（电机与电器专业论文）基于在线准实时决策的区域稳定控制系统中子站装置模块的开发.pdf

a b s t r a c t t h ea b i l i t yo fp o w e rn e t w o r km a i n t a i n i n gi t sp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yi s r e s t r i c t e db yp o w e rn e t w o r ks t r u c t u r e ，l i n ea n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ，g e n e r a t o rd r i v ed e v i c e c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l a yp r o t e c t i o nm e c h a n i s m t h er e s e a r c ho fp o w e rs y s t e mc o n t r o l p o l i c ya n dt h e o r yi nd i f f e r e n ts t a t ei sa l w a y sc a r e db yr e s e a r c h e r sa n dd e v e l o p e r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e mt ol a r g ec a p a b i l i t y , s u p e r h i g hv o l t a g e ，l o n g d i s t a n c ea n dn e t w o r k i n gb e t w e e na r e a s ，t h ep r o b l e mo ft h es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m b e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l e x s os e r i a lv a r i a t i o n a lm e a s u r e so np o w e rs y s t e m s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yc o n t r o la r en e e d e di nt h e o r ya n dp r a c t i c e o n - l i n ep r e - r e a l t i m e d e c i s i o n m a k i n gi sg r e a t l yp o t e n t i a lt or e s o l v ep o w e rn e t w o r k ss t a b i l i t yc o n t r o la n dh a s b e e nak e yp r o b l e mt a c k l e db yn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e r sa n dd e v e l o p e r s t h ef o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e nd o n ea b o u tp o w e rs y s t e ms t a b i l i t yc o n t r o li nt h i s t h e s i s ： 1 ) i nt h e o r y , t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h er u n n i n gc o n d i t i o na n dt h ea c t u a l i t yo f s t a b i l i t yc o n t r o lo fp o w e rs y s t e mi nc h i n a a f t e rac a r e f u ld i s c u s s i o no fs e v e r a l t y p i c a le q u i p m e n t sa n dd e c i s i o n - m a k i n g ，t h ep a p e ra n a l y s e sad e s i g no fr e g i o n a l s t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mb a s e do n l i n ep r e r e a l t i m ed e c i s i o n m a k i n g ，a n dt e s t si t s r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y t h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft