（电力系统及其自动化专业论文）大电网极端故障情况下的稳定控制策略研究.pdf

硕士论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb a s e do nt h et r e n do fn e t w o r ks t a b i l i t yc o n t r o ld e c e n t r a l i z e dc o l l e c t i o n ， c o o r d i n a t i o no fs c h e d u l i n ga n dc e n t r a l i z e dc o n t r o la sw e l la st h eu l t r a h i 曲p r e s s u r ea n d l o n g - t e r mp r a c t i c a le x p e r i e n c ei nn m n i n gt h e f r o n tl i n e b yi n t r o d u c i n gt h et r a d i t i o n a l u n d e r l y i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ep a p e rp r e s e n t san e wc o n t r o ls t r a t e g ya sw e l la si t s c o n t r o lm o d e la n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，w h i c hc a ng e ti n t oe n t i r e l yi nas h o r tt e r m ，a n dc a r l b ea b l et om a k em a c r o c o n t r o li nt h er e s p e c to ft h ee n t i r en e t w o r k t h ec o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hi su s e di ne x t r e m ef a i l u r es i t u a t i o ni nt h es y s t e m ，i sb a s e do nt h es c o p eo ft h e s t e a d y - s t a t ee n e r g yb a l a n c ep r i n c i p l e i tt a k e se m e r g e n c yc o n t r o li nt h es y s t e mb o t ha f t e rt h e f a i l u r eo rf a i l u r ei nt h ed e v e l o p m e n t ，e n a b l i n gt h ed a m a g e ds y s t e mt or e s u m et ot h es t a b l e s t a t eo f t h eo p e r a t i o n i na s p e c to fe n h a n c i n gt h ee f f e c t i v e n e s so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , i no r d e rt og r e a t l y r e d u c et h ec o m p u t a t i o no fs y s t e ms t a b i l i t ya n a l y s i sm o d e li np o w e rs y s t e mf a u l tc o n d i t i o n s ， a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e rs y s t e ma n df u l l yt a k e ni n t oa c c o u n tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e rs y s t e m ，t h ep a p e r , w h i c hh a sr e f e r st oh e u r i s t i ca l g o r i t h ms u c ha s p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ， f i s h - s w a r ma l g o r i t h m ，a n tc o l o n ya l g o r i t h ma n ds o o n ， t e n t a t i v e l yp u t sf o r w a r dt h e s h o p p i n g a l g o r i t h mt on a r r o w i n gt h es c