（电力系统及其自动化专业论文）稳控系统策略表生成及装置测试平台.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t oa s s u r et h e p o w e rs y s t e mt o r u n s t a b l ya n ds e c u r e l y i sa v e r yi m p o r t a n t p r o b l e mt op e o p l en o w a d a y s ，t h ec o n t r o lt op r e v e n tt h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo fp o w e r s y s t e mf r o mb e i n gd e s t r u c t e d i ss t i l lav e r y e x i g e n tt a s k a tp r e s e n t ，p r e d i g e s t e d c r i t e r i o n s ，o rl o c a ls t a b i l i z a t i o nc o n t r o l sw i t ht h ec u r et a b l ea c c o u n t e do f f i i n e ，a r e a p p l i e dt os t a b i l i t yc o n t r o lf a c i l i t y s ot h ec u r et a b l es t i l lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i n p o w e rs y s t e ms t a b i l i t yc o n t r 0 1 u n d e rt h e a n a l y s i s a n dr e s e a r c ho fc u r et a b l e sb e f o r e ，w es u m m a r i z et h e c o m m o n n e s so ft h ec o m p o n e n t so ft h ec u r et a b l e t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dan e w m e t h o dt oc r e a t ec u r et a b l e t h er e a l i z a t i o no ft h ep r o g r a mb a s i c a l l ys o l v e st h e p r o b l e m so fa p p l i c a b i l i t y , m o d i f i a b i l i t yt h a te x i s ti nc u r e t a b l ec r e a t em e t h o da n dt h e s h o r t so fs t a b i l i t y , e x p a n s i b i l i t ye x i s ti nt h ep r o g r a m i ti sa d a p tt ot h ed i f f e r e n tn e e d s o fd i 仃e r e n tp r o j e c t s a tt h es a m et i m e t h ea r t i c l eb r i n g st h et e s tf l a tf o r w a r d 。w h i c h s e t t l e st h ef u s s yc h e c kp r o c e s so f s t a b i l i t yc o n t r o if a c i l i t ya n dr e a l i z ee x a m i n i n gc u r e t a b l ea u t o m a t i c a l l y , q u i c k l ya n dc o r r e c t l y ， k e y w o r d ：s t a b i l i t yc o n t r o l ，c u r et a b l e ，t e s tf l a t 浙江大学硕士学位论文 绪论 课题的意义 现代电力系统由于机组容量大、输电电压高、分布地域广、构成元件多和响 应速度快，因而运行特性复杂，控制管理困难，一个严重扰动可能波及整个系统 并导致严重后果，因此保证电力系统的安全稳定运行是一个极端重要也是一个极 端困难的问题。