h i sp r o j e c ti sp r o v e d i t a l s o a n a l y s e s t h e p o t e n t i a lp r o b l e m s i nt h ef u t u r e p r o j e c ta n dg i v e st h e c o u n t e r m e a sl l r e s 2 ) t h er e a l i z a t i o n o fp o w e r s y s t e ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t yc o n t r o li sm a i n l y d e v e l o p i n gn e w s t y l es t a b i l i t y c o n t r o l e q u i p m e n t t h e d e s i g n o f s u b c o n t r o l s t a t i o ni sm o d u l a r i z a t i o n t h em 1 6 cm i c r o p r o c e s s o ri st h ep r o c e s s o r t h es u b c o n t r o l s t a t i o nc o n t a i n sm o d u l e so fc o m m u n i c a t i o n ，g e n e r a t o r , l i n e ， s w i t c hs i g n a li n p u t ，s w i t c hs i g n a lo u t p u t ，m a s t e ra n dd e c i s i o n ，e t c ，t h em o d u l e s c o m m u n i c a t ev i ad o u b l ec a n t h ea t t t h o rt a k e sc h a r g eo fr & do fg e n e r a t o ra n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s 3 ) t h ec o n t e n to fg e n e r a t o rm o d u l ed e s i g ni n c l u d e st h ed e s i g nf a c t o r , d e s i g no u t l i n e ， s o f t w a r ed e s i g na n de x p e r i m e n t a t i o n t h eg e n e r a t o rm o d u l em u s tc o m p l e t et h e a n a l o gs i g n a l sc a l c u l a t i n g ，a n dm a k ea no r d e rf o rs h u t t i n go f fc o n n e c t e d g e n e r a t o r si nt h ec o n d i t i o no fg e n e r a t o r ss e t t i n g s ，c o n c a t e n a t e dl o g i c sa n ds w i t c h s i g n a li n p u t ，t h e nc o m m u n i c a t ew i t ht h ed e c i s i o nm o d u l e 4 ) t h ef u n c t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l et r a n s m i t sa n dt r a n s f o r m ss i g n a l s b e t w e e nt h ed i f f e r e n ts u b s t a t i o n so rp l a n t s ，a n dk e e p ss i g n a l s c h a n n e lu n b l o c k e d i nt h i sm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns t a t i o n so r p l a n t s i sa c h i e v e db y i i p r o t e c t i n gt h ef i b e rc h a n n e ls y n c h r o n o u s l ya n dt r a n s f o r m i n gs i g n a l sb e t w e e no n t h ef i b e ra n do nc a nb u s b a s e do nm l6 cm i c r o c o m p u t e r i naw o r d ，t h i st h e s i sn o to n l ye x p o u n d st h ew h o l es t r u c t u r eo fs t a b