（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）電力系統(tǒng)安全性控制措施篩選法.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p o w e rs y s t e m ss o c u r i t yp r o b l e mi sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n t t h a ne v e rb e f o r ed u et ow o r l d w i d ed e r e g u l a t i o na n di n t c r c o n n e c t i o no fb u l kp o w e r s y s t e m s i th a sb e c o m ea nu r g e n ti s s u et od e v e l o pf a s t e ra n dm o r ee f f i c i e n ts e c u r i t y c o n t r o lm e t h o d s mr e f e r e n c e 4 9 】d e v e l o p san o wc o m p r e h e n s i v es e e u r i 哆c o n t r o l m e t h o dt h a tt a k e sb o t hp r e v e n t i v ec o n t r o la n de m e r g e n c yc o n t r o la c t i o n si n t o c o n s i d e r a t i o n t h en e wm e t h o dc a l lc l a s s i f yt h ec o n t i n g e n c ys e ti n t ot w os u b s e t s t h e nt h ep r e v e n t i o nc o n t r o la n de m e r g e n c yc o n t r o lr e s p e c t i v e l ym a i n t a i nt h es e c u r i t y o ft h es y s t e mf o re a c hs u b s e t b a s c dt h ea b o v em e t h o d , t h i st h e s i sd o e sas e r i e s r e s e a r c hw o r k st ot h ep r o b l e mo ft h e e m e r g e n c y c o n t r o lm e t h o di nt h i s c o m p r e h e n s i v ec o n t r o lm e t h o d f i r s t l y , t h et h e s i sm a k e s ab r i e f i n t r o d u c t i o no nt h ee m e r g e n c yc o n t r o lm e t h o di n t h ep o w e rs y s t e mc o m p r e h e n s i v es e c u r i t yc o n t r o lm e t h o d a f t e rt h a t ，t h i st h e s i sd o e sa s e r i e so fr e s e a r c hw o r k so nt h es h o r t c o m i n g so ft h en f f o ve m e r g e n c yc o n t r o lm e t h o d 皿et w ot o u g hi s s u e s 。t h a ta r et h ed e f i n i t i o no f t h ec o n t r o lm e a s b r ev a l i d i t yi n d e xa n d t h ef i l t r a t i o no f t h ec a n d i d a t ec e n t r e lm e a s u r es e t , a t l - et a k e na st h em a i no b j e c to f t h i s s t u d y t ot e s t i f yt h ev e r a c i t yo ft h ec o n t r o lm e a b r l r ev a l i d i t yi n d e x ，t h ep a p e rm a k e s a c o m p u t e st oap r a c t i c a lp r o b l e m i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t y m a r g i nw i l lb ec h a n g e dn o n l i n e s r l yw i t l lt h ei n c r e a s i n go ft h ec o n t r o lq u a n t i t y t h e a c c u r a c yo f t h e t r a d i t i o nv a l i d i t yi n d e xb a s e do nt h es e n s i t i v i t yi se n s u r e dw i t has m a l l c o n t r o lq u a n t i t y h o w e v e r , w i t hab i gc o n t r o lq u a n t i t y , t h e r ew i l lb ea nu n a c c e p t a b l e e r r o r , t h e r e b y , t h et r a d i t i o ni n d e x e sf i r en o tf i tt ot h e m a t t e ro f p o w e rs y s t e ms e c u r i t y c o n t r 0 1 o nt h ec o n t r a r y , t h ev a l i d i t yi n d e xo ft h en e wm e t h o d 啪r e f l e c tt h i s n o n l i n e a xc h a n g i n go ft h es y s t e ms t a b i l i t ym a r g i ns u f f i c i e n t l y t ot h ed i m e n