第32卷增刊1电网技术V ol.32Supplement1 2008年6月Power System T echnology Jun.2008文章编号：1000-3673（2008）S1-0029-05中图分类号：TM712文献标识码：A学科代码：4704054一种新颖的电力系统实时紧急控制方案王俊1，王建全2（1．上海电力公司市东供电公司，上海市浦东区200122；2．浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市310027）A Novel Real-Time Emergency Control Scheme for Power SystemWANG Jun1，WANG Jian-quan2（1．Shidong Electric Power Supply Company，Shanghai Municipal Electric Power Company，Pudong District，Shanghai200122，China；2．School of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou310027，Zhejiang Province，China）摘要：总结了基于策略表形式的电力紧急控制系统的研究和发展现状，提出一种实时决策、实时控制的电力系统紧急控制方案。
该方案实时采集故障前、故障期间及故障清除后短时间内系统的功角、有功功率等信息，利用这些信息通过最优参数选取算法将原系统在线动态等值为简单系统，并在等值系统上进行暂态稳定预测和分析，进而搜索最优控制策略。
仿真结果验证了该方案的实时性、准确性和可靠性。
关键词：安全稳定；紧急控制；在线实时决策；最优参数选取；相量测量单元(PMU)0引言随着电力系统规模的不断扩大，电网结构日益复杂，单机容量进一步提高，区域间联络线和远距离大容量输电系统不断出现，由此而引起的电力系统安全问题日趋严重。
为保证电力系统安全稳定运行，除了要合理优化电源、加强电网建设，安装安全稳控装置也成为防止系统出现大的灾变事故的有效手段[1-3]。
作为第二道防线的紧急控制是指电力系统由于扰动进入紧急状态或极端紧急状态时，为防止系统稳定遭破坏、运行参数严重超出规定范围以及事故进一步扩大引起大范围停电而进行的控制[2]，如切机、快关汽门、电气制动、切负荷等。
紧急控制不仅能以较小的控制代价维持系统在严重故障后的安全稳定性，而且能提高某些输电线路的传输功率甚至使其接近静态稳定极限。
因此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，而且可以产生直接的经济效益。
本文综述了目前紧急控制的研究成果和工程应用情况，结合较成熟的相量测量技术和在线动态等值技术，提出一种实时决策，实时控制的电力系统紧急控制方法，并用IEEE算例进行了仿真验证。
1紧急控制系统研究和应用现状根据装置的组成和分布范围可将目前的紧急控制系统安稳装置分为就地型和区域型。
电力系统是一个复杂的大规模非线性系统，地理分布很广，而紧急控制又要求控制速度非常快，一般要求动作时间不大于0.3~0.4s，否则将无法维持系统稳定或需要花费较大的控制代价。
为使紧急控制系统同时满足控制精度和速度的要求，在实际工程中通常采用控制策略表来确定控制决策。
根据策略表的形成方式不同，目前的稳控系统分为2种类型：①离线决策、实时匹配型；②在线预决策、实时匹配型。
文献[4]介绍了我国最早完成的实用化的离线决策安全稳定控制系统。
文献[5]提出了在线预决策的紧急控制系统框架。
文献[6]完成了基于扩展等面积准则(extended equal-area criterion，EEAC)的在线预决策暂态稳定紧急控制系统。
传统的离线决策、实时匹配方式离线计算工作量大，适应电网运行方式变化的能力差，且由于离线制定控制策略是按最严重情况考虑的，具体实施时容易过量，并可能发生失配[2]。
但是在我国目前的调度自动化水平下，离线决策仍是不可缺少的控制方式。
具体工程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、东北辽西稳定控制系统、福建的WLK-1型微机联切控制系统等。
在线预决策是基于当前工况给出预想事故，其30王俊等：一种新颖的电力系统实时紧急控制方案V ol.32Supplement1策略表规模比离线决策要小的多，失配情况也大大减少，具有良好的应用前景，是未来稳控系统发展的方向，也是目前条件下唯一可应用于工程的准实时紧急控制方法。
近几年来，国电自动化研究院/南瑞集团对在线准实时预决策系统做了比较深入的研究。
文献[6]介绍的OPS-1紧急控制系统实时量测当地的电网电气量，结合EEAC和区域稳定控制装置，可在线生成最佳控制策略。
国外方面，文献[7]提出了基于详细模型进行在线暂态稳定计算的紧急控制系统，并在日本中部电力系统投入应用，但是其仅适用于有简单切机措施的特定系统。
文献[8]将局部能量函数法和同步相量技术相结合，将发电机组的角频率与系统惯性中心角频率之差与离线计算得到的临界角频率进行比较，以此判断是否切机组，但文中只是研究特定电厂是否应该采取控制措施，没有说明如何选择控制量的大小，且离线计算的临界角频率很难准确地适应不同的系统运行方式和故障情况。
