电力系统稳定与控制

电力系统稳定与控制（精选12篇）

电力系统稳定与控制 篇1

电力系统与人民群众的生产生活密切相关, 是关系到社会稳定与经济发展的重要基础。但是也能在瞬间造成重大的灾难性事故, 因为电力运行故障导致大面积停电, 会造成巨大损失。尤其是电力系统的规模越来越大, 电力系统结构越来越复杂, 电力系统的安全运行就越来越重要, 也越来越不容忽视。电力系统的安全保障体系是电力系统安全运行的基础, 而一旦出现异常, 就需要启动电力系统的稳定控制, 从而确保电力系统的安全稳定。

1 电力系统的安全保障体系

电力系统的安全保障体系是系统安全运行的基础保障, 通俗说就是在发生异常前所采取的保障措施。规划建设坚强智能的电网网架结构, 为电力系统安全运行提供基础;设计最优的电力自动控制系统, 提高电力系统的安全运行水平;安全的电力系统运行方式。电力系统的安全保障体系如图1所示。

1.1 建设坚强智能电网网架结构

从整个电力系统安全稳定运行体系的角度来说, 坚强的电网网架结构是保证电力系统安全稳定的基础, 从而提供强大和安全可靠的电力输送和供应能力, 提高电网运行和输送效率, 降低运营成本。如果电网网架结构不科学合理, 后续的所有保障体系都没有意义。

坚强的电网网架结构包括发电、输电、变电、配电、用电、调度6个部分, 在规划建设时, 要统一标准, 统一规划, 建设电网支撑站点, 智能电网装备, 构建坚强实体电网, 形成电网基础体系;建设技术支撑体系, 实现统一的信息支撑, 综合的知识支撑, 复合的通信支撑;保障电网安全、高效、经济运行。

1.2 设计最优的电力自动控制系统

电力系统的自动控制系统就是要在特定约束条件下, 一些性能指标达到最大值或最小值, 实现最优控制, 才能将电力系统的安全控制在最高水准, 将异常率降至最低。

发电机组是电力系统中最为重要的一环, 其多项性能指标是非线性控制的, 比如发电机调速控制、发电机最优控制基础、广域阻尼控制系统就是采用最优的非线性控制系统, 实现发电机组的最优控制。通过先进的控制理论以及广域协调控制技术, 实现电力系统的综合控制, 提升电力系统的自动化控制水平, 确保系统安全运行。

1.3 安全的电力系统运行方式

对电力系统的运行方式, 进行科学的计划与调度, 是安全保障体系的最后一环。电力调度部门通过复杂的计算与分析, 提出电力系统运行方式的总体计划, 并按照此计划正常运行, 借助调度自动化系统、电网在线预警与决策评估系统, 应对运行中不断出现的变化状况, 并提出决策支持。

当前, 随着特高压交直流混联电力系统的发展, 电力系统运行方式日益复杂多变, 价值输电通道的大容量、远距离, 外加环境因素等不确定性的影响, 需要科学的在线评估及辅助决策系统的应用, 以应对影响电力系统的稳定运行。

2 电力系统的稳定控制

电力系统的运行中, 一旦出现异常或者扰动, 就要启动稳定控制体系, 首先及时隔离电力系统中的故障元件, 避免故障升级或扩大, 其次是实施稳定的控制方法, 避免系统出现不稳定状况, 最后是一旦系统出现不稳定状况, 要采取措施, 避免出现大面积停电事故, 尽可能的保护电力系统稳定运行。电力系统的稳定控制如图2所示。

2.1 快速隔离故障元件

通过一些继电保护装置快速准确的隔离电力系统中的故障元器件, 当出现扰动时, 继电保护装置以及断路器能够准确响应, 不能出现错误响应, 不响应的现象, 造成故障的升级扩大。

随着电力系统先进技术的发展与应用, 要研究相适应的故障特征挖掘、辨识、预警及预防技术, 构建适应特高压交直流电力系统的继电保护标准体系。

2.2 实施稳定的控制方法

如果电力系统出现较为严重的故障或者出现扰动时未能正确隔离故障元件, 电力系统出现不稳定状况, 为了确保电力系统仍然能够稳定运行, 就需要实施稳定的控制方法, 包括切机、切负荷、解列、直流调制等一系列动作, 使系统的故障得以稳定控制。当前, 通过一些电力系统特性分析, 优化控制策略, 实现电力系统的协调控制与紧急控制, 确保电力系统能够及时响应, 安全控制。

2.3 紧急调度控制

如果电力系统出现故障十分严重, 或者说稳定的控制措施没有将系统回归稳定。那么需要采取紧急的措施, 来防止可能出现的大面积停电事故。通常会采取失步解列、高频切机、低频切负荷、低压切负荷等系列方法, 防止停止事故出现。同时, 采取认为的紧急调度控制, 调度员及时判断故障的性质与影响, 启动应急预案, 掌控运行状态, 控制故障或事故的范围, 使其不再进一步升级扩大, 重点保证主网安全。

3 总结

电力系统的日常运行要加强安全保障, 建设坚强智能电网结构, 设计最优的自动化系统, 科学规划电力系统的运行方式, 确保电力系统不出现扰动或故障。而一旦出现故障, 就要进行电力系统的稳定控制, 采取一系列措施, 使系统回归稳定, 防止出现大面积停电事故。

参考文献

[1]赵建国, 薛禹胜.南方电网综合防御框架的构思[J].南方电网技术, 2008.

[2]汤涌.电力系统安全稳定综合防御体系框架[J].电网技术, 2012.

电力系统稳定与控制 篇2

为了消除舰船摇摆对舰载光电跟踪设备稳定精度的影响,提高系统视轴稳定性能,根据舰船摇摆对视轴偏差影响的随机性,在描述视轴稳定回路的`基础上,设计视轴稳定滑模变结构控制器,并引入约束条件,以减弱系统抖振.利用AR序列预测估计方法,实现视轴偏差预测估计,完成视轴稳定滑模变结构控制律的求取,并利用matlab仿真软件,对视轴稳定滑模变结构控制律进行数字计算.仿真结果表明,该控制方法能有效地消除了陀螺测量随机噪声带来的影响,减弱了系统抖振,对舰载视轴稳定有良好的性能.

作 者：王辉华 刘文化 张世英 刘淼森 WANG Hui-hua LIU Wen-hua ZHANG Shi-ying LIU Miao-sen 作者单位：王辉华,WANG Hui-hua(海军工程大学,湖北,武汉,430033)

刘文化,张世英,刘淼森,LIU Wen-hua,ZHANG Shi-ying,LIU Miao-sen(海军装备研究院,北京,100073)

电力系统稳定与控制 篇3

【关键词】时滞；双线性广义系统；渐进稳定；严格无源；状态反馈；无源控制

【中图分类号】G623.5【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0330-02

【Abstract】 The stability and passive control problem of Discrete-Time Bilinear Singular Systems with time-delay is discussed under bounded energy exogenous inputs .By means of linear matrix inequalities and generalized algebra Riccati inequalities， and a sufficient condition is derived as such that a prescribed discrete-time bilinear singular system with time-delay is asymptotically stable and strictly passive. Moreover， a sufficient condition is provided for the existence of a state feedback controller such that the closed-loop system is both asymptotically stable and strictly passive. The design method for such state feedback controller is also given.

【Keywords】 Time-Delay； Bilinear Singular Systems； Asymptotically stable； Strictly Passive； State Feedback； Passive Control

1 引言

双线性系统是一类重要的非线性系统。它可以描述工程、经济、生物、生态和化学等过程中的许多现象，具有一定的实际背景。因此对双线性系统的研究将会具有很大的实际价值和理论意义。一方面，双线性系统形式上很接近于线性系统，有利于运用经典线性系统理论去研究；另一方面，由于双线性系统出现了双线性项，因而它的研究又要比线性系统困难许多，有待于人们进一步研究。

耗散性理论在系统稳定性研究中起着重要作用，而无源性则是耗散性的一个重要方面，很多学者已做了大量的工作，C.B.Feng等讨论了非线性系统的无源性；L.Yu， C.N.Li与M.S.Mahmoud等讨论了不确定线性系统的鲁棒无源控制问题；X.Z.Dong等讨论了离散广义系统的无源控制问题，但关于不确定双线性广义系统无源控制的研究结果还很少。

本文研究不确定广义双线性系统的稳定性和无源控制问题，首先将严格无源的概念引入到离散双线性广义时滞系统中，然后利用线性矩阵不等式给出不确定广义双线性系统广义二次稳定和严格无源的充分条件，并且存在一个状态反馈控制器，使得闭环系统是广义二次稳定且严格无源的。

2 问题描述

考虑如下形式的离散双线性广义时滞系统

3 主要结果

定理1 对于系统（1），如果存在可逆对称矩阵 P和正定矩阵 Q，使得不等式

成立，则存在状态反馈控制律（8）使得闭环系统（9）是广义二次稳定且严格无源的。

证明 根据定理1立即可证得闭环系统（9）是广义二次稳定且严格无源的。

4 结论

本文研究了不确定广义双线性时滞系统的无源控制问题，利用矩阵不等式和广义代数Riccati不等式，给出了不确定广义双线性时滞系统是广义二次稳定且具有严格无源的充分条件，并且给出存在状态反馈控制器，使得闭环系统是广义二次稳定且具有严格无源性。

参考文献

[1] 冯纯伯.反馈系统无源性分析及其应用[J].自动化学报，1985，11（2）：111-117.

[2] 冯纯伯.应用无源性研究时变非线性系统的稳定性[J].自动化学报，1997，23（6）：775-781.

[3] 冯纯伯.基于无源性分析的鲁棒控制系统设计[J].自动化学报， 1999，25（5）：577-582.

[4] Yu L，Zhang K J，Feng C B. Passivity Approach to Stability Analysis of Nonlinear and Time-varying Dynamic Systems[J].Techniques of Automation and Applications，2007，26（3）：15-17.

电力系统稳定与控制 篇4

目前电力系统中的安全稳定紧急控制系统的体系结构一般是由分散测量、执行控制的前置单元和集中决策的控制中心经高速、专用通信网络构成。前置单元是以微机为基础的数字测量、通信及控制装置,控制中心主站以专用计算机网络工作站担任，构成紧急控制系统的网络技术已经成熟。

目前电力系统制定和投入紧急控制策略主要有2种方法。一种方法是大量离线计算大扰动场景，提取特征量，用特征量的组合反映暂态稳定性，对不稳定场景，通过反复试凑计算获得稳定控制方案，将其植入稳定控制系统，称为“稳控策略表”[1,2]。大扰动发生后，根据稳定控制系统实测的特征量组合，查询预植的策略表，判别是否需要执行紧急控制及何种控制方案，简称“离线预决策，实时匹配”；由于电力系统在逐季发展、电网方式不停变化，离线预决策需要考虑的样本量太大，且制定的控制策略难以保证在各种系统方式、运行状态下的有效与经济性。为了适应系统的发展和减少样本的计算量，结合计算手段的进步尝试采用另一种方法，即大量简化实际系统，根据当前的在线潮流，稳定控制中心根据给定的预想大扰动事故集，进行在线稳定性仿真计算，总结特征量及其组合的门限，制定控制启动决策表，而控制策略表难以自动详细计算匹配，可以离线计算给定几种策略大扰动发生后根据实时测量的特征量查询事先制定的控制策略表执行控制，称为“在线预决策，实时匹配”[3]。这2种方法都是基于预想的大扰动事故集，稳定性的判别与制定的控制策略取决于实际的扰动与事故集的贴近度，并且依赖于系统模型及参数的仿真计算方法，而系统的模型（特别是负荷模型）和参数（特别是调节器响应参数）是难以精确获得的（系统在不断地发展），因此仿真结果存在可信性问题。

