（电气工程专业论文）广东茂名子站安全稳定控制系统设计与实现.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 电力系统安全稳定控制是保障电网安全稳定运行的重要条件。作者结合 自 身工作经验以及电气工程专业工程硕士在读期间所学知识，在学校导师刘 建新以及企业导师张山的精心指导下，负责完成了广东茂名子站安全稳定控 制系统的工程项目的实施，成功解决了本地区电网的安全稳定问题.该系统 主要功能包括本地区线路状态监测，与本区域主站、其他子站及各执行站间 进行信息交互，在系统出现安全稳定性问题时根据主站命令及本地控制策略 执行动切操作，以保证地区电网的安全稳定。 关键词:安全，稳定控制，广东茂名 abs tract p o w e r s y s t e m s e c u r i ty a n d s t a b i l i ty c o n t r o l i s n e c e s s a ry t o t h e s e c u r ity a n d s t a b i l i ty o p e r a t i o n o f p o w e r s y s t e m . a u t h o r u n i f i e s o w n w o r k e x p e r i e n c e a s w e l l a s e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g s p e c i a l i z e d p r o j e c t m as t e r i n r e a d s t h e p e r i o d s t u d i e s t h e k n o w l e d g e , i n s c h o o l t e a c h e r l i u j i a n x i n as w e l l as u n d e r t h e e n t e r p r i s e t e a c h e r z h a n g s h a n c a r e f u l i n s t r u c t i o n , c o m p l e t e d t h e g u a n g d o n g c y c l o p e n t a d i e n e n a m e t o s t a n d r e s p o n s i b l y t h e s a f e s t a b l e c o n t r o l s y s t e m e n g i n e e r i n g p r o j e c t i m p l e m e n t a t i o n , l e a d s t h e p r o j e c t o f s e c u r i t y a n d s t a b i l i ty c o n t r o l s y s t e m f o r g u a n g d o n g ma o m i n g s u b s t a t i o n w h i c h s o l v e t h e s e c u r i t y a n d s t a b i l i ty p r o b l e m o f t h i s a r e a s u c c e s s f u l l y . t h e m a i n f u n c t i o n o f t h i s s y s t e m i n c l u d e : m o n i t o r i n g t h e l i n e c o n d i t i o n i n f o r m a t i o n , i n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o n w it h o t h e r s t a t i o n ( s u c h as t h e m a i n s t a t i o n , o t h e r s u b s t a t i o n a n d e a c h e x e c u t i v e s t a t i o n ) , e x e c u t e t h e m e as u r e i f s o m e p r o b l e m s o f s e c u r i ty a n d s t a b i l i ty h a p p e n e d , z 议u n z h u d i r e c t e d b y p r o f . j i a n x i n l i u k e y wo r d s : s e c u r i ty , s t a b i l i ty c o n t r o l s y s t e m , g u a n g d o n g ma o m i n g 声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 广东茂名站安全稳定控制 系统设计与实现 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在学校导师和 企业导师的指导下，结合实际工作所进行的研究工作和取得的研究成果。