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1、电力系统紧急控制电力系统紧急控制第一部分：设计准则和系统框架第一部分：设计准则和系统框架电力系统紧急控制培训课件第1页0 引言引言 电力工业目标是满足用电需求，并尽可能降低电力工业目标是满足用电需求，并尽可能降低价格和确保电能质量价格和确保电能质量。为了到达这个目标，系统需要一定备用容量。备用容量多少取决于各个系统主要特征和事故假设所决定优化程度。在水、火电各占二分之一系统中，备用容量应为装机容量2530%。所以，当代电力工业主当代电力工业主要特征是发展大型互联电力系统要特征是发展大型互联电力系统。它能够降低它能够降低备用容量，相互进行功率支援，以最有效方式备用容量，相互进行功率支援，以最有效
2、方式利用经济能源，从而提升系统可靠性和经济性利用经济能源，从而提升系统可靠性和经济性11。然而，互联电网缺点是，因为对事故连锁反应，可能出现大面积停电2，3。电力系统紧急控制培训课件第2页 1996年7月2日和8月10日美国西部大停电事故关键特征是，解列一条线路后，其余线路被迫负担被解列线路负荷，而已失去一条线路网络深入过载，从而引发连锁反应和造成系统瓦解。经验表明，大多数这么灾难性事故是因为对紧急控制缺乏应有重视。预计发生这种事故几率还将增加。伴随电力市场发展，电力系统重构和解除管制，在主网基础上建立起来当代互联网在区域之间传输功率将日益增加。这种需求深入增加了电力传输系统压力。最显著处理方
3、法是新建输电线。不过新建线路投资高、除峰荷外利用率低，从环境保护角度也对线路走廊提出了限制，所以新建线路方案是缺乏吸引力。在这种情况下，互联电网可靠性只有借助于发展紧急控制系统来给予确保4，5。电力系统紧急控制培训课件第3页 与当代电力系统可靠性相关问题很多而且非常复杂。这就必须搞清有哪些主要问题和需要什么新控制功效来确保当前系统可靠性。本文将较系统地综述与电电力系统紧急控制相关问题：紧急控制定力系统紧急控制相关问题：紧急控制定义及其主要目标、已经有紧急控制办法、义及其主要目标、已经有紧急控制办法、集中紧急控制系统框架和设计准则。集中紧急控制系统框架和设计准则。而在相关另一篇文章中深入阐述相关
4、紧急控制理论研究和未来发展趋势6。电力系统紧急控制培训课件第4页2电力系统运行状态和稳定性电力系统运行状态和稳定性 电力系统运行条件普通可用三组方程式来描述：一组微分方程式用来描述电力系统元件及其控制设备动态行为；另两组代数方程式则分别组成电力系统运行等式和不等式约束条件。等式约束表示系统总发电量和总负荷量平衡；不等式约束表示一些系统变量，如电压和电流，不得超出物理设备最大极限。依据这些约束条件是否满足，系统运行分为5个状态，如图1所表示7，13，14。电力系统紧急控制培训课件第5页电力系统紧急控制培训课件第6页 在正常运行状态正常运行状态下，全部等式和不等式约束条件都满足，表明发电和负荷平衡
5、，没有设备过载，有足够备用贮备使系统能承受一定干扰而保持在适当安全水平。当扰动概率增加，使系统安全水平逐步降低而进入警戒状态警戒状态。此时，即使全部约束条件依然满足，不过备用贮备降低，一些干扰可能造成不等式约束破坏（如设备过载），使系统安全受到威胁。在这种状态下，应采取预防控制使系统恢复到正常状态。电力系统紧急控制培训课件第7页 在采取预防控制之前，假如发生足够严重干扰，系统就进入紧急状态紧急状态。此时，不等式约束被破坏，系统安全水平为零。不过，系统依然完整，应开启紧急控制使系统最少恢复到警戒状态。假如紧急控制办法未及时采取或失效，系统将解列和进入极端紧急状态极端紧急状态。在极端紧急状态中，等
6、式和不等式约束都被破坏，系统不再完整，系统大部分负荷丧失。紧急控制作用应尽可能多地挽救解列后子系统，以防止整个系统完全瓦解。一旦瓦解停顿，假如仍有设备运行在额定容量之内，或一些设备紧跟瓦解而重新开启，则系统可能进入恢复状态恢复状态。采取恢复控制办法，重新带上全部失去负荷和连接系统，系统可能过渡到警戒状态或正常状态则视情况而定。电力系统紧急控制培训课件第8页为了确保系统可靠性，首先要对系统稳定性，即受到扰动后回到正常或靠近正常运行条件，进行详细研究。通常按扰动性质将稳定性进行分类8：(1)静静态态稳稳定定或或小小干干扰扰稳稳定定性性：因为负荷和发电动力学性质，电力系统中任何一个地方相对小扰动所引