随着相量测量单元（PMU）在各发电厂和变电站的安装和现代通信技术的发展，广域测量系统[4,5](WAMS）在电力系统已经逐步建立，如果系统中每个发电厂都装有相角测量装置（APMU)[6,7]，且信息更新周期为10～30 ms，就解决了过去很难获取的状态量（如发电机的功角、角速度、功率等）同步获取问题，而这些状态量又是电力系统暂态稳定性状况最直接的反映和体现，直接使用这些实时测量的状态量对暂态稳定性进行评估与控制，比离线的仿真评估要准确得多。文献[8,9,10,11,12,13,14,15]论述了基于WAMS量测的轨迹信息的电力系统暂态不稳定性判别与控制的原理和技术，本文基于现有的WAMS动态信息系统的条件，给出电力系统暂态稳定性闭环控制系统的实现方案，并在IEEE 39节点系统和三华电网系统进行仿真，验证了本文提出的闭环切机控制系统的有效性和经济性。

1 闭环控制系统构架

根据现有WAMS的硬件条件，基于WAMS的暂态稳定性预测与闭环控制系统采用集中自动决策、分散执行控制模式，其主要硬件模块有前置测量APMU及发电厂控制子站、控制中心主站和高速通信网络，如图1所示。控制主站通过WAMS平台的高速通信网络将前置测量单元测得的同步功率、惯性、角速度和功角数据汇集起来，数据更新周期20 ms，作为大扰动启动后系统不稳定性判别与控制决策的依据。底层为分布在各电厂的控制子站，实时采集本地的功率、角速度和功角，经通信网络上传到控制总站，接受与分配执行主站下达给本发电厂的切机控制命令。

1.1 对发电厂控制子站功能和配置的要求

只有配置了控制子站的发电厂，它的暂态稳定性才能受本闭环控制系统的控制，已有的发电厂都应安装控制子站。新建发电厂投入运行的同时，控制子站同时投入运行。若WAMS提供的机组轨迹信息不健全，由缺省的轨迹信息主导的失稳模式由于不具有可观性，因而这种失稳模式不具有可控性，其他失稳模式的可观性、可控性不受影响，但是失稳判别方法的快速性会有一定影响。发电厂控制子站同步测量本发电厂的各发电机电磁功率、惯性（反映开机方式）、角速度和功角，检测本发电厂附近有无大扰动发生，以20 ms的周期送往控制主站。接受控制主站送来的切机命令，经大扰动检测启动、命令到达，确认切机命令有效后，根据本厂机组出力情况，分配所切的机组。

控制子站的测量、计算、通信和执行控制的任务不重，由目前常用的带有同步时钟的数字式实时控制设备即可完成，也可以由发电厂的APMU功能扩充后担任。

1.2 对广域通信网络的要求

利用高速、可靠达到实用化要求的WAMS通信系统。在当前光纤通信条件下，一般光纤介质的传播时延约为6μs/km，按网内最远距离1000 km计算，传播延时约为6 ms。现有的WAMS试验测试结果显示：控制中心—控制子站—控制中心的双向通道延迟在10～20 ms之间。本闭环控制方案采用自记忆预测轨迹的方法，可以弥补信息时滞的实时性不足问题，而控制主站一次新时间断面内的计算判别时间可保证在毫秒级，从命令下达到执行完成的时间为100ms。利用WAMS通信系统能满足暂态稳定闭环控制投入切机控制后阻止暂态失稳的快速性要求。

1.3 满足主站计算速度的要求

正常运行时，控制主站逐时（时段长20 ms）读取WAMS实时数据库中的各发电厂状态信息及大扰动检出标志，如果没有大扰动发生，则读取下时段数据。若有大扰动发生，每一个新时段需要完成分群、等值计算、等值轨迹预测、稳定性判别和制定控制措施，因为没有矩阵、迭代等大规模的运算，一般的工作站运算能力可以满足要求。

1.4 与其他控制系统的兼容性

目前的电力系统配备有多种连续、离散的控制系统，例如安全稳定控制系统，有些控制系统在大扰动时也会启动控制。本文提出的基于响应的闭环控制系统，依据电力系统的实时响应信息作出控制决策,已经计及了本闭环控制措施投入前其他控制对电力系统暂态稳定的作用，自适应了其他控制作用，不需要在信息交换、计算条件和硬软件等方面与其他控制系统专门配合。如果控制中心已经具有了实时性好计算能力强的控制系统平台，将本暂态稳定性闭环控制功能作为高级应用，嵌入在控制系统软件平台中,也可以省略本主站的计算设备。

2 控制主站的软件流程

控制主站暂态稳定性闭环控制功能的软件实现框架，如图2所示，其主要由实时的信息采集模块、大扰动启动和计算复归模块、不稳定性预测模块、闭环控制措施的制定和下达模块4个模块组成。

a.实时的信息采集模块。

控制主站从WAMS实时信息中提取各发电机的动态轨迹信息（发电机功角、转子角速度、功率和惯性时间常数）、大扰动检出标志，经综合判别决定是否转入暂态稳定性判别模块。

b.大扰动启动和计算复归模块。

当系统中发生短路或无故障跳闸时，扰动点附近发电厂的有功出力将会突然下降；而当继电保护装置动作，故障切除时，机组的有功出力会回升。由此，控制中心可以通过收到控制子站送来的大扰动检出信号与监测发电厂功率是否发生突变来启动闭环控制系统。令M为大扰动信号，正常运行时，M=0，当检测到扰动时，置M=1。

闭环控制的目标是保持系统暂态稳定，检测系统功角曲线连续3次摆动的最大摇摆角均逐次递减时，即可复归本次闭环控制计算，监视下次大扰动发生。

c.不稳定性预测模块。

当大扰动发生后，进入不稳定性预测模块。根据WAMS实测数据，预测计算每个发电机的复合功角，用复合功角的间隙分群，按照两群模式对系统进行等值，求得当前两群模式下等值系统的功角、角速度和不平衡功率，联合使用文献[9,10]的方法判别系统的稳定性。

文献[9]基于实测轨迹的判别方法可靠性高，但判别速度稍慢，而文献[10]基于预测轨迹的判别方法判别速度很快，但可靠性依赖于预测轨迹的精度。因此，对系统的不稳定性判别，可以将实测轨迹和预测轨迹相结合起来，当实测轨迹数据判别出系统失稳，或者连续几个数据窗的预测轨迹判别出系统失稳，就发出系统失稳的命令。

d.闭环控制措施的制定和下达模块。

用文献[12]的方法，依据切机时刻的角速度和系统允许的最大摇摆角，计算切机控制所需要的最小切机量。再用文献[13]的方法根据发电机的功角、角速度和惯性信息，剔除切机控制负效应机组，分配实施切机的发电厂与切机量。将切机控制命令快速、可靠地发送到相应的控制子站。

3 控制子站的软件流程

发电厂控制子站是基于APMU同步相量测量功能扩展的装置，具备本发电厂信息的实时测量，实时判别附近是否有大扰动发生，并将测量与大扰动判别结果实时（20 ms周期）上传至控制主站，接收控制主站发来的切机控制命令。控制子站的软件实现框图如图3所示，其主要由信息采集与大扰动判别模块和控制命令确认与执行控制模块2个模块组成，图中L指控制主站的控制命令。

a.信息采集与大扰动判别模块。

控制子站周期式（周期20 ms）采集本发电厂的机械输入功率和电磁输出功率、惯性、角速度及功角，并根据本周期输出功率、母线电压等电气量的变化，判别附近有无大扰动发生，将以上信息发送到控制主站。

b.控制命令确认与执行控制模块。

大扰动发生后，控制子站需要接收控制主站发来的切机命令，经本地有扰动的确认，分配、执行本发电厂的切机命令。

一般的发电厂有多台发电机，当前出力大小不同控制主站发来的切机量需要发电厂子站实时组合机组出力，确定所切机组，对应机组发出跳闸信号。

4 仿真

为验证闭环控制系统的有效性，在IEEE 39节点系统和三华联网系统下进行了仿真验证。闭环控制系统的控制目标有2种：方案1以最小切机量保持系统暂态稳定为控制目标；方案2以最小切机量限定系统的最大摇摆角为控制目标。

4.1 单一故障造成不稳定的闭环控制

4.1.1 IEEE 39节点系统

故障设置为0 s时线路4-14之间发生三相短路接地故障，在0.21 s保护动作跳开线路。系统不稳定的功角曲线如图4所示。

依据本文闭环控制算法得出的中间及最终结果如表1所示。

发电机G31控制子站收到控制主站发送来的切机命令，本地机组大扰动启动满足，在0.4 s时完成切机，之后的功角曲线图如图5和图6所示。

由仿真结果可以看出，方案1以690 MW的切机量保持了暂态稳定，但其最大摇摆角为148.4°；方案2切机量为780 MW，比方案1多切了90 MW，实施后系统最大摇摆角为143.5°，在所期望的范围内。

4.1.2 三华联网系统

故障设置为0 s时洪沟—板桥发生三相接地故障，0.1s跳开双回线路切除故障，其不稳定功角曲线见图7，闭环控制算法得出的中间及最终结果见表2。

经300 ms延时（计算、分配控制量、通信、跳开关等延时），各控制子站在1.24 s完成切机控制，之后的功角曲线图如图8、9所示。

仿真结果表明，2种方案均能使系统恢复稳定。方案1无需给定最大摇摆角，且切机容量小。方案2实施后，系统的最大摇摆角为177.5°，但切机容量较方案1大2680 MW(65%）。另外，给定的最大摇摆角与控制后实际最大摇摆角误差很小，在所期望的范围内。

4.2 相继故障造成不稳定的闭环控制

IEEE 39节点系统中相继故障设置为0 s时线路5-6之间发生三相永久性短路接地故障，在0.13 s保护动作跳开线路，而在0.7s时线路重合闸，0.83 s重合闸失败保护动作跳开线路。系统不稳定的功角曲线图如图10所示。

控制主站在0.84 s再次启动闭环控制系统，闭环控制算法得出的中间及最终结果如表3所示。

发电机G31控制子站收到控制主站发送来的切机命令，本地机组大扰动启动满足，在1 s时完成切机，之后的功角曲线图如图11和图12所示。

由仿真结果可以看出，相继故障条件下闭环控制仍然可以准确判别出系统稳定性，2种控制方案均能使得系统恢复稳定。方案1以680 MW的切机量保持了暂态稳定，其最大摇摆角为138.9°；方案2切机量为780MW，比方案1多切了100MW，实施后系统最大摇摆角为138.4°，在所期望的范围内。

4.3 闭环控制系统兼容策略表式控制系统

4.3.1 IEEE 39节点系统

双重故障设置为母线15和母线16之间线路0 s发生三相短路故障，在0.35 s保护动作跳开线路，同时母线21和母线22之间线路0 s发生三相短路故障，在0.2 s保护动作跳开线路。该电力系统除配置了“策略表”式的安全稳定控制切机系统外还配置了本闭环控制系统。策略表没有考虑多重故障，0.4 s安控装置按照策略表切除了发电机G31。由于策略表失配，系统仍然向不稳定发展，系统不稳定的功角曲线图如图13所示，超前失稳机群包含G32—G38这7台机组。

本文闭环控制系统跟踪系统轨迹，0.42s做出不稳定的判别（预测轨迹），给出的闭环控制策略见表4。

各控制子站在0.47 s完成切机控制，控制措施完成之后的功角曲线图如图14、15所示。

仿真结果表明，当与策略表相配合时，2种方案均能使得系统恢复稳定。方案2实施后得到的系统最大摇摆角为146.7°，在所期望的范围内。

4.3.2 三华联网系统

该系统同样配备了策略表式安全稳定控制系统和本闭环控制系统。故障设置为0 s时复奉直流发生双极闭锁，0.1s时策略表式稳控系统切除向家坝5台800 MW的机组，之后的不稳定功角曲线图见图16。

尽管稳控装置进行了快速的切机控制，由于策略表失配，系统仍然向不稳定发展，本闭环控制系统在2.61 s做出不稳定的判别，给出的闭环控制策略如表5所示，各控制子站在2.91 s完成切机控制，控制措施动作之后的功角曲线图如图17、18所示，系统稳定。

仿真结果表明，闭环控制系统能够兼容其他控制系统，前期控制并不影响闭环控制的准确性和有效性。

观察控制方案表1—5，系统不失稳允许的最大摇摆角为141.7°至193.6°，变化范围很大，与系统的运行状况和失稳模式有关，在大型电力系统中，保证系统不失稳的最大摇摆角（稳定边界）很难人工准确估计。最大摇摆角允许得越小，相同故障条件下切机量越大，有时还会引发系统低周期继电器切负荷，损失更大。本文的实时估算不稳定平衡点自动计算切机量方案可以经济地阻止系统失稳。

5 结论

电力系统稳定与控制 篇5

基于直接横摆力矩控制方法,设计了一种前馈一反馈补偿控制的车辆稳定性控制器.其中控制器以4WS为期望的车辆模型,通过前馈补偿控制可使车辆的`质心侧偏角趋于理想值,而反馈补偿控制可使车辆模型在较好地跟踪理想模型的基础上,有效抵抗外界干扰.通过前轮角阶跃输入与正弦输入仿真,就控制效果的稳定性与对前轮转角的跟随特性两方面而言,所设计的控制系统能较好地控制车辆的操纵稳定性.