近年来国内外电力系统曾经发生过多次严重的导致大面积和长时 间停电的事故，从而保证电力系统安全稳定的问题也受到极大的重视。 现在，对于存在稳定问题的系统，一般都安装了安全稳定控制装置来保证系 统的稳定运行。对于结构简单的电力系统，使用较简单的控制系统，如就地控制 系统或者仅使用少量远方信息的控制系统，根据事故前运行方式及故障方式进行 预定的控制，控制方式和作用量由离线计算确定。对于复杂电力系统，配置离线 决策稳定控制系统或者在线准实时决策稳定控制系统。前者的控制对策是由离线 计算确定的。根据运行规划部门设定的各种接线方式f ( i = 1 , 2 ，) ，考虑各种 负荷潮流x ，( ，= 1 , 2 ，m ) ，假定各种可能的故障k ( k = 1 , 2 ，”) ，通过大量的 离线计算求出各种情况下的对策，制定成策略表驴- ，p ( z 叼。将策略表存于控 制装景的计算机中。当系统发生故障时，由计算机自动查询各种条件，并在策略 表中找到相应的控制策略u = f ( x ，f ，吒) ，实施控制作用。因此离线策略表的 编制和输入在整个稳定控制系统中占有相当重要的地位。 现有的离线策略表输入软件及装置软件和具体的工程相关紧密，一般对于 个有不同要求的工程都要重新设计策略表的格式，编写相应的软件。因此软件在 策略输入的方便性、通用性、可修改性和软件的稳定性、扩展性和维护性方面存 在诸多的问题，不能很好地适合不同工程的不同要求。另外由于需要经常重新设 计软件，由此带来软件本身存在较多的问题，无法得到成熟。 此外，对稳定控制装置的测试是装置研究和开发过程中的重要工作。这种测 试工作一般都要在专门的试验室里进行，试验使用的设备一般很昂贵、笨重，同 时还需要投入大量的人力进行这种试验。为了减少这种装置动模试验的成本，本 文提出了一种安全稳定控制装置测试平台，力图在一台p c 机上完成这种试验的 功能，或者开发一种测试装置，使用p c 机带动测试装置，对稳控装置进行自动 全面的测试。 论文的主要工作 本文主要完成了以下工作： 1 总结各类策略表的共同特点，首次提出了一种新的离线策略表输入软件 并完成了软件的编写工作。现已作为整套安全稳定控制装置的一部分通 过鉴定并投入了使用。 、 浙江大学硕士学位论文 2 提出了安全稳定控制装置的p c 机测试平台的想法，以实现对安全稳定 控制装置进行自动快速的测试。 浙江大学硕士学位论文 第一章电力系统安全稳定控制概况 保证电力系统的安全稳定运行是当前人们极为重视的问题。提高电力系统安 全稳定的措施主要有两方面：( 1 ) 加强建设和合理安排电网结构；( 2 ) 采用较完善 的安全稳定控制措施。前者投资一般很大，但能可靠地在各种条件下提高安全性： 后者所需资金较少，但可信赖程度稍差。普遍认为电力系统正常运行及常见的扰 动情况应由电网结构保证安全稳定。而对于一些较严重和出现概率较低的扰动， 采用控制措施是合理的。下面从对电力系统在各种扰动下的安全要求出发，提出 安全稳定控制装置的构成和配置原则，以及稳定控制系统的决策方式和策略表的 现状及以后的发展。 1 1安全稳定控制的概念 1 1 1电力系统在扰动下的安全要求概述 电力系统的扰动可分为小扰动和大扰动两类。小扰动指系统中负荷和发电机 及其调节系统的经常变化，要求电力系统有足够的阻尼力矩，使在这种小扰动下 彳i 致发生自发振荡。大扰动指系统中因故障短路或操作等引起的功率或电刚结构 变化，一般按其严重性及出现概率分为三类：第1 类，单一故障( 出现概率较高 的故障) ：第1 i 类，单一严重故障( 出现概率较低的故障) ：第1 i i 类，多重严晕故 障( 出现概率很低的故障) 。针对不同的扰动情况对系统提出不同的安全要求。 a ) 正常运行安全要求 电力系统正常运行时，应具有足够的供电充裕度和必要的运行安全裕度。此 外，还应具有必要的系统阻尼水平，不致因小扰动或调节装置的作用而出现自发 振荡。 b ) 承受第1 类大扰动时的安全要求 电力系统承受第1 类大扰动时，应能保持稳定运行和正常供电，即电力系统 能保持在安全状态或警戒状态，不致进入紧急状态。 