（电力系统及其自动化专业论文）大电网暂态稳定控制优化研究.pdf

浙江大学博士学位论文 已提出的紧急控制优化模型，为充分借鉴现有优化领域的进展，研究、开发有效 的紧急控制优化算法创造了条件。本文从模型分析、算法设计、应用的角度，依据计 算复杂性理论对此做了初步的探讨。类比n p c 优化领域中典型的o - 1 背包问题，将 现有模型进行了复杂性归类，总结了求解此类复杂优化问题的实用可行的算法思路。 基于t a b u 搜索设计了变邻域结构的局部搜索技术，提供了灵活控制寻优过程的途径； 全多项式时间复杂性近似策略的开发，使得o 1 背包问题的求解成为了n p c 问题近 似算法设计中最为成功的范例。文中阐述了算法1 、2 ( 现有实用的紧急控制寻优算法 和本文构造的算法) 与之的相通之处，指出寻优初始基值策略是影响算法1 、2 性能的 关键因素，而算法1 则是算法2 在基值选择策略上的一种细化，为指导紧急控制优 化算法进一步改善和应用提供了很好的思路。 当前预防控制和紧急控制己被置于同一个优化过程和相应的协调优化框架，建立 了统一研究的优化模型。在此基础上，本文深入发掘e e a c 揭示的电力系统暂态稳定 控制机理，系统地阐明了电力系统暂态稳定解耦控制概念，使包含大量暂态稳定约束 的稳控优化问题第一次获得清晰、直观的阐述，开辟了大电网暂态稳定控制优化的新 思路，为研究具有实际工程价值的大系统稳控优化奠定了必备的理论基础。进而提出 大电网稳控协调的“解耦迭代- 聚合协调”全局优化策略，构造了大电网暂态稳定控 制协调优化的统一算法流程。在该全局优化策略的指导下，结合电力系统暂态稳控的 具体特点，研究、设计了一套具有自身特色的大电网预防控制和紧急控制协调优化算 法，实际电网仿真验证了所提算法的有效性。 本次工作充分发挥了e e a c 在指导电力系统暂态稳定分析、控制中的理论优势， 为建立满足市场环境下互联大电网的安全经济运行要求的暂态稳定控制优化方案奠 定了理论、技术和工程应用基础。通过与工程现场的磨合，可望能早日为全国电网互 联和市场化运营提供实用的稳控优化工具。 关键词：扩展等面积准则；最优化；暂态稳定控制；预防控制；紧急控制；解耦控 制；经典经济调度：启发式算法 a b s t r a c t a b s t r a c t t w ok i n d so ft r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n t r o l s ( t s c ) ，n a m e l yp r e v e n t i v ec o n t r o l ( p c ) a n d e m e r g e n c yc o n t r o l ( e c ) ，h a v eb e e na p p l i e dw i d e l yi nm o d e r np o w e rs y s t e m s p c u s u a l l ye m p l o y sc o n t i n u o u sa c t i o n s ，i n f l u e n c e sp r e c o n t i n g e n c yo p e r a t i o na n d a f f e c t st h es y s t e md y n a m i c sd u d n ga n da f t e ra n yc o n t i n g e n c y e ca c t i o n sa r e u s u a l l yd i s c r e t e c o n t i n g e n c ys p e c i f i ca n d f r e ef r o mi n f l u e n c i n gt h en o r m a lo p e r a t i o n w i t hr e l a t i v e l yl o wc o s t ，p ca c t i o n sh a v et op a yt h ec o s tf o rt h ew h o l ea c t i o np e n o d w h e t h e rt h eo b j e c t i v ed i s t u r b a n c e so c c u ro rn o t t h i sm a yb eu n e c o n o m i c a lo re v e n i n f e a s i b l ei ns o m ec i r c u m s t a n c e s i nc o n t r a s t ，e ca c t i o n su s u a l l yc o s td e a r l y ，a n d n e e dr e s t o r i n gt i m ei ft h eo b j e c t i v ed i s t u r b a n c e sa c t u a l l yo c c u r o b v i o u s l y ，i ti sg r e a t s i g n i f i c a n t f o r a s s u d n gl a r g e s c a l e p o w e rs y s t e m s i n s e