作 者：周红妮 王莉 陶健民 Zhou Hongni Wang Li Tao Jianmin 作者单位：周红妮,陶健民,Zhou Hongni,Tao Jianmin(湖北汽车工业学院,湖北,十堰,44)

王莉,Wang Li(东风汽车股份有限公司,商品研发院,湖北,武汉,430057)

电力系统稳定与控制 篇6

关键词：电力系统 非线性控制 反馈线性化方法

电力系统是一个复杂的非线性动态大系统，随着大机组、超高压电网的迅速发展，改善电力系统运行的安全稳定成为日趋重要和紧迫的研究课题。随着微型计算机和现代控制理论的不断进展，各种先进的控制方法在电力系统控制方面得到了广泛的应用，它们在提高电力系统性能的同时，也为解决电力系统安全、稳定和经济运行问题提供了各种各样的途径。

一、基于电力系统非线性模型的设计

通常对非线性系统进行控制主要有两大类处理方法：①先将非线性系统在某一邻域内进行反馈线性化，然后运用现代控制理论的思想进行控制的设计，如基于微分几何理论的反馈线性化法、直接反馈线性化方法等。②直接应用非线性控制理论的结果，如变结构方法、鲁棒控制和智能控制等。

1.1 基于微分几何理论的反馈线性化法

基于微分几何理论的反馈线性化法通过微分同胚映射实现坐标变换，根据变换后的系统设计非线性反馈，实现非线性系统的精确线性化。微分几何方法适合仿射非线性系统。这种方法具有坚实的理论基础，但其控制律的推导对于数学基础要求较高，同时非线性反馈的引入令控制器结构复杂，限制了它在工程中的运用。

1.2 直接反馈线性化方法（DFL）

DFL方法不需要进行复杂的坐标变换和大量数学推导，具有计算简单、物理概念清晰的优点，便于工程应用。运用DFL方法设计了新型变结构励磁和综合控制器，仿真表明该控制器提高了系统的暂态稳定性和故障后的电压调节性能。

1.3 Lyapunov直接法

Lyapunov 直接法由于直接考虑了系统的非线性特性，且物理概念清晰，在电力系统暂态稳定的分析及控制器的设计中得到了广泛的应用。基于Lyapunov直接法研究了非線性励磁控制，数字仿真和基于微机实现的控制装置验证了所提出的控制规律的有效性。

1.4 无源系统理论

无源系统是一类考虑系统与外界有能量交换的动态系统，系统无源可以保持系统的内部稳定。从无源系统的角度看，Lyapunov 函数的构造过程正是使系统无源化的过程，此时的Lyapunov 函数正是保证系统无源性的存储函数。Lyapunov 意义下的稳定是指无外部激励条件下系统广义能量的衰减特性，而无源性是指系统有外界输入时的能量衰减特性。

对于存在干扰的系统来说，为了使得系统内部稳定，可依靠无源理论来构造反馈控制器，使得相应的闭环系统无源而保持内部稳定。一般来说，无源性、稳定性与最优性密切相关，但是Lyapunov 函数的构造还没有规律可循，需要经一步研究。

1.5 自适应控制

自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统。自适应控制器能够修正自己的特性以适应对象和扰动的动态变化。采用自适应控制技术能够有效地解决模型不精确和模型变化所带来的鲁棒性问题，但是由于它需要复杂的在线计算和递推估计，只是适合于一些渐变和实时性不高的过程。

1.6 智能控制

基于人工神经网络（ANN）、模糊控制（FC）和专家系统（ES ）的智能控制由于具有处理各种非线性的能力、并行计算的能力、自适应、自学习和自组织的能力以及容许模型不精确甚至不确定等多方面优点，使之可以综合解决多机电力系统控制所面临的诸多问题。应用ANN 实现了励磁、快关汽门和电阻掣动三种不同控制器的最优综合控制。用模糊控制与线性最优控制结合实现了非线性自适应变增益励磁控制，弥补了固定增益的线性最优励磁控制对大、小干扰或不同目标采用折中设计和无法考虑强非线性约束的不足。

二、结束语

非线性控制理论在电力系统中成功的应用明显地提高了电力系统暂态稳定性，对增强电压稳定性也有显著的作用。不过，由于非线性系统控制问题的复杂性，不能找到一种万能的非线性控制方法。每一种方法只适合解决一些特殊的非线性系统控制问题。另外，具体的电力系统控制问题有其自身的复杂性，如要同时满足互相矛盾的几个控制目标等，目前控制器大多基于单机无穷大系统模型设计，而在实际多机电力系统中，如何得到分散解耦控制并加以妥善协调，进而提高整个系统的稳定性是值得研究的问题。

参考文献：

[1]卢强，孙元章.电力系统非线性控制[M].北京：科学出版社，1993.

[2]胡跃明.非线性控制系统理论与应用[M].北京：国防工业出版社，2002.

[3]周双喜，朱凌志，郭锡玖等. 电力系统电压稳定性及其控制[M].北京：中国电力出版社，2004.

电力系统稳定与控制 篇7

◎记者:请您介绍一下智能电网概念的逐步形成过程以及智能电网的定义。

曹教授:2001年, 美国EPRI最早提出“Intelligrid” (智能电网) , 于2002年发起了知识型电网研究, 并于2004年发布了针对电网智能化的知识型电网体系 (IntelliGrid Architecture) , 为通信和计算机技术在智能电网中的应用提出了一系列标准和技术指引。2005年, 欧洲成立“智能电网 (Smart Grids) 欧洲技术论坛”, 将“Smart Grids”上升到战略地位展开研究。2006年, 美国IBM公司与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案, 该完整解决方案的提出, 标志着智能电网概念的正式诞生。2007年10月, 华东电网正式启动了智能电网可行性研究项目, 并规划了从2008年至2030年的“三步走”战略, 即:在2010年初步建成电网高级调度中心, 2020年全面建成具有初步智能特性的数字化电网, 2030年真正建成具有自愈能力的智能电网。该项目的启动标志着中国开始进入智能电网领域。2009年1月25日, 美国奥巴马政府发布《Recovery Plan Metrics Report》, 宣布将铺设或更新3 000英里输电线路, 并为4000万美国家庭安装智能电表———美国行将推动互动电网的整体革命。

智能电网已经被多个国家提升至国家战略的高度, 美国的智能电网计划叫做“Unified National Smart Grid”, 译为“统一智能电网”。欧洲智能电网计划名为“Super Smart Grid”, 译为“超级智能电网”。它是将广域电力输送网络与智能电网结合起来的广域智能网络, 可能的使用范围涉及到欧盟、北非、中东等国家和地区。智能电网被大家普遍接受的术语和称谓为:“The Smart Grid” (DOE, USA, 2008) 。

目前, 国内外对智能电网尚没有一个统一的定义。美国电力科学研究院定义智能电网:自愈、交互、优化、预测、协同、集成、安全。美国提出的智能电网有7大特征:自愈、互动、安全、提供适应21世纪需求的电能质量、适应各种电源和电能存储方式、面向市场、优化电网资产和运营效率。欧盟委员则定义智能电网:以客户为中心;支持分布式能源和可再生能源的接入;更可靠、更安全的电力供应;面向服务的框架;灵活的电网运用;高级自动化和分布式智能;负荷和电源的本地交互。并将智能电网的特性概括为:灵活性 (flexible) 、易接入性 (accessible) 、可靠性 (reliable) 和经济性 (economic) 。在2009特高压输电技术国际会议上, 国家电网公司公布了对智能电网内涵的定义, 即统一坚强智能电网是以坚强网架为基础, 以通信信息平台为支撑, 以智能控制为手段, 包含发电、输电、变电、配电、用电和调度6个环节, 覆盖所有电压等级, 实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合, 是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。

◎记者:智能电网涉及的技术领域和关键技术主要有哪些?

曹教授:智能电网的研究涉及很多领域:电力系统、电力电子、通信、控制、信息、市场与管理等。其中, 关键技术集中在以下几个方面:

(1) 输变电领域的关键技术, 具体包括特高压和超导技术, 先进的相量测量 (PMU) 和广域测量技术 (WAMS) , 新型柔性交流输变电 (FACTS) 技术;

(2) 配电与用电领域的关键技术, 主要涉及智能表计系统开发和表计数据管理, 需求响应和需求侧管理, 自愈的配电系统以及智能变电站技术;

(3) 可再生能源和分布式电源并网关键技术, 包括与储能电池相关的充电技术、监控和热管理技术以及用于能量双向传输的逆变器系统技术, 用于变电站级、用户级的中小型储能技术, 利用电动汽车的新型、高效储能技术, 以及随之而来的微网控制技术;

(4) 电网安全及智能调度的关键技术, 包括分析、诊断和预测电网状态, 确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断的装置和算法, 提高电能质量的设备和控制策略, 三维、动态、可视化的电网调度自动化技术以及广域防护系统;

(5) 开放、双向、实时、集成的信息技术, 主要包括新型传感器技术, 信息动态共享、大容量高速存取、冗余备用、精确数据对时技术, 基于国际和行业标准的信息集成, 个性化显示、智能决策支持以及信息安全技术等。

◎记者:有人提到, 智能电网是经济与技术发展的必然结果, 智能电网的社会效益和经济效益何在?

曹教授:建设坚强智能电网是一项具有重大政治、经济意义和社会效益的国家工程。从国家层面来看, 智能电网通过实现资源优化配置, 提高能源利用效率, 将缓解我国面临的能源消费减排压力, 提升能源技术领域的核心竞争力, 进而保障国家能源安全, 满足我国电力工业的可持续供应;从电网公司层面看, 智能电网将增强电网运营的安全性、可靠性和经济性;从用户层面看, 智能电网将降低电费支出, 提高用电可靠性, 获得更高品质的电力服务。同时, 常规发电企业、新能源提供商、设备制造商、电建公司等厂商则将从发电、线路、变电、配电、用电服务、调度这6个应用环节以及通信信息平台的新建工程和升级项目中直接获益。总的看来, 智能电网在未来的15~20年将提供大量就业岗位, 它在保护生态环境, 改善能源结构, 为整个社会节约成本的同时, 能带来能源观念的变革, 推动电力企业的管理创新和技术创新, 为我国的电力、电器、信息、电子、通信等产业提供新的经济增长点, 拉动国民经济增长。

◎记者:结合中国电力现状和理论研究实际, 您认为中国对智能电网的研究重点和可能的突破点在哪里?

