暂态稳定预警与预防控制系统的开发和应用

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net暂态稳定预警与预防控制系统的开发和应用张　怡1,吴文传1,张伯明1,万　源2,孙素琴3,伍双喜1(1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京市100084;2.江西电力调度通信中心,江西省南昌市330077;

3.河南电力调度通信中心,河南省郑州市450052)

摘要:介绍了一套已在省级电网投入实际运行的暂态稳定预警与预防控制系统。首先,介绍了该系统的功能框架和软件模块构成。其次,分析了系统的关键技术与算法。系统实现了4种不同发电机、负荷增长方式下的传输极限算法,满足在线调度决策的需求。另外,实现了基于能量函数灵敏度的预防控制策略生成算法。结合工程实践,开发了若干实用化技术,如采用节点—开关模型以适应在线运行方式多变性的特点、孤岛稳定误判的解决方案、发电区和负荷区的自动分区方法等。关键词:暂态稳定评估;预防控制;势能边界法;极限传输容量;灵敏度

收稿日期:2009208224;修回日期:2009211211。国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2004CB217904)。

0　引言随着中国电网规模越来越大,电网运行方式的多样性和多变性越来越突出,区域间的功率交换更加频繁,线路的负载率大大提高,电力系统的运行越来越接近其稳定极限,因此需要从各个方面对电网安全进行评估,而其中暂态稳定性是电力系统安全稳定的重要方面[125]。美国电力科学研究院(EPRI)于1998年在能量管理系统(EMS)上实现的在线动态安全分析[6],首先读取EMS实时数据,然后用多台集群计算机分担大量的预想事故安全分析的任务,最后给出安全分析结果和传输断面极限值。欧洲联盟2001年支持的研究计划OMASES[7](openmarketaccessandsecurityassessmentsystem)重点研究了暂态稳定评估和电压稳定评估,并实现了与EMS的接口。作为EMS的新增功能,它的计算周期为30min,但是没有现场工业应用的后续报道。意大利[8]、巴西[9]等国家也开展了相关研究。中国已开发了在线动态安全分析系统[10],并提出了电网安全稳定综合协调防御系统,已在多个电网得到了应用[11212]。本文介绍的暂态稳定预警与预防控制系统,一方面实现了在线跟踪评估与决策,能够在线监视电网的运行状态,给出严重性故障排序及关键断面的实时传输极限,并根据灵敏度信息给出提高电力系统暂态稳定的预防控制措施;同时,进一步开发了基于超短期预报的未来15min的安全预报功能,为预防控制留出时间裕度。1　系统功能框架设计暂态稳定预警和预防控制系统功能结构由预处理模块、稳定评估模块和预防控制模块3个部分构成。系统的基本功能结构图如图1所示。

图1　暂态稳定预警与预防控制系统基本功能框架Fig.1　Functionframeworkofearlywarningandpreventivecontrolsystemfortransientstability

111　预处理模块预处理模块是后续模块的数据来源,它可以让不同的用户建立属于自己的计算用数据。该模块又包含4个子模块。1)故障集编辑模块:定义预想事故集,包括线路、母线、变压器的单元件故障及其连锁故障、切机、切负荷等节点扰动。特别地,母线故障设置支持母差动作,自动根据运行方式跳开对应的线路、变压器。跳开的方式有2种:①有选方式,即母线发生故障时,与母线物理相连的开关(包括母联开关、线路近端开关和变压器高压侧开关)相继跳开;②无选方式,即母线发生故障时,与母线电气相连的开关(包

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第34卷　第3期2010年2月10日Vol.34　No.3Feb.10,2010© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net括线路近端开关和变压器高压侧开关)应该相继跳开,母联开关无需跳开。2)传输方案编辑模块:定义计算极限传输容量的功率传输路径,包括设置包含线路、变压器的传输断面、隶属于该传输断面的发电区和负荷区。3)控制参数编辑模块:设置各种计算用参数,如仿真步长、仿真稳定判据、发电机调节代价及其调节上下限等,也可以定制仿真过程中发电机功角、线路、变压器电流功率等参变量曲线。4)在线任务编辑模块:设置在线扫描的预想事故集、在线监视的关键断面、门槛值、启动周期、启动条件等。用户修改的参数,保存后下一启动周期即可生效。112　稳定评估模块稳定评估模块包含3个子模块:故障筛选与排序模块、详细仿真模块、传输极限计算模块。故障筛选与排序模块首先采用势能边界(potentialenergyboundarysurface,PEBS)法对所有预想事故进行筛选,并按照极限切除时间对预想事故进行排序,按电压等级和元件类型分类排序得出严重事故,交给详细仿真模块计算。详细仿真模块采用二分法计算系统的精确极限切除时间、暂态电压、暂态频率[13]等稳定性指标,如果详细仿真模块扫描结果为无失稳故障,则进入传输极限计算模块,计算关键断面的传输极限,否则进入稳定控制模块。稳定评估模块的动态元件仿真模型包括可以考虑励磁器、电力系统稳定器和调速器的各阶发电机模型,恒阻抗和感应电动机的负荷模型,以及静止无功补偿器模型。由于严重故障详细仿真和关键断面传输极限的计算量很大,本系统采用基于PC机集群电网安全稳定预警平台的分布式计算方式[14],其计算速度与精度能够满足电网的实用化要求。稳定评估模块同时支持在线预警模式和研究态模式。在线预警模式主要面向调度员,针对实时电网断面数据以及未来15min的预报潮流断面数据进行连续自动评估,无需人工干预,并在客户端以曲线和列表等直观形式显示评估结果。本系统基于超短期预报潮流技术,预测出15min后的潮流分布,并根据预测到的潮流分布驱动稳定评估模块,给出未来15min的系统稳定性指标和关键断面的传输极限,从而对电网安全水平的未来发展态势给出了更全面的评估。研究态模式主要面向运行方式分析人员。在此模式下,运行人员不仅可以对历史断面(日最大负荷、日最小负荷等断面)进行稳定评估,还可以分析检修方式以及未来电网的某种发展方式下(规划电网)的系统稳定情况。用户可以通过实时态和规划态的切换来比较实时态和规划态下电网断面的稳定评估结果。该功能可以用于电网运行方式的研究和对未来运行方式的稳定计算分析,为电网的生产组织和电网规划决策提供了技术支持。113　稳定控制模块提高暂态稳定安全的预防控制策略是通过重新分配发电机之间的出力,提高电网的暂态稳定裕度,