c 1 承受第1 i 类大扰动时的安全要求 电力系统承受第1 i 类大扰动时，应能保持稳定运行，参数不会偏离允许范围， 但允许损失部分负荷，即电力系统可能进入紧急状态，但可通过适当的控制使其 恢复正常运行。 d ) 承受第1 i i 类大扰动时的安全要求 电力系统承受第1 i i 类大扰动时，如不能保持稳定运行，则必须防止系统崩溃， 并尽量减少负荷损失，即系统可能进入特急状态，但应采取必要的措施，防止造 成大面积停电。 e ) 在某些特殊运行方式下的安全要求 如电力系统由于某种原因初始状态处于不安全状态，即警戒状态( 如事故后 尚未及时调整，或某种特殊情况下要求强行多送电，例如水电站弃水) ，在承受 上述各类扰动时，允许按规定适当降低要求的安全水平。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 电力系统安全稳定控制的类型、作用及其目标 电力系统安全稳定控制主要有以下两类： 预防控制( p r e v e n t i v ec o n t r 0 1 ) 电力系统正常运行时由于某种原因( 运行方 式恶化或扰动) 处于警戒状态，为提高运行安全裕度，使电力系统恢复至安全状 态而进行的控制。 紧急控带u ( e m e r g e n c y c o n t r o l l 电力系统由于扰动进入紧急状态或特急状 态，为防止系统稳定破坏、防止运行参数严重超出允许范围，以及防止事故进一 步扩大造成严重停电而进行的控制。 如图1 1 所示，预防控制主要是改变系统的运行点，使处于警戒域的运行点 移至安全域。紧急控制是改变系统的稳定边界，使故障后的运行点仍处于稳定状 态。因而两类控制的特性和工作模式有很大差别。前者一般是经常处于丁作状态 的连续t 作方式，后者是在事故扰动下才启动工作的断续工作方式。 运行点、 控制- - 球 、 星皇鲨”rt 警戒域7 lt 稳定域边界 j 运行点、故障 、 半t + 、 、v - - - - - 一 控制、 原堡塞堕丝墨7 新稳壅璺望墨 a ) 预防控制b ) 紧急控制 图1 1两类安全稳定控制 系统运行状况扰动类型及后果抗扰动对策 状况转换转换条件i 类i i 类i i i 类防线措施 r 菇h 安全 普通较，重严重复 故障融障杂故障 多多w # 4 拄= 自、 也力i 5 施 多 j慢q 缈 发电机及电网 冈紧晋d i 而宵保护厦f 6 i 土：j 阱挖制装倒 防l 稳定破上f = - 及参数越限的 一一面丽页畛 嚼急稳定控制 装置 简_ 防止事故连 、t b2 锁扩大造成 余 大停电的控 制驻簧 ，鸯 崩溃 i 整t# 性e 系统解列系统完整 - _ _ - 扰动引起的状态变化 e = = = = 令控制引起的状态变化 图1 2安全稳定控制的作用和目标 8 浙江大学硕士学位论文 1 1 3电力系统预防控制 实现预防控制通常采用以下方法： f 1 1 监视运行参数并与目标值进行比较，如果不一致则进行必要的控制以消 除这种差别。 ( 2 ) 按假设故障仿真进行监视。如果仿真结果出现稳定问题或者参数严重越 限，则进行相应的控制以消除不安全因素。 1 1 4 电力系统紧急控制 紧急控制按目标可分为两类：一类是防止稳定破坏的稳定性控制；另一类是 防止系统参数严重偏离允许值的校正性控制。后者包括限制频率异常、限制电压 异常、限制设备过负荷和制止系统失步状态等。 控制目标与使用的控制手段如图1 3 所示。 控制目标控制手段 图l3 控制目标与使用的措施 实现紧急控制通常采用以下方法： ( 1 ) 按扰动特性及严重性实施控制。这种方法是在故障前通过汁算分析，确 定各种故障扰动时可能出现的问题和所需的控制作用及控制量，例如是否会出现 稳定破坏问题，运行参数是否会超出允许范围等，针对这些问题，确定需要采用 的控制措施。当控制系统在运行中检测到某种扰动，即可根据预先确定的控制内 容进行控制。 计算分析确定控制量的方法有两种： a ) 离线计算。考虑可能出现的运行方式，假设各种故障扰动进行计算分析， 将分析结果编制成控制逻辑或策略表，存储于控制装置中，以便扰动发生时 调用。 浙江大学硕士学位论文 b ) 在线故障前( 准实时) 计算。根据在线运行方式，假定各种故障扰动周期 性f 例如几分钟) 进行计算分析，将分析结果存储于控制装置中并周期性更新。 当扰动发生时，即可调用扰动前的计算结果。 这种按扰动情况的控制能够在扰动发生时立即实施，动作快，效果好。