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1、新世纪电力系统 科 技 发 展 方向数字电力 系统一仃卢强清华大学 电力系统国家重 点实验室,北京以洲摘要提出数字电力 系统的全新概念,介绍它所 涵概的相关 内容和具有的丰富功能,认 为该 系统可在管理和决策的科学化、安全稳定性 实时评估与改善及紧急控制实施 等方 面发挥巨大作用指出实现需要有相 当的基础性研究成果和硬件作 为支撑,随着新理论、新算法的产生,利用 超大规模的机网络,将使得实现具有更高的可行性认为可采取分步实施方案,包括建立实时仿真系统和充分应用阶段性成果等。关键词数字 电力系统基础性研究硬件 实时仿真系统加,即,一吧加叩叮,一职,一心。一中图分类号文献标识码文章编 号一一一概述
2、电力系统是由原动机、发 电机、电力网络、负荷、控制中心等组成的。原来的 电力 网络是不可控 的。近年来,随着 电力 电子技 术的发展,设备引人了电力网,使电力网络也变成是可控 的了。在 电力系统增加了灵 活性的同时,也增加了它 的复杂性。在这里提出数字电力 系统的概念。首先给数字 电力 系统一个定义它是某一实际运行 的 电力 系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地、形象化地、实时地描述与再观。如果做到了这一点,就可以说建立了该实际 电力 系统的数字电力系统。仅仅给出一个简单的定 义还不够,让我们来讨论这个定 义所包含 的内容。某个电力系统 的数字 电
3、力系统可能包含以下 内容电力 系统的物理结构也 即真实结构、其各组成部件 单元及 整体的物理性能、运行方式和 运营策略、管理的模 式、人 员 的信息等。电力系统各个元件、各个 网络、各节点的实时状态变量。各种自动控制装置 的动作特性 包括继 电保护装置。发电厂、变 电站主要设备的“健康”状态。经济结构、市场信息。下个世纪,中国的电力市场必然要实行。将来的 电价类似股票那样是要波动、变化 的,比如半个小时刷新一次电价。电力市场 的出现提 出了新 的问题,这就是“经济结构和市场 的信息”包含的内容。影响电力系统安全的特殊自然环境。比如某一条超高压线路正处于落雷区或者台风袭击中,可能造成灾害。数字电
4、力系统应能及时提示运行人员给予特别关注,以免发生重大灾难。科技管理阶层、技术人员管理信息。环保指标和环保设备投人及运行情况。我 国环保指标和环保问题被提到非常重要的高度,关系到可持续发展 的问题。我 国环保法将对于不能达到环保要求的工厂、企业给予重罚。环保设备水平和设备情况,也应 由实时地通报。电力系统各个环节 的实时效率。热力系统、汽轮机、发电机系统、网络收稿日期卜一修订日期卜一作者简介卢强,男,教授,中科院院士,清华大学 电力系统国家重点实验室主任。一一损耗、用户、电压等环节 的效率,数字电力系统应实时显报。重要 的信息。如人才信息、科教活动信息在数字电力 系统上应有所记录和通报。,数字电
5、力系统的功能管理和决策的科学化要 利 用帮 助 我国电力 系统 实现 管理和决策的科学化。依助可 知 晓管理层下达 的指令在实际电力 系统 中产生 的效 果,这 就是“指令效果反馈”。有了这样的反馈,管理层可进一步改进管理和决策,使效率提高。此外,电力 系统是分层 的,每一层要向上一级 管理层通报信息,有了数字电力 系统,就能很快地把这些信息及时收集起来,加以科学处理,向上一级通报。最终目的是实现全系统的高效管理。这就是巧所含有 的高级管理信息系统 功能。安全 稳定性实时评估与改善对于电力系统最重要 的是运行 的安全性,这个问题在全世界均未得到很好解决,我国电力 系统也 出现过稳定破坏的重大事