曹教授:美国发展智能电网的驱动力主要为:关注现有电网基础设施的升级和更新, 提高供电的安全性和可靠性, 防止恐怖袭击;最大限度地将信息技术、通信技术和计算机技术与传统电网紧密结合起来;实现与用户间的双向流动, 更好地为客户服务。美国能源部、美国环境保护署、美国国家标准和技术研究院等机构联合组建了联邦智能电网工作小组 (smart grid task force) , 以协调美国政府相关机构的运作, 借此推动智能电网相关技术。欧洲发展智能电网的驱动力主要为:供电的安全性和可靠性问题、环境问题、国际市场问题。国家电网公司副总经理舒印彪说, “中国的智能电网包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度共6个环节, 具有信息化、数字化、自动化、互动化的‘智能’技术特征。”

与国外智能电网侧重节能相比, 我国国民经济持续高速发展, 电网处于快速发展期, 能源基地与负荷中心相距甚远, 使得我国把充分满足用户对电力的需求放在首位, 将以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网建设作为发展智能电网的物理基础。因此, 我们必须建设具有中国特色的智能电网。实际上, 在智能电网提出之前, 中国电网的数字化建设正逐渐朝着智能电网的方向发展。我国电网已经和正在构建一体化的信息平台、调度自动化系统、稳定控制系统、柔性交流输电, 变电站自动化系统、微机继电保护、配网自动化系统、用电管理采集系统等, 内容涵盖了发电、调度、输变电、配电和用户各个环节。从电力市场发展趋势看, 中国的智能电网建设在高级调度自动化系统、柔性输电、数字化开关、数字化互感器、配网自动化、用电管理采集系统等方面的提升空间还很大。

结合中国电力现状和理论研究实际, 在特高压输电的技术和产业领域, 我国已形成优势。重点应依靠特高压电网实现大容量、远距离、低损耗输电, 减小煤炭运输压力, 实现能源资源在全国范围的统一高效配置和高效利用;发展智能电网的数字化、信息化、自动化和互动化技术, 为我国电力大容量、远距离外送的安全稳定运行提供技术保障, 满足电力生产、外送和灵活可靠供电的需求;具备分布式能源接入能力, 实现能源的清洁、高效利用;提供输电环节的安全监控, 建设智能化变电站, 研究储能和电动汽车充电及配电自动化, 探索电力用户的信息采集等。

◎记者:湖南大学在智能电网研究方面有哪些资源优势?梯队建设和人员储备如何?

曹教授:湖南大学是一所理科基础坚实、工科实力雄厚、人文学科独具浓厚文化背景、经济管理学科富有特色的综合性全国重点大学, 直属国家教育部, 是国家“211工程”、“985工程”重点建设高校。

智能电网是一个多学科交叉的新领域, 湖南大学电气与信息工程学院科研基础好, 学科综合优势强, 已形成电力系统自动化、电机传动、工业自动化、测控与仪器、电子信息与通信工程、智能控制与图象处理、新型输配电新技术、高电能质量输配电理论和技术、大规模集成电路故障诊断等特色和优势研究方向。近年来, 先后承担了国家“九五”、“十五”、“十一五”攻关项目, 国家“863”、国际合作重点项目, 国家自然科学基金, 国家创新基金, 博士点基金和部省科研基金项目150多项, 其他横向科研课题200余项, 国家发明特等奖1项, 国家科技发明三等奖1项, 部、省科技进步一、二等奖和其他奖项60余项。拥有教育部输变电新技术工程研究中心、湖南省先进电力电子与电机技术重点实验室、电气科学及其应用湖南省重点实验室、湖南大学智能自动化技术重点实验室等科研基地。拥有一支以中青年学术骨干为主的智能电网研究团队, 2009年还获得教育部创新团队的称号。在智能电网方面, 今后将利用这些科研平台, 依托学校优势学科和队伍优势, 重点研究电力系统安全与控制、大电网智能优化调度、分布式智能系统理论、电力信息集成与网络化控制、电力市场与信息技术、特高压直流输电新技术、电能质量控制技术、新型电力系统继电保护技术、风力发电技术、智能电网故障诊断技术、新型智能表计、智能控制理论等问题。

在梯队建设和人员储备方面, 湖南大学坚持培养和引进相结合的方针。大力开展两院院士、长江学者、全国杰青获得者等高层次人才的引进工作, 并与国外多所著名大学和科研院所建立长期的人才培养和科研合作关系, 鼓励中青年教师和优秀研究生赴国外进修学习, 大大增强了我校的科研创新能力。

◎记者:在智能电网研究方面, 您课题组主要是针对哪些方面进行深入的研究?有何创新性?课题组的工作受到基金资助的情况如何?

曹教授:智能电网的研究涉及多个学科和领域的交叉, 课题组的工作集中在以下3个方面。

(1) 复杂电力网络的演化与安全评估研究

近年来, 国内外电力系统发生了多次由连锁故障导致的大停电事故, 造成了重大的经济损失和社会影响, 引起了人们对电网安全的高度关注, 促使人们理解和分析大停电和连锁故障传播机理。为了更好地理解电网连锁故障的机理, 研究人员尝试着从复杂系统理论和复杂网络理论角度对电力系统进行研究, 用新的复杂系统整体论分析方法, 结合复杂系统、统计物理和风险分析, 自上向下全面研究停电事故, 抓住电力系统大停电的本质, 分析电力连锁故障和大停电的全局性质。目前的研究内容主要包括:充分考虑电网拓扑结构、系统运行控制策略等实际因素, 建立与实际更加接近的电力系统运行演化模型;基于该模型研究电网演化过程和连锁故障传播过程, 揭示2个不同快慢时间尺度下的电网自组织临界性的演变规律;建立电网演化过程和连锁故障传播过程中自组织临界性的综合评估体系;给出电网在这2个时间尺度下的自组织临界态的辨识方法;将所提出的模型和方法应用于实际的大型互联电网, 通过历史停电数据的研究进行验证和修正。该项目将从多层次多角度对复杂电网连锁故障的发展过程进行量化的分析, 并给出自组织临界态的辨识方法, 对大型互联复杂电网安全性的监测、预警和控制, 具有重要的理论与现实意义。

(2) 电力信息集成技术研究

电力信息集成技术主要是是针对当前电力系统信息系统异构性、信息集成度差, 信息缺乏整体规划, 多信息源及信息缺失等问题, 基于智能电网中信息交换和信息共享的原则, 满足电力系统数据整合需求的信息融合技术。通过采用了目前先进的开放分布式应用环境的网络管理技术、多智能体技术、数据库和通信技术、面向对象技术, 遵循IEC相关标准及各类电力系统应用规范, 基于国际标准IEC的公用信息模型 (CIM) 和组件接口规范 (CIS) , 按照大型系统软件工程开发规范和自上而下的系统设计思想的基础上搭建了电力信息一体化平台, 系统具有很强的安全性、可靠性、开放性、可移植性以及可扩展性, 可以提高电力系统工作效率和生产管理水平, 加速电网信息化建设的进程, 适应国家电网公司建设智能电网的下一步要求。

(3) 电能质量和微电网控制研究

智能电网关注的不仅是风险环境下的自愈, 还包括向用户提供安全优质的电力。课题组目前正研究2个项目:“高速铁路电能质量控制”和“微网及含微网配电系统的电能质量分析与控制”。前者围绕牵引供电网络的负序、谐波、不平衡而引起的电能质量污染及如何为高速铁路负荷提供更稳定的功率输出2个问题, 开展牵引网结构改善、新补偿装置与补偿算法、更先进的电气化铁路设备、智能化的远动设备、故障诊断软件等研究, 期待解决高速铁路牵引供电系统给电网带来的冲击, 可作为智能电网中电能质量控制研究的起点;后者对微电网内部电能质量控制和控制微电网治理配网电能质量进行研究, 使微电网与智能电网有机结合, 为智能电网的自愈提供基础, 一并解决了配电网中无功调压、瞬间扰动和波形畸变等电能质量问题, 为用户提供安全优质的电力。

课题组的研究工作得到了国家重点基础研究发展计划 (973计划) 、国家自然科学基金委员会、教育部重大项目、浙江省科技重大专项基金和湖南省科技重大专项基金的资助, 同时还得到了国家电网公司等企业的支持。

◎记者:不久的将来, 中国电网将逐步实现大规模互联。为了评估和保障智能电网环境中的电网安全稳定性, 需要进行哪些基础性和前瞻性的研究?

曹教授:随着中国经济不断地快速发展, 同时, 建设特高压电网实现东西电网互联以提高电网安全稳定性, 我国电网将发展成世界上规模最大、结构复杂、技术先进的智能电网。大规模互联电网的形成, 一方面提高了系统的运行效率, 另一方面也增加了系统运行的不确定性, 系统扰动涉及的范围更广, 系统事故的后果更加严重, 保证系统安全稳定运行将是全国电网互联所面临的重大课题和艰巨任务。

但是, 电网互联可能给系统带来一系列技术上的问题, 如稳定、低频振荡、电压控制、故障连锁反应等, 需要予以深入研究。在大型互联电网中, 当电网发生故障后, 系统潮流将重新分配, 如果不加处理, 过负荷线路或变压器将被切除, 有可能引起一系列连锁反应, 甚至系统崩溃。

因此, 有必要依据电力系统的实际特点, 结合复杂系统理论, 进行电力系统复杂性研究, 期望能建立起从宏观评价到微观分析的联系, 以便能更好地从本质上把握电网的可靠性问题, 同时在综合考虑技术和经济因素的基础上提出相应解决措施。需要重点研究以下内容:

(1) 超大规模复杂电网的复杂性分析与电力网络中关键点的确定问题;

(2) 大型互联电网连锁故障的机理分析和普适性演化机制研究;

(3) 广域电力系统的建模和综合能源及通信系统体系结构;

(4) 综合信息系统与电力系统的一体化脆弱性评估理论与方法等。

电力系统稳定与控制 篇8

近年来,为解决区域电网安全稳定运行中存在的问题,应用了大量安全稳定控制系统及装置,其作为确保系统安全稳定运行第2道防线的重要设施,已经并将继续发挥重要作用[1,2]。

现有稳定控制管理主站主要存在2个方面的欠缺:(1)功能设计和定位缺乏系统性、数据加工利用程度低,大部分没有系统深入地分析需求,仅实现简单的监视、浏览、查询或定值修改功能,没有综合利用所收集信息加强运行管理和指导异常处理等;(2)平台整合设计利用欠缺,大部分管理系统与在线预决策系统、能量管理系统(EMS)等独立运行(或仅预留接口而未实际应用),各系统间信息不能有效使用和顺畅交换,而少数基于在线预决策系统统一设计、以实现在线策略及定值刷新和下发需求的管理系统,又弱化了管理功能,且与相关系统的数据交换复杂、安全防护困难、实现难度大。这导致目前稳定控制系统管理的自动化程度及智能化程度停留在较低的水平[3,4]。

因此,深入分析稳定控制系统的实际运行管理情况和未来功能需求,提出稳定控制系统管理主站的功能框架和设计方案,对于增强完善调度运行管理很有必要。

1 系统设计要求和功能框架

1.1 设计要求

稳定控制系统大多根据每个电力系统不同的稳定问题设计不同的策略,实现不同的功能,在软件数据结构及程序上有很大差别,具有厂站间互联规模和影响大、功能策略复杂化和差异化程度高、运行监控和异常处理难度大等特点;而且,当稳定控制系统异常或动作时,可能涉及到2个、数个,甚至数十个厂站装置。因此,稳定控制系统管理主站必须根据其特点,结合先进的实用技术,借鉴保护信息、自动化等系统经验,进行系统整体功能设计和开发[5]。

作为监控和管理系统,应满足以下通用技术要求:合理的平台配置、良好的功能框架和友好的数据库管理、模块化结构设计和开放式系统设计、商用数据库和标准数据库访问接口的利用、分布式系统的采用、功能完善友好的用户界面、满足二次系统安全防护要求等。

同时,为满足对稳定控制系统管理的信息支持和决策参考,应至少实现以下专用管理功能:查询和显示现场稳定控制系统和管理主站系统的运行状态;接收稳定控制装置上送的固化信息及采集到的运行数据、异常和动作信息;查询稳定控制装置采集的实时和历史运行数据;查询和召唤装置定值和离线策略,具有远方修改装置定值的功能;提供统一的稳定控制信息Web管理平台、数据源管理和信息访问窗口。另外,结合未来在线预决策系统应用需求,应实现与在线预决策系统的接口或一体化设计,支持在线策略定值计算和下发等功能[6,7,8]。

1.2 功能框架及系统平台的选取

稳定控制系统管理主站的功能框架见图1,包含管理主站各项基本功能和高级应用功能模块。图中,OPS为在线预决策系统,DMIS为调度管理信息系统。

本文所提出的功能框架既可以按独立平台开发设计以实现其基本功能,在需要时采用数据接口方式与在线预决策系统等互联,也可以与在线预决策系统等进行一体化平台设计以实现基本功能和高级功能。

考虑到在线预决策系统实用化和高级应用开发的需要,如按独立平台设计,存在如下问题:(1)稳定控制装置的实际运行情况及实时可切负荷量/机组量等不能直接提供给在线预决策系统进行稳定分析和校核;(2)不能直接利用在线系统实时运行数据对稳定控制装置采集的关键元件运行工况、认定的运行方式进行相互校核;(3)各系统间交互关键数据时需要增加传输环节,影响数据可靠性、实时性和数据的综合利用,并增加了安全防护等方面的困难[9]。

