂态稳定预测算法【48 j ：角度外推预测法，基于 同调等值的预测，基于能量函数的预测，基于详细模型的预测和智能预测法等。 角度外推预测法在实测功角曲线的基础上利用自回归( a r ) 、多项式或频 角关系等预测相对角度的轨迹，然后以角度大于某一限制值或依据预测模型的 稳定性判断系统的稳定性。文献【4 9 】利用p m u 实时测量各发电机的转子角度、 采用自嘲归( a r ) 算法直接估计各发电机转子角度的变化以及预测系统的稳定 性，根据各发电机的转子角度和角速度把系统分成两群机组，并估计此等值两 机系统的参数，然后用等面积定则决定切机量，再将等值机的切机量转换为实 际的切机量加以实施。文献 5 0 】利用时间序列二阶自回归( a r 一2 ) 模型预测角度 曲线，然后根据保持预测模型稳定的参数特点判断系统的稳定性。文献 5 1 采 用多项式逼近的方法快速预测发电机功角未来的摇摆情况，然后通过多项式是 否存在极值来判断发电机是否失步。文献 5 2 1 根掘研究对象相对角度为近似衰 减的正弦信号的特点，利用插值多项式方法构造发电机相对相角预测算法，其 第一章绪论 数据叮以预测未来2 0 0 m s 的轨迹，但临界角度差由仿真法离线决定。文献 5 3 】 构造发电机和参考点之间的相对角度和角速度的复合外推关系式，根据发电机 的动态方程估计切机量，以控制转予角度小于给定值。文献 5 4 应用d 一一，滤 波器对电力系统实时相角测量中的参考相角进行预测，以便能就地产生一个超 前的参考相角用于就地控制。 基于同调等值的预测，首先把实际电网的机组分成同调群，然后预测同调 群的稳定性。如果把系统机组最终等值成两机系统，则可以依据等面积定则快 速选择控制策略。文献【2 9 】利用p m u 采集故障后各发电机功角曲线，并划分同 调组，从而使系统等价成2 4 台机，该方法可以预测系统未来o 5 秒内的系统 动态轨迹。该方法因涉及摇摆曲线的分组和系统等值计算，只适用于规模较小 的系统，对于规模较大的系统，则必须降阶近似处理才能进行在线分析，或采 用模式识别等方法进行离线分析。此外为自适应失步保护2 8 】，f 5 5 1 提供出仁动作启 动条件的稳定预测方法也是首先将系统等值为双机系统，然后用等面积法则判 别系统的稳定性。 基于能量函数的预测，以能量函数为基础判断系统的稳定性，由于能量函数 的计算速度不能满足在线要求，有些文献因此提出利用能量函数离线确定系统 运行状态的稳定区域，然后在线比较。文献( 5 6 俐用故障期间发电机转子角速 度的增量和预测功角曲线来在线识别临界机组，为单机能量函数法提供分析的 参考依据。但是该方法的很多临界值都是用离线仿真计算出来的，对于个大 的系统来说，离线计算量大，且对系统工况改变的适应性差。文献 4 3 1 基于部 分能量函数法离线计算出发电机组相对于系统惯性中心的临界转速，然后利用 p m u 在线监视各发电机的转速，一旦发现机组的相对转速超过临界值，则进行 切机控制。各发电机的临界转速由能量函数理论通过离线仿真求得，且与运行 方式和故障情况等有关，因此很难适应不同的系统运行方式和故障。文中只是 研究特定电厂是否应该采取控制措施，没有研究如何选择控制量。文献 5 7 提 出了采用“当前”统计模型的自适应跟踪算法作为事故后发电机功角预测算法， 运用基于稳定域边界的主导不稳定平衡点方法计算临界能量及稳定裕度，以便 判别失稳与否。 基于详细模型的预测方法直接利用电力系统的详细模型，通过逐步积分法 预测系统的运动轨迹。