稳定 性控制一般采用这种方式。控制原理为人们所熟悉，得到了广泛应用。但装置和 计算分析较复杂，对系统发展变化的适应性较差。 ( 2 1 按扰动后系统参数变化特性进行控制。这种方式是根据系统扰动后的功 角、电压、电流和频率等参数的实时值及其变化率进行控制。控制数据由预先的 计算确定。校正性控制一般采用这种方式。这种控制与扰动的原因无关，因而有 较好的适应性。特别是作为第三道防线的紧急控制，由于对复杂故障的具体形态 很难事先预料，因而也很难按扰动情况进行控制，只能按扰动后参数变化特征进 行控制。这种控制的动作时间一般较慢，对于变化极快的暂态过程有时不能达到 所需的效果。 上述两类方法各有特点，一般可根据具体的系统条件和扰动情况选定。也可 以两类控制同时应用，例如将按扰动控制作为主要控制措施，将按参数变化控制 作为备用控制措施。 1 2 安全稳定控制装置的基本构成 1 2 1 概述 各类紧急控制系统，不论复杂的还是简单的，一般都可以分为以下三个部分： 1 ) 起动装置检测电力系统中出现的事故扰动情况； 2 ) 控制作用确定装置( 测量装置) 自动确定控制作用方式和控制量的 大小； 3 ) 执行装置实施控制作用。 这三个部分可以是分别独立的装置，也可能是组合在一起的，这个紧急控制 装置的各个部分可以装设在一个厂站，也可能分散在不同厂站，采用远方传送信 息的装置进行联系。一个典型的稳定控制装置的功能框图如图1 4 所示。 浙江大学顿士学位论文 电力系统 测量、检定 实时参数 判别 事故 扰动 起 动 装 置 测量、检定 原始参数 确定控制 作用 记忆控制 作用 数据 采集 装置 作用 确定 装置 控制 量记 忆装 置 图14稳控装置功能框图 实时参数 和原始参数 执行 控制 作用 霄 图中起动装置检测实时参数并判明事故扰动。控制作用自动确定装置根据事 故前参数和可能出现的各种扰动方式确定相应的控制方式和控制量，如果有必 要，这些控制作用可以在控制量自动记忆装置中记忆下来。当起动装置动作时， 从控制量记忆装置中选择相适应的控制作用，通过执行装置实现这些控制作用。 在执行装置中也可以实现对事故前或者实时参数的检测。 1 2 2 起动装置 起动装置反应于以下的扰动： ( 1 ) 检定事故扰动发生 ( 2 ) 检定短路故障的严重程度 ( 3 ) 检定频率异常情况 ( 4 ) 检定电压异常情况 ( 5 ) 检定线路断路器断开 ( 6 ) 检定系统振荡 1 2 3 控制作用确定装置 控制作用确定装置是紧急控制装置的核心部分。不同的紧急控制，其确定控 制方式和控制量的方法也各有特点。 ( 1 ) 对于不同的紧急控制，可以适当规定其选择控制作用的顺序。 ( 2 ) 各种控制方式的控制量可以分成阶梯式的若干级，根据系统扰动的彳i 同 情况，选用适当的控制级别。 ( 3 ) 控制作用通常只实施一次，手动复归，并准备下一次动作。 ( 4 ) 规定时间内出现同一性质不同等级的控制作用命令，执行最大等级者。 ( 5 ) 选择控制措施时除了考虑其积极作用外，还应考虑附加费用损失；g l ；f c 良 后果。 ( 6 ) 按顺序实施控制作用，并保留一定的后备。 浙江大学硕士学位论文 1 2 4 执行装置 除去快速保护和故障重合闸，电力系统广泛使用的紧急控制作用方式有：汽 轮机短暂或者持续减功率；切除发电机；切除负荷；发电机励磁系统强励、强减 和附加稳定控制；无功补偿控制；动态电阻制动：直流输电调制；解列系统：备 用设备或电源自动投入。 目前最常用的控制措施是切机和切负荷两种。 送端切机：网络如图1 5 ( a ) 所示。正常时间系统送电只。并带有本地负荷只。 当一回线故障切除后，送端切除机组巴：以提高稳定性。设故障前、故障时、故 障后和切机后的电功率特性曲线分别为厶、e ，、e 。和只。，故障发生、故障切除 和切机时的角度分别为8 0 、j ，和矿。由图i 5 ( b ) 可知系统稳定条件为 面帆亿4 5 l 面积4 5 6 7 5 + 面帆4 8 9 。8 如果不采取切机措施，则减速面积为a 。，稳定条件恶劣得多。 一 一 p 上p j c o i - 纠，、心、 只+ 只： 忪 十心弋卜： 只。 ” 只瓤 r 2 彳气p 。l尸1p 图1 5故障切除线路送端切机稳定效果 ( a ) 网络接线( b ) 功角特性 受端切负荷：网络如图1 6 ( a ) 所示。正常时地区发电容量只，从主系统受电 p r 0 ，运行点为1 。