湖北电网安全稳定控制系统模式探讨

1/13湖北电网安全稳定控制系统模式探讨摘要探讨了电网安全稳定紧急控制系统的基本结构、类型、要求及决策方式，结合湖北电网的实际，提出了采用在线决策方式，建立湖北电网新的区域型与就地型相结合的稳定紧急控制系统的构想。关键词电网稳定控制；决策方式；N21电力系统安全稳定控制的类型11预防性控制主要是使电网的频率和中枢点电压保持在规定范围内，以及为保持系统功角的稳定性和必要的阻尼水平所实施的控制，其主要方法是加强对电网运行参数的监控，作好运行方式的安排以及配置必要的自控装备等。12紧急控制是指电力系统在紧急或特急状态下为防止系统稳定破坏或运行参数严重超标及事故进一步扩大而进行的控制。紧急控制的手段有发电机强行励磁及串并联补偿装置的紧急投切或强行补偿，汽轮机快关汽门、切机、切负荷、电气制动、低周低压减负荷以及系统解列等。紧急控制是本文研究重点，以下所指电力系统安全稳定控制特指切机、切负荷、电气制动以及系统解列等部分。2/1313恢复控制当电力系统沦为特急或大面积停电状态时，使其恢复正常运行和供电的控制，称为恢复控制。2电力系统安全稳定控制系统综述21基本结构从功能上，安全稳定控制系统可分为6个基本部分，离线决策和在线准实时决策方式所构成的2种控制系统的基本结构见图1，现对照说明如下（1）决策部分它形成控制策略，含控制措施、控制量及对象。（2）检测部分厂、站端的检测部分，实时检测安装点有关模拟量和开关量的状态及变化，并将信息传递到判断部分。在线准实时决策系统还从电网控制中心EMS中获取全网实时信息，为决策提供依据。（3）判断部分接受检测部分传来的信息以及其它厂、站间的信号，识别运行方式，判断故障性质及故障部位。（4）匹配部分根据判断部分传来的信息，与决策部分形成的控制策略进行匹配，选定控制方式、控制量和控制对象，发出控制命令。3/13（5）执行部分接受并执行切机、电气制动及切负荷等控制命令。有条件的电厂，切机、投水阻或直流制动可在执行部分优化。切负荷对象的优化在决策部分实现。（6）通信部分除了最典型的就地型控制装置外，控制系统的不同部分甚至同一部分之间的联系，如策略表的刷新、远方控制命令的传递以及不同厂、站间信号的传递都由通信实现。22基本要求对安全稳定控制系统的要求，综合起来为“五性”可靠性、有效性、选择性、适应性、经济性1。23基本类型目前主要有2种，一是分散型与集中型，二是就地型与区域型2。现将后一种分类简介如下（1）就地型控制其装置单独安装在有关厂、站，相互间独立，如低周、低压减负荷装置。有些靠本站继电保护动作或开关跳闸加某些功率阈值进行判别和控制，如启动近、远切及解列装置等就是典型的就地型。湖北电网目前的稳定控制系统，就属于这种类型。（2）区域型控制4/13分为2类，一类由1个或多个主站和若干子站构成，适用于离线决策；另一类由1个上层自动决策系统、若干下层控制执行装置构成，适用于在线决策。后者用于某些结构较简单的系统，可设置少量中层决策系统，形成分层决策模式。两种类型的站间或层间必须依赖良好、可靠的通信来实现信息和控制命令的传递。24决策方式（1）离线决策指由专业人员选定某些预定的方式和预设的故障，对电网进行N1故障或无故障开断下的潮流、稳定计算，并由此形成控制策略表的过程。离线决策形成的策略表，装入现场具有一定智能的稳定控制装置内，如第一类区域型控制系统的主站，利用装置对故障的判别和对号入座的办法，与决策表索引作近似匹配，选出并执行控制策略。如果现场没有上述稳定控制装置，则控制策略由调度人员根据当前的运行方式，按照就大不就小的原则组织实施，并由现场继电保护装置或开关跳闸启动并发出控制命令，目前湖北电网就是这种方式。离线决策预选的方式和预设的故障及组合考虑再周全，也不可能是实际运行方式和事故的全集，因此匹配只能是近似或不完全的，其控制策略能否覆盖全网所有不稳5/13定的状态，决定于计算专业人员的理论水平、分析能力和实际经验，因而是不确定的。当电源或网络结构有较大变化时，必须形成新的策略表，故其计算工作量大，适应性差。（2）在线决策在线决策是依据当前电网的运行方式和N1故障的全集，由计算机在线所形成的控制策略。它又分为在线准实时决策和在线实时决策。A在线准实时决策它是利用EMS采集的电网实时数据和运行状态，用计算机对预想故障的全集进行稳定计算，形成当前方式下的控制策略表并刷新的一种决策方式。