由于逐步积分法的计算时1 日j 长，所以必须适当简化电力 第一章绪论 系统的模型，以提高计算速度。比较有代表性的是文献 5 8 提出的分段恒流等 效方法( p ie c e w i s ec o n s t a n t c u r r e n tl o a de q u i v a l e n t ，p c c i ，e ) 。它利用实测 的电压向量作为输入，用解耦潮流算法求解等效负荷电流，通过数值积分法预 测系统的运动轨迹，并以发电机功角j 、发电机角速度变化a c o 、负荷母线电压 幅值【，和负荷母线电压相角口构成的4 维安全稳定空间作为稳定判据。 人工智能的方法，尤其是近年来神经网络和模糊系统的结合，使之既能分 类、拟合复杂的函数关系又能处理不确定的信息，可望在暂态稳定性预测与控 制中获得成功的应用垆9 】。文献【6 0 】提出了一种模糊神经网络来实时预测系统的 暂态稳定性，对新英格兰l o 机系统的训练和测试样本有较高精度。但它采用 p m u 在故障切除后8 个周波内的测量结果作为输入，神经网络的输入数为发 电机数的6 倍，当系统规模较大时，训练过程将非常困难。为克服文献【6 0 的 缺点，文献【5 9 提出了一种新的基于模糊分类的径向基网络模型及算法，先利 用无导师学习按照样本的特性，对输入样本进行模糊分类，然后对各类样本分 别训练径向基网络，既保证了精度又提高了训练速度。文献 3 l 】采用决策树法， 通过对不同运行方式和不同故障的上万次仿真计算，仅使用机组的内电势作为 输入，针对不同训练机集组合构造多个决策树。 1 4 电力系统等值方法综述 随着电网规模的不断扩大，大区域互联电网的形成，电力工程人员在进行 电| = c 司离线稳定分析计算时，为了减少内存和加快计算速度，常常对研究区域外 的网络做等值处理，以后的计算都在等值网络上进行。在在线分析应用中，由 于外部网络的实时信息一股不传送到调度中心，如基于e m s 的电力系统在线 分析和控制，由于不可能在一个控制中心内获得互联系统的完整而准确的实时 信息，不得不把系统中某些不可观测部分，作为外部等值来处理。但实际卜i ， 外部系统的运行情况对内部系统的分析有重要影响。因此，需要认真地对外部 系统进行等值，以计及外部系统对内部系统中扰动的影响。对外部网络进行等 值可分为静态等值和动态等值。静态等值只涉及稳态潮流，不涉及暂态过程； 而动态等值通常对外部系统进行降阶和简化处理，保证外部系统对研究系统的 动态影响不畸变【6 ”。下面的内容将分别对静态等值和动态等值做简要综述。 第一章绪论 1 4 1 静态等值 外部等值常将原网络节点集划分为内部系统节点集i 、边界系统节点集b 和外部系统节点集e 。外部网络静态等值给定的条件包括全网络拓扑结构和元 件参数以及内部系统和边界系统的实时潮流解。需要求解的是外部系统的等值 网络和等值边界注入电流，使等值后在电力系统内部网络中进行的各种分析与 未等值时在真实系统中所做的分析结果相同，或者十分接近。这里说的分析是 指对内部网络中的各种扰动所进行的稳态分析。因此电力系统外部网络的静态 等值过程实质上也是网络简化过程嘲。常用的方法有w a r d 等值法和r e i 等值 法，这两种方法都是以线性网络化简为基础的。但是电力系统是一种非线性网 络，因此，其结果就不可避免地带来误差。 w a r d 等值法 w a r d 等值法作为一种重要的静态等值法，已经在电力系统中得到了广泛的 应用，通常有三种方法：常规w a r d 法【6 3 1 一【“，解耦w a r d 法，扩展w a r d 法【6 3 】。 