o p eo ft h es e a r c hw h i l e s o l v i n g a tl a s t ，t h ep a p e rt a k e sa d v a n t a g eo fv cl a n g u a g et ob u i l das i m u l a t i o np l a t f o r ma n d t a k et h ec l a s s i ce x a m p l ea sab l u e p r i n tt ov e r i f yi t sc o r r e c t n e s s i nt h es i m u l a t i o ns t a g e ，t h e p a p e rt a k e st r a n s i e n tp h a s eo ft h es i m u l a t i o na n a l y so nh e n a np o w e rn e t w o r k ”6 2 5 ”i n c i d e n t a n di tp r o v e st h ep r a c t i c a lf e a s i b i l i t yo ft r a n s i e n ta n a l y s i st h e o r yp u tf o r w a r db yt h ep a p e r s e c o n d l y , h a v i n gt h er e a l t i m ep r o c e s sa n dd a t ao fh a i n a np o w e rg r i dc o l l a p s ei n2 0 0 5a st h e b a c k g r o u n d ，b ya d d i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h ep a p e rh a st a k e na d v a n t a g eo ft h es i m u l a t i o nt o r e p l a yt h ew h o l ep r o c e s so fh a i n a nf a u l t f r o mt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n , b yu s i n gt h e c o n t r o ls t r a t e g yi nl a r g ep o w e rg r i d su n d e re x t r e m ef a u l tc o n d i t i o n sw h i c hi sp u tf o r w a r db y t h ep a p e r , i ns p i t eo ft h es a m ea st h er e a le x p e r i e n c eo fr e a p t l yc o n s i s t e n tf a i l u r e ，t h e e v e n t u a l l ya d j u s t e dh a i n a np o w e r 酊di ss t i l la b l et om e e tt h ep a r a m e t e r so ft h ec o n d i t i o n so f s t a b l eo p e r a t i o n ，s od o e st h eh a i n a np o w e ri ss t i l li nag o o do p e r a t i o nc o n d i t i o n t h e r e f o r e ， t h ep o w e r 鲥ds t a b i l i t yc o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e db yt h i sp a p e r , w h i c hh a sb e e nw e l lv e r i f i e d i nt h es t e a d y - s t a t ep h a s e ，i sf e a s i b l e k e y w o r d ：t h r e e - l i n e - d e f e n s e ，c o n t r o ls t r a t e g y , t r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n t r o l ，s t e a d y - s t a t es t a b i l i t y c o n t r o l ，v c + + s i m u l a t i o n i i 声明严l 凋 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：蕴李 岬年6 月& 乡日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士论文大电网极端故障情况下的稳定控制策略研究 1 绪论 1 1 我国电力系统发展近况 随着国家经济、科技的大发展，我国电网结构日益复杂、并趋于多元化和现代化【1 1 。 