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1、试验研究电力系统安全稳定控制的分析与展望李宝兴,全宇文?,任敏哲“?!铜川供电局,陕西铜川?#?!渭河发电有限公司,陕西咸阳?#%&!西安高压供电局,陕西 西安#?(摘要电力系统在大扰动下一旦失去稳定,往往造成大范围、较长时 间停电,重 则 可能使电力系统崩溃和瓦解。因此,研究和 实施相应 的安全稳定控制措施,不但可以提高系统运行的 可靠性,而且 可以因传输能力的提高而产生直接经济效益。本文分析了当前电力系统安全稳定控制的类型和措施,介绍了国内外安全稳定控制的现状及相关技术的发展,对电力系统 安全稳定控制的发展作出几点展望。关键词电力系统安全稳定控制电网结构运行方 式中图分类号)+?文献标识码
2、),文章编号)#%一%&?#&(#&一#一#概述随着电力工业的发展,电力系统的规模不断扩大,电网结构日益复杂,单机容量进一步提高。与此 同时,由于受到环境和经济等因素的制约,区域间联网 和远距离大容量输电系统的不断出现,系统运行更加接近极限状态,这使得电力系统暂态稳定问题日趋严重。电力系统一旦失去稳定,往往造成大范围、较长时间停电,重则可能使电力系统崩溃和瓦解。另外,由于 电力市场的启动和实施,系统的运行方式和运行工况更加灵活多变,这就使得电力系统暂态稳定问题变得更为复杂。在上述情况下,研究和实施相应的安全稳定控制措施,不但可以提高系统运行的可靠性,而且可以因传输能力的提高而产生直接经济效益。
3、利用电力系统的控制技术改善电力系统的稳定性和安全性是最经济和最有效的措施之一。因此,电力系统稳定性控制的研究一直是电力系统的重点研究方向。而提高电力系统安全稳定的措施主要有两方面)(加强建设和合理安排电网结构?(采用较完善的安全稳定控制措施。前者投资较大,但能可靠地在各种条件下提高安全性后者所需资金较少,但可信赖程度稍差川。合理的电网结构和保证安全稳定运行的技术措施应该相互协调配合,并应同步设计、同步建设,以提高电网的安全稳定水平。针对我国电网建设落后于 电源建设,网架相对薄弱,部分发电厂 出现“窝电”局面,合理地配置安全稳定控制系统,对提高我 国现有网络的输电能力和电网运行的安全稳定性意义重
4、大。?电力系统安全稳定控制的类型与措施?!安全稳定控制的类型电力系统安全稳定控制按其起作用 的时机分为预防控制、紧急控制和恢复控制三种,分别对应于故障前的平衡状态,故障发生后的暂态过程和供电中断后的恢复过程,?。而按其信息采集、传递和控制决策方式的不同主要有以下几种安全稳定控制模式田。?.(就地控制模式。就地型稳定控制装置单独安装在各个厂站,相互之间不交换信息,只能根据就地信息进行判别和切换,解决本厂站母线、主变或出线故障时出现的问题。?(集中控制模式。这种控制系统拥有独立的通信系统和数据采集系统,控制中心设在调度中心,实时检测系统的运行状态,并根据系统 的状态改变故障情况、制定控制策略表并发
5、出控制命令,实施全系统的稳定控制。?(区域控制模式。区域型稳定控制系统是为解决一个区域电网的稳定问题而安装在?个以上厂站的稳定控制装置,经通道和通信接口设备联系在一起组西北电力技术&/?#&0?启卜+厄1 2州.卜执34日56 7582936卜幻!&?#&必成稳定控制系统,站间相互交换运行信息、传送控制命令,在较大范围内实现稳定控制。对于 电力系统的紧急控制系统,其实现方法主要有以下三种川)?.(离线预想计算,实时匹配。目前,这种控制方案在国内外被广泛采用。它由控制装置实时检测当前的运行工况 和故障,然后从由工况和故障组成的二维表中查找控制措施并执行。其控制决策表是离线预先准备的。由于系统运行