c u d t ya n de c o n o m y o p e r a t i o ns t a t e s t oo p t i m i z ep c 、e ca n dt h e i rc o o r d i n a t i o n c u w e n t l ym o s tw o r k so np ce m p l o yt h es e n s i t i v i t i e so ft h es t a b i l i t ye n e r g y m a r g i n t ot h eg e n e r a t o rp o w e r i n j e c t i o n s ，w h i c he x i s ts o m ed i s a d v a n t a g e sa n d t h e c a u s eo f p o t e n t i a ld i v e r g e n c e i n c o m p u t a t i o n a r e a n a l y z e d t h e a m o u n to f p r e - a s s i g n e dh a r m 讪lc o n t i n g e n c i e si nl a r g ep o w e rs y s t e m si sar e a lc h a n l l e n g ef o r p c i nt h i st h e s i s ，i ti ss e t t l e ds o u n d l yt h r o u g hg r o u p i n gt h e s ec o n t i n g e n c i e si n t o s o m es u b s e t sa c c o r d i n gt oe a c hu n s t a b l em o d e ( u m ) p r o v i d e db ye e a c ，a n d i d e n t i f y i n gt h ew o r s tc o n t i n g e n c ya m o n ge a c hs u b s e tb ys t a b i l i t ye n e r g ym a r g i n p r o v i d e da l s ob ye e a c t h e nap r e v e n t i v ec o n t r o lt e c h n i q u ei sp r o p o s e d ，w h i c hi s a c c o r d i n gt ot h a lag e n e r a t o rb e l o n g st ot h ec r i t i c a lo rn o n c r i t i c a lc l u s t e rt oi n s t r u c t t h e g e n e r a t i o na l l o c a t i o n ，a n dt h r o u g ha ni t e r a t i v ep r o c e d u r et oa p p r o a c ht h e a n t i c i p a n to b j e c t i v e s d u d n gt h ep r o c e d u r e ，t h ei n d e xo fs e l e c t i n gt h eg e n e r a t o r st o b ec o n t r o l l e dw o u l db es e tf l e x i b l yw i t ht h eo b j e c t i v e ，s oi td o e sn o tj u s tp r o v i d ea f i n a lo p t i m i z a t i o nr e s u l t ，b u ta n o p e ns c h e m ef o rd i f f e r e n tc o n t r o la i m s t os t a b i l i z e 浙江大学博士学位论文 t h es y s t e mm o s te f f i c i e n t l y , ai n d e xb a s e do nt h ek i n e t i ce n e r g ya tt h ed y n a m i c s a d d l ep o i n ti nt h ec o n t r o l l i n go n e m a c h i n ei n f i n i t e - b u sp l a n ep r o v i d e db ye e a c ，i s b u i l tt os e l e c tt h ew o r s ta f f e c t e dg e n e r a t o r so n l yt h r o u g ho n en u m e r i c a li n t e g r a t i o n s i m u l a t i o n so nar e a ll a r g ep o w e r s y s t e m c o n f i r m e di t se f f e