一回线无故障切除后，当地机组因大量过负荷可能减速失步， 故采取切负荷措施以提高稳定性。设初始状态、线路切除后和切负荷后的电功率 特性分别为只。、匕和只。，切线路和切负荷时的角度分别为瓯和占，。这种情况下 的失稳模式是减速失步，由图1 6 ( b ) 可知稳定条件为 减n n 积, a 1 2 f ) i ( g c ，作为一个最小单位进行封装存储，而升i 是以一个变量或者一个定值。 ( 2 ) 封装后的逻辑表达式的左子树紧跟在父节点之后，右子树紧跟在左子树 浙江大学硕士学位论文 之后，因此可以省略存放左子树位置的域，只有存放右子树位置的域来存放右子 树的偏移量。 采用这种方式存储表达式二叉树，如图3 8 ( b ) 所示。总共所需空间为：逻辑 或和逻辑与节点共4 字节，每个变量、定值、立即数和比较运算符各占2 字节， 子表达式节点8 * 2 + 6 = 2 2 字节，共计2 6 字节，比常规存储方式节约5 0 以上。如 果表达式中加号越多则节约的空间也就越大。具体的封装见后。 由此可见，采用改进的二叉树存储方法存放策略元素的逻辑表达式，可以极 大地减少在装置中所占用的存储空间，较好地解决了由于采用逻辑表达式这一形 式所带来的装置存储空间不足的问题，也缩短了整个策略表从p c 机下传到装置 和从装置返送回p c 机时所需的传输时间，有利于以后的在线修改策略表。 图3 8 ( a )常规表达式树结构 图3 8 ( b )改进表达式树结构 浙江大学硕士学位论文 和逻辑表达式的解析及封装相关的主要是三个类，分别是c e x p r t r e e 、c e v a r 和c e f i x e d ，其中c e v a r 和c e f i x e d 完成逻辑表达式的变量字符串和定值字符串 的处理，c e x p r t r e e 使用c e v a r 和c e f i x e d 完成整个逻辑表达式的解析、表达式 树的生成和表达式树的封装。 三个类的定义及其实现如下： b o o l i n t 元件名称 s i g m a 标志 m b s i g m a = t r u e ：s i g m a 数量 m _ b s i g m a = f a l s e ：单元号 i n t m _ n t y p e ： 数值类型 b o o lp a r s e ( s t r i n gs t r ) ：解析逻辑表达式中的变量字符串元件信息 b o o lk i l l s i g m a ( v e c t o r s t r t b l ) ：去掉元件信息中的s i g m a 标记 b o o lp a c k ( u n s i g n e dc h a r & b 1 u n s i g n e dc h a r & b 2 ) ：n 装变量= 逻辑表达式的变量字符串定义为“元件名：s i g m a ：数量：类型”，用：间隔 变量各个域。 成员函数p a r s e 0 分析传入的字符串，将变量字符串的各个域分离并填充变 量类c e v a r 对应的各个成员变量。 成员函数k i l l s i g m a 0 被c e x p r t r e e 的成员函数k i l l s i g m a 0 调用，用来消 去元件信息中的s i g m a 标记。该函数调用c o m b i n e 0 ，列举n 个元素中任取m 个 的所有组合( 即数学中的组合问题c ：) 。 成员函数p a c k 0 实现变量的封装，一个字节存放变量的类型，另一个字节 存放变量的内容，即交流元件号，装置计算表达式值时，根据这两个信息到固定 的存储单元中获取变量的数值。 c l a s sc e f i x e d ( s t r i n gm s t r s t a t i o n n m ：厂站名称 s t r i n g ms t r f n m ：定值名称 i n t m _ n t y p e ： 定值类型 b o o lp a r s e ( s t r i n gs t r ) ： 解析逻辑表达式中的定值字符串定值信息 b o o lp a c k ( u n s i g n e dc h a r & b l ，u n s i g n e dc h a r & b 2 ) ：封装定值 ： 逻辑表达式的定值字符串定义为“变量名称：类型”，用：间隔定值各个 域。 成员函数p a r s e0 分析传入的字符串，将定值字符串的各个域分离并填充定 值类c e f i x e d 对应的各个成员变量。 