电力系统控制的发展方向

本文基于一系列假设研究了未来电力系 统运行和控制的状况，并分析这一领域 今后25年可能的发展方向。讨论了与发 展电力系统完全协调的、高带宽的和鲁 棒性的控制所需的技术和要求相关的课 题，提出了一些研究的方法论。接下去 介绍了该研究的终极目标，即用于有功 和无功功率注入（并联）和径向（串联） 控制器协调的系统范围的自动电压控制 （SAVC）、系统范围的自动功率控制 （SAPC）以及集成的系统范围的自动控 制概念。
时间上的分解，作为控制作用分解的自 然顺序（反之亦然），意味着控制功能 被分成快速内环控制作用和慢速设定点 更新功能。这些分解使大型电力系统的 控制变得方便，但带来的代价是与完全 协调集中控制方案相比性能的下降。分 解必然使完全协调在一定程度上被牺牲 掉，这要求增加较大的备用裕度以增大 电力系统稳定运行的空间，这也成为当 今电力系统运行的一种通用手段。
下列原因使电力系统成为使用递阶控制方 案的首选： n 系统的复杂性和规模; n 系统的自然结构; n 获得系统范围的目标时子系统有限的视 野和不稳定性; n 设计有专门的子系统以很好地执行专门 的任务; n 子系统间有限的或者没有通信; n 信息传递的成本、延时或畸变.
图2描述了一个多级递阶控制结构，其中 一个电力系统被分成几个区域。区域集 中控制器与高一级（也可能同级之间） 交换信息，联合计算出欲得到区域范围 和系统范围的性能目标所要求的控制作 用。系统范围控制器/协调器可能装在卫 星上，也可以嵌入在某一个区域中。该 方案可以用于控制系统中区域间或区域 内的线路潮流和母线电压。而且，这个 方案可以在集群的基础上实现，即每个 区域被再分为一些簇，每个簇包含一个 或多个控制器。
为了获得增强性能，要求电力系统中要充分增 加高速有功无功（MW/Mvar）注入/潮流控制 器（如与电源相结合的FACTS控制器，或其它 具有快速动力学特性的发电机和可控负荷相结 合，还有存储设备等）。利用这些快速控制器， 一种新的全面的集中协调递阶控制结构就可以 实现，它适用于被称为系统范围的自动控制 （SAC）的有功和无功功率注入和潮流控制， 系统范围的自动控制覆盖了电力系统动态响应 频率的全部范围。然而，电力系统控制最可能 的发展趋势是大型高速有功功率控制装置将延 缓到来。这正好是使用PSS来增强电力系统阻 尼的原因。
总之，处理较慢系统动态的慢速控制功能已经 以在线、协调和闭环方式实现，且运行成功。 这种协调对快速现象不是普遍可行的。电力系 统可以被视为是具有连续控制最少的系统（控 制的数量与状态的数量之比在10%以内）。大 体上讲，对巨大容量、惯性和规模的依赖允许 干扰相对较小，且是可控制的。为了处理系统 干扰与系统容量相比较大的情况，比如系统解 列成为孤岛或者导致连锁故障的特大干扰，为 了使系统恢复，需要采用更多具有高级性能的 系统控制。为了获得更进一步的增强性能，电 力系统控制技术必然朝着分散控制器的集中实 时和在线协调方向发展。
最优运行状态包括在为负荷供电时维持恒定的 频率，维持期望的电压分布和线路潮流，遵守 设备的物理极限，以及保持明确的安全范围和 经济准则。当然，不管有什么干扰，系统稳定 运行是最重要的，且是首要的目标。 在本方案中，考虑一个基于模型的控制算法， 例如，当系统发生紧急情况时，能够立即在中 央位置监测到或估计出系统拓扑的变化，并相 应地更新系统模型。然后，立即规划从系统初 始状态到最终运行点的轨迹，应考虑所有约束wenku.baidu.com条件，根据需要重复进行，并驱动控制器跟踪 规划的轨迹。这里，必须假定准确的和有效的 电力系统模型是存在的。图1给出了这种基于 模型的完全协调集中（使用同步测量或估计得 到的全部状态和参数信息）高带宽控制方案。