6、故。世纪,美国发生过六七次大范围、灾难性 的稳定破坏停电事故。这告诫我们要更加关注 电力系统的安全与稳定 问题。首先要实时地对系统进行安全评估。在系统正常运行时,应给出“忧患预告”,实时告知系统薄弱所 在,需给以特别注意。系统实 时 稳 定 域 的变化和状 态 点 所 处 位 置 应 予以实时显现。实际上 电力 系统有一个稳定域,而这个稳定域是 随运 行 情 况 的变 化而改 变 的,但因为 没 有,运行人员不能看 到它。稳定域的实 时变化和状态点在 稳 定 域 中的运动轨 迹可依助图形 化地显示。同时,还可给 出改善安全稳定性的建议和策略。有了数字 电力 系统,就可以不断地对 电力 系统的安
7、全稳定性进行再评估、再调 整,以达到最佳的安全运行状态经 济运行策略制定和 实行在日常运行中,可给出在满 足安 全 稳定 约束条件下、在市场运行规则指导下 的全 系统经济运行策略 这里讲的经济运行不是“自私”的经济运行,它必须考 虑环保指标的确保及在 正常运 行 时,应给 出使运行状态恶化的因素提示,如某个节点 的电压指标 在 下降,或某个 主要 节点之 间 的功率角在不断扩 大 等。虽 然 没有 发生事 故,应告诉人们恶化 的原因及应 采取的措施,即在 正常运行时,将对 系统经济指标作实 时显报,不 断地 给出现时系统整体经济效率、网络损耗和热效率等信息,并且给出如何减少损耗、提高效率的建议
8、和方案。一一紧急控制的实施电力 系统遭受故障后,可通过紧急控制加以镇定,达到保持安全运行的目的。可告知运行人员,故障发生的地点及何种故障。如单相短路,重合闸是否成功等。故障后,电力系统要进人暂态过程,重要发 电机组 的摇摆曲线应 能依助加以显示,并给 出采取何种紧急控制的建议。在最 紧急 的情况下,亦可越过调度人员 而直接施行控制,称“越权紧急控制”。但邢这种越权要有严格规定,只有在最必要 的情况下才能实行。经过建议下 的调度人员或的直接紧急控制,最后使电力 系统状态重新回到安全稳定域内。最适解 列方案实施对于一个电力 系统,无论采取多么好的控制,如果把干扰视为一个球 的话,球 的半径超过一定
9、 限度时,电力系统 的稳定将会遭到破坏。这时,将给出最佳的解列方案。把一个大系统分解成几个独立的孤 岛。解列后 的系统,每一个孤岛的电源和负荷应基本平衡。不要象美国年事故那样,有的孤岛主要是 电源,有 的主要是负荷,这样会扩大事故。最速恢复策略制定系统 解 列 后,将给 出最佳的恢 复 策 略建议,以流程图形式给出恢复操作程序。,科学研究、系统规划设计在 电力 系 统科 学 研 究和系统 规 划设计 中将起 到重要作用。如对于正在规划设计 中的三峡 电力 系统要做一系列研究工作。我们曾在俄罗斯一个多台模拟 发 电机组 的物理模拟 电力 系统 中,进行三峡 系统的研究工作。事实上,有了,就可以利
10、用它对现实和未来系统进行深人细致 的研究。实时信息传递经济调度策略实时信息采集 与传递 系统运行 中的我国 电力大系统一义竺乡图数字电力系统图给出了数字电力系统图像化的思考。图的右边 是一个运行 中的电力 系统,左边 是 一个。玲通过实时数据通信,软跟踪这个实时的电力系统。如上所述,巧在正常运行时给出建议,通过调度人员进行闭环 在最紧急的情况下,紧急地、不通过调度人员进行闭环,再“通知”调度人员,刚才进行了什么操作,产生了什么效果等。如果没有邢现在的系统就是这样,调度管理人员在运行中是相当盲目的,发生突然故障后不知道 电力 系统 中发生 了什么问题,产生什么后 果,稳定域如何变化,状 态点在稳