因此,本文功能框架在开发时采用一体化平台和统一数据库设计,见图2。其中,数据库、Web服务器、工作站是共用的。这样既满足了系统关键数据的共享、高级应用和计算分析的需要,也通过共用设备减少了占用的软硬件资源和投资,减轻了运行维护工作量,并通过共享通用功能模块和人机交互界面,提高了使用方便性,减少了外围工作量,从而有助于集中开发和调试专用功能和高级应用功能。

2 基本功能

本节主要对专用功能模块的设计要求进行阐述,而对数据库管理、告警服务、录波分析、报表管理、图形界面、运行维护功能、权限管理等常规的通用功能模块及其要求不再赘述。

2.1 稳定控制装置综合数据管理功能

1)装置配置及参数管理。可以方便、灵活地查询各站装置的参数、描述,装置的定值、区号,装置软压板、硬压板及运行状态,波形文件列表、波形文件等信息。

2)系统运行数据监测管理。监测记录各站稳定控制装置采集的线路、主变压器等设备的运行信息,包括频率、电压、电流、功率,以及相关的断面潮流、运行方式、可切负荷量/机组量等信息,并通过画面显示动态数据或曲线。

3)定值和软压板远程管理。可对现场装置的定值与策略表进行远程修改,投退软压板。定值、策略表及软压板修改事件自动入库并可以定义查询。

2.2 装置通信功能

采用规范统一的通信标准,以解决不同型号装置接入调试的难题,满足大量稳定控制数据报文快速传输的需要,并适应各种稳定控制系统规模的要求。采用实时、多任务、并行通信方式,通过分布式网络接入分散在各厂站的装置,以实现集中监视和管理。支持多种形式的通道连接,如2 Mbit/s专用通道、调度数据网等,方便现场实施。

2.3 监视功能

监视稳定控制系统的通信连接和运行情况及主站与稳定控制装置、前置服务器与系统其他节点间的通信状态。监视装置的自检、告警等异常信息。提供通信报文监视软件,对接收和发送报文用不同颜色显示,按设定条件过滤,并能保存为文本文件以便于分析。提供历史通信报文存储和查看工具,自动生成前置机系统日志,包括主站与子站通信、主备机切换、前置机异常事件等。

2.4 Web发布功能

搭建稳定控制信息Web管理平台,提供统一的数据源管理和信息访问窗口;管理系统配置独立的信息发布数据库,提供系统运行综合管理信息;支持局域网用户通过普通互联网浏览相关信息;支持分级发布机制;满足二次系统安全防护要求。

3 高级应用功能

3.1 运行数据校核功能

3.1.1 电气量比对

在故障发生且稳定控制系统正确动作后,一次系统能否保持安全稳定运行取决于稳定控制系统控制的可切负荷量/机组量是否满足需切量要求。然而,需切量随着不同方式和故障的变化而变化,可切量也是实时变化的,如何实时确保充足的可切量是调度运行人员面临的一个问题。对此,可在管理主站设置可切量不足告警功能,对系统元件运行工况、需切量和可切量进行在线监测、计算和比对,一旦可切量不满足要求,即实时发出告警,提示调度运行人员及时采取紧急措施,调整运行方式、控制断面输送功率或增加可切量,以满足对应方式的需切量要求。

同时,在实际运行中,存在二次回路接入、定值设置、采样误差等原因而导致的采集到的元件电气量与实际运行值不一致问题,直接影响到装置的判断和动作结果。基于管理主站和在线预决策系统的一体化管理系统,可将稳定控制装置采集的电气量与在线预决策系统(采用EMS数据,下同)采集到的电气量进行比对,一旦发现不一致则告警,通知运行管理人员检查装置整定值和运行数据等,并作相应调整。其实现思路如下:建立2个系统间的元件电气量对应表,选定关键元件电气量进行比对;设置电气量比对的“不一致门槛值”;若发现2个系统采集的同一元件电气量的差值大于“不一致门槛值”则告警,显示不一致对照表,同时将数据差异的内容写入历史库。

3.1.2 运行方式比对

系统运行方式对运行控制和稳定控制策略的执行至关重要,存在因数据采集偏差、压板投退等特殊情况导致现场装置认定运行方式与实际运行方式不对应的问题,导致在发生故障时系统不能按预定策略正确动作,从而造成所需稳定控制措施失效。然而,系统实际运行方式和装置认定运行方式都是实时变化的,如何实时确认两者相一致也是调度运行人员面临的一个问题。同样,可借助在线预决策系统进行运行方式比对,一旦发现不一致则告警,通知运行管理人员检查装置运行数据、方式压板等问题,并作相应调整。

其实现思路如下:稳定控制装置根据采集信息自动认定出当前的运行方式,并将其上送到管理主站;在线预决策系统基于自身掌握的系统各元件运行工况,按预先定义的断面方式,给出相关断面当前的运行方式;若发现稳定控制装置自身认定的运行方式与在线预决策系统给出的运行方式不一致则告警,同时将不一致对照表内容写入历史库中。

3.2 定值校核比对及巡检功能

能否及时、正确地调整现场装置定值,关系到稳定控制系统能否有效、正确地发挥作用。目前,装置定值调整与否、是否正确只有依据现场执行后填写回执单来检查确认,在实际工作中存在没有按要求执行、因定值项目繁杂而整定出错的情况,执行人员难以通过自检纠错。因此,有必要开发智能校核比对功能,通过设定装置定值修改后自动报送修改情况给主站或通过召唤现场装置当前定值并进行人工校核或自动对比2种方式,检查现场装置是否正确调整,一旦发现装置定值未及时或未正确修改,即可通知现场人员。在确认定值修改正确后,即将当前定值保存为基准定值。基准定值作为定值巡检的比较基准。

同时,设置人工手动定值巡检和定期定时自动定值巡检,按照设定的巡检周期,自动召唤装置当前定值与定值单对比,若巡检发现定值有变化则告警并提示用户。不管是人工巡检还是自动巡检,只要发现装置定值与基准定值不一致,即按列表方式显示不一致的定值,同时在告警窗中显示并记录入库。

3.3 异常专家指导功能

装置异常通常由单个装置元件、逻辑功能、通道等的异常引起,不仅影响装置本身,还可能影响整个稳定控制系统和一次系统的运行。异常处理通常需要厂站值班人员评估装置状况来确定装置是否退出运行,再由运行调度人员评估装置异常对系统产生的影响。因不同装置的异常影响有所差异、不同系统的异常影响也各不相同,且往往依赖于厂家、装置和专业管理人员的判断,很容易因专业知识、系统信息不全面而出现对异常的误处理、漏处理或处理不及时、不合理等。

专家系统及规则推理机制在电力系统等领域的应用[10,11,12],为实现稳定控制系统运行管理的智能化提供了一种可行的技术方法。本文在管理主站功能设计中应用专家系统技术,开发了稳定控制系统及装置异常专家指导功能,用于实时、快速指导运行调度人员进行决策处理。

3.3.1 专家系统的搭建

专家系统主要由知识库、知识获取机构、推理机、解释机构和人机接口等部分组成,见图3。

知识的获取是构造专家系统的关键。首先由稳定控制系统及装置领域的专家/专业管理人员提供异常象征、异常类型、异常原因及其相互关系等知识,再由工程师对其进行适当地组织和提炼,形成合适的规则以构成知识库。知识库包括规则表、异常象征表、处理方法表和装置投退影响表。

为了方便知识管理系统的设计和实现,考虑利用数据库本身的技术(如关联、过滤和索引等)简化知识获取的过程,降低专家系统知识库的维护,并对知识库中的知识进行冗余、一致性和完备性检查,采用在关系数据库的基础上建造知识库,并利用关系数据库管理知识库的方式。

推理机的工作原理实际上就是对存入关系数据库的数据进行匹配查询,若发现有一致性的数据记录,则激活该条规则记录。其推理过程是用已经获得的异常象征来匹配规则,如匹配成功,则得到规则表中的异常处理方法。

3.3.2 实例分析

下面以某装置异常为例,简要说明专家系统的处理过程。首先由专家将异常处理逻辑和规则输入知识库,包括各种异常象征和对应的处理方法等,见表1—表3。

若某装置发生“CPU定值出错”(表1中象征3),主站会通过告警窗口提醒调度人员,并根据专家数据库中的知识及推理机制给出异常处理方法(表2中结论3);同时,给出该装置退出对整个稳定控制系统的影响,以及需要控制的相关断面或需采取的应对措施。

3.4 支持在线策略计算和下发功能

为确保在线策略计算准确和下发安全可靠,采用了管理主站与在线预决策系统一体化设计模式。管理主站将现场装置采集的元件运行信息、可切量信息等写入数据库中,由在线预决策系统直接使用这些数据作为在线策略计算的依据和补充,然后将在线策略定值通过管理主站下发给各控制站,由控制站根据在线策略定值、运行方式、故障等计算控制命令,并转发至各切机、切负荷执行站。

实际上,在线策略计算和下发需要花费一定的时间(几分钟),期间系统的运行方式可能会发生较大的变化,存在在线策略及命令不适应的问题。因此,有必要设定一个在线策略生效条件作为防误措施,例如策略对应的运行方式(包含元件投停状态和功率)。本文初步探讨了2种形成生效条件的方式:一种是生成下发生效条件,即在线预决策系统把计算时的元件投停状态和功率值生成约束条件,并按与现场装置约定好的格式下发给装置;另一种是接受上送生效条件,即现场装置在上送实测数据(元件投停状态、功率)时,生成与当前数据相匹配的约束条件,一同上送给在线预决策系统使用。在本文系统开发实施时,采用了第2种方式实现在线策略的计算和下发,见图4。

4 结语

本文所研发系统已在广东电网、上海电网和三峡梯级调度应用并顺利接入现场不同型号装置,系统运行稳定,满足实时了解稳定控制系统的运行情况、动作情况及异常信息和电网运行控制措施落实情况的需要,提高了运行调度人员和管理人员对现场稳定控制系统的监测和管理能力,增强了稳定控制系统运行的安全可靠性,避免了对稳定控制系统处理不当而带来的稳定控制措施失效,有效指导系统运行方式、断面输送极限的调整,降低了电网安全运行的风险。

参考文献

[1]孙光辉,沈国荣.加强三道防线建设确保电网的安全稳定运行[J].江苏电机工程,2004,23(5):4-7.SUN Guanghui,SHEN Guorong.Enhance three defense planfor the stability of power system[J].Jiangsu ElectricalEngineering,2004,23(5):4-7.

[2]吴烈鑫,吴国炳,张荫群,等.电网安全稳定控制系统标准化工作探讨[J].南方电网技术研究,2007,3(2):42-45.WU Liexin,WU Guobing,ZHANG Yinqun,et al.Discussionon the standardization work of security-stability-control systemsof power grid[J].Southern Power System TechnologyResearch,2007,3(2):42-45.

[3]刘志,王静,祁忠,等.RCS-9012稳控集中管理系统[J].电力系统自动化,2008,32(11):89-92.LIU Zhi,WANG Jing,QI Zhong,et al.RCS-9012integrationmanagement system of stability control system[J].Automationof Electric Power Systems,2008,32(11):89-92.

[4]黄见虹,陆伟,刘志,等.福建电网在线稳定控制系统监控后台[J].福建电力与电工,2007,27(2):52-54.HUANG Jianhong,LU Wei,LIU Zhi,et al.Supervision andcontrol background of on-line stable control system of Fujianelectric power grid[J].Fujian Electric Power and ElectricalEngineering,2007,27(2):52-54.

[5]徐驰.继电保护设备管理信息系统的开发与应用[J].电力系统自动化,2004,28(12):98-99.XU Chi.Research and implementation of managementinformation system for protective relaying device[J].Automation of Electric Power Systems,2004,28(12):98-99.

[6]张伯明,吴素农,蔡斌,等.电网控制中心安全预警和决策支持系统设计[J].电力系统自动化,2006,30(6):1-5.ZHANG Boming,WU Sunong,CAI Bin,et al.Design of earlywarning and security countermeasure system for electric powercontrol centers[J].Automation of Electric Power Systems,2006,30(6):1-5.