r e i 等值法 r e l 等值的全称为辐射状等值独立电源法。其思想是把外部网络中的节点 注入电流( 功率) 加以归并，移到外部的一个或少数几个节点上，原来的外部 网络就变成了无源网络，然后再对外部的无源网络进行等值。在应用中，为了 形成r e i 网络，通常把一组节点划分在一起，并且要许多这样的节点组。如何 归并这些节点，对于精确性很重要，通常将性质相同者归入一组，如p v 节点 归入组，p q 节点归入另一组；或者按地理位置的远近进行归并。 其它等值法 文献 6 6 1 以w a r d p v 等值法为基础，结合模糊数学理论应用灵敏度分析法， 提出了一种新的静态等值方法。其优点是在外部系统中保留了一部分节点作为 缓冲节点，缓冲节点的选取以灵敏度分析为基础，按模糊数学理论处理电力系 统静态等值问题。文献【6 7 利用两种等值参数法来研究电压稳定型问题，这两 种方法分别是戴维南网络等效理论 6 8 】和两点潮流计算法。 1 4 2 动态等值 在分析大型复杂电力系统的暂态过程时，用简化模型来代替实际系统完全 第章绪论 模型进行研究，一般情况下是合理的。简化系统的根本任务就是找出简化的系 统模型，使这些数学方程式的解同完整的电力系统模型方程式的相应解一致。 电力系统动态等值，就是为解决电力系统计算中的简化闽题而提出的，主要使 用在以下三种场合【6 l 】- 【6 9 1 ： ( 1 ) 大规模电力系统的离线暂态( 大扰动) 稳定分析。由于现代电力系统 机组过多，调节系统复杂，数学模型的阶数很高，因此，即使是离线仿真事故， 计算过程也是很繁重的。在此情况下，要求研究系统应在同一扰动下，等值前 后有接近的转子摇摆曲线。 ( 2 ) 大规模电力系统的离线动态( 小扰动) 稳定分析。其特点是系统结构 及参数已知，在小扰动下系统可用线性化的微分方程描述，对动态等值的要求 是研究系统在等值前后有接近的模式及模态分布。 ( 3 ) 大规模电力系统的在线动态安全分析。其特点是系统工况多变，结构 多变，但有大量实测量( 如节点电压，线路功率等) 可利用，要求快速( 实时 或准实时) 对外部系统进行辨识等值，以便对研究系统作动态安全分析，并应 保证研究系统在等值前后有接近的动态安全分析结果。 与这3 种状态相适应，实用的动态等值方法也可分为3 大类。 同调等值法，它主要适合大扰动下的暂态稳定分析。 同调的等值法分为5 个步骤：划分研究系统( 区域) 和外部系统( 区域) ， 等值过程中保留研究区域不变，仅对外部区域作等值简化；判断外部区域中 的同调发电机群( 设研究区域中发生大扰动) ；对同调发电机母线作合并化简； 网络化简；同调发电机作动态聚合，得聚合后等值机的参数。 文献【7 0 给出了美国电科院动态等值程序对纽约电力系统大规模仿真的结 果，文中对e p r l 的动态等值程序也作了回顾。文献【7 1 介绍了慢同调的概念， 并提 j 了分群的算法，这种方法等值的区域和故障的地点没有依赖性。文献 7 2 1 提出了一种新的获得降阶电力系统的聚合算法，该算法不消去任何连接在发电 机母线上的线路。文中分别介绍了惯性聚合法( i n e r t i a la g g r e g a t i o na l g o r i t h m ) 和慢同凋聚合法，并给出了如何选择最优聚合方法。文献 7 3 1 介绍了用系数矩 阵保持一致的方法来聚合发电机参数，即用一个目标系数矩阵来等值各个元件 的参数。文献 7 4 1 给出一种相关机群详细模型参数集合的新算法，它以最小二 第一章绪论 乘法曲线拟合为基础，采用奈奎斯特和尼科尔斯两种形式的目标函数，应用模 矢搜索法获得一组拟合效果最优的等值发电机组详细模型参数。