s i o n p r o b l e mo f t h ec a n d i d a t ec o n t r o lm e a s r r es e t , t h ep a p e rd e s i g n sa f i l t r a t i o nm e t h o df o r t h es t r a i n i n go ft h ec a n d i d a t ec e n t r e im c a 飄h 岱s e t f i r s to fa 1 1 t h ef i l t r a t i o nm e t h o d c a l c u l a t e st h ev a l i d i t yi n d e xo ft h ee l e m e n t a r yc o n t r o lm 最i s l l r e s a n dt h e n , t h e v a l i d i t yi n d e xo fo t h e rc o n t r o lm e a s u r e sw i l lb ee s t i m a t e dl i n e a r l yu s i n gt h e s e e l e m e n t a r yi n d e x e s b yt h ee s t i m a t e di n d e x e s ，am a s so fe v i d e n t l yi n v a l i dm e a s u r e s w i l lb ee x c l u d e df r o mt h ec a n d i d a t em e a s u r es e t a n ds o t h ed i m e n s i o n so fc o n t r o l m e a s u r s e tw i l lb er e d u c e dd i s t i n c t l y f i n a l l y , t h ep a p e rd e s i g n st h ep r o g r a mo f n e we m e r g e n c yc o n t r o lm e t h o d u s i n g v i s u a lc h t e c h n o l o g y , t h ep a p e rd e s i g n sac o l t l n l o np r o g r a mo ft h ep o w e rs y s t e m e m e r g e n c yc o n t r o lm e t h o do nt h ew m d o w sp l a t f o r m a tt h es a 口l et i m e , t h eo t h e r - - 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 p a r a l l e lp r o g r a md e p e n d e d0 1 1t h em p it e c h n o l o g yi sa l s od e s i g n e d t h ea b o v e p r o g r a m sg i v eag o o dp r e p a r a t i v ef o rt h ee n g i n e e r i n gp i 刪o f t h en e wm e t h o d k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e ms e c u r i t y , e m e r g e n c yc o n t r o l ，e x t e n d e dd y n a m i c s e c u r i t yr e g i o n , v a l i d i t yi n d e x ，c a n d i d a t ec o n t r o lm e a s u r es e t , f i l t r a t i o nm e t h o d i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤盜盤雯或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：弗耖蔫 簽字日期：如- 年月，宮日 學(xué)位論文舨權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解鑫盜盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)苤鲞盤莖可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：孝矽i 靜 導(dǎo)師簽名： 幺走鋌 簽字日期：蓋柝 ，月君日簽字日期：2 口口z 年，月，p 日 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 當(dāng)今電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn) 隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，單機容量進一步提高， 與此同時，區(qū)域問聯(lián)絡(luò)線和遠距離大容量輸電系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，加之受到環(huán)境和經(jīng) 濟等因素的制約，系統(tǒng)運行更加接近穩(wěn)定極限狀態(tài)，這使得電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問 題日趨嚴(yán)重。此外，由于電力市場的啟動和實旌，系統(tǒng)的運行方式和運行工況將 出現(xiàn)一些新的變化，使電力系統(tǒng)動態(tài)行為交的越來越復(fù)雜【i - 3 1 。開發(fā)快速有效的 電力系統(tǒng)安全性控制方法，提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行能力，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。 近十余年來美國( w s c c ，1 9 9 6 年7 月2 日及8 月1 0 日) 和世界各地發(fā)生 的一系列大事故【3 - s j ，引起了各國電力部門對安全性控制的重視。特別是在2 0 0 3 年8 月1 4 日的美國、加拿大大停電事故發(fā)生后，電力系統(tǒng)的安全問題不但被提 高到國家安全的重要地位，也引起了世界的普遍重視。