文献[9]利用混合法来评估电力系统的稳定性，综合了文献[7]和[8]的优点，既可以处理多摆失稳和多群摇摆情况，又能够给出稳定裕度信息，若能解决计算速度和稳定裕度的准确计算问题，将可应用于实际工程中。
随着计算机技术、测量技术、通信技术的发展，近年来国内外提出不少实时分析、实时决策和实时控制的算法。
文献[10]提出一种基于相量测量单元(phasor measurement unit，PMU)利用EEAC进行在线暂态稳定预测和分析的实时控制方案，但是该方案难以准确整定识别临界机群(critical cluster，CC)的复合判据定值，且利用最小二乘法对eP-δ曲线进行预测的可靠度不高，并且采用广义预测控制理论对控制量进行优化在工程中难以满足时间上的严格要求。
文献[11]采用相量测量技术来跟踪事故后系统的状态，并修改继电保护的定值实现自适应保护，该工程应用于佛罗里达与佐治亚州的500kV联络线上，主要是由于这两个地区之间的振荡特征可以等值为2机模型。
文献[12]基于此工程提出在没有先验系统降阶模型时用外推法(文中的CEI法)来预测系统的稳定趋势，并指出当在线的降阶模型规模较大、难以实时计算时，可用离线训练的决策树[13-14]等模式识别[15]方法得到系统的未来动态行为，其仿真实验表明2机等值系统更适合在线实时计算。
电力系统最理想的控制方案是实时决策、实时控制，这需对故障和工况进行实时测量并计算控制策略，要求计算速度非常快，收集信息、计算、控制的过程需在几百毫秒内全部完成，不需事故前计算并能够完全自动适应电网的变化。
但是受算法和技术的限制，且实时决策系统无法对控制效果进行评价，理想方案目前尚不能应用于复杂电网。
但随着现代全球定位系统(global positioning system，GPS)技术、通信技术、数字信号处理技术、人工智能技术以及计算机网络技术的发展，若能在线实时快速地对外部系统进行等值，在有限时间内算出控制策略并加以实施，理想方案就可以得到实现。
2基于动态等值的实时决策2.1控制装置与PMU的布置基于GPS的PMU在电力系统中的应用[16]促进了大电网广域测量/监视系统的形成和发展。
本方案需要采集电网中某些重要电厂稳态和暂态状态量，包括故障前、故障时、故障清除后本地电厂和参考电厂的功角量、关键母线上的电压电流相量以及由此计算出来的传输线功率和保护动作信息。
这些信息量由PMU装置实时采测。
发电机功角的暂态测量对在线等值的准确性影响较大，采用直接法测量可得到较为精确的功角值。
除PMU 采测的数据外，系统其他变量(如总负荷量、总惯量、无功补偿装置地点等信息)也对等值系统有较大影响。
本方案拟采用能量管理系统(energy management system，EMS)获取这些量，因为这些量不会经常发生突变。
如图1所示，在本地电厂G1和外部电网的参考电厂G2(如需等值为3机系统则需有G3)装设PMU 装置，并通过光纤通道相连接，由本地稳控装置集中处理信息，进行实时决策和控制。
对于远距离大容量输电电网，参考电厂通过离线仿真选取，通常在各种运行方式下不同故障类型(本地电厂出线故障)时选出外部电网与本地电厂失稳的机组，这些机组比较固定，可以是1个或2个。
本方案的主要工外部等值电网GPS 稳控装置光纤通道PMU本地电厂G1G2参考电厂G3参考电厂δPMUδPδGPS图稳控装置及MU配置图1P第32卷增刊1电网技术31作是等值过程，采集到G1传送功率及稳态时G1和G2(G3)的功角后可以进行静态等值；采集到故障方式及故障过程中的暂态功角后可以在静态等值的基础上进行动态等值，以保证功角轨迹和原电网一致。
以上等值过程都是对发电机模型内部参数和输电线参数的等值。
等值后的系统见图2，图中的G1、G2、G3都是等值后的电厂，由若干同调发电机组成，同时系统的负荷和传输线路参数也做了等值，它们之间的稳态方式和故障后的功角轨迹与原系统保持一致。
参考电厂P QPG2δδP QP QPP参考电厂G3本地电厂G1图2等值系统示意图2.2动态等值的数学描述等值后的系统(单机–无穷大系统、双机系统或2机以上系统)要求能完全反映故障前的运行方式、故障方式、故障清除后的运行情况。
以等值2机系统为例，当发电机模型采用经典模型时可将动态等值描述为如下的最优参数选取问题[12]。
设静态等值时的容许参数集为L L l l L L L L L L l l l {,,,|,,,i i i i i i i i S P Q X B P P P Q Q Q X X X =≤≤≤≤≤≤l l l ;1,2}B B B i ≤≤=(1)式中：Li P 、Li P 、L i Q 、L i Q 分别为等值系统负荷有功、无功的最大和最小取值；l X 、l X 、l B 、l B 分别为输电线的电抗、电纳的最大和最小取值。
设动态等值时的容许参数集为{,,|,di Ji i di di di D X T L K X X X ′′′′=≤≤,;1,2}Ji Ji Ji i i i T T T LK L K LK i ≤≤≤≤=(2)式中：di X ′、di X ′、Ji T 、Ji T 分别为等值发电机暂态电抗和惯常系数的最大和最小取值；i LK 、i LK 分别为它们的最大和最小取值，则1i LK 为感应电机负荷的比例成分系数。
因此，对一个动态电力系统，需要寻找最优系统参数,S D ∈∈，使下面的目标函数取极小值。