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1、电力系统紧急控制理论孙元章、程林 清华大学电机系电力系统研究所二OO三年十二月电力系统的紧急控制n紧急控制是指电力系统在大的扰动或故障下维持稳定运行和持续供电所采取的控制措施，如：切机、快关汽门、电气制动、切负荷、解列等措施，n电力系统的状态一般分为：正常状态、警戒状态、紧急状态、解列状态与恢复状态。紧急控制是在电力系统进入紧急状态后所做的控制。bb 紧急紧急控制的特点：控制的特点：首要任务是保证严重受扰的电力系统不失去同步稳定。对时间要求高，要求在尽可能短的时间内做出有效控制。Not for best,but good enough。传统的紧急控制方法n由于电力系统本质上是一个高维非线性动态
2、大系统，它的稳定性在数学上没有解析表达式，只能通过数值方法逐步求解，这样会相当费时，无法满足实时控制的要求，因此，传统的控制策略都是离线生成对策表，一旦扰动或故障发生后，通过在线查询进行控制。n这种方法存在两个问题：一是对策表虽然详细，但仍难免百密一疏，一旦没有相应对策，则只能按严重的情况处理，这样将会导致过量控制；n二是离线计算量特别大，尤其是系统结构变化后，不得不重新计算。改进的紧急控制方法n目前研究的热门工作是在线刷新决策表。n薛禹胜等人提出在线预决策、实时匹配的思想，充分利用计算机并行处理和扩展等面积准则(EEAC)的最新成果，研制成功了在线预决策控制系统，使得紧急控制的水平向前迈进了
3、一大步。n但是对于一些微小概率但危害极大的事故，如保护误动、开关拒动等造成的稳定破坏，仍然不可能全部事先预想并有效地控制。新的紧急控制理论与方法n随着相量测量单元（PMU）的应用,使得区域电网各节点的电压相角和发电机的功角能在同一时标下进行比较。n光纤通信技术的发展使得大容量信息可高速可靠地传输。n提出一种新的实时控制紧急方案：假设发电机的转子角、转速及功率能够实测，且可近乎实时地传输到控制中心，利用这些信息和EEAC的思想快速地进行稳定性分析并纳入广义预测控制理论的思想框架，对电力系统进行闭环滚动控制。基于EEAC的紧急控制理论加速面积A1，为实测得到的准确值减速面积A2 为预测得到的估计值
4、若A1 A2，则系统稳定，稳定裕度为误差来源与缺陷n在上述的暂稳分析中，假设事故后OMIB映像中的正弦模型会存在一定的误差。n暂态稳定的控制措施都存在一定的副效果，如切机在减小临界机群输入功率的同时，也切除了能使系统保持稳定的一部分惯量，而且与该节点有关的导纳矩阵元素的值亦发生了变化，从而改变了相应节点的电磁功率。n切机后，CC 的组成可能发生了变化，如果仍按切机前的OMIB 计算稳定，则有可能带来较大的误差。n缺陷是无法根据当前状态进行紧急控制，需要预测功角曲线基于能量的暂态稳定分析方法电力系统是高维强非线性系统电力系统是高维强非线性系统无法获得其解析解无法获得其解析解实时实时时域时域仿真仿
5、真技术技术基于基于能量能量研究研究方法方法分析技术日益成熟系统控制？DigitalEnergy从能量的观点看紧急控制n能量的注入与抽取：能量的注入与抽取：紧急控制的措施，无论是制动电阻的投切、还是切机、切负荷，我们认为就是向网络中注入或抽取一定数量的能量，以达到削弱故障过程中所积聚的能量不平衡对电力系统稳定的影响，如果故障中所形成的不平衡的暂态能量能够迅速的被消耗殆尽，则紧急控制后的电力系统就是稳定的。bb紧急控制后系统的同步稳定：紧急控制后系统的同步稳定：紧急控制后系统的同步稳定：紧急控制后系统的同步稳定：紧急控制的首要目的紧急控制的首要目的是保证紧急控制后没有发电机组失步，也就是所有是保证
6、紧急控制后没有发电机组失步，也就是所有的发电机组保持了同步稳定。在发电机保持同步稳的发电机组保持了同步稳定。在发电机保持同步稳定的前提下，依靠发电机，电网所配备的先进控制定的前提下，依靠发电机，电网所配备的先进控制装置共同作用，来平息功率振荡。装置共同作用，来平息功率振荡。电力系统同步稳定的数学模型n转动惯量中心下的数学模型转动惯量中心的动态方程发电机在转动惯量中心坐标系下的动态方程 转动惯量中心坐标下的电力系统能量nCOI坐标下的能量函数bbCOI坐标与同步坐标下动能之间的关系基于能量的紧急控制的框架n 建立紧急控制可控资源表bb 加速与减速机群的选取与稳定分析bb 从紧急控制的资源表中筛选