[7]孙光辉,毕兆东,赵希才,等.电力系统在线安全稳定评估及决策技术的研究[J].电力系统自动化,2005,29(17):81-84.SUN Guanghui,BI Zhaodong,ZHAO Xicai,et al.Technologyof on-line power system stability evaluation and decision-making[J].Automation of Electric Power Systems,2005,29(17):81-84.

[8]薛禹胜.时空协调的大停电防御框架:(二)广域信息、在线量化分析和自适应优化控制[J].电力系统自动化,2006,30(2):1-10.XUE Yusheng.Space-time cooperative framework for defendingblackouts:Part two reliable information,quantitative analysesand adaptive controls[J].Automation of Electric PowerSystems,2006,30(2):1-10.

[9]严胜,姚建国,杨志宏,等.智能电网调度关键技术[J].电力建设,2009,30(9):1-4.YAN Sheng,YAO Jianguo,YANG Zhihong,et al.Study onkey technologies in smart grid dispatching[J].Electric PowerConstruction,2009,30(9):1-4.

[10]郭创新,朱传柏,曹一家,等.电力系统故障诊断的研究现状与发展趋势[J].电力系统自动化,2006,30(8):98-103.GUO Chuangxin,ZHU Chuanbai,CAO Yijia,et al.State ofarts of fault diagnosis of power systems[J].Automation ofElectric Power Systems,2006,30(8):98-103.

[11]张东英,钟华兵,杨以涵,等.基于BP神经网络和专家系统的变电站报警信息处理系统[J].电力系统自动化,2001,25(9):45-47.ZHANG Dongying,ZHONG Huabing,YANG Yihan,et al.Substation alarm message dealing system based on ANN andES[J].Automation of Electric Power Systems,2001,25(9):45-47.

电力系统稳定与控制 篇9

现代电力系统是一个强非线性的大型复杂动态系统,随着电力系统容量的不断增加和电网结构的日益复杂,电力系统的暂态稳定问题愈加突出。随着灵活交流输电系统FACTS(Flexible AC Transmission Systems)的广泛应用,电力系统的暂态稳定控制特别是维持系统电压稳定具有了更为丰富、灵活的控制手段。国内外学者从多种应用角度对不同类型的FACTS装置的控制技术展开了一系列研究,在保证系统暂态稳定、维持系统电压水平、抑制系统低频振荡和次同步谐振等诸多领域均取得了丰富成果[1,2,3]。

静止无功补偿器SVC(Static Var Compensator)作为第一代FACTS控制装置,因技术成熟、成本低廉而在全世界得到了广泛应用。文献[4]设计了SVC与发电机励磁协调自适应控制器,可以同时满足发电机暂态功角稳定和节点电压控制要求。文献[5]进一步研究了考虑非线性负荷的情况。文献[6]用直接反馈线性化方法实现了SVC和励磁协调鲁棒控制。但这些方法大多针对单机无穷大系统,很难直接扩展到多机系统中,而实际电网的暂态稳定控制亟需考虑多个发电机和SVC之间的相互作用和协调。

哈密尔顿(Hamilton)系统理论为多机电力系统的暂态稳定控制提供了有力工具。基于Hamilton系统的控制设计方法能够提供系统及其控制行为的物理解释,实现直观的几何和物理描述[7]。Hamilton函数一般可取为系统的总能量,避免了构造Lyapunov函数的困难。文献[8]提出拟Hamilton系统的概念,并利用电力系统结构保持模型设计了多机系统中多SVC间的协调控制器。文献[9]进一步考虑了SVC与发电机励磁间的协调控制。

本文考虑能够提高系统暂态稳定性的多机系统发电机励磁和SVC装置的协调控制问题。为避免构造系统Hamilton函数的困难,仍采用仅保留发电机内节点的经典简化网络模型,并考虑恒阻抗特性的负荷。考虑到进行系统研究时,SVC的动态模型可以表示为用一阶微分方程所表示的等值导纳,为保留描述其动态过程的微分方程,将SVC的动态过程包含在时变的系统导纳阵中,将计及转移电导的多机系统描述为伪广义Hamilton形式,进而构造具有能量概念的系统Lyapunov函数,利用L2干扰抑制控制方法设计发电机励磁和SVC的鲁棒协调控制器,该设计思路的物理意义更为直观,并且在实际系统中能够找到容易量测的信息实现大电网的稳定控制。最后通过仿真算例说明本文所提方法的正确性和有效性。

1 伪广义Hamilton理论

考虑包含扰动项的仿射非线性系统:

其中,G为扰动项系数阵,w=[w1…wn]T为不确定扰动项,n为发电机节点数,其他变量说明见文献[10]。

定义若存在Hamilton函数H(x),可将系统式(1)表示为:

则称系统式(1)具有伪广义耗散Hamilton实现,函数H(x)为系统的一个广义Hamilton函数。其中,T(x)=J(x)-R(x)为系统结构矩阵,J(x)=(Jij(x))n×n为n×n维反对称矩阵,R(x)=(Rij(x))n×n为n×n维半正定矩阵,。若R(x)为正定矩阵,则称式(2)为严格伪广义耗散Hamilton实现[10]。

控制输入和扰动项都为零时,系统式(2)的平衡点x0应满足:

定义新的能量函数为:

则式(2)可以表示为:

则可知:

即x0是W(x)的一个驻点。若在x0的某一邻域内W(x)>0恒成立,即x0是W(x)的极小值点,则可以用Lyapunov方法探讨系统在x0附近的稳定性。

定理1定义输出信号为,其中r为常系数矩阵,如果能给定扰动抑制水平γ>0满足,则存在控制策略

使系统在平衡点x0处是局部渐近稳定的,其中I为具有相应维数的单位对角阵。证明过程如下。

视式(6)中的η(x)项为有界扰动,记Gw(x)=η(x),其中,G为对角阵,w(x)=[w1(x),…,wn(x)]T。对系统能量函数W(x)沿式(6)所确定的系统轨迹求导,有:

根据“完全平方法”进行变换可得[11]:

将式(8)所示的控制信号代入式(10),并记:

则有:

选定适当的干扰抑制水平γ满足Q(x)≥0,根据无源性理论[11],系统在控制律式(8)的作用下是稳定的;若Q(x)>0,则系统在平衡点x0处是渐近稳定的。

2 系统模型及其伪广义耗散Hamilton实现

讨论一般的多机电力系统,其中包含n个发电机节点、m台SVC装置和p个普通负荷节点,系统采用统一编号规则,n+1~2n为发电机连接网络节点,2n+1~2n+m为安装SVC装置的母线节点,2n+m+1~2n+m+p为普通负荷节点,设发电机内节点编号为1~n。

当SVC补偿容量固定(初始潮流下的静态值)时,假定其等值电导分别为bL10~bLm0,则将负荷节点、SVC节点和连接节点消去,仅保留n个发电机内节点的简化网络等值导纳阵可以表示为:

其中,YA=Yg为发电机连接网络节点和内节点间的关系导纳矩阵,YD为n+m+p维方阵。

设简化网络矩阵YEqu中的元素为Yij=Gij+j Bij,考虑负荷为恒阻抗模型,发电机模型采用三阶实用模型,则可获得SVC补偿容量固定时的系统动态方程。考虑SVC的调节作用,将其表示为一阶惯性环节[9],则矩阵中的Ymm中各元素不再为常数,故由式(13)获得的简化网络矩阵YEqu是SVC等值导纳的函数,设YEqu中的元素为,且有:

其中,Gij和Bij为初始状态下的系统电导和电纳,Δgij和Δhij为SVC动态过程产生的系统电导和电纳变化。

因而发电机节点的动态过程同时包含了SVC动态调节过程,简化网络模型下系统动态方程为:

式(15)中各参数的物理意义可参考文献[10],为方便记号,记Sδij=sin(δi-δj),Cδij=cos(δi-δj),并设:

考虑SVC装置的作用,可以构造出新的系统Hamilton函数为:

式(16)等号右边第1项为该系统的动能,其他各项之和为系统的势能,最后一项是SVC装置所引入的系统势能,而整个函数H则表示系统的总能量。

假定x=(δ1,ω1,Eq1′,…,δn,ωn,Eqn′,BL1,…,BLm)T为系统状态变量,并记x0为系统的初始平衡点,同时考虑到SVC装置仅对安装点母线的电压具有较好的控制作用,假定ULk=ULk0(标幺值),且考虑到SVC装置仅提供无功注入,忽略其对系统电导的影响,则包含发电机励磁和多个SVC装置的多机电力系统的系统方程为:

其中,i=1,2,…,n;k=n+1,…,n+m;uf i0和uS k0分别为发电机励磁初始值和SVC装置的初始控制值,已知系统的初始运行点时,其值均可直接通过计算获得。

从而将考虑转移电导的包含发电机励磁和多SVC装置的多机电力系统表示为式(6)所示的伪广义耗散Hamilton形式,并有η=[p軈i-p軈i0,pk]T。故可直接利用定理1中的控制器设计方法对系统进行镇定控制。

3 发电机励磁与SVC协调控制器的设计

记,根据定理1的控制器设计方法和第2节的建模过程,对式(15)所示的动态系统设计第i台发电机的励磁控制律为:

第k台SVC装置的控制律为:

其中,ri和rk为待定系数。

系统建模过程考虑了发电机励磁和SVC的动态过程,所设计的控制器计及了各发电机和SVC间的耦合影响,是以保证系统暂态稳定为目标的协调控制策略。

注意到电力系统的工作点都是孤立的,即存在某邻域D,使得当x{‖x-x0‖

由于考虑了系统转移电导的影响,并在发电机励磁控制设计过程中考虑了SVC动态过程的影响,所设计的发电机励磁控制律式(18)中包含了式(14)所示的电导、电纳参数的动态过程,必须采用实时计算方式才能获取,计算量巨大,难以在实际过程中应用。本文采用一种近似的方法,考虑控制律式(18)中含有Eqi′和δi等难以直接测到的量,利用电力系统中的恒等变换,用发电机注入功率Pi+j Qi和发电机机端电压Uti以及发电机转差Δωi=ωi-ω0代替,则有如下等式成立:

励磁电压初值ufi0和其他参数均为已知量,则可以得到用直接量测量和初始电导计算值表示的励磁控制律,并方便直接应用于实际电力系统。

注意到SVC装置的调节过程对系统电纳产生影响,在网络结构和系统参数均为已知量时,系统负荷采用恒阻抗模型,则可以通过计算得到的值。对于式(19)所示的SVC子系统的控制律有:

同样采用上面的方法用可量测量代替E′q和δi等状态量,SVC装置安装处节点的电压幅值ULk容易通过量测直接获取,uSk0为初始运行状态下为保证SVC有一固定无功注入的控制输入初始值,故可以通过量测和计算获得SVC子系统的控制律。

4 仿真算例

以图1所示的3机9节点系统算例验证文中所设计的非线性协调控制器的有效性。图中发电机节点3选为参考节点,系统基准容量为100 MV·A,发电机和系统网络参数见文献[12]。为验证本文所设计非线性协调控制器的有效性,用传统的发电机励磁和SVC分散控制作为参考。分散控制中,发电机励磁控制设计参见文献[10],SVC采用节点电压反馈控制;协调控制中发电机励磁和SVC分别采用式(18)和(19)所示的控制策略,控制参数取为r=3,γ=1。假定的故障场景为2.0 s时母线8发生瞬时接地短路故障,2.2 s时故障消失,系统恢复正常。

观察系统在施加协调控制和分散控制时的动态响应情况。图2—4分别给出了发电机转子角、角速度和暂态电势(标幺值)的动态响应曲线,从图中可以看出,2种控制器都能保证系统稳定。但在本文所设计的非线性协调控制器作用下,系统发生扰动后能够更快速地趋于稳定,暂态过程中功角和转速偏离平衡点的程度较小,故障时暂态电势也维持在相对较高的水平,而电压支撑能力对系统快速恢复和暂态稳定具有很大帮助。上述分析证明了本文所提出的发电机励磁和SVC协调控制方法的正确性和有效性。

5 结论

本文从能量的角度出发,基于伪广义Hamilton理论设计了多机系统发电机励磁和SVC装置的协调控制策略,在控制器的设计过程中考虑了各发电机之间及其与SVC装置之间各动态过程的相互影响,在实际应用中,所设计的控制律的输入信号还是易于量测的。随着相量测量单元和广域量测系统在大电网中的广泛应用,为实现各分散的FACTS装置、发电机励磁控制和高压直流输电系统之间的协调控制提供了有效的信息支撑。

参考文献

[1]蒋平,栗楠.PSS和SVC联合抑制次同步振荡[J].电力自动化设备,2010,30(7):40-45.JIANG Ping,LI Nan.Restraint of sub-synchronous oscillationwith PSS and SVC[J].Electric Power Automation Equipment,2010,30(7):40-45.