安全性控制方法的研究已 經(jīng)成為發(fā)展大型電力系統(tǒng)的過程中需認(rèn)真解決的最突出問題。包括一些以往自持 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊密，認(rèn)為不會發(fā)生大事故的國家和地區(qū)，終于開始認(rèn)識到強大的網(wǎng)架 并不能代替穩(wěn)定控制，并著手加強安全性控制方法的研究。 我國電力系統(tǒng)的發(fā)展也面臨著同樣的問題。由于我國電網(wǎng)建設(shè)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相 對薄弱，如電磁環(huán)網(wǎng)、大型單環(huán)網(wǎng)、電源經(jīng)單回線上網(wǎng)和電源經(jīng)多級變壓器上網(wǎng) 等情況出現(xiàn)，在嚴(yán)重故障下易于造成系統(tǒng)崩潰。在大致相同的裝機容量密度下， 線路承載度遠高于發(fā)達國家。不少系統(tǒng)運行在接近于暫態(tài)穩(wěn)定極限情況。隨著電 力市場的啟動和實施，以及全國各大區(qū)電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的逐步實現(xiàn)，系統(tǒng)的運行方式將 出現(xiàn)許多新的變化，安全穩(wěn)定問題將變得更為復(fù)雜。因此，研究和實施安全性控 制方法對我國的電力建設(shè)具有重大的意義。 1 2 電力系統(tǒng)安全性分析 電力系統(tǒng)本質(zhì)上是一個非線性動力學(xué)系統(tǒng)，在其正常運行情況下，總是存在 著許多可能發(fā)生的擾動( 事故) 。將電力系統(tǒng)安全性定義為：針對一組預(yù)想擾動， 系統(tǒng)維持穩(wěn)定運行的能力。安全性分析就是在特定的安全性框架下，對于系統(tǒng)安 全穩(wěn)定運行能力的分析計算。 第一章緒論 1 2 1 電力系統(tǒng)的安全性d yl i a c c o 構(gòu)想 電力系統(tǒng)安全性概念是相對于一組稱之為預(yù)想事故集的隨機事件而定義的， 預(yù)想事故集是一個可能發(fā)生的擾動的集合。如果一個系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，并且沒 有任何一個預(yù)想事故能把它轉(zhuǎn)移到緊急狀態(tài)，則稱這個系統(tǒng)是安全的。 t e d yl i a c c o 等人最早給出了校驗電力系統(tǒng)安全性的一個構(gòu)想舊。該構(gòu)想 中電力系統(tǒng)被看作是處于兩組約束下運行的：負荷約束和運行約束，由于約束條 件的變化，使電力系統(tǒng)處于各種不同的運行狀態(tài)。圖1 1 示出了各種運行狀態(tài)和 由于偶然事故及控制作用相結(jié)合的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。對于處于不安全狀態(tài)、緊急狀態(tài)和 恢復(fù)狀態(tài)的電力系統(tǒng)，為了維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，就需要采取某些控制措施， 正常狀態(tài) 聶礦蘸潲 圖1 - 1d yl i a c c o 安全性構(gòu)想示意圖 這些控制措施總稱為安全性控制【們。根據(jù)電力系統(tǒng)所處的運行狀態(tài)，安全性控制 可分為預(yù)防控制、緊急控制和恢復(fù)控制。 12 2 傳統(tǒng)的動態(tài)安全分析方法 上述d y l i a c c o 安全性構(gòu)想已經(jīng)得到了電力系統(tǒng)研究的普遍接受。各種安全 分析方法就是在這一構(gòu)想的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值方針或直接法等計算手段，分析系 統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。 數(shù)值仿真法 數(shù)值仿真法是電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析中最為成熟的方法，并獲得廣泛的應(yīng)用 【7 ，捫。該方法首先根據(jù)電力系統(tǒng)各元件模型建立一組聯(lián)立的微分?jǐn)?shù)方程組，然后 以潮流解為初值，利用數(shù)值積分求擾動下的數(shù)值解，即逐步求得系統(tǒng)狀態(tài)量和代 數(shù)量隨時間的變化曲線，并根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)子搖擺曲線來判別系統(tǒng)在大擾動下能否 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 保持同步運行，即暫態(tài)穩(wěn)定性。 數(shù)值仿真法對電力系統(tǒng)模型具有很強的適應(yīng)性，仿真結(jié)果真實可信，不僅是 電力運行部門制定運行規(guī)范的依據(jù)，也是檢驗其它暫態(tài)穩(wěn)定分析方法的標(biāo)準(zhǔn)。但 通常的數(shù)值仿真法也有一定缺點：逐步積分計算速度慢，很難在線使用：只能對 系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行定性判斷，不能給出定量的系統(tǒng)穩(wěn)定裕度；輸出信息利用率低、 效益差，不利于安全性控制對策的研究。 暫態(tài)能量函數(shù)法 暫態(tài)能量函數(shù)法是基于俄國數(shù)學(xué)家李雅普諾夫提出的運動穩(wěn)定性理論發(fā)展 而來的，因此又稱為l y a p u n o v 直接法【9 ，塒。這種方法是借助于一個稱之為 l y a p u n o v 函數(shù)的坎f ，砷，硝函數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)擾動方程式計算得出的d v d t 的 符號性質(zhì)來直接判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 將能量函數(shù)法用于電力系統(tǒng)動態(tài)安全分析的研究已有幾十年的歷史，已取得 了很大進劇1 1 】。該方法最大的優(yōu)點就是不必逐步積分，計算速度快，并能給出定 量的穩(wěn)定裕度。