6、的工况是高维可变的,要考虑故障和工况 的所有组合是不可能的。实际上往往将工况分档,只考虑典型工况。这样,实际运行时,可能出现工况失配问题。当电力系统发生重大变化时,必须重新计算决策表,自适应能力很差,对处于发展变化的电力系统来说,这种重复计算的工作量是相当巨大的。?(在线预想计算,实时匹配。这种方案不是按预想工况,而是按实际工况来制作决策表,并假定工况在几分钟之内不会变化,避免了工况的失配问题,并能够 自动适应系统的发展变化。该方案对决策分析软件的要求很高,要求其在尽可能短的时间内作出决定。日本在这方面已取得一定的成功,由东芝为53852开发的 15系统川,采用故障扫描、并行处理技术,每&:;
7、?,它按实时采集的信息和检测的故障,实时判断系统的稳定性。如果不稳定则作出控制决策并执行,这 一切都要在很短 的时间内完成。该方案对算法的要求极高,在实用中有很大的困难。?!?提高安全稳定的控制措施电力系统稳定破坏 的主要原因是由于系统 内有功功率或无功功率的平衡状态受到不可恢复的破坏。维持电网稳定的控制措施就是针对这个机理而进行的。控制有功功率的稳定措施如切除发电机、切除负荷、汽/水轮机 快关汽/水门、电阻动态制动?电气制动(、备用 电源自动投入、超导贮能等,这些措施用于平衡输电线路两端功率,抑制系统过渡过程中的功率振荡控制无功功率的稳定措施主要有发电机励磁 附加稳定控制?如电力系统稳定器、
8、线性最优励磁控制器、非线性励磁控制器等(、输电系统中的静止无功调节设备等,这些措施通常用于提高同步功率和抑制系统振荡及维持电压稳定等。另外还有快速切除故障元件、正确选用重合闸方式和重合闸时间、串联电容补偿、高压直流输电线的功率快速调制、快速投切并联 电抗器以及一些新型的,51设备 等,在以上这些措施不能挽救系统时,采用有控制的系统解列。目前发电机励磁附加稳定控制、切除发电机、切除负荷、汽轮机快关汽门、电气制动、系统解列是较广泛采用的稳定措施。对这些稳定措施简介如下)?(发电机励磁附加稳定控制。由电力系统功率极限的简单表达式尸:一3/可知,减小发电机的电抗,可以提高电力系统功率极限和输送能力,再
9、由发电机的相对加速度一。,八先/兀可知,增大?,可以减小加速度,从而减小发电机受扰动后转子相对 动能的变化量,有利于提高暂态稳定性。但是,减小发电机的电抗和增大发电机的惯性常数,需要增加材料消耗,增大电机尺寸和重量,这不是经济合理的办法。而通过改善发电机励磁调节系统的特性来改善发电机的特性,对提高电力系统功率极 限 和扩 大稳定运行范围则有 良好的作用,而且经济性好。因此,现代电力系统的发电机都装有自动励磁调节装置。?(汽轮机快关汽 门。电力系统受到大扰动后,发电机因轴上出现的不平衡功率使发电机产生剧烈相对运动,破坏系统稳定运行。如果原动机的调节很灵敏,使原动机的功率变化跟上发电机的电磁功率变
10、化,则轴上的不平衡功率便可大大减小,从而防止暂态稳定破坏。为了减小故障后发电机组的输人功率,以消除其与输出功率间的不平衡,对于中间再热式汽轮机组可以采用汽轮发电机快速调节汽门与发电机功角检测装置和微机控制组成的高速系统,根据发电机功角变化的情况,交替关、开快速汽门,以缩短振荡时间,提高暂态稳定。?(切除发 电机。切机作为提高电力系统暂态稳定性的控制措施已经有多年的研究历史并得到了实际应用。当电力系统在短路故障或输电线路断开后,为不使发电机加速而失去稳定性,可以迅速切除部分送端发电机组,采用切机措施时还应考虑全系统的功率供需平衡问题。在送、受端系统的容量可 比时,还应考虑受端系统有充分的备用出力