i l i t yc o n t r o lo f p o w e rs y s t e mb a s e do nt h et h e o r yo fc o n t r o ld e c i s i o n s ，b u ta l s od e s i g n ss o f t w a r ea n d h a r d w a r eo fs u b c o n t r 0 1 s t a t i o n w h i c hf i r ed i f f e r e n tf r o mo t h e r s t h e r ea r es e v e r a l a d v a n t a g e sa si i s t e db e l o w ： 11d i s t r i b u t e dh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e f u n c t i o nm o d u l a r i z a t i o n r e a l i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o d u l e sb yh i g h s p e e dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ( c a n ) ( i n t e r c o n n e c t i n g2 5 6m o d u l e so r m a i n f r a m e s ) f l e x i b l e c o n v e n i e n t r e l i a b l ee x p a n s i b i l i t yo fh a r d w a r ea n dd e c r e a s i n g s y s t e mr i s k a n yb r o k e nc e l 】o n l ya f f e c t s1 0 c a lc e l l 2 ) s e p a r a t e d r e a l t i m ei n f o m q a t i o nn e t w o r k ( c o n t r o l n e t w o r k s ) a n dm a n a g e m e n t n e t w o r k s ( s u p e r v i s en e t w o r k s ) k e y w o r d s p o w e rs y s t e m r e g i o n a ls t a b i l i t y c o n t r o l ： o n l i n e p r e r e a l t i m e d e c i s i o n m a k i n g ：s u b c o n t r o l s t a t i o n ：g e n e r a t o rm o d u l e ；c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ； c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) ；m 1 6 c i i i 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 电力系统安全稳定控制是指电力系统在紧急状态下保持系统稳定、防止事故连 锁扩大以免造成大范围停电的控制措旌。 随着电力系统的不断扩大和发展，大型、特大型水电站与大型坑口电厂的建设 投产，远距离超高压输电及交直流混合输电，大区域电网互联，使电网的安全稳定 问题更加突出。另外，由于电力市场的启动和实旋，系统的运行方式和运行工况将 出现一些新的变化，使得安全问题变得更为复杂化。在现代电网中，“单机- 无穷大” 和“就地稳定控制”再【乜难以适应整个电网系统结构的变化，不能从整个电网运行 的角度选取最优控制策略。区域稳定控制系统因能很好的解决现代电网安全稳定问 题而受到重视，随着大电网、大机组的陆续投运，安全稳定控制系统由单一的分散 就地控制方式向多功能的区域型分布式控制方式发展己成为必然 j 。 区域稳定控制解决的是一个区域内的稳定问题，需要根据电网当时的运行方式、 故障元件及故障类型作出决策，因此需要多个站协调配合，站间要实现数据传输及 命令传送。 控制策略是区域稳定控制系统的基本依据，其形成方案有3 种，即离线决策、 在线准实时决策和在线实时决策。 离线决策存在计算量大、对电网变化适应性差、对预料之外的工况无法适应等 缺点，无法适应今后电网发展的需要；而当前的计算手段、决策方法、通讯模式等 各方面尚不能在结构复杂的电力系统达到及时、准确、可靠地进行在线实时控制的 要求，因此，在线实时决策在复杂电网内应用前景不好，最多只能适用于某些简单、 控制速度要求不高的电网；在线准实时决策以其对电网发展变化的强适应性、实时 匹配误差小、不需要离线计算分析、动作速度快等优点，具有良好的应用前景，是 今后发展的方向。 因此，论文详细对比分析了稳定系统控制策略，提出了基于在线准实时决策的 区域稳定控制系统，阐述了区域稳定控制系统子站装置各模块结构，并具体介绍了 发电机和通信模块的研制丌发。 