[2]蒋平,栗楠,顾伟,等.PSS和SVC联合抑制特高压网络低频振荡[J].电力自动化设备,2009,29(7):13-17.JIANG Ping,LI Nan,GU Wei,et al.Restraining low frequency oscillation of UHV power grid using PSS and SVC[J].Electric Power Automation Equipment,2009,29(7):13-17.

[3]谢惠藩,张尧,夏成军,等.SVC对特高压紧急直流功率支援的影响[J].电力自动化设备,2009,29(1):6-10.XIE Huifan,ZHANG Yao,XIA Chengjun,et al.Influence of SVC on UHV emergency DC power support[J].Electric Power Automation Equipment,2009,29(1):6-10.

[4]阮映琴,王杰.静止无功补偿器与发电机励磁协调自适应控制[J].上海交通大学学报,2005,34(增刊1):216-219.RUAN Yingqin,WANG Jie.The adaptive control of SVC cooperate with the excitation system of generator[J].Journal of Shanghai Jiao Tong University,2005,34(Supplement1):216-219.

[5]RUAN Y Q,WANG H.The coordinated control of SVC and exci-tation of generators in power systems with nonlinear loads[J].International Journal of Electrical Power&Energy Systems,2005,27(8):550-555.

[6]WANG Y Y,TAN Y L,GUO G X.Robust nonlinear coordinated generator excitation and SVC control for power systems[J].International Journal of Electrical Power&Energy Systems,2000,22(3):187-195.

[7]何斌.微分代数方程Hamilton系统及其在电力系统稳定控制中的应用研究[D].上海:上海交通大学,2007.HE Bin.Study of Hamiltonian system based on differential algebraic equations and its application in power systems stability control[D].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2007.

[8]何斌,张秀彬.基于结构保持模型的多SVC协调控制[J].中国电机工程学报,2007,27(28):34-39.HE Bin,ZHANG Xiubin.Coordinated control for multi-SVCsbased on structure preserving model of power system[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(28):34-39.

[9]何斌,张秀彬,赵兴勇.多机系统中励磁与SVC的协调控制[J].电工技术学报,2008,23(12):152-159.HE Bin,ZHANG Xiubin,ZHAO Xingyong.Coordinated control of excitation and SVC in multi-machine power system[J].Tran-sactions of China Electrotechnical Society,2008,23(12):152-159.

[10]石访,王杰.伪广义哈密顿理论及其在多机电力系统非线性励磁控制中的应用[J].中国电机工程学报,2011,31(19):67-74.SHI Fang,WANG Jie.Pseudo-generalized Hamiltonian theory and its application to multi-machine power system nonlinear excitation control[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(19):67-74.

[11]郝晋.含FACTS的电力系统微分-代数模型非线性控制策略研究[D].上海:上海交通大学,2007.HAO Jin.Study on nonlinear control strategy for differential-algebraic model based power system with FACTS considerations[D].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2007.

电力系统电压稳定及控制研究 篇10

关键词：电力系统,电压稳定,控制

电力系统电压失稳会导致大面积停电事故的发生, 从而造成了巨大的经济损失和严重的社会生产生活影响, 因此, 一直以来就得到了广大电力工作者的重视和关注。对电力系统电压稳定的专业研究可以追溯到20世纪七八十年代, 起初的研究主要集中于静态电压稳定方面, 随着研究的不断深入, 逐步从动态视角来研究电压稳定问题, 它与电力系统稳态以及系统中各元件的动态特性等都有密切的关系, 电压控制、无功补偿与管理、继电保护控制中心操作、功角 (同步) 稳定等都将对电力系统的电压稳定产生直接的影响。目前, 随着经济的发展, 电力需求的不断增加, 电力系统已经走向了大电网、超高压、大机组、重负荷、远距离输电时代, 这就不可避免会给电力系统电压的稳定性带来新的挑战, 因此有必要对电力系统电压的稳定及控制进行研究, 以保证电力系统的安全稳定运行。

1 电力系统电压稳定的形式

电力系统的电压稳定性是指从给定的初始运行条件出发, 遭受扰动后电力系统在所有母线上保持稳定电压的能力。它依赖于电力系统中保持或恢复负荷需求和负荷供给平衡的能力。可能发生的失稳表现为一些母线上的电压下降或升高。在发生电压失稳时, 可能导致的后果包括系统中负荷的丧失、传输线路的跳闸、因元件保护动作导致系统的级联停电、因停电或不满足励磁电流限制的运行条件导致一些发电机失去同步等。根据相关文献可以把电力系统电压稳定的形式分以下四类。

(1) 动态稳定。系统用线性微分方程描述, 计及元件动态及调节器的动态作用, 判别系统在小扰动下的电压稳定性。 (2) 静态稳定。对动态系统作进一步简化, 即假定发电机在理想的调节下, 负荷用静态电压特性表示, 从而使系统可以用代数方程描述时, 判断系统在平衡点处的电压稳定性。研究系统静态电压稳定的主要作用是确定系统正常运行和事故后运行方式下的电压静稳定储备情况。 (3) 暂态稳定。系统用非线性微分方程描述, 计及元件的动态特性及调节器的动态作用, 暂态稳定可以用来判别系统在大扰动下的电压稳定性。 (4) 电压崩溃。系统在遭受扰动 (大干扰或小扰动) 作用下, 系统内无功功率平衡状态遭到破坏, 依靠调节器和控制器的作用, 仍不能使的功率平衡得到恢复, 从而导致局部或者整个系统中各节点电压急剧下降的物理过程。

2 电力系统电压稳定分析方法

对电力系统电压稳定性的分析, 是预防和控制其稳定性的重要前提, 就目前研究现状来看, 针对电力系统电压稳定的形式主要有静态电压稳定分析和动态电压稳定分析这两类方法。

2.1 静态电压稳定分析方法

静态电压稳定分析方法主要有灵敏度分析法、潮流多解法、最大功率法奇异值分解 (特征值分析) 、法崩溃点法这几种。这些方法都是静态电压稳定分析中较多采用的方法, 其共同点是基于潮流方程或经过修改的潮流方程, 在当前运行点处线性化后进行分析计算, 本质上都把电力网络的潮流极限作为静态电压稳定的临界点, 所不同之处在于所采用的求取临界点的方法以及使用极限运行状态下的不同特征作为电压崩溃的判据。静态方法的优点是将一个复杂的微分方程解的性态研究看成是简单的非线性代数方程实数解的存在性研究, 其缺点是不能反映各元件的动态特性, 且将电力系统的潮流极限作为小干扰电压稳定的极限点, 而这仅是电压稳定的必要条件而非充分条件, 因而其结果大多是乐观的。

2.2 动态电压稳定分析方法

动态电压稳定根据扰动的大小分为小扰动稳定和大扰动稳定;根据响应时间的长短, 包括暂态稳定、中期稳定和长期稳定, 在分析方法方面主要有小扰动稳定分析和大干扰稳定分析。

小扰动电压稳定分析方法是基于系统的微分一代数方程扰动分析是严格意义上的Lyapunov稳定分析。由于电力系统中各种动态元件的时间常数或动作整定时间大小不同, 且动态元件对不同分析对象的电气距离也应不同, 因此各种动态元件对电压稳定的影响也不同, 故针对不同扰动, 其关键是建立快速精确的小扰动电压稳定分析模型和如何简化计算系统的线性化状态方程系数矩阵的全部特征值是小扰动电压稳定研究的重点。

大扰动电压稳定分析又分为时域仿真法及暂态电压稳定分析。电力系统始终处于发电和用电的动态平衡, 当系统遭受大扰动时就必须采用时域仿真法对电压稳定性进行研究。时域仿真法采用数值分析方法进行研究, 得到电压及一些变量随时间变化的曲线。该方法具有

较高的建模精度和分析结果, 并且其分析结果具有较高的可解释性, 可以清晰地发现导致电压失稳或电压崩溃的时间序列, 从而为找到正确的控制措施提供依据。暂态电压稳定的物理意义是系统是否有能力抑制各种扰动而出现的各种电压偏移, 维持系统的负荷电压水平, 它反映几秒内的电压失稳。暂态电压稳定涉及到一些快速元件的动作响应, 如同步发电机及其自动电压调节器AVR的响应、调速器的响应、高压直流元件和静态无功补偿SVC等相关元件的响应等。当电压失稳的过程可能持续很长时间时, 必须进行中长期的电压稳定研究。在中长期电压稳定分析时必须考虑到一些响应慢的动态元件的动作特性, 如有载调压变压器分接头的持续动作、发电机励磁限制、负荷的恢复特性、AGC、SVC、继电保护、自动重合闸以及各种预防校正控制的动作等因素。毫无疑问, 利用时域仿真是中长期电压稳定分析的一个有效方法。在进行仿真时, 一般都基于“准静态”假设。另外, 在中长期电压稳定仿真过程中可结合一些静态电压稳定分析方法。

3 电力系统电压稳定控制

控制电压稳定的措施可分三类:预防措施、校正措施和紧急措施。预防措施是在规划阶段考虑的, 主要研究系统的无功规划问题, 包括确定无功补偿容量和无功补偿设备的运行方式等。校正措施是在系统运行阶段实时执行的, 其作用是防止电压失稳初始状态的出现。这类措施主要依赖于系统的电压/无功调整。即系统中投运的电压/无功调整设备可控参数的重新设置。紧急措施则是在系统电压失稳过程已经开始、校正措施已无法阻止电压失稳的进一步发展, 为避免电压崩溃而采取的措施, 如切负荷。电力系统正常运行时, 应保证有一定的电压稳定裕度, 可以通过保持发电机额定功率因数、提高负荷功率因数、合理安排系统中的无功分布等措施来实现, 通过为校正措施。在电力系统出现故障等特殊情况下, 当电压稳定裕度不足甚至趋于电压崩溃时, 需要采取相应的控制手段保证系统的电压稳定性, 即所谓的紧急措施。下面给出电力系统中几种常用的电压稳定控制措施。

3.1 无功补偿

常用的电力系统无功补偿包括并联电容器组, SVC, STATCOM等。

(1) 机械投切的并联电容器。电容器的过度使用在特定的扰动下会恶化无功功率的不平衡, 是电压崩溃的一个诱因。由于并联电容器的无功出力与端电压的平方成正比, 当扰动后电压下降很大时, 会导致电容器的无功出力大幅度降低, 不利于电压的恢复。因而, 采用并联投切电容器组进行无功补偿, 在紧急情况下其作用有限。

(2) SVC和STATCOM。这是目前电压稳定研究中, 采用的最多的动态无功补偿设备, 大量文献的研究结果表明, 这些设备的使用可以有效提高系统的电压稳定性。在SVC结构中, 滤波电路用来滤除高次谐波, 其对于基波呈容性。SVC可以设计成对称或不对称方式运行 (指容性和感性调节容量) , 而STATCOM总是以对称方式运行。SVC和STATCOM的主要区别在于超过其控制范围后的特性, 这时的SVC和STATCOM分别相当于一个并联电容和一个恒流源。

3.2 变压器分接头的紧急控制

OLTC的主要作用是在正常运行时调节负荷母线的电压, 使其在允许范围内。分接头动作一般不利于电压稳定, 在系统紧急状况下, OLTC和发电机过励限制器 (OEL) 等慢动态装置的相互作用可能引起电压失稳, 这种情况在负载为电压敏感负荷时尤为明显。但在有些情况下, 分接头动作有利于增强电压稳定性, 如:在恒功率负荷或感应电动机负荷以及存在感应风力发电机的情况下, 因为对于恒功率负荷, 配电网电压升高会降低网络中的有功功率和无功功率损耗, 而对于感应电动机和感应发电机, 其无功功率—电压特性为负的斜坡特性, 即电压升高时, 吸收的无功功率会减小。分接头的紧急控制措施包括分接头调节闭锁和分接头逆调节, 即把控制母线由配电侧转为输电侧。分接头的逆调节在紧急情况下可以暂时停止或延缓电压下降导致电压崩溃的趋势。

3.3 发电计划重新安排

该控制措施属于短期运行计划的范围, 其优点是控制作用可以在现有设备的基础上进行, 无需增加新设备。在最优潮流和经济调度中, 通常会考虑功角稳定的要求。与此类似, 如果在最优潮流中考虑电压稳定的要求, 达到电力系统安全性与经济性的平衡, 则可以在一定程度上缓解电压稳定的压力。

3.4 切负荷

当其他控制措施都无法阻止系统趋向电压失稳时, 切负荷是制止电压崩溃的最后手段, 它是保证电力系统继续安全运行的最后防线。因此在电力系统中需要有能阻止电压崩溃的自动装置, 低电压自动减载装置就是专门针对电压稳定问题提出的。

4 结语

电压稳定问题作为电力系统稳定性研究的一个重要方面, 对系统的运行具有很重要的影响。文章对电力系统电压稳定领域的若干问题进行了研究, 特别是对电力系统电压稳定的分析方法和控制方法的阐述可为相关工作者的工作实践提供参考, 以保证电力系统的稳定运行。

参考文献

[1]徐冰.电力系统电压稳定与二级电压控制的研究[D].东北大学, 2008.