文献【7 5 】对韩 国电力系统在p s s e 上开发的动态等值程序做了介绍，其主要思想基于同调法。 文献【7 6 对目前等值三步骤( 同调辨识，发电机聚合，网络化简) 所常用的算 法考虑i 个标准：不同的运方，重要断面的潮流限制，对故障地点的敏感度， 并作了评估。 基于线性化系统状态方程的模式等值法，它主要适应小扰动下的动态 稳定分析。 所谓模式等值法，是基于外部系统线性化模型和特征值性质进行降阶的等 值简化方法，它主要适用于小扰动稳定性分析，有时也可用于大扰动分析。模 式等值法早在6 0 年代后期就开始被研究，但是由于它需要用等值模型的状态矩 阵，即将系统用线性化状态方程描述，从而要修改稳定仿真程序，所以没有得 到广泛的使用。 其辛要原理是将外部系统线性化，求状态矩阵的特征值，保留对研究系统 影响较大的特征值( 衰减缓慢的低频模式) ，略去快速衰减和高频的特征值，则 可形成低阶的外部等值系统。其缺点是当外部系统很大时，求特征根会有“维 数灾”问题。此外，在用于暂态稳定分析时，则要对常规程序作修改。 基于系统动念响应( 或量测量) 来估计和辨识外部系统及其等值参数 的方法，它主要适应在线动态安全分析。 以上的同调等值法和模式等值法均用于离线分析。而在在线动态安全分析 中，常需要对外部系统作在线的动态等值，而由于系统的结构、运行工况多变， 一般不可能离线先作等值，然后在线调用。 在线用的估计等值法可分为两大类： 系统响应，由此估计外部系统的等值参数； 号，记录系统响应，经过滤波及信息处理， 类用认为的确定性扰动信号，记录 另一类是利用随机或伪随机扰动信 获得等值系统的参数估计。 文献【7 7 】提出了一种不同于传统的基于同调的动态等值法，它不需要外部 系统的发电机的实测量，只需要外部系统的无源网络模型、发电机的惯性常数 和边界母线的实测量，可将外部系统等值为单机系统。因此，该法很适合在线 使用。文献【7 8 分析了在线参数可辨识性的条件，用进化策略辨识方法进行在 第一章绪论 线辨识等值模型参数，并开发出柏应的测量装置。文献 7 9 提出了基于联络线 动态潮流的动态等值法，它无须同调识别，其思想可用于在线等值研究。 1 5 本文研究内容及章节安排 电网的不断扩大和电力市场的出现使得电力系统的运行环境更加复杂，与 此同时，对电网的安全稳定运行的要求也越来越高。国内外电力系统稳定破坏 事故统计表明暂态稳定破坏的事故率居于首位。如何提高和确保电力系统的暂 态稳定性可以从规划、设计、运行管理等多个方面进行考虑，然而电力系统运 行过程中出现的偶然事故很可能会破坏系统的暂态稳定，针对这些事故需要采 取紧急控制措施防止系统稳定性被破坏。尽管我国在稳定控制系统领域已经有 了相当多的研究成果，积累了丰富的运行经验，但是还存在不足： f 1 ) _ 丁程中的“离线计算、实时匹配”方式计算量大，对运行方式和网络 结构变化适应能力差，很容易出现失配情况，且采取的措施往往都是按照最严 重的故障考虑，影响电网的经济运行。 ( 2 ) 目前的研究热点“在线预决策、实时匹配”需要采集的信息量大，测 量误差和传送丢失都有可能造成所确定的系统运行方式与实际系统运行方式失 配，从而造成预决策失误。但是专门为稳控系统建设可靠的实时数据采集系统， 所需的投资太大。 ( 3 ) “实时决策、实时控制”是最理想的稳定控制手段，目前针对复杂电 网还没有具有较强鲁棒性的实时算法。