1 2 国内外对安全稳定问题认识的发展过程 在国外大型电力系统的发展过程中，对安全稳定问题的认识是经过了大量实践 而逐步加深的，有许多问题甚至是经过惨痛教训才引起人们的足够重视的【4 j 。特别 是2 0 世纪六、七十年代以来，国际上出现过多次大面积停电 事故。1 9 7 7 年7 月1 3 日，美国纽约市的电力系统，由于雷击、保护装置不正确动 作、调度中心掌握实时信息不足，以及通信困难等原因，造成事故的连锁发展和扩 大，致使全系统瓦解，延续2 5 小时，影响9 0 0 万居民，造成经济损失3 5 0 0 0 万美元。 1 9 7 8 年，法国电力系统由于输电线路过负荷，无功不足，导致电压崩溃，发生切除 3 0 0 0 万k w 负荷( 其中7 0 为法国电力系统负荷) 长达8 5 小时的事故。1 9 8 1 年，墨 西哥电力系统中，由于在一个火电厂和另一个水电厂同时发生事故，导致墨西哥城 及该国中部和南部停电，时间长达3 小时。1 9 9 6 年7 月2 日和8 月1 0 日，美国西 部电网的大停电更是令人心有余悸。 我国在电力系统发展过程中，由于网络结构薄弱，联系松散，系统无功功率不 足，电压水平低，以及没有足够的储备等原因，在1 9 7 0 1 9 8 0 年中，全国共发生电 力系统稳定破坏2 1 0 次，平均每年达1 9 次之多。经过电力系统的改造，加强电力系 统的运行管理和调度，发挥快速继电保护装置的作用，有效地运用各种安全自动装 簧( 如新型低频减载装置、振荡解列、远方跳闸、切机控制装置、快速励磁等) ，从 而提高了电力系统稳定的水平，使电力系统的稳定破坏事故大大减少。1 9 8 1 1 9 8 8 年全国电力系统中稳定性破坏事故下降到年平均6 5 次，1 9 8 9 1 9 9 5 年的年平均 4 1 4 次，大面积停电事故也大幅度减少2 。 自八十年代初我国颁布实施了电力系统安全稳定导则以来，许多安全稳定 措施在电力系统中投入了实际应用，使电网的安全稳定运行水平得到了很大改善， 但与先进国家相比仍有不少差距，系统的稳定问题仍然是我国今后电力工业发展中 需要重点研究的突出问题。由于目前我国输电系统的建设落后于电源建设，高低压 电磁环网结构较多，且某些电网间联系较薄弱，因而容易发生暂态稳定性破坏事故。 而且在一些电网中，由于受到暂态稳定性要求的制约，输电线路的传输容量受到限 制，使电厂出现窝电问题。目前我国电网正向着大规模互联直至形成全国统一大电 网的方向发展，对安全稳定问题及其控制技术的研究也就变得更加迫切川f 2 ) f 4 2 脚) 。 1 3 我国电力系统稳定问题的主要分类 1 3 1 长距离重负荷输电的稳定性问题 由于全国的能源分布不均匀，邻近负荷中心的能源现已开发比较充分，潜力有限 因而不可避免的需从很远距离取得能源川吐如表1 1 3 4 】p 卅。 表1 1 部分地区的发电中心和负荷中心 发电中心负荷中心输送容m w输送距离k m 线路电压k v 四川二滩水电站四j i l 、重庆 3 3 0 0约6 5 05 0 0 山西阳城火电站江苏 2 1 0 0 3 3 0 0 7 0 0 以上 5 0 0 黑龙江伊敏火电站哈尔滨 1 0 0 0 2 2 0 0 7 0 0 以上 5 0 0 l 内蒙古托克托火电站北京、天津1 2 0 0 3 6 0 0约4 0 0 一5 0 05 0 0 由于长距离重负荷输电，导致这类输电系统联系阻抗过大，同步力矩不足静态稳 定储备低，故障时容易暂态失稳。 1 3 2 长距离弱联系串联网及环网和电磁环网 我国的不少电网，特别是高一缎电压出现初期，电网尚未完全形成的过渡期，往往 以单回主干线形成氏距离弱联系串联网或环网，有的系统是形成两级电压的电磁环网 1 8 1 2 2 胁】。 1 ) 互联电网，西起贵州贵阳变电站，经过广西天生桥、平果、来宾、梧州，东至广 东罗洞变电站，全长1 2 4 0 k m ，长期只有一条5 0 0 k v 线路连接。 2 ) 西部元宝山电厂长期只有一条5 0 0 k v 出线与主系统联系，与元宝山经朝阳、 锦州至主系统的2 2 0 k v 线路形成电磁环网。辽宁南部的鞍山水丰、丹东、大连、营 口，曾长期为8 6 7 k m 的弱联系大环网，鞍山至大连，5 0 0 k v 线路建成后，又长期形 成5 0 0 2 2 0 k v 电磁环网。 3 ) 东北仑港电厂2 6 0 0 m w 机组投产时，相邻的兰亭瓶窑只有一条5 0 0 k v 线路 与2 2 0 k v 线路构成电磁环网。目前华东还有多条 0 9 2 2 0 k v 电磁环网方式。 这类线路的突出问题是系统某些主要线路故障切除后，由于负荷转移导致残存线路 稳定破坏或过负荷而连锁相继跳闸扩大事故。并且，这些系统往往阻尼力矩不足，容易 发生低频振荡。 1 3 3 弱电源受端系统 有些受电系统，本地电源较弱，能提供的容量小，受电容量较大，系统严重扰 动时，容易出现电压和频率不稳定2 删。 1 ) 福建华能福州电厂2 3 5 0 m w 机组投产时，单机容量达到系统负荷的2 5 - - 3 5 。2 2 0 k v 的输r 仁! _ 网是约8 0 0 k m 的薄弱大环网。发电机跳闸极易形成频率和 电压崩溃事故。 2 ) 川西攀枝花地区与主网通过2 2 0 k v 单回线联络，本地电源薄弱且有攀钢轧 钢的巨大冲击负荷( 高达8 0 一i o o m w ) ，联络线功率波动大，极易破坏稳定。 