11、定域的什么位置。如果发生了故障,调度人员茫然不知所措,甚至进行误操作,年、年美国西部 电力系统发生事故后的情况就是如此。如果有帮助,电力系统运行 的安全性和稳定性会得到极大提高。邓设备的投人,电力网络 中的动态设备更多了,整个电力系统微分方程的阶数提高了。此外,电力系统网络的潮流方程是大规模非线性代数方程组。把这个方程组联立起来后就组成了大规模奇异非线性动态大系统见图。这个问题在数学上称作问题罗卿。高维非线性问题至今在理论上还是个重要挑战。奇异非线性动态大系统丫动态 系统习,汽轮机发电机马达群力电子装置可控超导储能装高维非线性徽分方程组静态 系统二巾电力网络功率流大规模非线性代数方程组图稳 定
12、域示意现在对以上 所述 的内容用 图形化 的方式加以概括。图表示一个 电力 系统某一 时刻 的稳定域。调度运行 人员在 调 度 中心 中依靠能 实 时地看 到立体的稳定域。实际电力 的稳定域和状 态点在域中的位置都是不断变化的。运行条件或 系统发生故障,稳定域就会缩小,状态点也 会 向域的边界移动。如果状态点处于危 险 的位 置见图点,这 时应及时给出控制策略或按产生 的控制策略自动 闭环执 行,使状 态 在 最 短 时 间 内回到 安 全区域点。如果在更危急 的情况下,状 态点已经移 到稳定域 的边缘 点,应能采取 紧急控制策略,使之回到安全区点。抑或,从理论上看,系统己失去稳定点,将采取反
13、事 故措施或采取 最适合解 列方案和最佳恢 复策略,使该电力系统状 态回到安全区。至 于在正常情 况 下,应 给 出按 经 济运行策略和按照 电力市场经济法 则调节各发 电机组 功率配置等,这也 即常说的最佳潮流 的运行法则。以上这些任务都是应该且能够完成 的。基础性研究为实现需 要 有相当的基 础性研究 成 果作为支撑,需要有新理论和新算法。整体模型动态 电力系统是用非线性微分方程描述 的。由于图整体模型整体稳定性测度论要研究 电力系统各个层面相互作用 的规律和对稳定性 的影响,研究稳定域 的拓扑结构、稳定域边界及其影 响因素。所以,要对运行 中的电力系统 的稳定域进行实时测度。稳定性在线实
14、时评价方法体系如上所述,电力系统稳定性 问题是一个高维 的问题,这就要求对高维模型采取降阶或简约 化 的方 法。可能 的 方 法 是 发 展 一套中心流型方法。利用 中心流型和微分动力学的括号法研究中心流型的稳定性可能是有效的。我们还要发展大规模数值科学计算方法,可能用到基于辛几何算法 的并行计算方法。在辛几何算法方面,中国科学院的冯康院士开创的学派到现在为止仍然在世界上处于领先地位。混杂系统 的多目标优化调度理论混杂 系统是 系统科学领域中新提 出的概念和理论。电力系统是一个标准的混杂系统,它的上层 调度中心给出的调度决策主要是逻辑性 的操作指令而下层控制如发 电机励磁与调速控制主要是连续型
15、的。如何将不同性质的上层 和下层控制恰 当地对合起来以达到 电力系统多目标优化控制 的目的,是一个重要理论问题和应用问题。至于电力系统的多目标控制,说到底就是安全稳定性与经济性 的双 目标控制。进人按电力市场机制运行后,人们主要考虑的是它的经济问题,即各个投 资体的赢利问题及如何降低电价等问题,很少考虑安全一一和稳定 问题。要为市场化运作的电力系统提供安全稳定的保障,这是一个新的、极具挑战性的课题。现在是该结束安全稳定和经济调度割裂 的时候了。进人 电力市场后,电力 系统潮 流的随机性加 大了,将通过绘 出相适应的保证系统安全运行的调度策略,这是一个新问题。我认为美国年以来的大停电事故和 马来