c t t h eo p t i m i z a t i o no fe ci st a k e na sac o m b i n a t i o no p t i m i z a t i o np r o b l e m ，i nt h i s t h e s i s ，w h i c h i s i n v e s t i g a t e d f m mm o d e l a n a l y s i s ，a l g o r i t h md e s i g n ，a n d i t s a p p l i c a t i o no nt h eb a s e m e n to fc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yt h e o r y b a s e do nt a b u s e a r c h ，al o c a ls e a r c ht e c h n i q u ew i t hc h a n g e a b l el o c a ls t r u c t u r e ( a l g o n t h m2 ) i s p r o p o s e df o rt h i s n p h a r dp r o b l e m ，w h i c hp r o v i d e sa na p p r o a c ht oc o n t r o lt h e o p t i m i z i n gp r o c e s sf l e x i b l y i ns o l v i n gn p cp r o b l e m s ，t h ed e v e l o p m e n to fc o m p l e t e p o l y n o m i a lt i m ea p p r o x i m a t i o ns c h e m ef o r0 - 1k n a p s a c kp r o b l e mi st h em o s t s u c c e s s f u le x a m p l e ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ec o m m o np o i n t sb e t w e e nt h es c h e m e a n d a l g o r i t h m l b e i n gi np r a c t i c e ) ，2 ，t h e nd e s c r i b e st h ek e y f a c t o r si n f l u e n c i n gt h e p e r f o r m a n c e so ft h ea l g o d t h m1 ，2 ，w h i c hp r o v i d eag o o da p p r o a c ht oi n s t r u c tt h e i m p r o v e m e n t a n d a p p l i c a t i o no fe co p t i m i z a t i o n d u et ot h ec o m p l e xm u t u a l - i n f l u e n c e sb e t w e e np ca n d e c ，t h eg l o b a lo p t i m a l t s ci se v e nm u c hr n o r e d i f f i c u l t p r o f x u e y ( 2 0 0 2 1p r o p o s e d a g e n e r a l o p t i m i z a t i o nf r a m e w o r kf o rt h ec o o r d i n a t i o n w h e r et h et a s ki sf o r m u l a t o da sa n o n l i n e a rh y b r i d - p r o g r a m m i n gp r o b l e mw i t hb o t hi n t e g e ra n dc o n t i n u o u sv a r i a b l e s a n dw i t hn u m e r o u ss t a b i l i t yc o n s t r a i n t s t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni st h es u mo ft h e d a i l yc o s t f o rp ca n dt h e p o s s i b i l i t y - w e i g h t e dc o s tf o re c 。