据 本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:日 期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学 校有权保管、并向有关部门 送交学位论文的原件与复印件;学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被 查阅或借阅; 学校可以学术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:导师签名: 日期: 日期: 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 问题的提出和研究意义 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，甚至可能使电力系 统崩溃和瓦解。另外，由于电力市场的启动和实施，系统的运行方式和运行工况更 加灵活多变，这就使得电力系统暂态稳定问题变得更为复杂。 因此，保持电力系统的稳定性是电力系统安全稳定运行的重要任务.由于电力 系统在国民经济中的特殊地位， 电网稳定事故所造成的经济损失十分巨大， 带来的社 会后果也十分严重。 以1 9 7 7 年7 月 1 3日发生在美国纽约的大停电事故为例，美国能源部估计的 经济损失约为3 5 亿5 千万美元。另外，在停电持续的2 5 小时内，纽约市发生火灾 1 0 3 7 起，暴力事件 1 8 0 9 起，全部交通中断。影响了9 0 0 万人的工作与生活.前年 发生的北美大停电的损失更大，初步估计经济损失达到3 0 0 亿美元1 1 1 而随着西电东送电力占广东电源的比 例增加，广东电网5 0 0 k v主网潮流加重， 在南方电网西电东送情况下，广东电网内也存在大量电力西电东送， 而湛江和茂名 地区电网与省主网的连接仅依靠 5 0 0 k v江茂甲、乙线和 2 2 0 k v 茂名电厂一阳江以 及河东一春城线路， 如果江茂甲、乙线同时发生故障， 2 2 0 k v茂名电 厂一阳江以 及 河东一春城线路将严重过载。 在上述情况下，研究和实施相应的安全稳定控制措施，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。利用电力系统的控制 技术改善电力系统的稳定性和安全性是最经济和最有效的措施之一。因此，电力系 统稳定性控制的研究一直是电力系统的重点研究方向.而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。 前者投资较大， 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z 1 合理的电网结构和保证安全稳定运行的技术措施应该相互协调配合，并应同步 设计、 同步建设， 以提高电网的安全稳定水平。 针对我国电网建设落后于电源建设， 网架相对薄弱，部分发电厂出现 “ 窝电”局面，合理地配置安全稳定控制系统，对 提高我国现有网络的输电能力和电网运行的安全稳定性意义重大。 华北电 力大学工程硕士学位论文 国内外安全稳定控制的现状及相关技术的发展 从上世纪 1 9 8 1年 ， 8 0年代开始，我国对电力系统安全稳定控制的研究进入一个新的阶 原电力工业部颁布的 电力系统安全稳定导则 ，对电力网络的合理 提高系统安全稳定运行水平，大幅度减少系统稳定破坏事故起了重要 1.2乳 建设与改造， 的作用。并于 8 3年为该导则编制了说明，8 7 年又颁布了 电力系统暂态稳定计算 暂行规定 ，为我国电力系统的安全稳定分析提供了依据。2 0 0 0年，国家经济贸易 委员 会发布了 电力系统安全稳定控制技术导则 3 1 ， 提出 对安全稳定控制的技术 要求。稳定导则和稳定控制导则制定了保证电力系统的安全稳定运行的要求和控制 措施，并将电力系统安全稳定的措施分为第一道、第二道和第三道防线，进一步对 我国各大网局，省局的调度运行规定了更详细的要求和控制方法，这些都促使我国 电网的安全运行水平逐年提高。 从国际上各个国家和地区对安全稳定分析研究的情况来看，各国都十分重视安 全稳定导则的制定和施行。如前苏联在1 9 8 4 年就制定了安全稳定导则，西欧、日 本 和北美地区对电力系统设计和运行都有各自 的要求和准则，这些对我国电力系统安 全稳定导则的制定都有着重要的借鉴意义，包括电力系统承受大扰动能力的三级安 全稳定 标 准划分、 电网“ n - 1 ” 准则等 等4 1 . 因 此， 通过 近年来国 际 上安全控制领域 的交流与合作，也进一步使得各国完善安全稳定导则的制定，安全稳定控制水平也 在逐步提高。 目 前，国内外安全稳定控制措施的制定和决策惟一实用的方法就是:离线预决 策， 实时匹配。 如日 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，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 -1 型微机联切控制系统。