在新近的特高压( e h v ) 电力网架建设方面，1 0 0 0 千伏特高压交流试验工程建设于2 0 0 7 年圆满完成了里程碑设计，同时1 0 0 0 千伏晋东南、南阳、荆门站土建基础施工全部完成。 各方面的数据都显示，我国电网不论是数量还是质量都已经走到世界的前列。 人类关于电及电力系统的发现、大规模应用至今已有百年历史。然而电力大系统仅 管经历了百年的飞速、辉煌大发展，但其在全球范围内依然不够安全，新近发生在北美 电力系统的“8 1 4 ”大停电是有记录的最严重的事故。缺乏在线安全稳定预警、分析、 控制和决策方法是导致这次事故发生的重要原因。 在国内，我国互联电网的发展速度空前，并在不久的将来很有希望成为世界上最大、 最复杂的电网之一。然而事实上我国电网本质上仍是一个巨型物理“联接 系统，缺乏 能够有效保障系统安全稳定的技术体系。在我国新近发生的海南省大停电、西藏大停电、 华中电网局部解列更是用事实无可辩驳地指出了我国电力大系统在稳定性、可靠性 方面的缺失。 面对沉重的损失与高昂的代价，国内外学者、专家对大停电事故的关注程度越来越 高，对此也进行了大量有益的理论创新与探索。诸方面中加强针对故障后，特别是极端 多重故障情况下，系统稳定性恢复的控制策略的研究显得特别重要与突出。 然而，电力系统是不同于常见的工业控制系统，规模空前( 大到了纵贯、跨越大洲 的地步) 是其主要特征，且还在不断地增大。这是因为只有系统网架越大这个电力系统 才会越稳定，其具有惯性系统的特征。其次经过上百年的发展，涉及局部元件保护的各 项技术已经臻于完善。但是随着系统的无限扩大，涉及保护装置之间的协调及全网系统 总控方面的缺陷日益暴露，且越来越迫切需要的得到解决。然而目前，对于上述两种情 况都没有成熟、可行的完善装置及理论。不过这一领域已日益引起了各国同行的高度重 视，各种有益的尝试及实践不断问世并投入实践生产之中。 1 2 近期国内外大停电事故分析 大停电对于社会、经济带来的巨大的灾难性损失，各国都有极为深刻和惨痛的教训。 目前世界范围内也不断有大的网域停电事故的发生，因此如何在极端、多重故障下保证 电网的最低限度的稳定，有效避免区域性电网解裂，是各国都面临的艰巨而紧迫的任务。 下面就列举近期发生的世界范围内的几起典型大停电事故，加以列举并分析说明。 1 绪论硕士论文 1 2 1 国外大停电事故分析 1 ) 北美大停电事故 根据北美电力可靠性协会n e r c 公布的事故资料【2 】可看出事故起因和发展过程。在 发生大停电事故前l 小时，俄亥俄州的一条3 4 5k v 输电线路跳开，其输送功率转移到 相邻3 4 5k v 线路上，引起该线路长时间过热并下垂从而接触线下树木，造成该线路因 短路而跳闸，使得克利夫兰失去第二回电源线。 系统电压降低，此后发生了系列连锁反应，包括多回输电线路跳开和潮流大范围 转移。系统发生摇摆和振荡，局部系统电压进一步降低引发发电机组跳闸，使系统功率 缺额增大，进一步电压崩溃，又导致更多的发电机和输电线跳开，造成大面积停电事故 发生。 2 ) 7 1 3 纽约大停电事故 资料【2 】显示事故当天大风暴横扫系统北部，一系列故障导致6 条3 4 5k v 线路相继退 出运行，从而使剩下的2 条1 3 8k v 线路也因严重过载而跳闸。 故障过后，爱迪生公司供电区与系统解列，形成孤岛系统频率下降，低频减载装置 动作切除了部分负荷，但发动机组仍然由继电保护跳闸，最后造成爱迪生供电系统全部 停电。 3 ) 美加东北部电网大停电事故 事故【3 】起因是由于线路保护定值有误，当水电站发电使线路潮流达到3 6 0 m w 时， 后备保护动作跳开了安大略b e c k 水电厂至多伦多地区的5 条2 3 0k v 线路中一条，当潮 流对剩余4 条线路瞬时重新分配功率时，4 条线路相继跳闸；此后b e c k 水电厂原来北 送的功率突然改变方向南送美国东北部电网，使南送功率大增。 故障结果造成了美加东北部电网暂态稳定破坏，电压和功率大幅度波动，联络线和 发动机组相继跳闸，事故发生1 2 分钟扩大为北美东北部及加拿大安达略省大面积停电。 1 2 2 国内大停电事故分析 1 ) 华北电网“4 2 8 事故 资料【4 】显示1 9 9 9 年4 月2 8 日1 4 时3 0 分，华北电网房山变电站因2 2 0k v 母联2 2 4 5 开关内部故障，母差保护动作，致使2 2 0k v 母线失压，造成河北南网与华北主网发生系统 解列，房山站1 1 0k v 母线一良乡站一北京第三热电厂构成的1 1 0k v 小系统与华北主网 解列。事故中，北京地区低频减载装置动作，切去负荷约3 3m w ，低压释放负荷约7 0m w ， 河北南网事故拉路8 0m w 。 2 ) 湖南电网“2 1 0 低频事故 资料【5 j 显示2 0 0 5 年2 月7 日至1 7 日，湖南电网遭遇了严重的冰害袭击，多条5 0 0k v 和2 2 0k v 输电线路先后多次跳闸或被迫融冰，电网安全稳定和供电可靠性受到了严重的 2 硕士论文大电网极端故障情况下的稳定控制饿略研究 藏胁。