現(xiàn)代互聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定分析與控制技術(shù)

現(xiàn)代互聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定分析與控制技術(shù)

0大停機(jī)防御框架電力安全不僅取決于電氣系統(tǒng)的運行、分析和控制技術(shù)，還受信息系統(tǒng)的有效性和可靠性，這與規(guī)劃設(shè)計、市場運營、游戲、監(jiān)督管理、科技投資和人才培訓(xùn)密切相關(guān)。物理及經(jīng)濟(jì)的偶發(fā)事件都不可能完全避免,但絕對不應(yīng)該導(dǎo)致電力大災(zāi)難。雖然單個事件不易擊垮一個現(xiàn)代化的電網(wǎng)或電力市場,但在系統(tǒng)被削弱的情況下,信息的不充分、自動化系統(tǒng)的故障、人為的決策失誤都可能誘發(fā)新的擾動。在一系列相繼打擊下,再強(qiáng)壯的系統(tǒng)也會趨于脆弱,甚至演化為電力災(zāi)難。隨著負(fù)荷的增長、送電距離的增加、大量高壓直流輸電(HVDC)和靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的投運,現(xiàn)代電力系統(tǒng)的動態(tài)特性,包括同調(diào)性、失穩(wěn)模式和關(guān)鍵斷面都越來越復(fù)雜。電力市場的開放突出了對優(yōu)化和協(xié)調(diào)的要求,增加了穩(wěn)定分析與控制的難度。相繼開斷可能發(fā)生在不同的交流通道之間、直流通道之間、交直流通道之間、送受端電網(wǎng)之間。繼電保護(hù)裝置的潛在故障、多饋入直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的相互影響、機(jī)組非計劃停運、受端無功支撐能力、低頻振蕩、功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定等因素更增加了相繼故障演化為大停電的風(fēng)險。美國的電力技術(shù)發(fā)達(dá),電網(wǎng)間的互聯(lián)相當(dāng)強(qiáng)壯,市場經(jīng)濟(jì)的經(jīng)驗豐富。但最大的一些電業(yè)災(zāi)難,包括物理上的大范圍長時間停電和經(jīng)濟(jì)上的電力市場崩潰卻偏偏發(fā)生在這里。北美“8·14”大停電再次演繹了電力安全的全局概念以及綜合防御框架的重要性。事實上,在這些災(zāi)變的各個演化階段中,都存在著終止多米諾骨牌傾覆的機(jī)會,只是未能及時把握住它們。只有掌握了由偶然故障演變?yōu)闉?zāi)難的規(guī)律和機(jī)理,才能針對各個演化階段的特點,優(yōu)化并統(tǒng)籌各階段的對策,有效地防御大停電。防御框架的設(shè)計問題引起了電力界的廣泛關(guān)注[7,8,9,10,11,12,13,14]。文獻(xiàn)提出用分布式自治實時系統(tǒng)來改進(jìn)監(jiān)控功能,使電力系統(tǒng)具有自愈(selfhealing)能力;指出在快速的多代理局部控制與慢速的全局控制決策之間,需要在線動態(tài)分析功能的支持,目標(biāo)是故障后不失去負(fù)荷。但是這些文獻(xiàn)并沒有研究穩(wěn)定控制體系的功能設(shè)計和組織,也沒有涉及協(xié)調(diào)的模型與算法;另一個缺陷是沒有將自愈電力系統(tǒng)的理念與大停電的演化規(guī)律相關(guān)聯(lián)。本系列論文在分析大停電演化規(guī)律的基礎(chǔ)上,指出現(xiàn)代電力系統(tǒng)防御框架的特征應(yīng)該包括:將監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)及能量管理系統(tǒng)(EMS)擴(kuò)展到動態(tài)范疇的DSCADA/DEMS;實現(xiàn)在線的穩(wěn)定量化分析和預(yù)決策;基于風(fēng)險概念,實現(xiàn)預(yù)防控制、繼電保護(hù)、緊急控制、校正控制和恢復(fù)控制的自適應(yīng)優(yōu)化及協(xié)調(diào)。文中介紹的廣域監(jiān)視分析保護(hù)控制(WARMAP——wideareamonitoringanalysisprotection-control)就是這樣一個時空綜合的防御框架。該框架的三大要素為:廣域的靜態(tài)和動態(tài)測量、安全穩(wěn)定性的量化分析、時空多道防線的優(yōu)化協(xié)調(diào)。