一般地，电力系统控制作用可分为开关 型（on/off）或连续型（包括分段连续）。 连续控制，又可分为基于发电的或基于 网络阻抗的。用于连续控制的网络阻抗 可以是物理的或虚拟的（非物理的）电 抗性或电阻性元件。虚拟元件在网络中 是通过插入受控同步电压源来表示的。 这些受控电压源并联在母线上或串联在 输电线路中。电压源转换器（VSC）采用 计算机控制的大功率固态开关，用来合 成这些插入的电压源。
电力系统控制的发展方向
0 引言
输电系统负荷持续增长，并且这种趋势 将朝着最大限度的利用输电系统直至接 近其热容量的方向发展。在这种前提下， 功率注入和输电线路上潮流的协调实时 控制将成为一个重要的课题。在保证日 益增加的系统安全性和可靠性的同时， 维持最小的运行裕度或最大限度的利用 现有输电系统资源将高度依赖于传统的 以及新的控制设备
例如，如果有高速的有功功率注入和潮 流控制器，与振荡相关的有功功率直接 控制能更有效地实现，这与利用与输入 相关的有功功率和与输出相关的无功功 率之间固有的弱耦合形成鲜明对比。在 SAC能够实现之前以及在这期间，系统范 围的自动功率控制（SAPC）和系统范围 的自动电压控制（SAVC）功能可以用各 自独立的回路和基于传统的解耦的有功 和无功控制概念的时间帧来实现。
总的说来，现代电力系统的典型控制功 能可以归类成叠加在负荷轨迹跟踪功能 上的快速干扰抑制/稳定功能。负荷轨迹 跟踪功能构成了慢速准动态功能，轨迹 在其中进行规划及以后的更新。照这样， 从宏观意义上讲，发电（有功/无功注入） 用来跟踪负荷并供给输电损耗。系统最 初通过预设的反馈机制尽力跟踪发电、 负荷或系统拓扑的变化，其主要反应是 频率和/或电压的变化。然后，慢速复位 作用或轨迹校正起作用，以使系统遵循 安全和经济准则。
要实现这个理想的方案，需要有复杂的、鲁棒 的、冗余的控制和具有足够带宽的通信系统。 如果根据集中信号或信息的损失使控制设计得 可以回复到一个降阶的分散运行模式，则不会 由于该集中概念而损失可靠性。 电力系统是大规模、多输入/多输出、地理范 围分布广的非线性系统。因此，这种系统的控 制也非常复杂。在许多别的大型动态系统中， 反馈要求的信号一般是当地可用的，计算出的 激励信号不需要经过长距离传输到执行机构。 但在电力系统中，控制器在地理上分散在整个 系统中，因此，（由于成本和复杂性的原因） 禁止实行集中自适应高带宽控制方案 .
电力系统在结构上是天然分散化的，因此，需 要集中协调以获得期望的性能目标。但是，为 了使集中协调所需的在线计算节约时间，为了 获得更广区域的最优运行目标，必须采用分解 和多级递阶控制方案。多级递阶可定义为一些 子系统的纵向排列，用已定义的动作和干预权 力的优先级帮助获得系统范围内的目标。 较高级的子系统起着监控作用，与系统行为较 大或较广的方面有关，处理较慢的现象，为做 出决策和控制计算提供较多的时间。根据系统 范围的目标和系统结构，子系统可以具有合作 的或竞争的目标。高级控制器可以扮演冲突解 决者的角色。
为了得到接近集中控制器的性能，曾经 有人诉诸于集中协调的（离线或在线） 分散控制。从严格意义上讲，分散控制 定义为只利用当地状态信息的控制。可 以考虑一系列部分分散控制方案，其中 各种远程系统状态和参数信息对每个控 制器都是可用的。虽然由于其简单和无 须远程通信就可运行等特性使它们具有 一定吸引力，但分散控制方案大多用在 具有特殊结构的系统中，如弱耦合或者 当耦合可以被适当地处理的系统 .