其中对电鼹稳定影响较大的一次为2 月1 0e t5 0 0k v 葛岗线及江复线先焉跳阑。 该2 回联络线的先后跳闸，使湖南电网与华中电网解列运行，湖南电网频率最低下降到 4 8 9 9h z ，低频减负荷装置基i 轮、基i i 轮、特i 轮分别动作。 特别需要摆出的是它们巾的许多电网解裂及全网停电事故，甚至是在相关傺护及自 动装置，正确动作的情况下所发生的。究其原因，各保护、自动装雹之间的动作缺乏协 调性、选择性是导致故障最后发展到全网停电的罪魁祸首。因此一种全新的，具有有效 协调全网各保护及自动装置的，控制算法及装置，迫切的有待出现。 1 3 电露区域防御控制的现状 1 3 1 国内区域防御控制的架构 基前在电力行业孛，我圈对于系统故障情况下的稳定性控制闻题，采用的是按照数 字电力系统( d p s ) 三道防线的划分方法来定义的，根据故障情况下不同阶段分阶段、 分步骤实施的稳定控制策略的。其主要划分情况及优缺点简述如下。 圭) 电力系统第一道防线概述 第一道防线对于网架丽言就是各种元件的“继电保护”。近年来随着强化主保护、 简化后备保护以及重要元件保护双重化配鼹等继电保护配置思想的成形，使得简单故障 完全可以在5 0m s 内被隔离。但是继电保护本身的发展特性，决定了其协调配合性的缺 乏。因此在连续性极端事故面翦，往往会出现：各元件的继电保护都正确动佟或只有少 数、甚至没有元件保护装置误动、拒动的情况下，而整个大电网却会发生系统崩溃的极 端事故。在有报导的大面积停电事故中，保护的不协调动作往往对事故的扩大起到了决 定性的作用。究其原因主要有两点，一是在系统的不正常运行条件下暴露出继电保护存 在的隐蔽故障：二是继电保护系统只检测被保护对象本身的运行状态，其动作也只是局 部的开环控制删。 2 ) 电力系统第二道防线概述 第二道防线是依靠调度员及站端入为余入干预的一种控制措施。它依赖予中心调 度，及站端运行人员的协同处理。按照目前华东电网公司最新的“5 分钟一1 5 分钟汇报 制度，这道防线的介入时间为事故发生的2 0 分钟以后。因此远远不能满足故障处理快 速性的要求。 这种情况下的紧急控制包括切除发电机、汽轮机快速控制汽门、发电机励磁紧急控 制、动态电阻制动、串联或并联电容强行补偿、h v d c ( 高压直流输电) 功率紧急调制和 集中切负荷等。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。 酲前电力系统内广泛采焉的“离线决策，实时匹配 的安全稳定控制方案便属此类。这 类方案的共同特点是：将系统的网络结构和参数、系统运行方式以及预想事故按照某种 1 绪论硕士论文 方式进行组合，离线计算出各种方式组合下维持暂态稳定所需的控制规律，从而形成一 个控制策略表存放在稳定控制装置内，当检测到系统扰动而装置起动时，从其中选取与 实际系统运行方式和扰动情况最接近的控制方案执行实施这类按扰动特性及严重性实 施的控制，其控制动作快，效果好，但装置和计算分析较复杂，对系统发展变化的适应 性较差。特别是对于极端紧急状态下的紧急控制，由于对复杂故障的具体形态很难事先 预料，因而很难按扰动情况进行控制，而要按扰动后参数变化特征进行控制【6 】。 3 ) 电力系统第三道防线概述 第三道防线指在最极端故障情况下，通过事先设定的解列点把大系统解列分割成一 个一个的“孤岛，以求能够保持各孤电网的稳定运行，这样做还可以加速整个电网事 故后的恢复过程。如果电网第三道防线建设得比较完善，系统事故开始时能快速解列失 步电网，迅速消除振荡，就不至于在短时间内机组和线路纷纷跳闸，从而不会由于联络线 振荡解列后导致系统发供电之间的功率严重不平衡而造成系统崩溃。但这种方式存在着 事前性，实时性差等缺陷，况且解列就其本身而言已经是一种严重的电力系统大事故。 在事故发生时，系统受扰严重，进入动态变化过程，目前系统网络、发电厂和变电 站都装有“第三道防线”要求的安全稳定控制装置和解列装置，但它们所采用的预测系 统失稳的检测方法多数是基于就地信息的，没有很好的反映全局信息，因而不能动态自 适应地跟踪系统运行方式的变化，有可能出现错误动作。在现在互联电力系统的实际运 行中，威胁区域甚至全网的稳定问题通常涉及到多元件的复杂现象。如何在实时运行所 要求的时间内制定出合适的全网运行方案( 包括控制保护装置的整定值) 是第三道防线 发展要解决的关键问题。新一代第三道防线能在系统的关键点，协调实施切机、切负荷， 甚至人为解列，系统中的大部分负荷有可能保存。第三道防线在系统出现某些最能影响 电网稳定的事件后，必须正确判别及迅速确定控制策略，并迅速准确地执行控制策略。 通信技术的发展为第三道防线的在线动作的实现提供了技术保证。通信技术是近年来发 展最迅速的技术之一，以太网( e t h e r n e t ) 正逐步取代工业控制的现场总线。许多地区 在高压变电站间铺设了s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 光纤环网，并承载a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 业务，可将信号传输延时控制在4 m s 以内。