i nt h i st h e s i s ，at w o - l a y e r t s c o p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi sp r o p o s e d u n s t a b l ec o n t i n g e n c i e sa r e f i r s t l yc l a s s i f i e d i n t os u b s e t s a c c o r d i n g t ot h e i ru m s d u r i n gt h eo p t i m a lp r o c e d u r e ，t h e i ru m s s h o u l d b ec h e c k e da l la l o n gt oi d e n t i f yt h e p o s s i b l ec h a n g e sr e s u l t e df r o mt h ea c t i o n s a l l c o n t i n g e n c i e si ns u c has u b s e ta r eo ft h es a m ec r i t i c a lm a c h i n e s ，t h u sac e r t a i n t s ca c t i o nh a st h es a m eq u a l i t a t i v ee f f e c t so nt h e i rs t a b i l i t y s ot h et w o - l a y e r 一| v a b s t r a c t s t r a t e g yc o n s i s l so f ( 1 ) t h el o w e rl a y e r ，w h i c hc o o r d i n a t e st h ep c a n de ca c t i o n s f o re a c hs u b s e to fc o n t i n g e n c i e sw i t has a m eu mr e s p e c t i v e l y ；( 2 ) t h eu p p e rl a y e r , w h i c hc o o r d i n a t e st h er e s u l t a n tl o c a lo p t i m a ls c h e m e s s e l e c t e db yt h el o w e r l a y e r f o rt h el o w e rl a y e r ，a na l g o r i t h mi sp r o p o s e d i n s t e a do fi t e r a t i o n sb e t w e e n d i s c r e t e e m e r g e n c y a c t i o n sa n dc o n t i n u o u s p r e v e n t i v e a c t i o n s ，t h e a l g o r i t h m s t r a i g h t f o r w a r d l ys e a r c h e st h eg l o b a l l yo p t i m a ls o l u t i o n t h ep r o c e d u r ei n c l u d e s a s s e s s i n ga s e to fi n s u f f i c i e n te m e r g e n c ys c h e m e si d e n t i f i e db ye e a c ；c a l c u l a t i n g t h er e l a t e dp r e v e n t i v ea c t i o n sn e e d e df o rs t a b i l i z i n gt h es y s t e m ；s e l e c t i n gt h e s c h e m ew i t ht h em i n i m u mg l o b a lc o s t sa m o n gt h ea 1 1 s i m u l a t i o n so nac h i n e s e p o w e rs y s t e mh i g h l i g h ti t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h e nt h ec a s e so fs e v e r a ls u b s e t so fc o n t i n g e n c i e sw i t hd i f f e r e n tu m sa r e d e a l tw i t h ，w h e r es o m e p r e v e n t i v ea c t i o n sb e n e f i t i n ga s u b s e to fc o n t i n g e n c i e sm a y g oa g a i n s tt h es t a b i l i t yo fo t h e r s ，t h u s t h ec o o r d i n a t i o na m o n gt h eo p t i m a ls c h e m e s f o ri n d i v i d u a ls u b s e t si s n e c e s s a r y t h ec o o r d i n a t i o n i