电力系统控制的发展方向

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。
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 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。
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。
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。
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.
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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 .
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。
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。
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。
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。
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。
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 .
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。