其中所采用的部分關(guān)鍵技術(shù),例如在線預(yù)決策的預(yù)防控制技術(shù)和自適應(yīng)優(yōu)化的緊急控制技術(shù),已經(jīng)在實際工程應(yīng)用中積累了寶貴的運行經(jīng)驗。本文為系列論文的首篇,根據(jù)大停電的演化規(guī)律,評述互聯(lián)電網(wǎng)穩(wěn)定分析和控制技術(shù)的現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn),設(shè)計由DSCADA/DEMS構(gòu)成的大停電防御框架;第2篇討論防御框架中的數(shù)據(jù)平臺、安全穩(wěn)定性的量化分析、各道防線內(nèi)部的自適應(yīng)優(yōu)化,亦即控制措施在空間中的協(xié)調(diào)問題;第3篇則從控制時間的觀點出發(fā),討論不同防線之間的協(xié)調(diào)。3年來,由電網(wǎng)公司、研究院、設(shè)計部門和施工部門組成的工作組先后完成了在華東電網(wǎng)和江蘇電網(wǎng)中實施該框架的可行性研究和初步設(shè)計,目前已在華東電網(wǎng)中完成了首期工程的出廠驗收測試。1關(guān)于三大奇跡的解釋1.1線中預(yù)防措施的落實三道防線是我國老一輩電力工作者對電力技術(shù)的重大貢獻(xiàn)。圖1解析了其概念,其中的虛線框內(nèi)表示參數(shù)空間,實線矩形框表示與故障集對應(yīng)的穩(wěn)定域。如果電力系統(tǒng)的原工作點處在穩(wěn)定域外,就需要通過以下控制手段來防御停電:①在下一個潛在故障發(fā)生前,通過第一道防線中的預(yù)防性措施將工作點移向穩(wěn)定域,包括加強(qiáng)電網(wǎng)的遠(yuǎn)期預(yù)防措施和調(diào)整發(fā)電分配的運行預(yù)防措施。②故障發(fā)生后,有選擇地快速切除故障支路。只有在沒能直接切除故障設(shè)備時,才通過切除相鄰有源非故障支路來隔離故障設(shè)備?，F(xiàn)有規(guī)程中將此歸入第一道防線。③識別出故障地點和故障類型后,根據(jù)實際工況選擇廣域的緊急控制措施來改變穩(wěn)定域,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此即第二道防線。④一旦檢測到系統(tǒng)失步,或母線長期低頻或低壓等違反安全規(guī)程的動態(tài)行為,則通過第三道防線的失步解列、低頻減載(UFLS)和低壓減載(UVLS)措施來阻止停電范圍的擴(kuò)大;⑤通過恢復(fù)控制,盡快恢復(fù)對被停負(fù)荷的供電。正是由于重視了三道防線,特別是應(yīng)用緊急控制和校正控制,在必要時用犧牲局部來保全整體,相當(dāng)薄弱的我國電網(wǎng)卻沒有發(fā)生過北美“8·14”那樣的大停電。但也往往會付出過度控制的代價。1.2緊急控制實時決策,實時控制。在故障前后,第一道防線的任務(wù)是在不損失電源和負(fù)荷的前提下,保證系統(tǒng)在不嚴(yán)重故障下的穩(wěn)定性。為此,只能采用預(yù)防性控制措施,例如在規(guī)劃、建設(shè)期間加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu),或在正常運行期間啟停發(fā)電機(jī)組,調(diào)整發(fā)電功率,采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)、并聯(lián)和串聯(lián)電容補(bǔ)償控制、直流輸電功率調(diào)制、動態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)和靜態(tài)無功補(bǔ)償器(STATCOM)等技術(shù)。一旦發(fā)生故障,繼電保護(hù)裝置以最小的停電范圍將故障(或越限)設(shè)備從電網(wǎng)中快速隔離,以擴(kuò)大穩(wěn)定域。如果第一道防線已經(jīng)將系統(tǒng)的運行點引導(dǎo)到預(yù)想故障所對應(yīng)的穩(wěn)定域內(nèi),則一旦該故障發(fā)生,不必采用其他措施就可以保持系統(tǒng)穩(wěn)定。顯然,解列、切機(jī)和切負(fù)荷等措施與預(yù)防性控制的概念相違背,不可能被第一道防線采用。第二道防線的任務(wù)是減少系統(tǒng)在嚴(yán)重故障下失穩(wěn)的風(fēng)險。如果預(yù)防控制會使系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性太差或遠(yuǎn)方電源嚴(yán)重窩電,或者不同的故障對預(yù)防控制提出相互矛盾的要求時,依靠第一道防線來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性并不可行。