3 ) 北京二热和八早庄地区通过双凹2 2 0 k v 线路和1 l o k v 线路从主网受电，1 9 9 6 年1 月1 9 日2 2 0 k v 双网线意外断丌时，大量负荷转移使1 l o k v 线路故障断 ， 造成地区电压及频率崩溃，影响北京城区局部供电。 受电系统的i 乜压稳定问题，已成为人们关注的焦点，也是今后我国r 乜力系统要 严加注意重点解决的问题。 从l 面所述，可以看出我田的电力系统稳定情况不容乐观，还存在不少问题， 特别是在严重的故障情况下防止大面积停电的问题等，缺乏足够的有效措施。严重 停电或局部电网瓦解事故仍偶有发生。目前我国电网正向大机组、大系统、超高压 远距离输l 乜、跨区域互联的方向发展，要求电力系统的安全稳定控制在理沦和实现 卜采取一系列变革性的措施。 1 4 稳定基本概念及现有控制策略与手段 1 4 1 电力系统的正常运行 电力系统正常运行必须满足两个条件，即：i ) 系统中任一节点有功功率和无功 功率应平衡：2 ) 系统中各节点或各元件的某些电气参数( 如节点电压、线路电流、 发电机负荷和功角等) 不应超过允许偏差。数学上则表现为等式约束和不等式约束。 1 ) 等约束条件 表示电力系统发出的总的有功和无功功率应随时与电力系统t r 随机变化的总的 有功和无功负荷相等。这是电力系统正常运行的必要条件，可表示如式1 1 和1 _ 2 ： 繇，一觋一冰2 0 ( 式1 1 ) 1 5 ，一盈一蚜2 0 ( 式1 2 ) 式中尼、蜴发电机或其它电源设备发出的有功和无功功率； 圪、纽电力系统中各种有功和无功负荷； 只、q 电力系统巾各种有功和无功功率的损耗。 2 ) 不等式约束条件 表示在系统正常运行条件下涉及系统安全运行的某些参数( 如母线电压、线路 潮流等) ，应处于系统或设备安全运行的允许范围之内。可表示如式1 1 3 式1 6 ： q 。i 。us u 。 ( 式1 3 ) 尼。尼，弓m a 。 ( 式1 4 ) q q ，q ( 式1 5 ) s o 。i 。s s 。 ( 式16 ) 式中v 。i n 、v 。母线电压及其| 二下限值： 尼。、圪，、尼。发电机有功出力及其上下限值； q 州。q ，、q ，。发电机无功功率及其上下限值； m m 、s 、品。线路i j 的功率潮流及其上下限值。 实际电力系统运行中，“i 于e 述各种运行条件的变化，使得电力系统处于各种 不同的运行状态3 i i 4 1 ( 见表1 2 ) 。 表1 2 电力系统各种运行状态 运行状态 f 常状态警戒状态 紧急状态恢复状态 1 ) 约束条件还能i ) 不等式约束1 ) 仍接在系统 1 ) 满足约束满足：2 ) 安全储条件不能满足；t f 的设备，等式 条件：2 ) 有备大大减少，抗2 ) 电压、频率约束满足；2 ) 足够的储干扰能力减弱；下降：3 ) 线路 部分用户停电， l n 力系统 备，能承受3 ) 在干扰和负荷或变压器断开部分发电机或 特征 正常于扰；增氏时，不等式和过负荷；4 )线路断丌；3 ) 3 ) 实现经济约束可能越限， 如不采取控制系统可能被分 运行。安命运行受到威措施，系统将失解成几个孤立 胁。稳。部分。 1 4 2 电力系统稳定性的基本概念 电力系统稳定性问题最早可追溯到2 0 世纪初。当同步发电机由单机运行发展到 与其它发电机并列运行后，就出现了电力系统稳定性问题。自那以后，人们从电力 系统的实际出发，对电力系统静态和暂态稳定性已经做了非常详细和完整的研究， 这些研究对电力系统的安全稳定运行做出了很大贡献。而现代数学、控制理论、计 算机等先进科学和技术的发展，又为电力系统稳定性的研究提供了理论依据和实践 手段。 电力系统中各同步发电机只有在同步运行状态下，其送出的电功率为定值，同 时在电力系统中各节点的电压及支路的功率潮流也都是定值，这时电力系统处于稳 定运行状态。反之，如果电力系统中各发电机间不能保持同步，则发电机送出的电 功率和全系统各节点的电压及支路的功率将发生很大幅度的波动。如果不能使电力 系统中各发电机问恢复同步运行，电力系统将持续地处于失步状态，电力系统失去 稳定的状态。 电力系统的稳定问题按系统承受干扰的大小分为静态和暂态稳定两大类。小干 扰一般指正常的负荷波动；大干扰则指电力系统元件中的短路故障或突然断开等。 1 9 8 1 年水利电力部制订的电力系统安全稳定导则中对电力系统稳定作了如下定 义刚： 1 ) 电力系统静态稳定是指电力系统受n 4 , 干扰后，不发生非周期性的失步， 自动恢复到起始运行状态的能力。 2 ) 电力系统暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运 行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行方式的能力。通常指第一或第二振 荡周期不失步。 3 ) 电力系统动态稳定是指电力系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡 而失步。 在电力系统的稳定性研究中，除了维持发电机间的同步运行的稳定性外，还包 括电力系统无功功率不足引起的电压稳定性和故障期间因电力系统有功功率不足引 起的频率稳定性问题。 