电力系统暂态稳定紧急控制现状与展望_吕志来

电力系统暂态稳定紧急控制现状与展望

Present State and Prospect of Power System Transient Stability Emergency Control

西安交通大学电气工程学院 吕志来　张保会　哈恒旭　(陕西西安710049)

【摘要】　对近年来电力系统暂态稳定紧急控制作简要综述,指出所存在的问题,并结合当前技术和发展要求,展望电力系统暂态稳定紧急控制的发展方向,以及若干技术问题的改进方案。【关键词】　电力系统　暂态稳定　紧急控制

Abstract This paper presents an overview of power sys 2tem transient stability emergency control study in recent years ,points out some shortcomings in recent research ,and discusses some development trends combined with technologies newly developed and important issues need to be further studied for the emergency control.

K ey w ords power system transient stability emer 2gency control

0　引言

随着电力工业的发展,电力系统的规模不断扩大,电网结构日益复杂,单机容量进一步提高。与此同时,由于受到环境和经济等因素的制约,区域间联网和远距离大容量输电系统的不断出现,系统运行更加接近极限状态,这使得电力系统暂态稳定问题日趋严重,电力系统一旦失去稳定,往往造成大范围、较长时间停电,在最严重的情况下,则可能使电力系统崩溃和瓦解。另外,由于电力市场的起动和实施,系统的运行方式和运行工况将出现一些新的变化,使电力系统暂态稳定问题变得更为复杂化。

在这些情况下,研究和实施相应的暂态稳定紧急控制措施,不但可以提高系统运行的可靠性,而且可以因传输能力的提高而产生直接经济效益。另外,从经济和实用的角度来说,预防控制并不总是灵活和有效的,对于小概率的严重事故,采取紧急控制措施也许比预防控制更为合理。在某些情况下,如远方大容量机组失步,紧急控制甚至是防止系统失稳的唯一实用办法[1]。为此,本文综述电力系统暂态稳定紧急控制的现状,并展望其发展方向和需解决的技术问题。

1　暂态稳定紧急控制现状及存在的问题

电力系统同步稳定性破坏可以分为2大类,一类是某个发电厂与电力系统中的其它发电厂之间的同步稳定性丧失即简单不稳定模式;另一类是电力系统中多组发电机之间的同步稳定性丧失即复杂不稳定模式。针对电力系统的这种特点,若配备合适的暂态稳定紧急控制,并及时进行有效地投入,往往能以较小的代价取得系统的暂态稳定,避免局部故障造成大面积停电的事故。

暂态稳定紧急控制措施包括很多方面,如切机、快速汽门控制、切负荷、制动电阻控制以及串联电容的强行补偿等,这些控制措施的制定和决策目前唯一实用的方法是:离线预决策,实时匹配。这种方案是将系统的网络结构和参数、系统运行方式以及预想事故按照某种方式进行组合,离线计算出各种组合方式下维持暂态稳定所需的控制规律,从而形成1个控制策略表存放在稳定控制装置内,当检测到系统扰动而装置起动时,从其中选取与实际系统运行方式和扰动情况最接近的控制方案执行实施。如日本东北电力公司的BSPC 系统,华北神头地区的区域性安全稳定控制

系统,南京自动化研究所与东北电管局联合开发的辽西电网稳定控制系统,南京自动化研究所与福建省中心调度所联合研制的WL K Ο1型微机联切控制系统。这些控制策略表中的每1条控制规律都是通过大量离线仿真计算得到的。但是,暂态稳定问题具有较强的非线性,而这样得出的控制策略表不可能非常详细,因而难以适应多种运行方式及不同的故障类型和位置,并且需要较多的经验来综合控制表。

文献[2]为了减少计算量,提出用暂态能量函数法计算切机控制规律的方法,每1条控制规律都是通过比较不同切机方式下的能量裕度而得出的,这实质上也是试凑法的一种。

文献[3,4]针对东北电力系统铁岭电厂的实际情况研制了一套WAW Ο1型安全稳定紧急控制装置,该装置集静态稳定判断、暂态稳定预测和实时控制为一体,对可等值为单机无穷大母线的发电厂的局部稳定性控制能起到良好的作用。该装

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置采用E q恒定的发电机模型,能自动判别发电厂机组及电厂的运行方式及状态,自适应地对电厂与系统间静态稳定储备不足进行监测和报警,能实时预测扰动后系统的暂态不稳定性,并实时计算为维持暂态稳定需要的切机控制量。另外,对于中长期摇摆而造成的动态不稳定性,还采取了经过X′d补偿后的视在电阻检测的失步解列控制措施。但该装置若推广应用,还须继续改进原理和算法。