sa c h i e v e d b yp r o p e d y r e p l a c i n gp r e v e n t i v ea c t i o n sw i t he m e r g e n c y a c t i o n sf o rs o m ei n d i v i d u a ls u b s e t s i t i sf o r m u l a t e da sac l a s s i c a lm o d e lo fe c o n o m i c d i s p a t c h i n g w i t ha d d i t i o n a l g e n e r a t i n gc o s t sd u et ot h ee m e r g e n c ya c t i o n s s u c h a no p t i m a l a l g o r i t h m i s p r o p o s e db a s e d o rt h e a l g o r i t h mo ft h el o w e rl a y e ra n d a l s ov e r i f i e db ys i m u l a t i o n s o nac h i n e s ep o w e r s y s t e m t h i st h e s i si s s u p p o s e db yn a t i o n a lk e yb a s i cr e s e a r c hs p e c i a lf u n do f c h i n a ( n o g 1 9 9 8 0 2 0 3 0 1 ) ，n a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 9 9 2 0 0 3 7 ) a n d s t a t ep o w e r c o r p o r a t i o n ( s p l1 - 2 0 0 1 0 1 - 0 4 ) k e y w o r d s ：e x t e n d e de q u a l a r e ac r i t e r i o n ( e e a c ) ；o p t i m i z a t i o n ；t r a n s i e n t s t a b u 时c o n t r o l ；p r e v e n t i v ec o n t r o l ；e m e r g e n c yc o n t r o l ；d e c o u p l i n gc o n t r o l ； c l a s s i c a le c o n o m i c a l d i s p a t c h ；h e u r i s t i ca l g o r i t h m s v 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 大电网互联作为合作和竞争的一种模式，已经成为当前国际电力工业的重要趋势 【1 】。我国计划在2 0 1 0 年2 0 2 0 年间建成安全可靠、满足电能传输和市场化运营的全 国范围联合大电网仁一。互联不但使系统的动态行为更复杂，也使局部故障波及的范围 增大，更易导致由于相继的连锁故障而造成大面积停电的灾难。我国电网的覆盖面积 大，结构薄弱，各种一次能源的分布和负荷的密度极不均匀，而电源又往往远离负荷 中心，单位装机容量分摊到的标准输电线长度比发达国家的少得多。环保方面的制约 使建设新的发电、输电项目日益困难，对已有设备能力的充分利用显得日趋重要，提 高稳定极限传输功率的要求也越来越迫切。为了合理配置资源，优化电源结构，减小 环境污染，实现可持续发展战略，人们加强了水力1 4 】、核能嘲、天然气1 6 】、风能f 7 】、海 洋能嗍、太阳能恻等多样性资源开发，而这往往伴随着远方输电及稳定性问题，大量分 散的发电厂接入电网也会显著影响系统的安全稳定运行。电力市场的发展更使得设备 的运行越来越接近其热容量，增加了运行条件的不可预知性，亦增强了用户对供电可 靠性和电能质量的自我保护意识。如何保证互联大电网的安全、稳定、优质和经济运 行，是一个重要的具有学术和工程应用价值的研究课题。 作为保证电网在大扰动下的安全稳定运行的经济、有效的手段，预防控制和紧急 控制得到了广泛的应用【1 叫2 1 。如果发现系统处于警戒状态，既可以在故障发生之前通 过预防控制将运行工作点转移到安全状态，也可以保持工作点不变，而在故障发生后 通过紧急控制来维持系统的稳定。故障是小概率事件，在长期付出较小代价和仅在故 障发生后才付出较大代价之间，存在着决策的优化问题，需要从全局考虑解决系统稳 定控制问题的最优方案。研究预防控制优化、紧急控制优化乃至二者的协调优化和自 适应能力对电力市场环境下的全国联网规划，电网运行经济性和安全稳定性的保障都 具有重要意义。 浙江大学博士学位论文 1 2 暂态稳定控制优化研究现状及存在的问题 暂态稳定控制决策至今仍基本上依赖于定性分析、经验及反复的试探，其结果不 但在很多情况下非常保守，并难以完全避免欠控的危险。而过量控制不但不经济，甚 至会引入负效应n3 1 。稳定控制决策是在保持系统稳定的前提下，使控制代价最小的优 化问题。