但也有如下的缺點：難以建立詳細模型下的l y a p u v 函數(shù)；難 以確定大系統(tǒng)的相關(guān)不穩(wěn)定平衡點( c o n t r o l l i n gu n - s t a b l ee q u i l i b r i u mp o i n t ) ；分析 結(jié)果偏于保守( 1 羞1 3 0 直接法相應(yīng)的穩(wěn)定準(zhǔn)則是充分條件，而非必要條件) 。因而目 前主要把它用于預(yù)想事故排序。 擴展等面積法( e 酗c ) 也是暫態(tài)能量函數(shù)法的一種 1 2 】。對于一個擾動，e e a c 把多機系統(tǒng)分為臨界機群和剩余機群兩個子集，然后將其變換為一個等值的兩機 系統(tǒng)，后者又可以變換為o m m 系統(tǒng)，從而可以使用等面積準(zhǔn)則。e e a c 法的物 理意義明確，計算速度很快，缺點是在一些特殊情況下，穩(wěn)定分析的精度難以保 證。 除了上述幾種安全性分析方法以外，人工智能的方法也一度引起人們的注意 【1 3 , x 4 1 。這一類方法主要包括模式識別、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 等。基于人工智能的方法首先對預(yù)想事故進行大量的離線仿真計算，從中獲得系 統(tǒng)動態(tài)行為中重要的穩(wěn)定特征，然后構(gòu)造一個分類器用來在線地對新的事故進行 正確分類。但是人工智能的方法未能解決訓(xùn)練集的有效選取問題和本質(zhì)上難以完 全消除的誤分類問題，這不但代價很大，而且可靠性也難以保證。 1 2 3 基于安全域的安全性分析 。 電力系統(tǒng)動態(tài)安全域是針對上述動態(tài)安全分析而言的，它也是定義在節(jié)點注 入功率空間的一個集合，對于該集合內(nèi)的任何注入向量，都能承受一個大擾動， 第一章緒論 而不會發(fā)生暫態(tài)功角失穩(wěn)或暫態(tài)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象。對于給定的事故和既定的事故前 后網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，動態(tài)安全域是一定的。 動態(tài)安全域的概念最早由e e w u 等人在改進d y l i a c c o 安全構(gòu)想時提出的 【1 4 】。文獻 1 5 ，1 6 】中首次對動態(tài)安全域進行了較為系統(tǒng)的研究，給出了一種求取動 態(tài)安全域的指導(dǎo)性算法，但利用該算法求得的動態(tài)安全域偏于保守和計算費時的 缺點，使之距實際應(yīng)用相去甚遠。文獻 1 7 ，1 8 利用擬正交選點和最小二乘法得出 了動態(tài)安全域可以用超平面模擬這一啟發(fā)式結(jié)論，從而使動態(tài)安全域向?qū)嵱没~ 進了一大步。文獻 1 9 】應(yīng)用微分拓撲學(xué)知識在理論上對動態(tài)安全域邊界的實用性 質(zhì)進行了分析，并在此基礎(chǔ)上給出了動態(tài)安全域邊界的近似解析表達式。文獻 2 0 ，2 1 進一步推導(dǎo)了動態(tài)安全域邊界的解析求法，并引入混合決策樹人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)對動態(tài)安全域邊界進行修正。文獻 2 2 】基于動態(tài)安全域來求取臨界割集傳輸 功率極限，從而大大降低了動態(tài)安全域的維數(shù)。文獻 2 3 】通過事故前、事故中和 事故后系統(tǒng)進行有功功率的小擾動分析，從而獲得了動態(tài)安全域臨界邊界面的解 析表達式。這種方法能快速地求出安全域的臨界面，使動態(tài)安全域的應(yīng)用更加方 便。 對電力系統(tǒng)進行安全分析的時候，可以通過觀察運行點是否在這些安全域交 集的內(nèi)部來判斷當(dāng)前運行狀態(tài)相對于所有安全性問題是否安全，并可通過觀察其 距邊界各方向的距離來獲知系統(tǒng)的安全裕度。這種交集形式的安全域也為電力系 統(tǒng)的安全性控制問題提供了很好的解決辦法。 1 3 電力系統(tǒng)安全性控制 首先說明一下，本文研究的電力系統(tǒng)安全性控制指的是系統(tǒng)層的控制，而不 是元件層的控制。元件層的控制不在本文的研究范圍之內(nèi)，感興趣的讀者可以參 閱文獻 2 4 ，2 5 】。 針對既定的預(yù)想事故集進行安全性分析，雖然能夠指導(dǎo)系統(tǒng)的運行達到經(jīng)濟 性和安全性的最優(yōu)搭配，但是，為了避免預(yù)想事故集中威脅系統(tǒng)安全性的故障對 系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，在安全分析的基礎(chǔ)上，還需要進一步進行安全性控制計算。 1 3 1 傳統(tǒng)的安全性控制計算方法 電力系統(tǒng)安全控制的任務(wù)是，在安全分析的基礎(chǔ)上，進一步研究針對預(yù)想事 故的控制措施。1 2 2 一節(jié)中，對安全分析方法進行了介紹，這一節(jié)主要介紹用 于安全性控制的計算方法。 d 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于數(shù)值仿真法的方法 數(shù)值仿真法在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究中應(yīng)用最早，早期的安全控制方法大都 以此為基礎(chǔ)。最近幾年，軌跡靈敏度的方法又重新成為了研究的熱點。 軌跡靈敏度分析是微分動力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一有力工具。它是通過研究動力 系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)對某些參數(shù)或初始條件的靈敏度來定量分析這些因素對動態(tài)品 質(zhì)的影響淵。m a p a l 等入首先把軌跡靈敏度分析方法引入電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定 分析 2 7 - 2 9 ，用于計算電力系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)對系統(tǒng)運行變量的動態(tài)靈敏度，籍此可以 得到衡量擾動對系統(tǒng)動態(tài)特性影響程度的指標(biāo)。