这 些控制措施都是通过大量离线仿真计算得到的，难以 适应多种运行方式及不同的故 障类型和位置 5 1 。针对广东茂名地区电网实际情况，由 广东省电 力调度中心、电 力 设计院、茂名供电局调度中心、北京四方公司联合开发的适合茂名地区电网实际运 行情况的安全稳定控制装置，该装置集静态稳定判断、暂态稳定预测和实时控制为 一体， 对该地区局部电网的稳定性控制能起到良 好的作用。 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态稳定计算的安 全稳定 控制系统， 已 在日 本c h u b u 电力公司投入运行。 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。薛禹胜院士提出的暂态稳定控制 新框架即在线准时，是基于e e a c 法和专家系统，将预想事故作为使用决策表的惟 一人口， 每5 m i n 刷新一次决策表，以跟踪实时状态下的故障前的运行工况。目前这 种装置已 应用于东北电网和浙江台州电 厂 6 1 华北电力大学工程硕士学位论文 总之，现有的安全稳定紧急控制系统利用局部信息、采取事故预想策略对付可 能的常见事故，难以抵御概率很低、损失巨大的灾难性事故;现有的稳定性预测与 紧急控制策略是根据仿真计算结果得到的，依赖于系统的模型和网络参数，而系统 的模型和参数又是不准确的，因此缺乏适应性强、预测速度快、控制效率高、可靠 性好的紧急 控制系统; 现有的互联系统的解列( 点 ) 面是固定设置的， 不能适应失稳 模式的变化，难以起到缩小停电范围、避免事故扩大的作用。另外，我国西电东送 和全国联网所致的巨型电力系统的出现，将对传统的紧急控制理论和装置带来了前 所 未 有 的 挑 战 l 随着社会经济和科学技术的飞速发展，一些相关领域的技术也将会给电力系统 的安全稳定控制带来新的发展空间。通信技术的进步使得电力系统载波、微波、卫 星、光纤等多种通信方式的可靠性大大提高.对安全稳定控制来说，通信更是至关 重要，全网的数据采集、控制决策的分配和执行都要求非常可靠的通信。目前，电 力系统的通信水平已能满足这一要求。随着电力电子器件和超导技术的发展，一些 新型的f a c t s 设备的应用和研究，为快速控制系统问的潮流提供了 条件， 也为电力 系统暂态稳定控制或改善系统的阻尼提供了新的手段。 近十几年来发展起来的并行处理技术可以为电力系统的紧急控制提供更好的 技术支持。信息技术的发展使得广域同步信息的获得不再困难，特别是基于全球定 位系统( g p s ) 的同 步相量测量装置p m u 在电 力系统中的 成功应用， 使得构建实时的 稳定控制系统成为可能。 电力系统的安全稳定运行的基本要求 电力系统运行时受到的扰动可分为小扰动和大扰动两类。小扰动是指系统中负 发电 机和其调节系统的经常变化以及线路电 抗的变化( 由于风吹引起架空线路线 1.3你 间距离的变化导致) . 小 扰动随时都在发生， 但一般不会引起系统结构的变化。 对于 小扰动要求系统有足够的阻尼力矩，使系统在这种小扰动下不会出现自 发震荡。大 扰动是 指系统中因短路故障或操作( 大容量发电 机组的 投切、 大的负荷以 及重要输电 设备的 投切) 引起系统电网结构或功率的 变化。 国 家经济贸易委员会颁布的 电力系 统安全稳定导则将电力系统的扰动按照严重程度和出 现概率分为三类，要求分别 采取相应措施以保证系统安全稳定运行。 针对上述三种情况所采取的控制措施，就 是通常所称的 保证安全稳定的 三道防线。 这己 为电 力部门 普遍接受并在实际工作中 加以贯彻实施。针对这三类扰动， 电力系统安全稳定导则同时也给出了相应的 安全稳定标准 8 1 第一级: 正常运行方式下的电力系统受到下述单一元件故障扰动( 一类扰动， 出 现概率较高) 后， 保护、 开关及重合闸正确动作， 不采取稳定控制措施， 必须保持电 华北电力大学工程硕士学位论文 力系统稳定运行和电网的正常供电， 其它元件不超过规定的事故过负荷能力，不发 生连锁跳闸。 ( 1 )任何线路单相瞬时接地故障重合成功; ( 2 )同级电压的双回或多回线和环网，任一回线单相永久故障重合不成功及 无故障三相断开不重合; ( 3 )同级电压的双回或多回线和环网，任一回线三相故障断开不重合; ( 4 )任一发电机跳闸或失磁: ( 5 )受端系统任一台变压器故障退出 运行: ( 6 ) 任一大负荷突然变化; ( 7 )任一回交流联络线故障或无故障断开不重合; ( 8 )直流输电线路单极故障。 为了保证电力系统正常运行状态及承受第一类大扰动时的安全要求，应由一次 系统设施、继电保护、以及安全稳定预防控制等，组成保证电力系统安全稳定的第 一道防线。但对于发电 厂的交流送出线路三相故障，发电厂的直流送出线路单极故 障， 两级电压的电磁环网中单回高一级电压线路故障或无故障断开，必要时可采用 切机或快速降低发电机组出力的紧急控制措施。 