1 4 3 稳定性问题的控制簧略 要对电力系统实施稳定控制，必须首先建立一套电力系统动态分析和自动控制 的数学方法。但是，由于电力系统元件多，特性复杂，时间常数差异很大，而且经 常需要考虑非线性特性，在不同条件下考虑这种复杂系统的控制问题时，往往需要 采用不同的数学模型和分析方法，从而实施不同的控制策略。 电力系统稳定控制的关键环节包括状态采集、运行模式识别、控制决策和控制 实施。其中状态采集和运行模式识别( 包括动态、暂态稳定裕度分析和故障类型判 断) 是就地实时进行的，控制策略的确定则有离线决策和在线准实时决策和在线实 时决策三种方式】【1 2 】【2 0 】【2 7 】【2 8 】。 按照分布性，可以将稳定控制系统分为就地型和区域型。就地型稳定控制装置 独立安装于各厂站，处理当地母线、出线及主设备故障时出现的稳定问题。而区域 型稳定控制可以通过系统中不同点间运行信息和控制命令的互传，根据区域电网的 运行方式和故障情况在不同的地点采取相应的控制措施。 从控制策略看，在线准实时决策具有对电网发展变化适应性强、实时匹配误差小、 无须离线计算分析和动作速度快等优点，捎i 有良好的应用前景，是今后发展的方向， 而对于非线性、跨地区、复杂而庞大的电力系统来说，采用区域稳定控制已成为电 力系统控制发展的趋势。 1 5 我国电力系统稳定控制装置的开发情况 较先进的稳定控制系统的开发始于2 0 世纪7 0 年代术，西安交通大学电力系的 冯载生教授等为刘家峡开发了具有预测功能的由集成电路实现的z z y i 、i i 型稳定 控制系统。8 0 年代中期电力自动化研究院的孙光辉高工等开始研制基于微机的稳定 控制系统。由于微机能灵活实现各种较复杂的控制功能，而硬件价格又迅速降低， 因而以后一些单位所开发的产品都是用微机实现的7 1 1 2 6 】【2 9 1 1 3 3 l 。 早期的稳定控制系统一般是针对具体系统进行开发的，产品不定型，丌发周期 长，有的长达1 2 年，不能适应工期的要求。往往是在电力系统投入运行后，遇到 稳定问题才。进行设备研制和安装投运的。这种情况下，在资金筹措和安装调试方面， 都曾给运行部门造成很大困难。现在产品在定型化、模块化方面取得很大的进展， 产品生产周期最快已缩短到2 3 个月。 本文就介绍了一种基于模块化设计思想，可移植性强、配置灵活的新颖的稳定 控制子站装置。 第二章基于在线准实时决策的区域稳定控制系统 电力系统是复杂的非线性动态系统。正常运行时，系统的有功功率和无功功率 处于平衡状态，频率、电压和通过设备的潮流处于允许范围内，各发电机组同步稳 定运转：当系统经历如负荷变化、设备故障产生的扰动后，将经历一个动态过程恢 复到初始状态或过渡到新的运行状态。当扰动严重到一定程度时，系统将过渡到紧 急状态有功、无功不平衡，频率、电压、潮流超出允许范围，从而面临稳定危 机和停电危机。 随着电力系统的规模韵扩大，长距离输电、超高压输电线路愈来愈多，一些大 电源远离负荷区，且负荷区分布相对集中，这对电力系统的稳定运行极为不利。 电力系统稳定性的改善可以通过加强网络结构实现，但由此追加大量的投资在 一些情况下是不现实的；而另一种行之有效且投资较小的重要手段是通过紧急控制 措施改善系统的稳定性【4 2 l 【4 3 l 。 2 1 提高电网稳定的控制措施 提高电网稳定性的紧急控制措施大致可分为两类：一类是通过继电保护，振荡 解列等设备实现迅速消除故障、防止事故扩大紧急控制措施，如快速切除故障元件， 自动重合闸和系统可控解列等：另一类是以消除不平衡功率为目的的紧急措施，最 常见的有： 1 ) 快关i7 l 门( f a s tv a l v i n g ) ：在电力系统的送端通过快速关闭发电厂气轮机气 缸的调节阀门，从而达到迅速减少发电机不平衡加速功率的目的，俄罗斯电网常采 用此类措施。 2 ) 电气制动( d y n a m i cb r a k i n g ) ：在送端加速发电机的机端投入一制动电阻， 吸收一部分加速功率，目前世界上最大的电气制动接在美国的c h i e fj o s e p h 电站， 功率为1 4 0 0 m w 。 3 ) 切机( g e n e r a t o rt r i p p i n g ) ：在功率不平衡很大而又缺乏电气制动和快关措 施时，果断的切机措施是必要的。切机措施必须及时，如果等监测到发电机失步才 切机，则对系统的暂态稳定作用很小。由于水轮机起停方便、代价小，是首选的切 方案，由于汽轮机起停时间较长，会带来1 定的发电损失，而且启动费用较大，因 此，北美和欧洲常采川汽轮机旁路阀门实现切机，以保证稳定后能够迅速使发i b 机 并网带负荷。 4 ) 切负荷( l o a ds h e d d i n g ) ：在电力系统的受端采用切除一定量的不重要的负 荷可以减小送端发电机的转子摆开角同时也可以防止切除主力电厂后系统发生频率 崩溃。 随着计算机技术的不断发展，8 0 年代后期，我国陆续开发了以微机为基础、用 于紧急控制的稳定控制装置，采用的控制手段包括：切机、切负荷、切电抗器、快 控气门、投制动电阻、解列等。1 9 9 5 年以前的系统多为单个厂站的控制模式，1 9 9 5 年以后，控制系统发展为多个厂站的区域稳定控制模式。 