它涉及到预防控制的优化和紧急控制的优化，进而两者之间的协调优化。以 下从该问题的各个要素出发，综述稳定控制优化研究的现状，指出当前研究中存在的 问题。 1 2 1 稳定控制的数学模型 电力系统暂态稳定控制的数学模型除了含有一般的代数微分方程( d a e ) 外，还需 要用差分方程和逻辑语句描述的支路过负荷相继开断及低压低频自动切负荷等事件。 因此，其数学模型包括： ( a ) 运动状态变量的微分方程： 点= q l m j ( f ) 啦= ( x ，z ，_ ，f ) 一只( x ，z ，f ，f ) ( b ) 非运动状态变量的微分方程：之= f ( x ，z ，y f ) ( c ) 潮流及其他代数方程：o ：i ，( x z ，y f f ) ( d ) 描述相继事件的差分方程，如 取= ( 岷+ 。，一。) ( e ) 描述各种逻辑关系的逻辑方程，如z ：a b + c d ( d 在工程上还存在各种运行中的规程要求需要用知识表达方式进行描述，如“” ( s t a t e m e n t ) ，t h e n ( a c t i o n ) ”语句 该数学模型是逻辑- 差分一微分一代数方程( l d d a e ) ，含有强非自治性、强非线性( 包 括开关特性) 。该方程的有界稳定性问题非常复杂，其求解不可能脱离数值积分。预防 控制措施反映在改变大扰动前的数学模型和，或初始条件上；紧急控制措施则反映在大 一，一 第1 章绪论 扰动发生后，数学模型的变化上。 1 2 2 稳定控制优化的目标函数 稳控决策的效果体现在目标函数的定义中。由于控制时机不同，预防控制决策通 常以增加的运行费用最小为目标，文献【14 】将这部分增加的日常运行费用定义为暂态 稳定代价。紧急控制决策则直接以控制措施代价最小为目标。 预防控制可以直接利用机组的燃料费用曲线来近似地评估控制代价【15 。由于紧急 控制措施的多样性，涉及概率和停电损失，故控制代价的合理评价问题更加复杂。同 样的控制措施随着施加地点、时段的不同，其控制代价也不同。实施中还不可避免地 涉及诸如政治、社会、环保以及市场竞争等因素，使问题更具挑战性。文献【1 6 】取目 标函数为针对暂稳约束的发电调整量最小，认为这兼顾了控制的经济性和调节性能。 文献【1 7 】直接以切负荷量最小为目标函数，回避了评价切负荷代价的问题。文献【18 】 将切负荷量与控制过程中节点电压变化值的平方和之间的加权和最小作为目标函数， 试图兼顾经济效益和控制过程中系统的动态品质。 1 2 3 稳定控制优化的约束条件 具有代数等式或不等式形式的热稳定问题可被简单地处理为最优潮流的约束。但 是，高维运动系统的大扰动稳定性分析的本身就是非线性科学中的难点，更不用说要 在最优潮流问题中考虑其动态约束了。在这方面的研究可分为以下几类： ( 1 ) 传统的数值积分判据 数值积分法在非线性运动稳定性的研究中得到了广泛的应用，但其计算量大，需 要专家经验来提供定性结论，没有量化能力。在最优潮流中最通常的方法是，先求取 无暂稳约束下的最优解，再用数值积分来校核。这样的处理，虽然在数学模型的形式 上含有表示暂稳约束的代数不等式，但并非真正的暂稳约束优化。如果校核表明系统 不稳定，算法并不能指导如何通过预防控制来修正原最优解，更无法考虑紧急控制措 施。 浙江大学博士学位论文 文献【17 】采用选定某一时刻t ( 如1 5 s ) ，使该时刻的功角最大值不大于规定值( 如 1 8 0 0 ) ，并允许在摇摆过程中最大相对摇摆角超过1 8 0 0 ，以图在一定程度上减少结果 的保守性；文献【19 】则采用发电机转子相对角小于1 0 0 0 的判据，认为这一判据更适应 于工业实践。不难想象，功角门限值设定上的随意性使得在可用输电容量紧张的情况 下，最优解的动态约束几乎没有实际意义。 ( 2 ) 基于能量函数直接法的判据 在有界稳定性研究中应用平衡点稳定性理论，存在着理论和算法上的困难。这是 基于l y a p u n o v 稳定性理论的直接法至今未能在电力系统稳定性分析中取得实用性进 展的根本原因。文献f 2 0 】提出考虑发电机励磁控制的l y a p u n o v 函数及其构造方法，试 图克服用直接法分析受控电力系统暂态稳定方面的困难。文献f 2 1 】基于能量函数法设 计了一个暂稳切机系统，比较不稳定平衡点处的势能v c 与系统在故障清除时刻的暂 态能量v k 来判别系统的稳定性，v c 按照预先指定的切机量提前计算、存储，并在线 修正，获得紧急控制的切机量。文献【14 】利用势能边界面( p e b s ) 法计算暂稳裕度对机 组有功出力灵敏度，在此基础上将暂稳裕度约束转化为可调发电量与预期稳定裕度的 线性等式约束。文献【1 6 1 中采用了暂态能量函数法( t e f ) 。此类方法存在的问题将在后 面进一步阐述。 ( 3 ) 人工智能方法 人工智能方法基于对系统在训练条件下的行为的先验知识进行归纳。人工神经网 络解决了分类器设计的困难，决策树方法还部分解决了选择特征量的困难。但是它们 都没能解决训练集的有效选取问题和本质上难以完全消除的误分类问题，这不但代价 很大，可靠性也难以保证。文献鹾翻中采用离线培训的人工神经网络获取近似的稳定 裕度和其对于发电功率的灵敏度。文献【2 3 】中利用模式识别法进行暂态稳定判断。 