文獻1 3 0 研究了發(fā)電機功角相對 發(fā)電機出力的靈敏度，并據(jù)此提出了一種發(fā)電機再調(diào)度的方法；文獻 3 u 基于時 域仿真得到的系統(tǒng)受擾軌跡給出了暫態(tài)緊急控制的非線性規(guī)劃模型，該模型采用 一種啟發(fā)式的功角積分型指標(biāo)構(gòu)成穩(wěn)定約束，并通過引入功角積分型指標(biāo)對控制 變量的梯度，給出了求解非線性規(guī)劃模型呶2 種求解方法；文獻 3 2 】、【3 3 分別 把軌跡靈敏度分析應(yīng)用到了可控串補( t c s c ) 分析和電壓穩(wěn)定緊急控制中。 基于直接法的方法 直接法因其快速性在電力系統(tǒng)安全控制中也得到了廣泛的關(guān)注 3 4 4 0 。能量門 檻值與故障切除時刻系統(tǒng)暫態(tài)能量之差，可以視為穩(wěn)定裕度。穩(wěn)定約束對控制變 量的導(dǎo)數(shù)就是暫態(tài)能量函數(shù)靈敏度。根據(jù)靈敏度函數(shù)，就可以對控制變量進行調(diào) 整，直到滿足暫態(tài)穩(wěn)定的要求。這就是基于直接法的安全控制的基本思想。 文獻 3 5 】利用暫態(tài)能量函數(shù)設(shè)計了一個暫穩(wěn)切機系統(tǒng)，其中暫態(tài)能量門檻值 按照預(yù)先指定的切機量提前計算、存儲，并在線修正，獲得緊急控制的切機量。 文獻【3 6 】利用勢能邊界面法計算暫穩(wěn)裕度對機組有功出力的靈敏度，在此基礎(chǔ)上 將暫穩(wěn)裕度約束轉(zhuǎn)化為可調(diào)發(fā)電量與預(yù)期暫態(tài)穩(wěn)定裕度的線性等式約束。文獻 r 3 7 1 把暫態(tài)能量函數(shù)靈敏度與最優(yōu)潮流相結(jié)合，提出了一種考慮暫態(tài)穩(wěn)定的發(fā)電 機再調(diào)度方法。文獻 3 8 】將非線性系統(tǒng)穩(wěn)定域邊界理論與穩(wěn)定控制措施結(jié)合起 來，通過控制措施所引起的系統(tǒng)平衡點的位移在穩(wěn)定域邊界外法線向量方向上的 投影來表征控制措施的有效性。文獻 3 9 ，4 0 應(yīng)用哈密頓系統(tǒng)理論首次提出了新的 李雅普諾夫函數(shù)，并用該函數(shù)分析了具有切機切負荷穩(wěn)定控制措施的簡單電力系 統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，進而把這種能量函數(shù)應(yīng)用到了電力系統(tǒng)預(yù)防控制和緊急控制中。 文獻【3 4 】基于e e a c 提供的穩(wěn)定裕度量化指標(biāo)。以控制措施的性能代價比代替控 制措施的代價來引導(dǎo)搜索方向，給出了緊急控制決策的啟發(fā)式搜索算法。文獻 4 1 】 利用p m u 測量信息和e e a c 的思想，提出了一種新的實時緊急控制方案。 第一章緒論 基于人工智能的方法 上世紀(jì)9 0 年代掀起了將人工智能的方法應(yīng)用于安全性控制的研究高潮，并 取得了大量的研究成果【4 2 刪。文獻 4 2 】應(yīng)用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)進行電力系統(tǒng)中關(guān)鍵 線路暫態(tài)穩(wěn)定極限功率的在線估計，并結(jié)合訓(xùn)練后徑向基網(wǎng)絡(luò)所包含的輸出輸入 的偏導(dǎo)信息，提出了一種暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)防控制決策的方法。文獻 4 3 】提出了一種基 于m u f f - a g e n t 系統(tǒng)的分布式協(xié)調(diào)緊急控制策略。文獻 4 4 ，4 5 利用模糊集理論進 行緊急控制決策。文獻 4 6 】用專家系統(tǒng)指導(dǎo)緊急控制決策。文獻l 4 7 中利用模式 識別法進行暫態(tài)穩(wěn)定判斷。 1 。3 。2 基于擴展安全域的安全性綜合控制 1 2 3 節(jié)中介紹了電力系統(tǒng)動態(tài)安全域理論。定義在節(jié)點注入功率空問上的 安全域具有表達簡單易于求取與運行點無關(guān)等特點，已經(jīng)在電力系統(tǒng)安全 分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 文獻 4 8 】在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)實用動態(tài)安全域的基礎(chǔ)上，計及安全穩(wěn)定控制措施 ( 切機、切負荷) 的影響，定義了擴展實用動態(tài)安全域概念：它也是定義在節(jié)點 注入功率空間的一個集合，對于該集合內(nèi)的任何注入向量，在系統(tǒng)經(jīng)歷故障以及 一定的控制后，不會發(fā)生暫態(tài)功角失穩(wěn)或暫態(tài)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象。文獻【4 8 】還在這一 概念的基礎(chǔ)上，進一步研究了針對切機、切負荷等控制措施下的擴展動態(tài)安全域 的重要經(jīng)驗率。 擴展動態(tài)安全域概念的提出為基于電力系統(tǒng)安全域理論的安全性控制方法 奠定了理論基礎(chǔ)。文獻 4 9 】在這一理論基礎(chǔ)上，將擴展動態(tài)安全域應(yīng)用于安全控 制問題的解決，得出了基于安全域理論的電力系統(tǒng)安全性綜合控制方案。該方案 將預(yù)想事故集分解成使控制總成本最小的2 個子集，并分別由預(yù)防控制和緊急控 制保證其中事故的安全性。 基于實用動態(tài)安全域的綜合控制的主要任務(wù)可以分成三部分( 如圖1 - 2 所 示) ：把預(yù)想事故集1 1 分解成兩個集合1 ，和1 c ，1 ，中的事故由預(yù)防控制保證安 全性，1 t 中的事故則由緊急控制負責(zé)；選擇一預(yù)防控制措施，把系統(tǒng)運行點 v o 仨盆n 。) r 4 拉到j(luò) ，盆n 。) e r 。其中以為預(yù)想事故集中一個事 故，q ，以) 其動態(tài)安全域；為r e 中的每個事故選擇最優(yōu)的緊急控制措施，形 成緊急控制措施集e 。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖l - 2 安全性綜合控制的主要任務(wù) 基于安全域的安全性綜合控制是將預(yù)防控制和緊急控制結(jié)合起來。方法將安 全性控制總成本表示如下： f ( z ，y o ，y ，e ) = c 7 ( z ) + c ( y o ，y ) + c 。( e )( 1 1 ) 式中：z 為備用容量向量?？刂瓶偝杀景A(yù)防控制成本c ( y o ，力和緊急控制期 望成本c 。