此時只能在檢測到故障后實施以切除部分電源和負(fù)荷為代價的緊急控制,如連鎖解列、切機(jī)、切負(fù)荷、強(qiáng)勵、強(qiáng)補(bǔ)、快關(guān)汽門、動態(tài)制動。緊急控制只有在故障已經(jīng)發(fā)生并可能導(dǎo)致失穩(wěn)時才被執(zhí)行,故雖然每次動作的代價較大,但平時并不需要付出控制代價。“實時決策,實時控制”的方案是指:在故障發(fā)生后根據(jù)短時段內(nèi)的實際受擾軌跡,預(yù)測未來軌跡的穩(wěn)定性,并進(jìn)行控制決策。這樣的方法不但難以滿足對決策時間的要求,并且由于只能通過對數(shù)學(xué)模型的仿真才能預(yù)測控制的效果,故無法實現(xiàn)“不受模型、參數(shù)與故障信息等誤差的影響”的初衷。目前,只能采用“故障前預(yù)先確定決策表,實時匹配”的方案。緊急控制措施在故障后實施得越早,效果越好。一旦判明故障的有關(guān)特征,就應(yīng)該根據(jù)實際工況立即實施決策表中的相應(yīng)措施。為了在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下盡量減少控制代價,必須提高對控制效果的預(yù)測精度。由于后者強(qiáng)烈依賴于故障前的工況,因此緊急控制的決策表的事先制作和實時匹配都必須基于廣域信息。第三道防線的任務(wù)是彌補(bǔ)前2道防線的欠控制或拒動造成的風(fēng)險,避免系統(tǒng)在極其嚴(yán)重的故障下發(fā)生大停電。由于緊急控制的決策表要根據(jù)事先指定的典型工況和故障來索引,而故障表又不可能涵蓋所有潛在的故障,因此如果實際工況(或故障場景)的匹配誤差太大,甚至完全失配,則第二道防線可能嚴(yán)重欠控制。此時,只能依靠第三道防線來制止停電范圍的擴(kuò)大。顯然,第三道防線不再能按工況和故障的組合來選擇控制措施,而必須由系統(tǒng)變量的實際動態(tài)行為來觸發(fā)。例如在檢測到失步后立即啟動振蕩解列,以及檢測到過長時間的低頻現(xiàn)象后分輪次切負(fù)荷等。由于是在不安全現(xiàn)象出現(xiàn)后才采用的措施,故稱之為校正控制。1.3無故障對于預(yù)防控制的一般規(guī)定是開環(huán)控制,只是針對特定特定故障圖2比較了各類穩(wěn)定控制的性質(zhì)和特點。預(yù)防控制是在系統(tǒng)無故障或故障引起的動態(tài)過程已基本平息的情況下,以安全供電為目的的運行調(diào)度。對于原先不穩(wěn)定的預(yù)想故障,如果要保證系統(tǒng)不失去任何電源和負(fù)荷,就必須通過調(diào)整運行工況使該故障變?yōu)榉€(wěn)定。調(diào)整后的工況也往往有利于減小故障概率。預(yù)防控制的決策過程一般限于連續(xù)空間,對應(yīng)于連續(xù)規(guī)劃問題。由于預(yù)防措施在無故障時已經(jīng)實施,故在故障發(fā)生瞬間就影響到系統(tǒng)的受擾動態(tài)。其控制效果可以得到充分發(fā)揮,有效減小故障對系統(tǒng)的沖擊。但是,預(yù)防控制增加了正常運行的費用,且控制代價與維持該措施的時間成正比,因此工況調(diào)節(jié)的力度不能很大。由于預(yù)防控制往往以降低輸電功率為代價,故不能應(yīng)用于發(fā)電充裕度不夠或動態(tài)阻塞嚴(yán)重的場合。此外,預(yù)防措施一旦實施,就會影響到未來發(fā)生的任何故障:它在改善某些故障的穩(wěn)定度的同時,必定會減小另外一些故障的穩(wěn)定度。如果故障集內(nèi)的不同故障對預(yù)防措施提出的要求有矛盾,則僅僅依靠預(yù)防控制來解決沖突就非常困難,甚至不可能。由于是防患于未然,預(yù)防控制進(jìn)行決策的時間比較充分。又由于實際故障的不確定性,預(yù)防控制的決策具有博弈的性質(zhì),決策的優(yōu)化密切依賴于對風(fēng)險的偏好程度。因此,預(yù)防控制都采用開環(huán)控制方式:計算機(jī)進(jìn)行決策分析后,向調(diào)度員提供建議,由后者進(jìn)行博弈決策。緊急控制則針對剛剛發(fā)生的,且會使系統(tǒng)失穩(wěn)的那個特定故障,通過投切非故障設(shè)備來保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其決策過程往往限于離散空間,對應(yīng)于離散規(guī)劃問題。為了使措施在短暫的暫態(tài)過程中充分發(fā)揮效果,應(yīng)該在故障被識別出來后的第一時刻實施足量的緊急措施。因此,只能采用針對具體工況和故障的前饋控制律,按預(yù)先算出的決策表實施。其控制效果取決于預(yù)測的精度。由于不了解預(yù)先計算時所用模型和參數(shù)的誤差以及工況匹配的誤差對系統(tǒng)實際動態(tài)行為有多大的影響,目前普遍的做法是選用相當(dāng)保守的措施。