处理暂稳约束的上述方法的共同缺陷是不能提供满足要求的稳定裕度，也就谈不 上提供指导控制决策的灵敏度概念刚。如果不能给出稳定的充要条件，就无法评估受 扰轨迹的稳定程度，也就难以判断原来稳定的系统在参数发生小的变化下是否还能保 持稳定，更无法估计应该将不稳定系统的某参数改变多少，才能使系统稳定。针对大 一4 一 第1 章绪论 扰动稳定性的扩展等面积准则( e e a c ) 提出了高维受扰轨迹“摆次稳定性”的概念以及 评估“摆次稳定裕度”的大扰动稳定性的量化理论和算法，其量化能力又大大减少了 计算量。e e a c 清晰地给出电力系统稳定的充要条件和失稳机理，定量地研究参数空 间中的稳定域、拓扑稳定性、分岔和混沌。e e a c 的发展和完善为暂稳优化决策的发 展提供了一个必备的理论基础。 1 2 4 稳定控制优化的控制变量 网络重构、机组负荷分配、发电备用等措施中的可控变量都可作为预防控制的控 制变量，文献研究最多的是考虑暂稳约束的有功调度问题( 1 4 , 1 6 , 1 9 , 2 2 , 2 3 。紧急控制措施 种类更为多样【1 0 】，灵活交流输电系统伫5 】和超导储能系统皿6 】等新技术也日益受到关注。 预防控制的控制变量往往构成连续空间，而紧急控制的控制变量空间往往是不连续 的。 目前在紧急控制方案设计中，控制措施的取舍上大都基于经验和仿真的定性比 较。送端如果有电气制动，往往是首选的控制措施：直流功率调制的技术性能和经济 性都远优于切机措施同；f a c t s 的最佳装设地点和相互协调也是研究的热点随2 8 ，2 9 。 1 2 5 稳定控制优化的寻优策略 一般都将稳控决策处理为线性规划【1 4 , 16 l 或非线性规划 1 5 , 1 7 - 1 9 , 2 2 ，矧问题。然后选取 通用的求解方法，如文献【2 2 】采用简约梯度法( r e d u c e dg r a d i e n tt e c h n i q u e ) ，文献 【1 5 ，1 8 】采用的广义简约梯度法( g e n e r a l i z e dr e d u c e dg r a d i e n tm e t h o d ) 等。 灵敏度系数都是运行点局部信息的近似，非线性优化问题具有迭代的本质，而有 效的迭代方向就需依据系统稳控的内在规律。仅考虑局部性能的运行策略和控制措施 可能会恶化全局的安全稳定性。文献【3 0 】指出了e e a c 关于多机系统稳定控制的规律： ( 1 ) 所有紧急控制措施对前向摆和反向摆的影响相反；( 2 ) 临界群中的机组对稳定的影 响与非临界群中的相反；( 3 ) 某一个因素在减少临界群加速功率的同时，也有可能减 少其互补群的加速功率；( 4 ) 当多种措施起作用时，其综和影响由稳定裕度函数决定。 这些规律性知识对指导算法的迭代方向和增进搜索的效果有重要价值。迭代过程 一s 一 浙江大学博士学位论文 中利用稳定裕度的定量指标可以有效地提前检测并避免控制负效应的发生。临界发电 机群、临界负荷群等概念有助于克服搜索过程中控锖8 措施变量其控制量选择的盲目 性。搜索中优先选择的是控制措施的性能代价比最大的方向而不是通常采用的控制代 价晟小的方向刚l 。充分考虑具体系统控制中的内在性质并借鉴数学优化发展的成果则 可望获得具有问题特色的高效解法。 1 2 6 稳定控制的决策、实施时机 用全球定位系统可以得到系统实际的受扰轨迹，但无助于对控制措施效果的评 估，故理想的“实时计算，实时控制”方案至少在可以预见的未来并不可能。 长期以来，预防控制和紧急控制都采用“离线预算，实时匹配”事前决策的方式。 决策过程是针对系统不同的典型结构和初始工况，以及一组预定的事故逐个进行离线 试探，为预防控制编制在线运行规程，为紧急控制提供控制策略表。这种传统的“离 线”方案难以保证上述典型工况之一能够合理地代表实际的工况，特别是当系统发生 了多重相继开断后，事前编制的运行规程不再能指导调度员进行预防控制，事前编制 的控制策略表不再能为紧急控制提供实时匹配。这种事前决策方式也缺乏对系统扩展 的适应能力。 “在线预决策，实时匹配”方案的提出【3 2 】和实际工程的应用删打破了长期制约预 防控制和紧急控制决策的瓶颈。“在线预决策”方案一方面用“在线”特性基本消除 了工况不匹配引入的误差，另一方面又以“预决策”方式使耗时的决策过程在扰动发 生之前就完成复杂的优化搜索并存储备查，回避了实时决策对时间的苛求( 如5 m s ) 。 随着稳定性量化分析能力和计算机技术的发展，上述预决策过程所需要的时间将不断 减少。如果有一天这个过程可以在5 m s 内完成，实时计算也就实现了。从这个观点出 发，不妨将理想的“实时计算，实时控制”方案视为“在线预决策，实时匹配”方案 发展的极限。 预防控制是在没有扰动的情况下施加控制措施的，它没有紧急控制那显而易见的 紧迫性，但增加了正常运行状态下的运行费用。这些特点使得预防控制决策研究始终 以安全与经济之间的协调为重点。因此“在线预决策，实时匹配”方案为紧急控制决 策和预防控制决策模型研究上的统一奠定了技术基础，使得安全性和经济性的优化协 调贯穿于暂稳控制决策全过程，经济性体现在目标函数中，而安全性反映在约束条件 中。 