第二级:正常运行方式下的电力系统受到下述较严重的故障扰动 ( 二类扰动， 出 现概率较低) 后，保护、开关及重合闸正确动作，应能保持稳定运行，必要时允 许采取切机和切负荷等稳定控制措施. ( 1 ) 单回线单相永久性故障重合不成功及无故障三相断开不重合; ( 2 ) 任一段母线故障; ( 3 )同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障重合不成功，双回线 三相同时跳开; t 0 后的行为，而不需要知道系统t t 0 时的输入. 任意一组n 个线性独立的系统变量都可以用来表示系统的状态，这些变量称为 状态变量. 系统的任何其它变量都可以 通过状态变量来表示。 系统的状态变量可以是该系统的物理变量，也可以是描述该系统的纯粹数学变 量。 尽管在任意时刻系统的状态是唯一的，但系统状态变量的选择不是唯一的，即 描述系统状态的信息不是唯一的。 描述系统状态的n 维欧氏空间称为该系统的状态空间. 当系统的状态随时间变化时，在状态空间代表系统状态的点将构成一轨迹，称 为状态轨迹。 2 ) 系统状态方程的线性化 设x 0 , u 0 分别是非线性系统( 2 - 2 ) 在所关注平衡点的状态向量和输入向量。若 此时系统受到一小干扰，使得: x 二 x n 十 a x , u = u , + d u 这个新状态也满足式( 2 - 2 ) ，因此: x = x , + e % = f ( x , + a x ( u , + a u ) ( 2 一 3 ) 将 非 线 性函 数了 扭, u ) 在 平 衡 点 作t a y l o r 展 开 忽 略 二 次 及以 上 高 次 项 后 有: a x e = f (x o ,u . ) + 李a x , 十 + 李 以i o x . _， _. 、 几 .州 尸乙 毛 “，宁 飒 . 鱿 _ _ .， 。 . . 4 w . .r= “. . . . n u , 华北电力大学工程硕士学位论文 因此，非线性系统( 2 - 2 ) 的线性化状态方程为: ax二aa x十b au 把 a x , a u 分别重新记为x , u有: x= a x+ b u ( 2 一 4 ) 3 ) 系统状态方程的本征特性 特征根与特征向量 设a 是 线 性 动 态 系 统 状 态 方 程 的 系 数 矩 阵 ， 若 沐 一 刀 卜 0 满 足 这 个 方 程 的 标 量 ai = 1 ,2 , - . n为矩阵a 的 特征根. 一个动态系统不同的 状态 方程有相同的 特征根。 满足方程 a 护 = 仰 的非零向量 护 为矩阵a的对于特征根a 的右特征向量满足方程 州= 州 的非零向量w为矩阵a 的对于特征根 兄的左特征向量。 对 应 于 不 同 特 征 根 的 右 特 征 向 量 和 左 特 征 向 量 是 正 交 的 ， 即v o , = o (i * .1 ); 而对应于同一特征根的右特征向量和左特征向量有关系 w ,o , = c , 特征根与系统稳定性 ( 1 ) 实数特征根对应于非振荡模式. 负实数特征根对应于衰减模式， 特征根的幅 值越大，衰减越快。正实数特征根对应于非周期失稳。 ( 2 ) 复数特征根以 共扼形式出现，每一对对应于一个振荡模式。 4 )电力系统低频振荡分析与电力系统稳定器 分析简单电力系统的低频振荡问题。由于励磁调节系统在电力系统低频振荡分 析方面起着很重要的作用，因此在分析电力系统低频振荡时，发电机组的模型要包 括励磁系统的模型。 对单机无穷大系统，分析低频振荡问顾的is型为， 、.，产 勺 - 2 2.、 ，leseeeseslweesesj 叮如崛叽 n一0 i v , 一 d / t , 0 0 一 k , / t , 0 一 k , / t , o 11 t d o 一 k u k s 1 t e一 1 / t e 尸!lesee.l 一一 .几1月eses.se.j 际一沙阵队 计算表明: 在系统运行方式变化时， k , 一 k 4 及k 6 都是正数，而k , 在重负荷即 8 较大时变为负数。这一现象在低频振荡分析时是很重要的。 电 力系统出现低频振荡是由于励磁调节系统产生了负阻尼， 如果能在励磁调节 系统引入附加控制功能，使其产生正阻尼，抵消由于变负产生的负阻尼，就能 抑制电 力系统的低频振荡. 这就是电 力系统稳定器 ( p o w e r s y s t e m s t a b i l i z e r简 称p s s )的设计思想。 1 4 k , 华北电力大学工程硕士学位论文 2 . 4 . 2电力系统时域仿真分析法 时域仿真分析方法是利用计算机求解描述电 力系统动态过程的微分方程组， 得 到电力系统各变量在动态过程的数值解。 时域仿真分析方法的原理是基于微分方程的数值解法。用时域仿真分析的方法 分析电力系统的动态特性时， 首先要确定描述电力系统动态特性的微分方程， 即电力 系统的数学模型， 然后再选择合适的数值计算方法进行求解， 最后， 还要对计算结果进 行输出格式的处理， 通过良 好的人一 机接口 界面输出结果， 以方便阅读和分析. 对时域仿真分析方法的要求: 要有足够的计算精度; 要保证数值计算过程的数值稳定性; 要有尽量快的计算速度。 