緊急控制允許故障前的系統(tǒng)運行在穩(wěn)定域之外,從而提高可用輸電容量;緊急控制措施在無故障時是不會啟動的,故并不增加系統(tǒng)正常運行的費用。系統(tǒng)在故障發(fā)生后的失穩(wěn)過程可能短至200ms,故緊急控制只能采用閉環(huán)方式。措施實施的時刻越滯后,則控制效果越差,需要的控制量越大,代價也越高。由于緊急控制措施是面向特定故障的,不同的故障對應(yīng)著不同的緊急控制措施,因此不存在控制措施的沖突問題。校正控制是在檢測到各種不安全現(xiàn)象后才采取的就地措施,因此可采用反饋控制律來提高控制精度。校正措施一般由時間響應(yīng)曲線的特征啟動,采用分層分散的控制模式,通過就地對象的控制使就地變量的動態(tài)行為滿足對系統(tǒng)安全的要求。由于要求很強(qiáng)的控制作用,故都采用離散控制措施,諸如多輪次的UFLS和UVLS,而各輪次的控制量則要依靠關(guān)于系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)靈敏度的先驗知識。顯然,校正控制的概念不同于緊急控制,不宜統(tǒng)一稱為緊急控制。防御框架還必須包括繼電保護(hù)和恢復(fù)控制。繼電保護(hù)在識別出故障元件后將故障隔離,其目的主要是保護(hù)設(shè)備的安全。保護(hù)裝置與控制對象之間有確定的邏輯關(guān)系,不需要在龐大的決策空間中進(jìn)行搜索。恢復(fù)控制是在大停電后執(zhí)行的一系列恢復(fù)用戶供電的操作,其目標(biāo)是最大限度地減小停電損失,降低恢復(fù)過程中的失穩(wěn)風(fēng)險。它采用的是動態(tài)優(yōu)化控制律,其中同時包含了預(yù)測控制與反饋控制、連續(xù)規(guī)劃與離散規(guī)劃、開環(huán)控制與閉環(huán)控制、就地控制與全局控制。2穩(wěn)定分析與技術(shù)手段的現(xiàn)狀2.1以動態(tài)仿真和回歸規(guī)則為導(dǎo)向的的暫態(tài)研究并不全面電力安全問題的復(fù)雜性不但來自其高維、強(qiáng)時變、強(qiáng)非線性特性,以及微分-差分-邏輯-代數(shù)混合系統(tǒng),還反映在多領(lǐng)域(物理、經(jīng)濟(jì)、信息)、多類穩(wěn)定性(靜態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)、周期、結(jié)構(gòu))、多時間尺度(電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)、中期、長期)、多物理量(電流、電壓、頻率、功角)和多空間尺度(局部模式、全局模式)等方面。它們的組合構(gòu)成了極其多彩而永恒的研究領(lǐng)域,許多方面目前幾乎仍是空白。僅從機(jī)電暫態(tài)來看,功角、幅值和頻率作為交流電壓(或電流、功率等)量的3個要素,通過潮流方程和轉(zhuǎn)子運動方程互相耦合。目前基本上是孤立地研究它們,并且很少考慮電壓和頻率的暫態(tài)安全穩(wěn)定。目前的分析方法局限于用確定性(或概率)的觀點研究孤立的擾動,用離線仿真求取受擾軌跡后憑經(jīng)驗進(jìn)行定性判斷。事實上,電力系統(tǒng)在重負(fù)荷下的復(fù)雜動態(tài)行為引起的相繼開斷并不是由高斯擾動驅(qū)動的線性過程,不能僅僅孤立地分析各個擾動和開斷。2.2在線預(yù)決策:技術(shù)關(guān)鍵由于暫態(tài)穩(wěn)定性依賴于整個受擾過程,不可能用少數(shù)可觀且可控的變量來反映系統(tǒng)的穩(wěn)定程度,故難以采用反饋控制律。不論是預(yù)防控制還是緊急控制,都離不開前饋控制律中的預(yù)測環(huán)節(jié)。前饋控制所需要的先驗知識必須提前錄入控制器的決策表。目前的穩(wěn)定控制技術(shù)采用離線預(yù)決策方式。由于運行工況與相繼故障形態(tài)的組合爆炸,傳統(tǒng)的離線預(yù)決策方式越來越成為瓶頸。特別在需要考慮相繼開斷過程時,離線預(yù)決策所依據(jù)的典型工況不再有實際意義,必須采用在線預(yù)決策方式。在線預(yù)決策不能像離線預(yù)決策那樣依靠經(jīng)驗或窮舉法來選擇控制措施,而必須依靠對量化指標(biāo)的靈敏度分析技術(shù)來優(yōu)化控制措施。在1988年,文獻(xiàn)就明確指出:將相對功角值大于某固定門限值(例如180°)作為現(xiàn)代電網(wǎng)失穩(wěn)的判據(jù)是十分危險的。另一個誤解是認(rèn)為快速仿真就可以實現(xiàn)在線預(yù)決策。