7、发转子摇摆能够恢复。为了维持静态稳定性，必须严格约束运行参数主要是电压水平和时尚。(2)暂态稳定性暂态稳定性：系统遭受严重暂态扰动，如输电线故障、切除发电机或大负荷，引发发电机转子角、母线电压和其它系统变量大幅度波动，而能够维持同时运行能力。假如系统暂态稳定性比较脆弱，就要考虑附加调整伎俩：多个发电机作用，或附加运行约束。电力系统紧急控制培训课件第9页对电力系统紧急控制而言，即使在各种特定条件下产生紧急条件扰动性质可能有极大不一样，但主要原因主要原因以下：l电力系统元件（线路、变压器、母线、发电机）短路；l将故障元件与主网隔离；因为运行员错误，或因为继电保护或其自动化设备误动，将无故障元件解列
8、；n互联电网各区域中有功平衡破坏；n系统解列后形成有功或无功缺乏或过剩孤岛。电力系统紧急控制培训课件第10页 值得指出是，从上述紧急状态定义及其产生原因能够看出，紧急控制即使与暂态稳定亲密相关，但不但仅只是考虑暂态稳定问题，而应该从整个系统要求出发。对于系统紧急状态来说，个别电机不稳定性既不是必要条件，也不是充分条件。系统演变到紧急状态，可能不会直接威胁个别电机连续同时运行；危及个别电机连续稳定运行扰动可能（但不需要）出现在系统紧急状态出现之前或演变过程中。预防某台发预防某台发电机失步或预防某个元件损坏当地控制作用甚电机失步或预防某个元件损坏当地控制作用甚至可能恶化整个系统性能。至可能恶化整个
9、系统性能。电力系统紧急控制培训课件第11页 比如，1996年7月2日和8月10日美国西部大停电事故中，系统进入紧急状态都没有经历暂态稳定问题。换言之，这种当地紧急控制作用后果是，使主要联络线或干线以故障前最小静态稳定裕度运行，大多数情况下会深入加载，从而超出故障后功角特征最大幅值。按照CIGRE和IEEE提出术语，这种情况称之为“条件条件稳定性稳定性”4。电力系统紧急控制培训课件第12页另外，电力系统紧急状态出现不但表现在发电和输电设备极限破坏上，而且表现在基本变量频率和电压极限破坏上。在电源开断或负荷突然增大时，因为电源和负荷间功率严重不平衡，会引发系统频率突然大幅度下降。假如系统备用容量不
10、足和不及时采取办法，将使频率深入下降，而产生频频率率瓦瓦解解，造成全系统瓦解。因为无功电源不足或无功电源突然切除时，当负荷（尤其是无功负荷）逐步增加到一定程度时，有可能使电压大幅度下降，以致发生电电压压瓦瓦解解现象7。电力系统紧急控制培训课件第13页 所以，按照文件8所述，紧急控制定义紧急控制定义是，当系统遭受一个事件扰动后，部分是，当系统遭受一个事件扰动后，部分或整个系统现有容量暂时不再能充分满或整个系统现有容量暂时不再能充分满足负荷需求时，使系统能够维持和恢复足负荷需求时，使系统能够维持和恢复到可行运行状态、而且不会出现不可忍到可行运行状态、而且不会出现不可忍受过载或不正常频率或电压所采取
11、办法受过载或不正常频率或电压所采取办法和过程。和过程。电力系统紧急控制培训课件第14页2紧急控制系统设计准则和框架紧急控制系统设计准则和框架 经典地和广泛地采取“紧急控制”都是当地控制，主要是预防单台发电机（个别情况是对发电机群）失去暂态稳定性。IEEE工作组汇报10对已经有稳定控制方法作了较全方面综述：电力系统紧急控制培训课件第15页l继电保护（单相或三相、重合闸或无重合闸）；l电阻制动；l快关汽门（短暂减功率和连续减功率）；l励磁控制；l串联和并联赔偿装置投切；l发电机解列；l直流联络线调整；l 低周减载。电力系统紧急控制培训课件第16页 当前，北美、欧洲和日本预防控制大多是针对单条线途经
12、载或单个事件作出反应。经验证实，在大多数情况下，仅仅经验证实，在大多数情况下，仅仅采取一个控制办法对于大型互联电网是采取一个控制办法对于大型互联电网是不可接收。不可接收。96年美国西部大停电事故表明，必须从整体考虑系统可靠性，而不能仅从当地控制或单个控制办法分别来考虑。互联电网紧急控制主要目标是将互联电网紧急控制主要目标是将紧急状态局部化和防止故障扩展到相邻紧急状态局部化和防止故障扩展到相邻区域。这就需要综合和协调各种控制办区域。这就需要综合和协调各种控制办法，形成一个集中和分层协调紧急控制法，形成一个集中和分层协调紧急控制系统系统2。电力系统紧急控制培训课件第17页 在这方面，俄罗斯取得了丰