16、西 亚大停电事故,与他们对于电力市场化运行下 的安全稳定性没有加以考虑有密切关系。区域性紧急暂稳控 制电力系统区域性 的紧急控制问题在世界上并未解决。目前只能针对某一系统通过大量的仿真计算,得到该 系统区域紧急控制 的一些规则如果在某地发生短路,就相应地在 哪些厂切几台机,哪些地方切一些负荷等。人们只是根据经验和仿真结果得 到一些策略。但实际 的 电力 系统状态是千变万化 的,单靠仿真得到的几条策略是不够的,所以要研究区域性紧急控制理论。现在没有现成理论可寻。我主张研究和发展系统和广义系统理论,以建立一套电力系统的区域紧急控制理论,可以把切机和切负荷都看作是能量 的注人,只不过是正符号能量或负
17、符号能量而已。基于这个观点,有可能发展一套 基于 广 义理论和方 法 的 电力 系统区域紧急控制理论和方法。巨大 的软件工程以上所讲的是一个巨大的软件工程。美 国副总统戈尔 曾经提出数字地球概念,这个数字地球可以用作研究全球气象情况、厄 尔尼诺现象及世界资源、森林、环境 等。这给我们建立数字电力 系统以启发。当然,数字地球这样一个巨大的软件工程要世界各国共 同完成。同样,也是一个相当大的软件工程。现有 的软件成果不能废弃,要加以利用。还要把新理论的成果软件化。同时,我们要发展高可视化建模 的问题。任何一个最优秀 的调度人员,每分 钟 给他个新 数 据组 成 的数 据 表,都不 可 能 进行 任
18、何有效的处理。而图象化的处 理却可使人“一目了然”。我们要尽量创造性地利用 多媒体技术,还要借用虚拟 现实技术有用 的思路来建立。学计算机系研制成功。现在有了硬件支持,再提出,具有更高的可行性。图是个计算节点的超大规模机计算网络,每个计算节点 由个几的组成。机 之 间快速数 据交 互传递 由眺的高频宽聚合动态寻址开关完成。这样,就能建立每秒以亿次高速计算网络,提供建立多机电力系统的巧硬件支撑条件。在未来一中,我国各省电力系统有可能完成这样的数字电力系统。州州州州州州州州州州州州州匹巫巫画皿一一州州州匹压画画互 亘卜卜一一一一,“聚合频宽动 态寻址开关以以以以以以以以太网交叉叉开开开开开开开开
19、关关一一一一一巨巫巫巫画卜卜卜卜州州州州州州州州州州州州州州区玉巫 运画卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜俘俘,英寸显示剑剑剑剑以洲匕器器【又图硬件支撑结构硬件支撑在年 多以前,我们曾经 有建立的想法,但直到最近才提 出这个概念。因为邢需要硬件来支持,需要超大规模的机网络,因为第一,机价格便宜,比专用芯片便宜很多,便于推广和使用第二,这样一个超大规模的机 网络最近已由清华大一一结束语这里提 出的邢与已有 的、是不抵触的,且前者包括后者。现有的可以看作是初级阶段的邢,正像高射炮的功能溶人了地一空导弹之 中那样。飞是逐步发展而且是“步步可用”的。以数字地球举例说明,这是个巨大的软件工程。不能说它哪一天建成,
20、它是在不断的建立过程 中不断地被人们利用 的。如果人类最关心的是环境,那就首先在数字地球上建立环境污染的数据库又如人们关心厄尔尼诺现象,就可以在沿海国家建立海水监测,从数字地球上了解海水温度变化和厄尔尼诺的关系及厄尔尼诺与全球气象的关系。还可进一步建立全世界 的森林、资源、人口、宗教等,一步一步地加以丰富扩展。我们的也是不断地建成、不断地被利用的。处于初级阶段 的不是也在使用吗在没有建立以前的不是也被使用吗要一步一步地 由简到全,步步可用。阶段成果的可用性与推广有重大意义。阶段性成果如果可以应用,可能能够获得更多的支持。作为的第一步,要建立实时仿真系统。这个“实时”包括 电磁暂态、机电暂态及稳态运行。希望中国各个大学、研究所、企业单位的科技人员及 国际同行一起来完成这个伟大的工程。责任编辑叶雷