0 ) ，以及備用成本c 7 ( z ) 。 以安全性綜合控制總成本最小為求解目標(biāo)，數(shù)學(xué)模型o 訌1 ) 如下： m - = 昭忡，g y 棚舛 ( 1 _ 2 ) s t y y os ： ( 1 - 3 a ) y ，一y 。，= o( 1 3 b ) y l 。a 州m j n l ，靄q 一( y j , e 1 ) j ( 1 - 3 c ) ，、，、 m “占 ( i 1 1 ) ( 1 - 3 d ) 其中式( 1 - 3 a ) 表示預(yù)防控制時系統(tǒng)運行點的變化范圍，式( 1 3 b ) 是功率平衡約束， 式0 - 3 c ) 是用p d s r 表示的暫態(tài)穩(wěn)定約束，d 礦，巳，表示考慮緊急控制措施勺的 擴展實用動態(tài)安全域，式( 1 3 d ) 為最小穩(wěn)定裕度約束。 模型( m 1 ) 把安全性綜合控制問題轉(zhuǎn)化成了一個最優(yōu)化的問題，該問題的最優(yōu) 解就是安全性綜合控制的決策結(jié)果，包括預(yù)防控制負責(zé)的最優(yōu)事故子集1 ，、緊 急控制負責(zé)的最優(yōu)事故子集1 、最優(yōu)系統(tǒng)備用：、最優(yōu)預(yù)防控制措施l ，一y o j 以 第一章緒論 及每一乃le 的緊急控制措施8 ，組成的控制措麓集合e 。 1 3 3 存在的問題 上述基于安全域理論的安全性控制決策中，為了計算緊急控制的成本，需要 就預(yù)想事故集合中的大量故障計算其控制措施。在計算緊急控制措旌時，文獻 4 9 1 采用方法是對每一個可能的候選控制措施計算其擴展安全域，然后選擇有效的控 制措施。這一方法采用基本安全域和控制措施對應(yīng)的擴展安全域作為控制決策的 依據(jù)，法克服了傳統(tǒng)控制方法中的許多問題： 在線應(yīng)用時不需要對運行點進行匹配。由于方法中不是按照單個的運行點 進行離線的計算，而是采用了與運行點無關(guān)的安全域作為決策的依據(jù)，因此，在 線使用時不需要進行匹配，避免了失配問題的發(fā)生。 便于最優(yōu)控制問題的求解。該方法采用安區(qū)域作為控制決策的依據(jù)。由于 電力系統(tǒng)動態(tài)安全域邊界可以用一個超平面表達，因此，計及控制措施的安全最 優(yōu)控制問題將變成一個線性約束的優(yōu)化問題。這就大大的降低了求解的難度。這 一點是傳統(tǒng)方法很難做到的。 雖然上述方法相對于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)緊急控制決策算法有了很大的進步，但是 方法還是存在著一些問題需要進一步解決： 候選控制措施集合的降維問題。現(xiàn)有的緊急控制方法中對于故障后，每一 個可能的候選措施集合都需要搜索臨界點，計算擴展安全域，當(dāng)候選措施集合比 較小時，這種搜索計算速度還能夠滿足在線計算的要求，但是當(dāng)考慮了多個控制 地點，多級控制措旌的組合后，候選控制措施集合將變的很大，迭代計算速度將 變的很慢。這就需要對候選控制措施集合進行降維處理，提高搜索速度。 所能考慮的控制措施有限：由于不能對所有的候選控制措施都一一計算擴 展動態(tài)安全域，因此方法只能應(yīng)用于一些簡單的控制手段，如單個節(jié)點的切機、 切負荷。而在緊急控制問題中，采用這些簡單的控制手段往往無法保證系統(tǒng)的穩(wěn) 定。影響了算法的適用性。 通過對存在問題的分析，可以得出，影響算法性能的主要因素是候選控制措 施的數(shù)目。采用合理的降維方法減少候選控制措施的數(shù)目是提高算法性能的關(guān) 鍵。本文中將對這一問題進行深入的研究。 1 4 本文的主要工作 本文以基于擴展動態(tài)安全域理論設(shè)計的電力系統(tǒng)安全性綜合控制決策方法 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 為研究出發(fā)點，針對該方法中的緊急控制算法存在的問題和不足，主要做了以下 幾方面的工作： l ，對方法中選擇控制措施引起的動態(tài)安全域邊界面的移動距離作為有效性 指標(biāo)的合理性進行了分析。首先，分析了隨著控制量的增加，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度可能 存在的各種非線性交化，然后，采用具體算例，分別搜索各個控制措施下系統(tǒng)擴 展安全域的邊界面，從而得出系統(tǒng)擴展安全域邊界面的移動距離。在安全域邊界 面移動距離指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的變化，說明過切、負效應(yīng)等非線 性現(xiàn)象。最后，通過與基于靈敏度的控制措施有效性指標(biāo)相比較，驗證采用安全 域邊界面移動距離作為有效性指標(biāo)的合理性。 2 針對安全性控制中緊急控制決策遇到的侯選控制措施降維的問題，提出 了控制措施集合篩選法。首先，對于原有的基于安全域的安全性決策算法中緊急 控制方法的計算速度進行了分析，說明在計及組合控制措施情況下，原有方法存 在著計算時間問題。然后，依據(jù)控制問題中的過切、負效應(yīng)等規(guī)律，設(shè)計了用于 候選控制措施集合降維的篩選法。方法采用基本控制措施的有效性指標(biāo)對組合控 制措施的有效性進行線性估計，依據(jù)估計指標(biāo)排除無效控制措施，減少備選控制 方案數(shù)。最后，通過對比采用篩選法前后，控制算法的搜索速度，驗證篩選法的 有效性。 3 對改進后的算法進行了程序?qū)崿F(xiàn)。采用v i s u a lc + + 技術(shù)，基于w i n d o w s 平臺，設(shè)計實現(xiàn)了基于安全域的緊急控制串行程序。采用m p i 技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn) 了基于安全域的緊急控制并行程序。 第二章安全性綜合控制中的緊急控制算法 2 1 引言 第二章安全性綜合控制中的緊急控制算法 為避免大停電事故的發(fā)生，最有效的方法就是電力系統(tǒng)在線安全性評估與控 制。然而從經(jīng)濟角度看，單純的通過安全性分析來保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，所能計及 的預(yù)想事故數(shù)目有限。如果其他預(yù)想事故發(fā)生，則只能靠安全性決策中的緊急控 制使系統(tǒng)進入恢復(fù)狀態(tài)，并最大限度的減少由于停電而帶來的經(jīng)濟損失。