事實上,如果不能自動識別穩(wěn)定模式,或者不能給出嚴(yán)格的量化指標(biāo),就不可能實現(xiàn)控制決策的優(yōu)化。因此,僅僅從快速積分和并行處理著手還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,更重要的是必須在穩(wěn)定性理論、量化算法、自動尋優(yōu)和控制框架等方面取得突破。此外,目前的穩(wěn)定控制技術(shù)還缺乏風(fēng)險的概念,缺乏自適應(yīng)能力,并且孤立地對待預(yù)防控制、緊急控制和校正控制,缺乏協(xié)調(diào)的概念。2.3基于wams的統(tǒng)一動態(tài)數(shù)據(jù)目前的穩(wěn)定控制系統(tǒng)一般都自行采集數(shù)據(jù),有較高的信息安全性,但充裕性很差。為了提高工況的可觀察性,應(yīng)該與已有的調(diào)度自動化系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)。目前調(diào)度中心在線數(shù)據(jù)的來源主要是由遠(yuǎn)方終端設(shè)備(RTU)及SCADA系統(tǒng)獲取的靜態(tài)數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)工況變化較快時,各RTU采樣的不同時性可能引入過大的斷面誤差。通過繼電保護(hù)管理系統(tǒng)和故障錄波器得到的動態(tài)數(shù)據(jù),可以用于故障的事后分析,但不能直接用于穩(wěn)定控制的決策。國內(nèi)外電網(wǎng)已經(jīng)先后建成了一些廣域測量系統(tǒng)(WAMS)。WAMS由基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的相量測量單元(PMU)和高速通信系統(tǒng)組成,不但使異地信息具有統(tǒng)一時標(biāo),還使采集的信息從靜態(tài)擴(kuò)展到動態(tài)。但目前WAMS的功能僅限于廣域的同步采樣、實時傳輸和顯示,而沒有解決動態(tài)安全分析和決策支持功能,故尚未發(fā)揮原先設(shè)想的作用,也反過來阻礙了PMU/WAMS的應(yīng)用。2.4動態(tài)行為的分析與預(yù)測目前的EMS僅涉及靜態(tài)分析問題,既不支持對實際已發(fā)生的動態(tài)行為的分析,也不支持對潛在動態(tài)行為的預(yù)測和決策,因此至今與三道防線基本沒有聯(lián)系。3大中斷發(fā)展規(guī)律的闡明3.1特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性面臨著更大范圍互聯(lián)、電力市場化、大量分布電源、特高壓電網(wǎng)、HVDC和FACTS、海量的廣域信息等特點,在增加系統(tǒng)輸電能力和運行靈活性的同時,也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和相繼開斷的風(fēng)險?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的可靠性面臨著新的挑戰(zhàn):故障波及的范圍擴(kuò)大,大量多時間尺度的動態(tài)行為交織,弱阻尼的超低頻振蕩,某些情況下的穩(wěn)定水平可能降低,失穩(wěn)模式和振蕩模式的復(fù)雜變化,穩(wěn)定域的破碎,混沌動態(tài),信息的不可靠和數(shù)據(jù)挖掘的維數(shù)災(zāi)。特高壓電網(wǎng)大大縮短了電氣距離,但也增加了廣域信息的關(guān)聯(lián)程度,不再能簡單采用原先的外部等值模型。當(dāng)特高壓骨干網(wǎng)架還不夠堅強(qiáng)時,新形成的電磁環(huán)網(wǎng)會制約電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性,對電網(wǎng)的分析、監(jiān)視和控制技術(shù)產(chǎn)生很大的影響。3.2快速惡化階段各國實例表明,系統(tǒng)范圍的大停電往往與一系列相繼開斷聯(lián)系在一起。由偶然故障引發(fā)相繼開斷,并演化為電力災(zāi)難的過程,可以劃分為緩慢的相繼開斷、快速的相繼開斷、短暫的振蕩、雪崩和漫長的恢復(fù)等5個階段。“8·14”大停電就是一個典型的案例,如圖3所示。在首發(fā)事件以后62min內(nèi),有5條線路相繼開斷,系統(tǒng)的強(qiáng)壯性被緩慢削弱。期間分別有22min,9min,5min和29min可供調(diào)度員在決策支持系統(tǒng)的幫助下實施預(yù)防性控制,以避免下一個開斷。由于離線制定的調(diào)度規(guī)程不可能考慮完整的N-2準(zhǔn)則,更不用說N-5準(zhǔn)則了。