随着快速稳 定分析方法的发展及计算机、通信技术的不断提高，使基于大系统理论与分散控制理论 的大电网稳定控制系统的研制开发成为可能，同时也使得第三道防线从“离线计算、在 线匹配 向“在线预决策、在线匹配”转化成为可能【6 】。 综上所述，我国电网保护缺乏一种能够实现大范围快速介入的，全网架的，全面协 调的稳定控制自动装置。 1 3 2 大面积停电的防御对策研究 目前有关大面积停电的防御对策可分为三类【刀： 4 硕士论文大电网极端故障情况下的稳定控制策略研究 1 ) 预防性控n - 通过电压稳定计算、功角稳定计算和输电线路的可用容量计算( 包 含静态和动态) 等离线计算确定系统运行安全域，离线制定安全防御对策； 2 ) 紧急性控制：包括低频减载、自动投入无功设备与低压减载、系统解列； 3 ) 恢复性控n - 包括黑启动、系统再互联等在预防性控制方面，针对电压崩溃是 造成大面积停电的最常见的严重故障，静态电压稳定防御对策1 8 ，通过计算电压稳定边 际指标的简单方法，可以快速求出系统静态电压薄弱点；文献 9 】提出了“稳定尺度和不 稳定包线”的方法以快速求取系统功角稳定裕度，以快速决定控制策略。在紧急性控制 方面，文献 9 同时介绍了b p a 系统w a c s ( w i d ea r e as t a b i l i t ya n dv o l t a g ec o n t r o ls y s t e m ) 紧急控制系统。w a c s 分为2 部分：一部分为快速控制，主要针对暂态稳定，要求在第 一摆达到峰值以前动作( 几百毫秒以内) ；另一部分为慢速控制，主要用于电压和无功 控制，可以在几秒到几十秒内动作。w a c s 已经过模拟实验，可以跟踪连续的故障事件 和控制行为，但尚未投入使用，其最大的缺点是需要大量的专用光纤通道和p m u ，投 资较大。在紧急状态震荡中心变化时，可以利用智能方法寻找最佳解列点的方法【i o 】；基 于系统等值和故障集简化的“在线预决策，在线匹配”稳定系统；以区域性电网为研究 对象，根据电网结构的特殊性提出了分散与集中相结合的控制方案。文献 1 1 提出了基 于信息广域保护系统的紧急控制系统，文献 1 2 贝j j 提出了基于e e a c 的快速量化的在线 预决策，能快速追踪级联事件，并且能快速决定控制行为，预防大停电事故的发生。 在恢复性控制方面，文献 1 3 】对恢复控制提出了三点要求：1 ) 快速的恢复控制极端 重要；2 ) 在事故时要尽量保留厂用电，新的机组要有黑启动能力；3 ) 要有计划地利用 实时培训模拟训练运行人员和调度员。文献 1 4 提出用多代理的方法研究故障在线检测、 在线恢复的思想，目前都处在研究阶段。预防控制、紧急控制、恢复控制是在不同的空 间结构、不同的时间序列所采取的不同控制手段，但是随着大电网的互联程度越来越高， 大停电是系统性、全面性的，因此须从全局观点综合考虑控制手段的协调实施。 1 3 3 国外大面积停电防御系统的现状 据资料【6 l 5 ，1 6 l7 j 加拿大的h y d r o - - q u e b e c 电力公司开发的防御系统p l s s 。h 、旧r o q u e b e c 电网的特点是：长距离输电，距离可达1 0 0 0 k m 。p l s s 包含4 个系统，涉及的 稳定包含电压崩溃和暂态稳定，要求系统的反映时间在2 0 0 m s 左右。 巴西稳控系统( s p s ) 将整个电网分为多个稳定区，各个稳定区依据各区电网情况投 入s p s 系统，s p s 系统是快速考虑各种严重故障的稳控系统。各区的s p s 的主控制器安 装在变电站，同时各个安全区域的s p s 之间的通信也有充分的保证，通信信道为双通道 备用，整个s p s 的相应时间为2 0 0 m s 左右。 日本东京电力公司的t e p c o 系统为解列稳控系统，在发生大故障时，t e p c o 的目 标是解列系统以保证重要用户的供电，中心计算机每2 s 完成解列控制策略计算，该系 5 1 绪论硕士论文 统在1 9 9 9 年1 1 月曾经成功动作，一架飞机撞上了给东京供电的2 7 5 k v 线路，虽然解列 损失了1 6 1 0 m w 的负荷，但保证了4 0 0 m w 重要用户的供电。法国e d f 电力公司的防 御系统。e d f 电网由2 0 个控制区域组成，该稳控系统类似s p s 系统，但采用各区的相 角测量值来判别稳定。e d f 建立了一个集中广域保护中心计算机系统，在检测到电网失 去暂态稳定时，解列电网并进行减负荷，从监测到系统失稳到广域保护完成，必须在1 3 s 内完成。 1 3 4 大停电防御控制在我国工程实践上的现状 近年，随着超高压电网中无人站、集控中心站的出现，以及光纤通讯的广泛应用， 使得在地域行政区划国土面积范围内的电力系统，施行分层分区统一实时控制成为可 能。国内电网在规划建设时，由于历史原因就已经带有强烈的行政区划色彩。 以南京为例【1 8 1 ，目前南京2 2 0 k v 等级的变电站有2 8 座分别由3 个2 2 0 k v 集控中心 站控制。