时域仿真分析方法在电力系统各种稳定分析计算中都在应用， 如电力系统暂态 稳定分析计算、 电力系统中、 长期动态过程分析计算、 电力系统电压稳定分析计算、 电力系统次同步谐振分析计算等等。 电力系统稳定的时域仿真分析使用的算法一般为显式四阶龙格. 库塔法和隐式 梯形法。显式四阶龙格一 库塔法的计算精度高， 但数值稳定性较差。仿真时间较长时 容易出 现数值不稳定现象。隐式梯形法的数值稳定 性好， 但计算精度较低， 只 有二阶 精度. 隐式泰勒级数展开法的计算精度高， 而且精度可人为设置， 使用时根据需要设置 合适的精度。 数值稳定性好， 经适当设置， 隐式泰勒级数展开法具有数值计算算法的a 类稳定性。另外隐式泰勒级数展开法有较快的计算速度， 在计算精度相同的条件下， 隐式泰勒级数展开法的计算速度是显式四阶龙格一 库塔法的三倍。 使用隐式泰勒级数展开法的电力系统暂态稳定分析软件可在一般微型计算机 上实现省级规模电 力系统暂态稳定的在线计算。 2 . 4 .3电力系统稳定性的直接法分析 常规的计算系统稳定性的数值分析计算的方法目 前还不能做到实时计算， 只能 采取事先离线计算的方法， 对系统各种运行方式下可能发生的故障都进行计 算， 然后 按最严重的情况整定各种紧急措施的设备。当然由于这些设备是按离线整定的方式 运行， 一旦电网遇到的扰动与离线计算的扰动情况不同， 这些紧急措施的效果就可能 不 太 理 想 14 1 1 ) 直接法分析原理: 1 8 9 2 年l y a p u n o v 在 的著作中提出了一种不用 求解微分方程而直接判断运动稳定性的方法. 华北电力大学工程硕士学位论文 对于任一运动系统 x = f ( x ) f ( 0 ) = 0 如 果 存 在 标 量 函 数v ( x ) 0 ， 其 对 时 间 的 导 数v (x ) 0， 则 系 统 在 原 点 是 渐 近 稳定的。 直接法可以不用求解系统微分方程而仅根据标量函数及其导函数的数值判断 系统的稳定性， 因而大大提高了 判断系统的稳定性的速度， 受到人们广泛的重视。 将直接法用于电力系统暂态稳定分析已 有几十年历史。 同其它领域的应用相似， 直接法在电 力系统的应用研究也一直致力于构造一个合理的l y a p u n o v 函数。 近年来， l y a p u n o v 函数的定义一般都基于发电 机转子运动方程式对转子角的一 阶积分基础上。在单机一 无穷大系统， 构造的能量函数: : = : 。 二 1 m ro 22 6rj(p3 一 ; 、 内 研究的重点则侧重于如何快速、正确、可靠地确定临界能量这一问题上。用直 接法判断电力系统暂态稳定性时， 只需求出扰动结束时的 6 , m , ， 据此计算系统总能 量 v . ， 并 确定临界能量v r . 通过比 较凡和v q 来判断稳定性。 为了描述系统的稳定程度， 可用 v c - v , 来度量系统稳定度。一般使用规格化的 稳定度 a v= 玲一 k v t !。 来度量系统稳定度。 2 ) 几种常用见的直接法: ( 1 ) 相关不稳定平衡点法r u e p u e p法的基本假定是: 当系统出现不稳定时， 系统运行点肯定要穿过不稳定平衡 点 从 稳 定 区 域 进 入 不 稳 定 区 域 。 系 统 在 不 稳 定 平 衡 点 的 势 能v , i8就 是 系 统 的 临 界 能 量v n 只要 扰 动结 束 后 系 统的 总能 量v c v , i6 ,， 系 统 就 是 稳定的。 ( 2 ) 势能界面法p e b s 设有一 n机系统， 以各机组的角度为坐标绘出系统势能与各机组角度的关系曲 面， 在势能曲面上把势能相等的点连起来， 构成一个个闭合的等势能线.在图上找 到各个不稳定平衡点的位置， 然后过这些不稳定平衡点画一条曲线， 要求该曲线与 各处的等势能线正交。这条连接各不稳定平衡点并与各处的等势能线正交的曲线 称为势能界面。 p e b s 法的基本假定是: 在u e p 附近系统势能的变化比较平衡， 因此可用持续故障 的 轨 迹 与p e b s的 交 点戈所 对 应 的 系 统 势 能v , 近 似 代 替u e p 点戈 的 系 统 势 华北电力大学工程硕士学位论文 能 v 。 使用p e b s 计算极限切除时间的步骤为: 进行故障前的 系统潮流计算， 求出 稳定计算所需的初值( s e p ) ; 计算持续故障下的系统轨迹; 在 每 一 时 段 计 算 势 能v v 重 复 计 算 上 述 步 骤 ，一 直 到 v v 达 到 最 大 ，此 时 的v r 即 为 临 界 能 量 v p ; ( 3 ) 扩展等面积法e e a c 等面积法则在单机一 无穷大系统是判断系统暂态稳定的充要条件， 如能把等面积法则应用到 多机系统测可以快速、准确地判断出系统的稳定性。这就是扩展等面积法e e a c . 2 . 5 安全稳定控制的类型 电力系统安全稳定控制按其起作用的时机分为预防控制、紧急控制和恢复控制 三种，分别对应于故障前的平衡状态，故障发生后的暂态过程和供电中断后的恢复 过程 。而按其信息采集、传递和控制决策方式的不同主要有以下几种安全稳定控 制模式。 1 、就地控制模式 就地型稳定控制装置单独安装在各个厂站，相互之间不交换信息，只能根据就 地信息进行判别和切换，解决本厂站母线、主变或出线故障时出现的问题。