国内拥有已投运产品的开发单位有：四方公司、华北电力大学研究生部、清华 大学电机系、华北电力科学研究院、电力系统自动化研究院系统所( 南瑞集团所属) 、 电力自动化研究院深圳所，南京电力自动化设备总厂、电力科学研究院、许昌继电 器研究所、湖南省调、西安交通大学。 目前已经投运的稳定控制装置，多为简单的分布式区域稳定控制系统，各站之 问属于并列关系，没有典型的主站设备，采用离线对策表的控制策略进行控制，应 用情况良好。 2 2 稳定控制系统基本模式 目前电网中正在服役的稳定控制系统可以分为两大类：一类是就地型，主要包 括：厂站的连锁切机装置，低频低压减载装置；另一大类是区域型，按照决策方式 可分为分散决策方式与集中决策方式。 综合国内外的发展状况，目前电力系统的安全稳定控制技术发展主要围绕以下 三个方面进行： 1 ) 由分散漫置的单个控制或局部控制系统发展成能考虑一个区域或全系统情况 的控制系统； 2 ) 由功能较简单的，主要是逻辑电路构成的控制装置发展成为功能完善的、具 有准确预测功能的，由微机和通信技术实现的控制系统； 3 ) g p s 技术支持的相量测量单元p m u ( p h a s em e a s u r eu n i t ) 设备等新技术手段 应于稳控系统，使其功能更加强大、完善。 2 3 国内外典型的区域稳定控制装置 2 3 1 日本的t s g 系统 t s c ( t r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n t r 0 1 ) 系统1 9 9 5 年在日本c e p c o 所脂电网投运，全称 为暂态稳定控制系统，该系统最大配置可达1 个主站，2 0 个变电站，1 0 0 个子电厂。 该系统为目前所知的在线准实时决策最成功的应用实例。主站设备采用2 套设备。 系统主站采用一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行逐步积分的方法进行详细暂态稳定计算。整个系统采用了 适合于电力系统稳定计算专用的并行计算机软件与硬件1 0 】【1 3 】。该系统快速实时，设 备投资很大，但是具体的设备投资不详。该系统的结构图如图2 1 ： 状态和模拟量 稳定状态 总监视器 能量管理 系统 数据获取 稳定状态计算 发电机切机选取 路继电器j 总线继电器 故障监测器 信息读取 t s c pt s c c ( 中心站)( 变电站) 图2 ，lt s c 系统结构图 基本性能指标如表2 1 表2 1t s c 系统基本性能指标 自动防 护故障 控制信号 t s c t ( 发电所) 发电机 开关 发电机数：1 0 0 ( 最大) 能量等级 线路：同本c e p c 0 所属电网5 0 0 k v 、2 7 5 k v 和部分1 5 4 k v 线路 t s c p ( 中心站) ：1 ；t s c _ c ( 变电站) ：2 0 ：t s c t ( 子电厂) ：1 0 0 ( 最 t s c 单元数 大) 事故处理数【0 0 ( 最大) 传输线路：光纤网络结构一卜p h a s e2 l 6 ，2 - p h a s e3 l g ，3 - p h a s e 3 l g ，3 - p h a s e4 l g ( 报错持续时间：5 0 m s ) 电网状况 环网结构一3 一p h a s e6 l g ( 报错持续时间：5 0 m s ) 母线：3 - p h a s e3 l g ( 报错持续时间：5 0 m s ) 电网：导纳矩阵，正序或零序n 型等效电路 详细稳定 发电机：场模式，具有饱和特性 激发器：电源子系统详细模式一( a v r ：8t y p e s ：p s s ：3t y p e s ) 计算 凋速器：水电、火电、核电厂的典型模式( 3 t y p e s ) 负 荷：具有额定阻抗、额定电流、额定功率特性 积分方法：四阶龙格库塔法 积分间隔：l o m s 仿真时间：5 s ( 最大l o s ) t s c p 计算周期大约5 m i n ( 有效) 控制完成时间大约1 5 0 m s ( 包括事故查错、数据信号传输和跳闸时间的总和) 该系统中t s c 主站部分的主要流程如图2 , 2 图2 2t s cl ：站部分的主要流程 该系统中t s c 主站部分的耗时统计如表2 2 ： 表2 2t s c 。e 站部分的耗时统计 处理耗时备注 状态评定( 包括在线数据选择和电刚模式建立) 1r a i n8s c c 筛网1 9s e c5 7 个节点 3 0 个详细稳定计 详细的稳定计算和卸载选中的发电机 3 m i n l 5s c c 算，氧 其他( 包括传送结果给t s c c s )2 4s c c 总计5 m i n6s e c 2 3 2 南瑞集团开发的f w k 分布式稳定控制装置 近几年来，南瑞集团所属的电力系统自动化研究院对在线准实时决策功能的对 策搜索方法做了大量的研究工作f 2 i i 研究主要基于扩展等面积方法( e e a c ) 的在线 准实时决策算法。它利用e e a c 法提供的受控系统的稳定裕度指标，搜索对应的给 定e l d 障集的、满足一定系统稳定裕度的、控制代价最小的控制策略。 该方法在某一故障和某一控制实施条件下，将多机系统划分为临界机群s 和剩 余机群a 两个互补群，进一步等值为“单机一无穷大母线”系统，在计算动能增 加面积和动能减少面积后，将动能增加面积和动能减少面积的差值定义为稳定裕度。 