5 0 0 k v 等级的变电站有4 座由1 个5 0 0 k v 集控中心站控制，分别是5 0 0 k v 东 善桥变电站、5 0 0 k v 龙王山变电站、5 0 0 k v 三汊湾变电站、5 0 0 k v 回峰山变电站；现阶 段实行集中监控、操作，监控中心设在5 0 0 k v 东善桥变电站。由设在5 0 0 k v 东善桥变 电站的监控中心统一施行远方监视、控制。 经过我国科研人员近十年广的共同努力，实质上已经建立了一个电力大系统的软件 跟踪指挥系统简称“数字电力系统 ( d s p ) 的可实施性的基础构架，整个d s p 可以看 作是由三道防线构成的灾变防治体系。 近期定位介于第一、第二道防线之间的“江苏电网安全稳定实时预警及协调防御系 统( e a c c s ) 已由南京南瑞集团公司以及江苏省电力公司【l9 】在全江苏电网陆续投入使 用，该系统兼容了稳态及暂态的全部过程。 1 4 论文的主要工作 纵观我国电网现状，在电网相当健全的今天( 江苏电网按抵御n 一1 方式下的故障设 计，南京已经建成5 0 0 k v 、2 2 0 k v 两个电压等级的双环网电网结构) ，足以威胁到系统 稳定的故障必然是类似于某段母线全停、误切发电机组、甚至全站停电、全厂停电等极 端恶性事件。在此类故障下元件保护必然会有：线路保护延时段动作、母差、主变保护 以及失灵等少数几种保护信号发出，这些信号发出后往往需要带大于l o o m s ( 5 个周波) 的延时才能出口去跳开相应设备至使极端事件完全发生【2 0 】 2 。 1 4 1 极端故障下稳定控制策略 论文采用以少数几种保护信号来判定故障的必然发生，而不进行基于电流、电压量 算法的判别。 然后在l o o m s 左右的时间段内计算完论文所提的稳定策略算法( 涵盖静态与暂态稳 6 硕士论文 大电网极端故障情况下的稳定控制策略研究 定范畴) ，以计算出对应的出力、负荷以及潮流的优化控制措施。等待故障事件延时结 束后出口跳开关的同时也完成基于能量的优化控制。 这样可以做到极端故障事件的跳令与优化策略动令同时出口，将最有利于暂态及动 态稳定。这样这种控制将至迟在故障发生后1 s 内完全介入( 考虑了失灵保护的延时整 定) 。使得单一极端故障下能够通过有选择的实时切除负荷、出力、线路来使系统在故 障后仍能保持一个较高的稳定裕度，能够在可能的下一个连续性极端故障情况下保持大 系统稳定。如果假想的下一个故障真的发生了，那么再次通过算法有选择的实时切除负 荷、出力、线路将故障后系统调整到一个可获得的高稳定裕度，以期在可能的下一个连 续性极端故障情况下仍能保持大系统的稳定。 一 以这种控制策略对故障下的电网进行紧急控制，可以预见，在任何极端严重故障的 情况下，都可以保证电网最大程度的局部稳定，可以最大程度的避免发生整个网架崩溃 事故。 本文所涉及的“极端故障 ，是指能够使系统发生失稳的事故及异常。 1 4 2 基于控制策略的仿真研究 利用v c + + 语言为手段建立了仿真实验平台，并以经典算例为蓝本对仿真平台的正 确性进行了验证。在仿真实验阶段，首先对河南电网“6 2 5 事故重点进行了暂态阶段 的仿真分析，验证了论文所提暂态分析理论的实际可行性。其次，以0 5 年海南电网崩 溃的实时过程及数据为背景，在加入控制策略的情况下利用仿真平台重演了海南电网故 障的全过程。通过实验结果可以看出，在引入论文所提出的大电网极端故障情况下的控 制策略后，海南仿真电网系统虽然经历了和实际情况相一致连续故障的分阶段反复打 击，但最终调整后的海南电网各参数依然可以满足稳定运行条件，海南电网仍然可以稳 定的运行。因此论文所提出的电网稳定控制策略，在稳态暂态阶段都得到了很好的验证， 证明该策略是可行的。 1 5 本课题的实践意义 上述控制策略想法的提出，正是基于近期电网控制技术与实践新的发展趋势，以及 笔者长期超高压一线运行实践经验。该控制策略是可以在故障发生后短期内完全介入的 新型控制方案。 笔者期望通过这种控制策略的提出，可以给正在探索中前进的中国电网稳定控制技 术，提出一点新的思路。通过初步及以后更加深入的研究，如果能够完成这种全新控制 策略的涉及稳态、暂态的完备理论与实际的验证，并能最终应用于生产实践。到那时， 我国的电力大系统将真正成为安全的电网；同时对于现在正在探索中的全国电力市场建 设以及全国跨区电网互联工程都能起到关键性技术的作用。 7 2 稳态控制模型的研究及建立 硕士论文 2 稳态控制模型的研究及建立 2 1 基于经验的控制策略探索 在极端故障的情况下，现行的稳定计算方法多采用将系统通过高阶数学模型等值 后，将各个观测节点的电流电压量作为已知量代入并求解数学模型，来获得系统是否稳 定的判据量。但是由于模型阶数高、非线性方程组结构复杂、且在故障状态下电流电压 值往往是不正确的，所以目前完善的关于系统在线实时的暂态、稳态控制系统还没有， 目前引入实际应用的也仅仅限于少数重点线路的切机及联跳负荷开关的小规模系统。 2 1 1 基于保护信号的控制策略 论文拟根据现场实践经验，采用仅依靠少数几种保护信号来判定故障的真实存在及 故障准确定位、测距的算法，且尽量避免进行繁琐的基于电流或者电压的判别。然后在 极短的时间段内计算完成各种稳定策略算法，以计算出对应的出力、负荷以及潮流的优 化控制措施。