就地型 稳定控制装置的结构如图2 . 2 所示。 2 . 2就地型稳定控制装置示意图 2 、集中控制模式 这种控制系统拥有独立的通信系统和数据采集系统，控制中心设在调度中心， 实时检测系统的运行状态，并根据系统的状态改变故障情况、制定控制策略表并发 出控制命令，实施全系统的稳定控制。 3 、区域控制模式 区域型稳定控制系统是为解决一个区域电网的稳定问题而安装在2 个以上厂站 的稳定控制装置，经通道和通信接口设备联系在一起组成稳定控制系统，站间相互 交换运行信息、传送控制命令，在较大范围内实现稳定控制。区域稳定控制系统通 常由一个主站、若干个子站和若干个终端站组成，其系统结构如图2 . 3 所示。 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 . 3区域安全稳定控制系统示意图 1 ) 主站 主站设置在枢纽变电站或与枢纽变电站同一位置的发电厂内。主站的主要任务 是负责汇总各站的运行工况信息，对区域电网进行状态估计，识别出区域电网的运 行方式，对区域电网按给定的预想事故集进行动态安全估计，在线形成安全稳定控 制策略表( 或预先装设好离线计算得到的 控制策略表) ，并将有关运行方式信息和控 制策略表传送到各个子站。在接收到主站及出线发生故障时，根据控制策略表，向 主站和各子站发出控制命令同时通过各站将控制命令传送到终端站。 2 ) 子站 子站装设在较重要的变电站或与变电 站相联的发电厂内。子站的主要任务是采 集子站运行工况信息，并传送给主站。在接收到本站及本站出线发生故障时，根据 子站内的控制策略表，向主站及各子站发出控制命令同时通过各站将控制命令传送 到终端站。 3 ) 终端站 接收各站传送来的控制命令，执行就地控制，并将控制结果信;息传送给上级 站。 对于电力系统的紧急控制系统，其实现方法主要有以下三种: ( 1 )离线预想计算，实时匹配 目 前，这种控制方案在国内 外被广泛采用。它由控制装置实时检测当前的运行 工况和故障，然后从由 工况和故障组成的二维表中查找控制措施并执行。其控制决 策表是离线预先准备的.由于系统运行的 工况是高维可变的，要考虑故障和工况的 所有组合是不可能的。实际上往往将工况分档， 只考虑典型工况。 这样，实际运行 时，可能出现工况失配问题。当电力系统发生重大变化时，必须重新计算决策表， 自 适应能力很差， 对处于发展变化的电 力系统来说，这种重复计算的 工作量是相当 巨大的。 t 8 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 在线预想计算， 实时匹配 这种方案不是按预想工况，而是按实际工况来制作决策表，并假定工况在几 分钟之内不会变化，避免了工况的失配问题，并能够自 动适应系统的发展变化.该 方案对决策分析软件的要求很高，要求其在尽可能短的时间内作出决定。日本在这 方面己 取得一定的 成功，由 东芝为c e p c o 开发的 t s c 系统 i a a s 采用故障扫描、 并 行处理技术， 每5 r a i n 0 l 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。 ( 3 ) 实时计算，实时控制 这方面的研究有同步功角测量和在线实时建模，它按实时采集的信息和检测 的故障，实时判断系统的稳定性。如果不稳定则作出控制决策并执行，这一切都要 在 很短的时间内完成。该方案对算法的要求极高，在实用中有很大的困难。 华北电 力大学工程硕士学位论文 第三章区域电网稳定控制 3 . 1 区域控制 3 . 1 . 1区域控制概念 根据电网的结构和特点，将整个系统分成可能的若干子系统，每个子系统按各 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，设立区域控 制子 站， 负责采取本地的系统运行信息， 并向 主站传送 1 6 。 子站可以 从主站接收实 时刷新的稳定控制策略和反应整个系统运行状况的系统信息，在本站控制范围内发 生故障时， 根据实时策略表选择稳定控制措施。 站内设离线确定的稳定控制策略表， 在系统其他部分发生故障时，可以转入就地工作模式。 全系统设立一个控制中心收集和处理涉及全系统的综合性信息，从系统层协调 和优化各区域子站的动作。控制中心接收各子站传来的信息，识别整个电网的运行 状况，进行稳定预测，准实时刷新稳定控制策略表，并将有关运行方式的信息和稳 定策略表下传到各区域子站。这样就实现了各部分既能相对独立工作又能协调一致 的分层控制系统. 这种控制模式可以结合技术上已经比较成熟的区域稳定控制，同时它能又较好 地克服单一的区域稳定控制装置只能采集本区域信息，以及对系统其余部分运行方 式变化不能适应的不足。采用这种控制方式可以 较好地解决大规模电力系统的稳定 控制问 题。并且当电力系统网络结构扩建变化后，控制系统也可相应地进行扩展和 升级，而后进行局部的改造。 3 . 1 .2区域控制方式的优点 区域的稳定控制方式是:根据电网的结构和特点，将整个系统分成可能的若干 子系统， 每个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。