11、,以满足负荷的需要,或者考虑在受端系统切除部分负荷的措施。目前,一般应用 固定逻辑,通过查阅表或在线估算等方法来决定切机控制规律,包括是否需要切机以及切哪几 台机口?(电气制动。由于水电厂调节阀门及水流的惯!西北电力技术&/?#&卜幻日下日四任1丁5卜 0价三 匕任56 5 勺93闷卜 幻!&?#&试验研究性较大,所以许多大型水电厂都把电气制动?或称动态电阻制动(作为一种提高暂态稳定性 的重要措施。如果应用适当的制动电阻以及控制其投人和切除的时间,可以消除发电机在暂态过程中的功率不平衡问题。制动电阻投人越早,提高稳定性效果越好,而当发电机在第一振荡周期达最大角度时,应使制动电阻切除,太长的电气
12、制动会使发电机回摆后在减速方向失去稳定。以往用高压开关进行投切的电气制动装置,由于受到开关固有的惯性、机械摩擦、灭弧时间等一系列因素的限制,不能准确、及时、灵活地投切制动电阻,从而限制了制动的作用。随着电力电子技术的发展,把晶闸管用于控制电气制动,可以准确地控制制动电阻 的投切时间,甚至用简单的相控方法就可以精确地控制制动功率,而且投切的次数不受限制。随着计算机和远动技术的飞速发展,不仅在送端发电机处发生短路时可以采用微机检测控制的电气制动,而且在受端的微机对发生故障后的系统状态进行检测、综合分析后,也可以通过远动装置来控制送端电气制动的投切,以保持暂态稳定。?&(切除负荷。电力系统的负荷是经
13、常变化的,为确保功率传输质量,有必要依靠系统频率对负荷进行控制。而且,电力系统在损失一定电源 后也往往需要切除部分负荷来保持系统的稳定性,目前系统 中切负荷时间的整定原则是,当系统损失一定量的电源 后立即启动切负荷装置,考虑到通道的传输时间以及装置的延时等因素,切负荷时间 约为#!&。有时,系统虽然是暂态稳定的,某些联络线上的功率在后续摇摆中却超过了限制,这时也需要切一定量 的负荷以减小系统的后续摇摆,提高系统的动态稳定性。?(柔性交流输电系统控制?,51(。,51用于描述基于大功率电力电子器件的控制器。依靠这样的控制器,可以补偿系统的无功、提高电网的功率传输能力,并使系统潮流更可控,即,使直
14、接影响交流功率传输的个主要参数?电压、相角、阻抗(按系统的需要迅速调整。,5 1设备涵盖了静止无功补偿器?15(、可控硅控制的串联补偿器?515(、新型静止无功发生器?,1或1,52+(、可控硅制动电阻?5 6(、可控硅控制的移相器?581(、统一潮流控制器?85(以及高压直流输电?7兀(等。?(快速切除故障的继电保护装置及自动重合闸装置。继 电保护装置能否快速切除故障,对提高电力系统稳定性起着决定性的作用。因为故障切除时间越短,故障期间所积累起来的冲击能量越小,故障后的系统越容易趋于稳定。对于瞬间短路故障,采用自动重合闸装置对暂态稳定和事故后的静态稳定,都有很好的作用。由等面积定则理论可知,
15、采用自动重合闸可以增加减速面积,即可以吸收更多的冲击动能,因而有利于系统的稳定。?%(电力系统的失步解列装置。电力系统长期的运行实践证实,不管对系统稳定性的要求如何严格,措施如何完善,总可能因一些事先不可预料的偶然因素叠加,产生稳定破坏事故,如果处理不好,其后果是电力系统的长期大面积停电。通 常,将“失步解列”控制作为稳定控制的后备,是减轻失步造成的后果和防止系统大面积停电的重要措施=#。国内外安 全稳定控制的现状及相关技术的发展目前,国内外安全稳定控制措施的制定和决策惟一实用的方法就是)离线预决策,实时匹 配。如日本东北电力公司的 1 85系统,华北神头地区的区域性安全稳定控制系统,南京 自