13、富经验和成功。前苏联在发展电力系统过程中关键策略是节约投资，所以系统输电容量非常担心。为了确保系统可靠运行，前苏联工程师开发了先进集中紧急预防自动控制（CEPAC）系统，并一直不停改进和完善。CEPAC系统框架如图2所表示，该系统共分四层：电力系统紧急控制培训课件第18页第一层：紧急控制区域内当地控制设备；在紧急状态期间，这些设备直接动作；第二层：一个紧急控制区域内集中控制；这一层确定了第一层设备在故障前条件下调整；第三层：对第二层控制进行协调；当区域间发生紧急状态时，如有必要，则经过第二层对第一层当地紧急控制设备进行调整；第四层：（俄罗斯联合电力系统层）：对第三层进行协调。当发生区域间故障时
14、，如有必要，则经过第二层和第三层对第一层当地紧急控制设备进行调整。电力系统紧急控制培训课件第19页图2 集中紧急预防自动控制（CEPAC）系统框架电力系统紧急控制培训课件第20页CEPAC系统选择控制作用是基于它们对电力系统综综合合效效果果，其目标是利用当前系统中全部紧急预防控制伎俩来确保整个电力系统稳定运行。在CEPAC系统中，紧急预防控制基础紧急预防控制基础是：l在线计算静态和暂态稳定；l确保可靠运行所需要控制作用；l 假如机组或线路切除造成线途经载（超出静稳、暂稳或热极限），控制系统就开启所设计控制动作来预防系统瓦解。电力系统紧急控制培训课件第21页CEPAC系统硬件实现包含计算机、通信
15、和控制通道、数据采集系统。由专门控制器和当地自动控制系统一设置控制作用。如图3所表示。CEPAC系统包含了各种自动化方案：n自动电压调整器（预防控制）；n自动时尚限制（预防控制）；n继电保护（保护控制），第一道防线；n稳定控制方案（校正控制），第二道防线；n失步保护（保护控制），第三道防线；n低周减载（保护控制），第四道防线；n发电机开启和加载（校正控制），第四道防线。电力系统紧急控制培训课件第22页图3集中紧急预防自动控制系统（CEPAC）电力系统紧急控制培训课件第23页 最终当切机和甩负荷之后，还不能恢复稳定性，则将系统分片解列。按照主电网和超级电网安全要求：这些电网因为故障引发年停电时间
16、不得超出56系统分钟，而且多年不会发生系统瓦解。俄罗斯CEPAC系统是当前世界上最先进集中紧急预防自动控制系统，多年来都能相对可靠地运行，莫斯科最终一次大面积停电事故发生在1948年12月18日。在1997年，俄罗斯全国停电总量仅为总发电量0.014%电力系统紧急控制培训课件第24页 另外加拿大魁北克水电管理局（Hydro-Quebec）为了提升输电系统可靠性，主要是提升系统承受极端偶然事故（通常由多重事件或输电线相继跳闸引发）能力，于1990年开启了一个对付极端偶然事故防卫计划对付极端偶然事故防卫计划。该计划总费用为13亿美元，占总输电系统资产1%少一点，已于1998年投运11。新输电系统设
17、计准则反应了东北电力协调委员会（NPCC）更高可靠性要求12，考虑了魁北克水电系统特征，从而包含了魁北克水电系统附加要求。满足新设计满足新设计准则处理方案中最吸引人之处是加上了串联赔准则处理方案中最吸引人之处是加上了串联赔偿、并联电抗器和专门保护系统偿、并联电抗器和专门保护系统。新设计遵照两个基本出发点：两个基本出发点：电力系统紧急控制培训课件第25页(1)系统不会中止服务或无须借助于专门保护系统就能对付通常偶然事故（指多半最可能出现事故）；(2)在极端偶然事故条件下，系统必须有办法来防止出现系统范围瓦解 所以，魁北克防卫系统目标是，使用简单、可魁北克防卫系统目标是，使用简单、可靠和安全自动化
18、办法来保持电力系统完整性，靠和安全自动化办法来保持电力系统完整性，并在最大可能范围和和程度上来御防一切可能并在最大可能范围和和程度上来御防一切可能极端偶然事故极端偶然事故。为了能在极端偶然事故后保持系统完整性要求所施加控制作用既快而且是集群。为此，魁北克采取了专门保护系统和确定采取了专门保护系统和确定了大量设计标准了大量设计标准。电力系统紧急控制培训课件第26页基中，最主要设计标准最主要设计标准以下：1.专门保护系统非期望动作不影响系统安全。在任何情况下，控制作用容量不超出魁北克系统中最大发电站容量（或5300MW）；2.尽可能限制采取直接影响系统连续服务办法。不过允许系统行为恶化最好是切掉负
19、荷一部分，而不是切掉负荷全部。遥切负荷必须最小化和取得高安全水平；3.因为存在大量可能极端偶然事故，最好是检测事故对系统造成后果，而不是检验事故本身。在制订反办法时，必须最大可能地利用当地变量测量和完成当地控制作用；电力系统紧急控制培训课件第27页4.整个防卫计划必须简单。为此，在一个变电站内可能出现各种极端偶然事故应该分为数量有限类别。对某类事故校正办法选择按该类中最严重事故函数来进行。换言之，在选择和确定待执行作用容量时，简单性是非常奏效。在文件11表1中列举了魁北克系统中几乎全部可能极端事故，它们也可能出现在其它电力系统中。这些事故能够粗略地分为两类：电力系统紧急控制培训课件第28页(1