緊急控 制是通過事故后采取切機、切負荷等措施使系統(tǒng)繼續(xù)保持穩(wěn)定運行的。現(xiàn)有安全 性控制方案大都基于傳統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定數(shù)值仿真法，經(jīng)過反復(fù)試探確定的，耗時而 且并非是最優(yōu)的。 實用動態(tài)安全域邊界的簡明線性表達式為安全性決策提供了一種很好的方 法學(xué)。文獻 4 9 】首次把實用動態(tài)安全域用到了電力系統(tǒng)控制中。用實用動態(tài)安全 域的方法實施電力系統(tǒng)控制有得天獨厚的優(yōu)勢。我們知道，緊急控制是在事故發(fā) 生后才采取的措施，它是通過改交安全域本身來實現(xiàn)控制作用的。因此，考慮控 制措施后，如何定義新的動態(tài)安全域? 實用動態(tài)安全域的邊界在控制措施的影響 下是如何變化的? 實用動態(tài)安全域的方法能否用于暫態(tài)穩(wěn)定控制? 本章就很好 地回答了這些問題。 本章首先介紹了電力系統(tǒng)實用動態(tài)安全域和擴展動態(tài)安全域理論，以及擴展 動態(tài)安全域的一些經(jīng)驗律；近似平行性，切機和切負荷效果的線性可疊加性。在 這些理論的基礎(chǔ)上，本章介紹了一種基于安全域理論的電力系統(tǒng)安全性控制中的 緊急控制方法。對本方法存在的問題進行了分析，為下一章的改進工作做了準(zhǔn)備。 2 2 安全域及擴展安全域的基本理論 傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)大擾動穩(wěn)定性研究的方法是逐點法，即對事故前的一種給定 注入和既定事故過程進行動態(tài)仿真或采用能量函數(shù)法等方法判斷其穩(wěn)定性。而小 擾動穩(wěn)定性研究則是對在既定平衡點處的線性化方程進行特征值分析，就注入空 間安全域而言，它也是一種逐點分析法。逐點法的缺點是無法獲得對穩(wěn)定機理的 深刻認(rèn)識，無法獲得系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性測度，也不適合概率安全性分析和調(diào)度中 的各種最優(yōu)化的需要。而域的方法是同目前廣泛使用的逐點法截然不同的方法 學(xué)，域的方法與傳統(tǒng)逐點法相比較具有如表2 1 所示的明顯的優(yōu)越性，即它的研 究有助于：加深對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定域邊界的性質(zhì)與規(guī)律的認(rèn)識，從而減少誤判 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 斷；可提供系統(tǒng)運行點在安全域中的相對位置，從而獲得各種必要信息，使人們 能夠獲得整體穩(wěn)定性的測度；在作計及不確定性的安全性評估時不必用蒙特卡羅 法，可用解析法，從而可使計算量降低若干個數(shù)量級。因而安全域控制的決策提 供了十分有力的解析工具。 同基于個別場景仿真的傳統(tǒng)的“逐點法”相比，安全域的方法可使電力系統(tǒng) 實時監(jiān)視、防御與控制更科學(xué)、更有效，有著廣闊的在線應(yīng)用前景。 2 2 1 電力系統(tǒng)實用動態(tài)安全域理論 電力系統(tǒng)發(fā)生短路事故之后，經(jīng)保護裝置識別并切除事故，系統(tǒng)經(jīng)歷了事故 前、事故中和事故后三個階段，這三個階段可以用動力系統(tǒng)的一組微分方程來描 述： 矗= f a x o ，力 一0 0 t 0 ( 2 一l a ) i l = f ，( x l ，y ) 0 s t f ( 2 一l b ) i 2 = f j ( x 2 ，y ) f t 佃 ( 2 - 1 c ) 式中，f 、f 、，分別表示事故前、事故中和事故后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，事故中的f 可 由i 、，得到，i 。、x 。、x ：均為狀態(tài)向量，y 表示有功和無功注入，f 為事故清除 時間。對于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)i ，式( 2 - 1 a ) 退化為潮流方程；式( 2 一l b ) 描述了事故瞬間( 戶o ) 到清除時n ( t = 0 的事故中系統(tǒng)f 的動態(tài)；式( 2 1 c ) 描述了事故后系統(tǒng)_ ，的動態(tài)。 若事故后系統(tǒng)的解扶初始狀態(tài)x ：( o ) 直接漸近穩(wěn)定到式( 2 1 c ) 的穩(wěn)定平衡點 而，則稱系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的，從而是動態(tài)安全的。因此，可以借助事故后系統(tǒng) 的暫態(tài)穩(wěn)定域來定義事故前系統(tǒng)的動態(tài)安全域：動態(tài)安全域n 。( f ，j ，力是功率注 入空間上的集合，當(dāng)且僅當(dāng)系統(tǒng)i 的注入向量j ，位于該集合內(nèi)時，系統(tǒng)i 經(jīng)受持 續(xù)時間為f 的給定事故后，系統(tǒng)，不致失去暫態(tài)穩(wěn)定。即： n 。o ，j ，f ) 壘抄i 暢( 力a 0 9 j ( 2 2 ) 其中，( 力是故障清除時刻的狀態(tài)，a ( j ，) 是由注入j ，決定的故障后狀態(tài)空間中 穩(wěn)定平衡點周圍的穩(wěn)定域。對于一給定的注3 y ，穩(wěn)定域a ( y ) 是確定的。n 。( f 工r ) 的邊界用施。( i , j ，f ) 表示。 式( 2 - 2 ) 中給出的動態(tài)安全域是針對大擾動下的暫態(tài)穩(wěn)定性而言的，它定義在 全注入空間上。而在實際電力系統(tǒng)運行中，各節(jié)點注入功率總是處在一定的約束 下，例如發(fā)電機出力存在最大、最小值，負荷節(jié)點也有最大、最小值等等。通常 第二章安全性綜合控制中的緊急控制算法 定義注入功率的約束集為： w ，壘 y r ”j y 曲 y y 一) ( 2 3 ) 式中，j ，一、j ，“分別表示注入j ，的上、下限。于是式( 2 2 ) 中動態(tài)安全域的定 義可修正為如下形式： 剛，j , r ) 壘降( y ) e a ( y ) nw fl(2-4) 壘 y i x 一( y ) a ( y ) ，y “ y y j 動態(tài)安全域在電力系統(tǒng)中實際應(yīng)用時，是通過判斷注入y 是否位于n 。