由于计算机运算速度和并行处理技术的快速提高，电力系统暂态分析理论和算法的不断改进及快速事故筛选的研究应用，据有关文献介绍，目前完成一次上述仿真分析的时间，对一个有上百台发电机、上千个节点的电网，大约只需5MIN。一般认为，电网正常运行时，当前的潮流与几分钟以前的潮流没有大幅度的变化，用前几分钟的数据和状态所形成的稳定控制策略仍然适应当前的情况。在线准实时决策面对电网实时潮流、预想事故的全集和基本上不存在失配的情况，对电网的变化适应性强，大量的计算由计算机自动完成，减轻了专业人员的负担。6/13湖北电网EMS高级应用软件中的状态估计已经完成，通信网络也逐步完善，为采用在线准实时决策方案打下了基础。B在线实时决策从实现的方式上可分为2类。第一类是当前电网运行比较普遍的，它们主要靠安装点采集的信息。有的也利用远方开关跳闸信号，即可进行低周、低压、振荡、过负荷等比较简单的判别和控制，多用于系统的第三道防线或单一的热稳定（过负荷）控制。第二类是借助于对事故过程中暂态稳定性的预测来实现的。以下提到的在线实时决策专指这一类型。在线实时决策，指控制对策，是由稳定控制装置6自动确定的，无需提前进行大量的计算。它总是面对当前的电网，能覆盖电网的各种运行方式和各类故障，实现完全的匹配，是一种理想的决策方式。当故障发生时（T0），在线实时决策稳定控制系统从故障检测、稳定性判别、控制策略的制定以及控制指令的发出、传输及执行的整个过程（TT0）有很强的时效性。不同的电网、不同类型的稳定问题以及不同的控制措施、控制量，T0应该有不同的极限值T0MAX。在一个电网中，只能按照事先确定的原则考虑最严重的故障以及可7/13能采取的控制措施来选取一个T0MAX。关于T0MAX的确定，尚未见过有关报导。从当前湖北电网来看，按照N1的原则和一个轮次切机切负荷考虑，T0MAX大概在350450MS左右。由此可见，减去命令的接力和执行的时间，留给实时决策的时间将十分有限，如果将诸如时域仿真法或直接法等稳定计算方法用于实时决策，是很难的。因此，当前关于实时决策方法的研究，大多集中在暂态稳定性的预测上。其主要方法有3类。第一类是利用故障切除时刻的扰动数据实现的稳定判别；第二类利用GPS同步时钟构成同步电压相量测量装置（PMU），对发电机的功角（）进行实时监视，在暂态过程中采集临界发电机群功角I（T）的有限样本，利用回归分析及线性外推方法，预测机组未来的摇摆，判别系统的稳定；第三类是以临界机组故障后功角曲线的近似正弦性为前题的暂态稳定性预测方法。上述方法在控制范围、电网的适应性以及预测的准确程度方面，都存在不少待解决的问题，同时在线实时决策方式对通信、数据采集以及计算机系统的安全性和可靠性等方面提出了更高的要求，因此，除将PMU用于系统解列在国外有报导外3，作为一种比较完美的决策控制方式走向实用，还有漫长的路程。3湖北电网有关稳定问题综述8/13湖北电网经过多年的建设，电源布局和电网结构日趋合理，以武汉为中心的鄂东电网正在向一个坚强的受端电网靠近。再过10年，随着三峡电力外送及其配套工程的投产，湖北电网一定程度上是全国联网的中心。本文所指湖北电网包括境内的220KV、500KV电网。涉及到具体问题时，从当前调度关系出发，特指省调的220KV电网。31电网稳定问题现状（1）暂稳正常方式下，电网绝大部分元件能按三相故障不重合考核，其中在大方式下，部分元件需采取措施，另有个别元件只能按单相永久性故障考核。主要原因是尚有少量保护切除故障时间达不到01S，更换保护后，可以减少或不采用措施。其次是电网结构尚有薄弱环节，如二江外送在丰水时本来就偏紧，后来建成的隔河岩2300MW机组、高坝洲的384MW机组及近200MW的恩施小水电外送电力的部分或全部也汇集于二江，使二江丰水大发时分母运行，而二江湖北侧220KV母线主要外送线路及其对侧母线一旦故障，将使隔河岩、高坝洲等电站与系统的联系大大减弱，造成功率堆积，外送受阻。（2）热稳定过负荷主要集中在部分电厂的外送，如隔河岩1、2号机、二江电厂、阳逻B厂等的出线，以及某些运行9/13方式下，如鄂西北地区等部分断面。热稳定问题控制不及时，会产生功率转移联锁反应，造成大面积停电，这种实例已屡见不鲜，其危害不亚于暂稳。