20、)主要影响系统输送容量极端事故（比如，失去一条重载735kV线路），普通表现为暂态或动态稳定现象或快速电压稳定现象；(2)主要影响发电/负荷平衡极端事故（比如，失去一个负荷变电站），普通表现为高周波、低周波、长久电压或稳定现象。所以魁北克防卫系统采取了处理极端事故条件下全部这些系统行为方式自动化办法。电力系统紧急控制培训课件第29页 在开发魁北克、防卫系统过程中，碰到主要问主要问题之一就是怎样确保所采取各种控制办法协调。题之一就是怎样确保所采取各种控制办法协调。在可能出现各种情况和系统行为给定后，必须清楚地确定每种控制办法所要完成任务。从而在出现复杂极端事故期间，包括到大量控制办法而不需要进行
21、外部协调。每个控制系统必须能够按照自己需要御防事故函数进行动作，而且这些动作结合能够保持电力系统稳定性。对电力系统稳定性和行为进行全方面彻底研究之后，就有可能使全部控制办法克服它不足，而含有足够灵活性。电力系统紧急控制培训课件第30页在魁北克防卫系统中采取了以下自动控制办法：(1)低周减载（UFLS）系统，分布在约150个配电变电站；(2)735kV并联电抗器自动投切（MAIS）系统安装在22个735kV变电站；(3)低压切负荷（UVLS）系统；(4)发电减载和遥切负荷系统（RPTC），覆盖了15个735 kV变电站中极端事故处理。电力系统紧急控制培训课件第31页该防卫系统增加了自动化干预，共
22、分为三层：l第一层是发电减载（限制到1400MW）并与735kV并联电抗器跳闸相结合，使系统可能保持稳定性，并不影响连续服务；l第二层检测极端事故对系统影响。在非常大范围（最少二分之一735kV变电站）出现极端事故时，用自动投切735kV并联电抗器、低压减载和低周减载来保持系统稳定性。在这一层干预下，不可防止地失去一些负荷，但损失是有限；l第三层需要直接检测极端事故。在检测到事故后，必须快速和集群地进行发电减载和遥切负荷。这时，负荷损失将很大，不过它是防止整个系统瓦解唯一路径。在表1中列出了在各种极端事故条件下每种控制办法可能操作及其所起作用。电力系统紧急控制培训课件第32页极端事故MALSU
23、VLSVFLSRPTC合闸跳闸有限GRGR和RLSRTS第一层有限动作失去两条串联或并联735kV线路*AC-DC事件：失去一条直流双极线路和一条735kV线路*第二层采取补救型专门保护系统失去一个发电站或一台机组*主要负荷中心突然失去负荷*专门保护系统非期望动作*第三层采取集群作用专门保护系统在同一线路走廊中失去一条或两条线路，而且余下全部串联电容器旁路*在一条线路走廊中失去全部735kV线路*失去从一个变电站辐射出全部735kV线路*表1 在各种极端事故条件下可能自动化控制动作电力系统紧急控制培训课件第33页3结论结论本文阐述了电力系统紧急控制定义及其主要目标。尤其强调是，紧急控制不但是处
24、理暂态稳定问题。还应该考虑频率稳定、电压稳定和线路传输极限破坏等问题，紧急控制系统必须包含中央和局部控制以及二者之间协调。所以，它应该从考虑综合效果角度出发，应用具备一切控制伎俩，以协调方式去影响发电、输电和负荷。电力系统紧急控制培训课件第34页俄罗斯集中紧急预防自动控制（CEPAC）系统代表了当前世界上最高水平。它成功运行经验是值得借鉴和学习。而加拿大魁北克系统预防极端偶然事故防卫计划又给我们提供了一个经典范例。在开放电力市场下深入增加了电力传输系统压力，应该借助紧急控制系统来确保电力系统可靠性。电力系统紧急控制培训课件第35页电力系统紧急控制电力系统紧急控制第二部分第二部分 理论和方法理论
25、和方法电力系统紧急控制培训课件第36页0引言引言实现集中紧急预防控制系统预预先先需需要要两两个个条条件件:：提提供供控控制制系系统统所所需需要要基基本本数数据据；开开发发静静态态稳稳定定、暂暂态态稳稳定定和和电电压压稳稳定定计计算算方方法法；紧紧急急事事故故发生后控制策略。发生后控制策略。许多当代电力系统已在正常运行条件下到达高度自动化水平，具备数据采集、状态预计和信号处理功效。给集中紧急预防控制系统提供基础在线控制数据能力已经具备。然而，关于紧急预防控制方法和算法即使取得了较大进展，不过还不十分完善。电力系统紧急控制培训课件第37页 进行任何稳定性控制前提是对系统（包含在控制作用下）进行稳定