成员函数p a c k 0 实现定值的封装，一个字节的高四位存放变量的类型，低 四位和另一个字节合并存放定值的内容，即该变量在这种类型变量中的序号( 可 能大于2 5 5 ) ，计算时到相应的存储单元中获取定值的数值。 浙江大学硕士学位论文 c e x p r t r e e 及其相关类、结构的定义 s t r u c tb y t e p a i r ( 封装后两个字节存放一个单位的信息 u n s i g n e dc h a rb l ： u n s i g n e dc h a rb 2 ： f ： s t r u c tt n o d e ( 逻辑表达式树节点 i n tt y p e ：节点类型 i n tv a l ：节点的值 t n o d e* l e f t ：左子节点 t n o d e* r i g h t ：右子节点 j ： t y p e d e fv e c t o r ( s t r i n g v a r t b l ：变量表 t y p e d e fv e c t o r f i x e d t b l ：定值表 t y p e d e fv e c t o r t n o d e t b l ： 节点表 t y p e d e fv e c t o r e x p r p a c k e d ：封装后的表达式 t y p e d e fv e c t o r b y t e p a i r t b l ： c l a s sc e x p r t r e e v a r t b lmt b l v a r ：变量表 f i x e d t b l m _ t b l f i x e d ：定值表 b y t e p a i r t b lm _ t b l v a r b p ：变量节点表 b y t e p a i r t b lm _ t b l f i x e d b p ：定值节点表 t n o d e t b lm t b l t n o d e ：节点表 t n o d e * m t r e e ：表达式树的根结点 e x p r p a c k e dm _ e x p r p a c k e d ： 封装后的逻辑表达式树 b o o ll e x p a r s e ( c o n s ts t r i n i g e x p r i n ) ： 词法分析，分解逻辑表达式 t n o d e * s y n t a x p a r s e ( i n tb e g i n ，i n te n d ) ：语法分析，生成表达式树 i n tr e a l p a c k e x p r ( t n o d e * r o o t ) ：封装表达式树，递归算法 i n tp a c k e x p r0 ： 调用r e a l p a c k e x p r 封装表达式树 调用c e v a r k i l l s i g m a 去掉变景 的s i g m a 标记 b o o lk i l i s i g m a ( t n o d e * r o o t ，i n tp r i ，s t r t b l & s t r t b l ) ： b o o lp a c k v a r f i x e d0 ：封装变量和定值 b o o lp a r s e ( c o n s ts t r i n g e x p r ) ： 解析表达式，生成树并完成封裴 ) ： - 3 7 浙江大学硕士学位论文 a )函数c o m b i n e ( v e c t o r t o c o m b ，i n tm ，v e c t o r & c o m b ) 函数的功能是列举n 个元素中任取m 个的所有组合( 即数学中的组合问题 c ? ) 。其原理是通过递归调用，使用公式c ：= c 二+ c 。逐渐降低组合的维数， 直到最后待组合的元素个数n 小于等于一个组合内的元素个数m ，完成所有的列 举停止。函数流程图如图3 9 所示。 输入参数t o c o m b 为待组合元素集合，m 为组合元素个数，输出参数c o m b 为组合结果的集合。内部变量n 为待组合的元素个数，i 、i 为循环变量，s z 为 集合e o m b s u b 内元素的个数，t o c o m b s u b 为待组合元素集合