即：q ：a d c c a i n c 进一步定义某一控制措施的性能代价比指标：w i = n j ； 其中：j l 为某一控制措施的代价。优化求解时，根据w i 指标排序来确定搜 索方向，进行控制策略最优的搜索。 该方法概念清晰，求解步骤明确，如果等值的“单机无穷大母线”系统能 够正确地反映研究多机系统在一定故障条件下和控制措施情况下的稳定性，那么该 方法是可行的。然而在实际应用中，此方法存在以下困难： 1 ) 多机系统的动态等值本身就是电力系统研究中面临的一个难题，等值的“单 机无穷大母线”系统能否真正的反映所研究的多机系统的稳定性是个问题。 2 )如何保证两机机群的划分的正确性也是一个难题，并且在划分之前如何提 供所需的系统信息，还得依靠逐步积分法。 3 ) 完全脱离详细模型下的暂态稳定计算而使用能量函数的概念计算对策表， 实际应用中能否被运行人员接受是个问题。 目前南瑞集团声称诒：山东的f w k 系统实现了在线预测，实时匹配，但是仍然 没有发表公开的运行记录。 2 4 稳定控制的决策方法 2 4 1 离线决策 离线计算各种运行方式下的预想故障类型和措旖，分析归纳计算结果，整理生 成对策表，存放在稳定控制装置中，以备装置查找匹配措施。此方案的优点是技术 上易于实现，动作速度快，目前正在服役的区域稳定控制装置中几乎全部采用此种 方式。该方法存在的主要问题是： 1 ) 离线编制策略表 作量非常大，且其优劣很大程度上依赖编制人员的专业技 术水平和调度运行经验。 2 ) 离线策略表的容量总是有限的，不可能考虑全部网络结构和运行方式，通常 按断面潮流和较严重的运行方式编制对策表，在实际运行中很可能出现较大的过切。 3 ) 离线策略表f l , 0 t 命相对有限，随着新建线路、变电站和电厂投运需要重新编 制，在电力网络建设频鳞的地区，调度运行人员会承受着很大的工作负担。 4 ) 由于离线策略表依赖编制人员的专业技术水平和调度运行经验，对于复杂非 线性大系统的稳定控制尚不能从理论上确保不遗漏较严重故障的可能性。 2 4 2 在线准实时决策 系统定时采集电网的运行工况，进行预想事故的计算分析，在线修改更新生成 对策表。随着计算机技术的发展、电网通信手段的不断加强，以及s c a d a e m s 系 统的不断完善，实现在线准实时决策的外部条件将愈来愈成熟”1 p ”。 在线准实时决策能够适应电网运行方式的变化，使得对策表更加准确、可靠、 细致，有广泛应用前景。详细的介绍见第2 5 章。 2 4 3 在线实时决策 当系统发生某种故障时，按照当前的运行方式，在线计算出电网中各相关控制 设各的控制措施和控制量，通过高速的通讯手段，及时、准确、可靠地实施对于电 网巾各种扰动的实时控制川。但是，当时的计算手段、决策方法、通讯模式等各 方而目前尚不能在上千公里范围且结构复杂的电力系统达到及时、准确、可靠地进 行在线实时控制的要求。因此，近期内实现在线实时决策稳定控制，不仅在理论上 还不成熟，客观条件也不具备。但是，可以预计一个开放可扩展的在线准实时决策 稳定控制系统当前是可行的，而且随着电力系统理论、技术手段等不断完善、改进、 丰富、更新和发展，最终实现在线实时决策。 2 5 基于在线准实时决策的安全稳定控制系统 2 5 1 在线准实时决策控制系统的设计构想 目前在国内的大多数的稳定控制系统均是基于离线的控制策略，各子站之l 刊的 通信仅限于收发执行稳控对策指令，缺乏协调机制。发生故障时，子站只能依靠本 站采集的信息，通过离线对策库匹配策略，因此无法做到基于全网的运行情况进行 稳控策略的优选，稳控系统运行的可靠性是以牺牲整个电网的经济性为代价的。 基于在线准实时决策的安全稳定控制系统，可以做到依据电网的实时信息，不断 的校汇稳定控制策略，达到既能保证电网的安全稳定运行，又能减少运行成本。 基于在线准实时决策的安全稳定控制系统核心是如何制定对策表。依据实际电 力系统的安全稳定水平及其s c a d a e m 8 系统的运行水平，可以考虑三个层次的在线 准实时决策：即在线修改策略表、在线更新策略表和在线生成策略表。 在线修改策略表：如果s c a d a e m s 系统还不能提供满足一定程度可靠性、准 确性的数据用于在线进行必要的潮流、故障、稳定等各项计算，或者一个新的 安全稳定控制系统刚刚投入运行还需要对其产生策略表的机制进行考核和调 整，则不改变离线策略表的故障选择和启动定值，仅仅对稳控策略进行适当的 在线修改，是稳妥和切实可行的。首先可以在稳控主站依据区内各稳控子站上 送的断面潮流及主力电厂开机和出力，基于运行导则和工程经验采用固定逻辑 的专家决策模式对稳控策略进行调整，并在线修改相关的策略表，以期减少发 电机组过切；其次在条件成熟时，可在中心站接收并处理s c a d a e m s 、稳控子 站和p m u 子站上送的数据，在线对相应的离线数据进行调整，得到一套比离线 数据更接近实际运行状况的数据，下发到各稳控主站对稳控策略进行优化并修 改策略表；另外则应开发一套离线辅助生成策略表的软件系统，以期大大减少 运行调度人员制定离线策略表的工作量并有效地提高工作效率。 在线更新策略表：不改变离线策略表的故障选择，对启动定值和稳控策略进 行适当的在线修改，前提是对应于实时运行方式的离线数据中元件参数不变而 实时的发电机出力、断面潮流和关键控制点电压