26、性定量分析稳定性定量分析。长久以来，紧急控制策略制订只能基于定性大量离线仿真计算结果，这就是传统“离线预想计算，实时离线预想计算，实时匹配匹配”方案2。这种方案缺点是离线计算工作量很大，适应电网运行方式改变能力较差，且因为离线制订控制策略时是按最严重情况考虑，详细实施时轻易过量，并可能发生失配3。所以，在线动态安全评价在线动态安全评价（DSA）成为极具挑战性课题。国内外学者在这方面进行了不懈努力，已经取得了大量结果4-37。电力系统紧急控制培训课件第38页 在线动态安全评定所得到结果（暂态稳定裕度、在线动态安全评定所得到结果（暂态稳定裕度、稳定极限和最大传输容量等）能够用于紧急事稳定极限和最大
27、传输容量等）能够用于紧急事故发生前预防控制，也能够用故发生前预防控制，也能够用“在线预想计算，在线预想计算，实时匹配实时匹配”方式来进行紧急事故发生后紧急控方式来进行紧急事故发生后紧急控制制16，18，20，26，27。然而，电力系统是复杂非线性大系统，经验表明应该采取集中和经验表明应该采取集中和分层协调紧急预防控制系统分层协调紧急预防控制系统1。在设计这种紧急预防控制系统时，除了确定整个控制系统框架或结构，还应该应用大系统控制理论处理一些关键问题关键问题：怎样在集中和分层控制基础上确怎样在集中和分层控制基础上确定控制目标、相关数学模型和适当现有控制伎定控制目标、相关数学模型和适当现有控制伎俩
28、。俩。显然，控制目标确实定是最基本。各层控制目标确定之后，也就提供了相关模型结构和适当控制伎俩配置基础。电力系统紧急控制培训课件第39页普普通通来来说说，局局部部控控制制处处理理对对局局部部有有直直接接影影响响、较较经经常常出出现现事事故故；集集中中或或中中央央控控制制处处理理对对系系统统范范围围有有影影响响、含含有有更更持持久久性性质质事事故故。在明确给定局部和中央控制目标之后，就能够依据这些目标计算现有控制伎俩策略和配置到对应控制层上。自然地，这就需要提供每层控制系统适当模型，即提供一个输入-输出映射：依据给定系统状态信息，指明满足性能目标适当控制作用。关于普通稳定控制策略研究在文件38，
29、39中已进行了较全方面综述，所以在本文中不再赘述，而着重介绍更含有紧急控制针对性分析方法和控制策略理论研究结果和最新发展趋势。电力系统紧急控制培训课件第40页1在线动态安全评价（在线动态安全评价（DSA）伴随偶然事故发生，电力系统能否经受住随即发生暂态和过渡到一个新稳态条件，以及在这种新稳态条件下全部电力系统元件是否运行在要求极限参数内，是电力系统安全评价主要内容。用暂态分析方法去评价用暂态分析方法去评价系统能否经受住这种过渡过程属于动态安全评价系统能否经受住这种过渡过程属于动态安全评价（DSA）范围。对于检验新稳态条件是否能够接收属）范围。对于检验新稳态条件是否能够接收属于静态安全评价（于静
30、态安全评价（SSA）范围）范围.当评价表明一些偶然事故出现造成电力系统进入紧急状态，则必须采取紧急预防和控制办法。静态安全评价是对稳态网络基于快速时尚计算结果，而动态安全评价主要内容是进行暂态稳定性分析。紧急控制对实时性要求很高，所以以下着重介绍在线动态安全评价所取得进展。电力系统紧急控制培训课件第41页在线动态安全评价方法主要分为三大类：人工智能法、暂态能量函数法和扩展等面积法。基于人工智能在线动态安全评价方法基于人工智能在线动态安全评价方法包含模式识别4、教授系统5、诱导推理6、人工神经网络1-9或含糊神经网络10等。基于人工智能方法首先对预想事故进行大量离线仿真计算，从中取得系统动态行为
31、中主要稳定性特征，然后结构一个分类器用来在线地对新、未可预见偶然事故进行正确分类。电力系统紧急控制培训课件第42页 相关暂态能量函数法研究已经有多年历史，并有大量结果面世11-15。暂态能量函数是经过暂态能量函数是经过在故障切除时刻系统暂态能量与临界能量相比在故障切除时刻系统暂态能量与临界能量相比较，直接评价系统暂态稳定性。较，直接评价系统暂态稳定性。二者之差称为能量裕度或稳定裕度。这种方法优点是：（a）能够提供系统稳定程度定量信息；（b）能够提供系统稳定裕度对系统关键参数或运行条件改变灵敏度分析；（c）对极限参数计算速度快，可快速扫描系统暂态过程；（d）利用稳定裕度能够确定紧急控制作用。为了