等待故障事件延时结束后出口跳开关的同时也出口以完成基于能量的优化 控制。 这样可以做到极端故障事件跳闸与优化策略实施同步进行( 同时发跳闸命令) ，将 最有利于暂态及动态稳定。这样这种控制将至迟在故障发生后很短的时间内完全介入。 使得单一极端故障下能够通过有选择的实时切除负荷、出力、线路来使系统在故障后仍 能保持一个较高的稳定裕度，能够在可能的下一个连续性极端故障情况下保持大系统稳 定。如果假想的下一个故障真的发生了，那么再次通过算法有选择的实时切除负荷、出 力、线路将故障后系统调整到一个可获得的高稳定裕度，以期在可能的下一个连续性极 端故障情况下仍能保持大系统的稳定。 2 1 2 控制策略的现实依据 以上基于保护信号的控制策略不是凭空想象或者任意杜撰的，而是基于以下这样的 长期运行实践经验和生产事实，并经过认真总结得出的。主要依据如下。 1 ) 目前系统中针对元件保护( 第一道防线) 的技术是成熟的、可靠的。第一道防 线对于网架而言就是各种元件的“继电保护 和“自动装置”。近年来随着强化主保护、 简化后备保护以及重要元件保护双重化配置等继电保护配置思想地成形，使得简单故障 完全可以在5 0m s 内被隔离。 特别是经过近期普遍实施的所用直流系统改造工程，保护用直流电源的可靠性已得 到很大的提升，即使在交流全失的情况下也可保证2 0 小时以上的直流供给。再加上现 在普遍实行的保护双重化配置思想、以不同厂家不同原理双套分差作为主保护的配置思 8 硕士论文 大电网极端故障情况下的稳定控制策略研究 想的落实。现在保护据动的可能性越来越小，几乎到了可以忽略的地步( 在笔者多年的 一线运行实践中没有发生过一例) 。 2 ) 目前应对大的网域故障或者一般性故障，除了依靠保护、自动装置的介入外， 主要依靠的还是调度、运行人员的人工对事故进行判断和处理。不论这种人为的处理是 在何种情况下做出的，按照华东网局的5 1 5 分钟汇报制度则，在故障后1 5 分钟内故障 类型、故障测距、处理方案都必须完成。这也就是讲，在现行制度下人工智力的介入时 间最迟为1 5 分钟。实践证明，在这种情况下人们主要基于装置信号量而不是电流电压 实时值的判断，是极其准确的高效的。这就证明了，故障情况下整个系统的故障状态， 对于后台自动装置的信号量是具有能观性的。 正是基于以上两点，在高速计算机、适当的算法帮助下，把第二道防线的动作时间 大大提前，甚至提前到第一道防线的动作时间是可能、可行的。 2 1 3 电网稳定控制模型结构概述 随着电力系统百年的大发展，其稳定控制技术，也经历了从简单的线性控制，到复 杂的非线性控制的过程，其主要控制方法也日益成熟和复杂化。在大系统稳定性控制方 面，现在的主流方法采用的是，首先建立系统中各元器件的高阶数学模型，然后将这些 数学模型或经过一定简化后的模型，采用直解算法或代数求解方法进行计算。用数学数 值分析的方法，来推演、判断电网在经历一定的扰动后，是否能够满足系统稳定的稳态 及暂态约束条件。 但是随着电力网络的不断扩大，同一系统中所含有的元器件数量也越来越多，最终 导致采用以上方法的计算速度放缓。在实践中系统稳定性计算的应用，往往被局限于调 度辅助系统和网架前期验证等领域，而无法直接应用到更核心的实时故障恢复方面，就 是受制于采用常规建模方法无法满足电力系统对控制快速性的要求( 通常要求在2 0m s 左右就完成所有的计算及通讯) 。 为了大幅度地提高负控方案的计算速度，可以考虑在损失掉一定精确度的前提下， 用如下的计算方法来达到高速求解的目的( 对应图2 1 所示) 。 1 ) 接受故障状态的信号量。启动量采用保护及自动装置的信号量、线路保护速动 段动作量、距离零序延时段保护启动量、开关失灵信号、母差启动信号、远跳信号、切 机信号等作为判剧。 2 ) 判断故障发生地点、主网即将损失负荷及出力、故障类型及测距、更新可控负 控开关表及系统故障后主接线图。 3 ) 以稳态条件下的电力网络节点电压方程数学模型为背景，引入电网稳定控制方 案的选择与判别模型，采用遍历搜索的模式求出初步的稳定控制方案。即，稳态下的快 速负控方案计算阶段。 9 2 稳态控制模型的研究及建立 硕士论文 4 ) 对初步方案，进行暂态条件下的选择与暂态稳定性判别。即，初步稳控方案的 快速暂态稳定性筛选阶段。 5 ) 发出稳定控制指令。 由于电力系统自身显而易见的系统庞大性、波动过程的复杂性，以及现行理论的不 充分性，决定了完成上述理论研究步骤不可能一蹴而就，因此论文只特别针对上述步骤 中的第3 步、第4 步进行深入地研究，其他步骤将留在后续阶段的学习中完成。 l o 初步故障判 别、及故障后 一次接线预测 1r 稳态下的快速负 控方案计算 1r 初步稳控方 案的快速暂 态稳定性筛 1 r l控制方案的执行c 动令，i 图2 1 电网稳定控制策略系统结构总图 硕士论文大电网极端故障情况下的稳定控制策略研究 2 2 数学模型的建立 在通常情况下电力大系统故障下的稳定控制，主要分为暂态稳定控制阶段，以及随 后的稳态稳定控制阶段。其中在暂态控制阶段，需要考虑发电机及同步电机的机电及电 磁暂态特性，还需要考虑故障可能引发系统的低频震荡、次同步震荡等因素。