7、紧急控制策略bb紧急控制策略的校验基于能量的紧急控制的框架 建立紧急控制资源表建立紧急控制资源表v 节点控制能量节点控制能量 主导失稳机群判别主导失稳机群判别v 故障扰动影响排序故障扰动影响排序v 预估动态轨迹预估动态轨迹v 等值动能粗选等值动能粗选v 等值势能分析等值势能分析紧急控制策略筛选紧急控制策略筛选v 控制能量函数控制能量函数v 主导失稳机群信息主导失稳机群信息建立紧急控制可控资源表n 紧急控制可控资源表建立的方法全系统每一个节点都可以赋值一个实数 ，用这个实数来统一表示紧急控制的可控资源 节点j没有紧急控制的可控资源 节点j在紧急控制时可以多消耗有功功率 节点j在紧急控制时可以减少
8、有功功率消耗 也可能是一个分级函数，将紧急控制时可以被消耗的符号为正或符号为负的能量分为若干级，在紧急控制需要时分级投入 建立紧急控制资源表吸取能量减少能量无可控能量可可是是一一个个分分级级函函数数如何判别主导失稳机群（I）n在一个失去同步稳定性的电力系统中，一定可以找到两个相互间失稳的机群。b主导失稳机群的选取不仅对于稳定分析是非常重要的；而且，主导失稳机群往往是紧急控制的关键。b主导失稳机群的有效辨识是运用能量方法分析暂态稳定的一个难点。加速与减速机群的选取（II）考虑故障的影响 故障后系统的动态 GAP原则 等值能量守恒加速与减速机群的选取与稳定分析n 利用故障后系统信息，估计时间t后发
9、电机的动态利用等值动能原理识别等值机群 假设前已得到的最容易失步的机组可以分为两个机群假设前已得到的最容易失步的机组可以分为两个机群A A与与B B群B群Ab机群与机群相互的等值动能可以用来作为衡量机群间同调性的一个标准.等值动能判据n双机等值后的动能与COI坐标下的动能相比，相差的是机群内部各个机组与各自机群的等值惯量中心之间的动能,因此，双机等值动能比COI坐标下的动能更能够反映机群间的失稳 b机群与机群相互的等值动能可以用来作为衡量机群间同调性的一个标准.等值动能的值越大，所分的机群越具有相近的动态特性；而等值动能的值越小，所分的机群越不能反映机组之间动态特性的相似性 GAP原则与等值势
10、能nGAP原则：在很多情况下，机组相邻功角间隙最大处对应于两个机群的分裂处 如果按照前述方法所得到的等值动能最大的机群对应于已建立的最容易失稳机组表中的GAP机群，则这个机群就是主导失稳机群。bb等值能量：等值能量守恒等值动能等值势能等值能量守恒与失稳模式（I）IEEE 10IEEE 10机机3939节点稳定的能量与模式节点稳定的能量与模式等值能量守恒与失稳模式（II）IEEE 10IEEE 10机机3939节点失稳的能量与模式节点失稳的能量与模式控制能量函数筛选紧急控制策略发发电电机机节节点点与发与发电机电机相连相连母线母线节点节点网络网络母线母线节点节点控制能量函数筛选紧急控制策略(II)
11、推广N-M模型与T-A-V模型下的能量函数，可以得到上述模型下隐含控制项的能量函数：筛选紧急控制策略 将该能量函数沿动态轨线对时间求导：控制控制能量能量控制能量函数衰减的物理意义 考虑到 ，实际上是装设有紧急控制措施的节点的频率，因此这种最直观的紧急控制策略来保证该控制能量函数的负定性说明紧急控制所消耗能量的符号应该与该节点相对于转动惯量中心频率变化的符号相同 控制能量函数负定的条件结合先前建立的可控资源表显示，最简单的实现控制能量函数负定的策略是：对应于每一个可控的节点，选择控制变量 ，使满足紧急控制预选策略的验证n 满足使所构造控制满足使所构造控制能量函数负半定的控能量函数负半定的控制策略
12、只能作为制策略只能作为紧急紧急控制的候选策略控制的候选策略 bb 运用能量分析方法运用能量分析方法校验紧急控制策略校验紧急控制策略4 4机机11 11母线母线系统系统新英格兰10机39母线系统假设线路25-26靠近节点26侧发生三相短路，继电保护随之动作切除故障 动态曲线功角曲线功角曲线角速度曲线角速度曲线功角曲线功角曲线角速度曲线角速度曲线CASES采取紧急控制措施 I功角曲线功角曲线角速度曲线角速度曲线CASES采取紧急控制措施 II思考n基于WAMS的紧急控制与传统的紧急控制的区别n是否存在保证系统稳定的充分必要条件n系统结构、参数变化的情况下的紧急控制理论推导n系统解列后如何控制谢谢！谢谢！