32、确定系统临界能量或稳定域，有所谓最靠近不稳定平衡点（UEP）法、相关不稳定平衡点（UEP）法、势能界面（PEBS）法和基于相关UEP电力系统暂态稳定分析（BCU）法。电力系统紧急控制培训课件第43页 在文件16中，提出了一个在线动态安全评价结构。该结构包含：状态监控、动态预想事故扫描、详细时域稳定性分析、紧急预防和校正控制。状态监控目标是经过实时数据和预测数据来确定系统当前状态。动态预想事故扫描基础是BCU分类器，从大量预想事故中选出少许紧急事故。然后利用快速和可靠暂态稳定（时域）仿真程序对遴选出少许紧急事故进行详细仿真。最终利用计算结果能够确定应该采取紧急预防和控制办法。文件19中也是利用暂
33、态能量函数法进行偶然事故扫描，但它采取了三个滤波步骤：用逸出点（EP）计算稳定性指标快速给出粗略、保守偶然事故排序，从中排除最稳定情况；然后用最小梯度点（MGP）深入滤出少许紧急事故；最终用相关不稳定平衡点（UEP）计算出这些少许紧急事故下系统准确能量裕度。电力系统紧急控制培训课件第44页 文件18深入提出了基于暂态能量函数改进算法，称为“第二次反冲”方法。它不但给出不稳定性情况下暂态能量裕度，而且还能给出稳定情况下暂态能量裕度，而且无须知道UEP。“第二次反冲”是指在仿真中深入考虑实际故障切除后一个较长固定时间段。这种方法结合了时域仿真和暂态能量函数优点，能给出系统稳定程度而不受模型限制。在
34、文件19中，深入介绍了暂态能量函数法新近主要进展。电力系统紧急控制培训课件第45页 扩展等面积法扩展等面积法建立在对可能失步分离为两群多机电力系统辨识上，先将两群电机等值，再深入等值为单机无穷大母线（OMIB）系统，然后应用适当等面积法则（EAC）判定暂态稳定性和稳定裕度。OMIB能够看成将多维多机动态方程组映射为一个动态方程一个变换。OMIB有不一样形式，取决于所采取电力系统模型和对每群电机行为假设。能够将OMIB分为三类：时不变、时变和普通化20。时不变OMIB是在以下假设条件得到：（a）采取简化电力系统模型；（b）每组内电机同调。所以得到OMIB动态方程为：。其中，M、Pm、Pmax和为
35、常数（在故障期间和故障切除后），所以称之为“时不变”OMIB。电力系统紧急控制培训课件第46页 其中，M、Pm、Pmax和为常数（在故障期间和故障切除后），所以称之为“时不变”OMIB。其特征为经典正弦曲线，能够应用众所周知传统EAC法则。在这方面先驱工作有薜禹胜扩展等面积法（EEAC）21以及Rahimi和schaffer“最坏情况”法22。时变和普通化OMIB去除了同调假设，而仍采取简化电力系统模型。所得到“时变”动态方程中，Pm、Pmax和不再是常数，Pa特征为分段正弦。这种时变OMIB被用于所谓动态等面积法（DEAC）中。电力系统紧急控制培训课件第47页 “普通化”OMIB动态方程为：
36、其Pa-特征不再是正弦曲线，参数、Pm和Pe是用时域仿真程序来求得，在每一时间步长将多机系统参数“凝聚”成OMIB参数。这么就综合了OMIB、时域仿真程序（能够采取任意复杂电力系统模型和对稳定性考虑以及对精度要求）和EAC优点。普通化OMIB不能得到时不变OMIB封闭表示式和极快暂态稳定性信息，不过远比时域仿真法快得多，更主要是，能够得到大量相关暂态稳定性信息。电力系统紧急控制培训课件第48页 近年来，在这方面取得了很大进展，提出了各种各样方法，如“混合”扩展等面积法（MEEAC）、混杂扩展等面积法（HEEAC）、集成扩展等面积法（IEEAC）、FASTEST、SIME等23-25。这些方法在
37、许多方面有所差异，如电机分离方式辨识、OMIB参数刷新、稳定和不稳定裕度计算、稳定极限评价、偶然事故滤波等，不过都建立在普通化OMIB这个概念基础之上。文件26首次提出了基于EEAC“在线预想计算、实时匹配”在线紧急控制框架，而在文件27中深入提出了在线暂态稳定控制系统实现方案。电力系统紧急控制培训课件第49页除了以上三类主要在线动态安全评价方法之外，近年来在基基于于系系统统暂暂态态轨轨迹迹分分析析动态安全评价方法研究上也取得了新进展。文件28，29提出一个利用系统暂态轨迹几何性质来在线决定稳定新方法。这种方法经过检测发电机角度、角速度和角加速度，辨识系统故障后轨迹所在曲面凹、凸性，从而快速、