1 理想的控制方案：集中控制
电力系统控制的理想方案是能够即时计 算最优（在某一明确定义的意义上的） 的运行状态并使用可用的控制维持系统 在该运行状态下。这要求即时获得系统 拓扑信息和系统有功和无功负荷。在这 里，即时或实时是指快得足以提供所要 求的带宽。例如，为了提供一个100Hz的 带宽，必须在几个毫秒内获得信息源的 协调/控制计算周期。
第一代灵活交流输电系统（FACTS）控 制器如SVC和TCSC主要用于控制实际物 理阻抗的有效性。基于VSC的FACTS控制 器，可被设置成协同定位装置如 STATCOM、SSC、UPFC和IPFC，或者是 被直流输电线路分开的装置，主要属于 虚拟阻抗控制这一类。多转换器的基于 VSC的FACTS装置和控制子网为电力系统 提供空前的适应性、灵活性和控制能力。
一个例子就是PSS的设计和实现，它用来阻尼 电力系统低频振荡。要使该方法有效，必须有 相当大的备用裕度（包括旋转备用和快速启 动），极端情况下，还必须有切机和切负荷措 施。干扰后，系统必须有足够的裕度以达到稳 定平衡点，即使该平衡点不是所期望的平衡点。 在扰动开始时，通过一复位动作将它带回，驱 动其到达计算的理想的干扰后稳定运行点，如 图3所示。使用这里提出协调概念，依靠丰富 的快速控制装置，在系统扰动一开始，而不是 通过第二次复位动作，就能够实时地对全部系 统动态控制系统状态轨迹。
现在，许多电力系统稳定和动态安全计 算是离线进行的，或者计算频率不够快， 不能利用系统状态和拓扑的即时信息。 在这种离线协调方案中，用电力系统的 线性化模型来进行特定系统拓扑和运行 状态下的特征值分析和控制设计。然后， 用多种运行方式对应的非线性模型对设 计的控制进行测试以保证可以接受的性 能。这种方法的局限在于只使用当地信 息，且缺乏在线集中协调。
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这种方案各个簇分担了控制计算负担， 但是是以增加通信需求为代价的。每个 簇有一个集中控制计算引擎。于是，每 个簇控制器就只向高一级即区域集中控 制器发送或从它接收协调控制信号，以 帮助获得系统范围的性能目标。显然， 簇控制方案在控制级中增加了一个附加 级。该控制功能分解伴随有自然的时间 分解，而且时间分解取决于子系统的地 理位置、通信通道以及时间延迟等。
历史上，电力系统固有的多时标和有功 无功功率动力学间的弱耦合特性已经使 这种递阶集中协调的简化形式出现过。 这被称为集中设定点协调方案，给定不 多的集中计算/提供的设定点，实际的实 时控制动作以分散的方式在当地自主地 执行。一般地，增益和时间常数根据离 线研究或经验协调而预先设定。设定点 不常更新，可以为必要的计算提供时间。 这可以直观地看成一个分而治之的策略， 用控制作用的分解和时间上的分解来处 理一个非常复杂的控制问题。
到现在为止，在美国还没有系统范围的 协调闭环电压控制系统实现。在欧洲， 过去十年这项工作一直在进行。巴西也 报导了近来的研究工作。就作者所知， 当前还没有自动的系统范围的有功注入/ 潮流协调和控制回路存在。
2 对增强控制的要求
快速响应的有功功率控制对消除暂态和 转子角稳定限制、提供充足的网络紧急 状态后控制是必要的。另一方面，无功 潮流能力将用于使正常运行条件下的线 路无功潮流最小，同时使在紧急状态期 间和其后维持电压稳定性所需的潮流最 大。潮流控制也战略地用来最小化或减 少输电系统扩张的需求。
用当今的技术不能在大型电力系统中实 施该方案的原因主要是过多的计算时间 要求和没有专用的鲁棒的和冗余的通信 通道。要实现这种类型的控制，估计要 求计算速度要比今天的高端计算机高100 万倍才行。而且，信号在控制器之间快 速（相对于控制的需要）可靠的来回传 输必须是可能的。例如，要将单路信号 传输延迟限制到1ms或者来回传输限制 到2ms，集中控制的范围只有在半径最 大大约150 miles 的区域内才可行。
自从互联电力系统出现以来，已经有一 个在线自动（闭环）集中有功设定点协 调方案实现并成功地用在现有的自动发 电控制（AGC）和负荷频率控制（LFC） 系统中。AGC/LFC分别构成了慢速和快 速控制回路。这种控制结构已经很容易 实现，因为透平机/发电机/调速器转动惯 量具有较慢的控制和较慢的动力学要求。 由于缺乏快速动态响应所要求的足够的 计算和通信能力，直到最近，类似的系 统范围的闭环电压/无功协调控制才成为 可能.
SAPC不仅包括类似现有LFC和AGC的功 能，而且将得到从稳定到有功潮流控制 的增强性能，满足附加的安全/经济目标。 频率是无所不在的系统范围的反馈量， 它表征了系统有功功率的变化。对于有 功潮流控制，必须测量指定输电线路两 端的相角差和流过其中的潮流以实现反 馈，还必须提出选择这些线路的准则。