而远距离大容量输电线路给系统稳定运 行可能造成的威胁已经被广泛认识，这类系统的稳定性有其特殊性，如何开发 出超实时的算法解决这类系统的暂态稳定性问题值得研究。 本文针对以上问题，并结合远距离输电电网的特点，对实时决策算法做了 理论分析和仿真验证，主要内容有： ( 1 ) 针对远距离大容量输电电网以及具有特定失稳模式的电网，提出了一 种新的在线等值方法，它通过p m u 和光纤通信技术采集和传输某些关键节点 故障前、故障期间和故障后的电气量和状态量并对原系统进行静念等值和动态 等值，在等值系统上进行暂态稳定预测和紧急控制，具有预测准确，控制可靠 的优点。而且本方法信息采集量少，适应电网运行方式变化能力强。 第一章绪论 ( 2 ) 建立了经典模型下静态等值问题和动态等值问题的数学模型，应用最 优参数选取算法【8 0 一阁解决含有微分代数方程组约束的动态等值优化问题的目 标函数梯度计算，并结合内点法提出了静态等值和动态等值数学模型的解法。 ( 3 ) 提出了基于在线等值算法的暂态稳定预测方法，即在等值系统上进行 数值仿真计算，并在i e e e 一3 9 系统上进行仿真验证，同典型的自回归预测算法 进行了比较，证明了该算法的可靠性和实时性。 ( 4 ) 提出了基于在线等值算法的实时紧急控制方法，即在等值系统上进行 策略搜索和使用等面积法则计算切机量，通过在i e e e 一3 9 系统上的仿真验证， 证明了其可靠性和实时性。 本文的章节安排如下：第一章介绍和分析目前国内外的暂态稳定紧急控制 系统，并综述了在线暂态稳定控制的预测方法和电力系统等值方法；第二章以 远距离大容量输电电网的特点展开，提出了在线动态等值思想，并具体的用数 学语言描述；简述了目前解决非线性规划问题最可靠的原对偶内点算法；提出 了应用最优参数选取算法解决在线动态等值问题的方法，并结合内点法详述其 过程：第三章提出了基于在线等值的暂态稳定预测方法，并在i e e e 3 9 系统上 进行了仿真试验，同典型的自回归预测算法进行了比较，证明其可靠性和实时 性；第四章提出了基于在线等值算法的紧急控制方法，并在i e e e 3 9 系统上进 行了仿真验证。第五章总结全文。 第二章在线等值的数学模型及求解 第二章在线等值的数学模型及求解 本章首先对在线等值的思想在原理上进行了阐述，并介绍了如何在电网中 实旌在线等值。本章的主体部分是对在线等值进行数学建模，并利用最优参数 算法结合内点法求解这一问题。 2 1 原理论述 理论一l 讲，单机无穷大系统是最理想的电网结构。如果单机发生事故切机 不会对系统构成影响，而且便于采取提高系统稳定的措施f ”。然而由于种种原 因，这种系统是无法实现的，例如，考虑能源分布、环保或者经济性的原因， 电源中心和负荷中心往往会相距很远，必须采用超高压远距离输电。二滩水电 站就是一个很好的例子，它的发电容量占川渝电网负荷总量的近四分之一，如 果二滩发生事故，由于电网结构本身的缺陷，单靠合理安排运行方式显然无法 保证系统稳定睁6 j 。因此对于这类远距离大容量输电系统必须安装合适的安全稳 定控制装置，来确保整个系统的稳定性。 电力系统威胁安全的最大问题是稳定性问题，稳定性破坏事故大部分是暂 态稳定性丧失。功角j 直接反映电网机组问的相位角，是系统稳定运行的最直 接判据，跟踪预测系统故障后万角的动态变化，可以快速准确地判断系统的稳 定性，并实施相应的紧急控制措施。根据电力系统实际情况分析，当远距离大 容量输电线路发生故障后，从机组间相对功角摆开的现象出发，失稳均为加速 失步，必将形成两个同调机组群，一为低惯性，另一为高惯性机组群；称加速 的机组群为临