38、可靠地判断稳定性。文件30基于同调概念，以同调机机群中每台电机相对惯性中心（COI）转子角作为偶然事故扫描暂态条件严重程度性能指标。文件31深入提出以故障切除后功率失配向量与电机角速度点积、功率失配向量与电机转子角点积、电机转子角与角加速度点积作为性能指标。文件32-35采取暂态轨迹灵敏度分析进行动态安全评价，并可分析各种参数改变对系统大干扰行为影响。另外，暂态稳定响应信号能量分析暂态稳定响应信号能量分析是另一个在线动态安全评价方法36。它不但用来快速确定暂态稳定极限，还能够同时预计暂态稳定和电压稳定极限37。电力系统紧急控制培训课件第50页2紧急预防和控制策略理论研究紧急预防和控制策略理论研
39、究 如前所述，在设计集中和分层协调紧急预防控制时，在确定了整个控制系统框架和各层控制目标之后，就需要建立对应数学模型和确定适当控制设施控制策略。因为电力系统是地域分布很广复杂非线性大系统，而且紧急控制实时性要求很高，这就要求尽可能采取简化模型和尽可能采取简化模型和防止采集远方信息，而且采取非线性控制理论防止采集远方信息，而且采取非线性控制理论作为控制策略设计依据作为控制策略设计依据。对于普通稳定控制策略（包含不依赖于数学模型人工智能控制方法）在文件38，39中已经有较全方面综述，在本文不再赘述。以下着重介绍相关紧急控制建模和非线性控制问题。电力系统紧急控制培训课件第51页2.1紧急控制数学模型
40、 电力系统数学模型有各式各样形式，取决于所要研究现象和处理问题。普通来说，对最关心普通来说，对最关心现象和元件进行详细描述，而对其余元件作某现象和元件进行详细描述，而对其余元件作某种程度近似。种程度近似。这么有利于降低计算复杂性和计算负担，更加好地了解所关心问题和设计出简单、轻易实现控制器40。下面将分别叙述：大规模动力学系统降阶模型、观察解耦状态空间模型和基于辨识方法低阶模型。电力系统紧急控制培训课件第52页2.1.1大规模动力学系统降阶模型大规模动力学系统分层或分散控制结构建立在将将复复杂杂动动力力学学模模型型分分解解为为一一组组低低阶阶模模型型基础上，与此同时，在一定程度上上将将局局部部
41、现现象象和和非非局局部部现象分离现象分离41。有以下降阶方法：(a)集结法集结法：用一个保留了系统关键特征低阶系统模型代替原来复杂高阶系统模型。这些关键特征能够是对给定一类输入有最小输出误差、有等价阶跃响应或保留有一样主振荡模态（特征值）42-43。电力系统紧急控制培训课件第53页(b)将将强强耦耦合合系系统统解解耦耦奇奇异异扰扰动动法法：这种方法主要用于含有两组快、慢时标系统进行解耦，而在不一样时间范围内对两个子系统分别优化，从而组成了分层控制结构基础44。电力系统中有许多现象都表现出多时标现象，如故障后暂态响应中远离故障点机组“同调”性质。这种“同调”概念被广泛用于暂态能量函数法和扩展等面
42、积法中。(c)将弱耦合系统解耦非奇异扰动性将弱耦合系统解耦非奇异扰动性：这种方法允许将特征值差异较大子系统进行解耦，从而能够进行完全分散控制45，46。电力系统紧急控制培训课件第54页2.1.2观察解耦状态空间模型Zaborszky等依据紧急控制特点定义了一个新状态空间：“观察解耦状态空间”或“局部平衡状态空间”47。局部平衡状态空间是传统状态空间独特非线性变换。它含有以下性质：(a)经过局部测量和少许计算就能够计算或预计观察解耦状态向量；(b)新状态空间原点就是平衡点，所以驱动每个局部母线变量到新状态空间原点就可到达系统平衡；电力系统紧急控制培训课件第55页(c)观察解耦状态是紧急状态是否存
43、在及其严重程度瞬时指示器；(d)在控制中心，经过观察解耦状态能够辨识动态事件及其在系统中蔓延。依据观察解耦状态空间模型，Zaborszky等深入提出了用局部控制器来稳定整个系统控制策略。如“范数减小控制”，即单调地减小观察解耦状态每个分量范数。或者经过计算故障期间过剩动能来确定制动电阻等控制量48，49。另外，Meisel等也采取了局部平衡状态空间修正方式，如“改进戴维南平衡框架”、“改进局部平衡框架”等。并在此基础上，采取能量函数法或最优目标控制策略也能够经过局部测量驱动电机抵达系统动态稳定平衡点50，51。电力系统紧急控制培训课件第56页2.1.3基于辨识方法低阶模型研究小干扰稳定或低频振
44、荡问题，通常采取线性化分析技术52。首先需要建立线性化状态空间模型，然后进行特征值分析和控制器设计。然而经典电力系统状态方程维数很高，需要专门仿真工具计算和不停地更新模型。所以近年来应用辨识方法导出线性化模型研究受到重视，并取得一系列结果53-62。这种方法是利用非线性时域仿真或现场测量数利用非线性时域仿真或现场测量数据直接导出简单、准确低阶线性化模型据直接导出简单、准确低阶线性化模型。所采取辨识方法有：Steiglitz-McBride算法53、特征系统实现算法（ERA）54和Prony算法55。电力系统紧急控制培训课件第57页Steiglitz-McBride算法是对传递函数系数调整迭化计