全系统设立一个控制中心收集和处理涉及全系统的综合性信息，从系 统层面协调和优化各站的动作。具有以下一些优点: 1 ) 区域稳定控制装置是本控制系统的基础，由于区域性稳定控制装置技术上己 经比较成熟，这样可以确保重要地区的安全稳定运行，并且也可利用现有区域稳定 控制装置，避免资源浪费。 2 ) 控制中 心只 对各区域性子站的 控制策略 进行协调 l 6 、 调整和监视， 并不实行 集中实时控制，因此对通道的要求并不十分苛刻， 完全可利用现有的通信系统。 3 ) 控制中心拟采用工作站，可考虑与现有调度自 动化系统实现计算机联网，分 别提取电网实时信息，并不增加现有调度自 动化系统负担。控制中心能接收区域子 2 0 华北电力大学工程硕士学位论文 站的工作异常信息，并及时通报。 因 此， 随 着现 代 g p s 技 术、 通信 技 术、 智能 技 术以 及计 算机网 络 技 术的 发 展， 对于非线性、跨区域、复杂而庞大的电力系统，发展区域稳定控制系统是一个较好 的方向。 3 . 2 3 . 2 . 1 区域稳定控制系统的技术要求 区域安全稳定控制系统的装置技术要求 根据“ 十五” 计划西电东送广东安全稳定控制系统技术规范要求， 在广东电网区 域控制范围内，系统安全稳定控制系统对装置有如下技术要求: 1 ) 安全稳定控制系统的 各类装置的 一般的技术要求和屏( 柜) 的 技术要求应和继 电保护等同。 2 )装置应采用微机型。重要的厂站应双重化，有较高的冗余容错的能力，其 运行判据应尽量采用就地判据减少对通道的依赖，以提高装置运行的可靠性。 系统结构采用分布式控制系统，采用离线计算决策，在线计算决策暂不考虑， 但预留有关在线预决策接口。 3 )安全稳定控制系统的各类装置应简单可靠，并满足安全性、选择性、灵敏 性和速动性的要求。满足切负荷的切除时间不大于0 . 3 s 的要求。 4 )安全稳定控制装置应能不借助于外部输入接点而正确判别本厂、站内元件 的运行状态，并能和厂、站内就地监控装置实现联网，必要时可从网络获取相应信 息.安全稳定控制系统装置通信能力应比较强，可以在检测到故障情况下同时采取 切机、切负荷等多种措施，或应付需要同时切不同厂站负荷的情况。 5 )装置应能进行事件记录和事故过程中数据记录，装置应带有本地和远方通 信接口，以实现就地和远方查询故障和装置信息，修改定值等，所采取的通信规约 应具有通用性和标准化。 6 )装置应能储存多组策略表，以便在运行方式发生变化时方便地进行策略表 切换。 7 ) 装置出口 动作回路应使用硬件和软件的多重判据以 提高安全性。 8 ) 装置应具有自 检、整组检查试验、打印等功能。 9 ) 装置应是分布式、模块化、拼装式结构，以适应不同的功能要求。装置硬 件配置应采用高性能的技术平台，并具备可扩性;软件编制应具备兼容性易于修改 和更新，以适应电网发展。 1 0 )为了防止切机和切负荷装置的误动，装置动作的判据应尽量采用就地判 据。 对于就地判据难以得到的，信号的传输应由不同路由的两个或三个彼此相互独 立的通道来传送，接收侧相应采用二取二方式或三取二方式。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 )由于上、下行的信息传递的要求，主站与子站的信息传递是采用帧信号 来传送。 例如:主站对需要切负荷的下行帧信号内 容包括:时标信号、故障信息标 记、 接收子站代号( 地址码) 、切负荷数额、 冗余码检测等; 子站在收到下行帧信号 后，根据切负荷数额定出所需要的切除l l o k v 线路。 3 . 2 . 2区域安全稳定控制系统对通信系统的 要求 对于安全稳定控制系统各站之间的信息传送， 通道是安全稳定控制系统的重要 组成部分，通道的性能直接关系到安全稳定控制系统作用的发挥。由于安全稳定控 制系统主站与子站之间的信息交换是以帧信号来传送的。适合于这种信号的传输仅 有微波通道、光纤通道可供选择，建议只考虑用光纤做安全稳定控制系统的通道。 切负荷等控制命令应不经中间环节直接发送和接收，以减少传输时间和提高可 靠性。 由于安全稳定控制系统采用双重化配置、互为备用的原则，每套安全稳定控制 系统暂按两路安全可靠的安全自 动装置通道考虑。两路通道应考虑彼此独立，尽可 能考虑采用不同的通道方式或不同路由。安全稳定控制系统尽可能利用己有或规划 中将有的光纤做通道。 每个主站或子站用6 4 k h 口或2 m口连接到光端机。 即每个有安 全稳定控制系统装置的变电站都要留足够多的通信接口给安全稳定控制系统装置。 p c m机群按点对点配置。 3 .2 . 3区域安全稳定控制系统子站功能要求及配置 装设安全稳定控制系统旨 在防止系统稳定破坏或事故扩大，造成大面积停电。 应尽可能发挥直流调制的作用.为了提高系统的稳定裕度，安全稳定控制系统不应 把直流调制作为紧急状态下的措施。严重故障时安稳系统应优先考虑切机、切负荷 措施，切机切负荷要切足，可考虑过切尽量保持系统的完整性。 对广东电网控制区域内5 0 0 k v 变电站装设的控制子站。子站的功能是: 1 ) 接收主站的切负荷命令后， 下发切负荷命令到各2 2 0 k v变电站， 通过2 2 0 k v 变电站切除1 1 0 k v 出 线开关来切除负荷。 