文献[5,6]等提出了用前向神经网络决定多机系统暂态稳定切机、切负荷等控制规律的方法,这种方法的基本思想是用神经网络的映射关系去逼近系统网络结构、运行方式和故障情况与控制规律间的函数关系。由于训练神经网络不需要太多的经验,且神经网络能够适应系统在多种运行方式及不同故障类型和位置的情况,因而在一定程度上克服了查阅策略表的缺点,但要使神经网络有较好的适应性和准确性,训练神经网络的样本集就必须全面细致地反映系统中可能发生的各种情况,因此需要有足够数量的样本。对于大规模的电力系统要想获取全面的样本是件很困难的工作。

另外,薛禹胜院士提出的暂态稳定紧急控制新框架即在线准实时[1],是基于EEAC法和专家系统,将预想事故作为使用决策表的唯一入口,每5 min刷新一次决策表,以跟踪实时状态下的故障前的运行工况,这种新框架的关键是需要一种快速的鲁棒性强的在线暂态稳定分析算法。

世界上第1套用于多机系统的基于详细数学模型进行在线暂态稳定计算的稳定控制系统,已在日本CHUBU电力公司投入运行[7]。该系统首先用简化模型和减速功率指标按预想事故集对系统进行在线动态安全分析,筛选出不稳定的预想事故,然后用详细模型进行暂态稳定切机控制计算。其方法是对每一种可能使系统失稳的预想事故不断进行暂态稳定计算,每计算1次暂态稳定,切除1台失稳时刻加速能量最大的机组,直至计算到系统稳定为止,便可得出该预想事故下的切机控制策略。这种方法是一种思路,但存在2个问题:(1)不稳定的预想事故可能漏选;(2)当不稳定的预想事故较多时,且需要切除较多的发电机组才能保证稳定时,计算量将急剧增加,也许就难以满足在线计算的要求。2　暂态稳定紧急控制发展趋势

暂态稳定紧急控制作为电力系统暂态稳定的重要屏障[8],它的响应必须在检测到事故后200ms内完成,目前还没有具有较强的鲁棒性的实时算法,可以同时考虑实时条件下的运行工况和实时识别故障。但随着现代GPS技术、通信技术、DSP技术、智能技术以及计算机网络技术的发展,至少可以从以下几方面对其进行改进:(1)从理论上解决如何将大系统分解成局部系统,以便通过控制局部系统保证全系统的稳定性。(2)研究利用实时状态量构成稳定性的实用判据[9]。(3)发展快速的预想事故筛选工具即根据一些敏感的状态量,提出一种综合模糊评判性能指标作为衡量事故的严重程度。(4)将数值积分与某种直接法相结合。

在此基础上,发展在线准实时的区域暂态稳定控制系统是一个较好的方向。

3　暂态稳定紧急控制的技术改进

311　暂态稳定紧急控制的预测与启动

电力系统暂态稳定的快速预测对启动安全稳定紧急控制具有重要意义。目前的预测方案有:

(1)反映有功功率及其变化量的失步预测。这类装置的优点是动作速度快,扰动发生后可迅速启动控制,但一般为逻辑判据,且用局部信号作出的稳定预测准确性低,容易造成过多的局部利益损失。

(2)反映功角及其函数的失步预测。可以在简单系统中使用,但是判据难于适应运行条件、故障条件的变化,适应性差,反映速度也慢。

(3)反映频率及其变化率。一般用于电网的频率控制,当电网解列成孤岛或频率异常后启动减负荷,不能直接用于避免同步不稳定控制。

(4)用直接法预测暂态稳定性。使用它预测暂态稳定性,原理上可以在故障的极限切除时刻发出暂态不稳定信号,但对于在静稳破坏和在调节器作用下经多次摇摆而失步的事故仍无能为力,且多数用于离线计算,实时控制速度难于满足要求。

以上分析可以看出,多机电力系统复杂不稳定模式下暂态不稳定的紧急预测还不成熟,根据目前的技术和通信条件,利用系统正常运行下的信息,附加利用基于GPS的相量测量单元(PMU),实时测出电力系统的一些与稳定有关的敏感状态变量,形成矢量空间相量族,结合电力系统的具体特点,通过

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