除了快速可靠的繼電保護(hù)以外,還可以依靠在線穩(wěn)定分析實現(xiàn)預(yù)防控制,阻止后續(xù)的開斷。此后的相繼開斷過程越來越頻繁,當(dāng)來不及對下一次可能發(fā)生的相繼開斷做出預(yù)防性決策時,就進(jìn)入了快速的惡化階段?？焖賽夯A段的判斷準(zhǔn)則依賴于計算機(jī)的能力和預(yù)防性控制決策的速度,在該階段內(nèi)需要依靠緊急控制來避免系統(tǒng)振蕩。大量支路的開斷大大降低了傳輸功率的穩(wěn)定極限值,從第65min開始,在加拿大電網(wǎng)與美國東部電網(wǎng)之間發(fā)生了2min的振蕩。第67min后,進(jìn)入10s的雪崩階段,從而形成有史以來最大規(guī)模的停電災(zāi)難。在此期間只能依靠校正控制來避免系統(tǒng)振蕩,減小停電范圍并減輕恢復(fù)控制的困難。雖然在有些大停電的演化過程中,不一定能清晰地區(qū)分緩慢惡化與快速惡化階段,也可能并沒有明顯的振蕩階段,但都不妨礙將它們作為特例納入上述規(guī)律。3.3時間概念上的控制措施針對已經(jīng)發(fā)生的故障所施加的緊急措施,對于尚未發(fā)生的后繼故障來說,在時間概念上相當(dāng)于其“預(yù)防控制”。既然該控制措施是按提高前一故障的穩(wěn)定性而選擇的,就有可能不利于后繼故障的穩(wěn)定性。因此,相繼故障風(fēng)險的在線預(yù)估、穩(wěn)定控制的自適應(yīng)、全局優(yōu)化和協(xié)同的觀點對于防御大停電非常重要。3.4系統(tǒng)穩(wěn)定性及恢復(fù)控制薄弱在“8·14”案例的每個演化階段中,都由于缺乏有效的分析和控制技術(shù),而錯過了防御時機(jī)。在緩慢的惡化階段中,由于缺乏自適應(yīng)的預(yù)防控制技術(shù),故未能阻止第2,3,4,5個相繼開斷。在快速的惡化階段中,由于缺乏自適應(yīng)的緊急控制技術(shù),故無法制止系統(tǒng)穩(wěn)定性的進(jìn)一步惡化和振蕩。在振蕩和雪崩階段,由于沒有適當(dāng)?shù)挠行蚪饬?、UFLS和UVLS等校正措施來平息振蕩,終止雪崩,故大量線路無序地開斷,擴(kuò)大了停電范圍。在恢復(fù)階段,由于缺乏自適應(yīng)的黑啟動預(yù)案和自痊愈的恢復(fù)控制,導(dǎo)致災(zāi)難后的電力系統(tǒng)恢復(fù)過程非常緩慢。各個演化階段中的控制手段雖然不同,卻是緊密相關(guān)。如果在系統(tǒng)規(guī)劃時按風(fēng)險意識優(yōu)化電網(wǎng)建設(shè);在運行中在線地優(yōu)化預(yù)防控制;在故障演化過程中應(yīng)用自適應(yīng)優(yōu)化的緊急控制和校正控制,包括優(yōu)化的解列、UFLS和UVLS裝置,就不會無所作為地聽任由偶然故障演化為如此大范圍、長時間的停電災(zāi)難。將原本彼此孤立的SCADA/EMS和三道防線有機(jī)結(jié)合,實現(xiàn)大停電的時空協(xié)調(diào),構(gòu)成綜合的防御框架,是新一代調(diào)度自動化系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。4綜合防御結(jié)構(gòu)4.1基于數(shù)據(jù)分析的大停機(jī)防御的對策建議美國能源部對“8·14”的調(diào)查報告指出:“由于電力公司和電網(wǎng)監(jiān)測中心未及時做出準(zhǔn)確的分析和判斷,沒有在事故間隙內(nèi)及時采取有效措施,因此系統(tǒng)在多重相繼開斷下變得脆弱,最后發(fā)展為大停電?！逼渲猩婕暗叫畔⒈O(jiān)測、在線分析和控制決策3個要素:信息是分析和決策的基礎(chǔ);機(jī)理和量化分析則通過數(shù)據(jù)挖掘來深刻掌握電網(wǎng)的行為特性;正確的決策是為了以最小的風(fēng)險代價來滿足電力需求。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、全國聯(lián)網(wǎng)和電力市場化,我國電網(wǎng)的運行條件變得更苛刻,更難預(yù)測,由局部故障引發(fā)電力災(zāi)難的風(fēng)險大大增加。為了有效防御大停電,必須重視對廣域信息平臺、安全性的在線量化分析、自適應(yīng)的優(yōu)化控制決策3個方面的建設(shè),構(gòu)建綜合的防御框架。該框架應(yīng)該實現(xiàn)多方位的技術(shù)提升,包括從靜態(tài)到動態(tài),從定性到定量,從離線到在線,從定制到自適應(yīng),從保守到優(yōu)化,從確定性到風(fēng)險性,從表面到本質(zhì),從局部到全局,從孤立到協(xié)同。