增强电网的抗干扰能力。利用暂态稳定裕度对发电机出力的灵敏度来指导发电机出力的调整,给出预防控制的建议策略。当稳定评估模块发现系统存在失稳故障、严重故障时,会自动驱动稳定控制模块启动基于PEBS

法的预防控制给出发电机出力的调整量。预防控制策略满足发电机的出力限值要求,并考虑各个发电机的调节代价,选取可行的发电机调节方式作为该故障下的系统预防控制措施。与稳定评估模块类似,稳定控制模块也提供研究态分析的功能。调度员可借助此功能离线分析系统的稳定情况,制定预防控制措施。

2　系统的算法特点211　关键断面传输极限的计算方法关键断面的传输极限是表征系统安全性的主要指标之一。本系统中的断面传输极限采用连续潮流的计算方法[15],并同时给出4种不同的发电机、负

荷增长方式下的传输极限。按调节速率的增长方式和按发电机裕度的增长方式是运行方式分析人员计算传输极限的常用方式,而乐观、悲观增长方式[16]则帮助调度员正确把握系统关键断面的安全水平,

为其进行合理的调度操作提供有益的辅助决策信息。本系统实现以下4种发电机、负荷增长方式:

1)按调节速率的增长方式:设所有发电机的每步总调节量为λ,发电区中发电机i的调节速率为αi,则发电机i的每步调节量按照发电机调节速率来

分配,即λαi/∑iαi;同理,若负荷区中负荷k的调节

速率为βk,则负荷k的每步调节量为λβk/∑kβk。αi和

βk需人为指定。

2)按发电机裕度的增长方式:设发电区中发电机i的基态出力为αi,发电机i的出力限值为Ai,发

电机i有功出力的可增裕度为Ai-

α

i,若所有发电

机的每步总调节量为λ,则发电机i的每步调节量为λ(Ai-αi)/∑i(Ai-αi)。不难发现,这种调节方案

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最终的结果是:在满足稳定性的前提下各台发电机同时达到出力限值。3)乐观增长方式:用PEBS法计算出系统稳定裕度对发电机出力的灵敏度[17],并对发电机出力的

灵敏度进行排序。乐观增长方式的目标是使断面尽可能多地输送功率,故先让对系统稳定裕度灵敏度大的发电机增加有功出力。4)悲观增长方式:这种增长方式的计算过程与乐观增长方式的计算过程类似,不同的是这种增长方式,首先让对系统稳定裕度灵敏度小的发电机增加有功出力。212　基于PEBS法的预防控制基本原理预防控制是保证电力系统安全运行、防止系统出现大规模事故的有效手段[10]。预防控制是指通过调节系统的控制变量,合理安排运行方式,提高系统的暂态稳定水平,以改善其在暂态过程中的动态性能,通过调整,使得系统在某些故障下由暂态不稳定变为暂态稳定。本文采用PEBS法实现了预防控制策略的生成。由于PEBS法只解决功角稳定问题,本文中的预防控制也只针对功角稳定问题。经典模型下,由PEBS法计算出的系统稳定裕度[17]定义为当前故障下的系统暂态势能与系统暂态动能之差ΔV。若ΔV>0,则系统稳定;若ΔV=

0,则系统临界稳定;若ΔV<0,则系统不稳定。稳定裕度可以用下式表示:

ΔV=ΔV(θcl,ω～cl,θu,Ppfi,EiEjBpfij,EiEjGpf

ij)

i,j=1,2,…,n

(1)

式中:θcl为故障切除时刻各个发电机对应的角度;

ω～cl

为故障切除时刻各个发电机相对于惯性中心的

角速度;θu为故障后不稳定平衡点各个发电机对应的角度;P

pfi=Pmi-E2iGpf

ii,Pmi为发电机i的机械功

率;Ei为发电机i的暂态电势;B

pfij和Gpf

ij分别为故障

后收缩到发电机内节点的节点导纳矩阵中发电机i