16、动化研究所与东北电管局联合开发的辽西 电网稳定控制系统,南京自动化研究所与福建省中心调度所联合研制的94 一 型微机联切控制系统。这些控制措施都是通过大量离线仿真计算得到的,难以适应多种运行方式及不同的故障类型和位置。针对东北电力 系统铁岭电厂 的实际情况,由西安交通大学、东北电管局 调度中心、东北电力设计院、阿城电站设备 自动化研究所联合研制了一套 9,9一 型安全稳定控制装置巨“,川,该装置集静态稳定判断、暂态稳定预测和实时控制为一体,对可等值为单机无穷大母线的发 电厂 的局部稳定性控制能起到良好的作用。世界上第一套用 于多机系统的基于详细数学模型进行在线暂态稳定计算的安全稳定控制系统,已
17、在日本5 电力公司投人运行阁。该系统首先用简化模型和减速功率指标按预想事故集对系统进行在线动态安全分析,筛选出不稳定的预想事故,然后用详细模型进行暂态稳定切机控制计算。薛禹胜院士提出的暂态稳定控制新框架即在线准时川,是基于33,5法 和专家系统,将预想事故作为西北电力技术&/?#&卜尸丁日、四任1下?(卜消3435丁 6 758293 6卜文)!&?#&份试验研究使用决策表的惟一人口,每&:;刷新一次决策表,以跟踪实时状态下的故障前的运行工况。目前这种装置已应用于东北电网 和浙江台州电厂。总之,现有的安全稳定紧急控制系统利用局部信息、采取事故预想策略对付可能的常见事故,难以抵御概率很低、损失巨
18、大的灾难性事故现有的稳定性预测与紧急控制策略是根据仿真计算结果得到的,依赖于系统的模型和网络参数,而 系统的模型和参数又是不准确的,因此缺乏适应性强、预测速度快、控制效率高、可靠性好的紧急控制系统现有 的互 联系统的解列?点(面是固定设置的,不能适应失稳模式的变化,难以起到缩小停电范围、避免事故扩大的作用。另外,我国西电东送和全国联网所致的巨型电力系统 的出现,将对传统的紧急控制理论和装置带来了前所未有的挑战。随着社会经济和科学技术的飞速发展,一些相关领域的技术也将会给电力系统的安全稳定控制带来新的发展空间。通信技术的进步使得电力系统载波、微波、卫星、光纤等多种通信方式的可靠性大大提高。对安全
19、稳定控制来说,通信更是至关重要,全网的数据采集、控制决策的分配 和执行都要求非常可靠的通信。目前,电力系统的通信水平已能满足这一要求。随着电力电子器件和超导技术 的发展,一些新型的,5 1设备的应用 和研究,为快速控制系统间的潮流提供了条件,也为电力系统暂态稳定控制或改善系统的阻尼提供了新的手段。近十几年来发展起来的并行处理技术可以为电力系统的紧急控制提供更好的技术支持。信息技术的发展使得广域同步信息的获得不再困难,特别是基 于全球定 位系统?81(的同步相量测量装置8+在电力系统中的成功应用,使得构建实时的稳定控制系统成为可能。合考虑稳定运行要求的区域暂态稳定控制装置,然后用中央控制装置收集
20、和处理涉及 全系统的综 合性信息,以便对各区域控制装置的工作进行协调与优化。?(基于实际的多机系统模型,考虑到电力系统网络参数、系统运行点和运行方式的不断变化以及各种故障的影响,应用非线性。控制理论和 现代控制理论的结果和方法如4;:,2:,+0;!;!.80 0;1;.;5:?151:(2一.;1;.;5.;!7333 0 ;:,?()一?!=杨克瑛,朱万国!东北电 网在线暂态安全分析一33,5在东 北电 网中的应用=!东北 电力技术,&,?()一&!?下转第页(必西北电力技 术&/?#&卜归丁日刀31?(一卜运任4压 565尸29360幻!&?#&用性。?(管理手段齐全。实现遥功能)遥测?