并且在暂 态阶段，系统中的各电气量均呈现出不稳定地震荡或衰减的非线性特性，各量均难以准 确地量化、跟踪、反映。在处理大系统的暂态稳定计算过程中，对于发电机的数学模型 有七阶模型、五阶简化模型、三阶简化模型，同样对于励磁系统、调速器、电动机等均 是需要采用高阶数学模型来等值的。因此在暂态稳定控制领域，不论是在系统数学模型 地建立上、求解高次非线性方程组上还是对具体物理过程进行研究上都是相当困难的； 况且时至今日关于电力大系统暂态稳定性控制的许多理论还不够完善，还有很多现象无 法完善地用现有理论进行解释。因此论文，将理论研究重点放在电力大系统故障情况下 的稳态稳定性控制领域，在取得阶段性成果之后，再在后续的研究中将模型引入暂态稳 定性控制领域。 2 2 1 进入研究范围各量值的选取 在状态控制上，表征系统在稳态下的稳定情况的主要有：电压稳定、线路的过载的 稳定、功角稳定、频率稳定等。根据长期的实践经验，在综合考虑到各电气量之间的相 关性的强弱，及表征系统稳定性能力的强弱等因素后。 论文选取大电网中各枢纽变电站节点的电压值( 矢量) 和系统频率，作为系统稳态 稳定性的观察量，以此作为系统稳定与否的判据。 由于论文的研究首先基于稳态领域不涉及系统的暂态过程，因此所计入研究的各电 气量值，均假设是已经收敛于稳定值的电气量值，如果出现不能收敛的电气量值的情况 则判断系统稳态不能稳定。在这种假设前提下，论文选择基于能量平衡的原理来构架整 个系统稳定控制理论无疑最为有利的。所以，论文结合实际，选取系统中各枢纽变电站、 发电厂母线节点的注入功率作为控制量( 有功) ，来对已经判断为失稳状态的系统进行 基于功率平衡的控制，以使其能够恢复到稳态条件下的稳定性运行状态。 自此，论文中的各研究量均已确定。状态量分别为： 1 ) 枢纽变电站、发电厂节点的电压量e ， 2 ) 系统频率h 。 控制量为： 1 ) 各枢纽变电站各负荷开关p ； 2 ) 各电厂出力p 。 论文考虑各变电站及发电厂都有足够的无功功率储备，可以根据需要就地平衡，因 此在仿真过程中不涉及无功补偿过程。 1 1 2 稳态控制模型的研究及建立硕士论文 2 2 2 系统稳定性研究目标函数的确定 1 ) 考虑能量守恒公理 根据能量守恒公理，能量即不会被消灭，也不会创生，只会从一种状态转变为另一 种状态。现给出猜想假设。 假设2 1 ： 任一惯性、绝热系统，在损失单一性质种类的一定量能量之后，以某种方式补偿该 系统同样单一性质种类的等量能量；是该惯性、绝热系统状态不会发生改变的必要条件。 根据假设2 1 的命题，当一个区域性电力大系统在多重极端故障打击下，损失了相 当数量的电源有功出力；那么该系统必须损失相对应数量的负荷才能在最低限度上保证 系统不至于瓦解。 即要求有只也= 0 。 令p ，为由于故障所导致的有功出力损失；p c 为恢复策略所需采取控制的有功值， 此处的控制主要采取切负荷和拍停发电机。假设某一故障对应于有n 个电源点被切除分 别为p 加肋，砌。而基于运算需要有m 个负荷控制量p c l ，p c 2 ，砌需要被执 行才能将系统恢复到稳定状态的情况建立目标函数。 另2 a 。，局2 ， c2 见l ，见2 ，) in mi f 2 蛔( ) = c i x p , , - 儿l ( 2 1 ) ii = 1 t = l i c 是一个非负的实加权系数。 2 ) 考虑到各电力系统中的同心松弛理论 考虑到各完好母线节点与故障点之间的同心松弛原理，列出目标函数。 名。( ) = 口i p d 卜五 ( 2 2 ) i = 1 式中麓为表征第f 个母线节点与故障点之间电气距离的量，在此以第i 个母线节点 与故障点之间的电抗值代替；口是一个非负的实加权系数。 3 ) 考虑到负荷的不同重要程度( 负荷级别) 在实际的电力生产中，对于负荷控制是按照该负荷对于国民经济、社会生活、国家 安全的重要程度划分为三级进行逐级控制的。与之对应列出目标函数为： 3 ( 只) ：b e i p d 卜五 ( 2 3 ) i = 1 式中丑为对应负荷的等级，对应于不同重要程度的负荷采用不同的系数；b 是一个 非负的实加权系数。 4 ) 最后，考虑到目前江苏省电力公司关于事故频率的规定( 故障频率偏差为0 3 h z ， 硕士论文大电网极端故障情况下的稳定控制策略研究 厂4 ( ) = k 宰a h 4 ( 乞) ( 2 4 ) 1 0 ， 幽0 3 h z d = 1 ，0 3 h z 0 5 h z 厶。( 只) = i 所一儿l li mf l1 名。( e o ) = 口i 办卜薯 f 3 ( 只) = 6 l 如卜五 厂4 ( e o ) = k * z h d 10 ， 幽0 3 h z d = 1 ，0 3 h z 0 5 h z 综合式( 2 1 ) 到( 2 5 ) 列写综合系统稳定目标函数方程有式。 nmi ( ) = c i 既一儿f + ( i p d l 木以木6 + 训宰誓宰口) + p a h d l ( 2 6 ) ii = 1 t = l l i = 1 可以看出，求解模型稳定控制方案的过程就是对式( 2 6 ) 求最小函数值即寻优的过 程。根据式( 2 6 ) ，为能够直观的找