[2]孙德俭.电力系统电压稳定研究[D].山东大学, 2008.

电力系统稳定与控制 篇11

关键词PID；时滞；极值；稳定性

中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)081-0211-01

在过程控制系统中，按误差信号的比例，积分和微分进行控制的调节器，简称PID调节器。理论和实践证明了在连续控制系统中，对象为一阶或二阶惯性环节，同时带有滞后时间不大的滞后环节，PID控制显现出算法简单、鲁棒性好和可靠性高的优点。本文从庞德里亚金极值定理出发，推演出任意阶被控对象均可适用的控制算法。

1递推公式

图1给出了反馈结构的系统框图，在K是被控稳对象态增益，Ti和Zi是被控对象时间常数，L是确切被控对象的时滞环节，Kp， Ki及 Kd 是PID控制器参数的情况下给出了相应处理器的传函P（s）和控制器的传函

C（s）。

图1单位反馈控制系统框图

要完成对一阶被控对象稳定区域的确切描绘可以借助由旁德里亚金定理衍生出 的Hermite-Biehler定理，奈奎斯特判据及根轨迹的方法得到。此外二阶被控对象可以用图解的方法得到，同样也有正确结果，但稳定性却不见得全是明晰的，也没有指定的有限计算步数。所以，任意阶被控对象的研究还是用奈奎斯特判据，但要分别考虑给定Kp的P和PID控制器，以及保证稳定的过程参数的阶数。通过控制器调节图的引入强调了确切表示出稳定区域边界的重要性。下式给出系统的闭环传函：

依据庞德里亚金的研究，对于正实部的稳定性而言T（s）必须要有限定的极点个数。这就意味着是否分母的主函数apqspeqs与函数xp(s)共有的系数sp在左半平面具有所有的零点。

T（s）的分母除以pn(s)/L，因此分母可以寫成：

闭环传函T（s）的所有极点都是H（s）的零点，系统的稳定条件在于T（S）右半平面没有极点，H（s）的右半平面没有零点。

为了得到有别于实参的等式，设被控对象的时滞为L，无穷小量σ，其间关系为σ=Ls，推出：ti=Ti /L，zi=Zi /L，h=KKp，h=KKp，hd=KKd /L。可将上式改造为：

此外，设 pd（jy/L）=A（y）+jB（y）以及pn（jy/L）=C（y）+jD（y），H（σ）的实部F（y），虚部G（y），计算σ=jy，可写出：

F（y）=he-F1（y） （6）

G（y）=y |h-G1（y）| （7）

2无零点的过程传函

过程传函中没有零点时，函数H（σ）是一个标准多项式，庞德里亚金的结果完全适用。为了使整个系统确保稳定，必须分别满足以下两种情况：

1）考虑到H（σ）的主项是σn+1eσ，设H（jy）=F（y）+jG（y），ε为一个合适的常量以至于G（y）中的系数yn+1在y∈ε时仍然存在。为保证在-2rπ+ε≤y≤2rπ+ε区间G（y）的实根数Nr足够大，应有：

Nr = 4r+n+1。

2）对于函数G（y）的所有零点y=y0而言，必须保证不等式

G'（y0）F（y0）-G（y0）F'（y0）>0

F1（y）与G1（y）的典型函数，按照G（y）= y |h-G1（y）| ，在y=0时，

G（y）有根，此根既是纵轴等于给定h的水平线与G1（y）的每个交点。

3具有零点的过程传函

H（σ）的极点数就是过程传函的零点数。

H（σ）的所有零点都位于虚轴的左侧的条件为：

（a）向量w= H（jy）对实数y而言以正方向从-∞向+∞行进，也就是说G（y）的每个根都要满足不等式：

G（y0）F（y0）<0

（b）在-2πr+ε≤y≤ 2πr+ε区间，G（y）的根的数目Nr满足：

Nr=4r+n+1-m+2mp

4结论

在此论文中，考察了稳定与不稳定条件下的任意阶无延迟被控对象，以及一次时延与PID控制器。借助庞德里亚金极值定理确定相应的过程与控制器参数空间的稳定域。提出了通过有限步数便可以精确表达出控制参数稳定域范围。此项结果可作为一种实用工具来设计并维系控制系统。

参考文献

[1]历风满.数字PID控制算法的研究[J].辽宁大学学报.

[2]王永初.自动调节系统工程设计[M].北京:机械工业出版社,1983.

[3]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.

电力系统的稳定性控制探讨 篇12

受端系统是以电力系统中负荷集中地区为中心, 接受远方电源输入的有功功率, 并包括邻近的大、中、小型发电厂, 用较紧密的电力网将负荷和这些电源连接在一起。

受端系统的加强, 不单纯是网络联系的加强, 还要使受端系统内有一定容量的地区发电容量, 其主力发电厂应直接接入相应的高压主干电网, 它们在正常运行方式下, 是全系统的共同电源, 并通过主干电网对地区负荷供电;事故情况下, 不仅能用以保证对地区重要负荷的供电需要, 同时还是受端系统的坚强电压支持点, 在故障存在和切除后维持电力系统的电压水平, 并使远方电源的稳定水平大大提高, 减少电力系统事故扩大的可能性。

在实际工作中, 往往由于发电厂的最终容量不定, 或者高压电网的出现较迟, 或者过多地考虑直接供应地区负荷, 因而使大容量的发电厂接于较低电压的电网。这不利于加强受端系统的电压支持, 对电力系统稳定性是不利的。同时往往会由于缺乏足够的向电力系统输电的能力, 而出现有电送不出去的现象。

受端系统同时应有足够的无功功率事故补偿能力。事故后无功功率不足的原因还可能由于发电机失磁时要从电力系统中吸收相当于发电机容量的无功功率;输电线路断开而失去线路的充电无功功率, 并因为将负荷转移到其他线路而使线路的无功功率损耗增大。在没有足够的无功功率事故紧急补偿能力时, 可以采取切除受端系统中部分负荷的措施, 或者在必要时切除失磁机组等。

二电源接入

一定规模的发电厂 (或机组) 应该根据发电厂的规划容量、单机容量、送电距离和送电容量, 以及其在电力系统中的地位和作用, 直接接入相应一极的电网。一般可按分层分区的原则将电源接入主电力系统。分层是指按电压等级分层, 不同单机容量的发电厂, 应根据送电需要和电力系统情况直接接入相应电压等级的电网。分区是指在分层下按负荷及电源的地理分布特点来划分供电区。一个电压层可划分为一个供电区, 也可划分为几个供电区。根据我国的经验, 在负荷中心建设的主力发电厂, 单机容量在500MW以上的机组, 或规划容量为1200MW以上的发电厂, 一般宜直接接入50kV电压的电网;200—300MW左右的机组, 或500—1200MW的发电厂, 应结合发电厂的规划容量, 经技术经济论证后, 确定接入220—500kV中某一级电压的电网。在一些发达的工业国家中, 接入最高一级电压的电网的发电厂容量占全系统发电总容量的比重已达40%以上。

在考虑电网结构时, 要注意分散外接虫源, 以避免在严重事故情况下因负荷转移而使事故连锁扩大。每个外接电源的输送容量一方面应保证能送出该电源的全部容量, 如水电厂送电线路的传输能力应能适应大发水电和调峰的需要;另一方面又不能因为在事故情况下失去这个电源, 或者这个电源与系统失步, 而影响受端系统供电, 或影响受端系统与其他外部电源所组成的电力系统同步运行。因此, 输送到受端系统的电源支路的传输功率占系统总功率的比重不能过大。每一送电回路的允许输送功率又与受端系统的运行条件有关, 如受端系统的旋转备用容量大小、受端系统与相邻电力系统间的联络线功率支援、按频率下降自动减负荷的能力和条件等。

三电力系统的结构

为了简化电力系统的结构, 提高电力系统稳定水平, 节约投资, 一个单元的输电容量不应超过全系统总容量的一定比例, 一般不应大于受端系统的备用功率。因为在切除故障单元后, 电力系统将失去一个发电机单元的功率。如果受端系统备用不足的话, 将使电力系统频率降低, 以致要切除负荷, 并危及电力系统稳定性。

应该避免几组电线路在电源侧互联, 因为任一组送电回路故障, 都会使该回路的功率转移到相邻的其他回路, 有可能导致相邻回路的负荷突然增大。如果负荷超过该回路的输送容量时, 将使线路过负荷自动断开, 剩下的健全回路的负荷将进一步增大, 有可能再断开另一回线路。相继断开线路的结果, 有可能扩大事故, 使电力系统互解。如果从正常状态时的经济运行出发, 有必要将几回送电线路在送端或中途连在一起时, 应考虑在事故时能快速解列或切机, 以防止由于负荷转移而扩大事故。

在多回平行输电线路间有横向联系的接线方式 (当然也包括送端电源的互联) 叫并联接线方式。这种接线方式的缺点是:当一回线路发生故障时除了上述负荷转移的问题外, 将使电力系统的转移阻抗增大很大, 影响事故后的电力系统稳定性。与没有中间开关站的接线方式比较, 这种方式的暂态稳定性和故障后的静态稳定性均比较高。显然, 中间开关站的数目较多, 其对提高稳定性的作用越大。

在高低压环网中, 因为一般低压电网的输送容量比高压电网要小得多, 所以当高压线路故障时, 将使大量功率转移到低压电网上去, 导致低压电网的过载或失去稳定等连锁性故障, 因此是不安全的。高低压环网一般是在电源和电网建设的发展过程中的过渡状态。例如, 由于电源的增大, 相应的高压输电线出现较迟, 就不得已在开始阶段应用多回低压线路送电, 然后再新建高压线路形成高低压环网。

应避免长距离单回输电线。其线路阻抗较大, 很难确保其输电容量较大, 一旦出现故障将会失去全部输电能力。在电力系统发展初期, 单回输电线较为普遍。如果属于重要干线, 即输送容量占受端系统总容量的比重较大者, 应考虑尽快建设第二回线路;或者相应改善受端系统的结构, 增加保持受端系统电压和频率的措施;或者应用单相自动重合闸等技术措施, 以提高稳定水平。对于由几级电压线路串联的单回线路, 则应及时使较低电压线路升压或改建, 形成统一电压的输电线路。

四结语

端系统、电源的接入、输电线路的结构等方面在很大程度上决定电力系统稳定的水平。所以, 应在国家经济发展规划和资源合理开发利用的指导思想下, 一定要综合全面考虑, 统筹好配套设施的建设, 确保电力系统的协调发展。

参考文献

[1]洪佩孙.关于电力系统稳定 (Ⅱ) [J].江苏电机工程.2002 (01) .