45、算。ERA算法是经过系统脉冲响应，对Hankel矩阵进行奇异值分解。Prong算法则是用指数项加权和来拟合一个信号。在文件56-58中对这些算法实现进行了较详细阐述。文件59深入对三种辨识方法性能作了比较，认为Prong和ERA算法辨识线性系统含有相同特征，并在辨识机电振荡邻域内迫近实际系统；在较复杂测试系统中，Steiglitz-MCBride算法性能不如其它两种算法。这些辨识模型实际价值已在PSS、FACTS等阻尼控制器设计中得到表达60-62。另外，文件63也提出一个用多步递归最小二乘法辨识系统简单等值模型方法，并用于采取励磁和快关汽门紧急控制64。电力系统紧急控制培训课件第58页2.2
46、紧急控制策略2.2.1最优目标策略（OAS）Barnard基于系统轨迹概念提出非线性系统最优目标控制策略65，66是将状态向量X（t）驱动到一个目标状态X0（t）。该目标状态能够是系统平衡状态或其它适当选择目标。控制策略是经过代数优化方法，使导数状态向量（t）和参考向量X（t）-X0（t）之间夹角最小，从而将当前状态X（t）驱动到目标状态X0（t）。另一个目标策略是使范数最小。这种控制策略还允许考虑控制极限物理约束。OAS优优点是能得到封闭形式最优解，形成闭环自适应点是能得到封闭形式最优解，形成闭环自适应反馈控制，能够应用于普通非线性系统反馈控制，能够应用于普通非线性系统。电力系统紧急控制培训
47、课件第59页文件50，51，67-69在观察解耦状态空间模型或改进局部平衡框架基础上，应用OAS进行多机系统紧急控制，而只需要局部测量数据。控制伎俩能够采取励磁、快关汽门、制动电阻和串联电容器等。文件51还提出了多机系统分层控制结构，当地控制器采取OAS，而区域协调控制器接收来自各个当地控制器信息，确定希望控制功率，并依据某种优化策略对现有控制伎俩进行配置并实现控制。文件68，69依据第一摇摆稳定性和多摆稳定性不一样特点，制订不一样控制目标，而将OAS扩展最优改变目标策略（OVAS），用来处理多机系统暂态稳定性和再同时控制问题。电力系统紧急控制培训课件第60页2.2.2微分几何控制传统将非线性
48、系统线性化方法都是采取在运行点附近局部线性化方法，不适合于大干扰情况。使所设计控制器对各种工况不具备鲁棒性，而大范围准确线性化微分几何控制则克服了这一缺点。从实用观点来说，微分几何控制关键是微分几何控制关键是反馈准确线性化，它经过局部微分同胚变换，反馈准确线性化，它经过局部微分同胚变换，对仿射型非线性系统在满足可控性、矢量场生对仿射型非线性系统在满足可控性、矢量场生成、对合性和凸性四个条件下，将非线性系统成、对合性和凸性四个条件下，将非线性系统化为线性控制问题化为线性控制问题70。电力系统紧急控制培训课件第61页卢强等首次将微分几何控制用于电力系统中71。随即，许多学者对电力系统微分几何控制进
49、行了大量研究，并取得了许多有意义结果，已将这种控制方法用于发电机励磁、快关汽门、电力系统稳定器、交直流联合输电系统、静止无功发生器、可控串补、移相器、统一时尚控制器等灵活交流输电系统装置控制72-76。文件77较全方面地总结了电力系统微分几何控制基本方法及其在电力系统中多方面应用与控制器设计方法。电力系统紧急控制培训课件第62页尤其指出是，微分几何控制与解耦控制有着极为主要联络。文件75，76基于微分几何控制理论或直接反馈线性化设计了多机系统分散最优励磁控制器，只需要当地信息就能实现，其控制规律与系统网络参数无关，且适合用于大范围运行和大干扰情况。文件78，79基于直接反馈线性方法用便于测量状
50、态向量Vt，Pe代替传统状态向量，Pe，不但是提升了系统暂态稳定性，还兼顾了系统电压控制电力系统紧急控制培训课件第63页2.2.3鲁棒控制和结构奇异值分析（分析）经典控制理论并不要求被控制对象准确数学模型，主要设计方法是基于现场测得被控制对象频率特征曲线来设定串并联赔偿器参数，然后经过现场重复调试使系统满足设计指标。而以LQG最优控制理论为代表当代控制理论，则完全依赖于描述被控对象动态特征数学模型。鲁棒控制在设计过程中考虑了数学模型所含有不确定误差，假设模型频率特征与实际被控对象频率特征，或者模型参数与实际对象参数含有一定范围内偏差，然后用解析伎俩设计控制器使得系统对这一误差范围内全部被控对象