21、模拟量采集(、遥信?状态量采集(、遥控?状态量输出(、遥调?简易控制功能(,增加必要的摄像器材可实现遥视?图像监视(功能,为无人值守创造条件。理、网管系统的软件、管理数据库、网管核心模块、通信调度应用平台包括系统运行监视、运行管挥、设备操作、图形调用、数据查询等功能。结束语汉中电力通信网管系统建设方案?(网络设计。通信网络管理 中心是整个通信网管理系统的核心组成部分,网管系统一般只注重网络某些部分?如通信设备(的管理,其主要原因是通信网管系统在发展初期一般依赖于通信设备生产厂商。真正的网络管理系统应包括以下各个层次)网元数据采集层、网元管理层、网络管理层服务管理层、业务管理层。网络管理系统应当
22、是全网络的,对于 面向用户服务的规模较大的通信网络,管理的重点应放在网络、服务、业务等层次的管理上。?(系统功能。一个完善的网络管理系统应具备如下功能)故障管理、性能管理、配置管理、安全管理。?(系统结构。为了保证网管系统能较好适应 电力通信网的特点,满足电力通信网的管理要求,网管系统应能兼容多机种、多种操作系统应能设计成冗余结构保证系统可靠性应能充分考虑系统分期建设的要求,充分考虑不同档次的网管系统的需求。网管系统可采用.8级 的网络实现系统 中各硬件平台之间的互联,利用现有的各种管理数据网络的路由,组织四通八达的网管系统网络。数据服务器、网管工作站、协议适配器、前置机代电力通信网络管理系统
23、的开发与应用起步比较迟,相对于公用网 和其他一些专用网都落后 了一步。随着通信及计算机网络技术的发展以及网络相关标准的逐步形成,电力通信网中未见真正的规模比较大的网络管理系统,过去通信监控系统在技术标准、实现手段方面的限制正在逐步消除,通信网监控系统进人 了不断开发完善和实践应用阶段,汉 中供电局正是顺应这种趋势,朝着实现通信网络管理系统做了一些有益的尝试。今后将在逐步完善现有系统的基础上,增加,+网络设备、以太网设备、会议电视系统的管理进一步拓展综合管理功能完善通信站数字视频监视功能完善各分站网络管理功能,将网络系统应用到每个通信站实现通信站无人值班,进一步提高通信现代化管理水平。参考文献
24、实时网络在电网监控系统中的应用!=?卢苇,黄锐!严滨宇!基于1+8的网络管理系统的设计与实现!计算机应用与研究,?#?,?()#一!收稿日期)?#&一#一?#?责任编辑徐钊愈(一卜一州卜一卜加一卜的州卜州卜!刊卜一卜”月一一十神一!叫卜,刊巨!州卜一!州卜!刊卜,一卜目斗一卜一刊卜一卜钾闷一阮一卜一刊卜!州卜翻一一十!州卜叫卜”一卜刊卜,斗州卜一卜!州卜,卜!州卜卜一州卜叫卜!州卜叫卜一礴一一卜!州卜一卜一州卜?上接第花页(=61,4;59,;4,+9;:;0!80;0;00;36;.3 3.6:;.50.2;6.一;:!7 3330 ;:,&,#?(!=%2?;:,!2一.;+.;03.0
25、5:!7,5/56 31:;:5 0 8_08.,;?;5;,%!=袁季修!电力系统安全稳定控制+!北京)中=?口国电力出版社,!张保会,阎海山,钱国明,陶家琪,王钢!发电厂安全稳定紧急控制装置的研制一原理及算法口!电力 自动化设备,?()一!张保会,钱国 明,阎海山,陶家琪,王钢!发电厂安全稳定紧急控制装置的研制一装置及实验=!电力自动化设备,?#,?#?.()?一?!薛禹胜!电力系统暂态稳定安全分析的新算法=5!关于33,5算法的论文集,南京)电力自动化研究院,!?门!土厂#收稿日期%&!一!(一)!责任编辑徐钊愈+西北电力技 术,&!卜启丁日叭厄丁.月?/01#12丁3?2日 刀134
26、灾+5&!勿飞藻6叨踞7 831 103 29:时;5?0亡?时于啤5如如:回=如记皿仁碑珍#?由,#?=:?1 叨 +0加吐邝?9:一了=:=:角嗜亡=?=4=44?=?=:=:?=?哪,尽=4 5;:=一=?4=23+:=如=:=44?犯”:毋=:,:=44?中:4=:=:巾司=:=?=,=卿4:=4=?=:4 4=?=4=:,:=:?:=4=:=4=昭/珍妇直划:咖4=:阮=:=二,?:“=,娜=时;=4:=:叩 4一=;50=4?:=1 1:4?:=卜场自。已?=哪:=4 ,=44?=?5:4。=4:盯:=。:4怜记,。?:=?=:=4 =。?,:。帅=耐场 即,=。?决4=:=:二0
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