內(nèi)來 確定其是否安全，因而對動態(tài)安全域的研究主要集中在對動態(tài)安全域邊界a q 。的 構(gòu)成描述及對其拓撲性質(zhì)的分析上。由于式( 2 3 ) 具有十分明顯的幾何表示意義， 因此我們將把重點放在對式( 2 - 2 ) 所定義的動態(tài)安全域( 及其邊界) 的研究上，而把 式( 2 - 3 ) 作為一個限制條件來加以考慮。 2 2 2 電力系統(tǒng)擴展動態(tài)安全域理論 本文2 2 1 節(jié)中定義的動態(tài)安全域只考慮了事故前、事故中和事故后3 個階 段，并沒有計及事故后可能采取的緊急控制措施。為了與后面定義的動態(tài)安全域 有所區(qū)別，本文把這種不考慮緊急控制措施的動態(tài)安全域稱為基本動態(tài)安全域 ( b a s i cd y n a m i cs 啪r i t yr e g i o n ，b d s r ) 。與此相對應(yīng)，把考慮緊急控制措施的 動態(tài)安全域稱為擴展動態(tài)安全域( e x t e n d e dd y n a m i cs e c u r i t yr e g i o i i ，e d s r ) 。 考慮緊急控制措施后，事故的動態(tài)過程可以分為如下所示的四個階段：事故 前、事故中、緊急控制前，緊急控制后。這四個階段可以用動力系統(tǒng)的一組微分 方程來描述： 事被前( o 事故中( 曰緊急控制前緊急控毒慵( 醉 0f f t_7 = , ( x o ，力 i l = k ( x 。，y ) i 2 = f j ( x 2 ，y ) i 3 = l ( x 2 ，y ) 一0 0 t 0 o s f f f t f l q f 估計的穩(wěn)定裕度( m w 誤差( 黼一) j 3 8 節(jié)點發(fā)屯機1 臺j 1 3 2 0 8 0 孥一 i 3 8 節(jié)點發(fā)電機2 臺j - 9 2 0 3 01 1 4 1 3 72 0 6 1 6 7 l ： 3 8 節(jié)點發(fā)電機3 臺”一1 2 5 2 6 33 6 0 3 5 44 8 5 6 1 7 $ i 3 8 節(jié)點發(fā)電機4 務(wù)4 2 2 6 6 6 66 0 6 5 7 18 3 3 2 3 7 ；8 節(jié)點1 9 1 4 m wi- 1 9 3 4 3 3 8 節(jié)點3 8 2 8 m w 4 1 5 8 4 9 6- 0 8 5 6 91 4 9 9 2 7 ； 。 g 節(jié)5 7 4 2 m w 。i 一1 2 5 2 6 31 7 6 2 9 53 0 1 5 5 8 3 3 緊急控制措施篩選法 在基于電力系統(tǒng)實用動態(tài)安全域理論的緊急控制方法中，面臨的一個主要問 題就是候選控制措施集合的降維問題。如何降低候選控制措施的維數(shù)，減少控制 算法搜索計算的范圍，是提高計算速度，解決算法在線應(yīng)用的關(guān)鍵。針對這一問 題，一種合理有效的方案是，在對候選控制方案集合進行計算之前，首先采用使 篩選法來排除多余的控制措施，待候選控制措施的數(shù)目比較小的時候再進行搜索 選擇。 3 3 1 緊急控制措施篩選法 上一章中，我們介紹了基于安全域理論的緊急控制方法。盡管實用動態(tài)安全 域理論在應(yīng)用于電力系統(tǒng)安全控制時，有著得天獨厚的優(yōu)點，但是同時他也存在 著必須克服的缺陷。如第一章中介紹的，實用動態(tài)安全域的求取方法中，必須要 先搜索到安全域i 臨界面上的一個點，然后才能求出安全域的邊界表達式。然而， 由于數(shù)學(xué)工具的缺乏，求取這個臨界點還沒有很好的方法，只能靠搜索法，這一 第三章候選控制措施篩選法 過程需要很多次的動態(tài)過程仿真，這樣一來就極大的限制了這種方法的計算速 度。再者，實際的系統(tǒng)控制中，可以采取切機或切負荷控制措施的節(jié)點往往很多， 而且每個切機點往往有不止一臺的發(fā)電機，每個切負荷節(jié)點往往有多級負荷。這 樣一來考慮了節(jié)點和分級負荷的組合后，可能采取的候選控制措施集合中將會有 很多的控制措施，以兩個切點為例，一個切點裝設(shè)5 臺可切的發(fā)電機，另一切點 分成五級負荷，如果考慮組合控制措施，將存在3 8 種可能采取的控制措施。怎 樣使候選控制措施集合的規(guī)模降低而又不影響最終的搜索，是現(xiàn)有的許多緊急控 制方法面對的難題。 針對以上問題，利用第二章介紹的實用動態(tài)安全域的三條經(jīng)驗規(guī)律，提出了 篩選法用以解決控制措施組合數(shù)目過多的問題： 在對候選集合進行搜索時，先將控制措施分成兩類，在單個節(jié)點只切除一臺 發(fā)電機和在單個節(jié)點只切除一級負荷的控制措施歸為基本控制措施，而其它控制 措施統(tǒng)統(tǒng)歸為組合控制措施。對基本控制措施的有效性指標(biāo)采用文獻 5 0 提供的 搜索臨界點的方法精確計算出。而對組合控制措施，它們是各個基本控制措施配 合操作的結(jié)果，其有效性指標(biāo)的計算可以先利用各個基本控制措施的有效性指標(biāo) 相加作為估計值。這種估計值在緊急控制負效應(yīng) 3 4 】的影響下往往偏于樂觀( 即 組合控制措施對系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善效果要小于各個基本控制措施單獨作用下效 果的和) ，不能用于精確的衡量，但是可以利用這一估計距離對候選控制措施集 進行篩選。由于最終求得的控制措施需要使擴展動態(tài)安全域涵蓋運行點，所以對 于那些估計距離比運行點到基本動態(tài)安全域邊界的距離小的控制措施，可以斷定 其一定不能使系統(tǒng)穩(wěn)定，將這些控制措施從候選集合中排除掉，就得到了一個小 規(guī)模的候選集合。下面是一個簡單的例子：假設(shè)系統(tǒng)中存在多個切機點( 切負荷 點) ( a l ，o r 2 ，一) ，在節(jié)i 單獨切除一臺機( 一級負荷) 后安全域邊界的移動距 n 離用表示，則各個切點配合操作( o t l o o t 2 n an 鯽) 時安全域邊界移動距離 的估計值為： d a ，n = m ，比 ( 3 1 ) f 其中碼代表在節(jié)點i 同時切除m 臺機( m i 級負荷) 。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 用估計距離d a l e , , 一與運行點到b p d s r 邊界的距離d o 做比較，如果 d c t l n ，一 d o ，則保留 這一控制措施。 采用上述篩選法對候選控葦4 措施集合迸行篩選后，可以顯著的減小候選控制 措施集合的規(guī)模，從而提高搜索的速度。在這