4.2統(tǒng)一的廣域信息平臺,挖掘和存儲無側(cè)眼點的動態(tài)特性,并將其作為一種趨勢,其主要表現(xiàn)為第一信息的可靠性包括數(shù)據(jù)的充裕性和安全性。應(yīng)該充分利用各種數(shù)據(jù)采集途徑,并與外部電網(wǎng)有效交換信息,獲取足夠的時空信息,包括靜態(tài)信息和動態(tài)信息。RTU和各種廠站綜合自動化裝置可以在線提供大量靜態(tài)信息;故障錄波和保護(hù)裝置可以在事后提供大量暫態(tài)信息;PMU在GPS提供的全網(wǎng)統(tǒng)一時標(biāo)下,可以實時提供快速采樣的同步相量信息。為了在線掌握系統(tǒng)的動態(tài)行為,需要從PMU采集的動態(tài)信息中提取系統(tǒng)行為的模式、模態(tài)、阻尼、振蕩界面等特征。這些數(shù)據(jù)采集源的互補(bǔ)可以改善電網(wǎng)的可測性和可控性,并將靜態(tài)的廣域測量擴(kuò)展到動態(tài)的范疇?，F(xiàn)有的各種廣域數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)相互孤立,不但數(shù)據(jù)不共享,而且分析和控制功能受到很大制約。目前的SCADA系統(tǒng)沒有實時反映動態(tài)行為的信息源,其信道和數(shù)據(jù)庫也不支持電網(wǎng)動態(tài)信息的實時傳輸和存儲,因此只能監(jiān)視電網(wǎng)的靜態(tài)特征,而不能監(jiān)視動態(tài)行為,不能及時發(fā)現(xiàn)低頻振蕩、混沌等異常動態(tài)。目前的WAMS不但難以解決電網(wǎng)的可觀性要求,并且不能很好地支持對采集到的時間響應(yīng)曲線的量化評估和對電力系統(tǒng)的風(fēng)險評估。為了全面地在線評估暫態(tài)安全穩(wěn)定性,給出穩(wěn)定極限,支持控制決策,在線刷新控制決策表,提高控制的性能代價比,需要集成上述各種數(shù)據(jù)采集渠道,建立統(tǒng)一、開放的廣域信息平臺,將SCADA系統(tǒng)提升為DSCADA系統(tǒng),從簡單的動態(tài)顯示擴(kuò)展到分析—決策—保護(hù)—控制功能。此外,還應(yīng)該掌握DSCADA系統(tǒng)在信息量不足、內(nèi)部故障或受到外來攻擊時的行為,及其對防御框架功能的影響。重要的研究工作包括:廣域測量的統(tǒng)一信息理論及方法,信息的價值化,信息源和傳輸?shù)目煽啃?信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性,信息安全技術(shù),信息量不足時的分析技術(shù),由于缺少某信息而增加的風(fēng)險,量化由于信息質(zhì)量不高而增加的代價,重視數(shù)字挖掘技術(shù),識別物理參數(shù)與經(jīng)濟(jì)參數(shù),支持在線決策和可視化。4.3穩(wěn)定性評估與仿真雖然RTU采集的靜態(tài)信息可以直接反映已發(fā)生的潮流,以代替基于潮流模型的仿真計算,但是不可能代替預(yù)想的靜態(tài)開斷仿真。同理,PMU采集的動態(tài)信息可以直接反映已發(fā)生的動態(tài)行為,但不可能提供任何假想場景下的信息。因此,若要判斷系統(tǒng)在一個預(yù)想故障下的穩(wěn)定性,或評估某預(yù)想措施的控制效果,則因為系統(tǒng)中并不會產(chǎn)生實際的動態(tài),而只能依靠基于模型的動態(tài)仿真。若想要通過動態(tài)仿真曲線與PMU采集曲線的比較來評估控制效果,則由于兩種曲線之間的差別不但與實際的控制效果有關(guān),而且與數(shù)學(xué)模型有關(guān)。此時,PMU信息與數(shù)學(xué)模型的誤差無關(guān)的優(yōu)點不再發(fā)揮作用,而基于模型的動態(tài)分析在防御框架中不可或缺。調(diào)度員希望了解系統(tǒng)離開穩(wěn)定極限的距離,并比較不同控制措施的影響。但是,離線準(zhǔn)備的運行規(guī)程和控制決策表對復(fù)雜故障和相繼開斷不再有實際的指導(dǎo)意義,必須采用在線跟蹤實際工況的分析方式,即根據(jù)在線采集到的實際工況來更新運行指導(dǎo)和決策支持。安全穩(wěn)定性的量化分析是防御大停電的另一個關(guān)鍵技術(shù),需要在算法和并行處理等多方面取得突破。由于目前的EMS不能分析電力系統(tǒng)的動態(tài)行為,故需要將其提升為DEMS。4.4自適應(yīng)優(yōu)化的存除功角穩(wěn)定性外,其他狀態(tài)變量和代數(shù)變量的安全穩(wěn)定問題也正在受到越來越大的關(guān)注,包括感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷的穩(wěn)定性、暫態(tài)電壓跌落可接受性、暫態(tài)頻率偏移可接受性和低頻振蕩。