1 3 本文研究的可行性依据和基本思路 通过暂态稳定控制优化研究现状及存在问题的评述，不难总结出开发工程实用的 大电网暂态稳定控制优化所必须具备的三个基本条件：( 1 ) 量化的稳定分析理论：( 2 ) 工程可行的控制方法和相关的技术支持；( 3 ) 实用的高维复杂寻优技术。条件( 1 ) 、( 2 ) 是本次工作的可行性依据，条件( 3 ) 则是本次研究的重点。稳定量化理论提供了可行的 控制方案，而后者则提供了暂态稳定控制优化统一研究的技术基础。 1 3 1e e a c 提供的理论基础 从最初为了寻找多机电力系统暂态稳定性的快速定性识别方法，而提出的具有简 单解析形式的静态e e a c 3 4 , 1 ，直至形成一个全新的非线性动力学分析方法论基于轨 线保稳降维方法论p d r ) 阁。其间历经了动态e e a c 3 6 3 7 1 、集成e e a c c 3 8 、互补群 群际能量壁垒准则( c c e b c ) 的稳定性方法和理论的研究阶段，反映了探索客观规律的 一个逐渐深入的过程，一个具体学科原理向一般普遍性规律的演绎过程。其中的基本 思想是贯串如一的。 ( 1 ) 揭示系统暂态稳定现象的内在规律 e e a c 理论之所以率先开创了研究电力系统暂态稳定性的全新局面，根源在于其 揭示了此类稳定现象的内在规律：群间相对运动严格地反映了系统的暂态稳定规律。无 论系统的暂态行为如何复杂，系统的暂态稳定特征总可以在至少一对互补机群间的相 对运动中得到反映。复杂多变的稳定现象被如此简洁直观的诠释，曾使得e e a c 受到电 力学术界的普遍质疑。随着分别从几何直观【3 9 】和数学描述的角度m 】对其基本思想的严 格证明，特别是国p q # l - 大量不同特性电网实践的证实4 3 ，这一局面已有所改变 4 4 , 4 s 。 7 浙江大学博士学位论文 ( 2 ) 开创系统暂态稳定量化分析的先河 e e a c 理论利用互补群惯量中心相对运动变换( c c c o i r m ) 严格的描述暂态稳 定的内在规律，成功地将经典的等面积准月j j ( e a c ) 拓展到非自治单刚体运动系统的量 化分析，从而实现t z l - 自治非线性多刚体运动系统稳定性的量化，开辟了电力系统暂 态稳定量化分析、控制领域研究的新途径。 ( 3 ) 奠定系统暂态稳定分析、控制的工程应用基础 e e a c 的魅力不仅在于其简明而深刻的暂态稳定内在机理的揭示和量化分析能 力，还在于其并不依赖于动态系统的细节，适用于任何详细模型和复杂场景以及多摆 稳定性的定量分析，同时保持了极少的计算量。作为从已有的运动轨迹中提取稳定性 信息的理论，e e a c 普适于现场实测、利用物理模型得到的或者利用数学模型得到的 轨迹，普适于不同的系统规模、模型、扰动场景、动态过程。其量化能力大大减少了 积分的次数，缩短了积分的时间长度，简化了积分的复杂性，提高了计算效率。 依据稳定机理、量化指标提出的高维空间中受扰轨迹的摆次稳定性、摆次稳定裕 度、主导模式、潜在危险模式等概念和控制参数灵敏度、参数极限值、参数稳定域、 注入空间稳定域等信息为清晰、方便地分析和控制系统暂态稳定性奠定了基础；提供 了分析控制间的非线性交互影响、拓扑稳定性、分岔和混沌研究有力的分析工具。 e e a c 已成为稳定研究的理论武器，和系统离线规划、在线运行和稳定控制的工 程实用工具。一方面，e e a c 数学基础在进一步的完善 4 - 4 9 ，由其演绎形成的基于轨 迹的非线性动力学分析方法在任意阶微分代数方程组描述的动力系统酬、分岔和混沌 等回归运动的机理研究带来了新的创意i s ”。另一方面，e e a c 在国内外大型电力系统 的规划、离线分析、在线暂态稳定监视、控制中得到了广泛的工程应用嘲。 1 3 2 在线控制方案提供的技术基础 紧急控制中的安全和经济之间的协调研究长期受到两方面因素的制约： 客观方面：早期技术上多为分散就地控制，控制装置只根据本地信息按照固定逻 辑、查表或实时估算控制量。这种结构本身几乎没有也很难明确地考虑控制中的经济 - 8 - 第1 章绪论 效益。 主观方面：研究人员的观念受到两方面的影响：( 1 ) 现场运行经验和运行人员的 要求。由于紧急控制自身的特点，其控制实施中的紧迫性和突如其来的紧张局面对现 场人员造成的巨大心理压力，迫使人们形成急于摆脱而不顾控制代价的感性体验；( 2 ) 长期技术上的滞后也导致观念上的保守。尽管离线方式提供了足够的分析计算的可 能，但现场运行环境的复杂多变使得控制策略表的配置不得不按“宜粗不宜细”的原 则侧，希以保守的控制来弥补匹配中的误差。 通常认为安全是最大的经济，一次大的系统灾难性事故可以抵消几十年的经济运 行成果。不能保证安全的系统经济性要求是无本之木，无源之水。但正如文献【5 4 】中 指出的那样：对系统动态的不了解会造成对系统稳定问题非理性的恐惧，因而采取过 分保守的措施，造成严重的经济损失。当前随着大系统理论的发展，和现代通讯、计 算机技术的应用，区域性集中控制、分散协调控制等着眼于全局的控制系统结构为控 制中的安全经济协调提供了广阔的空间，从而使技术因素的制约得到改观。然而保守 的观念却根深蒂固，并影响到技术上的应用。伴随优化理论在工程界的广泛应用，研 究中的观念则以不同形式的优化目标得以体现：以反映系统轨迹返回故障后平衡点吸 引域的最小时间为优化目标的策略产