2 ) 上传本站所管辖的系统的运行状况， 包括: 机组出力、机组的 运行工况、 各 2 2 0 k v 变电站的1 1 0 k v 线路的负荷、各5 0 0 k v 线路的功角等。 3 ) 上传本站的故障 信息到主站。 4 ) 对与直流换流站有直接联系的子站， 根据本站的 运行情况和保护动作情况向 直流换流站发出诸如:紧急停阀、减负荷、功率提升等命令;也要接收直流换流站 发出的信号， 诸如: 双极闭锁、单极闭锁等， 并转发到主站。 切负荷尽量满足切负荷 切除时间0 .3 -o as 的要求。 由 于切负 荷的数 额与运行方式、 故障类型、 切机多少( 也 与 开机多少 ) 有关， 而且切负 荷的 分散性 加上 信息 传递的 需要， 确定了 主站与 子站的 华北电力大学工程硕士学位论文 通信方式是光纤通信方式，上、下行的信息传递是采用帧信号来传送的。 3 .3 区域稳定控制模式研究 由于茂名电网结构具有明显的区域性特征。此处所谓区域性特征是指该局部电 力系统由区域性电源节点和区域性负荷节点构成。当系统发生故障时。这些节点相 互影响，具有较强的相关性。区域电力系统的稳定状况.往往由这些节点的集合行 为决定。对于这样的系统，其安全稳定控制，需综合考虑这些节点的运行状态，因 而往往需要大量的远方信息交互传递。这样就使得区域性电力系统的安全稳定控制 ，尤其是如何保证全套装置动作的可靠性相当复杂。 目前国内在区域性电网的稳定控制方面进行了许多有益的尝试，也积累了许多 经验.为研究区域性电力系统的稳定控制模式，提高稳定控制系统的可靠性，须对 控制系统进行详细的分析1 7- 1 8 1 。 确定控制系统所需 “ 站”的设置，以 及这些 “ 站” 与 “ 站”之间、 “ 站”与其控制对象的关系。区域性电力系统的安全稳定控制，往 往需要考虑系统内多个相关节点的运行状态，因而需要大量的远方信息传递。这样 就使得区域性电力系统的安全稳定控制，尤其是如何保证全套装置动作的可靠性相 当复杂。为提高整个控制系统的可靠性， 针对本电网的实际情况，在研究控制模式 时，确定了 “ 决策功能宜分散，且以本地信息为主，尽可能减少远方信息传递”的 原则.经过比较，推荐分散与集中相结合的稳定控制方案。该方案各站点控制策略 相对简单， 远传信息量少，从而提高了整个控制系统的安全性和可靠性。并且，本 方案还可以 通过定值的调整变为简单分散式的控制模式。 根据稳定计算分析，5 0 0 k v 茂名变电站为控制子站，在茂名电厂、湛江电厂以 及河东变电站、阳江变电站配置相应的稳定控制装置，又因为茂名电厂、湛江电厂 对该区域系统的稳定起主导作用，所以上述配置也是能够满足需要的。根据各站控 制装置的作用范围，以及各站之间的相互关系，我们拟定如下三种控制方案: 1 、方案i - 一 集中式控制方案 这种控制方案中，5 0 0 k v 茂名站变电 站为子站，其余为切机切负荷的执行站， 子站与执行站之间是完全的 “ 主从”关系。 各站功能如下: 茂名站子站负责测量送出断面及各5 0 0 k v 线路的正常潮流、 故障时送出断面的功 率突变量ap 、故障元件，接收各执行站的稳态潮流信息及故障信息，可以根据预 置的” 策略表”或实时计算， 快速预测系统的稳定情况，并决定相应控制措施，然 后向各执行站发送控制命令。 各执行站故障前需将各自 的运行状态( 有功出 力、 无功 出 力) 送到 茂名站子站， 在故障瞬间需迅速判断各自 出 线是否故障， 同时把故障信息 ( 故障元件、故障时的p ) 快速传递至子站，同 时接收并执行子站的 控制命令。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 、方案ii 一 一 分散式控制方案 这种控制方案中，以各执行站的控制装置为主，各执行站只向 茂名子站传送信 息，主站仅做就地控制。 各站功能如下: 各执行站正常运行时测量出线的潮流大小，出线故障时，就地检测站的p ，进 行稳定预测及控制;远方线路故障时，根据本站送出线路潮流及故障线路信息，结 合就地检测的p ，进行稳定预测及控制。茂名子站检测正常时的断面送出潮流及 故障时的故障元件，并将潮流及故障信息传送至各执行站。 3 、方案m一 一 分散与集中相结合式控制方案 将以上两种方案结合起来，得到分散与集中相结合式的控制方案。 各站功能如下: 茂名子站负责测量本变电站所有5 0 0 k v 出线的正常潮流、故障时故障元件、 送出 线路的功率突变量之和p ，不需要知道其他各站的信息，只需根据就地检测的信 息( 5 0 0 k v 线路潮流、断面功率突变量之和p ) 进行决策，决定相应的控制措施，然 后向执行站发送相应的控制命令。 各执行站出线故障时，根据就地信息进行决策发布控制命令;其他线路故障时 ，则执行茂名子站远传的命令进行控制. 方案比较 集中式方案中，子站确定控制策略时需要远方信息，控制命令也在远方执行， 需要双向传递信息，因此对通道的依赖性很强。既需要传送稳态信息，也需要传送 故障时的暂态信息。另外，由于决策均集中在子站，因而子站的 “ 决策表”将非常 复杂。 分散式