（3）正常检修方式下的稳定目前湖北电网的母线保护修、试，单母线运行，上一级500KV联变或某些断面上重要的联络线检修等，都存在暂稳及热稳定问题，需要控制潮流，采用稳定措施，个别情况还只能保持单相永久性故障的稳定。32稳定控制展望今后10年，湖北电网稳定问题有2个主要特点第一，正常运行方式下，500KV电网将不存在N1稳定问题；第二，在一定条件下，220KV电网将分割成若干片运行，220KV与500KV电磁环网将从大环网过渡到局部小环网，直到全部打开。届时，除个别电厂外送或局部断面上有可能出现热稳定问题外，暂稳问题亦不存在，稳定紧急控制的任务将向正常检修方式下的N1和正常运行方式下预先设定的N2和时间间隔大于策略表刷新周期的任意N2过渡。N2事件是随机的，某些N2事件有灾难性后果，从规划设计、电网结构、运行方式等方面出发解决N2问题往往受资金和环境的制约，因此还必须使用切机、切负荷等稳定措施。10/1333现有稳定控制系统的主要问题湖北电网现有稳定控制系统是从20世纪70年代末80年代初开始形成的，系统采用离线决策方式，策略表由省调调度员按就大不就小的原则进行匹配及控制，故障检测及判断由现场继电保护装置承担，远切主要采用YTJ系列移频装置，少量采用复用载波来传递控制命令。目前的远切通道约80条，收发讯机约160套。随着时间的推移，其存在的问题逐渐显露出来。（1）安全可靠性较差第一，除复用载波装置采用编码方式传递命令外，大量使用的YTJ系列晶体分立元件移频装置平均运行时间约15年，最长有20多年。其设备老化，采用移频方式传递控制命令，抗干扰性能差，曾有多次误动记录。第二，用多级接力方式传递控制命令，收发信机和大多数通道无冗余配置，控制易失效。第三，离线决策方式，人工选择策略表和频繁的人工投、停操作，有可能因失配或疏漏而造成严重后果。（2）选择性差第一，装置简单地靠继电保护永久跳闸作为故障的检测及判断，无法识别单相永久故障和三相故障，在单相故障重合不成功时误切机、误切负荷。第二，通道互相交织，无隔离，使大、小措施不能区分，有可能过切。11/13（3）适应性差第一，措施的增减、投停靠调度员根据潮流的变化来组织实施，操作频繁，工作量大，对潮流变化的适应性差。第二，正常运行方式、事故后运行方式以及电源布局或电网结构发生变化后，均需另行制定控制策略。第三，不适应N2事件的稳定紧急控制。4新的安全稳定控制系统模式构思鉴于老系统存在的问题及为适应今后电网的发展、变化对稳定控制系统提出的要求，必须及早规划，在近期建成新的安全稳定控制系统。41新系统结构根据湖北电网的特点，新系统应选择以区域型为主，与就地型相结合的系统结构。就地型主要用于低周、低压减负荷、系统解列以及可能波及电网稳定的局部地点。就地型不排除与邻近厂、站的通信，如接受对侧线路、开关的跳闸信号等。42新系统的决策方式离线决策方式无法满足电网发展和运行方式变化对安全稳定控制系统的要求，新系统应采用在线决策方式。对就地型，采用本文24B中的第一种类型的在线实时决策方式；对某些解列点，采用PMU装置；对区域型结构，采用在线准实时决策方式。12/1343建设新系统应考虑的若干主要问题（1）冗余性为了保证可靠性，新系统在决策、判断和通信等方面要实现冗余配置。由于EMS主站无故障工作时间达到25000H，且有双机配置和状态估计，因此决策方面要实现在线准实时决策的冗余配置。由于220KV网络结构比较复杂，实现厂、站端的分层决策可能性较小，当因某种原因或在建设过渡期没有准实时决策时，可以远方或就地选用或切换厂、站端装置内存的策略表。任一故障应有2个及以上厂、站端装置能进行判断，形成相同的控制命令，以保证任一厂、站端装置故障或失效时控制的有效性。通信包括中央在线准实时决策装置与厂、站装置间通信。厂、站装置间通信，远切命令等，均应有双通道。（2）安全性装置的软、硬件要选用成熟的产品，要充分考虑防止误动和误判，应以编码的形式来传递信息及命令，在调度端能显示当前运行方式下控制策略，监视被控对象及厂、站端控制装置的运行状态。（3）适应性新系统应能区分单相永久故障及三相故障；能区分不同措施；能实现切机、交直流电气制动和切负荷的优化；能与网调、国调的稳定控制系统接口；装置的投切、措施13/13的调整等勿需调度及值班员进行。5老系统向新系统的过渡51做好总体设计是新系统成败的关键总体设计必须做好调查研究，弄清湖北电网