穩(wěn)定分析與控制技術(shù)的發(fā)展趨勢包括從純技術(shù)的觀點到風(fēng)險的觀點,從宏觀的觀點到微觀的觀點,從孤立的觀點到統(tǒng)一的觀點,實現(xiàn)定量分析、在線預(yù)決策和自適應(yīng)優(yōu)化。不論是預(yù)防控制、繼電保護(hù)、緊急控制、校正控制,還是恢復(fù)控制,都需要引入自適應(yīng)優(yōu)化的概念。這里的優(yōu)化是指在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下,使控制代價最小;自適應(yīng)優(yōu)化是指不斷跟蹤電網(wǎng)拓?fù)浜凸r的變化,及時更新最優(yōu)決策。穩(wěn)定控制優(yōu)化問題的要素除了系統(tǒng)方程、目標(biāo)函數(shù)、約束條件、控制變量等以外,還有穩(wěn)定裕度的評估、靈敏度分析和尋優(yōu)策略,以及利用領(lǐng)域知識來避免局部最優(yōu)解。其中,最為核心的技術(shù)是穩(wěn)定裕度的評估,它應(yīng)該能嚴(yán)格識別穩(wěn)定的充要條件,并能反映實際系統(tǒng)與穩(wěn)定域邊界之間的距離?！霸诰€預(yù)算,實時匹配”的決策方式則是自適應(yīng)優(yōu)化的發(fā)展方向,包括對決策時機(jī)和控制時機(jī)的自適應(yīng)。目前的EMS并不能為穩(wěn)定控制提供決策支持,與穩(wěn)定控制裝置之間也鮮有信息聯(lián)系。預(yù)防控制、繼電保護(hù)、緊急控制、校正控制和恢復(fù)控制之間缺乏協(xié)調(diào);各道防線孤立地配置及整定,并在非常有限的在線信息環(huán)境下運行。綜合防御框架必須妥善地解決這些困難,才能將各道防線中的穩(wěn)定控制提高到自適應(yīng)優(yōu)化和協(xié)調(diào)的高度。4.5基于統(tǒng)一的動態(tài)仿真及優(yōu)化設(shè)計為了能按照大停電各演化階段的特點來統(tǒng)籌防御對策,提出時空綜合防御框架的概念,它包含信息、分析和控制3個子系統(tǒng)。信息子系統(tǒng)充分利用廣域信息采集和信息處理領(lǐng)域的新進(jìn)展,構(gòu)建統(tǒng)一的廣域信息平臺。它負(fù)責(zé)整合各種信息源提供的數(shù)據(jù),包括SCADA系統(tǒng)采集的靜態(tài)數(shù)據(jù),PMU/WAMS采集的實時動態(tài)數(shù)據(jù),故障錄波器批量提供的動態(tài)數(shù)據(jù),以及對假想場景進(jìn)行仿真所提供的偽量測數(shù)據(jù)。整合后的功能應(yīng)該顯著大于各單獨信息源的功能之和。分析子系統(tǒng)充分利用整合后的廣域信息,實現(xiàn)以下不同層次的功能。1)直接基于SCADA靜態(tài)信息和PMU動態(tài)信息的分析功能,包括:電網(wǎng)靜態(tài)運行和動態(tài)行為的形態(tài)監(jiān)視;受擾軌跡的穩(wěn)定裕度;故障演化過程的分析;輔助服務(wù)質(zhì)量的監(jiān)視;低頻振蕩的在線監(jiān)視;對模型和參數(shù)的校核。2)利用PMU動態(tài)相量數(shù)據(jù)改進(jìn)狀態(tài)估計的速度、精度、收斂性和壞數(shù)據(jù)處理,并在此基礎(chǔ)上間接改進(jìn)EMS原有的在線靜態(tài)安全經(jīng)濟(jì)分析功能。3)與數(shù)字仿真結(jié)合,完成:低頻振蕩的分析、預(yù)防和抑制;動態(tài)響應(yīng)曲線相似度評估;動態(tài)模型和參數(shù)的校核與修正;功角、電壓和頻率暫態(tài)穩(wěn)定性的量化分析、行為模式分析和機(jī)理分析;穩(wěn)定域的計算;預(yù)想故障的穩(wěn)定裕度排序和風(fēng)險排序?？刂谱酉到y(tǒng)利用分析子系統(tǒng)的各種功能,支持各種穩(wěn)定控制的自適應(yīng)優(yōu)化決策,在線準(zhǔn)實時地完成:預(yù)防控制措施的優(yōu)化、每個預(yù)想故障對應(yīng)的緊急控制措施的優(yōu)化、校正控制措施的優(yōu)化和校核。在此基礎(chǔ)上,綜合防御框架還應(yīng)該實現(xiàn)多道防線的時空協(xié)調(diào),通過協(xié)同各道防線和各種控制手段,最大程度地減少大停電的風(fēng)險。4.6基于pmu的穩(wěn)態(tài)-動態(tài)仿真WARMAP是國電自動化研究院按上述思路研制的一個電力災(zāi)變防御系統(tǒng)。它為電網(wǎng)運行工程師提供了在線沙盤推演和計算機(jī)決策支持,如同在防御大停電中的“作戰(zhàn)地